Работа кромки заключается в следующем. После начала сварочного цикла наконечник начинает внедряться в свариваемый металл, который пластически деформируется. После того как сварочный наконечник углубился на расстояние, равное высоте конусной площадки, которая, кстати, выбирается исходя из толщины свариваемого металла, обжимная кромка под действием контактного давления обжимает по периметру резонирующего стержня свариваемые детали.
Рекомендуемая форма наконечника для сварки металлов микротолщин показана на рис. 5, д.
Ряд авторов считает, что состояние поверхности сварочного наконечника является одним из важных факторов, влияющих на образование сварного соединения (на его механическую прочность). Так, например, в работе [2] приведены данные об использовании сварочных наконечников с различной степенью обработки поверхности. Установлено, что при сварке сплавов АМцАМ шлифованным наконечником, сварные соединения обладали низкой прочностью. Удовлетворительные соединения были получены с помощью наконечника, поверхность которого была грубо обработана на наждачном камне. Аналогичные результаты были приведены и в работе [3]. Наилучшие результаты по сварке ряда материалов были получены при использовании сварочного наконечника с шероховатой поверхностью. Обработка экспериментальных результатов позволила прийти к выводу [3], что чем прочнее сцепление сварочного наконечника с деталью, тем интенсивнее передача энергии ультразвука в зону сварки и прочнее сварное соединение.
Однако некоторые приводят противоположные доводы, считая, что в случае шероховатости наконечника потери на соединение уменьшаются, так как шероховатость предотвращает скольжение между наконечником и свариваемыми образцами. Мнение, что обволакивание сварочного наконечника металлом свариваемого изделия способствует передаче энергии, вряд ли справедливо. Дело в том, что при обволакивании исчезает граница раздела между сварочным наконечником и деталью. Исходя из общих принципов распространения плоской волны в твердом теле следует, что потери энергии на границе их раздела в таком случае резко уменьшается. Значит надо предполагать, что источником ультразвуковых колебаний должна являться деталь, сцепившаяся со сварочным наконечником. Поскольку она обладает массой, то это вызывает изменение частоты колебательной системы и выход ее из резонанса. Таким образом оптимальные условия переноса энергии будут нарушены (технологически такое сцепление недопустимо).
Были проведены экспериментальные работы по выявлению влияния степени обработки поверхности сварочного наконечника на механическую прочность соединений при сварке меди М1.
Установлено, что при сварочном наконечнике, обработанном грубым наждачным камнем, среднее разрушающее усилие при испытании образцов Рср = 24 кГ. Внешний вид сварной точки в полной мере соответствует грубо обработанной поверхности наконечника.
В другом случае наконечник был тщательно обработан мелкозернистой наждачной бумагой. При испытании этой группы образцов Рср = 24,5 кГ (по 20 образцам). Существенной разницей между сварными соединениями было состояние наружной поверхности сварной точки: при сварке наконечником с обработанной поверхностью сварная точка имела шлифованный вид.
Таким образом, судить по состоянию поверхности сварной точки о качестве соединения в этом случае было нельзя.
Есть сведения, которые говорят о влиянии материала сварочного наконечника на прочность сварных соединений. В работе [3] приведены результаты об использовании в качестве материала сварочных наконечников сталей: ЭВ, НЖ-1, 45, Р-18, ШХ15 и др. Установлено, что при сварке меди М1, твердость наконечника существенно влияет на прочность соединения.
Б. Б. Золотарев и др. [2] приводят несколько иные данные. Сварочные наконечники были изготовлены из сормайта, сталей ШХ15 и 45. Сваривалась медь М1. Материал наконечника влияния на прочность соединений не оказал.
Можно было бы привести достаточное число примеров, результаты которых исключают друг друга.
Износоустойчивость сварочного наконечника, способность его не свариваться с деталью, которой он передает энергию ультразвука, является в настоящее время одной из основных проблем, в области освоения ультразвука для целей сварки.
При работе сварочный наконечник, как уже было сказано выше, находится в сложном термомеханическом состоянии.
Наконечник одновременно подвержен цикличному термическому нагружению, знакопеременным механическим напряжениям и весьма интенсивному внешнему трению о свариваемый материал. Нагрев наконечника до температуры рекристаллизации свариваемых металлов происходит примерно за 0,5—1,5 сек, а охлаждение после окончания сварки в течение 3—5 сек.
Истирание поверхности сварочного наконечника о свариваемую деталь происходит за счет его возвратно-поступательного движения со скоростью относительного перемещения до 2—4 м/сек и усилия сжатия до 10 кГ/мм2.
Следствием такого взаимодействия на поверхности сварочного наконечника, если не происходит процесса его соединения со свариваемым металлом, начинается его разрушение, т. е. возникновение микротрещин, разрастание их до макроразмеров, выкрашивание кусков металла и т. п. В таких условиях в силу пластического деформирования наружной поверхности свариваемого металла последний как бы запрессовывается в эти трещины. Возникает налипание его на поверхности наконечника. И чем больше и глубже трещины, тем это налипание выражено сильнее.
Одним из важных преимуществ УЗС является возможность получения надежных сварных соединений, обладающих высокими эксплуатационными характеристиками, без предварительной об работки поверхностей перед сваркой.
Мнение исследователей относительно возможности получения соединений в зависимости от материалов и толщин покрытия разделились.
Некоторые исследователи, не отрицая в принципе возможности образования соединений, на основании экспериментальные результатов пришли к выводу, что наличие различного рода покрытий препятствует образованию сварных соединений. Другие считают, что максимально достигаемая прочность соединений вообще не может быть получена на необработанных образцах.
Однако имеются и другие мнения. Были проведены эксперименты, которые указывают на возможность получения равнопрочных сварных соединении металлов с обезжиренными поверхностями и поверхностями, покрытыми жировыми пленками; был сделан вывод, что ультразвуковые соединения могут быть выполнены через многие покрытия, например клейкие вещества, бумагу. Однако при этом требуется несколько больше энергии для сварки.
В одной из работ по этому вопросу высказались вполне определенно. Авторы считают, что независимо от исходного состояния поверхности можно получить высокопрочные соединения с незначительным отклонением его от среднего значения разрушающей нагрузки. Только для получения равнопрочных соединений, по мнению авторов, для образцов с различным состоянием поверхностей необходимо неодинаковое количество энергии ультразвуковых колебаний, поскольку она расходуется не только на деформирование сварной точки, но и на устранение поверхностных пленок. Так, например, для получения соединений одинаковой прочности из меди М1 толщиной b = 1,0 + 1,0 мм на образцах с обезжиренной и протравленной поверхностью необходимо было время сварки 2,3 сек, в то время как на образцах с поверхностью в состоянии поставки листов — 4 сек. При различных временах сварки были получены также одинаковые значения срезающего усилия сварных соединений, полученных из холоднокатаной меди М1 толщиной b= 1,0+ 1,0 мм с обезжиренной поверхностью, травленой и с нанесением на нее слоя из смеси технического вазелина с графитом.
Автором в этом направлении была проведена работа, в результате которой установлено, что характер покрытия и его толщина оказывают значительное противодействие образованию неразъемного соединения металлов.
Таким образом было установлено, что при мощности системы рэл == 4,0 кет и амплитуде сварочного наконечника Acв= 16 мкм возможна сварка металлов, имеющих достаточно толстые пленки естественных окислов. Снижение прочности сварных соединений меди МЗ при испытаниях на срез по сравнению с образцами, протравленными перед сваркой в 50-процентном растворе НМОз, составляет 15—20%; получены удовлетворительные соединения и при сварке металлов с жировыми покрытиями. Прочность соединений при этом снизилась на 10—15%.
Покрытие меди оловом, никелем и цинком дает снижение прочности соединений до 50%. Изменение режима сварки (давления контактного и времени) не улучшает прочностные характеристики соединения.
Были сделаны попытки получить неразъемные соединения из анодированных материалов. Установлено, что анодирование с толщиной пленки 5 мкм резко снижает возможность соединения. Однако анодирование не всегда является препятствием для получения сварного соединения. Так, например, была получена сварка анодированной танталовой фольги толщиной 14 мкм и толщиной пленки 1,5 — 2 мкм. Разрушение во всех случаях (20 образцов) происходило по основному металлу.