Ультразвуковая сварка металлов — принцип действия аппарата

Для того чтобы сделать высококачественное и прочное сварное соединение, необязательно использовать электродуговую сварку и расплав двух поверхностей. Соединить две конструкции или материала можно и с помощью высокочастотного ультразвука. В данной статье мы разберемся с тем, что такое ультразвуковая сварка, как она работает и какие сопутствующие приспособления необходимы для осуществления технологического процесса.

Принцип действия ультразвуковой сварки 

Сам сварочный аппарат представляет собой высокочастотный генератор ультразвука, с помощью которого можно соединять пластик, стекло и металл, любые полимеры, кожу и прочую фурнитуру, обладающую цельной структурой.

К двум поверхностям подается ультразвук с частотой 18-180 кГц и мощностью 0,01 — 10 кВт, который приводит молекулы на поверхности материала в движение. Сначала происходит разрушение оксидной пленки, а после разогрев от ультразвука проникает глубже в «голую» поверхность. Образуются общие зерна для двух схватываемых материалов, так и происходит «сварка».

Дополнительный эффект от воздействия частотного ультразвука может быть усилен наложением тепла от внешнего источника.

Виды УЗС

Сварка ультразвуком осуществляется несколькими методами, которые применимы для конкретных материалов и имеют индивидуальный принцип действия. Во всех случаях тепловое воздействие возникает при подаче к поверхности ультразвука, но с разным диапазоном, временем наложения и пульсацией.

Прерывная и непрерывная

В данном случае сварочным аппаратом моделируются или пульсирующие воздействия ультразвуком, или непрерывные. В этом случае два материала накладываются встык или внахлест. Чаще всего такими способами сваривают тонкий пластик или гибкие полимеры.

Прерывная сварка позволяет создавать соединения, которые обеспечивают поверхностное проникновение материалов, непрерывная позволяет стыковое соединение полимеров.

Точечная сварка

Точечным приложением ультразвука чаще всего соединяют кожу, различные пленки и гибкие материалы. В данном случае соединение представляет собой «горячую клепку», когда между точками соединения есть свободное, незакрепленное пространство, однако на крепость «сварки» это не влияет.

Роликовая сварка

Такой метод несколько отличается от всех, которые предложены в контексте ультразвуковой сварки. Ультразвук подается не к свариваемым поверхностям, а к специальному подвижному ролику, который прогревается и надежно скрепляет тонкие полимеры. С помощью ролика можно качественно соединить две целлофановые пленки, полистирол и вспененный пенопласт.

Сварка по контуру

На две поверхности накладывается специальный контур в виде вытянутого прямоугольника, тонкие гибкие материалы зажимаются между ними. Под воздействием ультразвука происходит взаимное проникновение одного материала в другой. Таким образом «свариваются» два одинаковых или разновидовых полимера, кожа, ткани с полимерной составляющей, кожаный заменитель.

Суть получения швов ультразвуком

На материал в итоге воздействия ультразвуком осуществляется следственное диффузионное и температурное воздействие.

Опишем суть процесса последовательно:

• Из специального импульсного генератора ультразвука по кабельному вводу подается ультразвуковое колебание.
• Перед инструментом образуется поле короткой передачи, которым воздействуют на материалы. Если речь идет о роликовой или контурной сварке, то используются дополнительные приспособления. В остальных случаях специальный электрод.
• На поверхности образуется взаимное трение молекул и разогрев. Данное явление объясняется диффузионными явлениями законов физики.
• Исчезает оксидная пленка, при этом от поверхности может появиться струящийся дымок. Начинается трение молекул чистовых поверхностей.
• При трении происходит взаимное проникновение и образование структурных зерен.

Преимущества

• Поверхности необходимо только обезжирить, очистку можно не производить, все равно верхний слой будет разрушен ультразвуком.
• Тепло налагается только в зоне сварки – это позволяет безопасно без дополнительного нагрева обрабатывать полимеры.
• Процесс сварки можно осуществлять на расстоянии удаления инструментов до 20 см. 
• Эффективность сварки в труднодоступных местах.
• Не выделяются вредные испарения.
• Нагрев осуществляется за доли секунды – такова специфика нагрева ультразвуком.
• Возможно осуществить сварку листов и пленок толщиной до 0,001 мм. 

Недостатки

• Данные устройства дорого стоят, самый дорогостоящий элемент – высокочастотный звуковой генератор.
• Толщина свариваемых поверхностей имеет малый диапазон.
• Если сваривается пластик, то необходимо обязательное сжатие.

Воздействие ультразвука на материал деталей

Как уже было сказано, ультразвук воздействует на материалы, приводя к их нагреву, поверхностному трению молекул и соединению. Это касается легкоплавких тонких металлов, полимеров и прочей фурнитуры.

На цельнометаллические изделия ультразвук не может воздействовать разрушающе, именно на этом явлении обоснован метод ультразвуковой дефектоскопии.

Используемое оборудование

Генератор звука состоит из следующих элементов:

• Электрический пьезоэлемент (пьезо сварка).
• Магнитострикционный преобразователь. 
• Термомеханический преобразователь.
• Трансформатор упругих колебаний.

Соединенные последовательно они преобразуют и диффузируют электрический ток в амплитудно-звуковые колебания с короткой длиной волны распространения.

Параметры сварочного оборудования

Ультразвуковой сварочный аппарат использует параметры частоты и мощности тока, которые варьируются в диапазонах от:

• 18-180 кГц.
• 0,01 — 10 кВт.

Сферы использования УЗС

В настоящее время ультразвуковые устройства применяются для сварки пластиковых (пластмассовых) элементов и тонкостенных металлов.

В настоящее время такой метод используется для соединения изделий автомобильных кузовов, в робототехнике, медицине, авиастроении и производстве высокоточных приборов.

Применение УЗС в промышленности

В настоящее время в индустриальном секторе оборудуются целые цеха с привлечением квалифицированных работников для работы с ультразвуковыми сварочными машинами.

Метод позволяет производство практически любых многосоставных изделий из пластика, пайку трубопроводов, также осуществляется обработка листового цветного металла. Это открывает широкие перспективы для применения ультразвуковой сварки металлов.

Как сделать аппарат для ультразвуковой сварки своими руками

Для изготовления понадобятся следующие элементы:

• Трансформатор, работающий на понижение.
• Корпус и крепеж.
• Медная проволока с сечением не менее 35 мм.
• Слесарно-измерительный инструмент.

Ультразвуковой генератор для сварки схема сборки:

1. Подбор корпуса, лучше всего использовать корпус зарядного устройства для автомобиля.
2. Установка трансформатора в корпус. Его можно приобрести в магазине, нужный диапазон от 200 до 1000 Вт.
3. Монтаж кабеля электропитания и защитных реле. Для этого используется обычный токопроводящий кабель с возможностью выдерживать напряжение в 220 В.
4. Монтаж выводных клемм. Для клемм можно использовать два шурупа из токопроводящего металла.
5. Монтаж держака. Применяется графитовый стержень с намоткой из медной проволоки. Графит прекрасно передает звуковые колебания, а медная проволока является отличным проводником тепла.

Данное устройство представляет типичный аппарат, способный осуществлять ультразвуковую контактную сварку металлов. Графитовый стержень передает ультразвуковые высокочастотные колебания, которые ограничиваются поверхностью графита. Кстати, для изготовления можно использовать графитовые электроды, которые можно извлечь из отработанных батареек. Графит нагревает ультразвуком медную намотку, которая и воздействует на тонколистовой металл.

В данной статье мы ознакомились с тем, что такое сварка ультразвуком металла и пластика. Используя базовые сведения, которые представлены, можно подобрать эффективный аппарат, правильно его использовать или сделать самостоятельно.