УСТРОЙСТВО ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СВАРКИ

Полезная модель относится к техническим средствам механизации технологических процессов сварки, в том числе получения многослойных соединений и аддитивного производства.
Известно устройство для ультразвуковой сварки, содержащее станину, на которой установлена опора для сварки, ультразвуковую головку, содержащую помещенный в корпус ультразвуковой преобразователь с волноводной системой, концентратор, на конце которого установлен сварочный наконечник, опору для ультразвуковой головки и устройство создания давления, в качестве которого использовано пневматическое устройство (см. патент РФ №2301731 C1, В23К 20/10, опубл. 2007 г.).
Недостатками указанного выше известного устройства является сложность конструкции механизма создания давления и отсутствие возможности получения многослойных сварных соединений.
Известно устройство, принятое в качестве прототипа, которое состоит из одного ультразвукового преобразователя, соединенного с волноводом, кронштейна, поддерживающего ультразвуковой преобразователь с волноводом. К верхней поверхности волновода приложена сила, при этом волновод выполнен в виде ролика с одной сварочной областью и двумя узловыми областями, которые находятся по обе стороны от зоны сварки. При этом преобразователь соединен с волноводом с помощью диафрагменной пружины, соединенной с роликовым подшипником (см. патент США №2011/0220292А1, В29С 65/08, В32В 37/06, опубл. 2011 г.).
Недостатками известного устройства являются сложность конструкции, а именно, наличие механизма соединения преобразователя с волноводом, большие акустические потери в этом соединении и, как следствие, повышенные затраты энергии.
Технической задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является упрощение конструкции устройства при повышении эффективности сварки и снижении энергетических затрат.
Указанный результат достигается тем, что в известном устройстве для ультразвуковой сварки, содержащем ультразвуковой преобразователь, соединенный с волноводом, кронштейн, поддерживающий ультразвуковой преобразователь с волноводом, к верхней поверхности которого приложена сила, при этом волновод выполнен в виде вала с роликом в зоне сварки и двумя кольцевыми проточками, которые выполнены по обе стороны от зоны сварки в качестве опоры кронштейна, согласно полезной модели ультразвуковой преобразователь с волноводом закреплены в кронштейне консольно и выполнены с возможностью совместного осевого вращения благодаря жесткой связи между ними, при этом волновод выполнен в виде сплошного ступенчатого вала длиной, равной длине λ звуковой волны в материале волновода, при этом ролик расположен в средней части волновода и имеет ширину, равную λ/16, а кольцевые проточки выполнены на расстоянии λ/4 от каждого из концов вала и имеют ширину λ/16, причем диаметр ролика больше, а глубина проточек меньше диаметра вала на 5-10% его диаметра.
На решение технической задачи направлено и то, что электропитание преобразователя осуществлено с помощью токосъемника.
Предлагаемое устройство поясняется чертежами, где на фиг. 1 схематично изображено устройство для ультразвуковой сварки, а на фиг. 2 схематично представлена конструкция волновода.
На чертеже фиг. 1 приняты следующие обозначения: Р - усилие прижима, n - направление вращения волновода, ξ - амплитуда колебаний.
На фиг. 2 принято следующее обозначение: λ - длина звуковой волны в материале волновода.
Устройство для ультразвуковой сварки содержит ультразвуковой преобразователь 1, соединенный с волноводом 2 и поддерживающий их совместно кронштейн 3. К верхней поверхности кронштейна 3 приложена сила Р. Волновод 2 выполнен в виде вала с роликом 4 в зоне сварки и двумя кольцевыми проточками 5, последние выполнены по обе стороны от зоны сварки в качестве опоры кронштейна 3. При этом ультразвуковой преобразователь 1 с волноводом 2 выполнены с возможностью совместного вращения благодаря наличию жесткой связи между ними и консольному закреплению ультразвукового преобразователя 1 с волноводом 2 в кронштейне 3 на подшипниках 6. Волновод 2 выполнен в виде сплошного ступенчатого вала длиной, равной длине А звуковой волны в материале волновода, ролик 4 расположен в средней части волновода 2 и имеет ширину, равную λ/16, а кольцевые проточки 5 выполнены на расстоянии λ/4 от каждого из концов вала и имеют ширину λ/16 (см. фиг. 2). Причем диаметр ролика 4 больше, а глубина проточек 5 меньше диаметра вала на 5-10% его диаметра. Для сварки элементы свариваемого соединения 7 размещаются на основании 8.
Предлагаемое устройство для ультразвуковой сварки работает следующим образом.
На основании 8 размещаются элементы свариваемого соединения 7. Кронштейн 3 под действием усилия прижима Р прижимает волновод 2, соединенный с преобразователем 1, к элементам свариваемого соединения 7. При включении ультразвукового преобразователя 1 через волновод 2 продольные колебания с амплитудой £ передаются элементам свариваемого соединения 7. Под действием продольных колебаний с амплитудой ξ в элементах свариваемого соединения 7 образуются сдвиговые перемещения. В результате этого в месте контакта элементов свариваемого соединения 7 разрушается оксидная пленка, возникает пластическая деформация и тепловыделение, которого достаточно для диффузионного проникновения молекул одного металла в другой. Происходит сварка элементов свариваемого соединения 7. Для образования протяженного сварного шва преобразователь 1 с волноводом 2 имеют возможность вращения.
Жесткая связь между преобразователем 1 и волноводом 2, а также то, что волновод 2 выполнен в виде сплошного ступенчатого вала позволяет добиться минимизации потерь энергии. Расположение сварочного ролика 4 в середине волновода 2 (на расстоянии λ/2 от концов волновода 2) выполнено для того, чтобы он находился в пучности колебаний, и передаваемая соединению 8 амплитуда ξ колебаний была наибольшей. Ширина ролика 4, равная λ/16, обеспечивает минимальное изменение амплитуды на поверхности ролика 4.
На кольцевых проточках 5 амплитуда ξ колебаний равна 0, что позволяет избежать передачи колебаний на кронштейн 3 и снизить механические потери. Диаметр проточек 5 выполнен меньше диаметра вала на величину 0,05-0,1 диаметра волновода 2 для фиксации опор кронштейна 3. Глубина проточек 5 и высота ролика 4 выбраны с учетом минимизации изменения амплитуды % в области проточек 5 и ролика 4.
Таким образом, устройство для ультразвуковой сварки имеет упрощенную конструкцию, позволяет повысить эффективность сварки и снизить энергетические затраты.