+7 (495) 543-7260

info@windeq.ru

ГлавнаяСравнение процессов продольной и торсионной ультразвуковой сварки

Сравнение процессов продольной и торсионной ультразвуковой сварки

 

Проф. д-р техн. наук Михаэль Геде

Профиль: www.fuegen-von-kunststoffen.de/?id=201566

michael.gehde@mb.tu-chemnitz.de

Дипл. инженер Свен Фридрих

Профиль: www.fuegen-von-kunststoffen.de/?id=202095

sven.friedrich@mb.tu-chemnitz.de

Дипл. инженер Рене Фурлих

Профиль: www.fuegen-von-kunststoffen.de/?id=202975

rene.fuhrich@mb.tu-chemnitz.de

 

Предисловие
В настоящей статье представлено первичное сравнение процессов продольной и торсионной ультразвуковой сварки. В ходе испытаний выполнялась сварка образцов, выполненных из ПБТ, с использованием концентраторов напряжений и без них, и осуществлялась оптимизация процессов с учетом прочности на растяжение. Результаты сравнивались с существующими технологическими параметрами и максимальной прочностью на растяжение.
1. Введение
 Продольная ультразвуковая сварка широко применяется для соединения изделий из пластмассы. Ее характерной особенностью является короткое время цикла, поэтому она незаменима в крупносерийном производстве. Тем не менее, существуют ограничения, которые не позволяют использовать данный процесс повсеместно. Одна из самых больших проблем заключается в том, что ультразвуковые волны повреждают электронные компоненты. У торсионной ультразвуковой сварки нет подобных недостатков. Датчики, которые были повреждены в процессе классической ультразвуковой сварки, могут соединяться с помощью этого процесса без повреждения электронных компонентов. Кроме того, соответствующий наплавленный слой выполняется без использования дополнительных конструктивных элементов, предназначенных для формирования области соединения (концентраторов напряжений). В результате удается достичь короткого времени цикла, как и при классической продольной ультразвуковой сварке [1-2].
Эти преимущества относят на счет направления действия вибраций на соединяемые компоненты. При классической продольной ультразвуковой сварке они действуют вертикально плоскости соединения.
Волновод ударяет по соединяемым деталям как молоток, что приводит к высоким механическим нагрузкам. При торсионной ультразвуковой сварке волновод поворачивается на поверхности компонентов в разные стороны. Помимо внутреннего трения между молекулярными цепями, производится энергия и при граничном трении в макроскопическом масштабе, которое возникает между соединяемыми компонентами. Это позволяет выполнять сварку без концентраторов напряжений. Кроме того, нижний элемент при соединении не подвергается высоким механическим нагрузкам. В настоящей статье представлено первичное сравнение указанных процессов с учетом существующих технологических параметров и механических свойств.
2. Современное положение дел
В Техническом Университете Хемница проводились предварительные испытания в области торсионной ультразвуковой сварки. В ходе этих испытаний выполнялась сварка образцов для испытаний цилиндрической и плоской формы. Эти испытания показали, что по типу потребляемой энергии торсионная ультразвуковая сварка находится где-то между классической продольной ультразвуковой сваркой с внутренним трением материалов и вибросваркой с внешним трением материалов [1-2]. На рис. 1 показано сравнение шва, выполненного вибросваркой (слева) и шва, выполненного торсионной ультразвуковой сваркой (справа) при одинаковом рабочем давлении. Сходство прослеживается не только в толщине, но и в структуре сварного шва. Для изучения влияния геометрической формы использовались цилиндрические образцы для испытаний различного диаметра, но с одинаковой областью соединения. На рис. 2 демонстрируется линейное уменьшение траектории соединения по мере уменьшения диаметра цилиндра и идентичных параметров сварки.
Это связано с распределением амплитуды по поперечному сечению волновода. Самая высокая амплитуда наблюдается в области наружного диаметра волновода. И, напротив, в центре волновода (ось вращения) она нулевая. Это поведение должно учитываться в случае ротационно- несимметричных компонентов по причине разности амплитуд, возникающих в процессе сварки.
3. Метод испытаний
Тестовая сварка проводилась на установке для торсионной сварки фирмы Telsonic и установке для продольной сварки фирмы Branson. Рабочая частота обеих установок составляет 20кГц.
В качестве тестовых образцов использовались стандартные образцы для испытаний в соответствии с техническим стандартом Немецкого общества сварки DVS 2216-1, Приложение 1. Они были произведены из полибутилентерефталата (ПБТ) путем литьевого формования с использованием концентратора напряжений (КН) и без него. Оптическая система измерений расстояния между двумя точками, расположенными на образце для испытаний, была создана для определения точной траектории сварки. Данный метод исключает возможные ошибки, включая полное проплавление поверхности между волноводом и верхней соединяемой деталью при измерении траектории сварки. Амплитуда определялась с помощью метода оптического измерения, разработанного в Техническом Университете Хемница. Для определения механических свойств был создан специальный инструмент для испытаний на растяжение. Это позволяет поддерживать образец для испытаний таким образом, чтобы исключить появление моментов изгиба в области испытаний. Прочность на растяжение измерялась на шести сварных образцах с идентичными параметрами процесса. Из-за незначительной зажимной длины было невозможно определить удлинение. Так как при торсионной ультразвуковой сварке нет необходимости использовать концентраторы напряжений, оба варианта процесса (торсионная и продольная сварка) изучались как с использованием концентраторов напряжений, так и без них. Для этих четырех вариантов процесса использовались оптимизированные параметры с учетом предельно возможной прочности на растяжение. Давление при соединении и время сварки в этом случае были различными. Амплитуда была постоянной.
4. Результаты
На рис. 3 показана зависимость прочности на растяжение от сварочного давления для образцов, которые были произведены с применением продольной ультразвуковой сварки с использованием концентраторов напряжений. Самая высокая прочность сварного шва наблюдалась при давлении 1,5 Н/мм и времени сварки 0,3 с. На рис. 4 прочность на растяжение представлена в зависимости от давления торсионной ультразвуковой сварки, выполняемой без концентраторов напряжений. Очевидно, что по сравнению с продольной ультразвуковой сваркой, при этой сварке не существует оптимальной точки контакта инструмента и заготовки, но присутствует широкий диапазон, в котором достигаются одинаковые высокие значения прочности сварного шва. Наилучшие результаты наблюдались при сварке, длительность которой составляла 0,1 с при рабочем давлении 3 Н/мм и 6 Н/мм. Самая большая прочность сварного шва всех четырех вариантов процессов представлена на рис. 5. При продольной и торсионной ультразвуковой сварке использование концентраторов напряжений приводит к существенному снижению прочности на растяжение по сравнению со сварными швами, при выполнении которых не используются концентраторы напряжений. Выполнение сварных швов без использования концентраторов напряжений с помощью продольной ультразвуковой сварки возможно благодаря простой геометрии образца для испытаний. Однако, как показывает практика, этот вариант не может использоваться в случае более сложных форм.
5. Вывод
В настоящей работе проводилось сравнение продольной и торсионной сварки с учетом максимально достижимой прочности на растяжение. Для этой цели использовались образцы для испытаний из полибутилентерефталата, сварка которых выполнялась с применением концентраторов напряжений и без них. Самая высокая прочность на растяжение была достигнута при торсионной ультразвуковой сварке образцов для испытаний без концентраторов напряжений. Она на 25 % выше значений, фиксируемых при продольной ультразвуковой сварке образцов для испытаний без концентраторов напряжений. В обоих случаях прочность на растяжение резко снижается, когда при сварке образца для испытаний используется концентратор напряжений. Кроме того, было установлено, что при торсионной ультразвуковой сварке существует более широкий диапазон параметров, при котором достигается достаточная прочность. При продольной ультразвуковой сварке существует оптимальная точка процесса.
6. Критическая оценка
Благодаря своей ротационно-симметричной геометрии образцы для испытаний особенно хорошо подходят для торсионной ультразвуковой сварки, так как одна и та же амплитуда действует по всей окружности. В случае ротационно-несимметричных компонентов амплитуда в области соединительного шва может отличаться, что приводит к различным условиям сварки. Классификация указанных вариантов процессов на основе тестов не удовлетворяет диапазону процессов. Представленные здесь результаты действительны лишь для исследуемого материала (ПБТ) и указанной геометрии компонентов описываемых образцов для испытаний. В процессе последующей серии испытаний следует изучить поведение других материалов и выяснить, возможен ли перенос результатов на допустимые и применимые формы компонентов.
Благодарности

Авторы статьи выражают особую благодарность фирмам BransonUltraschall, HerrmannUltraschalltechnik и Telsonic AG за предоставленные испытательные установки, а также фирме BASF за предоставленный материал для испытаний.


Материал: ПБТ – Сварочное давление = 8 Н/мм
Слева: Шов, выполненный вибросваркой
Справа: Шов, выполненный торсионной ультразвуковой сваркой

Рис. 1 Поляризационно-оптические снимки тонкого сечения.

 


Рис. 2. Траектория сварки по диаметру соединяемой детали с идентичными областями сварки.

 


Рис. 3. Зависимость прочности на растяжение от давления сварки при продольной ультразвуковой сварке с КН
.
 


Рис. 4. Зависимость прочности на растяжение от давления сварки при торсионной ультразвуковой сварке без КН
.
 


Рис. 5. Зависимость прочности на растяжение от давления сварки при торсионной
ультразвуковой сварке без КН
 

О компании Станки для производства электрических машин Оборудование для обработки проводов и кабелей Ультразвуковое оборудование Нестандартное оборудование Материалы и компоненты

ООО «Технический центр «Виндэк»

142116, Московская область, Подольский район, поселок Сельхозтехника, Домодедовское шоссе, д. 1, корп. 3

Тел/факс: +7 (495) 543-72-60     E-Mail: info@windeq.ru     Сайт: www.windeq.ru