Ультразвуковая сварка

Ультразвуковая сварка - способ соединения различных материалов в твердом состоянии с помощью ультразвуковых колебаний.

Ультразвуковая сварка нашла применение для сварки металлических и полимерных листовых изделий.

Ультразвуковая сварка имеет еще и неофициальное название - "холодная сварка", и это не случайно.

Исследования позволяют предположить, что процесс сварки металла ультразвуком заключается в том, что под действием ультразвуковых колебаний металл в месте соединения переходит в особое квазижидкое состояние и перемешивается благодаря высокочастотной знакопеременной деформации. После выключения ультразвуковых колебаний металл вновь переходит в твердое состояние, образуя надежную связь между металлами. Глубина зоны интенсивной деформации и ее площадь зависят от режима процесса и силы прижима, с которой два изделия прижимаются друг к другу. Усилие сжатия обеспечивает передачу ультразвуковых колебаний и уплотняет металл в зоне интенсивных деформаций в момент выключения колебаний.

Толщина свариваемых металлических листов ограничена, и составляет величину порядка 1 мм. Даже для весьма пластичных металлов таких, как медь (Cu) и алюминий (Al) она не превосходит 1-3 мм.

Наибольшее применение ультразвуковая сварка нашла для соединения полимерных листовых изделий. Преимущество ультразвуковой сварки для соединения полимерных материалов заключается:

С помощью ультразвуковой сварки хорошо соединяются поликарбонат, полистирол, полипропилен, поливинилхлорид, искусственные кожи, натуральные ткани с синтетическими волокнами и многие другие материалы.

Принцип действия устройства для сваривания полимерных листов (пленок) заключается в следующем. Полимерные листы накладывают один на другой, плотно прижимают друг их к другу и к опоре, затем подводят, с необходимым усилием, к листам сварочный инструмент (наконечник), соединенный с ультразвуковым преобразователем, и включают генератор, приводящий в действие ультразвуковой преобразователь.

Сначала образуется физический контакт поверхностей и происходит активация полимерных молекул за счет разрыва химических связей, затем начинается химическое взаимодействие соединяемых материалов, переходящее в объемное взаимодействие в зоне соединения. Потери при деформировании полимерного материала с ультразвуковой частотой приводят к его нагреву до температур, соответствующих вязкотекучему состоянию (аморфные полимеры) или плавлению кристаллов (частично кристаллические полимеры). При этих температурах происходит диффузия отдельных сегментов макромолекул свариваемых полимеров, а в некоторых случаях - и перемешивание вязкотекучего полимерного материала. При соединении двух термопластов различных марок возникают химические превращения. Величина сегмента макромолекулы определяет свариваемость материала: чем больше сегмент ("жестче" макромолекула), тем лучше свариваемость.

Важным фактором, способствующим образованию качественного сварного шва, является наличие неоднородностей в зоне шва. Неоднородности играют роль концентратора термонапряжений в зоне шва и способствуют появлению сварочных "зародышей" - зон повышенной пластичности полимера. С точки зрения технологии сварки подобные "зародыши" желательно наносить на всем протяжении сварного шва. Практически, "зародышем" может являться искусственно нанесенный буртик в центре шва. Толщина свариваемых полимерных материалов сильно зависит от химического состава материала и достигает (для полиэтилена) 10-12 мм.

Ультразвуковая сварка может выполняться точечным и шовным методами. При выполнении точечного и шовного соединений размер сварной точки и шва может выбираться в широких пределах. Минимальный размер точек или шва ограничивается появлением чрезмерной деформации (продавливание материала), а максимальный - трудностью параллельной установки контактных поверхностей инструмента и опоры или мощностью преобразователя.

Ультразвуковая сварка, в основном, применяется для соединения деталей "внахлест".

Время сварки в ультразвуковых сварочных аппаратах лежит в пределах 0,2-4 сек или, соответственно, 100-200 мм/мин и определяется твердостью и толщиной свариваемых материалов. Контактное усилие и время сварки в определенных пределах связаны между собой обратной пропорциональной зависимостью. При одних и тех же условиях время сварки уменьшается при увеличении контактного усилия и наоборот, т.е., эти параметры могут до известной степени компенсировать друг друга.

Эксперименты показали значительное увеличение прочности сварного шва, полученного при сварке ультразвуком по сравнению с тепловым методом. Ширина шва равна ширине наконечника инструмента.

Недостатком ультразвуковой сварки является более высокая стоимость сварочного оборудования, которая, впрочем, с лихвой компенсируется универсальностью оборудования для различных видов сварки и, конечно, в первую очередь, качеством сварного соединения.

Технология ультразвуковой сварки реализуется с помощью ультразвуковых сварочных аппаратов.