13
NAGRZEWANIE ULTRADŹWIĘKOWE

13.1. Zasady nagrzewania ultradźwiękowego

Nagrzewanie ultradźwiękowe jest to nagrzewanie elektryczne, polegające na wykorzystaniu
zamienianych w ciepło drgań mechanicznych powstających w wyniku absorpcji energii
ultradźwiękowej.

Fale ultradźwiękowe (ultradźwięki) są to fale sprężyste o częstotliwościach od 16 kHz

do l GHz. Ich transmisja polega na rozprzestrzenianiu się zaburzeń naprężeń lub ciśnień i
związanych z tymi zjawiskami drgań mechanicznych cząstek ośrodka. Ultradźwięki rozchodzą
się zarówno w gazach, jak i w cieczach oraz ciałach stałych. Między częstotliwością f i
długością fali występuje klasyczna relacja

f

c

λ

=

(13.1)

przy czym c jest prędkością rozchodzenia się ultradźwięku, charakterystyczną dla danego
ośrodka i dla danego rodzaj fal [687]. Przy rozchodzeniu się fal podłużnych w powietrzu c =
340 m/s, w cieczach wynosi ona ok. 1500 m/s, a w ciałach stałych ok. 5000 m/s. Oczywiście
prędkość propagacji tych fal w ośrodkach płynnych zależy także od ciśnienia, a we wszystkich
ośrodkach ma ona związek z temperaturą. W płynach nielepkich, a do takich zalicza się
powietrze, mogą się rozchodzić wyłącznie fale podłużne, gdyż ruch cząstek ośrodka jest
równoległy do kierunku rozchodzenia się fali, co wiąże się z odkształcaniem objętości
ośrodka

1)

. W płynach lepkich i w ciałach stałych może jednak wystąpić także fala poprzeczna

wtedy, gdy powstaje odkształcenie postaci ośrodka pro-

398

1)

Fale podłużne i poprzeczne w formie jednorodnej i nieskażonej występują w ośrodkach jednorodnych,

izotropowych i przestrzennie nieograniczonych, a w praktyce wszędzie tam, gdzie wymiary tego ośrodka są
wielokrotnie większe od długości fali. W ośrodkach stałych ograniczonych mogą wystąpić różne rodzaje fal,
np. powierzchniowe, giętne, skrętne, dylatacyjne [569], [688].

13.1. Zasady nagrzewania ultradźwiękowego
____________________________________________________________________________

pagacji. Istota ruchu falowego polega na przemieszczaniu się z określoną prędkością
wywołanego w ośrodku zaburzenia od cząstki do cząstki.

Fale sprężyste opisuje się równaniami falowymi wykorzystującymi równania: ruchu

(wyrażającym równowagę sił działających na cząstkę), ciągłości i termodynamiczne. Mimo
różnic natury fizycznej fal podłużnych i poprzecznych, rozprzestrzeniających się w ośrodkach
izotropowych, opisujące je równania falowe są bardzo podobne (różnica występuje we
współczynnikach) [687]. Pole akustyczne, inaczej zwane dźwiękowym (czyli przestrzeń
wypełniona falami akustycznymi), określa się, rozwiązując takie równania. Pole to można
scharakteryzować także za pomocą wielkości energetycznych. Opisują one przenoszenie
energii przez falę, co w przypadku zastosowań elektrotermicznych - związanych z tzw.
czynnym działaniem'

11)

ultradźwięków na ośrodki - jest szczególnie przydatne.

Energię przenoszoną przez falę w określonym czasie nazywa się mocą akustyczną.

Energię przypadającą na jednostkę objętości ośrodka nazywa się gęstością energii akustycznej

, a energię przechodzącą przez jednostkę prostopadłą do kierunku rozchodzenia się fali -

gęstością strumienia energii akustycznej, jej wartość średnią w czasie - natężeniem fali
akustycznej I i wyraża się zwykle w W/cm

V

e

2

. Najczęściej źródła emitują fale ultradźwiękowe

sinusoidalnie zmienne i wtedy gęstość energii akustycznej wyraża się zależnością

2

0

2

V

ξ

ρω

2

1

e

=

(13.2)

przy czym:

ρ - gęstość ośrodka,

f

π

2

ω

=

- pulsacja,

ξ - amplituda drgań cząstek ośrodka. Z

kolei natężenie fali akustycznej

0

2

0

2

V

ξ

ω

c

ρ

2

1

c

e

I

=

=

(13.3)

Natężenie fali akustycznej jest wyróżnikiem pozwalającym klasyfikować wytwarzane w
praktyce pola dźwiękowe. Dzielą się one na trzy kategorie:
— pola o małym natężeniu - do l W/cm

2

,

— pola o średnim natężeniu - l ÷ 10 W/cm

2

,

— pola o dużym natężeniu - 10 ÷ 1000 W/cm

2

.

Natężenie normalnej mowy ludzkiej w odległości 2 m od źródła jest równe 5,5·10

-11

W/cm

2

,

natężenie dźwięku zaś przy wystrzale armatnim w odległości 10 m od

399

1)

Oprócz działania czynnego (koagulacja, dyspergowanie ultradźwiękowe, ultradźwiękowa terapia medyczna,

wywoływanie reakcji chemicznych, rozkruszanie i formowanie ośrodków twardych, spajanie i lutowanie i in.),
skutkującego zwykle nieodwracalnymi zmianami makroskopowymi ośrodków, wyróżnia się działanie bierne
(spektroskopia, defektoskopia, medyczna diagnostyka ultradźwiękowa, hydrolokacja), które nie niszczy
struktury ośrodka.

13. Nagrzewanie ultradźwiękowe
____________________________________________________________________________

źródła wynosi 3.2·10

-3

W/cm

2

. Wynika stąd, że ultradźwięki w porównaniu z dźwiękami

słyszalnymi stanowią potężne narzędzie, które może być wykorzystane do celów techno-
logicznych, w tym także do takich, w których wydzielające się pod ich wpływem ciepło jest
czynnikiem pożądanym.

Istota nagrzewania ultradźwiękowego polega na konwersji energii elektrycznej w

energię ultradźwiękową, która w określonych warunkach zamieniana jest z kolei na ciepło. Ma
to miejsce przy tzw. czynnym działaniu ultradźwięków, co jest nieodłącznie związane z
efektami nieliniowymi, występującymi przy dużych natężeniach fali akustycznej. W takich
przypadkach zniekształceniu ulega kształt fali, a oprócz składowej zmiennej powstaje
składowa stała ciśnienia promieniowania fali. Fala, która blisko źródła ma charakter
sinusoidalny, nie zachowuje swego kształtu i ulegając deformacji stopniowo przekształca się w
falę piłokształtną. Powstająca składowa stała ciśnienia ma kierunek zgodny z kierunkiem
rozchodzenia się fali. W konsekwencji, powstają w polu ultradźwiękowym duże siły, które
prowadzą do procesów wywołujących zmiany makroskopowe środowiska, zwykle
nieodwracalne. Za wydzielanie się ciepła są odpowiedzialne dwa rodzaje mechanizmów
czynnego oddziaływania ultradźwięków, a mianowicie pierwotne i wtórne. Spośród
mechanizmów pierwotnych za najistotniejszy uważa się mechanizm, w którym występuje
ciśnienie promieniowania, zarówno o składowej zmiennej, jak i stałej. Ciśnienie
promieniowania wywołuje przepływy ośrodka oraz zjawisko tarcia wewnętrznego i
periodyczne zmiany temperatury. Z kolei mechanizmy pierwotne wywołują około 20
mechanizmów wtórnych, a wśród nich kawitację (w cieczach), tarcie na powierzchniach
granicznych i międzyfazowych oraz absorpcję. Wszystkim tym trzem mechanizmom także
towarzyszy wydzielanie się ciepła i duży miejscowy wzrost temperatury [529], [687].

13.2. Wytwarzanie ultradźwięków

Metody wytwarzania ultradźwięków klasyfikuje się, biorąc za podstawę sposób konwersji
energii i wyróżnia się metody mechaniczne, termiczne, optyczne oraz elektryczne i
magnetyczne. Dwie ostatnie zalicza się do metod odwracalnych i są one - z punktu widzenia
zastosowań elektrotermicznych - najbardziej interesujące. Nie znaczy to jednak, że tylko one
bazują na energii elektrycznej, ponieważ dotyczy to większości sposobów generacji, także
zaliczonych do trzech pierwszych grup.

Do wytwarzania ultradźwięków wykorzystuje się kilka zjawisk elektro- i

magnetomechanicznych, w których energia elektryczna lub magnetyczna zamieniana jest na
mechaniczną energię drgań i następnie akustyczną wypromieniowaną do obszaru na-
grzewanego. Przetworniki, których działanie polega na wykorzystaniu tych zjawisk, są
odwracalne, co oznacza, że mogą przetwarzać energię w obu kierunkach, a więc także drgania
mechaniczne w energię elektryczną bądź magnetyczną. Największe znaczenie użytkowe mają
przetworniki piezoelektryczne, elektrostrykcyjne i magnetostrykcyjne.
Przetworniki piezoelektryczne należą do klasy przetworników najczęściej stosowanych w
technice ultradźwiękowej w zakresie częstotliwości od kilkudziesięciu kilo-
400

13.2. Wytwarzanie ultradźwięków
____________________________________________________________________________

do kilku gigaherców. Podstawą ich działania jest tzw. odwrotny efekt piezoelektryczny,
występujący w takich kryształach, jak kwarc, turmalin, niobian litu, tantalan litu, siarczek
kadmu i inne. Polega on na powstawaniu naprężeń i odkształceń mechanicznych w warunkach,
gdy kryształ jest umieszczony w polu elektrycznym prądu przemiennego. Częstotliwość tych
odkształceń jest równa częstotliwości pola, zaś ich wartość - proporcjonalna do natężenia pola.
Do generacji dużych mocy zaczęto stosować piezoelektryczne przetworniki sandwiczowe w
postaci układów warstwowych. Często też tego rodzaju przetworniki sprzęga się z układami
koncentrującymi moc akustyczną [687].

Działanie przetwornika elektrostrykcyjnego jest podobne do piezoelektrycznego z tą

różnicą, że naprężenia i odkształcenia mechaniczne są proporcjonalne do kwadratu natężenia
pola elektrycznego. Zjawisko to występuje w polikryształach złożonych z krystalitów
ferroelektrycznych, np. w tytanianie baru i w cyrkonianie baru. Przy okresowych zmianach
pola z częstotliwością

f, odkształcenia będą się zmieniały z częstotliwością 2f, co w

zastosowaniach praktycznych nie jest korzystne. Można temu przeciwdziałać wykorzystując
fakt, że materiał elektrostrykcyjny spolaryzowany zewnętrznym stałym polem elektrycznym
staje się materiałem podobnym do piezoelektrycznego i pojawia się w nim liniowa zależność
między zmiennym natężeniem pola elektrycznego a naprężeniem, pod warunkiem, że
amplituda napięcia zmiennego będzie mniejsza od stałego napięcia polaryzującego. W
zastosowaniach czynnych stosuje się też złożone przetworniki dużej mocy, wytwarzające
pożądaną falę przez kombinacyjne oddziaływania nieliniowe. Są to układy odznaczające się
możliwościami dynamicznego formowania charakterystyki kierunkowej i mocy
promieniowanej wiązki o częstotliwości

f

1

+ f

2

i

f

1

– f

2

gdzie

f

1

i

f

2

są częstotliwościami fal

oddziałujących między sobą.

W przetwornikach magnetostrykcyjnych wykorzystuje się możliwość pobudzania do

drgań za pomocą zmiennego pola magnetycznego ciał czynnych magnetomechanicznie, czyli
ferro- i antyferromagnetyków. Zjawisko to zwane jest magnetostrykcją i ma charakter
odwracalny. Najprostszy przetwornik magnetostrykcyjny ma kształt pręta i umieszczony jest w
cewce, za pomocą której można na niego działać polem magnetycznym. Pole magnetyczne
powstające pod wpływem prądu w cewce powoduje skracanie i wydłużania pręta.
Magnetostrykcja, podobnie jak elektrostrykcja, jest zjawiskiem parzystym, co oznacza, że
zależność odkształceń przetwornika z ferromagnetycznych materiałów polikrystalicznych
(najczęściej stosowanych) od natężenia pola magnetycznego jest kwadratowa. Do konstrukcji
generatorów magnetostrykcyjnych stosuje się zawsze polaryzujące stałe pola magnetyczne w
celu sprowadzenia parzystego kwadratowego zjawiska magnetostrykcji do nieparzystego

liniowego (rys. 13.1). Dzięki przejściu na bardziej stromą część zależności

)

H

(

l

l

∆

- w

porównaniu z pracą bez podmagnesowania - amplituda odkształceń wzrasta, drgania mają
postać zbliżoną do harmonicznych, a ich częstotliwość jest równa częstotliwości zmian pola.

Właściwości magnetostrykcyjne wykazuje większość ferromagnetyków, a zwłaszcza

Fe, Ni, Co i ich stopy oraz grupa związków ałunowych, zwanych ferrytami. Ostatnio dużą
popularność zdobyły stopy aluminium z ferromagnetykami, np. Al-Fe (alfery)

401

13. Nagrzewanie ultradźwiękowe
____________________________________________________________________________

Rys. 13.1. Wydłużenie względne przetwornika magnetostrykcyjnego w polu magnetycznym sinusoidalnie

zmiennym: a) bez podmagnesowania b) z podmagnesowaniem
H - natężenie pola magnetycznego, H

0

- dodatkowe stałe natężenie pola magnetycznego,

-

względne wydłużenie przetwornika, - czas

l

/

l

∆

τ

oraz Al-Co-Fe (alcofery). Rysunek 13.2 przedstawia jeden z najbardziej rozpowszechnionych
przetworników magnetostrykcyjnych. Podstawowymi jego elementami są: rdzeń
ferromagnetyczny wykonany z pakietu cienkich blach o kształcie zbliżonym do rdzenia
transformatora oraz uzwojenie. Jest on zamocowany w środku swojej wysokości, co określa
częstotliwości własne jego drgań mechanicznych. Uzwojenie zasilane jest prądem
przemiennym oraz prądem stałym w celu uzyskania wstępnej polaryzacji. W rdzeniu mogą
powstać drgania o różnej częstotliwości, jednak częstotliwość podstawowa jest wyraźnie
wyodrębniona i ma wartość, przy której w każdym z ramion przetwornika generuje się
połówka fali ze strzałkami na jego końcach i węzłem pośrodku. Częstotliwość drgań własnych
takiego przetwornika określa zależność

























+

=

l

a

2

1

1

ρ

E

l

2

1

f

m

0

(13.4)

w której:

- moduł sprężystości materiału przetwornika. N/m

m

E

2

;

ρ - gęstość materiału

przetwornika, kg/m

3

;

a - szerokość okna w przetworniku, l - długość przetwornika, m.

Przetwornik ultradźwiękowy stanowi podstawowy element wibratora nazywanego

często głowicą drgającą, która łącznie z elektrycznym układem zasilającym oraz układami
sterującymi i zabezpieczającymi tworzy elektrotermiczne urządzenie ultradźwiękowe. Jest to
element nieliniowy, a prąd w jego uzwojeniu zawiera szereg harmonicznych. Ich udział jest
znaczny przy dużych amplitudach indukcji magnetycznej i małym natężeniu składowej stałej
pola magnetycznego

H

0

.

402

13.2. Wytwarzanie ultradźwięków
____________________________________________________________________________

Rys. 13.2. Płaski przetwornik magnetostryk-
cyjny
1 - rdzeń magnetyczny, 2 - uzwojenie, 3 -
kierunek drgań, 4 - miejsce mocowania prze-
twornika

Oprócz przetwornika ultradźwiękowego wibrator może zawierać koncentrator energii i

sonotrodę (jest tak zawsze przy zgrzewaniu).

Koncentratorem energii jest nazywany element przeznaczony do zwiększania natężenia

ultradźwięku. W wibratorach z przetwornikami piezoelektrycznymi i elektrostrykcyjnymi
koncentratory działają na zasadzie akustycznych soczewek skupiających. W wibratorach z
przetwornikami magnetostrykcyjnymi rolę koncentratora pełni transformator ultradźwiękowy,
zwany też transformatorem amplitudy. Rysunek 13.3 przedstawia przykłady takich elementów
z rozkładami amplitud drgań i naprężeń. Umożliwiają one nawet wielokrotne zwiększenie
wartości amplitudy. Jest to niezbędne, ponieważ podwójna amplituda drgań przetworników
magnetostrykcyjnych przy częstotliwościach rezonansowych nie przekracza wartości 5 ÷ 10
µm i wydajność procesu grzejnego mogłaby być w tych warunkach zbyt niska.

Rys. 13.3. Zmiany amplitud

ξ

i naprężeń w osi transformatorów ultradźwiękowych typu: a) stożkowego; b)

eksponecjalnego; c) katenoidalnego

σ

403

13. Nagrzewanie ultradźwiękowe
____________________________________________________________________________

Rys. 13.4. Przetwornik magnetostrykcyjny z transformatorem ultradźwiękowym oraz zmiany amplitudy drgań w

osi tego układu
1 - płaski przetwornik magnetostrykcyjny, 2 - transformator ultradźwiękowy, 3 - kierunek drgań, 4 -
sonotroda, λ - długość fali,

ξ

- amplituda drgań, x - odległość

Transformatory ultradźwiękowe są to elementy o ściśle określonych kształtach,

mocowane do roboczej powierzchni czołowej przetwornika (rys. 13.4). Długość transformatora
oraz miejsce jego mocowania są zależne od długości fali. Mają one zazwyczaj postać
zwężających się prętów. Występuje w nich nierównomierne rozłożenie energii ruchu
drgającego wzdłuż osi, wskutek czego prędkość drgań i ich amplituda stopniowo wzrastają,
osiągając maksymalne wartości w najwęższym miejscu. Transformatory wykonuje się z metali
odpornych na zmęczenie i na ścieranie. Dobrze do tego celu nadaje się monel oraz specjalne
gatunki odpowiednio obrobionych stali narzędziowych. Łączy się je z przetwornikami
magnetostrykcyjnymi za pomocą lutowia, poprzez skręcenie lub zgrzewanie. Jedną z
charakterystycznych wielkości transformatora jest tzw. współczynnik transformacji, zwany też
współczynnikiem wzmocnienia. Jest to stosunek amplitud wychyleń lub prędkości na wejściu i
wyjściu transformatora

1

0

v

v

=

=

1

0

ξ

ξ

K

(13.5)

Swobodna czołowa powierzchnia transformatora może jednocześnie służyć do

mocowania elementu obróbczego, np. sonotrody. Sonotroda jest elementem stykającym się
bezpośrednio z nagrzewanym elementem i przenoszącym do niego drgania ultradźwiękowe.
Do jej wykonania używa się materiałów o dużej odporności na ścieranie i o bardzo gładkiej
powierzchni. Bywa ona wykonywana łącznie z transformatorem, ale też może stanowić
element dołączany przez spawanie, wkręcanie lub wtłaczanie (rys. 13.4).

404

13.2. Wytwarzanie ultradźwięków
____________________________________________________________________________

Przetworniki magnetostrykcyjne, najczęściej stosowane w układach elektroter-

micznych, zasila się ze źródeł prądu przemiennego, którymi w nowych urządzeniach są prawie
wyłącznie tranzystorowe przemienniki częstotliwości [547], a w starszych urządzeniach -
generatory lampowe [350] oraz układy lampowo-tranzystorowe. W zasilaczach
tranzystorowych stosuje się układy prostownikowe beztransformatorowe przy zasilaniu z sieci
jedno- bądź trójfazowej. Niezbędną separację galwaniczną od sieci zapewnia specjalny
transformator wyjściowy, wykorzystywany równocześnie do dopasowania
częstotliwościowego i impedancyjnego z głowicą ultradźwiękową. Zasilacze muszą być
zabezpieczone przed przeciążeniami.

Rys. 13.5. Zgrzewarka ultradźwiękowa do tworzyw sztucznych

1 - przekształtnik częstotliwości, 2 - regulator częstotliwości, 3 - zasilanie, 4 - źródło prądu stałego
polaryzującego, 5 - przekaźnik czasu zgrzewania, 6 - sprzężenie zwrotne typu elektromechanicznego,
7 - przetwornik magnetostrykcyjny, 8 - transformator ultradźwiękowy z sono-trodą, 9 - elementy
zgrzewane, 10 - podstawa (kowadełko), 11 - korpus prasy, - amplituda drgali, - czas

ξ

τ

Przetwornik magnetostrykcyjny przy pracy w rezonansie reprezentuje sobą obciążenie

indukcyjne niskoomowe. W celu zapewnienia optymalnych parametrów pracy przetwornika
powinna być zapewniona regulacja w niewielkim zakresie częstotliwości, napięcia zasilającego
oraz prądu podmagnesowującego. Przy zasilaniu przetworników z generatorów lampowych,
których racjonalne stany, pracy są związane ze stosunkowo wysokimi napięciami
wyjściowymi, jest konieczne stosowanie wyjściowych transformatorów obniżających. W
układach ultradźwiękowych stosuje się przy tym ciekawy rodzaj elektromechanicznego
sprzężenia zwrotnego (element

6 na rys. 13.5) [350].

405

13. Nagrzewanie ultradźwiękowe
____________________________________________________________________________

13.3. Zastosowania ultradźwięków

Spośród licznych zastosowań ultradźwięków ich działania termiczne wykorzystuje się w
dwóch grupach technologii: w zgrzewaniu oraz w procesach sonochemicznych. Kilka innych
technologii, np. lutowanie ultradźwiękowe, termoultradźwiękowa obróbka materiałów, susze-
nie ultradźwiękowe tylko pozornie mają ten sam charakter, ponieważ niezbędne do ich realiza-
cji ciepło nie jest wytwarzane z energii ultradźwiękowej, lecz jedną z innych metod [376],
[380], [632]. W przypadku lutownic ultradźwiękowych i innych urządzeń do lutowania bądź
pobielania, ciepło wytwarza się metodą rezystancyjną, ultradźwięki zaś doprowadzane do roz-
topionego lutowia wywołują proces kawitacji. Skutkuje on usuwaniem warstewki tlenków z
powierzchni lutowanych bądź pobielanych elementów. Ma to szczególne znaczenie przy luto-
waniu elementów aluminiowych.

Zgrzewanie ultradźwiękowe jest to proces, w którym drgania mechaniczne, współdzia-

łające z dociskiem statycznym, umożliwiają wykonanie złącza między dwiema łączonymi po-
wierzchniami w temperaturze znacznie niższej niż punkt topienia łączonych materiałów

1)

.

Może to być proces zachodzący wyłącznie dzięki energii ultradźwiękowej bądź skojarzony z
dodatkowym źródłem ciepła innego rodzaju. Częstotliwości fal ultradźwiękowych stosowa-
nych przy zgrzewaniu zawierają się w przedziale 15 ÷ 160 kHz [725].

Łączenie odbywa się za pomocą skoncentrowanej energii ultradźwiękowej w określo-

nym miejscu zetknięcia zespalanych elementów, dociśniętych siłą nacisku

N prostopadłą do

powierzchni spajanych i opartych na nieruchomej podstawie (element

10 na rys. 13.5). Dopro-

wadzenie energii do łączonych elementów może się odbywać dzięki wytwarzaniu wzdłużnych
drgań mechanicznych sonotrody, drgań poprzecznych (giętnych) lub skrętnych. Transformator
może być ustawiony równolegle bądź prostopadle do elementów zgrzewanych. Ten drugi spo-
sób jest stosowany prawie wyłącznie przy zgrzewaniu tworzyw sztucznych (rys. 13.5). Moż-
liwe jest uzyskiwanie zgrzein punktowych i liniowych [617].

Zmienna siła proporcjonalna do wychylenia

ξ , wytwarza w materiale naprężenia, które

pokonują naprężenia siły tarcia określone zależnością

N

µ

T

x

=

(13.6)

przy czyn

N jest siłą nacisku, µ - współczynnikiem tarcia.

406

1)

Zgrzewanie ultradźwiękowe jest jedną z wielu technologii spajania materiałów. Tradycyjnie do elektrotermii

zalicza się tylko część z nich. Poza jej obszarem pozostają chociażby takie techniki, jak zgrzewanie oporowe i
spawanie łukowe, a więc także oparte na konwersji energii elektrycznej w ciepło użytkowe. Większość
technologii spajania materiałów niemetalowych, a to głównie za sprawą nagrzewania pojemnościowego i
rezystancyjnego pośredniego, oraz liczne technologie spajania metali (np. zgrzewanie i lutowanie indukcyjne,
zgrzewanie termokompresyjne, lutowanie rezystancyjne) zawsze były przedmiotem elektrotermii. Z tych
względów oraz mając na uwadze uniwersalność zgrzewania ultradźwiękowego (możliwość spajania metali,
niemetali oraz metali z niemetalami), krótka jego charakterystyka wydaje się być w tym miejscu uzasadniona

.

13.3. Zastosowania ultradźwięków
____________________________________________________________________________

W obszarze działania tych sil wytwarza się stan plastyczności, a nawet płynięcia materiałów,
co wskutek drgań prowadzi po czasie rzędu ułamka sekundy do kilku sekund do ich połączenia
siłami molekularnymi. Niezbędny czas zgrzewania zależy od właściwości materiałów
łączonych, natężenia ultradźwięków, ich częstotliwości oraz siły nacisku

N. Wartość N musi

być dobierana z uwzględnieniem naprężenia

, odpowiadającego granicy płynności

materiałów

S

σ

S

σ

F

N

=

(13.7)

przy czym

F jest powierzchnią zetknięcia. Jeśli pole sonotrody jest kołem o promieniu r, to F =

πr

2

i w celu zapewnienia jednorodności pola naprężeń w obszarze oddziaływania musi być

spełniony warunek

r

, gdzie

δ

jest grubością górnej warstwy materiału.

δ

3

≥

Amplituda wychylenia sonotrody konieczna do osiągnięcia warunków łączenia, i

amplituda sił tarcia

T zależą od właściwości materiałów spajanych i dlatego moc urządzeń do

zgrzewania wynosi najczęściej od kilku watów do kilku kilowatów, przy maksymalnej
wartości 40 kW. Wartość amplitudy drgań mieści się w przedziale l ÷ 100 µm, przy czym w
procesach mikrozgrzewania powinna być ona ograniczona do l ÷ 3 µm, przy jednoczesnym
zwiększeniu siły dociskającej. W nowoczesnych urządzeniach stosuje się automatyczną
kontrolę procesu zgrzewania z wykorzystaniem pomiaru amplitud drgań sonotrody i podpory
(kowadełka) [611]. Przy zgrzewaniu liniowym szybkość procesu wynosi 5 ÷ 150 m/min. Siła
dociskająca sonotrodę może mieć wartość od kilku do kilku tysięcy niutonów. W przypadku
spajania tworzyw sztucznych stosuje się mniejsze siły dociskające przy większych amplitudach
drgań aniżeli przy łączeniu metali.

0

ξ

x

Przy zgrzewaniu tworzyw polimerowych dochodzi do: rozrywania wiązań, silnej

aktywacji cząstek polimeru i reakcji chemicznych między łączonymi materiałami. W rezultacie
następuje ponowna polimeryzacja i łączone warstwy, na przykład folie, zostają trwale
zespolone. W stanie dużego uplastycznienia łączonych mas znaczną rolę odgrywa dyfuzja
segmentów makrocząsteczek z jednego materiału do drugiego oraz bezpośrednie ich
wymieszanie wskutek mikroprzepływów w polu ultradźwiękowym.

Zgrzewanie ultradźwiękowe stosowane jest m.in. do łączenia Al, Cu i ich stopów, stali

typu 18-8, Mo, Nb, Ta, V i ich stopów, stali niskowęglowych, Ti, Zr, Be, spieczonego proszku
tlenku glinu umocnionego torem niklu, folii i drutów pokrytych powłokami ceramicznymi,
szkłem lub krzemem [725]. Jeśli chodzi o tworzywa sztuczne, to technika ta znajduje
zastosowanie zwłaszcza przy spajaniu materiałów charakteryzujących się małymi wartościami
efektywnego współczynnika strat dielektrycznych, a więc gdy nieracjonalne staje się
stosowanie do ich zgrzewania metody pojemnościowej [446].

Duże znaczenie metoda ta ma w przemyśle półprzewodnikowym do spajania

wyprowadzeń drutowych (o średnicy od 10 µm oraz taśmowych o grubości 70 ÷ 100 µm ze
złota, aluminium i innych materiałów). Połączenia takie mają małą rezystancję przejścia, dużą
wytrzymałość mechaniczną i odporność na wibracje. Procent braków przy tym sposobie
wykonywania połączeń jest mniejszy aniżeli przy metodzie termokompresji.

407

13. Nagrzewanie ultradźwiękowe
____________________________________________________________________________

Technika ta jest stosowana do wykonywania wyprowadzeń w układach scalonych, hyb-
rydowych i tranzystorach, do kapslowania tranzystorów i diod. Stosuje się ja w przemyśle
elektrotechnicznym do produkcji kondensatorów, termoelementów oraz do produkcji
mikrosilników (łączenie przewodów z komutatorem).

Drugą grupą technologii termicznych bazujących na ultradźwiękach są procesy

sonochemiczne [484], [556], [687]. Sonochemia jest to dziedzina zajmująca się reakcjami
chemicznymi zachodzącymi w polu ultradźwiękowym. Rozróżnia się cztery rodzaje takich
reakcji:
— przyspieszanie reakcji konwencjonalnych,
— procesy redukcji w roztworach wodnych,
— degradacja polimerów,
— rozpad i reakcje w rozpuszczalnikach organicznych.

Istotnym zjawiskiem w reakcjach sonochemicznych jest kawitacja. Polega ona na

powstawaniu w cieczy pulsujących pęcherzyków, które pojawiają się wskutek lokalnych
rozerwań ciągłego ośrodka pod wpływem dużych sił rozciągających, jakie występują w polu
ultradźwiękowym o dużym natężeniu. Reakcje sonochemiczne zachodzą głównie wewnątrz
pęcherzyków kawitacyjnych i na granicach międzyfazowych. Procesowi ich tworzenia się,
pulsacji i zapadania (przemiany adiabatyczne), towarzyszą lokalne zmiany ciśnienia rzędu
tysięcy atmosfer i lokalne zmiany temperatury, które w końcowej fazie mogą osiągać także
wartości rzędu tysięcy kelwinów. W takich temperaturach ma miejsce termiczna dysocjacja
cząstek, a powstające jony i rodniki wywołują specyficzne reakcje chemiczne. Na przykład
wolne rodniki reagują z cząsteczkami innych substancji rozpuszczonych czy zawieszonych w
cieczy, powodując ich chemiczny rozpad. Szczególnym przypadkiem sonochemicznego
rozpadu jest proces degradacji makrocząsteczek w roztworach polimerów i biopolimerów.
Powstające monomery mogą skutkować nowymi reakcjami polimeryzacji. Procesy
sonochemiczne są realizowane w znacznie szerszym zakresie częstotliwości aniżeli
zgrzewanie. Ich górna granica sięga 2 MHz [484], [687].

Jednym z elementów, które należy brać pod uwagę przy stosowaniu metod

ultradźwiękowych jest zagrożenie hałasem. Czynnik ten musi być rozpatrywany nie tylko w
aspekcie oddziaływania na człowieka drgań słyszalnych, lecz także drgań, które nie wywołują
wrażeń słuchowych, a mogą wpływać na stan jego samopoczucia i zdrowia. Największe
zagrożenie stanowią ultradźwięki niskiej częstotliwości (do 100 kHz), przenoszone zarówno
przez styk, jak i przez środowisko powietrzne. W celu ograniczenia tych zagrożeń stosuje się
metody opracowane do zwalczania hałasów, a w szczególności stosuje się ekrany oraz
obudowy o dobrej izolacyjności akustycznej, zwłaszcza wielowarstwowe. W razie potrzeby
stosuje się także środki ochrony osobistej, przy czym największą uwagę należy poświęcić
ochronie głowy (hełmy, przyłbice, nauszniki, przezroczyste osłony na twarz). Dopuszczalne
wartości poziomu ciśnienia akustycznego są zależne od częstotliwości i przy zgrzewarkach o
częstotliwości 1÷40 kHz wynoszą 80 ÷ 110 dB [529].

408