Aplikace ultrazvukové technologie při svařování kabelových svazků
Ve výrobním procesu automobilových kabelových svazků se obvykle používají ultrazvukové svařovací stroje pro svařování spojů drátů vyžadujících lepení. Ultrazvukové svařování přenáší mechanické vibrace přímo na kabelový svazek, který má být krimpován přes svařovací hlavu. Aplikace ultrazvukového svařování v průmyslu kabelových svazků je již velmi rozšířená a narůstá.
Původ ultrazvukového svařování kovů
Ultrazvukové svařování kovů bylo náhodně objeveno ve 30. letech 19. století. V té době se při pokusech s proudovými bodovými svařovacími elektrodami a ultrazvukovými vibracemi zjistilo, že svařování lze dosáhnout bez proudu, a tak se vyvinula technologie ultrazvukového svařování kovů za studena. Přestože ultrazvukové svařování bylo objeveno poměrně brzy, jeho mechanismus účinku není stále zcela objasněn. Je to podobné jako třecí svařování, ale existují rozdíly. Ultrazvukové svařování má velmi krátkou dobu a teplota je pod rekrystalizací; liší se také od tlakového svařování, protože aplikovaný statický tlak je mnohem menší.
Obecně se má za to, že v počáteční fázi ultrazvukového svařování tangenciální vibrace odstraňují oxidy z kovového povrchu a opakovaně mikrosvary a rozrušují drsné povrchy, čímž se zvětšuje kontaktní plocha a zvyšuje se teplota svarové zóny, což má za následek plastickou deformaci na rozhraní obrobků. Pod kontaktním tlakem, když se obrobky přiblíží k sobě na vzdálenost, kde může dojít k atomární přitažlivosti, se vytvoří svarový bod. Nadměrná doba svařování nebo nadměrná amplituda ultrazvuku může snížit pevnost svaru nebo dokonce způsobit poškození.
Princip ultrazvukového svařování kovů: Ultrazvukové svařování kovů využívá vysokofrekvenční vibrační vlny desetitisíckrát za sekundu přenášené na povrchy dvou kovových obrobků, které mají být svařeny. Působení tlaku způsobí, že se kovové povrchy třou o sebe, čímž se vytvoří fúze mezi molekulárními vrstvami, čímž se dosáhne účelu svařování. Mezi jeho výhody patří rychlost, úspora energie, vysoká tavná síla, dobrá vodivost, žádné jiskry a zpracování téměř za studena; jeho nevýhody zahrnují nemožnost svařovat velmi silné kovové části (obecně menší nebo rovné 5 mm), nemožnost mít velký svarový bod a potřebu tlaku.
Ultrazvuková svařovací hlava automobilového kabelového svazku se skládá hlavně ze čtyř částí: svařovací hlavy, spojovacího bloku kovadliny, horního bloku kovadliny a polymeračního modulu. Během svařování jsou dráty svisle vyrovnány a pevně přitlačeny ke spojovacímu bloku kovadliny. Po stisknutí nožního spínače se agregační modul přesune směrem k horní části bloku kovadliny, zatímco spojovací blok kovadliny a horní část kovadliny se pohybují směrem dolů a pevně přitlačí automobilový kabelový svazek do oblasti svařování. Svařovací hlava vibruje, přenáší energii na měděné dráty a tím svařuje kabelový svazek dohromady.
Při svařování vibruje pouze svařovací hlava; ostatní nástrojové hlavy zůstávají nehybné. Po svařování se agregační modul a horní část kovadliny zasunou, zatímco spojovací blok kovadliny se zvedne, což umožňuje vyjmutí kabelového svazku. Protože svařovací hlava vibruje, zatímco ostatní nástrojové hlavy zůstávají nehybné, aby se zabránilo svařování mezi nástrojovými hlavami a svařovací hlavou a poškození svařovacího stroje, je mezi horním povrchem svařovací hlavy a zemí agregačního modulu a mezi stranou horní části bloku kovadliny a stranou spojovacího bloku kovadliny zachována mezera 0,025 mm. Tím se zabrání kontaktu svařovací hlavy s jinými nástrojovými hlavami. Tyto mezery musí být také bez šrotu mědi nebo jiných nečistot; jinak svařování způsobí erozi pracovní plochy hlavy nástroje a potenciálně poškodí obvodovou desku. Protože svařovací hlava generuje ultrazvukové vibrace, její energie se přenáší ze svařovací hlavy na horní část kovadliny. Proto čím blíže ke svařovací hlavě, tím větší je energie a energie se přenáší shora dolů. Při pokládání drátů by tedy měl být silnější drát umístěn dole, blízko povrchu svařovací hlavy, s tenčími dráty uspořádanými svisle nahoru. To umožňuje silnějšímu drátu přijímat větší energii, což zabraňuje nadměrnému nebo nedostatečnému svařování. Vertikální uspořádání také zabraňuje bočnímu svařování a zajišťuje kvalitu svaru.
Výhody a nevýhody ultrazvukového svařování kovů
výhody:
1. Ultrazvukové svařování kovů má nízký tlak a nízkou spotřebu energie a může svařovat různé kovové materiály. Na základě těchto vlastností mohou být kovové díly rychle tvarovány komplexním využitím technologie ultrazvukového svařování kovů a technologie CNC frézování. Funkční komponenty lze zabudovat během procesu tváření a vytvořit tak inteligentní kompozitní materiály na bázi kovu atd.
2. Ultrazvukové svářečky kovů mohou provádět bodové svařování a kontinuální svařování. Mají vysokou rychlost svařování. Z hlediska aplikačního rozsahu lze dobře svařovat i materiály s výrazně odlišnými fyzikálními vlastnostmi; může také svařovat kovové fólie, jemné dráty, drobná zařízení a vícevrstvé plechy různých tlouštěk, které je obtížné svařovat jinými metodami.
3. Ultrazvukové svařování kovů vytváří vysoce pevné svary s vynikající stabilitou a vysokou odolností proti únavě.
4. Svařovací proces nevyžaduje chlazení vodou ani ochranu plynu, což má za následek minimální deformaci svařovaného obrobku. Po svařování není nutné žádné tepelné zpracování, jako je žíhání. Samotný proces ultrazvukového svařování kovů čistí a narušuje oxidovou vrstvu na povrchu svařence. Povrch svaru je čistý a esteticky příjemný, což eliminuje potřebu čištění po svařování jako u jiných metod svařování.
5. Ultrazvukové svařování kovů nepoužívá svařovací dráty. Oblast svařování není pod napětím a svařovaný kov není přímo ohříván. Ve srovnání s obloukovým svařováním kovů a plynovým svařováním spotřebovávají ultrazvukové svářečky plastů v Suzhou výrazně méně energie při svařování stejného obrobku.
6. Protože není vyžadováno žádné tavidlo, nekontaminuje obrobek a neprodukuje žádnou strusku, odpadní vodu, škodlivé plyny nebo jiné znečištění odpadem, což z něj činí energeticky úspornou a ekologickou metodu svařování.
7. Vzhledem k tomu, že ultrazvukový generátor využívá výkonové elektronické obvody, je snadné implementovat elektrické ovládání a lze jej dobře integrovat s počítači pro řízení svařování, čímž se dosahuje vysoce přesného svařování a usnadňuje informatizace a automatizace procesu svařování.
Nevýhody:
1. Zatímco ultrazvukové svařování kovových materiálů může dosáhnout vynikajících výsledků svařování, stabilita, provozuschopnost a spolehlivost celého systému – kombinace ultrazvukového generátoru a akustického systému s mechanickým systémem – má stále problémy. Zásadní otázkou je proto návrh akustického systému (převodník, amplitudový transformátor, spojovací díly) a způsob spojení akustického systému a vzorku.
2. Nedostatečné pochopení mechanismu ultrazvukového svařování kovů. Zda ultrazvukové svařování kovů nezahrnuje žádné tavení kovu, nebo jde pouze o metodu svařování v pevné fázi nebo o proces 'spojování' mezi kovy, vyžaduje další výzkum.
3. Procesní parametry ultrazvukového svařování kovů ovlivňuje mnoho faktorů, takže je obtížné je shrnout.
4. Vzhledem k tomu, že potřebný svařovací výkon roste exponenciálně s tloušťkou a tvrdostí obrobku a vysoce výkonné ultrazvukové svařovací stroje jsou obtížně a nákladné na výrobu, další zvyšování svařovacího výkonu bude nejen představovat řadu neřešitelných problémů při návrhu a výrobě akustického systému, ale může také selhat při dosažení požadovaných výsledků procesu. Proto se v současnosti omezuje na svařování tenkých dílů, jako jsou dráty, fólie a plechy.
5. Ultrazvukové svařovací stroje mají relativně špatnou 'otevřenost' a rozměr vkládání obrobku nemůže překročit rozsah povolený svařovacím systémem. V současné době je typ spoje omezen na klínové spoje.
6. Povrch svaru je náchylný na vysokofrekvenční mechanické vibrace, které mohou způsobit únavové poškození hran, takže je nevhodný pro svařování tvrdých a křehkých materiálů.
