Ultrazvukové svařování
Ultrazvukové svařování využívá vysokofrekvenční ultrazvukové akustické vibrace, které jsou aplikovány na spojované díly, které jsou sestaveny dohromady pod nízkým tlakem. Tato metoda svařování se nejčastěji používá ke spojování termoplastů a tam, kde není vhodné šroubování, pájení nebo lepení.
Přestože ultrazvukové svařování bylo vyvinuto již ve 40. letech 20. století, průmyslově bylo poprvé použito na počátku 60. let 20. století ke svařování jemných drátů v elektronickém průmyslu. V roce 1963 se k lepení polyetylenu začalo používat ultrazvukové svařování. Od té doby se ultrazvukové svařování používá ke svařování hliníku a tenkých plechů v automobilovém průmyslu (zapalovací moduly, svorkové vodiče, vodiče).
Pomalý proces rozpoznávání výhod ultrazvukového svařování v průmyslu je způsoben nedostatkem výkonného ultrazvukového zařízení, které může zaručit konzistentní kvalitu svařování i u velkých dílů.V důsledku toho byl výzkum v 80. a 90. letech 20. století zaměřen především na vývoj ultrazvukových zařízení.
Přestože ultrazvukové svařování využívá vibrací, tato metoda se liší od „vibračního svařování“, známého také jako třecí svařování. V případě vibračního svařování je jeden ze spojovaných dílů držen na místě a druhý osciluje (pomocí elektromagnetického nebo hydraulického pohonu).
Ultrazvukové svařování drží obě části na místě a využívá vysokofrekvenční zvukové vlny k vytvoření tření. Akustická energie vytváří tření a vytváří teplo, jehož výsledkem je svařování dílů za méně než sekundu, díky čemuž je ultrazvukové svařování dnes jedním z nejrychlejších.
Proces ultrazvukového svařování je plně automatizovaný a provádí se na speciálních zařízeních. Princip ultrazvukového svařování je znázorněn na Obr. 1 a složení typické instalace je znázorněno na Obr. 2.
Rýže. 1. Princip ultrazvukového svařování: a — vyrovnání dílů, b — kontakt dílů s hrotem, c — působení tlaku, d — svařování, e — držení, f — zvedání hrotu
Rýže. 2. Montážní schéma pro ultrazvukové svařování
Generátor (v samostatné jednotce) slouží k přeměně elektrických vibrací ze sítě na vysokofrekvenční (20 ... 60 kHz), měnič pomocí piezoelektrických prvků převádí elektrické vibrace na akustické. Zesilovač a sonotroda jsou pasivní rezonanční prvky instalace, které slouží k přenosu vibrací z měniče na díly.
Ultrazvukové svařovací stroje jsou obvykle vybaveny sadou zesilovačů s různými poměry transformace posunu.Tvar sonotrody je určen požadovanou konfigurací svaru. V závislosti na tvaru sonotrody se vytvářejí podélné radiální, okrajové a jiné vlnové kmity. Každý šev vyžaduje vlastní sonotrodu.
Fyzikální podstata procesu spočívá ve vzniku velmi silných vibrací o malé amplitudě při styku dvou částí. Vibrace v kombinaci s tlakem odstraňují nečistoty a oxidy z povrchu dílů. Mezi díly začnou proudit elektrony a vytvoří metalurgický šev.
Ultrazvukové svařování je ideální pro vytváření elektrických spojů, svařování hliníku a mědi, těsnění konců měděných trubek, svařování plastů, zalévání kovových dílů do plastů.
Rýže. 3. Spoje vyrobené ultrazvukovým svařováním
Ultrazvukové svařování plastů umožňuje spolehlivější spoje než jiné metody. V tomto případě se ultrazvukové svařování plastů zásadně liší od svařování kovů.
Nejprve dochází k ultrazvukovému svařování kovů pomocí příčných vibrací rovnoběžných se svařovanými plochami. Ultrazvukové svařování plastů využívá podélné vibrace, které jsou normální (tj. v pravém úhlu) ke svařovaným plochám. Zcela odlišný je také tvar sonotrod, které přenášejí ultrazvukové vibrace na kovové a plastové švy.
Za druhé, při svařování kovů vzniká třecí interakcí povrchů šev, který vytváří tuhé spojení bez roztavení materiálu.Ultrazvukové svařování plastových dílů je založeno na tavení materiálu stejným způsobem jako mnoho jiných tradičních metod svařování, jako je obloukové svařování, odporové nebo laserové svařování), ale v mnohem nižších teplotních rozsazích.
Rýže. 4. Ultrazvukové svařovací zařízení
Výhody ultrazvukového svařování:
1. Nevyžaduje žádné speciální čištění povrchu.
2. Není nutná žádná ochranná atmosféra.
3. Nejsou zapotřebí žádné svařovací materiály (dráty, elektrody, pájka atd.).
4. Nízká spotřeba energie.
5. Krátká doba spojování pro vytvoření spoje (asi čtvrt sekundy).
6. Plná automatizace procesu svařování a možnost snadné integrace s ostatními výrobními procesy.
7. Možnost svařování materiálů různé povahy, včetně materiálů citlivých na vysoké teploty, protože při svařování vzniká malé množství tepla.
8. Svařování všech druhů detailů.
9. Svary vzniklé tímto procesem jsou vzhledově příjemné, úhledné.
10. Ultrazvukové svařování nepoužívá korozivní chemikálie a na rozdíl od jiných metod produkuje malé množství výparů.
Omezení ultrazvukového svařování:
1. Nejzávažnějším omezením při použití ultrazvukového svařování je velikost svařovaných dílů — ne více než 250 mm. To je způsobeno omezením výstupního výkonu převodníku, neschopností sonotrody přenášet ultrazvukové vlny s velmi vysokým výkonem a obtížností při řízení amplitudy.
2. Ultrazvukové svařování také vyžaduje nižší obsah vlhkosti ve spojovaných materiálech.Jinak je preferováno vibrační svařování.
3. Ultrazvukové svařování není efektivní pro spojování silnostěnných materiálů. Alespoň jedna z připojovaných částí musí být lehká, protože «absorbuje» obrovské množství energie.