Рис. 1. Принципиальная схема точечной (я) и шовной (б) сварки ультразвуком: 1 - свариваемые детали, 2 - трансформатор упругих колебаний, Р - сжимающая сила, 3 - сварочный наконечник (ролик), 4 - маятниковая опора (опорный ролик), 5 - сварная точка (шов), у.з.к. - ультразвуковые колебания.
Сварочный наконечник 3 (при шовной сварке - ролик) определяет площадь и объем источника ультразвуковых механических колебаний непосредственно в зоне сварки. Он должен передавать колебания для осуществления трения между поверхностями соединяемых деталей с минимальными потерями между ним и верхней деталью. Величина амплитуды колебаний обычно находится в интервале 10 ... 25 мкм.
Таким образом, процесс ультразвуковой сварки металлов происходит в условиях трения, вызванного микроскопическим относительным возвратно-поступательным перемещением участков поверхностей в зоне сжатия, что сопровождается выделением теплоты. Распространение ультразвуковых колебаний при сварке показано на рис. 2.
Рис. 2. Распространение у.з.к. при сваривании. а - начало сваривания; б - процесс сварки; в - окончание процесса.
Исследования показали, что при ультразвуковой сварке действуют два основных источника тепла. Один находится в зоне контакта сварочного наконечника (ролика) с деталью, второй - в зоне соединения деталей. Выделение теплоты у сварочного наконечника обусловлено его трением с деталью и приводит к пластическому деформированию наружной поверхности детали под наконечником. Выделение теплоты между деталями обусловлено действием нормальных сжимающих напряжений и напряжений сдвига, что приводит к внешнему и внутреннему трению в металлах и пластической деформации в зоне сварки.
Вибрирующий сварочный наконечник в первый момент сварки развивает интенсивное выделение тепла в зоне его контакта с деталью. В зону сварки ультразвуковые колебания передаются с некоторым опозданием (см. рис. 2).
Усилие сжатия обеспечивает передачу ультразвуковых колебаний в зону сварки. Его минимальное значение, при котором начинают образовываться соединения, зависит от свариваемых материалов и их толщины, а оптимальное значение возрастает с увеличением амплитуды колебаний.
При увеличении контактного давления начальная скорость нагрева растет за счет улучшения связи между сварочным наконечником и деталями. Скорость нагрева деталей зависит также от формы и состояния поверхности наконечника.
Температура в зоне сварки зависит от твердости и теплофизических свойств свариваемых материалов, мощности колебательной системы и параметров режима сварки. Нагрев в зоне сварки обычно не превышает 0,6 температуры плавления. Под действием трения, нагрева и пластического деформирования пленки загрязнений разрушаются и удаляются из зоны сжатия, благодаря чему становится возможным образование узлов схватывания, их расширение и формирование сварного соединения. Установлено, что ультразвуковые колебания способствуют удалению жировых пленок благодаря развитию кавитационных процессов в условиях действия в отдельных микрообъемах попеременных высоких давлений и разрежений. Поэтому УЗ-сварка может выполняться даже при наличии жировых загрязнений поверхностей. Однако принято обезжиривать поверхности перед свариванием, поскольку это увеличивает диаметр точек сварки. Ультразвуковые колебания также снижают поверхностное натяжение металлов, значительно ускоряют образование активных центров и схватывания поверхностей, процессы диффузии и рекристаллизации. Поэтому формирование кристаллической структуры в зоне соединения при сварке происходит достаточно быстро.
УЗ-сварка может выполняться с импульсным нагревом места сварки от отдельного источника тепла, что позволяет уменьшить усилие сжатия, амплитуду и время действия уз-колебаний, и деформацию металла. Такой способ разработан для ультразвуковой сварки микродеталей. Свариваемые элементы подлежат действию ультразвуковых колебаний и нагреванию одновременно или в определенной последовательности.
Процесс выполняется следующим образом. Сначала сварочный инструмент небольшим усилием прижимается к детали, затем через него пропускается электрический ток для его нагрева и одновременно (или с некоторым опережением или опозданием) включаются ультразвуковые колебания. Способ позволяет сваривать материалы с различными физико-химическими свойствами.
Существует мнение, что успешная ультразвуковая сварка разнородных материалов возможна при условии разности атомных радиусов соединяемых деталей не более 15 ... 18%. Это условие соответствует общему представлению о существовании твердых растворов. При разности атомных радиусов в пределах 19 ... 44% сварка металлов усложняется. Исследование А. О. Россошинского позволили получить с помощью ультразвукового сваривания надежные соединения между материалами с существенными различиями атомных радиусов и различиями физико-химических свойств, например, между керамикой и металлами. Образование соединений автор объясняет определенным перемещением металла в зоне сварки. Деформация микровыступов под действием колебаний и их сжатие приводит к взаимному проникновению и перемешиванию материалов, которые соединяются, что и обеспечивает качество сварки.
При ультразвуковой сварке можно выделить процессы образования физического контакта, активации поверхностей и объемного взаимодействия, несмотря на кратковременность процесса. Все эти процессы протекают в условиях действия ультразвуковых колебаний. Поэтому иногда отмечается возможность развития процессов усталости в зоне сварного соединения под влиянием длительного действия колебаний и снижение прочности соединений вследствие частичного разрушения узлов схватывания.
