4.1. ВОЛНОВОДЫ

Технологическое оборудование для ультразвуковой сварки независимо от физико-механических свойств свариваемых мате­риалов, которые являются непосредственными объектами интен­сивного воздействия ультразвуковых колебаний, имеет одну структуру и состоит из следующих узлов: источника питания, аппаратуры управления сварочным циклом, механической коле­бательной системы и привода давления.

Важнейшим узлом, составляющим основу и специфику обо­рудования и технологии ультразвуковой сварки металлов и пласт­масс, является механическая колебательная система. Эта система служит для преобразования электрической энергии в механиче­скую, передачи этой энергии в зону сварки, согласования сопро­тивления нагрузки с внутренним сопротивлением системы и гео­метрических размеров зоны ввода энергии с размерами излуча­теля, концентрирования энергии и получения необходимой вели­чины колебательной скорости излучателя. Система должна рабо­тать с максимальным КПД на резонанасной частоте назависимо от изменения сопротивления нагрузки.

Рис. 4.1. Типовые колебательные си*
стемы для сварки пластмасс (а) и ме*
таллов (<7)

Типовая колебательная система (рис. 4.1) состоит из электромеханического преоб­разователя 1, волноводного звена 3 (трансформатора) — концентратора колебатель­ной скорости, акустической развязки системы от корпуса машин 2, излучателя ультра­звука — сварочного нако­нечника 4 и опоры 5, на ко­торой расположены сваривае­мые детали 6.

Широко известны колеба­тельные системы с использованием резонирующих стержней, работающих в режиме изгибных колебаний.

Электромеханические преобразователи 1 изготовляются из магнито — или электрострикционных материалов (никеля, пермен — дюра, титаната бария и др.). Под воздействием переменного электромагнитного поля в преобразователе возникают механиче­ские напряжения, которые вызывают упругие деформации мате­риала. Таким образом, преобразователь является источником механических колебаний.

Волноводное звено 2 служит для передачи энергии сварочному наконечнику. Это звено должно обеспечивать необходимое уве­личение амплитуды колебаний сварочного наконечника по срав­нению с амплитудой исходных волн преобразователя, транс­формировать сопротивление нагрузки и концентрировать энергию.

Сварочный наконечник 4 является элементом, посредством ко­торого осуществляется отбор мощности, поглощаемой в зоне сварки. По существу, это звено, определяющее площадь и объем непосредственного источника ультразвщй. Так как в процессе сварки наконечник внедряется в свариваемую деталь, то он является также и согласующим волноводным звеном между на­грузкой и колебательной системой.

В общем случае рассматриваемая система является системой с распределенными параметрами и, как следствие этого, она имеет бесконечное число степеней свободы и собственных частот. Си­стема составлена из резонансных кратнйх полуволн звеньев.

Колебательные свойства упругой однородной и изотропной среды определяются следующими параметрами: плотностью ма­териала р, модулем Юнга Е, модулем сдвига G, коэффициентом Пуассона v, удельным волновым сопротивлением рс, скоростью распространения продольных колебаний упругой волны и коэф­
фициентом затухания 0. Скорость распространения продольных колебаний с непосредственно связана с этими параметрами. В ограниченной среде, если длина волны А, в системе больше диаметр# волновода d, с — У Е/р.

Растяжение и сжатие участков волновода сопровождается со­ответствующими поперечными колебаниями. Эти колебания вызы­вают неоднородное распределение напряжения в поперечных сече­ниях стержня и влияют на скорость распространения волны — с. Практически для волновода с продольной волной обязательно условие d/X < 0,5.

Колебательную систему характеризуют следующие основные параметры:

амплитуда колебательной силы Fm;

амплитуда колебательного смещения £т;

амплитуда колебательной скорости V — 2я/£т, где / — ча­стота колебаний системы;

сопротивление потерь в системе Rm;

сопротивление нагрузки /?„;

мощность системы Р;

КПД системы г).

Расчет волноводов продольных волн. Волноводы продольных волн служат для передачи энергии от преобразователя как пер­вичного излучателя ультразвука непосредственно в зону сварки или к резонирующим элементам в виде стержней или дисков, работаклцих в режиме изгибных колебаний. Из ряда параметров, характеризующих его свойства, важнейшими в конечном счете являются колебательная скорость, напряжение, мощность, кото­рые сварочный наконечник способен передать в зону сварки. Методика их расчета обусловлена энергетикой процесса и особен­ностями технологии сварки. В зависимости от теплофизических, механических и акустических свойств и состояния поверхности свариваемых материалов производится расчет энергии, необхо­димой для образования сварного соединения, мощности колеба­тельной системы и, как следствие этого, амплитуды колебаний сварочного наконечника.

По упрощенной методике расчета, когда задано ориентировоч­ное значение амплитуды колебательной скорости сварочного на­конечника, все сводится к определению резонансной длины вол­новода, входной и выходной площади, формы и места его креп­ления. Формулы для расчета волноводов получены из решения дифференциального уравнения (2.1). Уравнение описывает про­цесс при условии, что колебания носят гармонический характер, волна плоская и распространяется вдоль оси волновода без потерь.

Практическое применение нашли конический, ступенчатый и экспоненциальный волноводы (концентраторы), возможно также использование параболического, гиперболического, катеноидаль-

Рис. 4.2. Общие виды некоторых типов концен — траторов-волноводов: а — ступенчатый; б — экс­поненциальный; в — конический; г — пустоте­лый ступенчатый; д — пустотелый экспоненциаль­ный

В работах [6, 10 и др.]. можно найти уравнения для расчета и других типов волноводов, однако теоретический анализ эффек­тивности передачи энергии в зону сварки и практика использова­ния сварочных машин показывают, что можно построить доста­точно работоспособные системы с использованием указанных типов или их сочетаний.

На рис. 4.3 приведены нагрузочные характеристики кониче­ского и экспоненциального концентраторов для различных kj. Графики позволяют определить резонансные значения kl и при заданном сопротивлении нагрузки. Зависимости имеют экстре­мальный характер со сдвигом максимумов коэффициента усиле­ния в область инерционных сопротивлений нагрузки. Сопротив­ление нагрузки в значительной степени влияет на коэффициент усиления волновода.

Для УЗС металлов целесообразно производить преобразование продольных волн в изгибные и использовать при этом так назы­ваемую продольно-поперечную систему волноводов. Основные колебания сварочного наконечника относительно плоскости сва­риваемых материалов происходят тангенциально. Эти волноводные звенья позволяют существенно увеличить технологические воз­можности машины: стабильность ее ра­боты и диапазон форм свариваемых де­талей.

Для расчета собственной частоты однородного стержня используется уравнение собственных колебаний стержня (2.6), уравнения для расчета собственных частот стержня при различ­ных граничных условиях (2.10)—(2.13).

Рис. 4.3. Нагрузочные характеристики конического (/)
и экспоненциального (2) концентраторов

Для шовной УЗС целесообразно использование колебательных систем, в которых волноводом, передающим энергию ультразвука сварочному ролику может быть концентратор любой из рассмот­ренных форм. Известно использование составных волноводов в сочетаниях, например, ступенчатого с коническим, экспоненци­альным и т. п. Исходное уравнение колебаний сварочного ро­лика постоянной толщины можно взять в виде:

L>V2V2i + mP — = P,

где

I — смещение ролика; т — масса ролика, отнесенная к единице площади ролика; Р — возбуждающая сила, отнесенная к единице площади; Е — модуль Юнга; h — толщина ролика; v — коэффи — фициент Пуассона.

Исследовательские работы по созданию оборудования для шовной УЗС металлов показали эффективность акустических систем со сварочными роликами [13 и др.].

Волноводы при передаче энергии ультразвука находятся в весьма сложном, термомеханическом состоянии. Оно заклю­чается в знакопеременном характере нагружения, значительных механических переменных нагрузках, высоких температурах, особенно на поверхности сварного наконечника. Кроме того, материалы волноводов должны обладать минимальными коэффи­циентами потерь, минимумом изменения своих линейных размеров при температурах до 400—600 °С; должны хорошо обрабатываться и быть сравнительно недорогими.

Таким образом, рекомендации по выбору материалов и мето­дов соединений волноводов сводятся к следующему.

Материал волновода и всех волноводных звеньев должен обла­дать достаточно высокой усталостной прочностью, малыми поте­рями, хорошо паяться твердыми припоями, а при необходимости и свариваться. Формой волновода определяется распределение амплитуд колебательного напряжения и смещения по его длине. Для колебательных систем с такими выходными параметрами выбор материала волновода является актуальной и довольно сложной задачей, Физико-механические свойства для некоторых материа­лов приведены в табл. 4.1.

Минимальными потерями обладают титановые сплавы. Они обеспечивают наиболее высокую амплитуду колебаний инстру­мента. Экспериментально показано, что амплитуда на торце волноводов из титанового сплава, например ВТ5, в 2 раза больше амплитуды волноводов из стали 45. К положительным качествам волноводов из титана можно отнести также их сравнительно вы­сокую усталостную прочность. Таким образом, при сравнении

Физико-механические свойства металлов

Материал

Плотность р* 103, кг/м8

Модуль Юн­га Е, МПа

Скорость продольных волн, м/с

Удельное волновое со­противление рс» 10е, кг/м2 • с

Коэффици­ент потерь 8-Ю4

Предел

прочности,

МПа

Предел вы­носливости при сим­метричном изгибе, МПа

АМг

2,66

70 560

5200

19,20

3,0

Діб

2,6

70 500

5150

13,83

3,0

441—588

78,4—117,6

Сталь 45

7,81

205 046

5169

40,47

1,2

588—735

245—343

Сталь ЗОХГСА

7,70

204 722

5200

40,10

1,5

1078—1666

470,4—686,0

Титан ВТ1

4,52

ИЗ 876

5720

22,91

1,4

Титан ВТ4

4,45

115 248

5141

22,81

1,8

Титан ВТЗ-1

4,5

118 286

5178

23,29

1,5

Титан ВТ5

4,48

ИЗ 876

5165

22,95

1,4

784—882

392—490

сталей и титановых сплавов для изготовления волноводов пре­имущество титановых сплавов очевидно. Но соединения титана непосредственно с никелем и другими магнитострикционными материалами крайне затруднено. Используются они, как пра­вило, в качестве вторых ступеней.

Коэффициент потерь алюминиевых сплавов имеет ту же ве­личину, что и для сталей, но его прочностные показатели усту­пают всем вышеперечисленным материалам. Для изготовления волноводов при ультразвуковой сварке пластмасс наиболее при­годными оказались алюминиевые сплавы (Д16, АМг, АМц). Они успешно конкурируют с титановыми сплавами. Эта особенность волноводов из алюминиевых сплавов объясняется более рацио­нальным сопряжением их волновых сопротивлений и свариваемого материала.

Как показал опыт эксплуатации оборудования для УЗС в про­мышленности, волноводные звенья можно делать и из углероди­стых сталей 40, 45. Эти стали недефицитны, обладают достаточной усталостной прочностью и хорошо паяются твердыми припоями.

Эффективность работы механической колебательной системы в значительной мере зависит от качества соединения преобразова­теля с волноводом (концентратором). В колебательных системах,’ используемых в машинах для ультразвуковой сварки, получил распространение единственный метод соединений — пайка. Дру­гие способы (склеивание и сварка) практического распространения не получили (за исключением колебательных систем для микро­сварки). Не исключена целесообразность использования акусти­чески прозрачного клея.

Качество пайки является фактором, определяющим возмож­ность переноса энергии механических колебаний от преобразова­теля в зону сварки. Наиболее рационально применение твердых припоев марок ПСр40, ПСр45. При изготовлении колебательных

систем малой мощности допустимо использование мягких припоев, например ПОС40, ПОС60.

Как известно, при изготовлении преобразователей из ферри­тов и керамики для их соединения с элементами волноводных звеньев используется клей; керамика может стягиваться посред­ством накладок и стяжных болтов.

При изготовлении колебательных систем со сменными волно — водными звеньями, с резонирующими стержнями, работающими в режиме изгибных колебаний, возникает необходимость сопря­жения этих звеньев. Это возможно (при малых мощностях) по­средством применения мелких и качественных резьб. При изго­товлении акустических узлов преобразователи должны быть присоединены к волноводам. Это соединение должно прежде всего обеспечивать надежный акустический контакт.

Так как волновод и преобразователь являются резонансными звеньями, то механическое сопротивление в плоскости их соеди­нения мало и определяется только эквивалентным сопротивлением потерь в концентраторе, поэтому механические усилия, которые могли бы вызвать разрушение, сравнительно невелики. (Правда, они растут с возрастанием энергии, переносимой в зону сварки, с уходом от резонансной частоты и т. п.). Наиболее рациональ­ным способом соединения этих звеньев явяется пайка серебря­ными припоями. При этом сопрягаемые поверхности шлифуются, обезжириваются, при пайке оловом предварительно облужи — ваются. Преобразователи из пермендюра со сталью лучше паять припоями ПСр45 в печи, с флюсом № 302. При этом тонкая пла­стинка припоя толщиной 0,1—0,2 мм вырезается в размер пло­щади преобразователя, посыпается слоем флюса и собирается в кондукторе с концентратором.