Опорный элемент, на котором располагаются свариваемые детали, может быть массивным. Тогда в силу хорошо выраженного эффекта полного отражения энергии проблем по дестабилизации процесса УЗС нет. Однако технология изготовления ряда изделий требует применения стержневых опор, которые обладают хорошо выраженными резонансными свойствами. В принципе они рабо­тают аналогично активным резонансным стержням, передающим энергию в зону сварки.

С целью выявления элементов дестабилизации процесса УЗС проведены экспериментальные работы [19], которые однозначно подтвердили, во-первых, интерференцию падающих и отраженных волн и эффект удвоения амплитуды исходных волн; во-вторых, повышение дестабилизации механической прочности сварных со­единений при размерах стержня, не соответствующих оптималь­ным. При проведении экспериментов линейные размеры стержне­вых опор различных диаметров (d = 10, 14, 20 мм) изменялись в пределах kl = 13,3-4-8,4, т. е. 3/4 волны изгибных колебаний. Шаг изменения длины варьировался от 1 до 3 мм. При использо­вании каждой контрольной длины стержня сваривалось 5—20 об­разцов. Результаты испытаний образцов приведены на рис. 2.13. Режим сварки: £св = 6,3 мкм, FCB = 700 Н, tCB = 0,63 с. Диа­метр стержня 14 мм.

Из приведенных данных следует, что ошибка в расчете выбора геометрических размеров опоры (аналогично, размеров ножек при изготовлении транзисторов) ве­дет к заметной дестабилизации процесса. Например, при kl =

= 10,5 коэффициент вариации прочности сварных соединений составляет 5 %. При длине стержня, близкой, например, к kl = 11,9, несмотря на дос-

Рис. 2.13. Зависимость механической
прочности сварных соединений от разме-
ров стержневой опоры / и коэффициент
вариации прочности 2

таточно высокую прочность соединений, коэффициент вариации резко возрастает, т. е. налицо фактическая дестабилизация сварки*

Это явление можно объяснить следующим. Интерференция и удвоение амплитуды опорного стержня приводят к весьма ин­тенсивному износу контактирующих поверхностей свариваемых деталей. Они тщательно приполировываются. На некоторых уча­стках возникают отдельные узлы схватывания, но прочность свар­ных соединений низка. Увеличение времени сварки приводит к чрезмерной деформации сварной точки, возникновению трещин и цветов побежалости. Установлена периодическая закономер­ность изменения прочности соединений в зависимости от kl.

Для исключения дестабилизации процесса УЗС при использо­вании стержневых опор их геометрические размеры необходимо выбирать в соответствии с неравенством

я/2 ~j~ ҐІТС ^ Топоры ^ я/4 “f“ AZ3T, где п = 0, 1,2 … .

Нарушение теплового режима колебательной системы проис­ходит в силу трех причин:

1) интенсивных потерь, связанных с природой магнитострик — ционного превращения электрической энергии в механическую;

2) природы внутреннего трения в твердых материалах (стали, титана, пермендюра);

3) аккумулирования теплоты сварочным наконечником.

Сущность первой причины достаточно обстоятельно изложена

в специальной литературе. Интенсивное тепловыделение, ко­торое в значительной мере определяется производительностью сварки, может быть скомпенсировано рациональным образом. Это показано в работе [19]. Остановимся на менее изученных явле­ниях, которые приводят к дестабилизации процесса сварки.

Исследование тепловых процессов в ультразвуковых волново­дах, работающих при больших интенсивностях ультразвука, показывает, что потери в волноводах с увеличением мощности колебательных систем растут до величин, пренебрегать которыми нельзя. Установлено, что нагрев волновода зависит от амплитуды деформации и коэффициента амплитудозависимого внутреннего трения Q”1 (єш). В свою очередь, с увеличением температуры ма­териала волновода и сварочного наконечника коэффициент вну­треннего трения растет весьма интенсивно.

Уравнение распределения удельной энергии источников теп­лоты в материале стержня имеет вид:

А<3УД (х) = Q-‘em (х) Efklt sin260 (I — X) j-

где x — текущая координата; Е — модуль Юнга; | — амплитуда колебаний сварочного наконечника; / — частота колебаний; k0 — волновое число; /— механический эквивалент.

Рис. 2.14. Изменение температуры ^
сварочного наконечника от времени
включения колебательной хистемы в
режиме XX:

1—3 — кривые изменения прочно­сти свардых соединений из поли­этилена в зависимости от времени предварительного включения коле­бательной системы в режиме XX;

4 — л— запись на осциллографе; 5 —
расчет

Аналогичные выражения можно привести и для изгибно ко­леблющегося стержня. В этом случае при сравнительно неболь­шом времени возбуждения колебаний Дфуд (.х; t) ~ /св.

Результаты расчетов показывают, что при использовании вол­новодов из стали, например стали 45, с амплитудой колебаний сва­рочного наконечника 25—30 мкм приращение температуры в ре­зультате только внутренних потерь составляет от 40 до 60° за 30—40 с. Измерения температур на сварочных наконечниках, проведенные в режиме холостого хода (сварочная машина типа МТУ-0,4; клещи типа КТУ-1,5 и др.), показывают, что расчетные величины весьма близки к экспериментальным значениям (рис. 2.14).

Расхождение в температурах, особенно после 30—40 с включе­ния системы, обусловлено в значительной мере возрастаю­щим теплообменом волновода с окружающей средой (при +20 °С).

Выявленное возрастание температуры в материале стержня на работе системы, предназначенной для точечной сварки металлов, сказывается, очевидно, незначительно. Однако при шовной УЗС металлов и особенно сварке пластмасс это возрастание темпера­туры, например, до 60° приводит к дестабилизации процесса. На рис. 2.14 приведено семейство обобщенных экспериментальных кривых изменения прочности сварных соединений от длительности включения ультразвука. Анализ показывает, что при заданных конкретных технологических режимах сварки механическая проч­ность сварных соединений «уходит» от значений, полученных в на­чале сварки. При этом возможны три варианта:

1) механическая прочность сварных соединений растет, дости­гая своего максимального значения к моменту стабилизации температур волновода. Имеется в виду температурная составляю­щая от механизма внутренних потерь только собственно волновода (рис. 2.14, кривая 3);

2) механическая прочность сварных соединений с возрастанием температуры падает (кривая 2);

3) режим сварки выбран таким образом, что максимальные прочностные характеристики сварных соединений достигают своего

Рис. 2.15. Изменение температуры свароч-
ного наконечника в зависимости от числа сва-
рных точек

максимального значения с нас — туплением момента стабилизации температуры сварочного нако­нечника (рис. 2.1,4 кривая 4).

Спад прочности сварных со­единений можно объяснить измене­нием выходных характеристик колебательной системы из-за на­грева волновода. (При 200 °С снижение амплитуды колебаний сварочного наконечника составляет до 50 % от начальной.) Для предотвращения дестабилизации процесса при использова­нии продольных систем должен быть правильно выбран исходный режим сварки. Волноводы должны быть изготовлены из материа­лов, обладающих минимальным коэффициентом внутреннего тре­ния (титановые и алюминиевые сплавы). При этом обдув свароч­ного наконечника слабым потоком воздуха может исключить элементы дестабилизации процесса сварки. АПЧ целесообразно использовать с учетом приведенной нами информации.

Далее неучитываемые потери связаны с элементарным нагре­вом сварочных наконечников в силу аккумулирования теплоты от сварки. Проведены измерения температуры сварочных нако­нечников на расстоянии 5 мм от поверхности раздела со сваривае­мыми деталями (клещи для точечной УЗС металлов типа КТУ-1,5). Мощность акустической системы 1,2 кВт, свариваемые материалы: алюминий, СтЗ, медь, СтЗ с покрытием А1а03 и СтЗ с покрытием нихромом. Режим сварки: время — 1,6 с, пауза — 0,6 с. Свароч­ное усилие 700 Н. В качестве термопары использована проволока из хромель — алюмеля диаметром 0,2 мм. Градуирование произво­дилось в кипящей воде, запись термоциклов — на осциллографе.

Изменение температуры в зависимости от числа сварных точек приведено на рис. 2.15 (кривая 1).

Температура сварочного наконечника устойчиво растет с уве­личением числа сварных точек. Ее уровень предопределяется комплексом свойств, характеризующих сопротивление нагрузки в зоне сварки. В общем случае, чем выше температура плавлений свариваемого материала, тем выше температура — в зоне сварки и сварочного наконечника.

Наложение термоциклов дало поле их разброса. Кривая 2 показывает, что начальная температура сварочного наконечника возрастает от сварки к сварке. При достаточно высоком темпе сварки сварочный наконечник не успевает отводить теплоту в смежные области. В зависимости от мощности колебательной системы, свариваемых материалов и темпа сварки тепловой ба-
лане может наступить через Ю—15 сварных точек.. Прочность сварных соединений при этом возрастает на 20—25 % от проч­ности первой сварной точки (рис. 2.15, кривая 3). Снижение темпа сварки приводит к спаду температуры сварочного наконечника и снижению прочности сварных точек.

Таким Образом, в сварочных наконечниках при УЗС аккуму­лируется значительная энергия. Учет ее и компенсация необ­ходимы,^ противном случае она превращается в один из деста­билизирующих факторов процесса сварки.