Сварка в машиностроении.Том 1 (1041435), страница 93
Текст из файла (страница 93)
Широкое использование ультразвук находит с целью интенсификации многих медленнотекущих химических реакций. Известна аппаратура для контроля уровня жидкости, скоростей ее течения и т. п. Успешно используется ультразвук для контроля качества литья, сварных соединений и т.
п. В сварочной технике ультразвук может быть использован в различных целях. Воздействуя им на сварочную ванну в процессе кристаллизации, можно улучшить механические свойства сварного соединения благодаря измельчению структуры металла шва Специальные виды сварки 376 Ультразвуковая сварка Ф= гдзсозР, тоюаазВе А=Ан з(п (ш1+<р), с=~/ Е/р, и лучшему удалению газов.
Ультразвук может быть источником энергии для создания точечных и шовных соединений, Ультразвуковые колебания активно разрушают естественные и искусственные пленки, что позволяет сваривать металлы с окисленной поверхностью, покрытые слоем лака и т. п. Ультразвук уменьшаст или снимает собственные напряжения, возникающие при сварке. Им можно стабилизировать структурные составляющие металла сварного соединения, устраняя возможность самопроизвольного деформировання сварных конструкций со временем. Сварка металлов ультразвуком находит все более широкое применение, гак как этот способ имеет ряд преимуществ и особенностей по сравнению с контактной и холодной сваркой. Особенно перспективна ультразвуковая сварка применительно к изделиям микроэлектроники. Весьма перспективна сварка ультразвуком пластмасс; этот метод широко используется в промышленности, так как обладает рядом особенностей, дающих возможность получить высококачественное соединение на многих пластмассах, сварка которых другими методами затруднена или невозможна.
В СССР разработаны оборудование и технология ультразвуковой сварки металлов и пластмасс, успешно использующиеся в промышленности. За рубежом этот метод также находит применение в промышленности. При сварке ультразвуком неразъемное соединение металлов образуется при совместном воздействии на детали механических колебаний высокой частоты и относительно небольших сдавливающих усилий. В принципе этот метод сварки имеет много общего с холодной сваркой сдвигом.
Колебания, возникающие в какой-либо среде и характеризующиеся упругими деформациями среды, называются упругими. Форма упругих колебаний может быть различна. Наиболее распгзстраненной формой являются гармонические колебания, т. е. колебания, ог.лсываемые выражением где А — смещение или деформация в данном элементе среды в момент времени /; А, — максимальное значение смещения или деформации; ш — круговая частота колебаний; ~р — начальный угол сдвига. Упругие колебания, частота которых превышает некоторую границу, принято называть ультразвуковыми. Обычно считают, что нормальный человеческий слух не воспринимает в виде слышимого звука гармонические упругие колебания с частотой выше 17 000 — 20 000 Гц.
В практике упругие колебания используются в диапазоне частот от 8000 Гц до мегагерц. При ультразвуковой сварке обычно используется диапазон частот 18 — 80 кГц. Скорость распространения ультразвука зависит от физических свойств материала. Например, в стержне скорость распространения продольных волн определяется из следующего соотношения: где Š— модуль упругости материала; р — плотность материала. Скорость распространения звуковых волн в большинстве твердых тел колеблется в пределах 2000 †60 м/с и изменяется в зависимости от температуры, давления и интенсивности звука. Длина волны, соответствующая данной частоте, непосредственно определяется из равснства где с — скорость звука; / — частота.
При частоте 20 кГц длина волны а стали равна 28 см. Интенсивность плоской продольной звуковой волны в любой среде определяется из уравнения 1 = к Аз/'зрс, где А — амплитуда колебаний; / — частота колебаний; р — плотность среды; /г — коэффициент пропорциональности; с — скорость звука в среде. Поток энергии волны сквозь некоторую поверхность о равен где р — угол между нормалью к площадке гБ и направлением распространения волны.
Мощность ультразвука, которая может быть передана через среду, зависит от физических свойств среды; если напряжения в зонах сжатия и разрушения пре- Рис. 23. Схема установки для точечной сварки ультра- звуком высят предел прочности материала, то твердый материал будет разрушаться. В жидкостях в аналогичных случаях возникает навигация с образованием мельчайших пузырьков паров жидкости и последующим их захлопыванием.
Процесс захлопывания кавитационных пузырьков сопровождается возникновением местных давлений, превышающих 5000 кгс/см'. Это явление в жидкостях используется для обработки н очистки изделий. Машины для ультразвуковой сварки состоят из следующих основных узлов: источника питания, аппаратуры управления, механической колебательной системы и привода давления. Механическая колебательная система служит для преобразования электрической энергии в механическую, передачи этой энергии в зону сварки, концентрирования этой энергии и получения необходимой величины колебательной скорости излучателя.
Колебательная система (рис. 23) состоит из электромеханического преобразователя 1 с обмотками, заключенного в металлический корпус 2, охлаждаемый водой; трансформатора упругих колебаний 3; сварочного наконечника 4; опоры с механизмом давления 5 и свариваемых деталей б. Крепление колебательной системы производят с помощью диафрагмы 7. Ультразвук излучается только в момент сварки точки. На рис. 24 показана схема шовной сварки ультразвуком, которая может быть использована для получения герметичных швов на изделии.
В этой схеме 13 и/р, Ольшанского, т. ! Ультразвуковая сварка Специальньге виды сварки 379 сварки колебательная система приводится во вращение специальным приводом. При сварке изделие зажимается между концом вращающегося трансформатора упругих колебаний, выполненного в виде ролика, и нижним прижимным роликом. Ультразвук излучается непрерывно в процессе сварки. Элементом колебательной системы, возбуждающей упругие колебания, является электромеханический преобразователь, использующий магнитострикционный эффект. Переменное напряжение создает в обмотке преобразователя намагничивающий ток, кото- лид А Рис.
24, Схема установки для роликовой сварки ультразвуком: 1 — электромеханический п реобразователгя 2 — трансформатор упругих колебаний; 3 — сваривающий ролик; 4 — прижимной ролик; з — изделие; з — механизм привода; 7 — подвод тока от ультразвукового генератора; а — кожух преобразователя рый возбуждает переменное магнитное поле в материале преобразователя. При изменении величины напряженности магнитного поля в материале возникает периодическое изменение размеров, при этом частота упругих колебаний равна двойной частоте тока. Свойства некоторых магнитострикционных материалов (К49Ф2 — 49% Со, 1,5 — 1,8% Ч, остальное Ге; К65 — 65% Со, остальное Ге; Ю14 — 13,8% А1, остальное Ге; Гиперник — 50% %, остальное Ге) приведены в табл.
6. 6. Сравнительные данные основных констант магнитострикцнонных материалов Изменения размеров магнитострикционных материалов незначительны, Так, для сплава К49Ф2 магнитострикционное удлинение составляет 70.10 '. Поэтому для увеличения амплитуды смещения и концентрации энергии колебаний, а также для передачи механических колебаний к месту сварки используют волноводы и трансформаторы упругих колебаний. Основным назначением трансформаторов упругих колебаний является увеличение амплитуды колебаний до величины, необходимой для осуществления процесса сварки.
Для этой цели концентратор выполняется в виде стержня специальной формы„площадь поперечного сечения которого изменяется вдоль направления распространения колебаний по определенному закону. Эксперименты показывают, что для целей сварки металлов достаточно иметь трансформаторы с коэффициентом усиления 5, так чтобы амплитуда на конце его п и холостом ходе была равна 20 — 30 мкм. агнитострикционный преобразователь и трансформаторы должны быть рассчитаны и изготовлены на заданную частоту ультразвукового генератора, На рис. 25 показана схема изменения амплитуды колебаний в трансформаторе упругих колебаний. Питание электромеханических преобразователей осуществляется от источника электрической энергии — генератора с частотой колебаний тока !8 — 180 кГц.
Рабочая частота генератора определяется собственной частотой механической колебательной системы, выходная мощность генераторов 0,01 — 10,0 кВт. Процесс ультразвуковой сварки происходит при воздействии сдвигающих высокочастотных колебаний, давления, д приложенного перпендикулярно к поверхности листа, и теплового эффекта, сопровождающего процесс сварки. В результате в зоне сварной точки наблюдается небольшая пластическая деформация.
Исследование процесса образования сварного соединения при ультразву- к ковой сварке медных пластин толщиной 0,35+ 0,35 мм показывает, что при ма- Рис. 25. Схема распределения амплом времени пропускания ультразвука литуд колебаний (скоростей) в маг(менее 0,05 с) сварка не происходит. нитострикционном преобразователе После разъединения образцов на их по- с трансформатором упругих колеверхности непосредственно под сваривающим выступом наблюдается пятно, имею- 7 — электромеханический преобразоващее полированную поверхность (рис. 26, а).
тель; у — трансФорматор упругих ко. Диаметр полированного пятна воз- лебаний растает при увеличении времени сварки (рис. 26, а — д). При пропускании ультразвука в течение 0,1 с в местах контакта обнаруживаются не только зашлифованные поверхности, но и вырывы металла, свидетельствующие об образовании прочных соединений, так называемых узлов схватывания. На рис. 26, б виден один узел схватывания на зашлифованной поверхности. Пропускание ультразвука в течение 0,73 с привело к дальнейшему увеличению площади зашлифованного пятна, при этом площадь узла схватывания также возросла.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
