Способов получения ультразвуковых колебаний довольно много.

Практически для сообщения жидким и твердым телам колебаний звуковых частот используют магнитострикционный и пьезоэлектри­ческий эффекты. Магнитострикционный эффект заключается в из­менении размеров ферромагнитных материалов под действием пере­менного магнитного поля. Лучшими материаламии для магнитострик — циониых устройств являются никель, нержавеющая сталь и неко­торые сплавы, такие как пермаллой и пермендюр. Из этих материа­лов изготовляют специальные устройства — вибраторы, преобра­зующие изменения магнитного поля в механические колебания. Магнитострикционные вибраторы позволяют получать механиче­ские колебания с частотой до 0,1 Мгц.

Для получения колебаний с более высокими частотами (да » 50 Мгц) используют пьезоэлектрический эффект, основанный на спо­собности некоторых материалов деформироваться под влиянием не­посредственного действия на них электрического поля. К таким материалам относятся кристаллы кварца, сегнетовые соли и соли титаната бария.

Ультразвук начинает широко применяться в промышленности. Ультразвуком очищают воздух и различные поверхности от масла, грязи, коррозии; ускоряют различные химические процессы и про­цессы, протекающие в металлах при их термообработке; создают эмульсии; улучшают структуру металла при отливке, осуществляют различные виды контроля материалов; механически обрабатывают материалы с повышенной твердостью.

Применение ультразвука в сварочной технике как в СССР, так и за рубежом, наиболее молодая область.

На рис. 32 приведена принципиальная схема сварочной машины для выполнения точечных соединений с помощью ультразвука. Ос­новным узлом сварочной машины является магнитострикционный преобразователь, обмотка которого питается током высокой частоты от ультразвукового генератора. Охлаждаемый водой 1 магнитострик­ционный преобразователь 2, изготовленный из пермендюр а, служит для превращения тока высокой частоты в механические колебания, которые передаются волноводу 3. На конце волновода имеется вы­ступ 4, который является одним из электродов. При сварке изделие 5 зажимается между концами волновода и подвижными зажимом 6Г к которому прикладывается усилие, необходимое для создания дав­ления в процессе сварки.

Сварку ведут при включенном преобразователе. Высокочастотные упругие колебания передаются через волновод в виде горизонталь­ных механических перемещений высокой частоты. Длительность процесса сварки зависит от свариваемого металла и его толщины; для малых толщин она исчисляется долями секунды.

Сущность процесса ультразвуковой сварки состоит в том, что при приложении колебаний высокой частоты к свариваемым деталям в них возникают напряжения, вызывающие пластические деформа­ции материала, вследствие чего между свариваемыми деталями обра-

Рис. 32, Принципиальная схема сварочной машины для ультразвуковой сварки

зуются кристаллы. В результате механических колебаний в месте соединения развивается повышенная температура, зависящая от свойств свариваемого материала.

Наибольшую трудность при сварке ультразвуком представляет передача механических колебаний ультразвуковой частоты от вибра­тора к месту сварки. Система передачи колебаний связана с боль­шими потерями колебательной энергии в линии, особенно при пере­ходе от одной части энергетической цепи к другой.

Форма волновода определяет амплитуду механического переме­щения и длительность эксплуатации волновода. Наилучшие резуль­таты получены при использовании волновода экспотенциальной формы.

При шовной и точечной сварке прочность сварных соединений выше прочности основного материала, и сварные конструкции и из­делия разрушаются по основному материалу.

Особые свойства ультразвукового воздействия на материал поз­воляют сваривать и пластмассы

Сварка пластмасс происходит по схеме, при которой перемещение и давление действуют по одной линии. В этом случае в месте сварки [13]

возникают нормальные напряжения, а не касательные, как при сварке металлов.

Схема установки для сварки пластмасс ультразвуком представ­лена на рис. 33. Установка состоит из тех же элементов, что и уста­новка для сварки металлов, но отличается от последней тем, что оси волновода и нижнего прижима лежат на одной линии, перпенди­кулярной свариваемым поверхностям.

Сварка пластмасс ультразвуком осуществляется за счет тепла, выделяющегося в местах контакта свариваемых поверхностей без значительного разогрева всей толщины материала. Это позволяет получать соединения большой толщины.

Опыты показывают, что пластмассы успешно свариваются в тех случаях, когда зона сварки попадает в пучность амплитуд. Это поз­воляет сконцентрировать значительное количество тепла, выделяю­щегося при поглощении ультразвука пластмассой, в месте сварки. В результате происходит поверхностное размягчение пластмасс и соединение их при сжатии.

Большое влияние на процесс сварки оказывают явлення отра­жения ультразвука. Так, например, процесс сварки органического стекла успешно проходит на подушке из резины, которая является отражающим материалом для ультразвука.

Преимуществом процесса сварки пластмасс ультразвуком яв­ляется концентрация нагрева только в месте сварки, что обеспе­чивает высокую производительность, малые затраты мощности и наименьшие изменения свойств материалов.

Этот процесс при его дальнейшей разработке позволит сваривать детали различной формы, такие соединения, которые обыч­ными методами не могут быть выполнены, а также вести сварку в труднодоступных местах.

В табл. 10 приведены характеристики опытных образцов ультра­звуковых сварочных машин.

Таблица 10

ХАРАКТЕРИСТИКА МАШИН ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СВАРКИ ПЛАСТМАСС

Показатели

Машине

УЗП-1

ПУТ-2

Ї1УТ-5А

Толщина свариваемого материала в мм…………………………………………………….

10+10*

10+10*

10+10

Максимальное число ходов в 1 мин

60

100

30

Полезный вылет в мм…………………..

150

500

280

Максимальное давление на свароч-

*

ный инструмент в кГ……………………….

250

400

Привод давления…………………………

Педальный

Напряжение в питающей сети в в

220

220/380

Тип генератора…………………………….

УЗГ-10

УЗГ-10

Предел регулирования времени сварки электронным реле н сек. .

0,1—1 520х250X

0,1—8

или ГУЗ — 5П

0,2—8

Габариты в мм…………………………………

ІЗООхПООх

1425Х700Х

Вес в не…………………………………………….

X1410 120

ХІ250

300

X250G

980

* При неавтоматическом режиме сварки.

Примечания: 1. Охлаждение магнитостриктора — водяное. 2, Рабочая частота—20 кгц.

Машина ПУТ-2 для точечной и прессовой сварки пластмасс ультразвуком — полуавтоматическая. В этой установке вибратор расположен внизу и давление на него передается при помощи рычаж­ной системы с грузами. Внизу имеется педальное устройство, кото­рым снимают давление. Сверху расположена жесткая подвижная опора. Время сварки регулируется электронным реле.

Для точечной и прессовой сварки пластмасс ультразвуком можно использовать станину и механическую часть обычной контактной точечной машины или ультразвуковой станок для механической обработки.

Ультразвуковая точечная машина ПУТ-5А построена на базе точечной контактной машины МТМ-50. Медные хоботы заменены стальными. Вместо нижнего электрода контактной машины на сталь­ном хоботе машины установлен блок колебаний. Для большего диа­пазона регулирования числа ходов машины двигатель переменного тока заменен двигателем постоянного тока. Двигатель получает питание от выпрямителя с автотрансформатором. Изменяя число оборотов двигателя, можно сваривать от 15 до 100 точек в минуту.

Машина имеет специальный стол, что позволяет сваривать крупногабаритные изделия. Блок колебаний расположен сверху-. Машина предназначена для точечной и прессовой ультразвуковой сварки крупногабаритных изделий из пластмасс толщиной до 10 мм.

Машина ПУТ-5А может работать на полуавтоматических и автома­тических режимах. Постоянное усилие зажатия создает меха­низм давления машины. Продолжительность сварочного импульса обеспечивается электронным реле времени, встроенным в машину.

В сварочной машине УЗП-І блок колебаний расположен сверху над столом. Давление осуществляется пневматически. Давление и время сварки регулируют с пульта управления, расположенного на передней стенке станины. Стол может перемещаться в шаговом и непрерывном режиме. Шаговую подачу стола регулируют в пре­делах от 10 до 80 мм. Скорость перемещения изменяется от 150 до 2400 мм/мин.

В лаборатории сварки МВТУ им. Баумана разработана свароч­ная машина УАП-11, предназначенная для сварки полимерных пле­нок, бумаг, покрытых пленками, армированных пленок и т. д. Тол­щина свариваемых пластмасс и материалов, армированных пласт­массами, составляет от 0,1 ■+• 0,1 до 1,5 + 1,5 мм или максимальная суммарная толщина до 3 мм. Сварку пластмасс на этой машине ве­дут с довольно большой скоростью — 50—300 м/ч. Мощность магни — тострикциоиного преобразователя — 2 кет. Управление машиной— от педали или кнопочное с пульта. Работает сварочная машина а автоматическом режиме.

Сварка осуществляется циклами с шагом подачи свариваемых деталей на 37 мм. Шаг подачи можно регулировать в широких пре­делах — от 37 до 80 мм.

Свариваемые детали сжимают опорой, которая производит ко­лебательные движения согласно. циклам работы сварочной машины. В момент подъема опоры в крайнее верхнее положение одновременно свариваемые детали сжимаются и включается ультразвук. После сварки и выдержки для охлаждения опора опускается, и в этот мо­мент подающий механизм подает свариваемые детали на шаг, цикл повторяется.

Длительность пропускания ультразвука регулируется в широ­ких пределах, необходимых для сварки самых различных пластмасс и материалов, армированных пластмассами. Усилие зажатия сва­риваемых деталей регулируется в пределах от 0 до 50 кГ.

Машину обслуживает один оператор. Она пригодна для сварки различных изделий и конструкций (надувные трубы, различная тара, полотнища гидроизоляции, обкладки водоемов, складские помещения, покрытия дна оросительных каналов, для предупрежде­ния утечки влаги в песчаные почвы и т. д.). По данным сварочной лаборатории МВТУ им. Баумана испытания сваренных на машине АУП-І1 изделий из полиэтилена и сравнения данных испытаний сварных швов, сваренных другими способами сварки, показали

преимущество ультразвуковой сварки. Габариты сварочной машины вхйяі: 730x420x360. Вес — около 30 кг.

В лаборатории сварки МВТУ им. Баумана в последнее время разработаны, изготовлены и внедрены ряд других типов машин для ультразвуковой сварки пластмасс и специализированный инстру­мент, необходимый для ее выполнения.

Для сварки пластмассовых деталей толщиной от 0,1 — г 0,1 |до 2 + 2 мм (или максимально суммарной толщиной 4 мм) предназна­чена машина УАТ-14. Мощность магнитострикциогшого преобразо­вателя 2,5 кет. Напряжение источника питания механизма свароч­ной машины 220 в. Питание вибратора от ультразвукового генера­тора УЗГ-10у или УЗМ-4. Управление сварочной машиной: от пе­дали или кнопочное с пульта. Работа в автоматическом режи­ме. Сварочная машина УПТ-14 используется на прессовой свар­ке. Ее производительность 500 сварных изделий в 1 ч при дли­не сварного шва одного изделия до 100 мм.

Для сварки пластмассовых деталей толщиной от 0,2 + +0,2 до 1,5 + 1,5 лш(шш мак­симально суммарной толщиной 3 мм) предназначена машина УПК-15. Машина сваривает отбортованные детали по окруж­ности диаметром 110 мм. Про­изводительность сварочной машины — 800 изделий в 1 ч.

Разработан рабочий инструмент (концентратор), который обе­спечивает получение равномерного распределения амплитуды ко­лебаний при ультразвуковой сварке деталей по замкнутому кон­туру с диаметром, близким к V2 длины волны. Инструмент обеспе­чивает стабильное высокое качество сварных соединений. При дли­тельной эксплуатации без дополнительного охлаждения инстру­мент нагревается до температуры не выше 40° С. Инструмент-кон­центратор новой конструкции применен в ультразвуковой свароч­ной машине УПК-15, внедренной в настоящее время в промышлен­ность, За один рабочий ход инструмент производит сварку деталей по всей окружности, за счет чего обеспечивается полная автомати­зация сварочных работ. Оператор-сварщик лишь укладывает сва­риваемые детали на рабочий стол сварочной машины и снимает сва­ренный узел или изделие. Рабочий стол представляет собой как бы вертикальную револьверную головку, смонтированную на валике, поворот которой для сварки последующего узла или изделия осуще­ствляется мальтийским крестом, расположенным в редукторе сва­рочной машины.

На рис. 34 приведена машина «Сононет-70Н» для ультразву­ковой сварки пластмасс, выпускаемая японской фирмой «Сэидэнша». Машина предназначена для сварки всех видов термопластов (пленки, листы), за исключением тефлона.

На указанной машине можно выполнять точечную и шовную сварку изделий любых конфигураций — прямолинейных, криво­линейных и т. д. Частицы пыли легко удаляются со свариваемых поверхностей деталей под действием ультразвуковых колебаний, что обеспечивает получение сварных швов высокого качества.

Сменив рабочий наконечник, укрепленный на конце вибратора, на машине можно вручную со скоростью до 5 м/мин сваривать пласт­массовые пленки.

Техническая характеристика машины иСонопет-70Нь Мощность в вт:

выходная………………………………………………………………… 70

входная……………………………………………….. 200

Частота в кгц …………………………………………………………………. 28

Преобразователь………………………………………………….. ферритовый

с естественным
охлаждением

Габариты в мм:

вибратора……………………………………………………… 278x150X345

преобразователя……………………………………………… 306x72x72

Для сварки могут применяться ультразвуковые генераторы раз­личной мощности (в зависимости от толщины свариваемых изделий и свойств материала). Технические характеристики некоторых ультразвуковых генераторов, выпускаемых нашей промышленно­стью и пригодных для сварки пластмасс, приведены в табл. 11.

Процесс сварки ультразвуком по внешнему виду подобен про­цессу контактной сварки или сварки токами высокой частоты. Легче всего] ультразвуком выполняют тавровые соединения и сое­динения внахлестку.

Удовлетворительно выполняются соединения внахлестку шовные и по контуру. Стыковые соединения стержней осуществляются на коротких образцах. Все соединения выполняются без разделки кро­мок и без присадочного материала.

В ряде случаев резиновый отражатель на опоре в виде подкладки обеспечивает высокое качество швов при малом давлении и времени сварки.

В табл. 12 даны режимы ультразвуковой (частота колебаний 20 кгц) точечной, прессовой и шовной сварки некоторых пластмасс.

Ультразвуком успешно свариваются разнородные пластмассы. Результаты испытаний показывают, что прочность стыковых образ­цов из СНП толщиной 2,2 мм практически равна прочности основ­ного материала. При сварке вдоль волокон прочность, близкая проч­ности основного материала, достигается почти в три раза быстрее, чем при сварке поперек волокон.

Максимальная прочность (150—160 кГ/см2) на отрыв крестового соединения винипласта внахлестку толщиной 6,3 + 6,3 мм дости­гается при сварке в течение 1—1,5 сек, При этом вмятины на сваривае­мых поверхностях отсутствуют, наблюдается лишь незначительная деформация (до 8%) из-за размягчения и выдавливания пластмассы на соединяемых поверхностях. Прочность сварного соединения до­статочно велика и образцы при испытании обычно разрушаются по бколошовпой зоне.

Особенности, ультразвуковой сварки следующие.

1. Для сварки не нужно второго электрода, так как процесс осуществляется односторонним способом. Таким образом, вторая деталь может быть неограниченной толщины и доступ к ней не обя­зателен.

2. Ультразвуковую энергию можно вводить на значительном рас­стоянии от места соединения. Это позволяет сваривать относительно большие толщины и осуществлять сварку в труднодоступных местах.

3. Максимальный разогрев происходит на свариваемых поверх­ностях, поэтому пластмасса по толщине или по длине приваривае­мого стержня не перегревается,

4. Концентрация нагрева на свариваемых поверхностях обеспе­чивает высокую производительность процесса.

5. При правильно выбранном режиме поверхности, к которым подведен ультразвук, не перегреваются.

6. Не создается радиопомех.

7. К свариваемым выступам не подводится напряжение.

8. Ультразвуком сваривают значительное число термопластич­ных пластмасс и большие толщины, чем, например, токами высокой частоты.

9. Процесс легко автоматизируется.

Сейчас накоплен довольно значительный опыт по сварке пласт­масс ультразвуком, широкое внедрение которого обеспечит уско­рение технического прогресса.