Συγκόλληση με υπερήχους

Η συγκόλληση με υπερήχους χρησιμοποιεί ακουστικούς κραδασμούς υπερήχων υψηλής συχνότητας που εφαρμόζονται σε ενωμένα μέρη που συναρμολογούνται μεταξύ τους υπό χαμηλή πίεση. Αυτή η μέθοδος συγκόλλησης χρησιμοποιείται συχνότερα για τη σύνδεση θερμοπλαστικών και όταν η βίδα, η συγκόλληση ή η κόλληση δεν είναι κατάλληλη.

Αν και η συγκόλληση με υπερήχους αναπτύχθηκε ήδη από τη δεκαετία του 1940, χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά βιομηχανικά στις αρχές της δεκαετίας του 1960 για τη συγκόλληση λεπτών καλωδίων στη βιομηχανία ηλεκτρονικών. Το 1963, η συγκόλληση με υπερήχους άρχισε να χρησιμοποιείται για τη συγκόλληση πολυαιθυλενίου. Έκτοτε, η συγκόλληση με υπερήχους έχει χρησιμοποιηθεί για τη συγκόλληση αλουμινίου και λεπτής λαμαρίνας στην αυτοκινητοβιομηχανία (μονάδες ανάφλεξης, σύρματα ακροδεκτών, σύρματα).

Η αργή διαδικασία αναγνώρισης των πλεονεκτημάτων της συγκόλλησης με υπερήχους στη βιομηχανία οφείλεται στην έλλειψη ισχυρού εξοπλισμού υπερήχων που μπορεί να εγγυηθεί σταθερή ποιότητα συγκόλλησης ακόμη και για μεγάλα εξαρτήματα.Ως αποτέλεσμα, η έρευνα στις δεκαετίες του 1980 και του 1990 επικεντρώθηκε κυρίως στην ανάπτυξη εξοπλισμού υπερήχων.

Αν και η συγκόλληση με υπερήχους χρησιμοποιεί κραδασμούς, αυτή η μέθοδος είναι διαφορετική από τη «συγκόλληση με δόνηση», γνωστή και ως συγκόλληση με τριβή. Στην περίπτωση συγκόλλησης με δόνηση, ένα από τα προς σύνδεση μέρη συγκρατείται στη θέση του και το άλλο ταλαντώνεται (με ηλεκτρομαγνητική ή υδραυλική κίνηση).

Η συγκόλληση με υπερήχους συγκρατεί τα δύο μέρη στη θέση τους και χρησιμοποιεί ηχητικά κύματα υψηλής συχνότητας για να δημιουργήσει τριβή. Η ακουστική ενέργεια δημιουργεί τριβή και παράγει θερμότητα που έχει ως αποτέλεσμα τη συγκόλληση εξαρτημάτων σε λιγότερο από ένα δευτερόλεπτο, καθιστώντας τη συγκόλληση με υπερήχους μία από τις ταχύτερες σε χρήση σήμερα.

Η διαδικασία της συγκόλλησης με υπερήχους είναι πλήρως αυτοματοποιημένη και πραγματοποιείται σε ειδικές εγκαταστάσεις. Η αρχή της συγκόλλησης με υπερήχους φαίνεται στο σχ. 1, και η σύνθεση μιας τυπικής εγκατάστασης φαίνεται στο σχ. 2.

Ρύζι. 1. Αρχή της συγκόλλησης με υπερήχους: α — ευθυγράμμιση εξαρτημάτων, β — επαφή εξαρτημάτων με το άκρο, γ — εφαρμογή πίεσης, δ — συγκόλληση, ε — συγκράτηση, στ — ανύψωση του άκρου

Ρύζι. 2. Διάγραμμα συναρμολόγησης για ηχητική συγκόλληση

Η γεννήτρια (σε ξεχωριστή μονάδα) χρησιμοποιείται για τη μετατροπή ηλεκτρικών δονήσεων από το δίκτυο σε υψηλής συχνότητας (20 ... 60 kHz), ο μορφοτροπέας, χρησιμοποιώντας πιεζοηλεκτρικά στοιχεία, μετατρέπει τους ηλεκτρικούς κραδασμούς σε ακουστικούς. Ο ενισχυτής και το sonotrode είναι στοιχεία παθητικού συντονισμού της εγκατάστασης που χρησιμεύουν για τη μεταφορά κραδασμών από τον μορφοτροπέα στα μέρη.

Συνήθως, οι μηχανές συγκόλλησης υπερήχων είναι εξοπλισμένες με ένα σύνολο ενισχυτών με διαφορετικούς λόγους μετασχηματισμού μετατόπισης.Το σχήμα του sonotrode καθορίζεται από την απαιτούμενη διαμόρφωση συγκόλλησης. Διαμήκεις ακτινικές, ακμές και άλλες κυματικές ταλαντώσεις δημιουργούνται ανάλογα με το σχήμα του sonotrode. Κάθε ραφή απαιτεί το δικό της sonotrode.

Η φυσική ουσία της διαδικασίας συνίσταται στην εμφάνιση πολύ ισχυρών δονήσεων μικρού πλάτους στην επαφή δύο μερών. Η δόνηση σε συνδυασμό με την πίεση απομακρύνει ακαθαρσίες και οξείδια από την επιφάνεια των εξαρτημάτων. Τα ηλεκτρόνια αρχίζουν να ρέουν μεταξύ των μερών, σχηματίζοντας μια μεταλλουργική ραφή.

Η συγκόλληση με υπερήχους είναι ιδανική για την πραγματοποίηση ηλεκτρικών συνδέσεων, τη συγκόλληση αλουμινίου και χαλκού, τη στεγανοποίηση των άκρων των χάλκινων σωλήνων, τη συγκόλληση πλαστικών, την ενσωμάτωση μεταλλικών μερών σε πλαστικά.

Ρύζι. 3. Αρμοί που γίνονται με συγκόλληση με υπερήχους

Η συγκόλληση πλαστικών με υπερήχους επιτρέπει πιο αξιόπιστες αρθρώσεις από άλλες μεθόδους. Σε αυτή την περίπτωση, η συγκόλληση πλαστικών με υπερήχους είναι θεμελιωδώς διαφορετική από τη συγκόλληση μετάλλων.

Πρώτον, η συγκόλληση μετάλλων με υπερήχους λαμβάνει χώρα μέσω εγκάρσιων δονήσεων παράλληλων προς τις συγκολλημένες επιφάνειες. Η συγκόλληση πλαστικών με υπερήχους χρησιμοποιεί διαμήκεις κραδασμούς που είναι κανονικοί (δηλαδή σε ορθή γωνία) στις επιφάνειες που συγκολλούνται. Το σχήμα των sonotrodes, που μεταδίδουν κραδασμούς υπερήχων σε μεταλλικές και πλαστικές ραφές, είναι επίσης εντελώς διαφορετικό.

Δεύτερον, κατά τη συγκόλληση μετάλλων, δημιουργείται μια ραφή από την αλληλεπίδραση τριβής των επιφανειών, η οποία δημιουργεί μια άκαμπτη σύνδεση χωρίς να λιώνει το υλικό.Η συγκόλληση πλαστικών εξαρτημάτων με υπερήχους βασίζεται στην τήξη του υλικού με τον ίδιο τρόπο όπως πολλές άλλες παραδοσιακές μέθοδοι συγκόλλησης, όπως η συγκόλληση με τόξο, η αντίσταση ή η συγκόλληση με λέιζερ), αλλά σε πολύ χαμηλότερα εύρη θερμοκρασιών.

Ρύζι. 4. Εξοπλισμός συγκόλλησης με υπερήχους

Τα πλεονεκτήματα της συγκόλλησης με υπερήχους:

1. Δεν απαιτείται ειδικός καθαρισμός επιφάνειας.

2. Δεν απαιτείται προστατευτική ατμόσφαιρα.

3. Δεν απαιτούνται αναλώσιμα συγκόλλησης (σύρμα, ηλεκτρόδια, συγκόλληση κ.λπ.).

4. Χαμηλή κατανάλωση ενέργειας.

5. Σύντομος χρόνος ματίσματος για σχηματισμό αρμού (περίπου ένα τέταρτο του δευτερολέπτου).

6. Πλήρης αυτοματοποίηση της διαδικασίας συγκόλλησης και δυνατότητα εύκολης ολοκλήρωσης με άλλες διαδικασίες παραγωγής.

7. Δυνατότητα συγκόλλησης υλικών διαφορετικής φύσης, συμπεριλαμβανομένων αυτών που είναι ευαίσθητα σε υψηλές θερμοκρασίες, αφού κατά τη συγκόλληση παράγεται μικρή ποσότητα θερμότητας.

8. Συγκόλληση κάθε είδους λεπτομερειών.

9. Οι συγκολλήσεις που δημιουργούνται από αυτή τη διαδικασία είναι οπτικά ευχάριστες, προσεγμένες.

10. Η συγκόλληση με υπερήχους δεν χρησιμοποιεί διαβρωτικά χημικά και παράγει μικρή ποσότητα αναθυμιάσεων, σε αντίθεση με άλλες μεθόδους.

Περιορισμοί συγκόλλησης με υπερήχους:

1. Ο πιο σοβαρός περιορισμός στη χρήση της συγκόλλησης με υπερήχους είναι το μέγεθος των συγκολλημένων εξαρτημάτων — όχι περισσότερο από 250 mm. Αυτό οφείλεται στους περιορισμούς στην ισχύ εξόδου του μορφοτροπέα, στην αδυναμία του sonotrode να μεταδώσει υπερηχητικά κύματα πολύ υψηλής ισχύος και στη δυσκολία στον έλεγχο του πλάτους.

2. Η συγκόλληση με υπερήχους απαιτεί επίσης χαμηλότερη περιεκτικότητα σε υγρασία στα υλικά που ενώνονται.Διαφορετικά, προτιμάται η συγκόλληση με δόνηση.

3. Η συγκόλληση με υπερήχους δεν είναι αποτελεσματική για την ένωση υλικών με παχύ τοίχωμα. Τουλάχιστον ένα από τα μέρη που πρόκειται να συνδεθούν πρέπει να είναι ελαφρύ, καθώς «απορροφά» τεράστια ποσότητα ενέργειας.