Введение

Ультразвуковая сварка — это промышленный процесс, при котором высокочастотные ультразвуковые акустические колебания локально воздействуют на детали, удерживаемые под давлением, для создания сварного соединения в твердом состоянии. Она широко применяется для сварки пластмасс и металлов, особенно для соединения разнородных материалов. В процессе ультразвуковой сварки не требуется использование крепежных элементов, таких как болты, гвозди, припой или клеи, для соединения материалов. При сварке металлов температура остается значительно ниже температуры плавления используемых материалов, что предотвращает возникновение нежелательных свойств, связанных с воздействием высоких температур.

История

Практическое применение ультразвуковой сварки для жестких пластмасс было завершено в 1960-х годах. На тот момент можно было сваривать только твердые пластмассы. Патент на ультразвуковой метод сварки жестких термопластичных деталей был выдан Роберту Солоффу и Сеймуру Линсли в 1965 году. Солофф, основатель компании Sonics & Materials Inc., был менеджером лаборатории в Branson Instruments, где тонкие пластиковые пленки сваривались в мешки и трубки с помощью ультразвуковых зондов. Он случайно поднес зонд близко к пластиковому держателю ленты и заметил, что половинки держателя сварились вместе. Он понял, что зонд не нужно перемещать вручную по детали, а ультразвуковая энергия может проходить сквозь и вокруг жестких пластмасс, сваривая целое соединение. Первый автомобиль, полностью изготовленный из пластика, был собран с помощью ультразвуковой сварки в 1969 году. Преимущество ультразвуковой сварки заключается в отсутствии времени сушки, как при использовании традиционных клеев или растворителей, поэтому детали не нужно удерживать в приспособлении дольше, чем необходимо для охлаждения сварного шва. Сварка легко автоматизируется, обеспечивая чистые и точные соединения; место сварки остается очень чистым и редко требует дополнительной обработки. Небольшое термическое воздействие на материалы позволяет сваривать большее количество различных материалов. Этот процесс является хорошей автоматизированной альтернативой клею, винтам или конструкциям со штифтовым соединением. Ультразвуковая сварка обычно используется для небольших деталей (например, мобильных телефонов, бытовой электроники, одноразовых медицинских инструментов, игрушек и т.д.), но может применяться и к деталям размером с небольшую приборную панель автомобиля. Ультразвук также может использоваться для сварки металлов, но обычно ограничивается небольшими сварными швами тонких, пластичных металлов, таких как алюминий, медь и никель. Ультразвук не подходит для сварки автомобильных шасси или деталей велосипеда из-за требуемых уровней мощности.

Приложения

Применение ультразвуковой сварки широко распространено и встречается во многих отраслях промышленности, включая электротехническую и компьютерную, автомобильную и аэрокосмическую, медицинскую и упаковочную. Возможность ультразвуковой сварки двух деталей определяется их толщиной. Если детали слишком толстые, этот процесс не обеспечит их соединение. Это основное препятствие при сварке металлов. Однако провода, соединения микросхем, листовой металл, фольга, ленты и сетки часто соединяются с помощью ультразвуковой сварки. Ультразвуковая сварка – очень популярная технология для соединения термопластов. Она быстрая и легко автоматизируется, время сварки часто составляет менее одной секунды, и не требуется система вентиляции для отвода тепла или вредных газов. Этот вид сварки часто используется для сборки изделий, которые слишком малы, слишком сложны или слишком деликатны для более распространенных методов сварки.

Компьютерная и электротехническая промышленность

В электрической и компьютерной промышленности ультразвуковая сварка часто используется для соединения проводников и создания соединений в небольших, деликатных схемах. Соединения жгутов проводов часто выполняются с помощью ультразвуковой сварки. Жгуты проводов – это большие группы проводов, используемые для распределения электрических сигналов и энергии. Электродвигатели, обмотки возбуждения, трансформаторы и конденсаторы также могут быть собраны с помощью ультразвуковой сварки. Она также часто предпочтительна при сборке запоминающих устройств, таких как флеш-накопители и компьютерные диски, из-за больших требуемых объемов производства. Установлено, что ультразвуковая сварка компьютерных дисков имеет время цикла менее 300 мс.

Одной из областей, где ультразвуковая сварка наиболее широко используется и где сосредоточены новые исследования и эксперименты, является микроэлектроника. Она также применяется для соединения проводов и лент, а также целых чипов с микросхемами. Примером применения микроэлектроники являются медицинские датчики, используемые для мониторинга сердечной деятельности у пациентов, перенесших шунтирование. Одно из отличий ультразвуковой сварки от традиционной сварки – способность соединять разнородные материалы. Сборка компонентов аккумуляторов является хорошим примером, где эта возможность используется. При создании компонентов аккумуляторов и топливных элементов тонкие соединения из меди, никеля и алюминия, фольгированные слои и металлические сетки часто свариваются ультразвуковым способом. Поскольку пластик продолжает заменять другие материалы в проектировании и производстве автомобилей, сборка и соединение пластиковых компонентов становится все более важной задачей. К преимуществам ультразвуковой сварки относятся короткий цикл, автоматизация, низкие капитальные затраты и гибкость. Ультразвуковая сварка не повреждает поверхностную отделку, поскольку высокочастотные вибрации предотвращают образование следов, что является важным фактором для многих автопроизводителей. Учитывая широкое использование алюминия в аэрокосмической промышленности, ультразвуковая сварка является важным производственным процессом. С появлением новых композитных материалов ультразвуковая сварка становится все более распространенной. Она используется для соединения популярного композитного материала – углеродного волокна. Проведено множество исследований для определения оптимальных параметров, обеспечивающих качественную сварку этого материала.

Медицинская промышленность

В медицинской промышленности ультразвуковая сварка часто используется, поскольку она не вносит загрязнений и не вызывает деградации материала в зоне сварки, а оборудование может быть адаптировано для работы в чистых помещениях. Этот процесс также может быть высоко автоматизирован, обеспечивает точный контроль над геометрическими допусками и не влияет на биосовместимость деталей. Таким образом, повышается качество изделий и снижаются производственные затраты. Ультразвуковая сварка применяется для изготовления таких изделий, как артериальные фильтры, фильтры для анестезии, фильтры крови, внутривенные катетеры, трубки для диализа, пипетки, резервуары для кардиометрии, фильтры для крови/газов, маски для лица и наконечники/фильтры для внутривенных инфузий. Важным направлением применения ультразвуковой сварки в медицине является работа с текстилем. С помощью ультразвуковой сварки можно герметично соединять и сшивать больничные халаты, стерильную одежду, маски, трансдермальные пластыри и текстильные материалы для чистых помещений. Это предотвращает загрязнение, образование пыли и снижает риск инфицирования.

Опаковочная промышленность

Ультразвуковая сварка часто используется в упаковочных приложениях. Многие распространенные изделия создаются или упаковываются с использованием ультразвуковой сварки. Герметизация контейнеров, туб и блистерных упаковок – распространенные области применения. Ультразвуковая сварка также применяется при упаковке опасных материалов, таких как взрывчатые вещества, фейерверки и другие реакционноспособные химические вещества. Эти изделия, как правило, требуют герметичной упаковки, но не могут подвергаться воздействию высоких температур. Другой пример – упаковка боеприпасов и порохов. Эти упаковки должны выдерживать высокое давление и напряжение для защиты потребителя от содержимого. В пищевой промышленности ультразвуковая сварка предпочтительнее традиционных методов соединения, поскольку она быстрая, гигиеничная и позволяет создавать герметичные швы. Контейнеры для молока и сока – примеры продуктов, которые часто герметизируются с помощью ультразвуковой сварки. Бумажные части, подлежащие герметизации, покрываются пластиком, обычно полипропиленом или полиэтиленом, а затем свариваются вместе для создания герметичного шва.

Безопасность

Опасности ультразвуковой сварки включают воздействие высоких температур и напряжений. Для предотвращения травм необходимо эксплуатировать данное оборудование, соблюдая правила безопасности, указанные производителем. Например, операторам запрещается подносить руки или другие части тела к сварочному наконечнику во время работы машины. Кроме того, операторы должны быть обеспечены средствами защиты органов слуха и защитными очками. Операторы должны быть ознакомлены с нормативными требованиями государственных органов, касающимися ультразвукового сварочного оборудования, и эти требования должны соблюдаться. Ультразвуковые сварочные аппараты требуют регулярного технического обслуживания и осмотра. Для проведения технического обслуживания может потребоваться снятие панелей, кожухов и защитных ограждений.