Czy znasz ultradźwiękowe spawanie wiązek przewodów metalowych?

Kompleksowa analiza ultradźwiękowego spawania wiązek przewodów metalowych

Spawanie ultradźwiękowe wiązek przewodów metalowych to wysoce wydajna technologia łączenia w stanie stałym, szeroko stosowana w przemyśle motoryzacyjnym, elektronicznym i AGD. Służy do trwałego zgrzewania wielu drutów metalowych (wiązek przewodów) lub blach wraz z przewodnikami.

 Co to jest spawanie ultradźwiękowe wiązek przewodów metalowych?

Jest to metoda spawania, która wykorzystuje energię drgań ultradźwiękowych o wysokiej częstotliwości (zwykle 20 kHz, 35 kHz lub 40 kHz) pod ciśnieniem w celu uzyskania wiązania atomowego pomiędzy dwiema lub większą liczbą warstw materiałów metalowych w stanie stałym.

1. Podstawowa zasada:

①Spawanie w stanie stałym: Metal nie topi się podczas całego procesu. Na tym właśnie polega zasadnicza różnica pomiędzy tą metodą a metodami zgrzewania, takimi jak lutowanie i spawanie łukowe.

②Forma energii: Wykorzystuje energię wibracji mechanicznych, a nie energię cieplną.

③Mechanizm działania: Wibracje ultradźwiękowe wytwarzają siłę ścinającą i tarcie na styku spawania, rozkładając warstwę tlenku i zanieczyszczenia na powierzchni metalu, umożliwiając bliski kontakt czystych atomów metalu, tworząc silne wiązanie metalurgiczne pod ciśnieniem i siłami międzyatomowymi.

 Zasada działania i proces

Proces spawania zwykle kończy się w ciągu jednej dziesiątej do kilku sekund i można go podzielić na trzy etapy:

1. Początkowy etap zwiększania ciśnienia:

①Wiązkę przewodów do spawania mocuje się pomiędzy dedykowaną formą spawalniczą (górna forma/głowica spawalnicza i dolna forma/kowadło).

②Spawarka wywiera stały nacisk statyczny (siła zaciskania), aby ścisnąć wiązkę przewodów.

2. Etap wibracji ultradźwiękowych:

①Generator ultradźwiękowy przetwarza energię elektryczną o częstotliwości sieciowej 50/60 Hz na sygnał elektryczny o wysokiej częstotliwości.

②Przetwornik (ceramiczny piezoelektryczny lub magnetostrykcyjny) przetwarza sygnał elektryczny o wysokiej częstotliwości na wibracje mechaniczne o tej samej częstotliwości.

③Modulator amplitudy wzmacnia amplitudę wibracji mechanicznych do wymaganego poziomu (zwykle 5–50µm).

④Głowica spawalnicza przenosi wzmocnione wibracje o wysokiej częstotliwości na interfejs metalowej wiązki przewodów, która ma być spawana.

⑤Pod połączonym działaniem ciśnienia i wibracji interfejs ulega:

a) Usuwanie warstwy tlenku: Wibracje i tarcie usuwają warstwę tlenku i materię organiczną z powierzchni metalu.

b) Płynność plastyczna: Metal ulega mikroskopijnemu odkształceniu plastycznemu na granicy faz.

c) Dyfuzja atc)mic: Powierzchnie czystego metalu dyfundują między sobą pod wpływem sił międzyatomowych, tworząc wiązanie.

3. Etap utrzymywania ciśnienia i utwardzania:

Wibracje ultradźwiękowe ustają, ale ciśnienie utrzymuje się przez pewien czas.

Ten etap umożliwia ochłodzenie i zestalenie złącza spoiny pod ciśnieniem, zapewniając stabilną strukturę złącza spawanego i tworząc gęstą, mocną spoinę.

 

Główne elementy systemu

Typowa ultradźwiękowa zgrzewarka do metalu składa się z:

1.Generator ultradźwiękowy: „mózg” systemu, dostarczający i kontrolujący energię elektryczną o wysokiej częstotliwości.

2. Elementy akustyczne (system konwersji energii):

a) Przetwornik: Energia elektryczna → energia drgań mechanicznych.

b)Wzmacniacz: wzmacnia amplitudę wibracji.

c)Głowica spawalnicza: Bezpośrednio przekazuje energię ultradźwiękową na obrabiany przedmiot. Jego kształt jest specjalnie zaprojektowany w zależności od produktu.

3.Pneumatyczny system zwiększania ciśnienia: Zapewnia i kontroluje ciśnienie wymagane do spawania.

4. Rama i obudowa: Obsługuje cały system i zapewnia ochronę bezpieczeństwa.

5.Dedykowane formy spawalnicze (forma górna i dolna): służą do mocowania i pozycjonowania wiązki przewodów, zapewniając efektywny transfer energii.

Kluczowe parametry procesu

Jakość spawania zależy od następujących kluczowych parametrów:

1. Moc/energia spawania: Całkowita energia wytworzona podczas procesu spawania. Nowoczesne spawarki często korzystają z „trybu energetycznego” do sterowania, aby zapewnić spójność.

2.Nacisk spawania: Siła zaciskania przyłożona do wiązki przewodów.

3. Czas spawania: czas trwania wibracji ultradźwiękowych.

4.Amplituda: Amplituda drgań powierzchni czołowej głowicy spawalniczej. Różne materiały i średnice drutu wymagają różnych amplitud.

5. Pozycja/głębokość wyzwalacza: Punkt, w którym wyzwalane są fale ultradźwiękowe, gdy głowica spawalnicza opada do zadanej pozycji.

Kluczowe zalety

W porównaniu do tradycyjnego spawania (takiego jak lutowanie cyną), ultradźwiękowe spawanie metali ma znaczące zalety:

1. Nie wymaga lutowania ani topnika:

a) Oszczędzanie odlewów i unikanie zanieczyszczeń metalami ciężkimi z lutowia (takimi jak cyna).

b)Nb) ryzyko b)f korozji na złączu lutowanym i lepszej przewodności (połączenie z czystego metalu).

2. Połączenie niskotemperaturowe: Ogólna temperatura przedmiotu obrabianego jest znacznie niższa od temperatury topnienia, co zapobiega wyżarzaniu i nie wpływa na właściwości materiału podstawowego.

a) Bardzo bezpieczny do spawania wokół elementów wrażliwych na ciepło.

3.Energooszczędny i przyjazny dla środowiska:

a) Energia jest dostarczana tylko do niewielkiej powierzchni spawania, co skutkuje wyjątkowo niskim zużyciem energii.

b)Nb) smb)ke lub emisji spalin, dzięki czemu jest przyjazny dla środowiska.

4. Wysoka prędkość spawania: Zwykle złącze spawane jest gotowe w ciągu 0,1–0,5 sekundy, co zapewnia wyjątkowo wysoką wydajność i przydatność do zautomatyzowanej produkcji masowej.

5. Wysoka wytrzymałość spoiny i niska rezystancja: Tworzy połączenie metalurgiczne o wytrzymałości mechanicznej i przewodności lepszej niż połączenia stopionym lutem.

6. Wysoka spójność: Precyzyjna kontrola parametrów zapewnia stabilną i niezawodną jakość spoiny.

7. Spawalne metale różne: Możliwość spawania różnych kombinacji materiałów, które są trudne do połączenia za pomocą zgrzewania, takich jak miedź - aluminium i miedź - nikiel.

Obszary zastosowań

1. Przemysł motoryzacyjny (największy obszar zastosowań):

①Moduły akumulatorów zasilających: połączenia szyn zbiorczych między ogniwami, połączenia między zaczepami i wiązkami przewodów.

②Wiązki przewodów: Zagniatanie i spawanie przewodów wewnętrznych w skrzynkach bezpieczników, przekaźnikach, złączach itp.

2.Elektronika i urządzenia:

①Akumulatory litowe: Spawanie zakładek i drutów do akumulatorów cylindrycznych, takich jak 18650.

②Silniki: Spawanie drutów prowadzących z cewek uzwojenia.

③Przekaźniki i transformatory: Wewnętrzne połączenia cewek.

④Fotowoltaika słoneczna: połączenia szyn zbiorczych dla paneli słonecznych.

⑤Sprzęt AGD i elektronika użytkowa: Połączenia różnych wewnętrznych wiązek przewodów.

 Ograniczenia

1.Ograniczona grubość przedmiotu obrabianego: obecnie używana głównie do spawania cienkich blach, cienkich drutów i folii. Średnica pojedynczego drutu wynosi zazwyczaj nie więcej niż 25 mm², a całkowita grubość wielu warstw jest ograniczona.

2. Wysoki koszt form: Głowice spawalnicze i formy podstawowe wymagają precyzyjnego projektowania i produkcji dla określonych produktów, co skutkuje wysokimi kosztami i brakiem wszechstronności.

3. Wysokie wymagania dotyczące przygotowania przedmiotu obrabianego: Miejsce spawania należy utrzymywać w czystości; poważne zanieczyszczenie lub utlenienie oleju może mieć wpływ na jakość spoiny.

4. Czasami mogą pozostać ślady spawów: Na powierzchni stykającej się z głowicą spawalniczą mogą pojawić się niewielkie wgniecenia.

Podsumowując, ultradźwiękowe spawanie wiązek przewodów metalowych to szybka, czysta, niezawodna i wydajna „zielona” technologia połączeń. Wraz z szybkim rozwojem nowych pojazdów energetycznych, magazynów energii i przemysłu elektronicznego nabiera ona coraz większego znaczenia, stając się nieodzowną częścią nowoczesnej produkcji precyzyjnej.