Файл: Хорбенко, И. Г. Ультразвук в машиностроении.pdf

тическая сила обеспечивает кон­ такт между шаром и обрабаты­ ваемой деталью. Амплитуда и частота колебаний инструмента определяют максимальную ско­ рость деформирования поверх­ ностного слоя обрабатываемой детали

ѵд = 2 nfA,

а также интенсивность ультра­ звука

/ = 2 д2 рс/М2,

где р — плотность среды; с — скорость распространения уль­ тразвука; f — частота ультра­ звуковых колебаний; А — ам­ плитуда смещения

Статическая сила и амплитуда смещения оказывают основное влияние на шероховатость поверхности, степень и глубину наклепа, величину остаточных напряжений, возникающих в поверхностном слое металла, и на другие его физико-механические свойства. Выбор статической силы и амплитуды смещения шара определяют производи­ тельность обработки, величину подачи и скорость вращения дета­ ли, число проходов. Статическая сила должна быть тем выше, чем менее пластичен материал детали, чем выше исходная шероховатость, чем больше диаметры упрочняе­ мой детали и шара, чем больше величина подачи и скорость вра­ щения детали.

Ультразвуковой наклеп — один из новых методов упрочнения пла-

Рис. 60. Схема ультразвуковой обработки сферических поверхностей шаровым ин­ струментом:

1 — концентратор; 2 — шар-инструмент; 3 — Твердосплавная вставка; 4 — матрица штампа; А — направление колебаний; Р — статиче­ ское давление

182

Г л а в а V У Л Ь Т Р А З В У К О В А Я СВАРКА

Сущность ультразвуковой сварки

Метод ультразвуковой сварки появился сравнительно недавно, поэтому ультразвуковая сварка — это новый технологический способ соединения материалов.

Достоинство ультразвуковой сварки — возможность соединять тонкие листы и фольгу с деталями большей толщины, приваривать спиральные ребра к стержням, гофрированные листы к гладким, сваривать миниатюрные детали приборов. Ультразвуковая сварка происходит при температуре значительно ниже температуры плава­ ния, поэтому соединение деталей происходит в твердом состоянии. В результате свойства основного металла в зоне сварки изменяются минимально. Требования к качеству подготовки поверхности значительно ниже, чем при дру­ гих методах сварки. Кроме того, потребляемая электри­ ческая мощность не больше, чем при контактной сварке, и сварку можно выполнять на большом расстоянии от источника тока. Ультразвуковая сварка находит приме­ нение в тонколистовых конструкциях деталей для прибо­ ростроения и радиотехнической промышленности.

При изучении механизма процесса сварки замечено, что после ввода ультразвуковых колебаний между свари­ ваемыми пластинами образуется слой высокопластиче­ ского металла, при этом образцы очень легко поворачи­ ваются вокруг вертикальной оси на любой угол. Но как только прекращали ультразвуковое излучение, происхо­ дило мгновенное «схватывание» образцов и их взаимное вращение становилось невозможным. Исследования позво­ ляют предположить, что процесс сварки ультразвуком заключается в том, что под действием ультразвуковых колебаний металл в месте соприкосновения переходит

всвоеобразное квазижидкое состояние и перемешивается

врезультате высокочастотной знакопеременной деформа­ ции. После выключения ультразвуковых колебаний ме­ талл вновь переходит в твердое состояние, образуя не­ прерывную металлическую связь, Глубина зрны интен-

184

сивной деформации и ее площадь зависят от режима процесса, при котором большое влияние оказывает вели­ чина сжимающей силы. При сварке ультразвуком сила сжатия выполняет две функции, обеспечивает передачу ультразвуковых колебаний и уплотняет металл в зоне интенсивной деформации в момент выключения ультра­ звуковых колебаний.

Основные параметры ультразвуковой сварки следу­ ющие: электрическая мощность, подводимая к преобра­ зователю; акустическая мощность, вводимая в сварочную зону; статическое давление; время сварки. Необходимая мощность сварочной машины определяется твердостью и толщиной свариваемого материала. Чем тверже и толще материал, тем большую мощность необходимо вводить в зону сварки. Например, машина мощностью 4 кВт может сваривать листовой алюминий толщиной 2 мм. Статическая нагрузка повышается с увеличением разме­ ров свариваемых деталей и зависит от подводимой к пре­ образователю мощности. Время, необходимое для полу­ чения прочного соединения при ультразвуковой сварке, тем больше, чем толще материал, выше его твердость и меньше мощность машины.

Соединения, полученные с помощью ультразвука, можно разделить на два типа [113]. Соединения первого типа получаются при больших амплитудах и небольших силах сжатия и имеют характерную микроструктуру со следами значительных пластических деформаций. Соеди­ нения второго типа получаются при малых амплитудах и больших силах сжатия, в их микроструктуре не наблю­ дается значительных пластических деформаций, а, наобо­ рот, обнаруживаются диффузионные явления. Образова­ ние первого или второго типа соединений в большой степени зависит от прочности возникающих зон схатывания и от величины сдвиговых деформаций, которые они испытывают. Больший интерес представляют соединения второго типа. На первой стадии сварки происходит сбли­ жение поверхностей, по-видимому, в условиях предвари­ тельного смещения, и подготовка их к схватыванию. На второй стадии возникают зоны схватывания, в которых имеют место интенсивные диффузионные процессы. Соеди­ нения образуются путем увеличения этих зон и их слия­ ния. Диффузия и выделение тепла в зоне сварки, повидимому, обусловлены высокочастотным пластическим деформированием зон схватывания.

185

Рис. 61. Виды колебательных систем при ультразвуковой сварке:

При ультразвуковой сварке используют несколько ви­ дов колебательных систем [114]: продольная (рис. 61, а), про­ дольно-поперечная (рис. 61, б) и крутильная (рис. 61, в). В каждой из этих систем есть активный элемент—ультра­ звуковой преобразователь и пассивная волноводная си­ стема, колебания которой он возбуждает. Пассивная часть колебательной системы служит для передачи энер­ гии ультразвуковых колебаний сварному соединению, приложения необходимого для сварки давления и согла­ сования преобразователя с нагрузкой, которую пред­ ставляет собой сварное соединение. Продольная и кру­ тильная системы не изменяют тип колебаний, а про­ дольно-поперечная система превращает их в колебания другого типа. По мнению автора работы [114], наиболее перспективны и просты по конструкции продольные и крутильные системы.

В промышленности нашла широкое применение схема ультразвуковой сварки при помощи продольных колеба­ ний, тангенциально вводимых в зону сварки [87]. На торце концентратора в пучности колебаний находится наконечник, расположенный перпендикулярно осевой ли­ нии волновода. Статическое давление может быть направ­ лено как снизу, так и сверху. Для получения шовной сварки наконечнику придают форму ролика, а акусти­ ческую головку вращают. Лучшие результаты получены при использовании клиново-стержневых колебательных систем, в которых продольные колебания горизонтального волновода преобразуются в изгибные колебания вертикаль­ ного волновода, на нижний торец которого направляют наконечник, вводимый в зону сварки. Волновод продоль­ ных колебаний соединяют с вертикальным волноводом в пучности изгибных колебаний. Нижним волноводом колебательная энергия отражается в зону сварки. Давле­

186

ние на свариваемые образцы оказывается снизу и сверху Для повышения мощности колебательной системы в пуч­ ность колебаний вертикального волновода включают две или три акустические головки. Существуют крутильные колебательные системы, применяемые для сварки замкну­ тых кольцевых соединений. Получить крутильные коле­ бания можно с помощью трубчатых цилиндрических пьезоэлектрических или ферритовых преобразователей. Мощные крутильные колебания могут быть созданы и при помощи обычных волноводов продольных колебаний, воздействующих на вертикальный волновод. Возникшие в вертикальном волноводе крутильные колебания пере­ даются на нижний торец волновода и к свариваемым деталям.

В крутильных системах наконечник сопрягается с кон­ центраторами продольных колебаний в узле смещения, т. е. плоскость ввода продольных колебаний в крутиль­ ный концентратор располагается на расстоянии от конца его, равном Ѵ4 длины волны крутильных колебаний [3 4 ]. Направление распространения волны совпадает с осью наконечника, вследствие чего его рабочая часть совершает не только угловые, но и осевые перемещения. Поэтому наконечник рассчитывается так же, как и в случае про­ дольных колебаний, но с учетом скорости распростране­ ния крутильных волн, которая равна

где р — модуль кручения, по величине равной модулю сдвига; р —■плотность материала наконечника; Е — мо­ дуль упругости; а — коэффициент поперечного сжатия.

Форма наконечника выбирается такой, чтобы в нем гарантировалось усиление колебаний, т. е. конической, экспоненциальной и т. п. К крутильным по своей природе близки поперечные или сдвиговые колебания. Они воз­ никают при возбуждении в твердом теле продольных ко­ лебаний и могут быть выделены в преобразователе для сварки соответствующим подбором размеров наконечника. Зная, что скорости распространения поперечных и кру­ тильных волн равны, наконечник для поперечных колеба­ ний можно рассчитывать аналогично наконечнику для крутильных колебаний. Собственная частота изгибных колебаний наконечника должна отличаться от рабочей и, следовательно, от собственной частоты продольных и

187

поперечных колебаний. Поэтому при ультразвуковой ми­ кросварке целесообразно применять продольно-попереч­

ные колебания.

Ультразвуковая сварка может выполняться точечным и шовным методами. При выполнении точечного и шовного соединений размер сварной точки и шва может выби­ раться в широких пределах. Минимальный размер точек или шва ограничивается появлением чрезмерной дефор­ мации (продавливание металла), а максимальный — труд­ ностью параллельной установки контактных поверхно­ стей инструмента и опоры или мощностью преобразова­ теля. Ультразвуковая сварка является в основном методом соединения металлов внахлестку. Время сварки в точеч­ ных аппаратах или скорость сварки в шовных аппаратах изменяется в пределах 0,2—4,0 с или соответственно 1 0 0 — 2 0 0 мм/мин и определяется твердостью и толщиной свариваемых материалов. С увеличением их значений время сварки увеличивается. Значение контактной силы и время сварки в определенных границах связаны между собой примерно обратной пропорциональной зависи­ мостью. При одних и тех же условиях время сварки умень­ шается при увеличении контактной силы и наоборот, т. е. эти параметры могут до известной степени компенси­ ровать друг друга.

Промышленное применение

ультразвуковой сварки

Целесообразность применения ультразвуковой сварки свя­ зана с различными и прежде всего прочностными харак­ теристиками получаемых соединений. Например, ультра­ звуковая сварка меди дает вдвое большую, чем электро­ контактная, прочноть соединения, при этом затраты энергии в 10 раз меньше. У ультразвуковой сварки много и других преимуществ: простая и точная дозировка мощности (от долей ватт до киловатт); отсутствие значи­ тельных тепловых воздействий, резких изменений меха­ нических свойств на границе литое ядро — основной металл; отсутствие насыщения газами, трещин, поводки, образования хрупких интерметаллических фаз и др.

С помощью ультразвука можно сваривать следующие материалы: алюминий и его сплавы в любом состоянии; медь и ее сплавы; железо и стали, золото, серебро, пла­ тину и их сплавы в виде фольги (минимальная толщина

188

до 4 мкм) и проволоки (минимальный диаметр до 12 мкм) с металлизированным стеклом, керамикой, полупровод­ никовыми материалами; жаропрочные металлы и их сплавы; никель и свинец с мелкодисперсным торием и др. Ультразвуковая сварка применима для соединения не только однородных, но и разнородных материалов. Ха­ рактерным примером такой сварки ультразвуковым мето­ дом является сварка алюминия с медью, дающая прочные пластичные соединения.

Большое место ультразвуковая сварка занимает в ра­ диоэлектронике (ультразвуковая микросварка). Она имеет ряд преимуществ по сравнению с другими видами сварки при изготовлении полупроводниковых приборов и микро­ схем. Ультразвуковая микросварка позволяет получать соединения однородных и разнородных материалов, при­

или локального разогрева изделий и с небольшой дефор­ мацией привариваемых элементов, что способствует улуч­ шению качества продукции. В последнее время ультразву­ ковая сварка применяется для приваривания проволоч­ ных (диаметр 10 мкм) и ленточных (толщина 70— 100 мкм)

Т а б л и ц а 18

Возможные сочетания материалов проводников и тонких пленок при ультразвуковой микросварке

189