Применение термоконтактного нагрева в сочетании с действием ультразвуковых колебаний известно в различных технологичес­ких процессах, например при ультразвуковом лужении металли­ческих поверхностей перед пайкой, формовании полимерных изделий с применением пресс-форм и экструдеров, снабженных
ультразвуковыми излучателями [25, 26], при сочетании термо­компрессионной сварки с ультразвуковой в установках микро­сварки изделий электроники [27].

Опыт работы с ультразвуковыми преобразователями маг- нитострикционного типа показывает, что для устойчивого управ­ляемого излучения преобразователем ультразвука на резонанс­ной частоте с амплитудой, достаточной для осуществления сварочных процессов, ультразвуковой инструмент не должен иметь просверленных отверстий и других нарушений сплош­ности, а также съемных наконечников нерасчетной (произволь­ной) длины. Эти требования особенно важны в условиях термо­ультразвуковой сварки фторполимеров, когда температура ин­струмента в процессе сварки достигает 400°С.

Рациональным способом совмещения контактного нагрева с ультразвуковым воздействием является радиационный или индукционный нагрев ультразвукового инструмента стандартной расчетной формы и его опоры с передачей этого тепла контакт­ным способом свариваемым деталям.

В качестве рабочего элемента конструкций нагревателей радиационного типа может быть применена электроспираль сопротивления, нихромовая полоса или лента из друг их высоко­омных сплавов. Такие нагреватели просты в изготовлении, заданную температуру можно поддерживать, изменяя напряже­ние их питания или путем отключения напряжения блоком регулирования температуры. В целях повышения надежности работы электрической спирали напряжение ее питания обычно должно быть пониженным (24-36 В), при этом диаметр проволо­ки спирали выбйрают в пределах 0,8-2 мм (рис. 4.1).

Со стороны, обращенной к ультразвуковому инструменту, устанавливают экран из хорошо проводящего тепло ма териала,

Рис. 4.1. Конструкция радиационного электронагревателя ультразвукового инструмента-волновода ножевого типа: /-сварной теплозащитный кожух; 2 электроспи­раль сопротивления; 3 теплопроводный экраи

Рис. 4.2. Варианты крепления нагревателя к сварочной головке:

Г корпус сварочной головки; 2-крепежный хомут; 3 крепежная скоба; 4 - ультразвуковой ши-іру мент-

Волновод; 5 электронагреватель

Х Рис. 43. Опорный ролик с односторонним обогревом: / опорный ролик; 2- вал привода вращения ролика; 3 спираль электронагревателя: 4 корпус нагревателя; 5 кронштейн крепления нагревателя Рис. 4.4. Ленточный пихромовый нагреватель: У-корпус сварочной головки; 2-кольцо крепления; 3 - ультразвуковой инструмент-волновод; 4-полоса (проволока) из высокоомного металла (нихром)

\\\\^

Например слюды или керамики, с наружной стороны нагреватель защищают асбестовой оболочкой, заключенной в стальной кожух. В процессе работы нагреватель не должен контактировать с инструментом, поэтому кронштейн для его закрепления связы­вают с корпусом ультразвукового преобразователя или диафраг­мой трансформатора колебаний. Ультразвуковые колебания, попадая на электросгшраль, находящуюся при температуре 800-900°С, мгновенно разрушают ее. Варианты крепления нагре­вателя к сварочной головке показаны на рис. 4.2. Для поддержания температуры инструмента постоянной в заданных пределах при сварке по схеме напротяг нагреватель должен обладать достаточной температурной инерцией, т. е. должен быть массивным. В противном случае температура инструмента при непрерывной сварке вследствие постоянного контакта инструмента со все новыми слоями свариваемого материала снижается, что отрицательно сказывается на качестве сварного соединения. Электрическая мощность нагревателя рассчитывается по теплоемкости материала и его теплосодержа­нию, определяемому температурой сварки и объемом разогре­ваемого материала. Нагреватели опорного элемента, а также нагреватели для сварки трубопроводов в конструктивном отношении аналогичны нагревателям для разогрева ультразвукового инструмента. При использовании вращающейся опоры для сварки напротяг элект­рическую спираль размещают на неподвижных частях корпуса

Я-я

$

У1

Ь-6мм

ЧУ

/ магнитострикционный преобразователь; 2 трансформатор упругих коле­баний; З - диафрагма крепления акустической системы; 4 корпус сварочной головки (бачок); 5-гайка; 6 сменный рабочий инструмент-волновод

С одной или двух сторон вращающегося опор­ного ролика (рис. 4.3). Кольцевые же нагре­ватели для сварки фторопластовых трубопро­водов выполняют в виде расположенного по окружности трубы набора прямолинейных стержней, подвижно соединенных между собой.

При сварке пленочных плавких фторо­пластов возможно также применение нагре­вателей в виде нихромовой полосы с попе­речным сечением, обеспечивающим ей сохра­нение жесткости в процессе работы в нагретом состоянии. Полосу помещаюг между рабочим торцом ультразвукового инструмента и сва­риваемой деталью, передавая к зоне соединения и ультразвуковые колебания, и сварочное дав­ление от инструмента. Такие нагреватели надежны в работе, однако требуют тщательного экспериментального подбора на­пряжения питания в зависимости от скорости сварки (рис. 4.4).

Ультразвуковая сварочная головка (рис. 4.5) включает маг­нитострикционный преобразователь 1 из никеля или железо­кобальтового сплава пермендюра толщиной 0,15 0,2 мм, транс­форматор упругих колебаний 2, обычно выполняемый из стали с достаточно высокими упругими характеристиками (например, сталь 30ХГСА, 40Х и др.), ультразвуковой сварочный инстру­мент-волновод 6 ножевого типа. В плоскости с нулевым смеще­нием трансформатора упругих колебаний 2 располагаю! диа­фрагму 3, с помощью которой вся акустическая система крепится к корпусу 4, выполняемому в виде охлаждающего бачка и жестко связанного с силовыми элементами сварочной установки. Диа­фрагма, как правило, выполняется заодно с. трансформатором упругих колебаний, а ее расположение рассчитываю! по специ­альным формулам для избежания акустических потерь. Магни­тострикционный преобразователь соединяют с трансформато­ром упругих колебаний путем пайки твердыми припоями (ПСр-40, ПСр-45) либо склеивают эластичными термостойкими клеями. На стержнях преобразователя укладывают электриче­скую обмотку с рассчитанным числом витков.

Собственно расчет ультразвуковой сварочной головки вклю­чает определение резонансной длины элементов головки при выбранной предварительно частоте ультразвуковых колебаний и поперечных размерах преобразователя, определяемых необхо­димой мощностью акустической системы, а также приблизн і ель-

Ный расчет электрических параметров обмотки.

Рассмотрим методику расчета на примере магнитострикционного преобра­зователя с резонансной частотой 20 кГц и шириной пластины 30 мм (пластина изготовлена из никеля Н1). Длину пакета (резонансную длину) магнитострикци­онного преобразователя можно рассчитать по формуле [28]

/ = —Ь/4 ± у/Ь2/16 + с2/4/2,

Где /-длина пакета; 6-ширина пластины; с-скорость распространения звука в материале;/-выбранная частота.

Резонансная длина преобразователя Ь, рассчитанная по приведенной выше формуле, составила 12,2 см.

Число витков обмотки магнитостриктора определяют по формуле

N = 108 С// (4,44/85),

Где /-рабочая частота преобразователя, кГц; 5-площадь поперечного сечения стержня, см2; и - возбуждающее напряжение, В; В - индукция, при которой наступает насыщение материала, Тс.

Для обеспечения оптимального режима работы генератора напряжение возбуждения выбирают равным 250 В“. Индукцию В определяют графически; В = 5500 Тс

N = 250* 108/(4,44-20000-5500 3) = 17.

Силу тока возбуждения определяют по уравнению

/в = Рэ/и = 1,78 А

(здесь Рэ - подводимая электрическая мощность), силу тока поляризации (под - магничивания) по уравнению

/„ = Н01/(0,8тгЛО - (Яо/79,6)/(0,8т^)- Ш"2,

Где Н0 - напряженность магнитного поля; ЛГ - число витков обмотки на стержнях; /-средняя длина пакета.

Сечение провода 5П выбирают в зависимости от силы суммарного тока

/о = V'» + /п.

Тогда

5П = /0/Л,

Где А-допустимая плотность тока, равная 2,5-3,0 А/мм2.

Звеном, соединяющим магнитострикционный преобразователь с рабочим инструментом-волноводом, является трансформатор упругих колебаний, кото­рый служит для передачи колебаний инструменту-волноводу, а также для согласования параметров преобразователя и волновода.'

Резонансная длина трансформатора упругих колебаний может быть опреде­лена по формуле

/, = {пс/2/)у/ + [1п Ку/(2тш)]2,

Где «-число полуволн, укладывающееся на длине стержня; с-скорость звука в металле; Ку - коэффициент усиления амплитуды.

Исходя из геометрических размеров преобразователя (рис. 4.6), выбирают входной и выходной диаметры трансформатора упругих колебаний 01 и /)2. При круглом сечении трансформатора

Ку = Р,/02

Положение узла смещения Х0 определяется по формуле

*0 = (/,/я) агОД(1п Ку/я).

Трансформатор упругих колебаний присоединяют к излучающей поверх­ности преобразователя, накладывают обмотку и производят подготовку его по

Рис. 4.6. Магнитострикционный преобразователь: 1-накладки; 2-стержень; 3-окно

Рис. 4.7. Ультразвуковой инструмент-волновод ножевого типа

Частоте путем сошлифовки выходного торца трансформатора упруг их колебаний.

Расчет длины рабочих инструментов волноводов выполняют аналогично расчету резонансной длины трансформатора упругих колебаний, а изменение толщины инструмента-волновода (рис. 4,7) ножевого типа прямоугольного сечения рассчитывают, исходя из текущей площади Рх:

Где р = 1п Ку//Э; X-расстояние от начала (большого торца волновода) до рассматриваемого сечения; /э-длина волновода.

При этом

К, =

Где и Рг-площади сечений входного и выходного торцов.

Затем составляется таблица, по которой находят площадь для ножевого волновода прямоугольной формы через каждые 10 мм:

X $Х е~ ^ = F1^> ах = 1- х! Ь

Примечание, а-изменяющаяся сторона волновода, Ь - не изменяющаяся.