Ультразвуковая сварка

Твёрдое состояние: быстрая вибрация соединяет небольшие швы менее чем за секунду

Ультразвуковая сварка соединяет детали, прижимая их друг к другу и очень быстро встряхивая, примерно 20 000–40 000 раз в секунду. Трение нагревает шов, пока он не соединится, гораздо быстрее чем за секунду, без клея, винтов и присадки. Так сделано большинство сварных пластиковых корпусов, от автомобильных фар до ручек зубных щёток, и многие соединения аккумуляторов и проводов.

Фото: Herrmann Ultraschalltechnik, CC BY-SA 4.0, через Wikimedia Commons

Ультразвуковая сварка · сварочный узел и крупный план шваЦифры в кружках соответствуют шагам ниже; крупный план справа показывает, что происходит в шве пластиковых деталей.

Как это работает

Загрузить детали. Две детали лежат в приспособлении на опоре (неподвижной опоре нужной формы для их удержания). У пластиковых деталей в месте контакта отливается небольшой выступ, называемый направителем энергии.
Прессовать. Сонотрод (фасонный металлический наконечник машины) опускается и сжимает детали вместе.
Вибрируйте. Генератор подаёт высокочастотный ток на преобразователь, пьезоэлектрические кристаллы которого (материалы, меняющие форму под напряжением) превращают его в вибрацию. Бустер и сонотрод усиливают её до движения в несколько сотых миллиметра.
Расплавьте шов. Трение концентрирует тепло в небольшой точке контакта, поэтому направитель энергии плавится первым и растекается по шву. Остальная часть детали остаётся холодной.
Удерживайте и охладите. Вибрация прекращается, но усилие ещё мгновение сохраняется, пока расплав застывает. Две детали теперь одно целое.

С металлами всё иначе. Для металлических проводов, фольги и выводов аккумуляторов сонотрод трёт в стороны, а не бьёт вверх и вниз. Трение разрушает поверхностные оксиды и прижимает чистый металл к чистому металлу, поэтому шов образуется без плавления.

Ключевые факты

Материалы: Термопласты, такие как ABS, поликарбонат, полипропилен и нейлон; тонкие мягкие металлы, такие как медная и алюминиевая фольга и проволока
Типичные детали: Корпуса автомобильных фар, медицинские изделия, фильтры, игрушки, блистеры, выводы аккумуляторов, соединения жгутов проводов
Размер детали: Площадь шва от нескольких миллиметров до около 20–30 см одним сонотродом; металлические листы обычно тоньше около 1 мм
Точность: Очень хорошая повторяемость; высота сваренной детали обычно в пределах около ±0,05–0,1 мм, когда машина контролирует осадку
Качество поверхности: Чистый, часто невидимый шов; иногда небольшой валик выдавленного пластика (облой) или рифлёный след сонотрода на металлах
Подходящая партия: Большие серии; для каждой формы детали нужны свой сонотрод и приспособление
Стоимость оснастки и оборудования: Десятки тысяч долларов за сварочную машину; несколько тысяч за каждый индивидуальный сонотрод и приспособление
Скорость: Время сварки обычно 0,1–1 с; полный цикл несколько секунд, то есть тысячи деталей в день на машину

Сильные стороны и ограничения

Сильные стороны

Очень быстро, чисто и легко автоматизируется
Не нужно покупать клей, винты, растворители или присадку
Малый расход энергии, тепло только в шве
Соединяет разнородные металлы, например медь с алюминием

Ограничения

Только для небольших швов и довольно тонких деталей
Для каждой конструкции детали нужны свой сонотрод и приспособление
Работает только с термопластами и мягкими тонкими металлами
Вибрация может повредить хрупкую электронику внутри детали

Где применяется

АвтомобилестроениеКорпуса задних фонарей и фар, соединения жгутов проводов
АккумуляторыВыводы ячеек и шины в аккумуляторах электромобилей и телефонов
МедицинаФильтры, детали капельниц, герметичные корпуса приборов
УпаковкаБлистеры, крышки кофейных капсул, запайка туб
Потребительские товарыИгрушки, зубные щётки, детали телефонов, нетканые маски и салфетки

Как узнать процесс

Две литые пластиковые половины, соединённые без винтов, защёлок и клея, и тонкий шов, который нельзя раскрыть.
Иногда тонкая линия выдавленного пластика вдоль шва.
На соединениях металлических проводов или выводах аккумуляторов — небольшая сплющенная область с рифлёным рисунком, оставленным сонотродом.

Сравните с

Контактная точечная сварка7.2тоже соединяет детали внахлёст на небольших участках, но током и с плавлением, для более толстых стальных листов.Пайка твёрдыми и мягкими припоями7.3соединяет провода и выводы с присадкой; ультразвуковой сварке она не нужна, и она не нагревает остальную деталь.Сварка трением с перемешиванием7.6ещё один метод на основе трения, но с вращающимся инструментом для толстых алюминиевых плит.

Смотрите

DuskLight · Узлы машины в анимации

The Weld Nugget · Как вибрация превращается в тепло в шве

Branson Ultrasonics · Сварочная машина на автоматической линии

HerrmannUltrasonics · Много реальных изделий, сделанных таким способом

Смотреть реальные фото

Википедия: Ультразвуковая сварка — узлы сварочного пакета и применения, со ссылками на фотографии
Поиск фотографий в Wikimedia Commons

Запомните

Вибрация с частотой 20 000 и более колебаний в секунду превращается в тепло прямо в шве.
Пластиковые швы плавятся на небольшом выступе; металлические швы соединяются без плавления за счёт бокового трения.
Метод быстрый и чистый, но ограничен небольшими швами и тонкими деталями.