Ultrazvukové zváranie
Ultrazvukové zváranie využíva vysokofrekvenčné ultrazvukové akustické vibrácie, ktoré sa aplikujú na spájané diely, ktoré sú navzájom spojené pod nízkym tlakom. Tento spôsob zvárania sa najčastejšie používa na spájanie termoplastov a tam, kde nie je vhodné skrutkovanie, spájkovanie alebo lepenie.
Hoci ultrazvukové zváranie bolo vyvinuté už v štyridsiatych rokoch minulého storočia, priemyselne sa začalo používať začiatkom šesťdesiatych rokov minulého storočia na zváranie jemných drôtov v elektronickom priemysle. V roku 1963 sa na lepenie polyetylénu začalo používať ultrazvukové zváranie. Odvtedy sa ultrazvukové zváranie používa na zváranie hliníka a tenkých plechov v automobilovom priemysle (zapaľovacie moduly, svorkové vodiče, vodiče).
Pomalý proces rozpoznávania výhod ultrazvukového zvárania v priemysle je spôsobený nedostatkom výkonného ultrazvukového zariadenia, ktoré dokáže zaručiť konzistentnú kvalitu zvárania aj pre veľké diely.V dôsledku toho bol výskum v 80. a 90. rokoch 20. storočia zameraný najmä na vývoj ultrazvukových zariadení.
Aj keď ultrazvukové zváranie využíva vibrácie, táto metóda sa líši od „vibračného zvárania“, známeho aj ako zváranie trením. Pri vibračnom zváraní je jedna zo spájaných častí držaná na mieste a druhá osciluje (pomocou elektromagnetického alebo hydraulického pohonu).
Ultrazvukové zváranie drží dve časti na mieste a využíva vysokofrekvenčné zvukové vlny na vytvorenie trenia. Akustická energia vytvára trenie a vytvára teplo, čo vedie k tomu, že diely sú zvarené za menej ako sekundu, vďaka čomu je ultrazvukové zváranie jedným z najrýchlejšie používaných v súčasnosti.
Proces ultrazvukového zvárania je plne automatizovaný a vykonáva sa na špeciálnych zariadeniach. Princíp zvárania ultrazvukom je znázornený na obr. 1 a zloženie typickej inštalácie je znázornené na obr. 2.
Ryža. 1. Princíp ultrazvukového zvárania: a — vyrovnávanie dielov, b — kontakt dielov s hrotom, c — pôsobenie tlaku, d — zváranie, e — držanie, f — zdvíhanie hrotu
Ryža. 2. Montážna schéma pre ultrazvukové zváranie
Generátor (v samostatnej jednotke) slúži na premenu elektrických vibrácií zo siete na vysokofrekvenčné (20 ... 60 kHz), menič pomocou piezoelektrických prvkov premieňa elektrické vibrácie na akustické. Zosilňovač a sonotróda sú pasívne rezonančné prvky inštalácie, ktoré slúžia na prenos vibrácií z meniča na diely.
Ultrazvukové zváracie stroje sú zvyčajne vybavené sadou zosilňovačov s rôznymi pomermi transformácie posunu.Tvar sonotródy je určený požadovanou konfiguráciou zvaru. Pozdĺžne radiálne, okrajové a iné vlnové kmity sa vytvárajú v závislosti od tvaru sonotródy. Každý šev si vyžaduje vlastnú sonotródu.
Fyzikálna podstata procesu spočíva vo výskyte veľmi silných vibrácií malej amplitúdy pri kontakte dvoch častí. Vibrácia spojená s tlakom odstraňuje nečistoty a oxidy z povrchu dielov. Elektróny začnú prúdiť medzi časťami a vytvárajú metalurgický šev.
Ultrazvukové zváranie je ideálne na vytváranie elektrických spojov, zváranie hliníka a medi, utesňovanie koncov medených rúr, zváranie plastov, zalievanie kovových častí do plastov.
Ryža. 3. Spoje vyrobené ultrazvukovým zváraním
Ultrazvukové zváranie plastov umožňuje spoľahlivejšie spoje ako iné metódy. V tomto prípade sa ultrazvukové zváranie plastov zásadne líši od zvárania kovov.
Najprv dochádza k ultrazvukovému zváraniu kovov pomocou priečnych vibrácií rovnobežných so zváranými plochami. Ultrazvukové zváranie plastov využíva pozdĺžne vibrácie, ktoré sú normálne (tj v pravom uhle) k zváraným povrchom. Úplne odlišný je aj tvar sonotród, ktoré prenášajú ultrazvukové vibrácie na kovové a plastové švy.
Po druhé, pri zváraní kovov sa trecou interakciou povrchov vytvorí šev, ktorý vytvorí tuhé spojenie bez roztavenia materiálu.Ultrazvukové zváranie plastových dielov je založené na tavení materiálu rovnakým spôsobom ako mnohé iné tradičné metódy zvárania, ako je oblúkové zváranie, odporové alebo laserové zváranie), avšak v oveľa nižších teplotných rozsahoch.
Ryža. 4. Ultrazvukové zváracie zariadenia
Výhody ultrazvukového zvárania:
1. Nevyžaduje sa žiadne špeciálne čistenie povrchu.
2. Nevyžaduje sa žiadna ochranná atmosféra.
3. Nevyžaduje sa žiadny zvárací materiál (drôt, elektródy, spájka atď.).
4. Nízka spotreba energie.
5. Krátky čas spájania na vytvorenie spoja (asi štvrť sekundy).
6. Plná automatizácia procesu zvárania a možnosť ľahkej integrácie s inými výrobnými procesmi.
7. Možnosť zvárania materiálov rôzneho charakteru, vrátane tých, ktoré sú citlivé na vysoké teploty, keďže pri zváraní vzniká malé množstvo tepla.
8. Zváranie všetkých druhov detailov.
9. Zvary vytvorené týmto procesom sú vizuálne príjemné, úhľadné.
10. Pri ultrazvukovom zváraní sa na rozdiel od iných metód nepoužívajú korozívne chemikálie a vzniká pri ňom malé množstvo výparov.
Obmedzenia ultrazvukového zvárania:
1. Najzávažnejším obmedzením pri použití ultrazvukového zvárania je veľkosť zváraných častí — nie viac ako 250 mm. Je to spôsobené obmedzeniami výstupného výkonu prevodníka, neschopnosťou sonotródy prenášať ultrazvukové vlny s veľmi vysokým výkonom a ťažkosťami pri riadení amplitúdy.
2. Ultrazvukové zváranie tiež vyžaduje nižší obsah vlhkosti v spájaných materiáloch.V opačnom prípade sa uprednostňuje vibračné zváranie.
3. Ultrazvukové zváranie nie je efektívne na spájanie hrubostenných materiálov. Aspoň jedna z častí, ktoré sa majú spojiť, musí byť ľahká, pretože «absorbuje» obrovské množstvo energie.