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

ультразвуковой сварки, пропорциональна величине 2nfA2. Амплитуда колебаний конца сварочного инстру­ мента А 2 при / 2 равна 15 мкм, следовательно, пропорцио­ нальность при /д сохраняется при условии

2яДА? = 2я/М2,

отсюда можно найти, что А г = 2 0 мкм.

Исследования проводились на полиэтиленовой пленке при скорости сварки ѵ = 1 м/мин и силе N прижатия инструмента 0,8 кгс. В результате экспериментов полу­ чены следующие данные: прочность шва на раздирание при Д = 26 570 Гц составила 47%, а при / 2 = 46 000 Гц — 19%. Следовательно, при ультразвуковой сварке поли­ мерных материалов в случае одинакового введения кине­ тической энергии 2яД42 прочность швов повышается с уве­ личением амплитуды смещения сварочного инструмента независимо от частоты ультразвуковых колебаний.

На этом не ограничиваются примеры промышленного применения ультразвуковой сварки. Например, сравни­ тельно недавно ультразвук начали применять и в техноло­ гии обычной сварки. Оказывается, если вслед за электро­ сварочным электродом в расплавленный слой шва вводить мощные ультразвуковые колебания, то после затвердева­ ния шов становится однороднее, мелкозернистее и проч­ нее. Это явление объясняется способностью кристалли­ зации металла под действием ультразвука. Исследования показывают, что ультразвуковые колебания целесообразно применять при автоматической аргоно-дуговой и электро­ шлаковой сварке сталей и сплавов. Ультразвуковые коле­ бания оказывают диспергирующее действие, что позво­ ляет вводить в расплав твердые измельченные частицы тугоплавких компонентов, а также получать сплавы из металлов, не смешивающихся между собой в обычных условиях. Подробные исследования в этой области при­ ведены в работе [148].

Ультразвуковое сварочное оборудование

Для ультразвуковой сварки применяются специальные сварочные аппараты, машины и пистолеты, которые ра­ ботают совместно с ультразвуковыми генераторами. Уль­ тразвуковые сварочные аппараты очень экономичны. Для соединения, например, алюминиевых листов толщиной

196

рата

до полутора миллиметров требуется мощность всего 5 кВт. При контактной электросварке потребовалась бы мощность в 5— 10 раз больше. Принцип работы ультра­ звукового сварочного аппарата состоит в следующем. В концентраторе (рис. 64), соединенном с магнитострикционным преобразователем 3, распространяются про­ дольные колебания, направленные горизонтально (вдоль оси преобразователя). На конце концентратора закреплен инструмент 2, который прижимается к свариваемым деталям 1. При работе аппарата па свариваемые пластины действуют переменные силы, напоминающие процесс вти­ рания, в результате чего пластины прочно соединяются. Многие отечественные ультразвуковые сварочные аппа­ раты, машины и пистолеты успешно применяются в произ­ водственных процессах. Для сварки металлов разрабо­ тана серия ультразвуковых сварочных аппаратов и машин (УЗСМ-1, УЗСМ-2, УЗСМ-З, УЗСА-З, УЗСА-4, УЗСА-5) и пистолеты (УЗСП-6 , УЗСП2-0,2С).

Ультразвуковая машина УЗСМ-1 предназначена для точечной сварки внахлестку небольших деталей из тонко­ листового алюминиевого сплава. Машина УЗСМ-2 может быть рекомендована для шовной сварки тонколистовых алюминиевых сплавов. Соединяемые металлические де­ тали устанавливаются на нижний ролик, прижимаются верхним роликом и подвергаются воздействию ультра­ звуковых колебаний, в результате чего возникает прочная связь без значительной внешней деформации материалов. Мощность магнитострикционного излучателя (ПМС-15) 2,5—4 кВт, рабочая частота 19,5. кГц, контактное усилие 20— 140 кгс, скорость сварки 75—850 мм/мин, габаритные размеры 1320x490x950 мм, масса 200 кг.

Ультразвуковой сварочный аппарат УЗСА-З (рис. 65) предназначен для сварки тонколистовых деталей на кон-

197

Рис. 65. Ультразвуковой сварочный аппарат УЗСА-З

струкциях с большими плоскостями или фасонными по­ верхностями, тле применение стационарных сварочных аппаратов невозможно. Сварка осуществляется ручной переносной сварочной головкой, которая крепится на аппарате с помощью вакуумной присоски.

Аппарат состоит из сварочной головки, вакуумной установки и электрической системы управления. В кон­ струкцию сварочной головки входят ультразвуковой пре­ образователь, устройство для создания и регулирования статического усилия и вакуумная присоска. Ультразву­ ковой сварочный преобразователь 1 типа ПМС-11А яв­ ляется специальным облегченным магнитострикционным преобразователем. Статическая сила на инструмент соз­ дается рукой с помощью рычажного устройства 2 и пру­ жины 3, сжимаемой до упора. Включение и выключение колебаний производится конечным выключателем 4, кото­ рый срабатывает при сжатии пружины 3. Для установки и закрепления сварочной головки применена вакуумная присоска 5, служащая также основанием для кронштей­ нов 6 преобразователя и рычажного устройства. Усилие, с которым присоска прижимается к плоскости, примерно вдвое больше усилия отрыва, создаваемого рукой при приложении статического усилия сварки. При этом исклю­ чаются также боковые смещения сварочной головки во время сварки. Вакуумная присоска посредством гибкого шланга связана с вакуумной установкой, состоящей из форвакуумного насоса ВН-461 с электродвигателем и ва­ куумного ресивера. Мощность ультразвукового преоб­

198

разователя 1 кВт, рабочая частота 22 кГц, габаритные размеры 150x180x750 мм, масса 8 кг.

Для точечной сварки тонколистовых деталей в крупных изделиях создан аппарат УЗСА-4. Преимущество УЗСА- 4 перед другими образцами состоит в том, что с его помощью можно сваривать детали диаметром и высотой до 1 2 0 0 мм. Ультразвуковой сварочный аппарат УЗСА-5 предназна­ чен для точечной сварки тонколистового металла. Для получения соединения материалы зажимаются между наконечником инструмента и опорой и подвергаются воздействию ультразвуковых механических колебаний. Для предотвращения смещений материалов в процессе сварки в аппарате предусмотрен автоматический дей­ ствующий прижим. Аппарат состоит из следующих основ­ ных узлов: ультразвукового преобразователя с инстру­ ментом, пневматических устройств для создания стати­ ческих усилий инструмента и прижима, электрической системы управления с электронным реле времени, регу­ лирующим время сварки и паузы. В качестве преобразо­ вателя электрических ультразвуковых колебаний в меха­ нические применен типовой магнитострикционный пре­ образователь ПМС-І5М.

Статические силы создаются пневмогидравлическими диафрагменными устройствами, обеспечивающими плав­ ное регулирование усилий инструмента с регулируемой скоростью перемещения инструмента и прижимного уст­ ройства. Усилия регулируются регуляторами давления путем изменения давления воздуха через масло на диа­ фрагмы. Контроль и настройка давления осуществляются по воздушным манометрам. Подача воздуха на диафрагмы и его выпуск производятся клапанами с электромагнит­ ным приводом. Аппарат имеет ручной режим работы, слу­ жащий для наладки, и автоматический, являющийся рабочим режимом. Мощность магнитострикционного пре­ образователя 2,5—5 кВт, рабочая частота 19—20 кГц, контактная сила прижима инструмента 20—300 кГс, продолжительность сварки при автоматической работе 0,3—5 с, габаритные размеры 1060x750x1650 мм, масса

250 кг.

Все перечисленные выше сварочные машины и аппа­ раты работают от ультразвуковых генераторов УЗГ-2,5; УЗГ-2,5М; УЗГ-6 М; УЗГ-10; УЗГ-10М и УЗГ-10У.

Ультразвуковой сварочный пистолет УЗСП- 6 пред­ назначен для сварки фольги, цветных пластичных ме­

І99

таллов друг с другом, а также для приварки фольги к толстостенным конструкциям. Основной частью писто­ лета является ультразвуковой магнитострикционный пре­ образователь, в трансформаторе которого продольные колебания преобразуются в изгибные колебания стержня. Статическое усилие при сварке создается нажатием руки оператора, а время сварки определяется временем нажа­ тия или отсчитывания реле времени. Для включения коле­ баний генератора или реле времени в рукоятку пистолета вмонтирован конечный выключатель, срабатывающий при нажатии. Пистолет рассчитан на питание от любого типа ультразвукового генератора мощностью не менее 0,5 кВт, рабочая частота 17 кГц, габаритные размеры 300ХІ50Х

толщиной до 0 , 2 мм между собой, а также для приварки их к толстым листам и массивным конструкциям из того же

в течение 7 ч в нормальных цеховых условиях. Питается пистолет от ультразвукового генератора УЗГ-З-0,4, по­ требляемая мощность 220 кВт, рабочая частота 44 кГц, габаритные размеры 52x142x245 мм, масса 1,2 кг.

Рис. 66. Ультразвуковой сварочный пистолет УЗСП2-0,2С

200

Рис 67. Ультразвуко­ вая сварочная уста­ новка УСФ-45

Режим работы пистолета прерывистый, длительность рабочего импульса не более 5 с, время между импульсами не менее 3 с. Пистолет и генератор выпускаются серийно.

Ультразвуковая установка УСФ-45 (рис. 67) пред­ назначена для присоединения ультразвуковым методом контактов к полупроводниковым приборам микромодуль­ ной техники. Установка состоит из следующих основных узлов, размещенных на специальном столе: ультразву­ ковой сварочной головки СГ-44 (или СГ-60) с ферритовым преобразователем; генератора ультразвуковых колебаний ГУФ-45/10 с автоподстройкой частоты и с реле времени; механизма вертикального перемещения головки и созда­ ния давления; предметного столика, смонтированного на координатном столе; механизма подачи проволоки в зону сварки; микроманипулятора. Для наблюдения за совме­ щением свариваемых элементов в зоне сварки исполь­ зуется бинокулярный микроскоп МБС-1. Использование в установке УСФ-45 ферритового преобразователя с по­ стоянными магнитами обусловило ее высокую экономич­ ность, простоту конструкции, малые габариты генератора. Высокие эксплуатационные характеристики — постоян­ ство технологического режима сварки, повторяемость характеристик сварных соединений — достигнуты в ре­ зультате использования генератора с автоподстройкой частоты. Потребляемая мощность установки 400 Вт, ра-

sбочая частота 44 и 60 кГц, напряжение на обмотке пре­ образователя сварочной головки 10 В, длительность

201

импульса ультразвуковых колебаний 0 ,1 — 1 , 0 с, контакт­ ная сила 40—900 г, электрическая мощность, потреб­ ляемая установкой 400 Вт.

Для сварки деталей из большинства термопластиче­ ских масс (полиамидной и формальдегидной смол, поли­ стирола, органического стекла и др.) с воздействием ультразвука в различных областях промышленности при­ меняются ультразвуковые сварочные аппараты типа УЗАП (модели 2, 3 и 4). В аппаратах используются типовой пре­ образователь ПМС-15А, преобразующий подводимые к нему от генератора электромагнитные колебания и упругие колебания ультразвуковой частоты. Деталь в про­ цессе сварки удерживается пневматическим прижимом. Регулировка силы прижатия и времени выдержки осуще­ ствляется автоматически по заранее заданной программе. В конструкции аппаратов предусмотрен контроль измере­ ния трещины свариваемой детали, что позволяет уста­ новить необходимое время сварки для получения сварного шва высокого качества. Особенностью аппаратов УЗАП является то, что с их помощью можно сваривать пластич­ ные материалы внахлестку по всей плоскости касания сварочного инструмента. В аппарате УЗАП-2 предусмо­ трена возможность установки взамен преобразователя ПМС-15А многостержневого преобразователя для сварки деталей с большой протяженностью шва.

Ультразвуковой сварочный аппарат УЗАП-З может производить одновременную сварку двух концентриче­ ских швов значительной протяженности, используется для сварки деталей из поливинилохлорида в полуавтома­ тическом режиме. Конструкцией аппарата предусмотрена возможность питания пневматического схватывающего уст­ ройства от магистрали или баллона со сжатым воздухом.

Ультразвуковой сварочный аппарат УЗАП-4 предна­ значен для соединения дисков пластмассовых рабочих колес насосов, работающих в агрессивных средах. Приме­ нение аппарата позволяет исключить вредные для здо­ ровья рабочих и трудоемкие операции по склеиванию при помощи фенола и создать замкнутую автоматическую линию по изготовлению рабочих колес насосов. Аппарат может применяться для сварки деталей из пластических масс (полиамидной и формальдегидной смол, полисти­ рола, органического стекла и др.). Свариваемые детали укладывают в гнезда и совмещают с инструментом. Краткие технические характеристики ультразвуковых

202

сварочных аппаратов типа УЗАП приведены в табл. 20. На рис. 6 8 изображена установка, предназначенная для ультразвуковой сварки пластмассовых деталей авто­ мобиля ВАЗ-2101. Установка состоит из ультразвукового генератора УЗМ-1,5; шкафа управления, пресса с меха­ низмом подачи и фиксации. При смене инструмента и сварочных приспособлений установка может быть исполь­ зована для сварки других деталей автомобиля — толсто­ стенных и сложных конфигураций — из различных пласт­ масс (полистирола и его сополимеров, полиакрилатов, новых материалов типа дакрила, ABS, а также полиэти­ лена, полипропилена и др.). Установка обеспечивает хорошее качество сварных соединений, их герметичность и прочность. Режим работы автоматический и наладоч­ ный, время обработки ультразвуком 3 с, охлаждения под давлением 2 с, холостого хода 1 с, производительность

600 дет/ч.

Ультразвуковым методом можно сваривать пластмас­ совые упаковки различных форм и объема, применяющиеся в пищевой промышленности. Ультразвуковые сварочные машины созданы Московским высшим техническим учи­ лищем им. Баумана совместно с московским энергетическим институтом. Они позволяют производить точечную и прес­ совую сварки пластмасс. Одна из таких машин ПУТ-5А сваривает от 15 до 100 точек в минуту; другая машина — УПТ-14 предназначена для ультразвуковой герметической

203