+7 (495) 543-7260

info@windeq.ru

ГлавнаяУльтразвуковая сварка металлов

Ультразвуковая сварка металлов

 

Тарас Никифоров

Технический центр «Виндэк» (Россия, г. Подольск)

Владимир Гуреев

TELSONIC AG (Швейцария)

 

На мировом рынке только за последнее десятилетие объем продаж оборудования для ультразвуковой сварки увеличился в несколько раз, и эксперты пророчат ему дальнейший рост. Благодаря новым достижениям в разработке технологии данные сварочные системы позволяют решать уникальные задачи в электронной, электротехнической, автомобильной промышленности, а также при производстве аккумуляторов, конденсаторов, солнечных батарей и систем нагрева воды.

В наши дни ультразвуковая сварка металлов находит все более широкое применение и позиционируется чуть ли ни как инновационный продукт. Вместе с тем, мало кто знает, что данный метод был открыт еще в 30-40 годы прошлого столетия, причем, совершенно случайно. При подготовке поверхности алюминия к контактной сварке экспериментаторы, применившие для этой вспомогательной цели ультразвуковые колебания, неожиданно для себя отметили, что соединение металлических пластин происходит еще до пропускания через них сварочного тока. Вот так и было положено начало совершенно новому виду сварки.

Как работает?

Область применения такого метода соединения простирается в диапазоне от пластмасс до цветных металлов. Однако, независимо от свариваемых материалов, оборудование для ультразвуковой сварки традиционно состоит из высокочастотного генератора, блока управления, механической колебательной системы и привода давления (Рис.1).

Ультразвуковой генератор преобразует ток электрической сети в ток высокой частоты, который по получении сигнала с блока управления подается на пьезоэлементы колебательной системы. Преобразование колебаний электрического тока высокой частоты в механические и введение их в зону сварки обеспечивается механической колебательной системой. Последняя, в свою очередь, состоит из конвертера (преобразователь), бустера (усилитель) и волновода (сонотрод) и является главным узлом технологии ультразвуковой сварки.

Для доступности понимания сравним колебательную систему, обеспечивающую практическую реализацию метода, например, с автомобилем (Рис.2). Конвертер выступает в роли мотора, преобразовывая ток высокой частоты в механические колебания с соответствующей частотой. Далее бустер, действуя как коробка передач, изменяет амплитуду колебаний в зависимости от передаточного числа и переадресует их на волновод. Волновод, увеличивая при необходимости амплитуду механических колебаний высокой частоты, передает их непосредственно в зону сварки, приводя в движение верхнюю свариваемую деталь.

В основу работы пьезокерамического конвертера положен хорошо известный многим еще со школьной скамьи пьезоэлектрический эффект. При воздействии на пьезоэлемент переменного давления возникает переменное электрическое напряжение, а под воздействием переменного электрического поля возникают механические напряжения, которые вызывают упругие деформации материала в следствии чего пьезоэлемент начинает сжиматься и увеличиваться на определенную величину с частотой равной частоте тока.

Величина изменения размера пьезоэлемента соответствует амплитуде механических колебаний (Рис.3), которая зависит от мощности и конфигурации конвертера. Так, при частоте 20кГц амплитуда колебаний пьезокерамического конвектора, как правило, не превышает 10мкм. Однако, за счет увеличения амплитуды бустером и волноводом можно получить максимальную амплитуду в зоне сварки - до 70мкм. Для ультразвуковой сварки обычно используется частота от 20кГц и выше. Применение той или иной частоты зависит от материала и габаритов свариваемого изделия.

Применительно к реальным технологиям это явление может иметь очень положительный эффект. Вот и в процессе ультразвуковой сварки металлов колебательные движения волновода совместно с усилием прижатия передаются на верхнюю свариваемую деталь. Она по определению должна быть подвижной относительно нижней детали, прочно закрепленной на наковальне. В результате между деталями возникает трение с определенной частотой и амплитудой, способствующее их сращиванию между собой (Рис.4). Именно поэтому ультразвуковую сварку можно еще классифицировать, как механическую сварку трением с высокой частотой без ввода сварочного тока в зону сварки.

В процессе сварки микроскопические смещения деталей относительно друг друга вызывают стирание шероховатостей, разрушение оксидных пленок и возникновение узлов схватывания. При повышение температуры в зоне сварки, за счет трения и дальнейшей деформации свариваемых деталей, наблюдается повышение пластичности поверхностных слоев металла, вытеснение оксидных пленок и загрязнений из зоны сварки. Все это приводит к интенсивному разрастанию зон схватывания, диффузии одного материала в другой, локальному плавлению верхних атомарных слоев, появлению новых и стойких межатомных связей. Данные структурные изменения можно воочию наблюдать на фотографии микрошлифа покрытых серебром медных проводов, которые были сварены между собой при помощи ультразвука (Рис.5).

Плюсы применения

Ультразвуковая сварка металлов обладает уникальными технологическими свойствами, которые в практическом применении дают ей сто очков вперед на многих направлениях. Перечислим только главные из них.

Прежде всего, это возможность производить сварку без предварительной подготовки поверхности соединяемых деталей и при весьма незначительном температурном воздействии, оказываемом непосредственно на них. Отсюда вытекает такое существенное преимущество ультразвуковой сварки, как умение накрепко и без печальных последствий соединять между собой термочувствительные элементы.

Более того, допустима сварка деталей разной толщины, а также разнородных металлов (медь-алюминий, алюминий-никель и др.). При ультразвуковой сварке достигаются отличные электрические свойства и незначительное переходное сопротивление.

Что очень даже существенно, прочность обеспечиваемых ультразвуком соединений приближается к 70% от прочности основного материала. Дополнительно следует отметить высокую скорость, экологическую чистоту и экономичность процесса.

Проверено практикой

Как уже было сказано, инновационная технология ультразвуковой сварки металлов благодаря своим особым свойствам находит все более широкое применение в самых различных отраслях промышленности. Например, в автомобилестроении метод активно используется при соединении медных многожильных проводов жгутов электропроводки (Рис.6). В России данную технологию весьма успешно применяют, в частности, такие производители автокомпонентов, как Leoni Group, Prettl, ИВК, Завод радиоаппаратуры, ПТОО ОАО «АВТОВАЗ» и другие. Конкурентными преимуществами собственной продукции они во многом обязаны внедрению у себя ультразвуковой технологии. Так ультразвуковые системы TelsoSplice, выпускаемые швейцарской фирмой Telsonic AG, способны сваривать многожильные медные провода суммарным сечением от 0,5 до 45мм2. Также ультразвуковая сварка используется при производстве электромоторов и патронов для подушек безопасности.

Масштабное применение ультразвуковая сварка обрела в электронной и электротехнической промышленности. И ничего удивительного здесь нет. Ведь ультразвук умеет соединять как миниатюрные изделия, так и проводку большого суммарного сечения до 200мм2 (Рис.7). Впрочем, в последнем случае описываемые нами системы оснащаются генераторами мощностью в 10кВт и наделяются способностью оказывать усилие в 8000Н.

С помощью ультразвуковой технологии, например, на «Свердловском заводе трансформаторов тока» к медному контакту присоединяют многожильные провода. Тем же способом специалисты ОАО «Протвинский опытный завод «ПРОГРЕСС» приваривают многожильные медные провода к шинам электрических шкафов. Наглядной демонстрацией преимуществ ультразвуковой сварки можно назвать и ее применение в компании Bosch. В частности, там при изготовлении электродвигателей соединяют провода с контактами без снятия с них защитной эмали, что позволило полностью автоматизировать процесс сборки автомобильных электромоторчиков.Или еще примеры. Растущая потребность в солнечных батареях и системах нагрева воды повлекла за собой использование ультразвуковой шовной сварки металлов в процессе создания и такого рода устройств. Компания «Элеконд» применяет ультразвук в соединении алюминиевой фольги и контактов. Кстати будет сказать, что технология применима также и в изготовлении самой алюминиевой фольги. Но продолжим о применениях, так сказать, по прямому назначению.

При производстве литий-ионных аккумуляторов компания VARTA при помощи ультразвука сваривает между собой алюминиевую, медную и никелевую фольгу. На заводе им. Фрунзе при изготовлении предохранителей тем же способом сваривают медные и биметаллические пластины. ФГУП ВНИИА им. Н.Л. Духова, используя технологию ультразвуковой сварки, соединяет алюминиевую фольгу толщиной всего от 5мкм.

Примером уникальности метода и его нацеленности на решение сложных задач, недоступных другим технологиям, может служить и соединение медных проводников с контактами в керамической подложке (Рис. 8). Впрочем, как в оценке всего нового, не будем спешить с конечным выводом. В самом ближайшем будущем нам еще предстоит узнать, на что еще способна ультразвуковая сварка.

А о том, что это обозримая перспектива свидетельствует опыт уже упомянутой компании TELSONIC AG. Она выпускает прецизионные сварочные системы, способные работать как автономно, так и в составе автоматизированных линий. Причем, неустанно продолжает поиск новых применений. Официальным дилером этой компании в России является ООО «Технический центр «Виндэк» из подмосковного Подольска.

Подводя итог, следует сказать, что использование ультразвуковых технологий существенно облегчает получение требуемых характеристик сварного соединения и повышает эффективность производства.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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