Ultrazvučno zavarivanje

Ultrazvučno zavarivanje koristi visokofrekventne ultrazvučne akustične vibracije koje se primjenjuju na spojene dijelove koji se spajaju pod niskim tlakom. Ova metoda zavarivanja najčešće se koristi za spajanje termoplasta i kada spajanje vijcima, lemljenje ili lijepljenje nije prikladno.

Iako je ultrazvučno zavarivanje razvijeno još 1940-ih, prvi put se industrijski koristilo ranih 1960-ih za zavarivanje finih žica u elektroničkoj industriji. Godine 1963. ultrazvučno zavarivanje počelo se koristiti za lijepljenje polietilena. Od tada se ultrazvučno zavarivanje koristi za zavarivanje aluminija i tankih limova u automobilskoj industriji (moduli paljenja, terminalne žice, žice).

Spor proces prepoznavanja prednosti ultrazvučnog zavarivanja u industriji posljedica je nedostatka snažne ultrazvučne opreme koja može jamčiti dosljednu kvalitetu zavarivanja čak i za velike dijelove.Kao rezultat toga, istraživanja 1980-ih i 1990-ih uglavnom su bila usmjerena na razvoj ultrazvučne opreme.

Iako ultrazvučno zavarivanje koristi vibracije, ova se metoda razlikuje od "vibracijskog zavarivanja", također poznatog kao zavarivanje trenjem. U slučaju vibracijskog zavarivanja, jedan od dijelova koji se spajaju drži se na mjestu, a drugi oscilira (pomoću elektromagnetskog ili hidrauličkog pogona).

Ultrazvučno zavarivanje drži dva dijela na mjestu i koristi visokofrekventne zvučne valove za stvaranje trenja. Akustična energija stvara trenje i proizvodi toplinu koja rezultira zavarivanjem dijelova za manje od jedne sekunde, što ultrazvučno zavarivanje čini jednim od najbržih u upotrebi danas.

Proces ultrazvučnog zavarivanja potpuno je automatiziran i provodi se na posebnim instalacijama. Princip ultrazvučnog zavarivanja prikazan je na sl. 1, a sastav tipične instalacije prikazan je na sl. 2.

Riža. 1. Princip ultrazvučnog zavarivanja: a — poravnanje dijelova, b — kontakt dijelova s ​​vrhom, c — primjena pritiska, d — zavarivanje, e — držanje, f — podizanje vrha

Riža. 2. Dijagram montaže za zvučno zavarivanje

Generator (u zasebnoj jedinici) služi za pretvaranje električnih vibracija iz mreže u visokofrekventne (20 ... 60 kHz), pretvornik pomoću piezoelektričnih elemenata pretvara električne vibracije u akustične. Pojačalo i sonotroda su pasivni rezonantni elementi instalacije koji služe za prijenos vibracija sa pretvarača na dijelove.

Tipično, ultrazvučni strojevi za zavarivanje opremljeni su skupom pojačala s različitim omjerima transformacije pomaka.Oblik sonotrode određen je potrebnom konfiguracijom zavara. Uzdužne radijalne, rubne i druge valne oscilacije stvaraju se ovisno o obliku sonotrode. Svaki šav zahtijeva vlastitu sonotrodu.

Fizička bit procesa sastoji se u pojavi vrlo jakih vibracija male amplitude na kontaktu dva dijela. Vibracije u kombinaciji s pritiskom uklanjaju nečistoće i okside s površine dijelova. Elektroni počinju teći između dijelova, tvoreći metalurški šav.

Ultrazvučno zavarivanje idealno je za izradu električnih spojeva, zavarivanje aluminija i bakra, brtvljenje krajeva bakrenih cijevi, zavarivanje plastike, ugradnju metalnih dijelova u plastiku.

Riža. 3. Spojevi izrađeni ultrazvučnim zavarivanjem

Ultrazvučno zavarivanje plastike omogućuje pouzdanije spojeve od drugih metoda. U ovom slučaju, ultrazvučno zavarivanje plastike bitno se razlikuje od zavarivanja metala.

Prvo, ultrazvučno zavarivanje metala događa se pomoću poprečnih vibracija paralelnih sa zavarenim površinama. Ultrazvučno zavarivanje plastike koristi uzdužne vibracije koje su normalne (tj. pod pravim kutom) na površine koje se zavaruju. Oblik sonotroda, koji prenosi ultrazvučne vibracije na metalne i plastične spojeve, također je potpuno drugačiji.

Drugo, kod zavarivanja metala, šav se stvara međudjelovanjem trenja površina, što stvara krutu vezu bez taljenja materijala.Ultrazvučno zavarivanje plastičnih dijelova temelji se na topljenju materijala na isti način kao i mnoge druge tradicionalne metode zavarivanja, poput elektrolučnog zavarivanja, otpornog ili laserskog zavarivanja), ali u mnogo nižim temperaturnim rasponima.

Riža. 4. Oprema za ultrazvučno zavarivanje

Prednosti ultrazvučnog zavarivanja:

1. Nije potrebno posebno čišćenje površine.

2. Nije potrebna zaštitna atmosfera.

3. Nije potreban potrošni materijal za zavarivanje (žica, elektrode, lem, itd.).

4. Niska potrošnja energije.

5. Kratko vrijeme spajanja za formiranje spoja (oko četvrtine sekunde).

6. Potpuna automatizacija procesa zavarivanja i mogućnost jednostavne integracije s ostalim proizvodnim procesima.

7. Mogućnost zavarivanja materijala različite prirode, uključujući i one osjetljive na visoke temperature, budući da se tijekom zavarivanja stvara mala količina topline.

8. Zavarivanje svih vrsta detalja.

9. Varovi stvoreni ovim postupkom su vizualno ugodni, uredni.

10. Ultrazvučno zavarivanje ne koristi korozivne kemikalije i proizvodi malu količinu dima, za razliku od drugih metoda.

Ograničenja ultrazvučnog zavarivanja:

1. Najozbiljnije ograničenje u korištenju ultrazvučnog zavarivanja je veličina zavarenih dijelova — ne više od 250 mm. To je zbog ograničenja u izlaznoj snazi ​​sonde, nemogućnosti sonotrode da odašilje ultrazvučne valove vrlo velike snage i poteškoća u kontroli amplitude.

2. Ultrazvučno zavarivanje također zahtijeva manji sadržaj vlage u materijalima koji se spajaju.U suprotnom, poželjno je zavarivanje vibracijama.

3. Ultrazvučno zavarivanje nije učinkovito za spajanje materijala debelih stijenki. Barem jedan od dijelova koji se spajaju mora biti lagan, jer «upija» veliku količinu energije.