CZ32662U1 - Nástroj pro ultrazvukové svařování elektricky vodivých i nevodivých materiálů - Google Patents

Nástroj pro ultrazvukové svařování elektricky vodivých i nevodivých materiálů Download PDF

Info

Publication number
CZ32662U1
CZ32662U1 CZ2019-35845U CZ201935845U CZ32662U1 CZ 32662 U1 CZ32662 U1 CZ 32662U1 CZ 201935845 U CZ201935845 U CZ 201935845U CZ 32662 U1 CZ32662 U1 CZ 32662U1
Authority
CZ
Czechia
Prior art keywords
tool
ultrasonic welding
forging
blank
electrically conductive
Prior art date
Application number
CZ2019-35845U
Other languages
English (en)
Inventor
Soňa Benešová
Antonín Kříž
Miloslav Kesl
Jan Schweitzer
Original Assignee
Pilsen Tools S.R.O.
Západočeská Univerzita V Plzni
Zero systems s.r.o.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Pilsen Tools S.R.O., Západočeská Univerzita V Plzni, Zero systems s.r.o. filed Critical Pilsen Tools S.R.O.
Priority to CZ2019-35845U priority Critical patent/CZ32662U1/cs
Publication of CZ32662U1 publication Critical patent/CZ32662U1/cs

Links

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C65/00Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor
    • B29C65/02Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor by heating, with or without pressure
    • B29C65/08Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor by heating, with or without pressure using ultrasonic vibrations
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/10Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating making use of vibrations, e.g. ultrasonic welding
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/02Iron or ferrous alloys
    • B23K2103/04Steel or steel alloys

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)

Description

Oblast techniky
Technické řešení se týká nástroje pro ultrazvukové svařování elektricky vodivých i nevodivých materiálů neboli sonotrody.
Dosavadní stav techniky
Ultrazvukové svařování je spojovací proces používaný přibližně od 70-tých let minulého století, při kterém dochází např. ke spojování plastů za pomoci mechanických vibrací při frekvencích nad prahem slyšitelnosti. Rozsah vibrací se pohybuje tedy přibližně mezi 20 kHz až 1 GHz (dříve i výrazně nižší). Vibrace jsou často generovány pomocí piezoelektrických měničů elektrické energie nebo i jiných zdrojů měnících elektrickou energii na vibrace. Energie vibrací je následně aplikována na materiál pomocí sonotrody s hrotem, který se často nazývá těsnící plocha, která je v přímém kontaktu se svařovaným materiálem. Svařovaný materiál prochází pod tlakem mezi sonotrodou a pevným dílcem zvaným mini kovadlinka, přičemž sonotroda vibruje. Vibrace způsobují tření a přeměnu vibrační energie na třecí. To způsobuje ohřev materiálu a jeho plastifikaci na bázi molekulárního tření.
Sonotroda slouží k přenášení a zesilování amplitudy kmitů ultrazvuku. Aby ultrazvukové svařování bylo optimální, musí generátor vibrací a sonotroda tzv. ladit, tzn. že sonotroda musí mít obvykle celou délku nebo polovinu vlnové délky ultrazvukové vlny nebo jejich násobku. To způsobí stojaté vlnění v sonotrodě, kdy na hrotu nástroje je kmitná této vlny.
Vibrace kombinované s třením způsobují nechtěnou abrazi, tedy otěr sonotrody a úbytek její velikosti během provozu. Proto je nutné, aby sonotroda byla vyrobena z pevného, otěruvzdomého a zároveň houževnatého materiálu dobře přenášejícího vibrace a odolávajícího abrazi. Není ani neobvyklé materiály kombinovat, kdy vlastní sonotroda je z jiného materiálu, než její hrot nebo má sonotroda jiné vnitřní jádro apod. Sonotrodu nebo její hrot lze obecně vytvořit z jakéhokoli materiálu s vhodnými akustickými a mechanickými vlastnostmi. Prakticky ale nej vhodnějšími jsou kovy jako hliník, slitiny Invar, monel, titan a některé legované oceli. Pokud je to žádoucí, může být hrot potažen nebo pokoven jiným kovem, aby se snížilo opotřebení. Pro aplikace vyžadující vysokou amplitudu a vyšší stres je preferován titan. Více např. v dokumentech EP 2456591, EP 2442964, EP 2090187, EP 2591864, EP 2459268 ad.
Materiály jako hliník a titan mají vysokou rychlost šíření vln, vysokou tahovou pružnost a nízkou hustotu. To je sice ideální pro přenos vibrační energie, ale naopak je u těchto slitin malá odolnost na vibrační otěr a hrot těchto nástrojů je tedy málo odolný. Mnohem výhodnější se jeví použití vysoce legovaných ocelí. Tyto oceli vyrobené klasickou metalurgickou metodou obsahují velké ostrohranné karbidy různých typů, jako M3C, M23C6, MďC, M7C3, M2C, MC, z nichž některé jsou vysoce stabilní i za vysokých teplot a při tepelném zpracování kalením a popouštěním nedochází k jejich zjemnění ak odstranění jejich shluků nebo efektu tvorby řádků. Tyto velké ostrohranné karbidy velikosti nad 10 pm sice zvyšují pevnost oceli, ale tato je zároveň mnohem křehčí, tedy naopak značně snižují houževnatost. Proto je vhodnější jemnější struktura karbidů, které budou rovnoměrně dispergované ve struktuře kovu. Proto se v současnosti především uplatňuje ocel vyrobená pomocí práškové metalurgie, která umožňuje obejít vznik velkých ostrých karbidových struktur (viz dokument CZ 297201 B6). Tyto materiály však mají horší přenos zvukové vlny a hůře drží její stabilitu (horší reakce na výkyvy vln, kdy může dojít až k poškození generátoru vln).
Rychlořezná ocel, jako vysoce pevný, i když málo houževnatý materiál, je známa z výroby již před druhou světovou válkou. Příklad složení tohoto materiálu najdeme v mnoha patentových
- 1 CZ 32662 Ul dokumentech, např. v CS 73424 a CS 75727 s původem datovaným již v roce 1939. V dalších letech postupoval technologický vývoj směrem k odlévání takových ocelí, které by splňovali požadavek vysoké tvrdosti a přijatelné houževnatosti nebo u nichž by se dala houževnatost vylepšit dalším tepelným nebo mechanickým zpracováním, viz CZ 30833 Ul. Jak již bylo uvedeno, hlavní vliv na pevnost, tvrdost, houževnatost a obrobitelnost rychlořezných ocelí má mimo jiné velikosti austenitických zrn před kalením. Běžně se velikost zrna pohybuje do G10, za velmi jemné zrno lze považovat hodnoty Gll a vyšší. Velikost zrna se stanovuje Lineární průsečíkovou metodou podle ČSN EN ISO 643 „Ocel - mikrografické stanovení velikosti zrn“ vycházející z metody podle Snydera-Graffa.
Stejně tak použití této oceli k odlévání nástrojů lze nalézt v mnoha dokumentech, jako např. vCS 86104. Dokument popisuje metodu odlévání rychlořezné oceli metodou, při níž dochází k zjemnění tvrdých karbidových struktur.
Je známo i mnoho aplikací, jak zlepšit vlastnosti rychlořezné oceli a to, jak v procesu vlastního tavení úpravou tavící směsi, přidáváním některých prvků v rámci licích technologií, tak následnými tvářecími nebo jinými technologiemi, jako např. tepelným zpracováním zušlechťováním. Příkladem jsou dokumenty CZ 306020 B6, CZ 30833 Ul, CZ 297762 B6, 1992-3294 A3, CZ 30932 Ul.
Použití ultrazvukové energie pro spojování a/nebo řezání termoplastických materiálů na kontinuálním základě je dobře známé, přičemž jeden z prvních odkazů je v dokumentu GB 1018971 vydaný v roce 1966. Aplikace zahrnují kontinuální spojování nebo bodovou vazbu válcovaného zboží podle dokumentu CA 1092052, ultrazvukové lepení materiálů pro vytvoření vzorku ve vícevrstvém pásu, který je následně vyříznut z rouna podle dokumentu US 3562041, utěsnění konců jednotlivých absorpčních výrobků podle dokumentu US 3677861, vzorované laminování pásů z netkané textilie, vláknité tkaniny a textilie z tkaného pláště pro výrobu matracových podložek a přehozů podle dokumentu US 3733238 a současné spojování a rozřezání dvou pásů pro vytvoření rukavic podle dokumentu US 3939033.
Mnoho aplikací ultrazvukové energie pro lepení a/nebo řezání termoplastických materiálů zahrnuje ultrazvukové sonotrody nebo nástroje, které jsou stacionární (netočivé), ve kterých směr nasazení pracovní plochy hrotu je shodný se směrem aplikovaných mechanických vibrací. Takovými hroty jsou nejčastěji stupňovité válce nebo stupňovité lopatky. Pracovní plocha hrotu se tedy pohybuje axiálně proti pevné mini kovadlince vhodného provedení, přičemž materiály, které mají být spojeny nebo řezány, jsou umístěny mezi hrot a kovadlinu.
Úkolem technického řešení je odstranit nevýhody výše popsaných řešení známých z dosavadního stavu techniky vytvořením nástroje pro ultrazvukové svařování, který je z rychlořezné oceli, ale má vysokou výslednou pevnost a houževnatost a zároveň lepší schopnost přenášet a udržovat stabilní vibrační vlnění v kombinaci s dlouhou životností tohoto nástroje.
Podstata technického řešení
Nedostatky známých řešení nástrojů pro ultrazvukové svařování z rychlořezné oceli odstraňuje vícenásobně reverzně kovaný nástroj.
Technickým řešením je nástroj pro ultrazvukové svařování elektricky vodivých i nevodivých materiálů, jehož podstata spočívá v tom, že je vyroben z reverzně prokované rychlořezné nástrojové oceli a jeho výsledná materiálová struktura má hodnotu efektivní deformace sef > 4. Stupeň prokování materiálu nástroje je Pk > 10. Modul pružnosti v tahu nástroje je mezi 270 až 290 GPa a rychlost šíření zvuku v materiálu nástroje je v rozmezí 5 600 až 6 200 m/s. Velikost kovových karbidů v materiálové struktuře nástroje je do 5 pm.
-2CZ 32662 U1
Ve výhodném provedení je velikost kovových karbidů v materiálové struktuře nástroje do 3 pm.
V jiném výhodném provedení je polotovar pro výrobu nástroje pro ultrazvukové svařování elektricky vodivých i nevodivých materiálů je z rychlořezné oceli. Tento polotovar se ková volně nebo v zápustce, a to alespoň dvakrát po sobě následujícími cykly reverzního kování při teplotě 850 °C až 1 200 °C s mezioperační prodlevou na teplotě 710 až 750 °C. Při každém reverzním kování hlavní tok materiálu probíhá postupně ve všech třech osách ortogonálního souřadnicového systému, avšak při následném reverzním kování hlavní tok materiálu probíhá v opačných směrech než při předchozím reverzním kování. Výsledný tvar polotovaru je co do poměru výšky a průřezu stejný nebo se změní nejvýše o 30 % oproti původnímu tvaru polotovaru. Konečný tvar polotovaru se upraví kováním v kalibrovaných kovadlech a následně se chladí v peci po dobu několika hodin až desítek hodin. Konečný tvar nástroje je získán obráběním kovaného polotovaru.
V dalším výhodném provedení se polotovar na výrobu nástroje pro ultrazvukové svařování ková třikrát až čtyřikrát po sobě následujícími cykly reverzního kování.
Navrhovaný použitý materiál a metoda jeho zpracování na nástroj pro ultrazvukové svařování má hlavní výhodu v tom, že reverzním kováním dochází k drcení a rozlamování karbidů na menší. Dále dochází ke kovářskému svaření poruch krystalové mřížky, ke zvýšení kovové vazby mezi matricí a ostatními fázemi, tzn. dojde ke zvýšení entropie soustavy. Karbidy zvyšují vždy tvrdost a pevnost materiálu, avšak velké ostrohranné karbidy snižují houževnatost materiálu, protože díky nim je materiál křehký. Jemné karbidy naopak houževnatost zvyšují, a tím zvyšují i životnost nástroje vyrobeného z tohoto kovaného materiálu. Reverzním kováním také dochází k přemísťování karbidů ve směru toku materiálu, což vede k potlačení lineární vláknitosti, která je typická pro běžné způsoby tváření, a vede k rozdílným anizotropním mechanickým vlastnostem v různých směrech takto vyrobeného nástroje. Potlačení vláknitosti a eliminace shluků karbidů zajišťuje homogenitu mechanických vlastností, takže nástroj z tohoto materiálu má ve všech směrech stejné vlastnosti. Přítomnost nerozpuštěných karbidů v austenitu během kování zabraňuje růstu austenitického zrna, které se opakovaným kováním s rostoucím stupněm deformace stále zjemňuje. Při ochlazení z kovacích teplot vzniká ultra jemná komplexní struktura s vysoce homogenními vlastnostmi a vysokou odolností proti opotřebení, která umožňuje navíc lepší přenos zvukových vln a jejich stálost.
Hlavní výhodou tohoto nástroje je jeho velká životnost, houževnatost a pevnost, které mají za následek vyšší rentabilitu při použití oproti jiným nástrojům stejného účelu, ale z jiného materiálu. Přenos amplitud vibrací je navíc u tohoto nástroje stabilní a stálý.
Objasnění výkresů
Technické řešení bude blíže objasněno pomocí výkresů, které znázorňují:
Obr. 1 tvar polotovaru před započetím cyklu reverzního kování,
Obr. 2 polotovar napěchovaný ve směru první osy ortogonálního souřadnicového systému,
Obr. 3 polotovar prodloužený ve směru první osy ortogonálního souřadnicového systému,
Obr. 4 polotovar prodloužený ve směru třetí osy ortogonálního souřadnicového systému,
Obr. 5 tvar výsledného nástroje,
Obr. 6 strukturu materiálu polotovaru s velkými nedostatečně rozptýlenými kovovými karbidy s vláknitou texturou
-3 CZ 32662 U1
Obr. 7 strukturu materiálu nástroje s malými rovnoměrně rozptýlenými kovovými karbidy bez vláknité textury.
Příklady uskutečnění technického řešení
Polotovar 2 pro výrobu nástroje 1 pro ultrazvukové svařování elektricky vodivých i nevodivých materiálů podle obr. 1 je z rychlořezné oceli ČSN EN 41 9830. Ve válcované struktuře materiálu polotovaru 2 jsou shluky 4 velkých karbidů 3, které způsobují vysokou tvrdost celého kovového materiálu, ale zároveň způsobují i jeho malou houževnatost projevujícím se špatným udržováním stability pracovní frekvence. Vláknitost textury 5 struktury způsobuje rozdílnost vlastností materiálu polotovaru 2 napříč a ve směru válcování. Všechny tyto vlastnosti výrazně snižují životnost nástroje 1 vyrobeného z tohoto materiálu a použitelnost této rychlořezné oceli pro výrobu nástrojů 1 pro ultrazvukové svařování elektricky vodivých i nevodivých materiálů.
Podle obr. 2, 3 a 4 se pro zlepšení materiálových vlastností vyrobený polotovar 2 ková volně nebo v zápustce, a to alespoň dvakrát po sobě následujícími cykly reverzního kování při teplotě 850 °C až 1 200 °C. Prodleva mezi kovacími operacemi probíhá za udržování teploty polotovaru 2 v rozmezí teplot 710 až 750 °C. Při každém reverzním kování podle obr. 2, 3 a 4 hlavní tok materiálu probíhá postupně ve všech třech osách ortogonálního souřadnicového systému. Při následném reverzním kování však vždy hlavní tok materiálu probíhá v opačných směrech než při předchozím reverzním kování. Výsledný tvar polotovaru 2 je co do poměru výšky a průřezu stejný nebo se změní nejvýše o 30 % oproti původnímu tvaru polotovaru 2. Konečný tvar polotovaru 2 se upraví kováním v kalibrovaných kovadlech a následně se chladí v peci po dobu několika hodin až desítek hodin. Konečný tvar nástroje 1 podle obr. 5 je získán obráběním vykovaného polotovaru 2.
Každý proces kování sebou přináší drcení a rozlamování větších kovových karbidů 3 a jejich shluků 4 a dlouhých vláknitých textur 5 kovu tvořících hlavní překážku houževnatosti použitého materiálu a kvalitního přenosu a udržení stability vibračního signálu. Proto je polotovar 2 na výrobu nástroje 1 pro ultrazvukové svařování kován formou reverzního kování třemi až čtyřmi po sobě následujícími cykly, čímž je dosaženo výsledné jemné a homogenní struktury materiálu nástroje.
Nástroj 1 pro ultrazvukové svařování elektricky vodivých i nevodivých materiálů vyrobený z polotovaru 2 z rychlořezné nástrojové oceli, která byla podrobena procesu reverzního kování má výslednou materiálovou strukturu jemnější a homogenní. Výsledná materiálová struktura má hodnotu efektivní deformace sef>4, stupeň prokování materiálu nástroje 1 je Pk> 10, modul pružnosti v tahu v jednom z možných provedení nástroje 1 je 281 GPa a rychlost šíření zvuku v materiálu nástroje 1 je v axiálním směru 5 922 m/s a v radiálním směru 6 194 m/s. Textura 5 materiálu nástroje 1 je méně vláknitá a velikost kovových karbidů 3 je většinou do 3 pm, kdy kovové karbidy 3 o velikosti nad 5 pm se téměř nevyskytují.
Mezi jednotlivými procesy reverzního kování je polotovar 2 zformován zpět do původního tvaru polotovaru 2, kterým může být např. válec podle obr. 1, n-stěn apod.
Průmyslová využitelnost
Technické řešení lze využít v průmyslové výrobě pro ultrazvukové svařování, kdy je na sonotrodu kladen požadavek na vysokou pevnost a houževnatost a/nebo v kombinaci s požadavkem na vysokou stabilitu a stálost vedení vibračních vln.

Claims (2)

1. Nástroj (1) pro ultrazvukové svařování elektricky vodivých i nevodivých materiálů, vyznačující se tím, že je vyroben z reverzně prokované rychlořezné nástrojářské oceli, jeho výsledná materiálová struktura má hodnotu efektivní deformace sef > 4, stupeň prokování Pk > 10, modul pružnosti v tahu mezi 270 až 290 GPa, rychlost šíření zvuku v materiálu nástroje to (1) je v rozmezí 5 600 až 6 200 m/s, a velikost kovových karbidů (3) v materiálové struktuře nástroje (1) je do 5 pm.
2. Nástroj podle nároku 1, vyznačující se tím, že velikost kovových karbidů (3) v materiálové struktuře nástroje (1) je do 3 pm.
CZ2019-35845U 2019-01-23 2019-01-23 Nástroj pro ultrazvukové svařování elektricky vodivých i nevodivých materiálů CZ32662U1 (cs)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ2019-35845U CZ32662U1 (cs) 2019-01-23 2019-01-23 Nástroj pro ultrazvukové svařování elektricky vodivých i nevodivých materiálů

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ2019-35845U CZ32662U1 (cs) 2019-01-23 2019-01-23 Nástroj pro ultrazvukové svařování elektricky vodivých i nevodivých materiálů

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CZ32662U1 true CZ32662U1 (cs) 2019-03-12

Family

ID=65719019

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CZ2019-35845U CZ32662U1 (cs) 2019-01-23 2019-01-23 Nástroj pro ultrazvukové svařování elektricky vodivých i nevodivých materiálů

Country Status (1)

Country Link
CZ (1) CZ32662U1 (cs)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Bai et al. Investigation on the microstructure and machinability of ASTM A131 steel manufactured by directed energy deposition
Wu et al. Effect of ultrasonic nanocrystal surface modification on surface and fatigue properties of quenching and tempering S45C steel
Chander et al. Influence of rotational speed on microstructure and mechanical properties of dissimilar metal AISI 304-AISI 4140 continuous drive friction welds
JP6282545B2 (ja) 工具鋼を熱機械処理する方法および熱機械処理された工具鋼から作られた工具
Ma et al. Microstructure evolution and mechanical properties of linear friction welded 45 steel joint
Reddy Fatigue Life Evaluation of Joint Designs for Friction Welding of Mild Steel and Austenite Stainless Steel
CZ32662U1 (cs) Nástroj pro ultrazvukové svařování elektricky vodivých i nevodivých materiálů
CZ308308B6 (cs) Způsob výroby nástroje pro ultrazvukové svařování elektricky vodivých i nevodivých materiálů a nástroj vyrobený tímto způsobem
Soriano et al. Laser surface tempering of hardened chromium-molybdenum alloyed steel
Rajasekhar et al. Influence of post-weld heat treatments on microstructure and mechanical properties of AISI 431 martensitic stainless steel friction welds
Kumar et al. Influence of mechanical characteristics of friction welded ferrite stainless steel joint through novel mathematical model using Buckingham’s Pi theorem
Singh et al. Mathematical modelling of surface roughness in ultrasonic machining of titanium using Buckingham-Π approach: a review
US3535910A (en) Impact tool
Mathiazhagan et al. Performance study of medium carbon steel and austenitic stainless steel joints: friction welding process
Murugan et al. Mechanical properties estimation from tensile testing of aa6063-aisi304l bimetal joints friction welded with different joining methods
Abdulkareem Mohammed et al. The effectiveness of hot machining process for the machinability of hard to cut materials: A review
RU2375465C1 (ru) Способ поверхностного упрочнения
M’hamdi et al. Effect of cutting parameters on the chip formation in orthogonal cutting
Mohammed et al. The Effectiveness of Hot machining process for the Machinability of Hard to cut materials: A REVIEW
Behrens et al. Improving the mechanical properties of laser beam welded hybrid workpieces by deformation processing
CN110607422A (zh) 采用5CrMnMo为齿体材料的截齿热处理工艺
Mahmood et al. The influence of ultrasonic impact peening (Uip) on the mechanical properties and fatigue life of the Aa1100 alloy
Rajesh et al. Optimization of machining parameters of aramid natural hybrid composite in abrasive water jet machining using taguchi method
Rovianto et al. Heat treatment of tool steel: Recent development and micro-industrial application in Indonesia
US20210214815A1 (en) Method of hardening manganese steel using ultrasonic impact treatment

Legal Events

Date Code Title Description
FG1K Utility model registered

Effective date: 20190312

MK1K Utility model expired

Effective date: 20230123