ВАК 2.5.5 УДК 534.8

ОСОБЕННОСТИ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ АДДИТИВНОЙ ТЕХНОЛОГИИ Особенности ультразвуковой аддитивной технологии

Опубликовано в Наукоёмкие технологии в машиностроении · Номер 9, 2026 · Страницы 3–8 · Рубрика: Аддитивные технологии и лазерная обработка
DOI: https://doi.org/10.30987/2223-4608-2026-9-3-8
Получено: 06.05.2026 Одобрено: 29.05.2026 Опубликовано: 30.09.2026
Проведён анализ работ, посвященных ультразвуковому аддитивному производству. Выявлены основные акустико- технологические параметры, оказывающие влияние на свойства получаемых изделий. К ним отнесены: амплитуда и частота ультразвуковых колебаний, нормальная сила прижима инструмента к соединению, температура предварительного нагрева, скорость сварки, а также шероховатость поверхности рабочей части излучателя (ролика). Рекомендованы величины перечисленных параметров для разных толщин и материалов соединения. Установлено, что увеличение амплитуды колебаний и нормальной силы, предварительный нагрев и уменьшение скорости сварки способствуют уменьшению количества пор и повышению качества соединения. Однако, при этом возрастает вероятность усталостного разрушения, что вызывает необходимость ограничивать значения указанных параметров обработки. Рассмотрено влияние шероховатости рабочей части излучателя на передачу колебаний соединению и качество шва. Для реализации предлагаемой технологии разработана конструкция модуля ультразвуковой сварки слоёв фольги. Предложен метод расчёта ступенчатого волновода – концентратора, учитывающее особенности его работы. Рабочий инструмент колебательной системы рассчитан предложенным методом, с учетом резонансной частоты ультразвукового излучателя, требований обеспечения заданной амплитуды колебаний, касательных к поверхности элементов свариваемого соединения, требуемой жесткости, акустической изоляции волновода и минимизации потерь энергии. Метод позволяет определить распределения амплитуды смещения, амплитуды скорости колебаний, а также пиковых эквивалентных напряжений по длине излучателя на резонансной частоте. Испытания изготовленного образца показали, что разница между расчётными и экспериментальными данными составляет не более 10 %. Модуль ультразвуковой сварки слоёв фольги предназначен для установки на широкоуниверсальный консольно-фрезерный станок.
ультразвуковая аддитивная обработка, ультразвуковая сварка, аддитивное производство, колебания
Финансирование
исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 24-1900463, https://rscf.ru/project/24-19-00463/.
Текст Список литературы
Текст (PDF)
Читать Скачать

Введение

 

В настоящее время в промышленности применяется множество способов печати металлических деталей. Способы основаны на спекании слоя порошка (селективное лазерное плавление – SLM), струйном нанесении металлического порошка (лазерное напыление металла – LMD), и плавлении металлической нити (электронно-лучевое плавление – EBM, наплавка электродуговой сваркой WAAM). В основе ультразвуковой аддитивной технологии (Ultrasound Additive Manufacturing
Technology – UAM) [1 – 3] лежит сварка трением металлических листов под действием давления и ультразвуковых колебаний. UAM представляет собой процесс сварки тонких слоёв металлической фольги слой за слоем с последующей контурной обработкой фрезерованием, т.е. технология представляет собой гибрид аддитивного и субтрактивного производственных процессов.

Ультразвуковая аддитивная технология, по сравнению с другими способами, обладает рядом преимуществ, таких как незначительное воздействие на структуру и фазовый состав материала, возможность использования разнородных материалов для создания изделий, отсутствие необходимости применения вакуума и предварительной очистки элементов соединения [4, 5]. Отдельно необходимо отметить высокую производительность UAM, которая оставляет 250...300 см3/ч, что значительно выше производительности порошковых аддитивных технологий [6].

Для эффективного применения технологии необходим системный выбор параметров обработки, а также разработка оборудования для обеспечения этих параметров.

 

Режимы обработки

 

К режимам обработки, оказывающим значительное влияние на механические свойства получаемых изделий, относят: амплитуду ξ и частоту f ультразвуковых колебаний, нормальную силу P, температуру предварительного нагрева и скорость сварки [2, 7]. Ультразвуковая обработка при рациональной комбинации данных параметров, вследствие высокочастотного механического воздействия и локального повышения температуры в зоне контакта металлов, приводит к разрушению оксидных и выгоранию жировых плёнок, и обеспечивает интенсивную диффузию, что приводит к созданию прочного неразъёмного соединения [8, 9].

Кроме того, на структуру и свойства сварного шва оказывает значительное влияние шероховатость поверхности рабочей части излучателя (ролика).

Выбор амплитуды ξ колебаний ролика зависит от толщины и свойств материала. Для тонких слоёв пластичных материалов с невысокой температурой плавления, таких как медь и алюминий, вполне достаточно амплитуд
5...7 мкм. Повышение амплитуды колебательных смещений может приводить к разрушению слоёв фольги. Для соединения материалов с большей температурой плавления и для листов большей толщины необходимо повышение амплитуды до ξ = 10...30 мкм. Учитывая необходимость получения высоких амплитуд колебаний инструмента, в качестве рабочей частоты выбрана
f = 22 кГц.

Скорость сварки (скорость подачи поступательного перемещения стола) в широком диапазоне не оказывает значительного влияния на качество соединения. Поскольку скорость высокочастотных продольных перемещений фольги значительно выше скорости прокатывания ролика, продольная подача станка выбирается максимальной для повышения производительности сварки и составляет 800…1000 мм/мин.

Для послойного соединения листов к каждому наносимому слою прикладывается нормальная сила P, которая обеспечивает плотный контакт сопрягаемых поверхностей листов фольги. Прилагаемые ультразвуковые колебания срезают и деформируют неровности, разрушают оксидную пленку на поверхности, благодаря чему образуется взаимная диффузия соединяемых материалов. Для материалов толщиной до 0,5 мм требуемая нормальная сила P прижима не превышает 2 кН.

Предварительный нагрев свариваемых листов позволяет повысить равномерность структуры получаемого шва, а также уменьшить требуемую нормальную силу P прижима ролика к фольге. Наиболее эффективен нагрев до температуры 0,2...0,3 оС от температуры
рекристаллизации свариваемого материала.

Шероховатость рабочей части излучателя (ролика) оказывает значительное влияние как на эффективную передачу колебаний свариваемому соединению, так и на качество шва. Уменьшение шероховатости приводит к проскальзыванию ролика относительно навариваемого слоя фольги, но при этом уменьшается количество пор и других дефектов соединения. Экспериментально установлено, что при шероховатости Ra = 1,25...2,5 мкм толщина диффузионного слоя небольшая и, как следствие, наблюдается низкая прочность сцепления слоёв фольги. С увеличением шероховатости до Ra = 5,0...6,3 мкм увеличивается и качество сварного шва. При дальнейшем повышении среднего арифметического отклонения профиля ролика возрастает пористость соединения.

 

Технологическая оснастка и оборудование

 

В качестве станка, с требуемыми размерами и высотой стола и обеспечивающего необходимые перемещения исполнительных механизмов, был использован широкоуниверсальный фрезерный станок 6Т80Ш.

Ультразвуковой модуль послойной сварки листов фольги, устанавливаемый на станок, имеет конструкцию, представленную на рис. 1 [10].
 

Кронштейн, с закреплёнными на нём ультразвуковой колебательной системой и волноводом, на ласточкином хвосте устанавливается на консоли станка. На основание (подложку) укладывается слой фольги. Ролик волновода прижимается к слою фольги с нормальной силой и, прокатывается по нему, создавая нормальное давление и сдвиговые колебательные смещения слоя. В результате трения оксидная пленка разрушается, и за счёт пластической деформации и тепловыделения происходит диффузия металлов и образование соединения.

В качестве источника колебаний для волновода концентратора использовалась стержневая двухполуволновая магнитострикционная колебательная система ПМС-2,0/22 (ООО «Афалина», Москва, Россия), состоящая из магнитострикционного преобразователя с припаянным к его торцу титановым волноводом, которые находятся в кожухе водяного охлаждения.

Волновод-концентратор (излучатель) изготовлен из стали 40Х, обладающей наименьшим коэффициентом потерь (среди сталей) и позволяющей реализовать амплитуды колебаний рабочей поверхности свыше 25 мкм [11].

При разработке волновода учитывались следующие требования:

– обеспечение наибольшей возможной амплитуды колебаний, касательных к поверхности элементов свариваемого соединения (сдвиговых колебаний), на рабочей поверхности волновода (ролике);

– достаточная для приложения рабочих нагрузок жесткость;

– акустическая изоляция посадочных поверхностей волновода от неподвижных частей установки (кронштейна);

– минимальные потери энергии.

Моделирование излучателя проведено методом конечных элементов при использовании физического модуля механики твердого тела (SolidMechanics) в программном обеспечении ComsolMultiphysics. При моделировании учитывались резонансная частота ультразвуковой колебательной системы, физико-механические свойства стали 40Х и конструктивные особенности излучателя.

В результате моделирования были получены графики распределения амплитуды смещения, амплитуды скорости колебаний, а также пиковых эквивалентных напряжений (по Мизесу) на резонансной частоте (21,21 кГц) по оси симметрии излучателя (рис. 2). Значения пиковых напряжений в материале излучателя не превышают 80 МПа, что значительно ниже значения временного сопротивления стали 40Х.
 

На основании расчётных данных был изготовлен и испытан излучатель. Измерения амплитуды ξ колебаний показали, что при
ξ = 12 мкм колебательной системы в середине рабочей части излучателя (ролика) разница между расчётными и экспериментальными данными составляет не более 10 %. При расчётной величине ξ = 11,2 мкм, измерениями была зафиксирована ξ = 10 мкм, что обусловлено принятыми допущениями.

 

Выводы

 

Ультразвуковая аддитивная технология (UAM) представляет собой процесс диффузионной сварки тонких слоёв металлической фольги под действием давления и ультразвуковых колебаний. Технологическими режимами, определяющими механические свойства и качество получаемых изделий, являются: амплитуда и частота ультразвуковых колебаний, нормальная сила прижима слоёв, температура предварительного нагрева и скорость сварки. Кроме того, значительное влияние на величину получаемого диффузионного слоя и однородность шва оказывает шероховатость рабочего инструмента. Выбор рабочих режимов зависит от толщины и свойств свариваемых материалов.

В качестве устройств, позволяющих реализовать UAM, могут применяться горизонтальные консольные фрезерные станки со специальной оснасткой. В качестве оснастки предложена конструкция ультразвукового модуля послойной сварки листов фольги. Для модуля разработан рабочий инструмент – ступенчатый волновод-концентратор. Его расчёт проведён методом конечных элементов в программном комплексе ComsolMultiphysics. Разработанная модель расчёта учитывает материал волновода и резонансную частоту источника колебаний.

Изготовленный на основании расчётов рабочий инструмент, обеспечивает требуемую амплитуду колебаний на рабочей поверхности инструмента и отсутствие колебаний на поверхностях контакта с неподвижной части модуля. Испытания волновода показали хорошую сходимость результатов моделирования и характеристик инструмента.

1. Патент США №2011/0220292A1, B29C 65/08, B32B 37/06, опубл. 2011 г.

2. Li D. A review of microstructure evolution during ultrasonic additive manufacturing. Int J Adv Manuf Technol. 2021. № 113. https://doi.org/10.1007/s00170-020-06439-8.

3. ПНСТ 666-2022. Аддитивные технологии. Функционально-градиентные материалы. Общие положения.

4. Sridharan N. Characterization of Steel-Ta Dissimilar Metal Builds Made Using Very High Power Ultrasonic Additive Manufacturing (VHP-UAM) // Metallurgical and Materials Transactions A: Physical Metallurgy and Materials Science. 2016. Vol. 47. No. 5. P. 2517–2528. DOIhttps://doi.org/10.1007/s11661-016-3354-5. EDN XOYZET.

5. Hongqi G.M., Bryant G., Leon M.H., Ryan H., Marcelo J.D. Joining of carbon fiber and aluminum using ultrasonic additive manufacturing (UAM), Composite Structures. 2019. V. 208. P. 180–188. ISSN 0263-8223. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2018.10.004.

6. Назаров А.А. Ультразвуковая аддитивная технология: обзор зарубежных исследований и разработок // Техническая акустика: разработки, проблемы, перспективы. Витебск: Витебский государственный технологический университет, 2016. С. 60–62. EDNBYMNPK.

7. Dehoff R.R. Characterization of interfacial microstructures in 3003 aluminum alloy blocks fabricated by ultrasonic additive manufacturing // Acta Materialia. 2010. Vol. 58. No. 13. P. 4305–4315. DOIhttps://doi.org/10.1016/j.actamat.2010.03.006. EDN NXIGSL.

8. Нигметзянов Р.И, Сундуков С.К., Фактюхин Д.С. Пути совершенствования аддитивных технологий с помощью ультразвука // СТИН. 2017. № 7. С. 2–6. EDN YMYFJD.

9. Wolcott P.J., Pawlowski C., Headings L.M., Dapino M.J. Seam Welding of Aluminum Sheet Using Ultrasonic Additive Manufacturing System. ASME. J. Manuf. Sci. 2017. № 139 (1). https://doi.org/10.1115/1.4034007.

10. Патент на полезную модель № 204555 U1 Российская Федерация, МПК B23K 20/10. устройство для ультразвуковой сварки: № 2020143097: заявл. 25.12.2020: опубл. 31.05.2021 / Д.С. Фатюхин, Р.И. Нигметзянов, С. К. Сундуков, А. В. Сухов. заявитель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет». EDN UGCEGT.

11. Нигметзянов Р.И, Сундуков С.К., Фактюхин Д.С. Ультразвуковой инструмент для получения многослойных соединений металлов // Технология металлов. 2026. № 3. С. 35–41. DOIhttps://doi.org/10.31044/1684-2499-2026-0-3-35-41. EDN DJINLS.

Войти или Создать
* Забыли пароль?