Zastosowanie technologii ultradźwiękowej w spawaniu wiązek przewodów
W procesie produkcji wiązek przewodów samochodowych do zgrzewania połączeń przewodów wymagających klejenia powszechnie stosuje się zgrzewarki ultradźwiękowe. Spawanie ultradźwiękowe przenosi wibracje mechaniczne bezpośrednio na wiązkę przewodów, która ma być zaciśnięta przez głowicę spawalniczą. Zastosowanie zgrzewania ultradźwiękowego w przemyśle wiązek przewodów jest już powszechne i stale rośnie.
Pochodzenie ultradźwiękowego spawania metali
Ultradźwiękowe spawanie metali zostało odkryte przypadkowo w latach trzydziestych XIX wieku. W tym czasie podczas eksperymentów z prądowymi elektrodami do zgrzewania punktowego i wibracjami ultradźwiękowymi odkryto, że spawanie można wykonywać bez prądu, rozwijając w ten sposób technologię ultradźwiękowego zgrzewania zimnych metali. Chociaż zgrzewanie ultradźwiękowe zostało odkryte stosunkowo wcześnie, mechanizm jego działania nadal nie jest w pełni poznany. Jest to podobne do zgrzewania tarciowego, ale są różnice. Zgrzewanie ultradźwiękowe trwa bardzo krótko, a temperatura jest poniżej rekrystalizacji; różni się od zgrzewania ciśnieniowego tym, że przyłożony nacisk statyczny jest znacznie mniejszy.
Powszechnie uważa się, że w początkowej fazie zgrzewania ultradźwiękowego drgania styczne usuwają tlenki z powierzchni metalu oraz wielokrotnie powodują mikrozgrzewanie i rozbijanie chropowatych powierzchni, zwiększając powierzchnię styku i podnosząc temperaturę strefy zgrzeiny, co skutkuje odkształceniami plastycznymi na styku elementów obrabianych. Pod naciskiem kontaktowym, gdy elementy zbliżają się do siebie na odległość, na której może wystąpić przyciąganie atomowe, powstaje punkt spawania. Nadmierny czas spawania lub nadmierna amplituda ultradźwiękowa może zmniejszyć wytrzymałość spoiny, a nawet spowodować uszkodzenie.
Zasada ultradźwiękowego spawania metali: Ultradźwiękowe spawanie metali wykorzystuje fale wibracyjne o wysokiej częstotliwości dziesiątki tysięcy razy na sekundę, przenoszone na powierzchnie dwóch metalowych przedmiotów, które mają być spawane. Przyłożenie nacisku powoduje, że powierzchnie metalu ocierają się o siebie, tworząc stopienie pomiędzy warstwami molekularnymi, osiągając w ten sposób cel spawania. Jego zalety obejmują szybkość, oszczędność energii, wysoką wytrzymałość na stapianie, dobrą przewodność, brak iskier i obróbkę prawie na zimno; jego wady obejmują niemożność spawania bardzo grubych części metalowych (zwykle mniejszych lub równych 5 mm), brak możliwości uzyskania dużego punktu spawania i konieczność stosowania ciśnienia.
Głowica zgrzewająca ultradźwiękowa wiązki przewodów samochodowych składa się głównie z czterech części: głowicy spawalniczej, bloku łączącego kowadła, górnego bloku kowadła i modułu polimeryzacyjnego. Podczas spawania druty są ustawione pionowo i mocno dociśnięte do bloku łączącego kowadła. Po naciśnięciu przełącznika nożnego moduł agregujący przesuwa się w kierunku górnej części bloku kowadełka, natomiast blok łączący kowadełka i górna część kowadła przesuwają się razem w dół, mocno dociskając wiązkę przewodów samochodowych do obszaru spawania. Głowica spawalnicza wibruje, przekazując energię drutom miedzianym, spawając w ten sposób wiązkę przewodów.
Podczas spawania wibruje tylko głowica spawalnicza; pozostałe głowice narzędziowe pozostają nieruchome. Po zespawaniu moduł agregacyjny i górna część kowadełka cofają się, natomiast blok łączący kowadełka podnosi się, umożliwiając demontaż wiązki przewodów. Ponieważ głowica spawalnicza wibruje, podczas gdy pozostałe głowice narzędzi pozostają nieruchome, aby zapobiec spawaniu pomiędzy głowicami narzędzi a głowicą spawalniczą i uszkodzeniu spawarki, pomiędzy górną powierzchnią głowicy spawającej a masą modułu agregującego oraz pomiędzy bokiem górnej części bloku kowadełka a bokiem bloku łączącego kowadełka utrzymywana jest szczelina wynosząca 0,025 mm. Zapobiega to kontaktowi głowicy spawalniczej z innymi głowicami narzędzi. Szczeliny te muszą być również wolne od złomu miedzi i innych zanieczyszczeń; w przeciwnym razie spawanie spowoduje erozję powierzchni roboczej głowicy narzędzia, co może spowodować uszkodzenie płytki drukowanej. Ponieważ głowica spawalnicza generuje wibracje ultradźwiękowe, ich energia jest przenoszona z głowicy spawalniczej na górę kowadła. Dlatego im bliżej głowicy spawalniczej, tym większa jest energia, która jest przekazywana z góry na dół. Dlatego przy układaniu drutów grubszy drut należy ułożyć na dole, blisko powierzchni głowicy spawalniczej, a cieńsze druty ułożyć pionowo do góry. Dzięki temu grubszy drut może otrzymać większą energię, co zapobiega nadmiernemu lub niedostatecznemu spawaniu. Pionowy układ zapobiega również spawaniu bocznym, zapewniając jakość spoiny.
Zalety i wady ultradźwiękowego spawania metali
Zalety:
1. Ultradźwiękowe spawanie metali charakteryzuje się niskim ciśnieniem i niskim zużyciem energii i umożliwia spawanie różnych materiałów metalowych. W oparciu o te cechy można szybko formować części metalowe, kompleksowo wykorzystując technologię ultradźwiękowego spawania metali i technologię frezowania CNC. Komponenty funkcjonalne można osadzać podczas procesu formowania, aby stworzyć inteligentne materiały kompozytowe na bazie metalu itp.
2. Zgrzewarki ultradźwiękowe do metali mogą wykonywać zgrzewanie punktowe i spawanie ciągłe. Charakteryzują się dużą prędkością spawania. Jeśli chodzi o zakres zastosowań, można dobrze spawać nawet materiały o znacznie odmiennych właściwościach fizycznych; może spawać także folie metalowe, cienkie druty, drobne urządzenia i wielowarstwowe blachy o różnej grubości, które są trudne do zespawania innymi metodami.
3. Ultradźwiękowe spawanie metali zapewnia spoiny o wysokiej wytrzymałości, doskonałej stabilności i wysokiej odporności na zmęczenie.
4. Proces spawania nie wymaga chłodzenia wodą ani osłony gazowej, co powoduje minimalne odkształcenie spawanego przedmiotu. Po spawaniu nie jest wymagana żadna obróbka cieplna, taka jak wyżarzanie. Sam proces ultradźwiękowego spawania metali oczyszcza i rozbija warstwę tlenku na powierzchni konstrukcji spawanej. Powierzchnia spoiny jest czysta i estetyczna, co eliminuje potrzebę czyszczenia po spawaniu, jak w przypadku innych metod spawania.
5. W ultradźwiękowym spawaniu metali nie stosuje się prętów spawalniczych. Obszar spawania nie jest zasilany energią, a spawany metal nie jest bezpośrednio podgrzewany. W porównaniu do spawania łukowego w osłonie metalu i spawania gazowego, ultradźwiękowe spawarki tworzyw sztucznych w Suzhou zużywają znacznie mniej energii podczas spawania tego samego przedmiotu.
6. Ponieważ nie jest wymagany topnik, nie zanieczyszcza on przedmiotu obrabianego i nie wytwarza żużla, ścieków, szkodliwych gazów ani innych zanieczyszczeń, co czyni go metodą spawania energooszczędną i przyjazną dla środowiska.
7. Ponieważ generator ultradźwiękowy wykorzystuje obwody elektroniczne mocy, łatwo jest wdrożyć sterowanie elektryczne i można go dobrze zintegrować z komputerami w celu sterowania spawaniem, uzyskując wysoką precyzję spawania oraz ułatwiając informatyzację i automatyzację procesu spawania.
Wady:
1. Chociaż spawanie ultradźwiękowe materiałów metalowych pozwala uzyskać doskonałe wyniki spawania, stabilność, funkcjonalność i niezawodność całego systemu — łączącego generator ultradźwiękowy i system akustyczny z systemem mechanicznym — nadal stwarzają problemy. Dlatego też projekt układu akustycznego (przetwornik, przekładnik amplitudowy, elementy łączące) oraz sposób połączenia układu akustycznego z próbką są kwestiami kluczowymi.
2. Niewystarczające zrozumienie mechanizmu ultradźwiękowego spawania metali. To, czy ultradźwiękowe spawanie metali nie obejmuje topienia metalu, czy jest jedynie metodą spawania w stanie stałym, czy też procesem „łączenia” metali, wymaga dalszych badań.
3. Na parametry procesu ultradźwiękowego zgrzewania metali wpływa wiele czynników, co utrudnia podsumowanie.
4. Ponieważ wymagana moc spawania rośnie wykładniczo wraz z grubością i twardością przedmiotu obrabianego, a produkcja zgrzewarek ultradźwiękowych dużej mocy jest trudna i kosztowna, dalszy wzrost mocy spawania nie tylko spowoduje szereg nierozwiązywalnych problemów w projektowaniu i wytwarzaniu systemu akustycznego, ale może również nie pozwolić na osiągnięcie pożądanych wyników procesu. Dlatego obecnie ogranicza się ona do spawania cienkich części, takich jak druty, folie i blachy.
5. Zgrzewarki ultradźwiękowe mają stosunkowo słabą „otwartość”, a wymiar wprowadzania przedmiotu obrabianego nie może przekraczać zakresu dozwolonego przez system zgrzewania. Obecnie typ złącza ogranicza się do połączeń zakładkowych.
6. Powierzchnia spoiny jest podatna na drgania mechaniczne o wysokiej częstotliwości, które mogą powodować uszkodzenia zmęczeniowe na krawędziach, przez co nie nadaje się do spawania materiałów twardych i kruchych.
