Основы получения ультразвукового (УЗ) соединения

Сварной шов 6(рис. 5.3) при УЗС металлов получают в процессе сжатия соединяемых заготовок 4 с относительно небольшим усилиемР (десятые доли или единицы ньютона при соединении элементов микросхем и полупроводниковых приборов и не более 10⁴ Н при сварке относительно толстых листов) при одновременном воздействии на зону контакта механических колебаний 7 с частотой 15—80 кГц.

Рис. 5.3. Схема ультразвуковой сварки: 1 - УЗ преобразователь; 2 - волновод; 3 - сваривающий ролик; 4 - свариваемые заготовки; 5 - поддерживающий ролик; 6 - сварной шов; 7 - УЗ колебания; Vсв - скорость сварки.

УЗ волна характеризуется: периодом Т или частотой колебанийf(f = 1/Т); круговой частотой ω (ω = 2π f); фазовой скоростью (с); длиной волны λ, равной расстоянию между ближайшими точками, колеблющимися в одной фазе (λ = сТ = с/ f). В твердых телах возможныпродольные (в направлении распространения волны) и поперечные (перпендикулярно направлению распространения волны) колебания частицы среды.: продольные и поперечные и поверхностные волны.

Фазовая скорость звука для продольной волны в неограниченной твердой среде равна:

(5.3)

где: Е – модуль Юнга; υ – коэффициент Пуассона; ρ – плотность среды; К – модуль объемного сжатия; G – модуль сдвига. Для тонких стержней, поперечные размеры которых значительно меньше длины волны, можно пренебречь поперечной деформацией, (υ =0), фазовая (стержневая) скорость равна:

(5.4)

Для толстых стержней круглого сечения (отношение диаметра стержня к длине волны лежит в пределах от 0, 3 до 1, 4) фазовая (стержневая) скорость равна:

(5.5)

где: d – наибольший диаметр стержня.

Действие переменной силы в произвольной точке упругой среды приведет к переменным смещениям, деформациям и напряжениям. Каждому моменту времени будет соответствовать определенное распределение смещений, деформаций, напряжений. Если это распределение перемещается, то упругая волна называется бегущей. В идеальной среде (при отсутствии трения) бегущая волна описывается уравнением: u = Asin(ω t±kx), где: u – смещение произвольной точки вдоль оси x; A – амплитуда смещения; k=2π /λ =ω /С – волновое число. Первая и вторая производные по времени дадут колебательную скорость (V) и ускорение (a), первая производная по x даст выражение для волны деформации (ε ):

(5.6)

С учетом закона Гука:

(5.7)

При распространении упругой волны происходит перенос энергии, при этом, происходит циклический переход кинетической энергии в потенциальную и наоборот. Кинетическая энергия в единице объема равна^

(5.8)

Полная средняя энергия равна:

(5.9)

Сопротивление распространению упругой волны в реальной упругой среде носит активный и реактивный характер. В результате активного сопротивления (внутреннего трения) происходит поглощение средой механической энергии и выделение ее в виде теплоты. Реактивное сопротивление обусловлено тем, что каждый бесконечно малый объем среды обладает массой и упругостью. Полное сопротивление среды можно характеризовать модулем комплексного сопротивления Z:

(5.10)

где: F_m – амплитуда колебаний силы; V_m – амплитуда колебаний скорости; R – активное сопротивление; ω _в – круговая частота вынужденных колебаний; m – масса; D – упругость.

При расчете ультразвуковых колебательных систем часто используется понятие интенсивности или силы звука (I). Интенсивность (сила) звука – это энергия, проходящая в единицу времени через единичную площадку, ориентированную перпендикулярно направлению распространения волны. В плоской волне сила звука (I) равна энергии, заключенной в параллелепипеде, площадь основания которого равна единице, а высота равна скорости звука (с):

(5.11)

Величина (ρ с) – удельное волновое сопротивление упругой среды. Это сопротивление носит активный характер, так как не может запасать энергию. Однако она не может преобразовать энергию в теплоту подобно элементу трения. Активный характер волнового сопротивления проявляется в том, что при перемещении энергии колебаний от источника колебаний в каждом поперечном сечении среда поглощает энергию за счет ее передачи следующему сечению, обладающему тем же сопротивлением.

При распространении волны в вязкоупругой среду (в полимерных материалах) интенсивность волны уменьшается: I = I₀e^{-2α x}, где: I₀ - интенсивность в начальной точке; α – коэффициент затухания. Активная мощность, подводимая к нагрузке (свариваемым заготовкам из полимерных материалов) равна:

(5.12)

где: r_акт – активная (поглощающая) составляющая нагрузки.

При приложении ультразвуковых колебаний к свариваемым заготовкам в них возникают касательные напряжения, вызывающие пластическую деформацию материала свариваемых поверхностей.. Эта температура способствует пластификации материалов заготовок в зоне сварки и их соединению. При этом, энергия вибрации создает сложные напряжения растяжения, сжатия и среза. В результате в системе сжатых элементов, расположенных между наконечником и опорой, наблюдается взаимное проскальзывание. При этом поверхности контакта охватываются трением. По этой причине природа УЗС во многом аналогична сварке трением (можно сказать сварке микротрением). Вследствие микротрения элементов выделяется тепло, повышается температура зоны контакта заготовок (0, 4…0, 6 от температуры плавления металла.), зависящая от свойств свариваемых материалов. В месте сварки образуются совместные кристаллы, обеспечивающие прочность сварного соединения. Одновременно, под действием ультразвука разрушаются оксидные пленки на поверхностях заготовок, что облегчает получение соединения.

⇐ Предыдущая26272829303132333435Следующая ⇒

Поделиться: