по дисциплине   Электротехнологические установки (стр. 2 из 4)

Изложенные особенности ряда технологических факторов весьма существенны. Любой из этих недостатков, выраженный в крайней форме, может поставить под сомнение целесообразность применения УЗС. Вместе с тем УЗС характеризуется весьма ценными технологическими особенностями. Так, микросмещения деталей относительно друг друга вызывают дробление твердых окислов и выгорание жировых пленок, что приводит к самопроизвольной очистке поверхностей свариваемых металлов и к последующей их сварке. Это позволяет наиболее эффективно решать проблему присоединения токоотводов в различного рода электро- и радиотехнических устройствах, так как УЗС обеспечивает переходное сопротивление на уровне сопротивления свариваемых металлов. Температура в зоне соединения составляет 0,4—0,6 от температуры плавления металла. Это обеспечивает минимальное искажение исходной структуры, отсутствие выплесков и брызг металла.

В силу специфичности процесса при УЗС хорошо свариваются металлы, обладающие малым электрическим сопротивлением: электротехническая медь, чистый и сверхчистый алюминий, серебро.

При УЗС в принципе нет ограничений по нижнему пределу свариваемых толщин различных металлов. Возможно также соединение с существенным перепадом толщин и свойств свариваемых металлов (металл — стекло; отношение толщин 1 : 1000 и больше).

Для УЗС также характерна: 1) малая энергоемкость; 2) возможность питания нескольких сварочных головок от одного генератора и возможность выноса их на значительное расстояние;

3) простота автоматизации процесса работы колебательной системы; 4) гигиеничность процесса.

Зона доступа к сварочному наконечнику

Одной из особенностей технологии сварки ультразвуком является ограниченность диапазона форм свариваемых деталей. Это объясняется тем, что геометрические размеры элементов колебательной системы зависят от заданной частоты. Произвольного изменения размеров резонирующих элементов, посредством которых энергия подводится к зоне сварки, производить нельзя. В этом отношении УЗС обладает существенно меньшими технологическими возможностями, чем, например, контактная сварка.

Зона доступа к сварочному наконечнику, а точнее, возможный диапазон форм изделий, которые можно сварить УЗС, в различных вариантах построения механических колебательных систем складывается из сочетаний нескольких элементов. Например, известны системы, состоящие из преобразователя, волновода продольных колебаний и сварочного выступа (рис. 2, а). Зона доступа к сварочному наконечнику в этом случае определяется длиной волновода продольных колебаний и высотой сварочного выступа в сочетании с конусностью волновода и точкой его закрепления. Сварочный выступ (выступает от образующей концентратора на 2—5 мм) является нерезонансным элементом произвольной формы. Свариваемые детали располагаются на массивной опоре. Технологические возможности такой механической колебательной системы ограничиваются относительно простыми формами изделий.

Более совершенной является модификация этой системы (рис. 2, б). Зона доступа в этом случае увеличена за счет применения резонансного звена и удлинения плеча поворота системы. Такими же возможностями обладают системы с продольно-поперечной схемой волноводов (рис. 2, в). Однако при этом следует отметить, что передача усилия сжатия посредством перемещения опорного элемента

нерациональна. Опора перемещается вместе со свариваемыми изделиями. Изделия необходимо фиксировать дополнительным устройством. Такая кинематическая схема ограничивает верхний

Рис. 2. Варианты механических колебательных систем для точечной сварки

предел производительности сварочной машины. Колебательная система, разработанная фирмой “Сонобонд К°” (рис. 2, г), работает в сочетании с резонансной опорой, которая позволила значительно увеличить рабочее пространство у сварочного наконечника. Во ВНИИЭСО при проектировании оборудования была применена схема, показанная на рис. 2, д.

В ряде случаев применение продольно-поперечной системы со стержнем постоянного сечения также не позволяет решить такую задачу, так как при УЗС в зависимости от механических свойств и соотношения толщин свариваемых металлов положение деталей относительно сварочного наконечника имеет большое значение. Решить такие задачи можно при применении модификаций стержня колебательной системы.

Для сварки изделий в труднодоступных местах можно воспользоваться стержнем с Г-образным наконечником (рис. 3, а). Экспериментально была установлена возможность применения выступа в пределах Уд длины волны в стержне. Смещение точки съема энергии относительно оси стержня 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 с резонирующим стержнем, работающим в режиме изгибных и крутильных колебаний. Такая сварка получена за счет выбора сварочных наконечников специальной формы, соответствующей заданной конструкции изделия. Одним из недостатков такого приема является изменение собственной частоты стержня в силу изменения его формы. Это затрудняет расчет его параметров.

Вместо стержня возможно применение рабочего инструмента в виде пустотелой резонансной трубки, работающей в режиме изгибных или крутильных колебаний (рис. 3, б). Ее оптимальные геометрические размеры подбираются в зависимости от частоты, конструктивных особенностей и мощности сварочной машины. Кромка сварочного наконечника на внутренней и наружной сторонах срезана с расчетом получить рабочую дорожку шириной 0,5—1,5 мм.

Рис. 3. Формы стержней, передающих энергию в зону сварки

Приварку токоотводов к внутренней или наружной поверхности стакана целесообразно осуществить посредством составного стержня с переменным сечением (рис. 3, б). При такой конструкции стержня, во-первых, сохраняется достаточно большое сечение опорной части резонирующего стержня, чем обеспечивается необходимая жесткость и, во-вторых, увеличивается зона доступа к сварочному наконечнику. Такая конструкция резонирующего стержня позволила, например, приварить стальные токоотводы к корпусу аккумулятора.

В настоящее время сварка с применением таких стержней практически дала обнадеживающие результаты. Вполне вероятно, что они могут найти применение при изготовлении полупроводниковых элементов, особенно при использовании систем крутильных колебаний.

Технологические возможности шовной УЗС в отношении свариваемых форм можно в некоторой степени сравнить с возможностями машин для контактной сварки.

Рис. 4. Варианты построения механических колебательных систем для шовной сварки

Шовная ультразвуковая сварка металлов может быть осуществлена посредством колебательной системы со сварочным роликом в виде нерезонансного выступа (рис. 4, а). Однако, как установлено, применение нерезонансного выступа в виде ролика при шовной УЗС в ряде случаев нежелательно. Технологические возможности такого устройства весьма ограничены и могут быть использованы только в частных случаях, тем более, что в качестве опорного элемента используются массивные ролики.

Применение в качестве излучателя ультразвука резонансного диска (рис. 4, б) позволяет увеличить технологические возможности шовной УЗС.

Во ВНИИЭСО разработана колебательная система, в которой в качестве опоры использован также резонансный диск. Это повышает эффективность использования шовной УЗС (рис. 4, в).

Влияние на сварку формы и материала сварочного наконечника

Сварочный наконечник в процессе сварки находится в сложном термомеханическом состоянии. Попеременный нагрев и охлаждение, механические нагрузки и элементарное истирание в зоне контакта со свариваемым металлом приводят к его интенсивному износу. Растрескивание и выкрашивание центра наконечника сказывается на качестве сварных соединений. Кроме того, в процессе сварки происходит налипание свариваемого материала на поверхность сварочного наконечника. Иногда это налипание настолько сильно, что его зачистку необходимо производить после одной-двух сварных точек. Такая степень налипания ставит под сомнение целесообразность применения ультразвука. Используют разнообразные формы сварочных наконечников при УЗС, например, сферической формы (рис. 5, а). Однако использование такого наконечника понижает стабильность сварки, ибо сфера предопределяет резкое и неравномерное распределение напряжения в зоне сварки. Позже были высказаны соображения о целесообразности применения наконечника с усеченной сферой (рис. 5, б), которая позволяла в некоторой степени стабилизировать удельное контактное давление, по крайней мере в начальный период сварки.

Рис. 5. Формы сварочных наконечников

Анализ напряжений, возникающих в зоне сварки, и механизма сварки позволяет прийти к выводу о безусловной целесообразности применения сварочного наконечника в виде усеченной конусообразной площадки (рис. 5, в). Такая форма наконечника, как это следует из весьма многочисленных экспериментальных данных, обеспечивает более высокую пластичность и стабильность прочности сварных соединений. Было признано также целесообразным наличие на сварочном наконечнике обжимной кромки К, поскольку сферический сварочный наконечник приводит к возникновению существенного зазора между свариваемыми деталями. Это в значительной мере сказывается при сварке разнотолщинных металлов, особенно если один из них более пластичен (рис. 5, г).