Ультразвуковая сварка — это промышленный процесс , при котором высокочастотные ультразвуковые акустические колебания локально применяются к заготовкам, удерживаемым вместе под давлением, для создания твердотельного сварного шва . Он обычно используется для пластмасс и металлов , и особенно для соединения разнородных материалов . При ультразвуковой сварке нет соединительных болтов, гвоздей, припоев или клеев, необходимых для связывания материалов вместе. При использовании для соединения металлов температура остается значительно ниже точки плавления задействованных материалов, что предотвращает любые нежелательные свойства, которые могут возникнуть из-за воздействия высокой температуры на металл. [1] [2]
Практическое применение ультразвуковой сварки для жестких пластиков было завершено в 1960-х годах. На тот момент сваривать можно было только твердые пластики. Патент на ультразвуковой метод сварки жестких термопластичных деталей был выдан Роберту Солоффу и Сеймуру Линсли в 1965 году. [3] Солофф, основатель Sonics & Materials Inc., был руководителем лаборатории в Branson Instruments, где тонкие пластиковые пленки сваривались в пакеты и трубки с помощью ультразвуковых зондов. Он непреднамеренно приблизил зонд к диспенсеру пластиковой ленты и заметил, что половинки диспенсера сварились вместе. Он понял, что зонд не нужно вручную перемещать вокруг детали, но что ультразвуковая энергия может проходить сквозь и вокруг жесткого пластика и сваривать целое соединение. [3] Он продолжил разработку первого ультразвукового пресса. Первое применение этой новой технологии было в индустрии игрушек. [4]
Первый автомобиль, полностью изготовленный из пластика, был собран с использованием ультразвуковой сварки в 1969 году. [4] Автомобильная промышленность регулярно использует этот метод с 1980-х годов, и в настоящее время он используется во множестве областей применения. [4]
Для соединения сложных литьевых термопластичных деталей ультразвуковое сварочное оборудование может быть настроено в соответствии с точными характеристиками свариваемых деталей. Детали располагаются между фиксированным гнездом ( наковальней ) и сонотродом (рупором), соединенным с преобразователем, и излучается низкоамплитудная акустическая вибрация ~20-70 кГц . [ требуется ссылка ] При сварке пластмасс интерфейс двух деталей специально разработан для концентрации процесса плавления. Один из материалов обычно имеет заостренный или округлый направляющий элемент энергии, который контактирует со второй пластиковой деталью. Ультразвуковая энергия расплавляет точечный контакт между деталями, создавая соединение. Ультразвуковая сварка термопластов вызывает локальное плавление пластика из-за поглощения энергии колебаний вдоль свариваемого соединения. В металлах сварка происходит из-за дисперсии поверхностных оксидов под высоким давлением и локального движения материалов. Хотя есть нагрев, его недостаточно для расплавления основных материалов. [ требуется разъяснение ]
Ультразвуковая сварка может использоваться как для твердых, так и для мягких пластиков, таких как полукристаллические пластики, и металлов. Понимание ультразвуковой сварки возросло с исследованиями и испытаниями. Изобретение более сложного и недорогого оборудования и возросший спрос на пластиковые и электронные компоненты привели к росту знаний об этом фундаментальном процессе. [4] Однако многие аспекты ультразвуковой сварки все еще требуют дальнейшего изучения, например, взаимосвязь качества сварки с параметрами процесса.
Ученые из Института материаловедения и инженерии (WKK) Университета Кайзерслаутерна при поддержке Немецкого исследовательского фонда ( Deutsche Forschungsgemeinschaft ) сумели доказать, что использование процессов ультразвуковой сварки может привести к образованию высокопрочных соединений между легкими металлами и листами полимера, армированного углеродным волокном (CFRP). [5]
Преимущество ультразвуковой сварки заключается в том, что не требуется время высыхания, как в случае с обычными клеями или растворителями, поэтому заготовки не нужно оставлять в приспособлении дольше, чем требуется для остывания сварного шва. Сварку можно легко автоматизировать, что позволяет получать чистые и точные соединения; место сварки очень чистое и редко требует какой-либо подправки. Низкое тепловое воздействие на используемые материалы позволяет сваривать большее количество материалов. Этот процесс является хорошей автоматизированной альтернативой клею, винтам или конструкциям с защелками .
Ультразвуковая сварка обычно используется для небольших деталей (например, сотовых телефонов, бытовой электроники, одноразовых медицинских инструментов, игрушек и т. д.), но ее можно использовать и для деталей такого размера, как небольшая автомобильная приборная панель. [ quantify ] Ультразвук также может использоваться для сварки металлов, но обычно ограничивается небольшими сварными швами тонких, ковких металлов, таких как алюминий, медь и никель. Ультразвук не будет использоваться для сварки шасси автомобиля или для сварки частей велосипеда из-за требуемых уровней мощности. [ уточнение необходимо ]
Все системы ультразвуковой сварки состоят из одних и тех же основных элементов:
Применение ультразвуковой сварки обширно и встречается во многих отраслях промышленности, включая электротехническую и компьютерную, автомобильную и аэрокосмическую, медицинскую и упаковочную. Возможность сварки двух изделий ультразвуком определяется их толщиной. Если они слишком толстые, этот процесс их не соединит. Это главное препятствие при сварке металлов. Однако провода, соединения микросхем, листовой металл, фольга, ленты и сетки часто соединяются с помощью ультразвуковой сварки. Ультразвуковая сварка является очень популярным методом склеивания термопластов . Она быстрая и легко автоматизируется, время сварки часто составляет менее одной секунды, и не требуется система вентиляции для отвода тепла или выхлопных газов. Этот тип сварки часто используется для создания сборок, которые слишком малы, слишком сложны или слишком деликатны для более распространенных методов сварки.
В электротехнической и компьютерной промышленности ультразвуковая сварка часто используется для соединения проводных соединений и создания соединений в небольших, деликатных схемах. Соединения жгутов проводов часто соединяются с помощью ультразвуковой сварки. [6] Жгуты проводов представляют собой большие группы проводов, используемых для распределения электрических сигналов и мощности. Электродвигатели , катушки возбуждения , трансформаторы и конденсаторы также могут быть собраны с помощью ультразвуковой сварки. [7] Также ее часто предпочитают при сборке носителей информации, таких как флэш-накопители и компьютерные диски, из-за требуемых больших объемов. Было обнаружено, что ультразвуковая сварка компьютерных дисков имеет время цикла менее 300 мс. [8]
Одной из областей, в которой ультразвуковая сварка используется чаще всего и где сосредоточены новые исследования и эксперименты, является микросхема. [6] Этот процесс идеально подходит для микросхем, поскольку он создает надежные связи без внесения примесей или термических искажений в компоненты. Полупроводниковые приборы, транзисторы и диоды часто соединяются тонкими алюминиевыми и золотыми проводами с помощью ультразвуковой сварки. [9] Она также используется для соединения проводов и лент, а также целых чипов с микросхемами. Примером использования микросхем являются медицинские датчики, используемые для мониторинга человеческого сердца у пациентов с шунтированием.
Одним из отличий между ультразвуковой сваркой и традиционной сваркой является способность ультразвуковой сварки соединять разнородные материалы. Сборка компонентов аккумулятора является хорошим примером того, где эта способность используется. При создании компонентов аккумулятора и топливных элементов тонкие медные, никелевые и алюминиевые соединения, слои фольги и металлические сетки часто свариваются ультразвуком. [6] Несколько слоев фольги или сетки часто можно наносить за один сварной шов, что исключает этапы и затраты.
Для автомобилей ультразвуковая сварка, как правило, используется для сборки крупных пластиковых и электрических компонентов, таких как приборные панели, дверные панели, лампы, воздуховоды, рулевые колеса, обивка и компоненты двигателя. [10] Поскольку пластик продолжает заменять другие материалы в проектировании и производстве автомобилей, сборка и соединение пластиковых компонентов становится все более важной проблемой. Некоторые из преимуществ ультразвуковой сварки — это короткое время цикла, автоматизация , низкие капитальные затраты и гибкость. [11] Ультразвуковая сварка не повреждает отделку поверхности, поскольку высокочастотные вибрации предотвращают образование следов, что является решающим фактором для многих производителей автомобилей. [10]
Ультразвуковая сварка обычно используется в аэрокосмической промышленности при соединении тонколистовых металлов и других легких материалов. Алюминий — сложный металл для сварки традиционными методами из-за его высокой теплопроводности. Однако это один из самых простых материалов для сварки с помощью ультразвуковой сварки, поскольку это более мягкий металл, и, таким образом, твердотельная сварка легко достигается. [12] Поскольку алюминий так широко используется в аэрокосмической промышленности, из этого следует, что ультразвуковая сварка является важным производственным процессом. С появлением новых композитных материалов ультразвуковая сварка становится еще более распространенной. Она использовалась для склеивания популярного композитного материала — углеродного волокна . Были проведены многочисленные исследования, чтобы найти оптимальные параметры, которые обеспечат качественные сварные швы для этого материала. [13]
В медицинской промышленности ультразвуковая сварка часто используется, поскольку она не вносит загрязняющие вещества или деградацию в сварной шов, а машины могут быть специализированы для использования в чистых помещениях . [14] Процесс также может быть высокоавтоматизированным, обеспечивает строгий контроль за размерными допусками и не влияет на биосовместимость деталей. Следовательно, он повышает качество деталей и снижает производственные затраты. Такие предметы, как артериальные фильтры, фильтры для анестезии, фильтры для крови, внутривенные катетеры, диализные трубки, пипетки , кардиометрические резервуары, фильтры для крови/газа, лицевые маски и внутривенные иглы/фильтры, могут быть изготовлены с помощью ультразвуковой сварки. [15] Другим важным применением в медицинской промышленности ультразвуковой сварки является текстиль. Такие предметы, как больничные халаты, стерильная одежда, маски, трансдермальные пластыри и текстиль для чистых помещений, могут быть запечатаны и сшиты с помощью ультразвуковой сварки. [16] Это предотвращает загрязнение и образование пыли и снижает риск заражения.
Ультразвуковая сварка часто используется в упаковочных приложениях. Многие обычные предметы либо создаются, либо упаковываются с помощью ультразвуковой сварки. Запечатывание контейнеров, трубок и блистерных упаковок является обычным применением.
Ультразвуковая сварка также применяется при упаковке опасных материалов, таких как взрывчатые вещества, фейерверки и другие реактивные химикаты. Эти предметы, как правило, требуют герметичного уплотнения , но не могут подвергаться воздействию высоких температур. [9] Одним из примеров является бутановая зажигалка. Этот сварной шов контейнера должен выдерживать высокое давление и нагрузку и должен быть герметичным, чтобы удерживать бутан. [17] Другим примером является упаковка боеприпасов и топлива. Эти упаковки должны выдерживать высокое давление и нагрузку, чтобы защитить потребителя от содержимого.
Пищевая промышленность считает ультразвуковую сварку более предпочтительной, чем традиционные методы соединения, поскольку она быстрая, гигиеничная и позволяет создавать герметичные швы. Контейнеры для молока и сока являются примерами продуктов, часто запечатываемых с помощью ультразвуковой сварки. Бумажные детали, которые необходимо запечатать, покрываются пластиком, как правило, полипропиленом или полиэтиленом , а затем свариваются вместе для создания герметичного уплотнения. [17] Основным препятствием, которое необходимо преодолеть в этом процессе, является настройка параметров. Например, если происходит чрезмерная сварка, то концентрация пластика в зоне сварки может быть слишком низкой и привести к разрыву шва. Если он недостаточно заварен, шов будет неполным. [17] Различия в толщине материалов могут привести к различиям в качестве сварки. Некоторые другие продукты питания, запечатанные с помощью ультразвуковой сварки, включают обертки от конфет, упаковки замороженных продуктов и контейнеры для напитков.
«Звуковая агломерация», сочетание ультразвуковой сварки и формовки , используется для производства компактных батончиков пайков для проекта армии США Close Combat Assault Ration без использования связующих веществ. Сушеная пища прессуется в форму и сваривается в течение часа, в течение которого частицы пищи склеиваются. [18]
Опасности ультразвуковой сварки включают воздействие высоких температур и напряжений. Это оборудование должно эксплуатироваться с использованием инструкций по безопасности, предоставленных производителем, чтобы избежать травм. Например, операторы никогда не должны подносить руки к наконечнику сварочного аппарата, когда машина активирована. [19] Кроме того, операторы должны быть обеспечены средствами защиты органов слуха и защитными очками. Операторы должны быть проинформированы о правилах государственных органов в отношении ультразвукового сварочного оборудования, и эти правила должны соблюдаться. [20]
Ультразвуковые сварочные аппараты требуют планового обслуживания и осмотра. Для обслуживания может потребоваться снять дверцы панели, крышки корпуса и защитные ограждения. [19] Это должно выполняться при отключенном питании оборудования и только обученным специалистом, обслуживающим аппарат.
Субгармонические колебания, которые могут создавать раздражающий слышимый шум, могут быть вызваны в крупных деталях вблизи машины из-за частоты ультразвуковой сварки. [21] Этот шум можно заглушить, зажав эти крупные детали в одном или нескольких местах. Кроме того, мощные сварочные аппараты с частотами 15 кГц и 20 кГц обычно издают потенциально опасный пронзительный визг в диапазоне человеческого слуха. Экранирование этого излучаемого звука можно осуществить с помощью акустического кожуха. [21]
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )