УСТРОЙСТВО УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СВАРКИ (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится области ультразвуковой сварки, преимущественно термопластичных материалов, и может быть использовано в различных областях народного хозяйства.
Известно, что одно из основных требований, предъявляемых к оборудованию для ультразвуковой (УЗ) обработки, в том числе и сварки, является обеспечение условий повторяемости параметров технологического процесса от цикла к циклу. Сложность выполнения этого требования обусловлена тем, что процессы УЗ обработки весьма чувствительны к воздействию большого числа различного рода дестабилизирующих факторов. [Петушко И.В. Оборудование для ультразвуковой сварки - СПб: «Андреевский издательский дом», 2007. Стр. 45-46, Рис. 1.15] Для решения этой задачи используются различные системы авторегулирования и стабилизации режимов сварки.
Известно устройство управления процессом ультразвуковой сварки с автоматической подстройкой частоты [Петушко И.В. Оборудование для ультразвуковой сварки - СПб: «Андреевский издательский дом», 2007. Стр. 49-50. Рис 1.17], содержащее ультразвуковой генератор (УЗГ), колебательную систему (КС), датчик колебаний и цепь автоматической подстройки частоты (АПЧ), включенную между датчиком и генератором.
Недостатком этого устройства является недостаточно высокое качество сварных соединений, вызываемое нестабильностью температурного режима зоны сварки от цикла к циклу, связанное с изменением температуры сварочного инструмента. Еще один недостаток - низкий КПД, обусловленный избыточной энергией поступающей в зону сварки при нагреве инструмента.
Известно также устройство для реализации способа управления процессом ультразвуковой сварки со стабилизацией амплитуды механических колебаний сварочного инструмента, содержащее ультразвуковой генератор (УЗГ), колебательную систему (КС) с датчиком обратной связи и блок стабилизации амплитуды, включенный между датчиком и генератором [Петушко И.В. Оборудование для ультразвуковой сварки - СПб: «Андреевский издательский дом», 2007. Рис. 1.21, стр 52-55].
Недостатками этого устройства также являются недостаточно высокое качество сварных соединений, вследствие нестабильности температурного режима зоны сварки от цикла к циклу, связанное с изменением температуры сварочного инструмента. Также, это устройство имеет низкий КПД, обусловленный избыточной энергией поступающей в зону сварки при нагреве волновода-инструмента.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому (прототип), является устройство с автоматическим управлением электрической энергией, подводимой к колебательной системе, с изменением амплитуды механических колебаний инструмента в процессе сварки [Петушко И.В. Оборудование для ультразвуковой сварки - СПб: «Андреевский издательский дом», 2007. Рис. 1.25, стр 59-62]. Устройство содержит управляемый ультразвуковой генератор, колебательную систему с волноводом-инструментом и датчиком механических колебаний и блок автоматического управления энергией, включенный между датчиком и управляемым входом генератора.
Во время работы управляемого ультразвукового генератора в этом устройстве производится изменение амплитуды механических колебаний посредством изменения формы огибающей сварочного импульса. То есть производится автоматическое изменение энергии подводимой к зоне сварки.
Недостатком такого устройства является недостаточно высокое качество сварных соединений и невысокий КПД. При работе такого устройства температурный режим сварочного инструмента зависит от производительности, то есть при увеличении объема сварочных работ в единицу времени инструмент нагревается, а с уменьшением - температура инструмента стремится к температуре окружающей среды. Электрическая мощность, подводимая к колебательной системе, в процессе сварки изменяется только в соответствии с заданной формой огибающей сварочного импульса и не зависит от температурных режимов сварочного инструмента и зоны сварки. Поскольку образование сварного соединения связано с количеством подводимой в зону сварки механической ультразвуковой и тепловой энергии, то изменение последней приводит к дестабилизации режимов технологического процесса и, вследствие этого, снижается качество сварного соединения. Например, при увеличении температуры волновода-инструмента наблюдается «провар» соединения, особенно при сварке термопластичных синтетических материалов.
Та же причина обуславливает невысокий КПД устройства, поскольку при нагреве волновода-инструмента в зону сварки поступает избыточная энергия.
Задача, решаемая предлагаемой полезной моделью - создание устройства ультразвуковой сварки, обеспечивающего высокое качество сварных соединений и имеющего более высокий КПД.
Достигаемый технический эффект - стабилизация энергии, подводимой к зоне сварки.
Указанный технический эффект достигается при реализации двух вариантов предлагаемого устройства ультразвуковой сварки.
Вариант первый: указанный эффект достигается тем, что в известном устройстве ультразвуковой сварки, содержащем управляемый ультразвуковой генератор, соединенную с ним колебательную систему с волноводом-инструментом, датчик механических колебаний и блок автоматического управления энергией, включенный между датчиком и генератором, в отличие от известного, колебательная система снабжена датчиком температуры волновода-инструмента, выход которого подключен к входу блока автоматического управления энергией.
Вариант второй: указанный эффект достигается тем, что в известном устройстве ультразвуковой сварки, содержащем управляемый ультразвуковой генератор, соединенную с ним колебательную систему с волноводом-инструментом, датчик механических колебаний и блок автоматического управления энергией, включенный между датчиком и генератором, в отличие от известного, дополнительно содержит фазочастотный детектор, вход которого подключен выходу к датчика механических колебаний, а выход - к входу блока автоматического управления энергией. Между фазочастотным детектором и блоком управления энергией может быть последовательно включен детектор последовательности импульсов.
Предлагаемые варианты полезной модели являются новыми, поскольку в существующем уровне техники не известны характеризующие ее совокупности существенных признаков. Отличия предлагаемого решения от известных - новые сочетания элементов и их взаимосвязей.
Сущность предлагаемых вариантов полезной модели поясняется фиг. 1, 2 и описанием работы устройств. На фигурах представлены блок-схемы предлагаемых вариантов, где
1 - управляемый ультразвуковой генератор;
2 - колебательная система;
3 - волновод-инструмент;
4 - датчик механических колебаний;
5 - блок автоматического управления энергией;
6 - температурный датчик;
7 - свариваемые детали;
8 - фазочастотный детектор;
9 - детектор последовательности импульсов.
Первый вариант предлагаемого устройства работает следующим образом. При включении ультразвукового генератора 1 электрическое напряжение ультразвуковой частоты поступит к колебательной системе 2, преобразующей электрическую энергию в механическую, которая через волновод-инструмент 3 передается в зону сварки деталей 7.
Цепь обратной связи, состоящая из датчика 4 механических колебаний и блока 5 автоматического управления энергией, осуществляет заданное управление генератором 1 любым известным способом, например, автоматической подстройкой частоты или автоматической подстройкой амплитуды механических колебаний сварочного волновода-инструмента 3. В процессе работы с течением времени температура инструмента-волновода 3 начинает увеличиваться. Этот нагрев обусловлен потерями на внутреннее трение в волноводе-инструменте и теплообменом между зоной сварки и инструментом-волноводом. Температурный датчик 6 преобразует тепловой сигнал в электрический. Этот электрический сигнал поступает на вход блока 5 автоматического управления энергией, который управляет выходной энергией ультразвукового генератора. Схема авторегулирования обеспечивает уменьшение механической энергии, подводимой в зону сварки волноводом-инструментом 3 при повышении температуры и увеличение - при снижении температуры. Таким образом в зону сварки будет стабильно подводится оптимальное количество энергии необходимой для создания качественного сварного соединения. Обеспечивается стабилизация энергии, подводимой к зоне сварки. Поэтому исключаются «перевары» сварного соединения, что обеспечивает высокое качество соединения, и, соответственно, повышается КПД устройства.
Блок 4 автоматического управления энергией может быть выполнен в виде различных известных устройств, например, регулятора выходной электрической мощности генератора или регулятора длительности ультразвукового сварочного импульса.
Второй вариант предлагаемого устройства работает следующим образом. Фазочастотный детектор 8, подключенный между датчиком механических колебаний 4 волновода-инструмента 3 и блоком автоматического управления энергией 5, образуют блок, выполняющий функцию, аналогичную функции датчика температуры 6. В этом случае поступающий на вход блока 5 сигнал обратной связи, несет информацию только об изменении температуры волновода-инструмента 3 - из него исключается составляющая, зависящая от изменения акустического сопротивления зоны сварки. Фаза и частота электрического сигнала с датчика механических колебаний 4 зависят от изменения резонансной частоты колебательной системы 2, которое в свою очередь, в общем случае вызвано двумя факторами: изменением акустического сопротивления зоны сварки и изменением температурного режима волновода-инструмента 3.
При непрерывной сварке влияние акустического сопротивления зоны сварки постоянно, поэтому электрический сигнал, поступающий с датчика 4 механических колебаний и преобразованный с помощью фазочастотного детектора 8 в напряжение управления несет информацию только об изменении температурного режима волновода-инструмента 3. Сигнал управления, поступающий с выхода фазочастотного детектора 8 через блок 4, управляет энергией генератора 1, например, его выходной мощностью.
Конкретный случай выполнения второго варианта предлагаемого устройства - когда между фазочастотным детектором и блоком управления энергией последовательно включен детектор последовательности импульсов, является предпочтительным для применения при импульсной сварке. При импульсной сварке влияние акустического сопротивления на колебательную систему 2 не постоянно, поэтому частота механического резонанса колебательной системы является не только функцией температуры инструмента-волновода 3, но зависит и от акустического сопротивления зоны сварки.
В этом случае сигнал с выхода фазочастотного детектора 8 поступает на вход блока 5 управления, через детектор 9 последовательности импульсов. На входе детектора 9 последовательности импульсов сигнал имеет форму видеоимпульсов, амплитуда которых не постоянна, как в течение длительности импульса, так и от импульса к импульсу. Детектор 9 последовательности импульсов преобразует этот сигнал в напряжение управления, представляющего собой огибающую последовательность импульсов [Радиоприемные устройства на полупроводниковых приборах. Под ред. Р.А. Валитова, А.А. Куликовского. - «Советское радио», М., 1968, с. 80.]. Таким образом, на вход блока 5 управления энергией поступает сигнал, несущий информацию только об изменении температуры волновода-инструмента 5 от импульса к импульсу. В результате, в зону сварки будет стабильно подводится оптимальное количество энергии необходимой для создания качественного сварного соединения. Обеспечивается стабилизация энергии, подводимой к зоне сварки, то есть, достигается указанный технический эффект.
Промышленная применимость предлагаемой полезной модели очевидна - любая область деятельности. Очевидно также, что предлагаемое устройство может быть изготовлено известными средствами по известным технологиям из известных материалов, аналогично устройствам аналогам и прототипу. Предлагаемые варианты устройства ультразвуковой сварки позволяют получать сварные соединения высокого качества, а также имеют более высокий КПД вследствие оптимизации энергии, подводимой к зоне сварки.