Znáte ultrazvukové svařování kovových drátů?

Komplexní analýza ultrazvukového svařování kovových drátů

Ultrazvukové svařování kovových drátů je vysoce účinná technologie spojování v pevné fázi široce používaná v automobilovém průmyslu, elektronice a průmyslu domácích spotřebičů. Používá se k trvalému svařování více kovových drátů (drátových svazků) nebo plechů dohromady s vodiči.

 Co je ultrazvukové svařování svazků kovových drátů?

Jedná se o metodu svařování, která využívá vysokofrekvenční ultrazvukovou vibrační energii (typicky 20 kHz, 35 kHz nebo 40 kHz) pod tlakem k dosažení atomového spojení mezi dvěma nebo více vrstvami kovových materiálů v pevném stavu.

1. Základní princip:

①Svařování v pevném stavu: Kov se během celého procesu neroztaví. To je zásadní rozdíl mezi ním a metodami tavného svařování, jako je pájení a obloukové svařování.

②Energetická forma: Využívá mechanickou vibrační energii, nikoli tepelnou energii.

③Mechanismus působení: Ultrazvukové vibrace generují smykovou sílu a tření na svařovacím rozhraní, rozkládají oxidovou vrstvu a kontaminanty na kovovém povrchu, což umožňuje, aby se atomy čistého kovu dostaly do těsného kontaktu a vytvořily silnou metalurgickou vazbu pod tlakem a meziatomovými silami.

 Pracovní princip a proces

Proces svařování je obvykle dokončen během jedné - desetiny až několika sekund a lze jej rozdělit do tří fází:

1. Fáze počátečního natlakování:

①Drátový svazek, který se má svařit, je upevněn mezi vyhrazenou svařovací formu (horní forma/svařovací hlava a spodní forma/kovadlina).

②Svařovací stroj aplikuje konstantní statický tlak (upínací sílu), aby stlačil kabelový svazek.

2. Ultrazvuková vibrační fáze:

①Ultrazvukový generátor převádí 50/60 Hz elektřinu s napájecí frekvencí na vysokofrekvenční elektrický signál.

②Převodník (piezoelektrický keramický nebo magnetostrikční) převádí vysokofrekvenční elektrický signál na mechanické vibrace stejné frekvence.

③Amplitudový modulátor zesiluje amplitudu mechanických vibrací na požadovanou úroveň (typicky 5 - 50 µm).

④Svařovací hlava přenáší zesílené vysokofrekvenční vibrace na rozhraní svazku kovového drátu, který má být svařován.

⑤Při kombinovaném působení tlaku a vibrací rozhraní prochází:

a) Odstranění oxidové vrstvy: Vibrace a tření seškrábou oxidový film a organickou hmotu na kovovém povrchu.

b) Plastický tok: Kov podléhá mikroskopické plastické deformaci na rozhraní.

c)Atc)mic difúze: Povrchy čistého kovu do sebe difundují vlivem meziatomových sil a vytvářejí vazbu.

3. Fáze udržování tlaku a vytvrzování:

Ultrazvukové vibrace se zastaví, ale tlak po určitou dobu pokračuje.

Tato fáze umožňuje svaru vychladnout a ztuhnout pod tlakem, čímž se zajistí stabilní struktura svarového spoje a vytvoří se hustý, pevný svar.

 

Hlavní systémové komponenty

Typický ultrazvukový svařovací stroj na kov zahrnuje:

1.Ultrazvukový generátor: 'mozek' systému, poskytující a řídící vysokofrekvenční elektrickou energii.

2. Akustické komponenty (systém přeměny energie):

a)Převodník: Elektrická energie → energie mechanické vibrace.

b)Zesilovač: Zesiluje amplitudu vibrací.

c) Svařovací hlava: Přímo přenáší ultrazvukovou energii na obrobek. Jeho tvar je speciálně navržen podle produktu.

3.Pneumatický systém tlakování: Poskytuje a řídí tlak potřebný pro svařování.

4. Rám a kryt: Podporuje celý systém a poskytuje bezpečnostní ochranu.

5.Vyhrazené svařovací formy (horní a spodní formy): Používají se k upevnění a umístění kabelového svazku, zajišťující účinný přenos energie.

Klíčové parametry procesu

Kvalitu svařování určují následující klíčové parametry:

1.Svařovací výkon/energie: Celkový energetický výkon během procesu svařování. Moderní svařovací stroje často používají k ovládání 'energetický režim', aby byla zajištěna konzistence.

2. Svařovací tlak: Upínací síla působící na kabelový svazek.

3. Welding Time: Doba trvání ultrazvukových vibrací.

4. Amplituda: Amplituda vibrací čelní plochy svařovací hlavy. Různé materiály a průměry drátů vyžadují různé amplitudy.

5. Pozice/Hloubka spouště: Bod, ve kterém se spustí ultrazvukové vlny, když svařovací hlava klesne do přednastavené polohy.

Klíčové výhody

Ve srovnání s tradičním svařováním (jako je pájení cínu) má ultrazvukové svařování kovů významné výhody:

1. Není potřeba pájka ani tavidlo:

a)Úspora odpadních plynů a zamezení kontaminace těžkými kovy z pájky (jako je cín).

b)Nb) riziko b)f koroze v pájeném spoji a lepší vodivost (spojení z čistého kovu).

2. Nízkoteplotní spojení: Celková teplota obrobku je hluboko pod bodem tání, což zabraňuje žíhání a neovlivňuje vlastnosti základního materiálu.

a)Velmi bezpečné pro svařování kolem součástek citlivých na teplo.

3. Energeticky úsporné a šetrné k životnímu prostředí:

a) Energie je aplikována pouze na malou plochu svařování, což má za následek extrémně nízkou spotřebu energie.

b)Nb) smb)ke nebo výfukových emisí, čímž je šetrný k životnímu prostředí.

4. Vysoká rychlost svařování: Typicky je svarový spoj dokončen během 0,1 - 0,5 sekundy, což má za následek extrémně vysokou účinnost a vhodnost pro automatizovanou hromadnou výrobu.

5.Vysoká pevnost svaru a nízká odolnost: Vytváří metalurgický spoj s mechanickou pevností a vodivostí lepší než spoje roztavené pájky.

6. Vysoká konzistence: Přesná kontrola parametrů zajišťuje stabilní a spolehlivou kvalitu svaru.

7. Svařitelné různé kovy: Schopné svařovat různé kombinace materiálů, které se obtížně spojují pomocí tavného svařování, jako je měď - hliník a měď - nikl.

Oblasti použití

1. Automobilový průmysl (největší aplikační oblast):

① Moduly napájecích baterií: Přípojnicové spoje mezi články, spoje mezi jazýčky a kabelové svazky.

②Drátové svazky: Krimpování a svařování vnitřních vodičů v pojistkových skříních, relé, konektorech atd.

2. Elektronika a spotřebiče:

①Lithiové baterie: Svařování jazýčků a drátů pro válcové baterie, jako je 18650.

②Motory: Svařování vodičů z vinutí cívek.

③Relé a transformátory: Vnitřní připojení cívek.

④Solární fotovoltaika: Přípojnicové přípojky pro solární panely.

⑤Domácí spotřebiče a spotřební elektronika: Připojení různých vnitřních kabelových svazků.

 Omezení

1.Omezená tloušťka obrobku: V současné době se používá hlavně pro svařování tenkých plechů, jemných drátů a fólií. Průměr jednoho drátu obvykle není větší než 25 mm⊃2 a celková tloušťka více vrstev je omezená.

2. Vysoké náklady na formy: Svařovací hlavy a základní formy vyžadují precizní konstrukci a výrobu pro konkrétní produkty, což má za následek vysoké náklady a nedostatek univerzálnosti.

3. Vysoké požadavky na přípravu obrobku: Oblast, která má být svařována, musí být udržována v čistotě; silné znečištění oleje nebo oxidace může ovlivnit kvalitu svaru.

4.Někdy mohou zůstat stopy po svarech: Na povrchu, který je v kontaktu se svařovací hlavou, se mohou objevit lehké promáčkliny.

Stručně řečeno, ultrazvukové svařování kovových kabelových svazků je rychlá, čistá, spolehlivá a efektivní 'zelená' spojovací technologie. S rychlým vývojem nových energetických vozidel, skladování energie a elektronického průmyslu se stává stále důležitější a stává se nepostradatelnou součástí moderní přesné výroby.