SU1093454A1 - Способ ультразвуковой сварки и устройство дл его осуществлени - Google Patents

Abstract

1. Способ ультразвуковой сварки , включающий воздействие ультразвуковых колебаний и статического давлени  через сварочный инструмент на: соедин емые детали, отличающийс  тем, что, с целью повьшег. ни  качества сварного соединени  путем увеличени  его прочности, воздействие ультразвуковыми колебани ми осуществл ют поочередными последовательными изгибными колебани  ми, кЬле бани ми бегущей круговой волны и продольными колебани ми, при этом переход от изгибных колебаний на колебани  бегущей круговой волны осуществл ют при достижении минимума второй производной нагрузочной характеристики колебаний сварочного инструмента, а переход на продольные колебани  - при достижении максимума второй производной указанной нагрузочной характеристики. 2. Устройство дл  ультразвуковой . сварки, содержащее генератор, логический блок управлени , резонансную систему преобразователей и волноводов со сварочным инструментом и датчиком механических колебаний, отличающеес  тем, что между датчиком механических колебаний и логическим блоком управлени  (Л дополнительно включены последовательно соединенные усилитель-выпр митель, два дифференциатора и формирователь импульсов, а резонансна  система с с преобразователей состоит из неоднородного стержн  с расположенным ак,сйально на нем в узле продольных колебаний правильным многонранником СО со с четным числом сторон, расположенных на его гран х излучателей бегу4 СП щей круговой йолны, и расположенного в центре многогранника волновода 4 продольных колебаний с закрепленными в узле колебаний пьезоизлучател ми продольных колебаний.

Description

Изобретение относитс  к электро нике и приборостроению ультразвуко вой сварки, а также может быть испо зовано в различном технологическом оборудовании при обработке материалов с наложением различных видов (мод) механических колебаний, вводи мых в технологическую среду,. Известен способ ультразвуковой сваркц, в котором продольные ультра звуковые колебани  превращают в из- гибные, и устройство дл  его осуществлени . Дл  получени  изгибных колебаний используют преобразователь с концентратом (волноводом) продольных колебаний, к орцу кото рого перпендикул рно прикреплены изгибные волноводы, вьтолне ные сос тавными из параллельно, расположенны элементов с различными радиусами инерции поперечного сечени  Cl3 . К недостаткам данных способа и устройства относитс  низкое качеств сварки, что объ сн етс  возможность использовани  в ник только одной моды (вида) ультразвуковых колебани Известный способ, заключ акнцийс  в наложении на свариваемые детали крутильных колебаний,и устройство дл  его осуществлени , содержащее ультразвуковой преобразователь, к рабочим торцам которого присоединены трансформаторы упругих колебаний с которыми соединен волновод-инструмент . Длина трансформаторов упругих колебаний выбрана так, чтобы обеспечить противофазное колебание их торцов, соединенных с волново™ дом-инструментом D2D , К недостаткам данных способа и устройства также относитс  низкое качество сварки (мала прочность сое динени ), так каУ: крутильные колебани  эффективно воздействуют тольк на второй фазе процесса сварки и малоэффективны на первой и третьей фазах, в св зи с тем, что амплитуда колебаний инструмента значительно меньше, чем при изгибных и продольны колебани х. Кроме того, устройство дл  осуществлени  способа сложно изготовить, так как необходимо точн вьтолнить условие противофазности возбуждени  волновода-излучател , .т.е. требуетс  посто нна  длина возбуждаемой волнь, котора  однако может измен тьс  в процессе сварки. На данном устройстве невозможно получить другие виды колебаний в зави симости от фазы ультразвуковой сварки , что ведет к понижению производительности и качества сварки. Наиболее близким к изобретению  вл ютс  способ ультразвуковой сварки, включающий воздействие ультразвуковых колебаний и статического давлени  через сварочный инструмент на соеди-.. н емые детали, и устройство, реализую™ щее способ, которое содержит генератор , логический блок управлени , резонансную систему преобразователей и волноводов со сварочным инструменг. том и датчиком механических колебаНИИ C3J/ Недостатком известных способа и реализующего его устройства  вл етс  то, что продольные колебани  в значительной мере уменьшают контактное трение-между свариваемыми детал ное ми, процесс удалени  окисных пленок и адсорбированных частиц происходит медленнее, а на второй фазе за счет наличи  изгибных колебаний происко-. дит разрыв первичных мостиков схватывани  из-за большого перемещени  конца инструмента, что снижает в целом качество сварки. Целью изобретени   вл етс  повышение качества сварного соединени  путем увеличени  его прочности. Поставленна  цель достигаетс  тем, что согласно способу ультра:звуковой сварки, включающему воздействие.ультразвуковых колебаний и статического давлени  через сварочный инструмент на соедин емые детали, воздействие ультразвуковыми колебани ми осуществл ют поочередньми последовательными изгибными колебани ми, колебани ми бегущей круговой волны и продольными колебани ми, при этом пере-, ход от изгибных колебаний на колебани  бегущей круговой волНы осуществл ют при достижении минимума второй производной нагрузочной характеристики механических колебаний сварного инструмента, а переход на продольные колебани  - при достижении максимума второй произвцдной указанной нагрузочной характеристики. Кроме того, в устройство дл  осуществлени  способа, содержащее генератор , логический блок управлени , резонансную систему преобразователей и волноводов со сварочным инструментом и датчиком механических колебаний, между датчиком механических колебаний и логическим блоком управлени 

дополнительно включены последовательно соединенные усилитель-выпр митель , два дифференциатора и формирователь импульсов, а резонансна  система преобразователей состоит из неоднородного стержн  с расположенным аксиально на нем в узле продольных колебаний правильным многогранником с четным числом сторон, распо ложенных на его гран х излучателей бегущей круговой волны, и расположенного в центре многогранника волновода продольных колебаний с закрепленными в узле колебаний пьезоизлучател ми продольных колебаний.

На фиг.1 показана схема устройства , реализующего способ; на фиг.2 график , по сн ющий взаимосв зь и обоснование размеров волноводов; на фиг.3 - график смещени  и изменени  второй производной механически колебаний инструмента.

Устройство содержит задающий генератор 1, формирователи 2 фазы, входной коммутатор 3, усилители 4 мощности , выходной коммутатор 5, схему 6 извлечени  второй производной, логическую схему 7 и согласующую схему 8 Узлы 1-8 образуют устройство возбуждени . Многофункциональна  волноводно-излучающа  ультразвукова  система состоит из волновода 9 продольных колебаний, излучателей 10 продольных колебаний, датчика 11 механических колебаний, излучателей дл  создани  изгибных колебаний и дл  создани  бегущих пучностей и узлов 12-17, а также сварочного инструмента 18.

Волноводна  система  вл етс  резонансной дп  трех видов колебаний продольных, изгибных и бегущих пучностей и узлов (квазикрутильных). Размеры (длина) волновода 9 св заны из услови  получени  максимума амплитуды продольных колебаний на сварочном инструменте и равны волновой длине oi( Ло-,-длина продольной волны ) . Излучатели 12-17 расположены на утолщенной части волновода 9, т.е на гран х правильного многогранника (фиг.2) следующие: высота равна четверти продольной волны; рассто ние 1 между противоположными гран ми в осевом направлении равно нечетному числу (например, трем на фиг.2) полуволн Ад2 изгибной волнь, а рассто иие d примерно равно длине полуволны ,02 Многогранник расположен иа высоте 1/4(0 от сварочного инструмен

та 18, обеспечива  этим минимальную акустическую нагрузку излучателей 10 и 12-17 друг на друга и увеличива  эффективность работы устройства в целом.

Изгибные колебани  сварочного инструмента 18 получают при возбуж ении в противофазе излучателей, ежащих на противоположных гран х многогранника, например, 12 и 15, или 13 и 16, или 14 и 17. Дл  обеспечени  определенного сдвига фаз между напр жени ми, подаваемыми на излучатели, все формирователи 2 синхронно запитьшаютс  от генератора 1. Дл  управлени  режимом работы (т.е. получени  колебаний торца инструмента определенной формы) схемой питани  колебательной системы служат коммутаторы (блоки управлени ) 3 и 5, а также устройства 6 извлечени  второй производной и логическое устррйство 7. В устройствах 6 и 7 происходит определение максимума и минимума второй производной, а устройство 7 своим напр жением запускает блоки 3,5 управлени . Данное устройство может возбуждатьс  электрическим напр жением синусоидальной а также напр жением пр моугольной формы.

Реализаци  способа происходит следующим образом.

В начале сварки выходное напр жение генератора 1 подаетс  на формирователи 2 фазы, а затем через коммутатор 3, управл емый схемой 7, тупает на усилитель 4 мощности. Усиленное напр жение через коммутатор 5 и согласующую схему 8 возбуждает только одну пару излучателей, например, 12 и 15. С выхода датчика 11 механических колебаний подаетс  напр жение , пропорциональное амплитуде механических колебаний сварочного инструмента 18, в схему 6 извлечени  производной . При достижении минимума второй производной нагрузочной характеристики . колебательной системы (фиг.3 с выхода логической схемы 7 подаетс  напр жение на коммутаторы 3 и 5. Происходит переключение излучателей на многограннике, так что в сварочном инструменте возникают квазикрутильные высокочастотные колебани , при этом возбуждаютс  преобразова .тели 12-17, поочередно образу  в многограннике по его периметру чере дующиес  пучности и узлы. Эти же колебани  распростран ютс  и по периметру сварочного инструмента, Пере-t ход на эти колебани  с изгибных соответствует моменту изгиба нагрузочной характеристики (фиг.З, точка А) на восход щей ветви. При продолжении сварки в фазе максимального образовани  мостиков схватывани  и роста очагов схватывани  в обширные области амплитуда механических колебаний уменьшаетс  (фиг.З), При достижении максимальной зоны схватывани  и образовани  соединени  амплитуда механических колебаний уменьшаетс  до минимума (фиг.З, точка .Б). При достижении максимума второй производной (фиг.З) происходит срабатывание логической схемы 7 и ее выходным напр жением через коммутаторы 3 и 5 подключаютс  к усилителю 4 мощности излучатели 10 продольных колебаний. Продольные колебани  способствуют упрочнению (наклепу) соединений свариваемых деталей. При этом разрывов образовавшихс  соединенrii нет, так как отсутствуют тангенциальные составл ющие усили  на св зываемые детали.

Пример. Резонансна  частота дл  продольных колебаний 44 кГц, а дл  изгибнЬпс и колебаний, которые создают по периметру торца инструмента чередование пучностей и узлов, приблизительно 66 кГц. Волновод изготавливаетс  из стали У10 с последующей закалкой до 50 единиц, скорость распространени  ультразвуковых волн

составл ет 5,1x10 м/с (измеренна ). Дп  излучател  10 используетс  пьезокерамика ЦТС-19, диаметром 35,7 мм, толщиной 3 мм, а ЦТС-19 толшиной 2 мм дл  излучателей 12-17. Расчетные размеры MHororjJaHHHKa (d 35,7 мм, Ь 29 мм и рассто ние между гран ми 1д2 95 мм) близки к зкспериментальным . Напр жение, подаваемое дл  возбуждени  преобразователей 10, 12-17 составл ет 120-160 В. Устройство используетс  дл  микросварки гибридных интегральных схем, а также опробовано дл  сварки изолированного провода к медным пистонам. При сварке алюминиевой проволоки прочность соединений возрастает на 16-22%, коэффициент вариации составл ет 2-3% и не зависит от состо ни  свариваемых поверхностей- . При сварке изолированного провода ПНЭТ - имид ТУХ&-505.48973 диаметром О,18 мм с медным пистоном прочность соединений возрастает на 30-40%, а производительность на 70-80% по сравнению с существующими способами.

Таким образом, использование предлагаемых способа и устройства позвол ет существенно повысить качество ультразвуковой обработки материалов и значительно расширить возможности экспериментов в исследовании физикохимических процессов, происход щих при ультразвуковой обработке, в частности , сварке.

2

л

Г1

М

L

V

/(7

SXXX0 X $

//;

v

/5

fc

Claims (2)

1. Способ ультразвуковой сварки, включающий воздействие ультразвуковых колебаний и статического давления через сварочный инструмент на- соединяемые детали, отличающийся тем, что, с целью повьппег. ния качества сварного соединения путем увеличения его прочности, воздействие ультразвуковыми колебаниями осуществляют поочередными последовательными изгибными колебани-* ями, кблебаниями бегущей круговой волны и продольными колебаниями, при этом переход от изгибных колебаний на колебания бегущей круговой волны осуществляют при достижении минимума второй производной нагрузочной характеристики колебаний сварочного инструмента, а переход на продольные колебания - при достижении максимума второй производной указанной нагрузочной характеристики.

2. Устройство для ультразвуковой сварки, содержащее генератор, логический блок управления, резонансную систему преобразователей и волноводов со сварочным инструментом и датчиком механических колебаний, отличающееся тем, что между датчиком механических колеба- g ний и логическим блоком управления дополнительно включены последовательно соединенные усилитель-выпрямитель, два дифференциатора и формирователь импульсов, а резонансная система преобразователей состоит из неоднородного стержня с расположенным аксиально на нем в узле продольных колебаний правильным многонранником с четным числом сторон, расположенных на его гранях излучателей бегущей круговой йолны, и расположенного в центре многогранника волновода продольных колебаний с закрепленными в узле колебаний пьезоизлучателями продольных колебаний.