Ультразвуковая сварка — это метод соединения материалов, при котором к зоне контакта деталей подводятся высокочастотные механические колебания. Под действием давления и ультразвуковой вибрации поверхности деталей интенсивно трутся друг о друга, в пограничном слое выделяется тепло, и происходит сплавление на молекулярном уровне.
Этот способ широко применяют для сборки и обработки термопластичных деталей и отдельных типов композиционных материалов. Процесс отличается высокой скоростью, чистотой, повторяемостью и не требует клеев, флюсов или открытого пламени, что особенно важно в промышленности.
В ультразвуковом сварочном аппарате сетевое напряжение промышленной частоты 50/60 Гц сначала преобразуется электронным генератором в высокочастотный сигнал с рабочей частотой 15, 20, 30 или 40 кГц.
Полученная электрическая энергия подаётся на пьезоэлектрический преобразователь. Пьезокерамический узел преобразователя переводит высокочастотное электрическое возбуждение в механические колебания той же частоты. Далее колебания передаются через систему механических концентраторов (волноводов), которые задают требуемую амплитуду.
Сварочный инструмент (звуковод, «сонотрод») поджимает к нему свариваемые детали и передаёт ультразвуковую энергию в зону соединения. В месте контакта материалов механическая энергия превращается в тепло за счёт трения и внутренних потерь, локально расплавляя слой материала и формируя прочный неразъёмный шов.
Ультразвук применяют не только для сварки металлов и твёрдых термопластов, но и для резки, тиснения и запайки тканей, плёнок и других тонких листовых материалов.
Ключевой узел ультразвукового сварочного аппарата — пьезоэлектрический преобразователь, в котором используются пьезокерамические элементы повышенной жёсткости. В конструкции таких преобразователей, как правило, применяют один или несколько однослойных кольцевых элементов из твёрдолегированных марок PZT (ЦТС).
Типовое решение — керамическое кольцо из твёрдой пьезокерамики, например материала класса PZT-43. Эти материалы рассчитаны на работу в высоких электрических полях и при значительных механических нагрузках. Они обеспечивают высокую механическую добротность, устойчивость параметров во времени и минимальное самонагревание при длительной непрерывной работе.
Благодаря этим свойствам пьезоэлементы из твёрдых марок PZT (ЦТС) позволяют формировать большую механическую мощность на частотах 15–40 кГц без потери стабильности и ресурса, что критично для промышленных ультразвуковых сварочных систем.