Под действием ультразвуковых колебаний в результате фрагментации поверхностных слоев в зоне контакта возрастает его электрическое сопротивление, что обуславливает эффективность тепловыделения в зоне сварки и существенно повышает скорость процессов диффузии.

Последний эффект может быть использован для интенсификации диффузионной сварки. Другим не менее важным направлением в области получения соединений с помощью ультразвуковых колебаний является комбинированный способ сварко-пайки, сочетающий ультразвуковую сварку с различными процессами пайки, особенно в тех случаях, когда исключено применение флюсов.

Основным звеном колебательных систем является преобразователь, который изготавливают из магнито-стрикционных или электрострикционных материалов (никель, пермендюр, титанат бария, ниобат свинца и др.).

Свариваемость металла зависит от его твердости и кристаллической структуры. Свариваемость ухудшается в следующей последовательности для металлов, имеющих ГЦК, ОЦК и гексагональную решетки, а также с увеличением твердости.

Ультразвуковая сварка позволяет соединять разные элементы изделий толщиной 0,005 - 3,0 мм или диаметром 0,01 - 0,5 мм. При приварке тонких листов и фольг к деталям толщина последних практически не ограничивается.

Особые преимущества этот процесс имеет при соединении разнородных и термочувствительных элементов.

Соединение при этом способе сварки образуется под действием ультразвуковых колебаний (частотой 20-40 кГц) и сжимающих давлений, приложенных к свариваемым деталям.

2.4 Существующие модели процессов (математические, статистические, эмпирические, феноменологические и др.)

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 распространенной формой являются гармонические колебания, т. е. колебания, описываемые выражением

A=Aмsin(?t+?),

где A -- смещение или деформация в данном элементе среды в момент времени t; Aм -- максимальное значение смещения или деформации; ? -- круговая частота колебаний; ? -- 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 Е -- модуль упругости материала; ? -- плотность материала.

Скорость распространения звуковых волн в большинстве твердых тел колеблется в пределах 2000--6000 м/с и изменяется в зависимости от температуры, давления и интенсивности звука.

Длина волны, соответствующая данной частоте, непосредственно определяется из равенства

где c -- скорость звука; f -- частота.

При частоте 20 кГц длина волны в стали равна 28 см.

Интенсивность плоской продольной звуковой волны в любой среде определяется из уравнения

J=kA2f2?c,

где А -- амплитуда колебаний; f -- частота колебаний; ? -- плотность среды; k -- коэффициент пропорциональности; с -- скорость звука в среде.

Поток энергии волны сквозь некоторую поверхность S равен

где ? -- угол между нормалью к площадке dS и направлением распространения волны.

Мощность ультразвука, которая может быть передана через среду, зависит от физических свойств среды; если напряжения в зонах сжатия и разрушения превысят предел прочности материала, то твердый материал будет разрушаться. В жидкостях в аналогичных случаях возникает кавитация с образованием мельчайших пузырьков паров жидкости и последующим их захлопыванием. Процесс захлопывания кавитационных пузырьков сопровождается возникновением местных давлений, превышающих 5000 кгс/см2. Это явление в жидкостях используется для обработки и очистки изделий.

2.5 Результаты экспериментальных исследований процессов по данным научных публикаций

Результатом научных исследований и экспериментов стало открытие явных преимуществ сварки ультразвуком:

· сварка осуществляется в твердом состоянии металла без существенного нагрева места сварки, что дает возможность соединять химически активные металлы или пары металлов, склонные образовывать хрупкие интерметаллические соединения в зоне сварки;

· возможность соединения тонких и ультратонких деталей, возможность приварки тонких листов и фольги к деталям неограниченной толщины, сварка пакетов из фольги;

· снижение требований к чистоте свариваемых поверхностей дает возможность проводить сварку плакированных и оксидированных поверхностей и вообще сварку металлических изделий, поверхности которых покрыты различными изоляционными пленками;

· применение небольших сдавливающих усилий (10--250 кгс), вследствие чего деформация поверхности деталей в месте их соединения незначительна (вмятина, как правило, не превышает 5--10%);

· малая мощность оборудования и несложность его конструкции (если, например, для контактной точечной сварки алюминия толщиной 1 мм необходима машина мощностью 100--150 кВ*А, то при сварке ультразвуком аналогичного соединения потребляется всего 5--2,5 кВ*А).

2.6 Пути совершенствования данного технологического воздействия при обработке различных, в т.ч. новых, материалов

Ультразвуковая сварка нашла достаточно широкое применение для соединения тонких деталей из однородных и разнородных материалов в приборостроении и радиоэлектронной промышленности. В дальнейшем можно ожидать, что этот метод будет использован при сварке металлов, образующих хрупкие интерметаллические соединения, для приварки тонких обшивок к несущей конструкции (в авиационной промышленности, автомобилестроении и ряде других отраслей промышленности).

По мере совершенствования технологического процесса и оборудования область применения ультразвуковой сварки будет непрерывно расширяться.

Ультразвуковую сварку применяют для соединения многих металлов. Наиболее легко свариваются пластичные металлы (алюминий, медь и их сплавы, серебро, никель и т.п.) как между собою, так и с твердыми малопластичными материалами.

Металлические детали могут свариваться с керамикой, стеклом, полупроводниковыми материалами (кремний, германий). Успешно свариваются тугоплавкие металлы: вольфрам, ниобий, тантал, цирконий, молибден. Можно сваривать заготовки через прослойку из третьего металла, например сталь со сталью через алюминий, а также заготовки покрытые оксидами, лаками, полимерами и т.п. Используется УЗС также для соединения пластических масс.

Качество соединений при шовной сварке определяется теми же параметрами, что и при точечной, лишь вместо времени сварки вводится скорость движения детали. При правильно выбранных режимах шовной сварки разрушающее усилие сварного соединения выше чем основного металла.

Заключение

Подводя итоги нашего ознакомления с ультразвуковой сваркой и ее анализа, можно сделать вывод, что процесс ультразвуковой сварки в настоящее время практически освоен. Стабильная работа колебательных систем дает разброс в прочности сварных соединений не более, чем это наблюдается при использовании контактной сварки. При этом следует заметить, что УЗС позволяет получить надежные сварные соединения разнотолщинного алюминия без предварительного снятия окисных пленок, электротехнической меди и других металлов, где использование контактной сварки практически затруднено.

В заключение необходимо отметить, что в настоящее время в нашей стране на различных заводах используются несколько тысяч сварочных машин, а группа ученых за разработку теоретических основ процесса, основ технологии и организацию промышленного выпуска сварочных машин удостоена премии Совета Министров СССР за 1984 год.

Список использованных материалов

1. Николаев Г.А. Сварка в машиностроении. Справочник. Т.1. М., “Машиностроение”, 1978.

2. Ольшанский Н. А. Образование соединения при ультразвуковой сварке. - «Автоматическая сварка», 1971

3. Холопов Ю.В. Ультразвуковая сварка. Л., “Машиностроение”, 1972.

4. Золотарев Б.Б., Волков Ю.Д. Точечная сварка металлов ультразвуком. - “Сварочное производство ”, 1982, №9

5. Силин Л.Л., Баландин Г.Ф. Ультразвуковая сварка. М., Машгиз, 1982.

Размещено на Allbest.ru