Обработка металлов ультразвуковыми волнами активно продвигалась еще во времена Советского Союза, когда лазерный луч лишь готовился пойти в ясли. Правда, рассматривались высокочастотные волны несколько однобоко – с разрушительной точки зрения. И даже известный белорусский физик, господин Шиляев, посвятивший всего себя внедрению различных научно-технических достижений в производство, на своих лекциях нередко рассуждал именно о разрушительной силе ультразвука.
О созидательных возможностях ультразвуковой обработки производственники заговорили сравнительно недавно. В 2006 году известная аналитическая компания Frost & Sullivan опубликовала анализ рынка сварочных агрегатов. Ультразвуковое оборудование американские эксперты затронули почему-то исключительно поверхностно, подчеркнув лишь внушительный рост прибыли от продаж. Междустрочный прогноз на будущее был однозначным: популярность в силу универсальности, хотя прямого заявления не последовало. И действительно: сегодня прибыль от продажи оборудования для ультразвуковой сварки превышает $700 млн. против $333 млн. по данным 1999 года. И здесь возникает парадокс: продажи растут даже на территории России, о чем свидетельствует растущая масса продавцов, а реального внедрения на производство не происходит, несмотря на обещанную универсальность. И причин тут две: технологическая и традиционная экономическая, причем вторая по большей части вытекает из первой.
Никель или пермендюр
Сердцем установке для ультразвуковой обработки служит пьезокерамический или более популярный магнитострикционный узел, преобразующий электрическую энергию питания в механические волны высокой частоты. Важным компонентом преобразователя является ферримагнитный сплав с большой магнитной проницаемостью. Электрическое поле при критической для вещества температуре (точке Кюри) вызывает некоторую деформацию, инициирующую механические колебания. Производство ферромагнетиков, к которым относится и сталь, не требует затратных техпроцессов и особенного оборудования, здесь проблема другого плана. Легкодоступные ферромагнитные соединения и металлы обладают высокой точкой Кюри, а значит, требуют для работы в магнитострикционном узле дополнительного нагрева. Сплавы же с низкой критической температурой плохо поддаются пайке и сварке. В результате производственники часто останавливаются на «золотой середине», выбирая в качестве рабочего ферромагнетика обычный никель, хотя пермендюр (железо-кобальтовый сплав) по выходным характеристикам подходит намного лучше.
Решающую роль сыграла упрощенная обработка и повышенная антикоррозионная устойчивость, хотя никель, по словам авторов трактатов во славу ультразвукового оборудования, обладает «хорошим» удлинением. Чувствуете этот оттенок увиливания? Свойства никеля действительно хороши, но для точечной сварки. Когда речь заходит о шовном соединении потребляемая мощность достигает уровня профессионального углеродного лазера, хотя процесс преобразования происходит на атомарном уровне. И если говорить о производительности и предельной толщине заготовки, лазерный луч здесь на полкорпуса впереди.
Форма заготовки – важный фактор
Остальные технологические проблемы обусловлены ограничениями, которые накладывает сам ультразвук. В частности, существует диапазон форм, доступных для соединения данным методом. Дело в том, что форма заготовки играет важную роль в образовании устойчивой колебательной системы. Изменение габаритов и геометрии резонирующих объектов ведет к изменению частоты колебаний, доходящих непосредственно до зоны сварки. Т.о. произвольная форма заготовки запросто может привести к недостаточному проплавлению и даже микротрещинам, обнаружить которые визуально просто невозможно. Конечно, всегда можно выполнить соединение, а затем провести неразрушающий анализ, но сколько потребуется итераций для отладки техпроцесса со сложными заготовками – большой вопрос.
Система неразрушающего контроля пока дорога и ненадежна
Идеальным решениям стала бы система неразрушающего контроля шва в реальном времени, но, к сожалению, созданные прототипы пока слишком дороги и ненадежны. Посему производители оборудования для ультразвуковой сварки тратят огромные деньги на модернизацию своих детищ. Субъективно, наиболее удачным рабочим решением стали резиновые накладки на заготовки, гасящие вибрацию, хотя сегодня на рынке можно встретить прототипы с особым сварочным наконечником, преимуществом которого стала низкая амплитуда колебаний и особая конструкция, предотвращая раннее изнашивание. Кстати, последний пункт – скорее маркетинговое решение. Сварочный наконечник во время работы подвергается воздействию регулярных сильных перепадов температуры и испытывает механические перегрузки, в том числе трение по металлу заготовки. Подобное состояние, именуемое «сложным термомеханическим», приводит к скорому разрушению наконечника и, как следствие, снижению качества сварного шва. Очевидно, что противостоять столь агрессивной рабочей среде практически невозможно. И это не говоря уже о необходимости постоянно зачищать налипающий металл.
Подходит для всех видов материалов – характеристика слишком завышена
Производители оборудования для ультразвуковой сварки облачают означенные недостатки в размытые фразы и уклончивые ответы, предлагая в противовес превращающуюся в фетиш универсальность, которая, впрочем, пала с приходом мирового кризиса. Жесткая экономия средств потребовала пересмотреть программы модернизации производства. Сегодня стоимость установки для непрерывной ультразвуковой сварки приравнивается к стоимости мощного эксимерного лазера, для которого любимая фраза продавцов «подходит для всех видов материалов» работает безо всяких «но». Другое дело, что лазерная сварка полимеров характеризуется некоторыми сложностями, посему пока мало распространена.
Ультразвуковая сварка – идеальное средство для соединения полимеров
Вытесненная из области металлов ультразвуковая сварка стала позиционироваться, как отличное средство соединения полимеров. В доказательство приводятся графики экономии времени и снижения стоимости изделия при переходе с клея на ультразвук. При этом производители умалчивают о некоторых особенностях современного производства. Борьба за ресурсы и стремление сократить уровень отходов вынуждает производителей изыскивать иные методы производства пластмасс, например смешение смолы с древесной мукой для последующего штампования – термореактивные материалы. Их высокая теплостойкость не позволяет использовать ультразвуковое оборудование. Но даже, если мощность колебаний в сварочной ванне когда-нибудь достигнет уровня проникающего лазерного излучения встанет другой вопрос: через сколько окупится переход с клея на оборудование ценою в $50000?
Итак, мы оглянулись назад, взвесили все «за» и «против» в настоящем – осталось представить себе будущее ультразвуковой сварки. И здесь сделать соответствующие выводы сможет каждый. Я лишь подчеркну, что высокочастотная обработка в целом на сегодня остается весьма перспективным направлением, но сварка в частности потерпит фиаско, если не будет разработана подходящая система контроля швов.
