Машины для сварки металлов. Наибольшее применение УЗС металлов в настоящее время нашла при сборке полупроводниковых приборов, интегральных схем средней и большой степени ин­теграции [1, 11].

В процессе эксплуатации ультразвукового сварочного обору­дования накоплен достаточно большой опыт. Современные свароч­ные машины проектируются с учетом требований и специфики объектов микросварки. Для питания ультразвуковых сварочных головок разрабатываются источники питания с учетом типов преобразователей, особенностей волноводных звеньев, разрабаты­ваются системы автоматического управления процессом сварки; широко используется счетно-решающая техника и т. п. Дать пол­ное описание машин для ультразвуковой микросварки (их изве­стны десятки), учитывая большую насыщенность различных средств обеспечения полностью автоматизированного технологи­ческого процесса, в книге нельзя. Остановимся на некоторых, наиболее существенных, на наш взгляд, особенностях установок для ультразвуковой микросварки.

Принципиальные кинематические схемы сварочных установок приведены на рис. 5.6 (а и б — сварка посредством продольной

системы волноводов; в — сварка с ис­пользованием продольно-поперечной системы волноводов).

В комплект сварочных установок входят, как правило, следующие основ­ные узлы: генератор ультразвуковой — источник питания; сварочная головка с акустической системой и приводом усилия сжатия свариваемых деталей, системой управления технологическим процессом, системой наблюдения за процессом сварки — оптическим и ви­деоконтрольным. Генераторы для УЗ микросварки имеют частоты в диапазоне 40—180 кГц. Выходная мощность определяется назначением сварочной установки и со­ставляет 4—40 Вт. Основные технические требования и средства управления его работой сформулированы в п. 4.3. Информация относительно средств контроля и управления процессом сварки изложена в работах [1, 11 и др. ].

Краткие технические данные машин для ультразвуковой микросварки приведены в табл. 5.2.

Приведем некоторые технические данные и характеристики, например, сварочной машины типа УЗСА-2, предназначенной для автоматического присоединения выводов из алюминиевой проволоки диаметром 0,027—0,050 мм к элементам интегральных микросхем и полупроводниковых приборов.

Точность посадки кристалла, мм, не более…………………………………… 0,5

Точность расположения базовых отверстий, мм, не. менее. . 0,1

Смещение центров контактных площадок, мм, не более… 0,1

Продолжительность сварки, мс, не более…………………………………….. 75

Время подачи интегральных микросхем, с, не более…. 3

Сила сжатия (Н) регулируется плавно в пределах……………………….. 0,1—0,6

Номинальная частота генератора, кГц…………………………………… . . . 66

Механизм подачи проволоки обеспечивает подачу в пределах 0,10—0,25 мм с допускаемым отклонением 0,03 мм и обрезку проволоки после окончания рабочего цикла сварки.

Установка обеспечивает передачу на экран видеоконтрольного устройства изображения интегральной микросхемы. Проволочный монтаж интегральных схем ультразвуком производится вна­хлестку. Последовательность операций монтажа, расположение сварочного наконечника и свариваемой проволоки показаны на рис. 5.7, где а — приварка проволоки к кристаллу; б — при­варка проволоки к внешнему выводу прибора; в — обрезка про­волоки и переход сварочной головки в новую позицию.

Рис. 5.7. Расположение сварочного наконечника и свариваемой проволоки; последова>
тельность операций монтажа при микросварке

Одним из важнейших элементов установок для микросварки является сварочный наконечник. Его конструкция должна обес­печивать стабильную передачу энергии в зону сварки. Волновод, обеспечивающий непосредственный подвод энергии ультразвука к сварочному наконечнику, имеет специальную форму. Одна из применяемых форм сварного наконечника с волноводом при­ведена на рис. 5.8. Стрелками показано направление колебаний сварочного наконечника и ввод свариваемой проволоки.

Материал сварочного наконечника должен обладать максималь­ной износостойкостью при сварке и соответствовать требованиям, изложенным в гл. 2. Поверхность сварочного наконечника для микросварки в зоне контактирования делается, как правило, плоской с поперечной фиксирующей канавкой. Экспериментально установлено, что оптимальная глубина канавки должна составлять 0,2—0,3 от диаметра свариваемой проволоки.

Эффективность работы волноводного звена зависит от много­численных факторов, приводящих к дестабилизации процесса передачи энергии в зону сварки, физических условий формирова­ний сварного соединения.

Таблица 5.2

Краткие технические данные установок для ультразвуковой микросварки (внахлестку)

Параметр

ЭМ-425А

УЗП-02

НВП-2

Диаметр провода, мкм Производительность, сварок/ч Сварочное усилие, Н Время сварки, с Частота, кГц Мощность, Вт

25—60

800

0,1—1,2 0,08—3,6 66

До 6,3

25—50

2500

0,05—0,7

0,05—0,5

75

До 8,0

24—40 2400 0,1—0,2 0,04—2,0 75 6,0

Рис. 5.9. Принципиальная схема програм — Рис. 5.10. Принципиальная схема привода

Специфика процесса микросварки, исключительно высокие требования к производительности сварочных установок создают известные трудности в разработке надежных приводов контакт­ных усилий, тем более с появлением возможности программиро­вания.

Один из возможных вариантов выполнения привода контакт­ного давления дан в работе [1]. Схема устройства приведена на рис. 5.9, где 1 — свариваемые детали; 2 — волновод со сва­рочным наконечником; 3 — свариваемая проволока; 4 — акусти­ческая система; 5 — эксцентрик; 6 — фиксатор положения аку­стической системы со стопорной шайбой 7; 8 — плата, на которой укреплен соленоид 9; 10 — сердечник соленоида; 11 — противо­вес; 12 — кронштейн акустической системы с грузом 13; 14 — опора, на которой размещаются свариваемые детали. Во время работы такого устройства постоянное давление на свариваемые детали обеспечивается системой грузов. Величина и программа дополнительного усилия — подачей тока на соленоид.

Анализ грузовых, пневматических, гидравлических, пружин­ных и других приводов показал, что они имеют недостатки, кото­рые не могут обеспечить надлежащее быстродействие и возмож­ность управления усилием в процессе сварки [1]. В работе показано, что для построения приводов, обеспечивающих изме­нение нагрузки по заданной программе, стабильность в условиях малых нагрузок, высокую чувствительность при отсутствии пар трения, целесообразно использовать магнитострикционный эффект или пьезоэффект. Принципиальная схема таких устройств при­ведена на рис. 5.10, где 1 — акустическая система с противо­весом 2; 3 — источник питания; 4 — подмагничивающее устрой­ство магнитострикционного преобразователя; 5 — акустическая система. Аналогичным образом устроены приводы сжатия с ис­пользованием пьезоэффекта.

Исходя из самых общих соображений, видим, что такие устрой­ства обладают высоким быстродействием, простотой и надежностью

Рис. 5.11. Сварочная головка машины
МТУ-0,4-4У4

работы. Время их быстродей­ствия определяется скоростью распространения звука в мате­риале трансформирующего зве­на.

Сварочная головка маши­ны типа МТУ-0,4-4У4 дана на рис. 5.11. Первая модель ма­шины МТУ-0,4-ЗУ4 предназна­чалась только для сварки ме­таллов. В 1972 г. она модифи­цирована для сварки пластмасс и металлов. Выпускается се­рийно на калининградском за­воде «Электросварка». На ма­шине можно сваривать из­делия из полистирола (магнитофонные кассеты, товары на­родного потребления т. п.), приваривать выводы в алюми­ниевых электролитических конденсаторах, в ленточных транс­форматорах и т. д.; можно получать сварные соединения без предварительной подготовки поверхностей.

Машина предназначена для работы в следующих условиях: при высоте над уровнем моря не более 1000 м; исполнение V, категория 4 по ГОСТ 15543—70*; среда, окружающая машину, — невзрывоопасная, она не содержит токопроводящей пыли, агрес­сивных газов и паров, разрушающих изоляцию и металлы. Крат­кие технические данные машины приведены ниже:

Мощность акустического устройства, кВт…. 0,4—0,63

Рабочая частота акустического устройства, кГц 22±1,65

Свариваемые материалы:

цветные металлы толщиной, мм:

медь ……………………………………………………….. 0,2+0,2

алюминий………………………………………………… 0,3+0,3

пластмассы…………………………………………………….. Полистирол, полиэти-

лентерефталат и др.

Максимальная производительность, точек/мин. . 60

Напряжение питающей сети, В………………………………………………. 380

Частота питающей сети, Гц…………………………………………………….. 50

Привод ………………………………………………………………… Пневматический

Максимальное давление сжатого воздуха, кПа 392

Охлаждение преобразователя……………………………………………… Водяное

Габаритные размеры, мм………………………………………… 1300X 620X1430

Масса машины, кг…………………………………………………………………. 130

Машина состоит из сварочной головки и источника пита­ния— ультразвукового генератора типа УЗГ5-1,6/22, техни­ческие данные которого следующие:

Напряжение питающей сети, В………………………………. 380

Число фаз…………………………………………………………….. 3 с нулем

Частота питающей сети, Гц……………………………………. 50

Мощность, потребляемая из сети, кВт, не более 3,55

Коэффициент мощности, не менее………………………….. 0,85

Мощность выходная, кВт………………………………….. . . 1,6+0,16

Выходное напряжение, В…………………………………………………….. 220+22

Частота рабочая, кГц………………………………………………………….. 22+1,65

Ток подмагничивания, А……………………………….. 0—25

Коэффициент полезного действия, %, не менее 45

Масса, кг, не более……………………………………………….. . 235

Сварочная головка изображена на рис. 5.11.

Сварочная головка состоит из сварного корпуса, в верхней части которого закрепляется привод сжатия У, а в нижней — пневмопривод горизонтального перемещения 6, 7. Корпус го­ловки имеет заднюю дверцу 8 для доступа к элементам, размещен­ным внутри головки. Привод сжатия выполнен в виде цилиндра с поршнем, который позволяет закреплять на нем акустическое устройство при сварке пластмасс или упорный стержень при сварке металлов. В зависимости от назначения акустическое устройство включает в себя магнитострикционный преобразова­тель 2 и концентратор 4 (при сварке пластмасс) или магнито­стрикционный преобразователь, концентратор и активно резонирующий стержень 3 (при сварке металлов).

Привод горизонтального перемещения состоит из пневмати­ческого цилиндра, поршень которого соединен с платформой. Эта платформа перемещается в направляющих типа «ласточкин хвост», закрепленных на корпусе сварочной головки. К платформе привода перемещения крепится опорный элемент (при сварке пластмасс) или сменные акустические устройства 5 (при сварке металлов).

Электрическое устройство машины размещается внутри шкафа управления и состоит из двух функциональных узлов:

1) регулятора цикла сварки. Схема регулятора выполнена на транзисторах и состоит из четырех последовательно действуй ющих времязадающих цепей в соответствии с выдержкой времени: «сжатие», «сварка», «проковка» и «пауза»;

2) двухполупериодного выпрямителя, служащего для питания клапанов. Он обеспечивает заданную циклограмму работы ма­шины, аналогичную принятым в машинах для контактной сварки.

Пневматическая схема машины состоит из влагоотделителя, воздушного редуктора с манометрами, двух маслораспылителей, двух электропневматических клапанов и монтируется на станине и в шкафу сварочного устройства.

В качестве источника питания машины используются генера­торы типа УЗГ5-1,6 или УЗГ13-1,6 (с 1981 г.). Клещи для УЗС — типа КТУ-0,1У4; предназначены они для точечной сварки раз­личных металлов и, в частности, алюминиевых предохранителей с перемычками и вкладышами силовых конденсаторов при монтаже

Рис. 5.12. Ручные сварочные клещи типа
КТУ-0,1 У4

электросхем. С помощью кле­щей можно получать соедине­ния металлов без предвари­тельной подготовки поверх­ностей.

Клещи типа КТУ-0,1У4 сос­тоят из комплекта, включаю­щего ручные и подвесные кле­щи мощностью 0,1 и 0,63 кВт соответственно. Краткие техни­ческие данные их приведены в табл. 5.3.

Ручные клещи (рис. 5.12) состоят из акустического ус­тройства 5, бака 6у ручки 9, опоры 4, направляющего устрой­ства 8 и привода давления 1.

Акустическое устройство вы­полнено на базе магнитострик — ционного преобразователя. Бак

6 имеет прямоугольную форму. К фланцу бака крепится акустичес­кое устройство. Внутри бака циркулирует вода, охлаждающая маг — нитостриктор. Ручка 9 состоит из двух частей; к ней крепится бак с акустическим устройством. Внутри ручки на оси закрепляется курок 3 с плоской пружиной, которая воздействует на кнопку мик­ропереключателя 2 и возвращает курок в первоначальное положе­ние. Опора 4 представляет собой фигурную планку, которая крепится к рамке 7. Направляющее устройство выполнено на подшипниках качения. Планка с четырьмя подшипниками, за-

Таблица 5.3

Краткие технические данные клещей для УЗС металлов

Параметр

КТУ-0,1 У4

КТУ-1,5У4 подвесные

Ручные

Подвесные

Мощность акустического устройства, кВт

Рабочая частота акустического уст­ройства, кГц Сила сжатия, Н

Толщина свариваемого материала (алюминий), мм Производительность, сварок/ч

0,1

44

50

0,1+0,1

0,63

2

600

0,25+0,25 До 3600

1,5

:2

1200 0,5+0,5

Примечание. Питание для всех машин — от электрической сети 380 В; охлаждение — водяное; привод силы сжатия — пневматический. Машины КТУ-0,1 (ручные) имеют электромагнитный привод силы сжатия.

крепленными на осях, крепится внутри ручки. Ползун имеет с двух сторон пазы, в которые попарно входят наружные кольца подшипников. Рамка с опорой крепится к ползуну так, что она располагается под концентратором.

Привод давления в ручных клещах электромагнитный. Элек­тромагнит закреплен в нижней части ручки. При подаче напря­жения на обмотку электромагнита его сердечник воздействует на ползун, передавая сварочное усилие на наконечник концентра­тора. Возврат ползуна и сердечника производится пружиной.

Водяные шланги и провода, подводимые к клещам, заключены в металлорукав. Внешний вид клещей приведен на рис. 5.13.

Подвесные клещи (номинал 0,63 кВт), а также клещи типа КТУ-1,5 (номинал 1,5 кВт) состоят из сварочной головки, стойки, шкафа управления, в котором размещен регулятор цикла сварки и источника питания — генератора типа УЗГ5-1,6.

Основным элементом сварочной головки является акустиче­ский узел (рис. 5.14), который состоит из резонирующего стержня

Краткие технические данные машин специального назначения для УЗС металлов

Параметр

Тип машины

МТУ-0,6-ЗУ4

МТУМ-0ЛУ4

МТУ-0,1УХЛ4

Мощность акустического устройства, кВт

2X0,6

2X1,5

1±0,15

Рабочая частота акустиче­ского устройства, кГц

22±1,65 ‘

22 ±1,65

Сила сжатия, Н

600

1200

200—1000

Толщина свариваемого ма­териала, мм

0,5+0,5

5—40

(ЮНДК);

0,15—0,4

(МНЦ)

0,2+0,2

Производительность, изде- лий/ч

и

Ю

1000

Примечание. Питание для всех машин — от электрической сети 380 В; охлаждение — водяное; привод силы сжатия — пневматический (у УСУ-0,1У4 — механический).

б, концентратора механических колебаний 7, бака охлаждения 6, магнитострикционного преобразователя 5 с обмоткой. Концентра­тор 7 — экспоненциальный, полуволновый, ножевого типа. В его нулевой плоскости, где амплитуда колебательного смещения равна нулю, расположен прилив 5, к которому приварен фланец, служащий для крепления бака охлаждения. Фланец имеет при­ливы, которые охватывает каретка 2 с четырьмя парами роликов. Каретка служит для передачи давления от поршня привода да­вления посредством рычага 4. Усилие сжатия свариваемым дета­лям передается через опорное звено 1.

Управление работой клещей осуществляется типовой электри­ческой схемой. Блок формирования воздуха и пневматическая схема аналогичны использованным в машине типа МТУ-0,4-ЗУ4.

Специальные машины разрабатываются для решения конкрет­ных задач. Число их типов уже в настоящее время достаточно велико. Дать описание (даже краткое) практически невозможно, так как в зависимости от конструкции свариваемого изделия и заданной циклограммы процесса сварки машины имеют соот­ветствующие кинематические схемы, аппаратуру управления и исполнительное устройство. В настоящее время можно дать только общую их классификацию.

В качестве примера специализированной машины можно при­вести общую характеристику машины типа МТУ-0,6-ЗУ4. Она предназначена для одновременной приварки плавкого элемента из перфорированной алюминиевой фольги к толстостенным кон­тактным ножам новой серии электрических предохранителей. Основные технические данные машины приведены в табл. 5.4.

Машина состоит из следующих основных узлов: корпуса; поворотного стола с приспособлениями для размещения, за­крепления свариваемых деталей и подачи их в зону сварки; сва­рочного устройства с приводом давления и перемещения; электри­ческой схемы управления, обеспечивающей автоматический цикл работы; источников питания.

Автоматический режим работы машины происходит к следу­ющей последовательности: опускается устройство для зажима изделий (зажим детали); из стола выводится фиксатор; стол поворачивается и фиксируется; деталь подается в зону сварки и поднимается устройство для зажима (загрузка детали); включе­ние привода давления и источников питания; сварка; отключение источников питания и привода давления; включение шага сварки и его реверс в исходное положение.

Машина типа МТУМ-0,1У4 предназначена для точечной сварки магнитов из сплава ЮНДК с держателями из сплава МНЦ тол­щиной 0,15—0,40 мм при изготовлении реле различных типов. Краткие технические данные ее приведены в табл. 5.4.

Машина состоит из корпуса, двух акустических систем, на­правляющего устройства, привода давления для перемещения акустических систем, устройства для размещения свариваемого изделия, пневматического и электрического устройства с источни­ком питания — генератором типа УЗГ5-1,6/22.

Акустические системы выполнены по продольно-поперечной схеме волноводов по варианту ранее разработанной машины для точечной УЗС металлов типа МТУ-1,5. Резонирующие стержни расположены горизонтально, симметрично относительно сварива­емых деталей и обеспечивают двусторонний ввод энергии в зону сварки. Коммутирующее устройство обеспечивает возможность подачи энергии на акустические системы последовательно, от одного источника питания. Акустические системы размещены в направляющих, связаны с приводом давления, который обеспе­чивает передачу этого давления свариваемым деталям.

Устройство для закрепления свариваемых деталей представ­ляет собой гнездо с прижимными планками и толкателем, раз­мещенными на каретке. В зоне разгрузки-загрузки толкатель отодвигает прижимную планку, что позволяет заложить свари­ваемые детали в гнездо. В позиции «сварка» изделие обжимается этими планками.

Цикл сварки предусматривает автоматическую работу машины. После закладки свариваемого изделия оно обжимается и подается в зону сварки. После сварки уже сваренное изделие возвращается в зону разгрузки. Выполнение этого цикла обеспечивает электри­ческая схема с системой исполнительных элементов. Блок фор­мирования пневмосистемы аналогичен использованным в машинах типа МТУ-0,4-ЗУ4; источник питания — генератор типа УЗГ5-1,6.

Ультразвуковая сварочная машина типа МТУ-0,1УХЛ4 пред­назначена для точечной сварки никелевых токоподводов с мед­ными шинами электронагревателей. Толщина свариваемых метал­лов 0,1—0,2 мм.

Краткие технические данные ее приведены ниже:

Мощность акустического устройства, кВт…. 1,0±0,15

Рабочая частота акустического устройства, кГц 22±1,65

Сварочное усилие, Н…………………………………………….. 200—1000

Потребляемая электрическая мощность, кВт. . 5,0

Номинальное напряжение сети, В………………………………………… 380±10

Охлаждение преобразователя……………………………………………… Водяное

Привод давления………………………………………………….. Пружинно-пневмати­

ческий

Габаритные размеры сварочной машины, мм. . 842X545X 1390

Масса сварочной машины без генератора, кг. . 260

Машина состоит из сварочного устройства и источника пита­ния— ультразвукового генератора типа УЗГ-1,6/22.

Сварочное устройство включает станину, устройство — аку­стическое, привод сжатия — пневматический, охлаждение — водяное и устройство — электрическое.

Акустическое устройство, выполненное по продольно-попереч­ной системе волноводов с приводом давления, размещено с при­водом сжатия в центральной части станины и представляет собси единую замкнутую силовую систему. Свариваемое изделие перед сваркой размещается в специальной кассете с направляющими для перемещения изделий.

Электрическое устройство состоит из регулятора цикла сварки (РЦС) и элементов, обеспечивающих включение, выключение, сигнализацию и защиту сварочного устройства. РЦС обеспечивает автоматическое управление машиной по следующему циклу: опускание упорного стержня, включение и выключение ультра­звука, дополнительное сжатие и выдержку изделия под давлением без ультразвука и подъем упорного стержня.

Блоки формирования воздуха, пневмопривод, водяное охла­ждение, работа РЦС в основном аналогичны соответствующим устройствам сварочной машины типа МТУ-166-ЗУХЛ4.

Машины для шовной УЗС металлов могут в настоящее время рассматриваться как специальные, хотя со временем (по мере увеличения объемов внедрения) должны перейти в класс уни­версальных. Во ВНИИЭСО разработаны три типоразмера машин для УЗС металлов (табл. 5.5).

Машина типа МШУ-0,63 (рис. 5.15, а) предназначена для шовной ультразвуковой сварки. На машине можно сваривать фольгу цветных металлов (медь, никель, алюминий, ниобий, титан и др.), а также фольгу ряда сталей. Машина состоит из сварочного устройства, аппаратуры управления и источника питания — генератора типа УЗГ-1,6.

Сварочное устройство состоит из станины /, направляющей 2, каретки 5, магнитного стола 4, пневматического устройства 5 и системы охлаждения 6 (рис. 5.15, а). Каретка выполнена в виде

скобы, охватывающей направляющую и перемещающейся по последней на роликах. На каретке размещены привод перемеще­ния, акустическое устройство и привод сварочного усилия.

Привод перемещения обеспечивает вращательно-поступатель­ное движение колебательной системы акустического устройства. Вращательное движение осуществляется от электродвигателя через редуктор, посредством шестерни-рейки преобразуется в по­ступательное движение каретки. С помощью шестерни, находя­щейся в зацеплении с той же рейкой, через цепную и зубчатую передачу поступательное движение каретки преобразуется во вращательное движение колебательной системы. Изменение ско-

Краткие технические данные машин для шовной УЗС металлов

Параметр

Тип машины

МШУ-0,63

МШУ-1,5

МШУ-4

Мощность акустического устройства, кВт

0,63

1,5

4,0

Рабочая частота акустического ус­тройства, кГц

2

1

18

Сила сжатия, Н

500 I

1500

2500

Толщина свариваемого материала (алюминий), мм

0,2

0,5

0,8

Примечание: Питание для всех машин — от электрической сети 380 В? охлаждение — водяное; привод усилия — пневматический; производительность 3 м/мин.

рости перемещения — ступенчатое и осуществляется путем смен­ных пар шестерен, расположенных под крышкой редуктора с лицевой стороны каретки.

Сварочное усилие создается с помощью пружины, располо­женной на штоке пневмопривода, шарнирно закрепленного на кронштейне. Регулировка сварочного усилия обеспечивается вра­щением стакана.

Акустическое устройство (рис. 5.15, б) состоит из колебатель­ной системы У, которая закреплена в шпинделе 4, размещенном в корпусе 5. Подвод электроэнергии к колебательной системе осуществляется с помощью щеток 2 и токосъемника 3. Проточная вода для охлаждения колебательной системы поступает и от­водится через каналы во втулке 6, зона контакта которой со шпин­делем ограничена двумя манжетами 7. Сварочный ролик помещен в звукопоглощающий экран 8. Экран дополнительно служит для рассеивания по поверхности ролика охлаждающего воздуха.

В магнитном столе размещено устройство для закрепления свариваемых материалов. Свариваемые материалы помещаются между прижимными планками, закрепленными на штангах, и электромагнитами. Подвод планок к магнитам осуществляется с помощью рукоятки.

Подъем и опускание акустического устройства осуществляется при подаче сжатого воздуха в соответствующие камеры пневмо­цилиндра. Пневматическая схема в принципе не отличается от использованной в машине типа МТУ-0,4-ЗУ4. Опускание акусти­ческого устройства происходит при подаче сжатого воздуха в обе камеры цилиндра за счет усилия, величина которого определяется площадью штока. В момент соприкосновения сварочного ролика с опорой воздух из нижней камеры выбрасывается и пневмопривод развивает полное усилие. При подъеме акустического устройства

Рис. 5.16. Внешний вид машины для
УЗС пластмасс типа
МТУ-1,5-3 У ХЛ 4

воздух подается только в нижнюю камеру. Плав­ность хода акустического устройства обеспечивается воздушными дросселями. Шум устраняется глуши­телями. В системе охлаж­дения установлено гид­равлическое реле, которое блокирует пуск рабочего цикла машины при расхо­де воды ниже необходи­мого.

Электрическое устрой­ство машины состоит из источника питания, элек­тродвигателя, электромаг­нитов и аппаратуры уп­равления. Аппаратура смонтирована в шкафу уп­равления. Она обеспечи­вает работу машины в ав­томатическом и наладоч­ном режимах. Подключе­ние сварочного устройства к шкафу управления и ис­точнику питания осущест­вляется в соответствии с электрической схемой.

Работа машины в автоматическом режиме происходит в следу­ющей последовательности. Включением автоматического выключа­теля, установленного в шкафу управления, и кнопки на пульте сварочного устройства подается напряжение на машину. При этом на пульте загораются лампочки «установка включена», «вода», а после прогрева источника питания — лампочка «генератор включен». Свариваемые материалы закрепляются на магнитном столе. Элементы автоматики обеспечивают опускание акустиче­ского устройства, вращение и питание его, включение привода перемещения каретки. Сварочный, цикл прекращается при сра­батывании бесконтактных выключателей. При этом выклю­чается электродвигатель и источник питания. Акустическое устройство и прижимные планки поднимаются, включается ре­верс электродвигателя. Когда каретка приблизится к исход­ному положению, включается динамическое торможение дви­гателя.

При работе в наладочном режиме с помощью соответствующих переключателей, расположенных нр пульте управления, можно осуществлять подъем и опускание акустического устройства, перемещение и остановку каретки, включение и отключение источника питания и электромагнитов. Аварийное отключение машины осуществляется с помощью кнопки, установленной на пульте управления.

Машины для сварки пластмасс. Машина типа МТУ-1,5-ЗУ4 предназначена для точечной ультразвуковой сварки пластмасс. С ее помощью можно сваривать изделия из термопластичных материалов. Машина комплектуется источником питания — ультразвуковым генератором типа УЗГ5-1,6/22 или УЗГ13-1,6/22 (рис. 5.16). Краткие технические данные приведены ниже:

Мощность акустического устройства, кВт…………………….. 1 >^і! іо’зо

Рабочая частота акустического устройства, кГц. . . 22±1,65

Максимальная производительность при сварке поли­этилена марки П-2010В толщиной 0,1 мм, сварок/мин,

не менее…………………………………………………………………………………… 80

Время плавного регулирования выдержек, с:

сжатие………………………….. . . :………………………………. 0,15—1,0

сварка:

I диапазон…………………………………………………… 0,1—1,5

II диапазон……………………………………………………. 1,5—4,5

проковка ……………………………………………. …..’ 0,4—4,0

пауза …………………………………………………………………… 0,1—2,0

Потребляемая из сети электрическая мощность, кВ-А 4,5

Номинальное напряжение питающей сети, В. . . . 380 ± 5 %

Привод усилия сжатия……………………………………………………. Пневматический

Пределы регулирования сварочного усилия, Н. . . 78,4—382

Пределы регулирования проковочного усилия, Н 187—784

Габаритные размеры сварочного устройства, мм. . . 770X626X1500

Сварочная машина состоит из корпуса и акустического, пнев­матического, гидравлического и электрического устройств.

Корпус (поз. 8, рис. 5.17, а) является основной несущей кон­струкцией, на которой закрепляются все узлы и системы свароч­ного устройства. На П-образном кронштейне закрепляется корпус пневматического цилиндра 10, шток которого соединяется с по­движным ползуном 15, который перемещается в направляющем устройстве на подшипниках качения.

Направляющее устройство состоит из двух стальных планок: неподвижной 16 и регулируемой 19, закрепленных на кронш­тейне 20. В этих планках закреплены восемь пальцев 17, на кото­рых установлены ролики 18. Четыре передних пальца — экс­центриковые, что позволяет регулировать положение четырех передних роликов относительно ползуна 15. Величина хода пол­зуна ограничена регулируемым упором 3. К ползуну 15 винтами крепится горизонтальный кронштейн 11 с акустическим устрой­ством 12. Продольные пазы на ползуне 15 позволяют плавно регулировать по высоте установку кронштейна 11. Для компенса­ции массы подвижных частей предусмотрены две пружины 9.

2 1

Рис. 5.17. СварочноЬ устройство машины типа МТУ-1,5-ЗУХЛ4 (а) и аку­стическое устройство машины типа МТУ-1,5-ЗУХЛ4 (б)

На верхней плите корпуса 8 закреплена опора 13, на которой устанавливают детали, подлежащие сварке. П-образный кронш­тейн 20 с закрепленными на нем элементами закрывается кожу­хом 6 со съемной задней стенкой для доступа к элементам пневма­тического 5 и электрического 7 устройств. Вентиль 1 и гидрореле 2 обеспечивают работу гидравлического устройства (14 — кнопка блокировки включения машины).

Акустическое устройство (рис. 5.17, б) состоит из двухступен­чатого концентратора 2 со съемной второй ступенью /, магнито — стрикционного преобразователя 4 с обмоткой и бачка водяного охлаждения 3 с входным и выходным ниппелями. Магнитострик — ционный преобразователь охлаждается водой, подаваемой из бачка охлаждения. Вторая ступень концентратора 1 соединяется с первой ступенью при помощи шпильки 5.

Крепление акустического устройства обеспечивает возмож­ность его поворота вокруг вертикальной оси для установки в по­ложение, удобное для сварки. На фланце бачка ввернуты уста­новочные винты, которые позволяют обеспечить параллельность плоскостей рабочего торца концентратора акустического устрой­ства и опоры. Устройство сжатия — пневматическое.

Сжатый воздух из сети подводится через входной ниппель к вентилю и фильтру-влагоотделителю. От фильтра-влагоотдели — теля сжатый воздух поступает по двум параллельным ветвям: 1) на управление двумя электропневматическими клапанами типа КЭЦ-15; 2) на вход редукционного пневмоклапана с манометром.

Редуцированный воздух через маслораспылитель поступает на вход электропневматических клапанов. От электропневмати — ческих клапанов воздух поступает через пневмодроссели с обрат­ными клапанами к полостям пневмоцилиндра. При обесточенных обмотках электропневматических клапанов, сжатый воздух по­ступает в нижнюю полость пневмоцилиндра. При этом ползун с акустическим устройством поднимается вверх. Верхняя полость пневмоцилиндра при этом сообщается с атмосферой.

При включении машины на сварку срабатывает электро — пневматический клапан, соединенный с верхней камерой пневмо­цилиндра. На поршень одновременно действует сжатый воздух из верхней и нижней камер. Ползун с верхним кронштейном и акустическим устройством опускается вниз и сжимает сварива­емые изделия с усилием, определяемым разностью площадей поршня со стороны верхней и нижней полостей пневмоцилиндра (эта разность равна площади сечения штока) и давлением сжатого воздуха.

По окончании времени «сварка» включается электропневмати — ческий клапан, соединенный с нижней камерой пневмоцилиндра. При этом нижняя полость соединяется с атмосферой. По оконча­нии времени «проковка» одновременно выключаются оба клапана. При этом верхняя полость пневмоцилиндра сообщается с атмо­сферой, а в нижнюю полость поступает сжатый воздух от редук-

Рис. 5.18. Внешний вид машины
для ультразвуковой сварки пласт-
масс типа УПМ-21

ционного пневмоклапана. Плавная безударная ра­бота пневмопривода дос­тигается вращением махо­вичков пневмодросселей, регулирующих скорость подачи воздуха в верхнюю и нижнюю полости цилин­дра. Для уменьшения шу­ма выхлопа сжатого воз­

духа, выходящего из ци­линдра, установлены два глушителя.

Система охлаждения обеспечивает протекание охлаждающей воды через бачок акустического ус­тройства. Из акустичес­кого устройства вода че­рез гидравлическое струй­ное реле поступает в слив­ную коробку, которая со­единяется с канализа­ционной системой. Гидрав­лическое струйное реле обеспечивает контроль протекания воды в систе­ме охлаждения.

Электрическое устрой­ство включает в себя ре­гулятор цикла сварки РЦС и элементы, обеспечивающие включение, выключение, сигнализацию и защиту сварочного устройства. Регулятор цикла сварки предназначен для регулирования времени и управ­ления последовательностью действий машины. Он обеспечивает автоматическое управление машиной по следующему циклу: опускание акустического устройства; включение и выключение высокочастотного напряжения; дололнительное сжатие и вы­держку изделия под давлением без воздействия механических колебаний; подъем акустического устройства.

Конструктивно регулятор выполнен в виде отдельного при­бора, закрепленного на сварочном устройстве при помощи четырех винтов. На задней стенке регулятора установлены штепсельный разъем и предохранитель. На передней панели расположены ручки управления «сжатие», «сварка», «проковка», «пауза», которые

позволяют плавно изменять выдержки времени. Есть тумблеры для переключения диапазонов выдержки времени «сварка» и переключения работы регулятора в автоматическом и одиночном режимах. Включение регулятора осуществляется одновременно с включением сварочного устройства.

Рабочий цикл машины и управляющего ею регулятора начи­нается с момента замыкания кнопок, имеющихся на сварочном устройстве. Питание регулятора осуществляется через его силовой трансформатор от сети переменного тока напряжением 220 В.

С 1980 г. машина типа МТУ-1,5-ЗУ4 серийно выпускается калининградским заводом «Электросварка».

В МВТУ им. Н. Э. Баумана разработана универсальная ма­шина типа УПМ-21 (рис. 5.18), которая предназначена для точеч­ной сварки пластмасс. Краткие технические данные приведены ниже:

Мощность акустического устройства, кВт……………………….. 0,6—1,5

Рабочая частота акустического устройства, кГц… . 22 ± 1,65

Максимальная производительность, сварок/мин, не менее 80

Время плавного регулирования выдержек сварки, с. . 0,5—2,0

Потребляемая из сети электрическая мощность, кВ-А 2,0—5,5

Номинальное напряжение питающей сети, В……………………. 380+5 %

Привод усилия. . ………………………………………………………………. Механический

Пределы регулирования сварочного усилия, Н…. 50—500

Габаритные размеры, мм…………………………………………………… 530X740X1300

Машина состоит из сварочного устройства и источника пита­ния— генератора типа УЗГ5-1,6/22. Конструкция сварочного устройства предельно проста.

На станине закреплен кронштейн. По направляющим кронш­тейна может перемещаться платформа, к которой крепится двух­полуволновая акустическая система. Привод сжатия свариваемых деталей — ножной, осуществляется нажатием на педаль. Педаль и платформа связаны тягами. Для возвращения акустического устройства в верхнее положение служат пружина и противовес. Свариваемые детали размещаются на рабочем столе. При опуска­нии рабочего стола-опоры происходит сжатие пружины в стакане. Первоначальное давление пружины регулируется установочным винтом. Ультразвук включается при заданной деформации пру­жины с помощью микровыключателя и штифта, установленного на рабочем столе. Вода для охлаждения магнитострикционного преобразователя подводится через штуцер. Выводы микропере­ключателя и обмотки преобразователя расположены на клеммной коробке, закрытой защитным кожухом.

Электрическая часть сварочной установки УПМ-21 включает в себя блок контроля резонанса и коммутирующие элементы. Коммутирующие элементы обеспечивают включение и выключение ультразвуковых колебаний в ручном режиме с помощью кнопки, установленной на генераторе, и в автоматическом режиме с по­мощью концевого выключателя, установленного под рабочим столом машины. С помощью этих элементов замыкается цепь пускателя, включающего высоковольтный трансформатор в уль­тразвуковом генераторе.

В качестве источника питания могут быть использованы ультразвуковые генераторы мощностью 0,6—1,5 кВт, предназна­ченные для работы с магнитострикционными преобразователями. Машина выпускается МВТУ имени Н. Э. Баумана мелкими пар­тиями по запросам предприятий.

Переносные установки для УЗС пленок. Установка РУСУ-28 предназначена для ручной непрерывной сварки пленок ПЭТФ, ПП, ПК-4, ЛП-1 толщиной 20—100 мкм. Может использоваться для точечной сварки. Создание установки РУСУ-28 значительно расширило технологические возможности ультразвуковой сварки: позволило проводить сварку в монтажных условиях, получать швы любой протяженности и конфигурации.

Установка. РУСУ-28 состоит из соединенных между собой посредством гибкого кабеля сварочного пистолета и генератора. Сварочный пистолет представляет собой ферритовый преобразо­ватель марки Ф-21, помещенный в специальный кожух с рукоят­кой, с помощью которой пистолет держат в руке и перемещают по материалу, пользуясь линейкой и шаблоном. Усилие прижима инструмента создается вручную и массой сварочного пистолета. Волновод сменный, с клинообразной заточкой.. Масса сварочного пистолета 1,5 кг. Пистолет компактен, питается от генератора мощностью 70 Вт; частота 28 кГц. Охлаждение преобразователя — воздушное. Схема генератора РУСУ-28 обеспечивает автомати­ческую подстройку частоты и регулировку мощности, что поз­воляет сохранять постоянную амплитуду колебаний инструмента при различных его нагружениях в процессе сварки.

Установки РУСУ-50 и РУСУ-50М предназначены для ручной непрерывной сварки тонких ПЭТФ пленок толщиной менее 40 мкм при изготовлении из них крупногабаритных изделий со сложной конфигурацией швов, а также при сборке изделий с высокими требованиями в отношении их геометрии.

Сварочный пистолет, изготовленный из феррита марки Ф-21, питается от генератора, который позволяет стабильно поддержи­вать работу преобразователя на резонансной частоте и сохранять постоянство амплитуды колебаний инструмента при условии малых изменений прикладываемой к нему нагрузки. Мощность преобразователя 30 Вт. Рабочая частота около 50 кГц. Масса пистолета 0,4 кг.

Установка РУСУ-50-3 отличается от РУСУ-50 повышенной выходной мощностью и более стабильной и надежной схемой питающего генератора. Установки оснащены износостойкими ин­струментами из Д-16 со сменными рабочими насадками из титана с клинообразной заточкой. Генератор имеет широкий диапазон настройки, необходимый при наладке установки после смены инструмента.

Одна из последних разработок — ультразвуковая сварочная установка типа РУСУ-44-250; предназначена для точечной сварки деталей из термопластов, запрессовки крепежной арматуры в из­делиях из полимеров, развальцовки пластмассовых заклепок и отверждения клеев на основе эпоксидной смолы.

Установка состоит из сварочного пистолета и питающего генератора. В пистолете скомпонована акустическая система, контактная группа для включения и выключения ультразвука. Акустическая система имеет сменные инструменты из титановых сплавов ножевого и цилиндрического типов. Площадь контакти­рующих площадок у ножевого концентратора 30×6 мм, у ци­линдрического — диаметр 12 мм. Генератор выполнен на транзи­сторах. Рабочая частота установки — 44 кГц. Мощность — 250 Вт.

Установка УРСК-7Н предназначена для проведения хирурги­ческих операций в клинических условиях, для ультразвуковой сварки, восстановления и резки биологических тканей человека. Установка разработана в МВТУ им. Н. Э. Баумана и серийно

Краткий перечень машин для УЗС полимеров

Тип машины

Назначение, мощность генератора (кВт), рабочая частота (кГц) и другие примеры

Разработчик

УПК-15М

Контурная сварка емкостей из ПЭ

УШИ-12 УПТ-14

диаметром до 100 мм. Поворотный стол на шесть позиций; 1,5 кВт; 21,3 кГц

Шовная сварка синтетических тканей; 0,4 кВт; 22 кГц

Сварка труб, наполненных различны­ми продуктами; 1,6 кВт; 21,3 кГц

МВТУ им. Н. Э. Бау­мана

АУСК-1,5

Сварка клемм-ташей; 1,5 кВт; 22 кГц

ВНИИЭСО

АУС-1,5

Сварка фильтров для переливания крови; 1,5 кВт; 22 кГц

ВНИИЭСО

УЗСРФ-02-М

РУСУ-28

Контурная сварка-резка синтетиче­ских тканей и нетканых материалов; 4,0 кВт; 17 кГц

Шовная сварка ориентированных по­лимерных пленок; мощность до 0,07 кВт; 28 кГц

Ташкентский авто­дорожный институт •

РУСУ-50;

РУСУ-50М;

РУСУ-50-3

РУСУ-44-250

УСП-14

УСМ-33-1

УСМ-33-2

Сварка пленок мощностью до 0,03 кВт; 50 кГц; производительность до 1,5 м/мин

Точечная сварка пластмасс; 0,25 кВт; 44 кГц

Точечная сварка пластмасс; 0,150 кВт; 28 кГц

Контурная сварка; 5—8 кВт; до ше­сти сварочных головок

НИАТ

УСМ-3

Сварка тканей и пленок; шовная шов­но-шаговая

Омский политехни­ческий институт

УСМ-18

УСМ-20-1;

УСМ-20-2

УСМ-11

Термоультразвуковая сварка; 1,6 кВт Полуавтоматы; 1,6 кВт; 20 кГц

Полуавтоматический поворотный стол на 12 позиций; 1,6 кВт

(ОПИ)

выпускается на Ульяновском приборостроительном заводе. Она состоит из генератора УЗУ-1-0,25-0, трех акустических узлов, герметичного контейнера для их хранения и стерилизации.

В комплект установки входит пять типовых размеров инстру­ментов-волноводов. Волноводы изготовлены из титановых сплавов. Для настройки различных волноводов-инструментов на определенную частоту в генераторе предусмотрена автомати­ческая подстройка частоты. Для этих целей был введен индикатор резонанса, с помощью которого существенно облегчилось управле­ние установкой. Мощность преобразователя 90 Вт, частота

26,5 кГц, материал — никель. Диаметр корпуса сварочного узла 52 мм, длина без волновода 160 мм, масса 420 г.

В настоящее время известно достаточно большое число спе­циальных машин (табл. 5.6), например типа УПК-15М1—для сварки по контуру; типа УПУ-1 — для изготовления петель; полуавтомата типа УПШ-12 — для сварки тканей, типа УПШ-19 — для шовной сварки дублируемых пленочных материалов и т. п. Комплект технологического оборудования этих машин один. Машины отличаются назначением и необходимыми устройствами для выполнения технологических процессов. Приведем в качестве примера описание машин, разработанных рационализаторами Сосновского производственного объединения пластмасс инж. В. С. Толстопятом и Ю. А. Бондаревым на базе сварочных машин типа МТУ-0,4-ЗУЧ и МТУ-1,5-ЗУЧ.

Полуавтомат для УЗ сварки шариков из полистирола (рис. 5.19, а). Он состоит из УЗ системы для сварки, механиче­ского привода сварочного усилия и поворота карусели. Принцип работы: кулачок 2 приводится в движение от электродвигателя через редуктор. По мере поворота кулачка толкатель 1 поднимает и опускает сварочную головку 5. Одновременно с этим храповой механизм 3, связанный рычажной системой с кулачком 2, обеспе­чивает поворот карусели, на которой расположены матрицы 4 со свариваемыми изделиями, на заданный угол. Кулачковый и храповой механизмы рассчитаны так, чтобы в момент подхода изделия в рабочую зону обеспечивался необходимый нажим сва­рочной головки и происходила сварка.

На данном полуавтомате изготавливается порядка 5,5 млн. изделий в год трех модификаций.

Полуавтомат для сварки шариков из полистирола (рис. 5.19, б). Он состоит из УЗ системы для сварки изделий и механического привода сварочного усилия акустической головки.

Во время работы кулачок 1 получает вращение от электро­двигателя через редуктор. Через рычажную систему кулачок передает движение валу, на котором закреплены храповое колесо и шкив ременной передачи 2. Ременная передача передает преры­вистое вращение звездочке 3, которая, в свою очередь, приводит в движение цепной транспортер 5 с закрепленными на нем матри­цами. Одновременно с этим кулачок через рычажную систему 6 осуществляет подъем и опускание сварочной головки 4. Расчет кулачка храпового и ременного механизмов обеспечивает согласо­вание движения транспортера и процесса сварки изделий. Произ­водительность полуавтомата 1800 шт./ч.

Сварочный полуавтомат с мальтийским крестом (рис. 5.19, в). Он состоит из сварочной головки и механического привода сва­рочного усилия. Предназначен для сварки различных деталей из полистирола. Принцип работы: шкив 1 получает вращение от электродвигателя через редуктор. Через ременную передачу вращение получает вал 2, на котором закреплены два кулачка 3 для подъема и опускания сварочной головки 5 через рычажную систему 4. На этом же валу закреплен привод мальтийского

Рис. 5.20. Принципиальные кинематические схемы сварочных машин с вертикальными дисковыми опорами с гнездами, разработанных в Сосновском ПО пластмасс Ленинград­ской области

механизма. Механизм мальтийского креста обеспечивает преры­вистое вращение вала, на котором крепится звездочка цепного транспортера 6 с закрепленными на нем матрицами 7. Все движе­ния механизмов согласованы с процессом сварки. Производитель­ность полуавтомата до 1350 шт./ч.

Вертикально-дисковый сварочный полуавтомат (рис. 5.20, а). Полуавтомат предназначен для механизации работ по свариванию пустотелых шаров из полистирола. Производительность полу­автомата 3600 шт./ч. Состоит из сварочной головки и пневмо­механического привода. Принцип работы: при включении кнопки «пуск» 1 срабатывает реле времени РВ, которое выдает команду на распределитель 2, который управляет цилиндром 3 подъема сварочной головки 7. Цилиндр 8 в соответствии с циклом работы полуавтомата включает и выключает цилиндр 4, который осуще­ствляет поворот на заданный угол диска с закрепленными ма­трицами 6 через храповое колесо 5. Время, необходимое для сварки, может регулироваться с помощью реле времени РВ.

Экономический эффект от внедрения этого полуавтомата на Сосновском заводе пластмассовых игрушек составил 9080 руб./год.

Полуавтомат для УЗ сварки шаров из полистирола (рис. 5.20,6). Полуавтомат состоит из УЗ сварочной головки и пневмомеханического привода. Принцип действия: после нажатия на кнопку 1 срабатывает реле времени РВ, которое включает распределитель 5. Последний, в свою очередь, управляет работой цилиндра 2 подъема сварочной головки 3. Одновременно с опу­сканием сварочной головки происходит поворот диска 4 с матри­цами посредством храпового механизма, закрепленного на валу диска 4. Использование такого полуавтомата позволяет сваривать до 2,6 млн. изделий в год.