Ультразвуковая сварка: технология сварки пластмасс и металлов

Оборудование для ультразвуковой сварки пластмасс Telsonic Ultrasonic AG, которое мы предлагаем, уже востребовано такими мировыми брендами, как BMW, Mercedes-Benz, Bosch, 3M, Tetra Pak, DuPont, Gillette, Philips, а также крупными российскими предприятиями — Аквафор, Димитровградский автоагрегатный (фильтры для воды «Барьер») и многими другими. Качество, оптимизация процессов, экономия — всё это играет важную роль в успехе и стабильности этих компаний. И продукция Telsonic Ultrasonic AG полностью отвечает их высоким запросам.

Ультразвуковая сварка материалов

С помощью ультразвука можно выполнить сварку различных материалов. Возможна следующая ультразвуковая сварка материалов:

1. Различные металлы;
2. Пластмассы;
3. Керамика;
4. Кожа;
5. Ткань;
6. Стекло.

С помощью ультразвука можно не только соединять однородные металлы, но и разнородные. Например: с помощью ультразвука можно соединить металл со стеклом, а пластмассу с кожей.

Но не все разнородные материалы можно качественно между собой соединить. Иногда приходится использовать алюминиевую прослойку или другие материалы.

В любом случае лучше всего себя показывает сварка металлов и пластмасс.

Сварка пластмассы ультразвуком

Работа с металлическими деталями

Благодаря легкости применения, ультразвуковая сварка металлов в последнее время начинает применяться все чаще. Есть у нее и ряд ряду преимуществ над контактной и холодной сваркой. Она является чрезвычайно полезной и при работе с микроэлектроникой.

Данная технология имеет некоторые схожие особенности с холодной сваркой сдвигом. Неразъемная связь металлов возникает за счет одновременного воздействия механических колебаний повышенной частоты и небольшого уровня сдавливающих усилий.

Ультразвуковую сварку металлов можно производить при более низком уровне температур, что дает возможность без ущерба соединять термочувствительные элементы.

Она позволяет сваривать между собой детали разной толщины и разнородности (например, сварить медь и алюминий, алюминий и никель и т.п.). Прочность, получаемая таким способом, достигает порядка 70% от прочности самого материала.

Металлические изделия можно также сваривать с композиционными, керамическими, стеклянными материалами, полупроводниками. Не менее успешно свариваются тугоплавкие металлы.

Ультразвуковая сварка пластмасс

Процесс ультразвуковой сварки пластмасс можно разделить на несколько этапов:

К первому этапу можно отнести процесс воздействия на материал ультразвуком. От этого процесса происходит движение молекул, а следовательно нагрев пластмассы. Нагрев происходит на участке будущего соединения двух деталей.

Ко второму этапу можно отнести остывание двух деталей. После этого получается неразъёмное соединение.

Такое устройство бывает 2-х видов:

1. Механическим;
2. Ручным.

При механическом способе аппарат перемещается самостоятельно без помощи оператора. Его задача задать нужные параметры сварки.

При ручном способе сварщик должен сам выполнять процесс сварки.

В зависимости от толщины металла и выбранного материала, ультразвуковая волна бывает:

1. Непрерывная;
2. Импульсная.

Непрерывная волна всегда идёт непрерывно. Импульсная волна обрывается на определённое время.

По подачи энергии устройство ультразвуковой сварки пластмасс бывает:

1. Односторонним;
2. Двусторонним.

Односторонняя подача энергии применяется для соединения конструкций большого сечения.

Двусторонняя подача энергии нужна для соединения деталей из пластмасс небольшого сечения.

Достоинства и недостатки у ультразвуковой сварки пластмасс

У ультразвуковой сварки пластмасс есть следующие достоинства:

1. Качественное и герметичное соединение;
2. Возможность сварки пластмасс без предварительной подготовки деталей;
3. Возможно сваривать различные типы пластмасс;
4. Не требуется дополнительных присадочных материалов;
5. Отсутствие излучения;
6. Высокая производительность;
7. Низкая себестоимость.

К недостаткам ультразвуковой сварки можно отнести:

1. Невозможно контролировать качество шва во время сварки;
2. На качество влияют настройки оборудования.

Сварка медного кабеля ультразвуком

Ультразвуковая сварка металлов

С помощью ультразвука можно сваривать не только пластмассы, но и металлы. Ультразвуковая сварка металлов происходит при низких температурах, по сравнению со сваркой плавлением. Поэтому такой способ соединения металла более предпочтителен в тех случаях, когда перегрев двух деталей недопустим.

Ещё одним достоинством ультразвуковой сварки металлов является то, что она способна сваривать разнородные металлы. Особенно те, которые плохо свариваются между собой: алюминий с никелем, алюминий с медью и другие металлы. Причём такое соединение получается довольно надёжным.

Кроме сварки разнородных сталей, можно варить сталь с пластмассой, керамикой и стеклом.

Аппараты для ультразвуковой сварки

Все аппараты для ультразвуковой сварки можно разделить на несколько видов:

1. Точечные;
2. Шовные;
3. Контурно-передаточная.

Ультразвуковая точечная сварка выполняет соединение двух деталей точечно. Оператор после подачи импульса в нужное место, перемещает заготовку или оборудование. После этого снова подаётся импульс в нужном месте на изделие.

Не смотря на такое перемещение заготовки или оборудования, сварщик может довольно быстро выполнить сварку на большой площади изделия. При этом расстояние между точками можно контролировать вручную.

Шовная УЗС применяется для получения неразъемного соединения деталей внахлёст. Такой аппарат ультразвуковой сварки пропускает между своих роликов заготовку. Именно через ролики происходит подача ультразвуковой волны на поверхность изделия.

Контурно-передаточная УЗС является более универсальной, по сравнению с шовной сваркой. Такая машина ультразвуковой сварки способна соединять изделия любой конфигурации. При этом делится ещё на два вида:

1. Контурную;
2. Передаточную.

Контурная УЗС служит для соединения тонколистового металла внахлёст.

Передаточная УЗС является более сложным решением, так как способна генерировать ультразвуковой импульс в нескольких точках сразу.

Как работать с аппаратом ультразвуковой сварки

1. Для начала нужно включить сам аппарат УЗС.
2. Собрать и выставить две детали. Для удобства можно использовать струбцины или зажимы.
3. Опустить электрод на поверхность заготовки и пустить ультразвуковой импульс.
4. Выдержать детали под прессом определённое время. Время выбирается в зависимости от свариваемого материала, формы и толщены изделия.
5. Убрать электроды.

В зависимости от особенностей аппарата ультразвуковой сварки, операции могут немного отличатся друг от друга. При шовной сварке ролики могут автоматически начать вращаться, при этом автоматически подав электрический импульс.

При ручном способе сварки, оператор самостоятельно прижимает электрод к заготовке. Обычно это точечная ультразвуковая сварка. Нажатием на кнопку или курок подаётся электрический импульс на электрод.

Возможные дефекты

Все способы сварки могут иметь определённые дефекты. И УЗС не исключение. Дефекты могут быть вызваны многими факторами:

1. Изношенность электродов;
2. Неверно выставленные режимы;
3. Ошибки допущенные оператором или сварщиком.

Возможны следующие дефекты:

1. Непровар. Встречается часто. Причина неверно выбранные режимы. В основном непровары происходит из-за низкой интенсивности ультразвуковой волны и времени выдержки электродов под давлением. Это может произойти, если две детали имеют разную толщину. Из-за этого не удаётся прогреть более толстую деталь.
2. Прожих. Возникает из-за завышенных режимов и плохого охлаждения системы. При высокой интенсивности звуковой волны и передержки двух деталей, может возникнуть прожиг в любом материале.
3. Подрезы. Причиной может быть износ электрода или чересчур завышенное давление на изделие. Обычно это возникает при сварке пластмасс или любых других мягких материалов. Чтобы этого не происходило, нужно следить за рабочей поверхностью электродов. При необходимости их менять или затачивать.

Что можно производить на станках ТВЧ

Станки ТВЧ-сварки сваривают материалы, содержащие ПВХ. На них можно производить: медицинские изделия, упаковку, надувные изделия для спорта и отдыха, натяжные потолки из пленки (в т. ч. приварить гарпун), спец. одежду, тенты, баннеры, палатки, блистеры, канц. товары, чехлы и многое другое.

Станки ТВЧ просты в эксплуатации и окупаются за несколько месяцев. При этом, как мы видим, на них возможно производство продукции с большим ассортиментом. Также несомненными плюсами этих станков являются их надежность, универсальность и компактность.

К сожалению, сваривать ТВЧ можно только те термопласты, фактор диэлектрических потерь которых не меньше сотых долей единицы. Неполярные вещества (такие как полиэтилен, полипропилен, полистирол) не годятся для высокочастотной сварки.

Ограничения

Самым главным ограничением, на которое стоит обратить внимание, является размер изделий, свариваемых таким способом. Он не должна составлять более 250 мм (в длину, ширину, высоту).

Требование к размерам связано с тем, что выходная мощность датчика имеет свои пределы, нет возможности выдавать слишком большую мощность ультразвуковых волн, а так же с проблемами при контроле амплитуды колебаний.

Материалы, для соединения которых применяют ультразвуковую сварку, должны быть сухими. Иными словами иметь содержание влаги в них должно быть минимальным, иначе лучше использовать вибрационную сварку.

Для крепления толстостенных деталей не имеет смысла применять ультразвуковую сварку. Хотя бы один из соединяемых элементов должен быть легким, поскольку он поглощает в себя большое количество энергии.

Преимущества и недостатки

При использовании данного вида сварки наблюдается высокий уровень производительности и низкий уровень затрат, напряжение не подводится непосредственно к точки сваривания, что позволяет избежать радиопомех.

Появляется возможность выполнять швы в разнообразных условиях и разных масштабов, совмещать несколько процедур (сваривать в одной точке и резать в другой). Если правильно подобрать режим сварки, то место соединения будет незаметно, кроме того, нет необходимости применять какие-то дополнительные реактивы или приборы.

По сравнению с вышеперечисленными плюсами ультразвуковой сварки, недостатки не выглядят так критично. Низкая мощность сварки вызывает необходимость использовать двухсторонний способ подвода энергии. Также нет возможности контролировать качество шва на достаточном уровне.

При выполнении сварочных работ своими руками нужно использовать табличные данные, в которых указаны все необходимые параметры, которые нужны для высококачественной ультразвуковой сварки.

Мощность УЗ

Ультразвуковая сварка пластика обеспечивает неразъемное соединение за счет совместного действия высокочастотных механических колебаний и сравнительно небольшой сдавливающей силы. Этот метод имеет много общего с холодным способом. Мощность УЗ, которую можно передать через среду, будет зависеть от физических свойств последней. При превышении пределов прочности в зонах сжатия, твердый материал разрушится. В аналогичных ситуациях в жидкостях возникает кавитация, сопровождающаяся появлением мелких пузырьков и их последующим захлопыванием. Вместе с последним процессом возникают местные давления. Такое явление используется при очистке и обработке изделий.

Особенности процесса

Сварка ультразвуковая способствует формированию необходимых условий для соединения. Это обеспечивается за счет механических колебаний преобразователя. Благодаря энергии вибрации создаются сложные напряжения среза, сжатия и напряжения. Пластическая деформация возникает при превышении пределов упругости материалов. Получение прочного соединения обеспечивается за счет увеличения площади непосредственного соприкосновения после эвакуации поверхностных оксидов, органических и адсорбированных пленок.

Толщина деталей

Она ограничена верхним пределом. При увеличении толщины металлической заготовки нужно применять колебания с большей амплитудой. Это позволит компенсировать потерю энергии. Увеличение амплитуды, в свою очередь, возможно до определенного предела. Ограничения связаны с вероятностью возникновения усталостных трещин, больших вмятин от инструмента. В таких случаях следует оценить, насколько целесообразна будет ультразвуковая сварка. На практике метод используется при толщине изделий от 3…4 мкм до 05…1 мм. Сварка может использоваться и для деталей с диаметром 0.01…05 мм. Толщина второго изделия может быть существенно больше первого.

Специфика применяемого оборудования

Оборудование, применяемое для сварочных работ с ультразвуком, подразделяется на аппараты, которые обеспечивают точечную контурную прессовую, шовную и шовно-шаговую сварку.

Мощность таких машин колеблется в диапазоне от 100 до 1500 Вт, а работают они чаще всего на частоте 20000 – 22000 Гц.

Ключевым элементом конструкции оборудования можно назвать электромеханическую колебательную систему. Ее основным назначением является преобразование задаваемых генератором электрических колебаний в механические при неизменной частоте. Данная система определяет уровень и способ передачи энергии к точке сварки, устанавливает скорость осуществляемых колебаний.

Преобразователь

Важной частью ультразвукового аппарата для сварки является магнитострикционный преобразователь. Обычно его выполняют двухстержневым, используя для этого тонкие металлические пластины из магнитострикционного материала, что позволяет снизить потери.

Наиболее оптимальными материалами, из которых делают преобразователи, считаются сплавы железа и кобальта. Также достаточно часто для комплектации пакетов в магнитострикционных преобразователях используется никель.

Он обладает всеми необходимыми для этого свойствами (достаточное удлинение, высокая прочность, меньше подвержен коррозии и его легко паять). Обычно для охлаждения этого элемента используется проточная вода.

Трансформатор

Главной функцией трансформатора упругих колебаний является процесс согласования характеристик работы преобразователей и волновода.

Он позволяет повысить частоты колебаний на выходе волновода. Чаще всего применяются ступенчатые трансформаторы, которые обладают высоким коэффициентом усиления (от 4 до 6). \

Волновод-инструмент усиливает частоту сдвига выходного торца трансформатора и передает энергию к точке, в которой проводится сварочная работа. Его рабочая поверхность исполняется в той форме, которая оптимально подходит для свариваемой детали и типа применяемой ультразвуковой сварки.

Материал, который применяется для выполнения волновода и трансформатора, обязан иметь хорошие свойства упругости, низкую степень затухания, хорошую степень обрабатываемости с применением резания.

Не менее важной составной частью ультразвуковой машины является и опора. Она применяется с целью фиксации деталей при проведении сварочных работ. Иногда она может использоваться как элемент для нагрева и охлаждения, выполняться в виде датчика для более точного контроля над процессом сварки. Этот элемент оборудования должен иметь возможность для перемещения, для чего используется автоматический привод.

Специфика поведения материала

Тангенциальные перемещения между деталями и напряжения, которые вызываются ими и действуют вместе со сжатием от силы сварки, обеспечивают локализацию интенсивной пластической деформации в небольших объемах в приповерхностных слоях. Весь процесс сопровождается размельчением и механической эвакуацией оксидных пленок и прочих загрязнений. Сварка ультразвуковая обеспечивает снижение предела текучести, благодаря чему облегчается пластическая деформация.

Выделение тепла

При проведении ультразвуковой сварки выделяется тепло в точке воздействия аппарата. Это происходит за счет образования трения между поверхностями контактируемых материалов, а так же за счет пластических деформаций, без которых любая сварка не обходится.

На повышение температуры в месте сварки влияет твердость материала, его тепловая емкость и тепловая проводимость. Особое влияние на нагрев оказывает режим сварки.

Стоит отметить, что рост температуры при ультразвуковой сварке сильно не сказывается на качестве соединения. Практические исследования показали, что наивысший уровень прочности достигается раньше, чем максимальная температура при этом процессе.

Если предварительно прогреть изделие, то это позволит уменьшить время пропускания ультразвуковых колебаний и приведет к повышению прочности получаемого при сварке соединения.

Подготовка изделий и параметры режима

Перед выполнением ультразвуковой сварки каких-либо сложных мероприятий с поверхностью деталей осуществлять не нужно. При желании можно повысить стабильность качества соединения. Для этого целесообразно только обезжирить изделие растворителем. Для соединения пластичных металлов оптимальным считается цикл с запаздыванием импульса относительно момента запуска ультразвука. При сравнительно высокой твердости изделия целесообразно дождаться небольшого нагрева, прежде чем включать УЗ.