5.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРИНЦИПИАЛЬНЫХ КИНЕМАТИЧЕСКИХ СХЕМ СВАРОЧНЫХ МАШИН И ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ОБОРУДОВАНИЮ

В настоящее время УЗС представляет собой область сварочной техники с хорошо выраженной тенденцией на серьезное развитие.

Анализ литературы, патентов и систематизация этих материа­лов позволили нам разработать группу признаков и классифи­цировать практически большую часть разработок. Классифика­ция сварочного оборудования приведена в табл. 5.1. Структурная схема типового комплекта технологического оборудования для сварки пластмасс и металлов дана на рис. 5.1.

Из таблицы видно, что оборудование для УЗС находится на весьма высоком техническом уровне. Например, источники пи­тания делаются с учетом последних достижений электронной тех­ники. Широко используются ИС, тиристоры. Известны разработки

сл

Признак

Вид исполнения

Способ получения ультразвука (преобразователь)

Пьезокерамический

Магнитостр икцион — ный

Характер распространения энер-

Направленный

Ненаправленный

Комбинированный

Колебания

Продольные

Изгибные

Крутильные

Смешанные

Схема ввода колебаний

Односторонняя

Двусторонняя

Многосторонняя

Способ ввода

Контактный

Передаточный

Уровень мощности, кВт

Сверхмалый, 0,04

Малый, 0,04—0,4

Средний, 0,4—4,0

Большой, 4,0

Тип генератора

Ламповый

Транзисторный

Тиристорный

Комбинированный

Дополнительный источник энер­гии

Узел стабилизации

Сжатие (деформация)

Нагрев (ТВЧ, ток)

Сеть

Источник питания

Колебательная си­стема

Нагрузка

Условия теплоотвода или подо­грева в зоне сварки

Охлаждение (газ, во­да)

Подогрев (волново­да)

Теплоизоляция

Концентрация энергии

Подогрев зоны свар­ки

Создание концентра­торов напряжения

Изменение коэффи­циента трения

Способ управления передачей

аирпгіш

Время

Мощность

Зазор

Кинетическая харак-

ИН

Усилие сварочное

Передается волново­

Независимо от вол­

Перпендикулярно к

іср И1Л HlVd.

Параллельно оси вол­

дом

новода

оси волновода

новода

Условия перемещения

Перемещается де­таль

Перемещается вол­новод

Перемещаются де­таль и волновод

Вид точечной сварки

Точечная

Многоточечная

Контурная

Рельефная

Вид шовной сварки

Непрерывная

Шаговая

Н епр ерывно-шаго — вая

Перекрытием свар­ных точек

Характер установки машины

Переносная

Подвесная

Стационарная

Степень автоматизации машины

Полуавтомат

Автомат

Назначение машины

Универсальная

Специальная

Тип сварочной машины (указан для примера)

МТУ-0,4

МТУ-1,5

УП-20

МШУ-63

Классификация оборудования

Таблица 5.1

с использованием твердых тел. Развита автоматизация сварочных процессов. Весьма большой диапазон универсальных машин. Разработано много машин специального назначения на базе ти­повых, унифицированных узлов — колебательных систем, при­водов давления, систем управления, источников питания.

Вместе с тем для оборудования УЗС характерно достаточно ограниченное число компоновочных схем. Большинство машин «укладывается» в схемы, которые приведены на рис. 5.2.

Применение Машин для сварки металлов с продольной систе­мой (рис. 5.2, поз. 1) целесообразно в ряде случаев. Например, нами разработан полуавтомат типа МТУ-0,63 для сварки алюми­ниевых вкладышей при изготовлении новой серии предохранителей [20]. Использование такой схемы позволило создать минимально возможные габаритные размеры сварочного устройства. Укажем на то обстоятельство, что такие системы имеют крайне ограничен­ную зону доступа к сварочному наконечнику. Любой выступ, отбортовка на свариваемой детали по линии волновода исключают использование, такой системы. Более широкие технологические возможности имеют машины, использующие резонансные стержни, работающие в режиме изгибных колебаний (рис. 5.2, поз. 2, 3, 4, 5, 6).

Машины для ультразвуковой сварки в зависимости от принятой кинематической схемы расположения механической колебатель­ной системы относительно привода давления можно разделить на следующие основные две группы:

1) машины, в которых механическая колебательная система использована в качестве исполнительного элемента привода дав­ления (рис. 5.2, поз. /, 2, 4);

2) машины, в которых механическая колебательная система закреплена неподвижно и используется в качестве упорного или опорного элемента (рис. 5.2, поз. 3, 5, 6). Эти признаки в зна­чительной степени определяют конструктивно-технологические до­стоинства и недостатки сварочной машины.

Машины первого типа весьма распространены. В таких маши­нах вся колебательная система, т. е. преобразователь, концентра­тор, стержень, совершает поступательное движение вниз—вверх или, наоборот, относительно оси для осуществления единичного цикла сварки. Известно несколько вариантов таких кинематиче­ских схем. Такие кинематические схемы имеют недостатки. Это — необходимость подъема и опускания значительной массы коле­бательной системы и собственно привода давления. При увеличе­нии мощности колебательной системы это ограничивает потенци­альные возможности производительности машины. Угол наклона продольной оси концентратора зависит от расположения оси вра­щения системы, поскольку крепление колебательной системы к при­воду давления можно осуществить лишь посредством диафрагмы, расположенной в нулевой плоскости концентратора, — надежность работы такой системы снижается. Для обеспечения горизонталь­ного положения концентратора, что весьма важно при сварке, необходимо регулировать положение опоры при изменении сум­марной толщины свариваемых металлов и т. п. Вместе с тем такие кинематические схемы в силу конструктивно-технологической необходимости наибольшее развитие получили в машинах для ультразвуковой микросварки.

В пол це очевидны преимущества машины при закреплении аку­стического узла: простота конструкции, большая надежность в ра­боте, так как исключено радиальное или поступательное движение колебательной системы и т. п. Однако такое расположение системы относительно первичной опоры (рис. 5.2, поз. 3) дает машине и существенный недостаток: детали не могут занять строго фик­сированного положения перед сваркой, так как при движении опо­ры будут перемещаться’. В этом случае их надо предварительно прижимать к сварочному наконечнику, ибо в противном случае они будут перемещаться вместе с поршнем вверх. По существу, при использовании такой кинематической схемы прецизионная сварка мелких деталей затруднена. Использование опоры в виде массивной наковальни в ряде случаев также нерационально.

Анализ патентной и технической литературы, изучение осо­бенностей оборудования и опытное макетирование позволили уста­новить, что в конструктивном отношении они должны удовлет­ворять следующим основным требованиям:

иметь возможно большую зону доступа к сварочному наконеч­нику;

достаточную жесткость конструкции, исключающей смещения и перекосы сварочного наконечника относительно свариваемых деталей;

малую инерционность исполнительного элемента привода дав­ления свариваемых деталей;

возможность быстрой замены отдельных узлов машины, на­пример акустического узла; доступность их при ремонте и эксп­луатации.

Кинематическая схема, которая в значительной степени соот­ветствует этим требовациям, заключается в следующем: колеба­тельная система поставлена на жесткое основание корпуса маши­ны, которое может быть вытянуто в виде консоли (рис. 5.2, поз. 6). Осевая сила сжатия передается упорным стержнем, расположен­ным над сварочным наконечником стержня. Массивный отража­тель упорного стержня одновременно выполняет роль поршня привода давления. Такое расположение колебательной системы стало возможным только после проведения исследовательских работ по созданию эффективного упорного элемента в виде стер­жня.

Разработанная кинематическая схема по сравнению с извест­ными обладает, как установлено, следующими преимуществами:

1) вследствие уменьшения подвижных масс получена возмож­ность изготовлять сварочные машины с высокой производитель­ностью. Некоторые образцы лабораторных машин позволили по­лучить до 250 точек в минуту. С конструктивной точки зрения нет очевидных препятствий для дальнейшего повышения числа ходов поршня привода давления;

2) исключена необходимость сопряжения колебательной си­стемы с приводом давления;

3) исключен нежелательный наклон осей концентратора и ре­зонирующего стержня;

4) достигнута большая рабочая зона около сварочных наконеч­ников;

5) обеспечено строго фиксированное положение деталей до начала и в момент сварки;

6) соответствующим выбором геометрии стержневого упора исключено разворачивание деталей относительно друг друга и сварочных наконечников;

7) колебательная система и привод давления имеют закончен­ное конструктивное выполнение. Акустические системы могут быть выполнены в виде типовых унифицированных узлов;

8) предлагаемая кинематическая схема машины проста.

В сформулированных выше требованиях указано, что машина для ультразвуковой сварки должна обладать возможно большей зоной доступа к сварочному наконечнику. Ограниченный доступ к сварочному наконечнику является одним из недостатков, свой­ственных машинам для УЗС. Это связано с тем обстоятельством, что геометрические размеры элементов колебательной системы за­висят от ее частоты. Изменение размеров сварочных «электродов», как это производится, например, в машинах для контактной сварки, в зависимости от потребностей производства, как правило, исклю-

чено. Например, длина профильного волновода, определяющая вылет сварочного наконечника, может быть кратной Х/2 (рис. 5.3, а). Размеры резонирующего стержня, его форма также имеют суще­ственные ограничения, имеющие принципиальный характер.

Возможна рационализация некоторых элементов колебатель­ных систем с целью облегчения доступа к сварочным наконечни­кам. Это может быть достигнуто, например, применением раз­работанного так называемого асимметричного концентратора. Сущность этого заключается в следующем: ножевые концентра­торы, применяемые для сварки, симметричны относительно своей продольной оси. Закон изменения площади поперечного сечения по его длине обусловлен, например, показательной функцией в зависимости от типа применяемого концентратора. По условиям ввода энергии в стержень точку ее ввода рационально разместить возможно ближе к сварочному наконечнику. Однако этим самым в силу симметричности концентратора существенно сокращается рабочая зона сварочного наконечника.

Экспериментально показана возможность применения асим­метричных концентраторов, одна из образующих которого — плоскость, параллельная продольной оси концентратора (рис. 5.3, б). Такой концентратор позволяет существенно рас­ширить технологические возможности сварочной машины. В лю­бом случае зона доступа к сварочному наконечнику при исполь­зовании этого концентратора больше, чем при применении других известных типов концентраторов. Такой волновод позволяет про­ектировать сварочные машины с любым, практически необходи­мым горизонтальным вылетом этого узла от корпуса машины. Модификации кинематических схем сварочных головок с ис­пользованием асимметричных концентраторов приведены на рис. 5.3, б, в.

Недостатком стержней является малая рабочая зона непо­средственно у сварочного наконечника. Особые трудности вызы-

вает приварка каких-либо провод­ников, выводов и других деталей к внутренним стенкам изделий при малом внутреннем диаметре пос­ледних. Использование для этой цели непосредственно торца кон­центратора продольной системы в ряде. случаев неприемлемо, так как она может дать эффект разворачивания деталей относи­тельно сварочного наконечника. Возможно, что габаритные раз­меры сварочного наконечника больше внутреннего диаметра сва­риваемого изделия и т. д.

В ряде случаев применение продольно-поперечной системы со стержнем также не дает решения такой задачи. Решение таких задач может быть найдено при применении модификаций стержня колебательной системы (рис. 5.4).

Для сварки изделий в труднодоступных местах можно восполь­зоваться стержнем с Г-образным наконечником (рис. 5.4, а). Экспериментально установлена возможность применения выступа в пределах 1/4 длины волны в стержне. Смещение точки съема с оси стержня в этих пределах существенно увеличивает возмож­ный диапазон форм свариваемых деталей.

Весьма важным обстоятельством, характеризующим возмож­ности УЗС, является сварка по контуру как на машинах с про­дольной системой, так и на машинах с резонирующим стержнем. Такая сварка получена за счет выбора сварочных наконечников специальной формы, соответствующей заданной конструкции. Одним из недостатков такого приема является существенное из­менение собственной частоты стержня в силу изменения его формы. Это затрудняет расчет его параметров.

Вместо стержня переменной формы можно использовать ра­бочий инструмент в виде однородной пустотелой трубки, работаю­щей в режиме изгибных или крутильных колебаний (см. рис. 5.3, б). Оптимальные геометрические размеры трубки подбираются в за­висимости от частоты, конструктивных соображений и мощности сварочных машин. Кромка сварочного наконечника по внутренней стороне срезана с расчетом получить рабочую дорожку шириной 0,5—1,5 мм. Решение остальных вопросов (выбор точки ввода энергии, конструкции отражателя, метода крепления и пр.) аналогично тем, которые получены при рассмотрении работы стержня. Сварка посредством таких трубок на практике дала хо­рошие результаты.

Для приварки деталей, например, к внутренней или наружной поверхности стакана целесообразно использовать составной стер­жень с переменным сечением (рис. 5.4, в). Целесообразность при­
менения такого стержня вполне очевидна. Во-первых* сохраня­ется достаточно большое сечение опорной части резонирующего стержня, что обеспечивает его необходимую жесткость, и, во-вто­рых, увеличивается зона доступа к сварочному наконечнику.

С использованием асимметричных концентраторов и новой кинематической схемы разработана компоновка машины с дву­сторонним вводом колебаний.

Для расширения технологических возможностей УЗС, напри­мер, при сварке материалов с поверхностными пленками разра­ботано унифицированное устройство, которое имеет рабочее звено с резонирующими стержнями, имеющими различные ампли­туды колебания сварочных наконечников. Устройство поворачи­вается вокруг горизонтальной оси с числом фиксируемых поло­жений в зависимости от числа стержней.

Как установлено выше (см. гл. 2), для получения качествен­ных сварных соединений металлов спектр колебательного движе­ния необходимо сдвинуть в сторону уменьшения колебательных смещений, а для изнашивания поверхностных пленок, наоборот, сдвинуть его в сторону увеличения колебательных смещений. Принципиальная трудность в решении этой задачи заключается в том, что при этом передачу энергии в зону сварки надо обеспе­чить при заданном уровне мощности. Но поскольку колебатель­ные системы имеют заданные коэффициенты усиления, регулиро­вание посредством изменения Рэл исключено в принципе.

Решение этой проблемы возможно’посредством использования двух колебательных систем1 с различными коэффициентами усиле­ния. Включение одной из них при ky способствует изнашиванию пленок, включение другой с ky — сварке. При этом ky > ky. Коммутация систем производится по выбранной схеме процесса сварки. Фазовое регулирование при одновременной работе систем обеспечивает достаточно большой диапазон изменения амплитуд’ колебаний сварочных наконечников.

Для шовной УЗС металлов разработаны диски с пониженной жесткостью в виде круговых секторов, резонансных опорных ро­ликов, устройств с системами тянущих и тормозных механизмов и т. п.

Таким образом, можно отметить, что разработанные и экспе­риментально проверенные конструктивные модификации элемен­тов колебательных систем позволяют существенно увеличить тех­нологические возможности оборудования для УЗС металлов.

Анализ кинематических схем машин для УЗС пластмасс по­казал, что число принципиальных компоновок колебательных систем с опорой крайне ограниченно (рис. 5.5). Подавляющее большинство типов сварочных машин построено по схеме, пока­занной на рис. 5.5, поз. 1. При этом колебательная система по­ставлена нормально к плоскости свариваемых деталей, располо­женных на плоской массивной опоре. Привод давления относи­тельно свариваемых деталей может находиться как сверху, т. е.

со стороны колебательной системы, так и снизу. Колебательная система по вертикальной оси может изменять свое положение (показано стрелками).

Известны машины со стержневой опорой (рис. 5.5, поз. 2). Есть варианты с обратной компоновкой, т. е. с приводом сверху, при условии использования опорного (упорного) стержня с ре­зонансными размерами, обеспечивающими более эффективную сварку. В качестве опорного элемента могут быть использованы ролики (рис. 5.5, поз. 3). Известны сварочные машины с дву­сторонним вводом колебаний (рис. 5.5, поз. 4).

Большая группа технологических процессов УЗС полимеров связана с использованием колебательных систем, расположенных наклонно относительно плоскости свариваемых материалов (мяг­кие полимеры, шовная сварка) — рис. 5.5, поз. 5. При этом воз­можно перемещение сварочной головки свариваемых деталей; не исключены комбинации их совместного движения.

Отдельную группу машин, как правило, специального назна­чения составляют многоточечные машины (многоголовочные)

(рис. 5.5, поз. 6). Общее число головок, в зависимости от назна­чения машины, может быть достаточно большим.

Известны машины с приводом давления, независимым от коле­бательной системы (рис. 5.5, поз. 7).

Экспериментально доказано, что сварку полимеров можно получить при использовании продольно-поперечных колебатель­ных систем (см. рис. 5.2, поз. 4, 5, 6). При этом одним из основ­ных условий образования сварочного соединения является доста­точно большая амплитуда колебаний сварочного наконечника и возникновение при этом, очевидно* ее вертикальной составляющей. Как установлено, устройства для УЗС полимеров целесообразно проектировать с использованием составных резонирующих стерж­ней.

Сварку полимеров можно получить также при использовании продольно-поперечных систем при условии трансформации про­дольной волны не в изгибную, а в продольную (фактически исполь­зуем радиальные колебания диска или стержня относительно плоскости свариваемых деталей). Этот эффект отмечен при ис­пользовании стержней и дисков определенных размеров. В любом случае сварочные устройства с использованием продольно-по­перечных систем волноводов позволяют создать новый класс обо­рудования для точечной и шовной УЗС полимеров.

Основные технические требования к оборудованию для УЗС таковы.

I. К источнику ультразвука.

1. Колебательная система должна иметь выходные характери­стики, соответствующие техническому заданию в зависимости от назначения.

2. При ее проектировании должны быть учтены соображения об оптимальных амплитудах колебаний сварочного наконечника, сварочных усилиях и мощности (см. гл. 1—3). В частности, пре­дусмотрены рациональные коэффициенты усиления волноводов, точки их сопряжения и нагрузочные характеристики систем (см. п. 3.2).

3. Сварочные наконечники (при сварке металлов) должны иметь износоустойчивые наплавки (см. гл. 2).

4. Сварочные наконечники, составные ступени резонирующих стержней или концентраторов должны иметь возможность быстрой замены. Возможна замена всей колебательной системы в целом как единого и унифицированного звена машины.

5. Должно быть обеспечено надежное жесткое крепление этого узла к корпусу машины.

6. Должно быть обеспечено высокое качество соединения всех элементов колебательной системы.

7. Рациональное охлаждение всех термически активных звень­ев и прежде всего преобразователя и сварочного наконечника.

8. Опорные элементы должны соответствовать своему назначе­нию. Они могут быть выполнены в виде плоских плит, плит с на­гревательными колонками, стержневых резонансных элементов или матриц, соответствующих форме изделия. В любом случае они должны исключать непроизвольное разворачивание сварива­емых деталей в процессе сварки.

И. К механической части машины (корпус, система охлаждения, привод давления и т. д.).

L Необходимо получить достаточную жесткость корпуса, ис­ключающую непроизвольное смещение, перекосы сварочного на­конечника относительно свариваемых деталей.

2. Привод давления должен иметь малую инерционность и обес­печивать опускание сварочного наконечника.

3. Конструкция рабочего стола должна позволять произ­водить совмещение и закрепление свариваемых изделий с необ­ходимой точностью.

III. К машинам для УЗС в полной мере относятся и общие требования: максимальный КПД, минимальные габаритные раз­меры и масса; простота при наладке и эксплуатации; надежность в работе; высокая производительность; патентная чистота; соот­ветствие требованиям эргономики и эстетики. Немаловажным обстоятельством является стоимость оборудования.

IV. Требования к. источникам питания источников ультра­звука акустических систем изложены в гл. 4.