Способ ультразвуковой сварки

 

Изобретение может быть применено при производстве источников тока и позволяет повысить КПД процесса сварки и улучшить качество сварного соединения. Ультразвуковые колебания через выступ наконечника передаются верхней детали путем его вдавливания в деталь до тех пор, пока она не будет двигаться вместе с наконечником . После образования жесткой связи наконечник -деталь дополнительно фокусируют ультразвуковую энергию на протяжении всего времени сварки. Глубина фокусирования F ультразвуковой энергии определяется из выражения F R/(1 - -Сдет/Снакон.), где R - радиус кривизны наконечника; Сдет, Снакон. СКОРОСТЬ ультразвука в материале детали и наконечника . Устройство для сварки содержит волновод в виде наконечника с выступом и подвижное основание. Выступ наконечника имеет вогнутую форму, а основание - выступ выпуклой формы, соосный выступу наконечника, Размеры и материалы наконечника и основания должны удовлетворять УСЛОВИЯМ Снакон. Сдет Соснов.. рСнакон /зСдет Р Соснов., S , где рплотность материала инструмента свариваемых деталей и основания; S - площадь выступа; Я - длина волны ультразвуковых колебаний; 6 - толщина детали . 1 ил., 1 табл.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)л В 23 К 20/10

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4722634/27 (22) 10.05.89 (46) 23.11,91 . Бюл. N. 43 (71) Научно-производственное объединение

"Квант" (72) В.М,Еськов-Сосковец, Л.Г.Миронов;

Е.В. Шагов, Е, П, П роко пович, Л.И. Ильина, А.С.Фелипенко, В.И.Аносов и А.С.Смирнов (53) 621.791.16 (088.8) (56) Холопов Ю.В. Оборудование для ультразвуковой сварки, — Л.: Энергоатомиздат, 1985, с. 5 — 7.

Заявка ФРГ N 3245355, кл. В 23 К20/10, 1984, (54) СПОСОБ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СВАРКИ (57) Изобретение может быть применено при производстве источников тока и позволяет повысить КПД процесса сварки и улучшить качество сварного соединения.

Ультразвуковые колебания через выступ наконечника передаются верхней детали путем его вдавливания в деталь до тех пор, пока она не будет двигаться вместе с накоИзобретение относится к сварке, в частности к способу.для ультразвуковой сварки, и может найти применение при производстве источников тока.

Цель изобретения — повышение КПД процесса сварки и повышение качества сварного соединения.

На чертеже показана схема осуществления способа, взаимное расположение свариваемых деталей.

Способ осуществляют следующим образом, Свариваемые детали 1, 2 располагают на основании 3 с выступом 4, сварку осуществляют волноводом в виде наконечника 5 с

„„. Ж „„1692789 А1 нечником. После образования жесткои связи наконечник — деталь дополнительно фокусируют ультразвуковую энергию на протяжении всего времени сварки, Глубина фокусирования F ультразвуковой энергии определяется из выражения F =,R/(1

-Сдет/Снакон.), где Й радиус кривизны нако; нечника; Сдет, Снакон. — скорость ультразвука в материале детали и наконечника. Устройство для сварки содержит волновод в виде наконечника с выступом и подвижное основание. Выступ наконечника имеет вогнутую форму, а основание — выступ выпуклой формы, соосный выступу наконечника, Размеры и материалы наконечника и основания должны удовлетворять условиям Снакон. > Сдет > Соснов., РСнакон РСдет > p Соснов., Л д, где р — плотность материала инструмента свариваемых деталей и основания;

S —; Л вЂ” длина волны ультразвуковых колебаний; д — толщина дета- Я ли. 1 ил., 1 табл. выступом 6. Последний имеет вогнутую форму, а рабочая поверхность основания 3 имеет выступ 4 выпуклой формы той же кривизны, расположенный соосно с выступом наконечника, размеры и материалы наконечника и основания должны удовлетворять условиям

Снакон. > Ссв.дет. >Соснов. р Снакон. pCcs,äåò. > p Соснов.

S Лд, где p — плотность материала инструмента, свариваваемых деталей и основания, С вЂ”, скорости распространения УЗ в материале основания. свариваемых деталей и наконечника;

1692789

S — площадь рабочей части выступа;

Л вЂ” длина волны УЗ-колебаний; д — толщина свариваемых деталей.

Для локализации УЗ-энергии в зоне сварки необходимо иметь минимальное от- 5 ражение от поверхности свариваемых дета,лей и максимальное от поверхности ,основания. Для этого должно соблюдаться условие

Снакон. > Ссв.дет. > Соснов. 10

Для осуществления локализации вводимой УЗ-энергии при минимуме отражения от поверхности свариваемого металла и максимуме отражения от основания необходимо после соблюдения первого условия 15 рассмотреть соотношения между волновыми сопротивлениями каждого элемента ко- .

,лебательной системы р Снакон. рСсв.дет. > рСоснов.

При большой разнице Снакон, и Ссв.дет. плотность свариваемого материала должна быть больше плотности материала наконечника, тогда волновые сопротивления наконечник — деталь будет соизмеримы.

Волновое сопротивление основания долж- 25 но быть меньше волнового сопротивления

° материала свариваемых деталей, Для оптимизации условия фокусирова ния УЗ-энергии необходимо, чтобы при со, прикосновении внутренней вогнутой 30 поверхности наконечника с поверхностью свариваемой детали, площадь S наконечника выбиралась пропорционально произведению толщины д свариваемых материалов и длины вол н ы У3-колебаний 35

S-д Л.

В процессе сварки наконечник 5 углубляется в верхнюю деталь 1 на глубину вогнутой поверхности, при этом, по мере углубления, увеличивается величина допол- 40 нительной сфокусированной энергии, которая достигает максимума при полном контакте вогнутой поверхности наконечника с поверхностью детали, Одновременно наконечник плотно соединяется с деталью, 45 достигается акустический контакт и передает ей не только усилие сжатия Р, но и свои колебания, в результате которых происходит нагрев соединяемых деталей и месте контакта. Таким образом, формирование 50 соединения происходит в результате усилия сжатия, УЗ-колебаний детали в зоне контакта и фокусирования УЗ-энергии в зону соединения. Дополнительное фокусирование

УЗ-энергии позволило снизить величину 55 прикладываемой к свариваемым деталям мощности, улучшить структуру металла, шва, снизит время сварки и этим повысить качество полученных соединений.

Фокусирование УЗ-энергии в зоне соединения способствует повышению качества соединения, так как металл в зоне соединения испытывает кроме усилия сжатия дополнительные осевые колебательные усилия, вызываемые условиями передачи УЗ-колебаний в металлах, Фокусирование УЗ-энергии в зону соединений осуществляется в основном после внедрения наконечника в свариваемую деталь на величину углубления фокусирующей поверхности, при этом отмечается максимальная амплитуда перемещения верхней свариваемой детали относительно нижней.

В процессе фокусирования участвует вертикальная составляющая движения âîëновода, наконечник которого совершает движение по дуге, но в связи с углублением в наконечнике поверхность свариваемого металла в отпечатке имеет плоский или выпуклый вид вместо углубления при использовании плоского наконечника.

Фокусирование У3-энергии в зону соединения осуществляется не только для достижения максимальной плотности энергии в центре зоны соединения, но и для полученйя равномерного поля в площади сварочного отпечатка, для стабилизации режима сварки в процессе износа наконечника, так как при работе с плоским наконечником Ilo мере его износа наблюдается изменение режима сварки.

Для проверки предложенного способа

УЭС проведен расчет параметров устройства для УЭС, на основании полученных значений выполнен макетный образец устройства. Расчеты параметров устройства проводились для конкретной задачи: сварка никелевых листов толщиной д = 0,12, 0,2 и

0,3 мм на установке, работающей в диапазоне частот 20 — 40 кГц.

Материалы наконечника и основания выбирают соответственно сталь 45 и титан.

Рабочая частота сварочной установки

22 кГц. Диаметр сварочного наконечника для различных толщин (д)св деталей рассчитывается из..выражения D = 0,88 /, которое определяется из условий оптимального фокусирования УЗ-энергии в зоне стыка свариваемых деталей, при отношении интенсивностей сфокусированных колебаний (1ф) к обЩей интенсивности колебаний (4бщ) ! и

= 1или

1общ

Iè 2,25, причем общ F 12 . Л2 у = - ;, F — B и Л = — - / Е, D. 1 р

1692789 где Е â€”; F — глубина фокусировани УЗ-энергии.

Затем из выражения удельной работы другой деформации наконечника определяд 5 . ют величину его заглубления (— ) в верхнюю и деталь при нагрузке P (п — кратность углубления выступа наконечника)

2аудо

P 10 где ст- предел упругости свариваемого материала; 0 — диаметр выступа наконечника: р- коэффициент, учитывающий вид нагружен ия.

Полученные данные сведены в таблицу. 15

Прочность полученных при этом сварных соединений составляет не менее 0,85 оосн металла, а необходимая мощность сварочной установки снижена на 20 — 25 по сравнению с использованием плоских 20 наконечников.

Износ плоских и вогнутых наконечников при проведении сравнительного анализа не превышает 0,1+0,02 мм. Во всех случаях отмечено снижение величины сжи- 25 мающей нагрузки на 10 — 15 g,, Таким образом, предлагаемый способ увеличивают КПД использования сварочных наконечников, повышается ресурс их . работы, улучшает структуру свариваемого 30 материала, повышает его качество, снижает время формирования сварной точки и увеличивает скорость сварки, снижает мощность установки без потери качества сварного соединения, 35

Формула изобретения

Способ ультразвуковой сварки, при котором свариваемые элементы располагают на основании с выступом, св рку выполняют путем передачи ультразвуковых колебаний через наконечник с выступом, который вдавливают в деталь, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД процесса сварки и качества соединения путем фокусирования ультразвуковой энергии на заданной глубине, выступ наконечника выполняют с выгнутой рабочей поверхностью-, а выступ основания — с выпуклой поверхностью той же кривизны, причем наконечники выполняют с размерами и из материалов, соответствующих условиям

Снакон. > Ссв.дет. > Соснов., р Снакон. рСсв.дет. > рСоснов.

S-Dk где p — плотность материала инструмента свариваемых деталей и основания;

- S — площадь выступа;

А — длина волны ультразвуковых колебаний; д — толщина детали, мм;

Ссв.дет. Снакон. — скорость ультразвука в материале соответственно свариваемой де- . тали и наконечника, а глубину F фокусирования ультразвуковой энергии определяют из соотношения

Е И/(1 С св.дет

Снакон, где R — радиус кривизны наконечника, мм.

1692789

Составитель Л. Назарова

Техред М.Моргентал Корректор А. Осауленко

Редактор А. Мотыль

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 4038 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5