ZGRZEWANIE ULTRADŹWIĘKOWE

Omówiliśmy zgrzewanie zgniotowe. Co będzie się działo jeżeli na
nacisk (jak przy zgniotowym) nałożą się miejscowe drgania
mechaniczne o dużej częstotliwości, skierowane prostopadle do siły
nacisku? Wspólne działanie statycznej siły docisku i oscylacyjnych sił
tnących spowoduje powstanie znacznych naprężeń ścinających w
obszarze styku zgrzewanych metali.
Gdy naprężenia te przekroczą granice plastyczności pojawi się lokalny
poślizg pomiędzy powierzchniami stykowymi, prowadzący do rozbicia
warstewek powierzchniowych i odsłonięcia czystych metalicznych
powierzchni stykających się ze sobą w wielu punktach. Wytworzony
zostaje zatem ciągły fizyczny kontakt pomiędzy zgrzewanymi
powierzchniami. Jeżeli dodać do tego dobre warunki dla dyfuzji i
rekrystalizacji (wzrost temperatury) to istnieją wszelkie przesłanki dla
uzyskania dobrego połączenia, przy czym połączenie powstaje

w stanie

stałym

, gdyż temperatura podczas jego formowania się (wiele hipotez)

nie przekracza

35-50% temperatury topliwości

zgrzewanych metali.

Podsumowując:

Zgrzewanie ultradźwiękowe jest procesem

zgrzewania w stanie stałym, polegającym na doprowadzeniu do
obszaru zgrzewania drgań mechanicznych o dużej częstotliwości w
trakcie działania sił nacisku.

Proces ten może być realizowany jako zgrzewane:

punktowe i

odcinkowe

(rys.1a i b) oraz

liniowe i pierścieniowe

, rys.2 a i b.

Rys.1. Przebieg procesu zgrzewania ultradźwiękowego punktowego (a) i
odcinkowego (b); l - generator prądów wysokiej częstotliwości,
2 - przetwornik, 3 - trafo, 4 - sworzeń, 5 - końcówka robocza sonotrody,
6 - zgrzewane przedmioty, 7 - kowadełko, Pz - siła docisku zgrzewania

1

Rys.2. Przebieg procesu zgrzewania ultradźwiękowego liniowego (a) i
pierścieniowego (b); 1 - generator prądów wysokiej częstotliwości,
2 - przetwornik, 3 - trafo, 4 - sworzeń, 5 - końcówka robocza sonotrody,
6 - zgrzewane przedmioty, 7 - kowadełko, Pz - siła docisku zgrzewania

Przedstawione metody zgrzewania umożliwiają uzyskanie złączy
zgrzewanych przedstawionych na rys.3.

Rys.3

.

Przykład typowych złączy zgrzewanych ultradźwiękowo: a) zgrzeiny

punktowe, b) zgrzeiny odcinkowe. c) zgrzeiny pierścieniowe.

2

Parametry zgrzewania
>

moc zgrzewania w kW,

>

czas zgrzewania (prędkość zgrzewania liniowego) w s (mm/min),

>

siła docisku w kN,

>

częstotliwość drgań ultradźwiękowych w kHz,

>

rodzaj powierzchni i promień zaokrąglenia końcówki roboczej

sonotrody

.

Moc zgrzewania

- zgrzewanie ultradźwiękowe punktowe, pierścieniowe

i odcinkowe prowadzone może być przy stałym poziomie mocy i siły
docisku oraz początkowo niższej mocy i wyższej sile docisku (rys.4).
Drugi sposób zapewnia efektywniejsze sprzężenie akustyczne i lepszą
jakość złączy, zwłaszcza metali i stopów trudno topliwych. Zgrzewanie
liniowe może przebiegać tylko przy stałym poziomie mocy i stałej sile

Rys.4. Typowe programy
zgrzewania ultradźwiękowego

Czas zgrzewania

punktowego, pierścieniowego lub odcinkowego wynosi

zwykle

od 0,005 s

, w przypadku bardzo cienkich drutów,

do ok.

1,0+3,0 s

, w przypadku materiałów grubszych. Dłuższe czasy

zgrzewania stosuje się, gdy zgrzewarka ma odpowiednią moc.
Najlepsze wyniki zgrzewania uzyskuje się przy dużej mocy i krótkich
czasach zgrzewania. Zbyt długi czas zgrzewania sprawia, że wygląd
złącza jest gorszy, mogą wystąpić pęknięcia wewnętrzne i nadmierne
nagrzanie.

Siła docisku zgrzewania-

poprawnie dobrana powinna uniemożliwić

poślizg między końcówką roboczą sonotrody a zgrzewanym złączem,
ale nie może też być zbyt duża, gdyż wtedy występuje nadmierny

3

zgniot złącza, uszkodzenie powierzchni złącza lub powierzchni
roboczej końcówki. Zgrzewarki zwykle są wyposażone w blokady
uniemożliwiające włączenie drgań ultradźwiękowych przy zbyt małej
sile docisku, ponieważ brak sprężenia z przetwornikiem może
spowodować jego uszkodzenie. Siłę docisku dobiera się w zależności od
rodzaju zgrzewanych materiałów, ich grubości i twardości oraz
rodzaju powierzchni końcówki roboczej sonotrody. Siła docisku
praktycznie jest związana z mocą akustyczną wymaganą do
utworzenia złącza, a więc z mocą zgrzewarki. Typowe siły docisku
zestawiono w tab.1, zaś przykładowe pozostałe parametry zgrzewania
punktowego w tab.2.

Tab.1. Typowe zakresy sił docisku zgrzewania stosowane w zgrzewarkach

Tab.2. Przykładowe parametry zgrzewania punktowego

Grubość Amplituda

Czas Promień

Rodzaj materiału

Siła

docisku

końcówki

materiału

drgań

zgrzewani

a

roboczej

mm m s daN mm

0,3-0,7 14-16 0,5-1,0 20-30

Czyste aluminium 0,8-1,2

14-16

1,0-1,5

35-50

1,3-1,5 14-16 1,5-2,0 50-70

10

Stop aluminium

0,4

22-24

1,0

50

anodowany 1,0 22-24 2,0 100

Miedź techniczna 0,3-0,6

16-20

1,5-2,0

30-70

10-15

1,1-1,3 16-20 3-4 110-130

0,2 16-18 0,3 40

Stop tytanu

0,5

18-20

1,0

60

10

0,8 22-24 1,5 90

1,0 18-20 1,5 120

Cyrkon 0,5

23-25

0,25

90 10

Tytan + cyrkon 0,5 + 0,5

23-25

0,25

90

10

Aluminium +

miedź

O, l + 0,05

10-12

0,5

20

4

4

Przygotowanie powierzchni

Większość materiałów zgrzewanych ultradźwiękowo nie wymaga
oczyszczenia powierzchni przed zgrzewaniem. Materiały, takie
jak: Al, Cu i ich stopy, mogą być zgrzewane w stanie dostawy, po
usunięciu z powierzchni smarów, tłuszczów itp. Zgorzelina musi
być mechanicznie lub chemicznie usunięta. Powierzchnie
zgrzewane po utlenieniu czy trawieniu powinny być gładkie.
Możliwe jest zgrzewanie przedmiotów pokrytych powłokami
ochronnymi, takimi jak: emalia, lakiery, tworzywa sztuczne,
powłoki tlenkowe lub anodowe.

Zastosowania

Zgrzewanie ultradźwiękowe umożliwia wykonanie złączy
przedmiotów znacznie różniących się grubością; ograniczona jest
jedynie grubość jednego z łączonych przedmiotów. Decyduje
górna granica grubości

(2,5-3 mm)

cieńszego przedmiotu, który

musi być ułożony od strony sonotrody. Na przykład możliwe jest
połączenie folii aluminiowej o grubości 0,01 mm z płytą
aluminiową lub miedzianą o dowolnej grubości. Możliwe jest
również zgrzewanie wielowarstwowe cienkich folii, np. połączenia
zgrzeiną punktową lub liniową 20 folii aluminiowych o grubości
0,025 mm każda.

W konstrukcjach zgrzewanych ultradźwiękowo najczęściej

stosuje się złącza zakładkowe.

Odległość zgrzein od brzegu złącza

nie jest tak istotna.

Zgrzeiny punktowe lub liniowe mogą być

wykonane przy zakładce ok. 4-6 grubości cieńszej blachy i
jedynym ograniczeniem jest, aby końcówka sonotrody nie
rozgniotła brzegu blachy. Na przykład w stopach
konstrukcyjnych Al o grubości od 0,8 do 1,3 mm złącza
zakładkowe o szerokości zakładki 3,25 mm i 20,0 mm mają
jednakową wytrzymałość.

Prawie każdy metal i stop może być zgrzewany

ultradźwiękowo, choć inne procesy spawalnicze mogą być
bardziej ekonomiczne. Jest szczególnie przydatne do łączenia
materiałów wymagających dużych energii w przypadku
zgrzewania oporowego elektrycznego, takich jak Al, Cu i ich stopy
oraz złączy bimetalicznych, przedmiotów różniących się znacznie
grubością lub tych materiałów, które są szczególnie wrażliwe na

5

działanie podwyższonej temperatury. Złącza o dobrych
własnościach eksploatacyjnych uzyskuje się również przy
zgrzewaniu ultradźwiękowym metali trudno topliwych:

Mo, Nb,

Ta, V i ich stopów

. Zgrzewać można także

Ti, Zr, Be, Re,

materiały utwardzalne wydzieleniowo, materiały takie jak
spieczony proszek tlenku glinu i umocniony torem nikiel i ołów
oraz folie i druty z nałożonymi termicznie powłokami.

Zgrzewanie ultradźwiękowe jest jednym z niewielu procesów

umożliwiających bezpośrednie łączenie szkła i ceramiki szklanej z
przedmiotami metalicznymi, np. zgrzewanie ultradźwiękowe szkła
i ceramiki szklanej z aluminium

.

Zgrzać można np. polipropylen z

aluminium,rys.5.

Rys.5. Przebieg procesu zgrzewania ultradźwiękowego odcinkowego

płytki z polipropylenu ukierunkowanego z blachą ze stopu aluminium przy
użyciu przekładki spajającej. Energia zgrzewania 600 J, siła jednostkowa
docisku 0,207 MPa, amplituda drgań ultradźwiękowych 80

μm.

Zgrzewarka o mocy 1700 W

Zalety zgrzewania ultradźwiękowego to:
>

minimalny wpływ procesu zgrzewania na łączone materiały,

>

wąska SWC, minimalne naprężenia i odkształcenia w złączu,

>

proste przygotowanie powierzchni do zgrzewania,

>

możliwość łączenia materiałów znacznie różniących się

własnościami fizycznymi i grubością,

>

wysokie własności mechaniczne złączy oraz ich odporność

korozyjna, przewodność elektryczna i cieplna,

>

bardzo małe moce zgrzewania w stosunku do innych procesów

>

możliwość mechanizacji i automatyzacji procesu zgrzewania

oraz sterowania jakością złączy.

6