co to jest zgrzewanie ultradźwiękowe i czy jest ono dla mnie odpowiednie?

badając sposoby łączenia części z tworzyw sztucznych, prawie na pewno zdecydujesz się na proces, który należy do jednej z tych kategorii: mechanicznej, klejowej lub spawalniczej. Procesy mechaniczne, takie jak mocowanie zatrzaskowe, śruby lub nity, są świetne, jeśli produkt wymaga demontażu podczas jego eksploatacji lub jeśli produkt będzie działał w małej objętości. Kleje, takie jak klej, tworzą bardziej trwałe wiązanie i wyróżniają się przy przyklejaniu dwóch różnych materiałów. Procesy spawania tworzyw sztucznych mają trwały charakter, nie mają materiałów eksploatacyjnych i wykorzystują kombinację ciepła i ciśnienia do łączenia części. Jedna szczególna metoda spawania nie powinna być pomijana przy ocenie metod produkcji: spawanie ultradźwiękowe.

co to jest spawanie ultradźwiękowe?

w prostych słowach, spawanie ultradźwiękowe wykorzystuje drgania o wysokiej częstotliwości do ogrzewania i wiązania dwóch części, które dotykają się pod ciśnieniem. Te drgania o wysokiej częstotliwości przekraczają w większości przypadków granicę ludzkiego słuchu. Zakres ludzkiego słuchu wynosi od 20 Hz do 20 kHz, podczas gdy częstotliwości ultradźwiękowe wykorzystywane w tych spawarkach zwykle wahają się od 15 kHz do 75 kHz. Technika została opatentowana w latach 60-tych i po raz pierwszy zastosowana w przemyśle zabawkarskim. Od tego czasu technologia nadal się rozwija i jest stosowana w branżach takich jak medycyna, Elektronika, opakowania i motoryzacja. Spawanie ultradźwiękowe może być stosowane zarówno do tworzyw sztucznych, jak i metali, ale ten artykuł skupi się przede wszystkim na spawaniu tworzyw sztucznych. Aby lepiej zrozumieć spawanie ultradźwiękowe, zbadajmy elementy spawacza.

Zasilacz. Każdy Zgrzewarka ultradźwiękowa zaczyna się od zasilacza. Zasilacz jest czasami nazywany generatorem częstotliwości, ponieważ pobiera standardową moc elektryczną (Zwykle 115 V) przy 60 Hz i konwertuje ją na częstotliwość roboczą około 20 kHz lub 20 000 cykli na sekundę. Inne powszechnie dostępne częstotliwości wyjściowe mieszczą się w zakresie 15-70 kHz. Ten prąd o wysokiej częstotliwości jest następnie przesyłany specjalnym kablem do stosu ultradźwiękowego.

stos Ultradźwiękowy. Stos nie jest jedną rzeczą, ale raczej kombinacją trzech podstawowych elementów: konwerter, wzmacniacz i róg spawalniczy. W spawarce z tworzywa sztucznego stos ultradźwiękowy jest ustawiony pionowo i znajduje się nad częściami spawanymi w podpartej kolumnie.

Konwerter. Przetwornik jest przetwornikiem piezoelektrycznym, który jest zasilany prądem wysokiej częstotliwości z zasilacza i wyprowadza wibracje mechaniczne z tą samą częstotliwością. Przetwornik działa za pomocą efektu piezoelektrycznego-pomyśl o zegarkach kwarcowych. Podsumowując, efekt piezoelektryczny występuje, gdy do materiału kandydującego występuje odkształcenie mechaniczne (zmiana kształtu spowodowana ciśnieniem), które z kolei generuje ładunek elektryczny. Efekt piezoelektryczny działa również odwrotnie. Jeśli pole elektryczne zostanie przyłożone do materiału, zmieni się kształt. Przetworniki piezoelektryczne znajdujące się w przetwornikach ultradźwiękowych składają się z wielu piezoelektrycznych dysków ceramicznych, pokrytych po obu stronach metalowymi płytkami. Wszystkie są przechowywane pod ciśnieniem w cylindrze tytanowym. Zasilacz wysyła prąd o wysokiej częstotliwości do tego urządzenia, generując szybko zmieniające się pola elektryczne. Te szybko zmieniające się pola elektryczne powodują gwałtowną zmianę kształtu materiału piezoelektrycznego, powodując drgania o wysokiej częstotliwości. Tytanowy cylinder pomaga przekazywać te wibracje do wzmacniacza.

Booster. Wzmacniacz jest elementem reaktywnym konwertera i pomaga wzmocnić lub złagodzić wibracje. Drgania pochodzące z konwertera mają przybliżoną amplitudę (od zera do szczytu) wynoszącą 8 mikrometrów (średnica czerwonej krwinki). Ta Amplituda musi często się zmieniać, aby skutecznie przekazywać wymaganą energię do złącza spawanego. Wzmacniacz zwiększa lub zmniejsza
amplitudę drgań o określony stosunek. Stosunek ten jest określony przez geometrię i rozkład masy wzmacniacza-z których każdy jest precyzyjnie zaprojektowany, aby osiągnąć ten stosunek. Na przykład wzmacniacze o większej masie w pobliżu klaksonu zmniejszają amplitudę wyjściową. Typowe współczynniki wzmocnienia wynoszą 1: 0,6 (zmniejsza amplitudę) i 1: 2,0 (podwójna amplituda) i są zwykle wykonane z tytanu lub aluminium. Stosunek ten może być również wyrażony jako „wzmocnienie”, gdzie wzmocnienie jest równe amplitudzie wyjściowej podzielonej przez amplitudę wejściową. Wzmacniacz nie jest jedynym składnikiem stosu, który może zmieniać amplitudę fal akustycznych.

róg lub Sonotroda. Róg jest czasami częściej określany jako sonotroda poza Stanami Zjednoczonymi. Klakson odbiera wibracje od wzmacniacza i dodatkowo wzmacnia lub tłumi amplitudę fal akustycznych. Róg jest również odpowiedzialny za zastosowanie tych wibracji do części spawanych przez bezpośredni kontakt. W zgrzewarce z tworzywa sztucznego klakson i wzmacniacz wibrują osiowo przy częstotliwości roboczej ustawionej przez zasilacz. Klakson styka się z górną częścią z tworzywa sztucznego i stosuje te wibracje prostopadle do powierzchni części. W przeciwieństwie do tego, metalowe rogi spawacza leżą poziomo, a wibracje są stosowane równolegle do powierzchni części. Róg jest wyjątkowo zaprojektowany, aby wibrować, a jego końce poruszają się w przeciwnych kierunkach przez cały czas, podczas gdy środek rogu pozostaje na swoim miejscu. Mnożąc amplitudę wyjściową konwertera przez wzmocnienie wzmacniacza i wzmocnienie klaksonu, można znaleźć efektywną amplitudę wyjściową stosu zastosowaną do części. Tytan jest materiałem z wyboru do budowy klaksonu ze względu na jego właściwości mechaniczne, takie jak wysoka wytrzymałość zmęczeniowa i twardość, ale ekonomiczne rogi aluminiowe i stalowe również istnieją dla właściwego zastosowania. Istnieje wiele kształtów rogów, z których każdy ma swoje unikalne zastosowanie, a niestandardowe rogi mogą być wykonane do specjalnych zastosowań. Okrągły róg na przykład jest przydatny, gdy części mają być spawane na ich obwodzie. Zanim klakson może zastosować wibracje Do przedmiotu obrabianego, musi najpierw zostać opuszczony na miejsce.

Siłownik. Siłownik jest odpowiedzialny za opuszczanie stosu na spawane części. Musi również przyłożyć siłę zgodną z żądanym zastosowaniem. Ultradźwiękowe siłowniki spawalnicze są zwykle napędzane pneumatycznie lub elektrycznie i zapewniają siłę spawania w zakresie 50-750 funtów. Siłowniki stosowane w metalowej spawarce ultradźwiękowej mogą być napędzane hydraulicznie i widzieć większą siłę. Dokładna siła zostanie określona na podstawie konstrukcji spawanych części.

Gniazdo czy kowadło. Zazwyczaj dwie części są spawane razem-górna połowa i dolna połowa. Dolna połowa siedzi w urządzeniu zwanym gniazdem. Gniazdo skieruje wibracje na interfejs między dwiema częściami. Gdy urządzenie przytrzymujące dolną część jest bardziej płaskie, może być określane jako kowadło. Podczas spawania długich szwów niektóre maszyny mają ruchome kowadło, które przesuwa część wzdłuż, utrzymując spawarkę na miejscu.

proces spawania ultradźwiękowego.Teraz, gdy znasz główne elementy zgrzewarki ultradźwiękowej, nadszedł czas, aby zrozumieć, jak działa typowy cykl spawania:
pierwszym krokiem jest ręczne załadowanie Części do gniazda lub automatyzacja—automatyzacja jest używana w dużych seriach. Następnie sterowanie spawacza będzie działać w jednym z czterech trybów:

spawanie po czasie. Spoina po czasie uruchomi sekwencję spawania przez określony czas. Od lat jest to standardowy sposób spawania. Wadą tego procesu jest to, że jest to system otwartej pętli (bez sprzężenia zwrotnego). Wraz z pojawieniem się surowych wymagań jakościowych w branżach takich jak medycyna, metoda spawania po czasie nie zawsze może zapewnić wymagany poziom spójności. Jeśli jedna część różni się nieznacznie od następnej, nie ma informacji zwrotnej, która uwzględniałaby różnice. Powoduje to różnice w jakości spoiny i ogólnej charakterystyce części. Dzięki coraz większej dostępności nowych czujników i zaawansowanych elementów sterujących opracowano lepsze tryby spawania.

Energia całkowita. Jedną z teorii udanego spawania jest to, że dla danej części musi być pewna ilość energii zastosowana do interfejsu części, aby uzyskać zadowalającą spoinę. Tryb Total energy działa poprzez pomiar mocy zużywanej przez spawacza i dostosowanie czasu trwania spawaniaw celu uzyskania pożądanego poboru energii (moc X czas = energia). Metoda ta, choć w teorii dobra, jest trudna do przewidzenia rzeczywistej energii zastosowanej do spoiny z powodu strat w maszynie (np. straty energii do urządzenia).

Zwiń (względną) odległość. Za pomocą enkodera liniowego sterowanie może mierzyć odległość, jaką róg zanurza górną część w dolną część podczas spawania. Pomiar rozpoczyna się, gdy klakson styka się z górną częścią (gdy siłownik obniża się) i kończy się po osiągnięciu zadanej odległości. Ta wstępnie ustawiona odległość jest odległością zwinięcia—ilością, o jaką topi się interfejs między dwiema częściami. Ta metoda jest preferowaną metodą w wielu sytuacjach, ponieważ można dokładnie kontrolować głębokość spoiny.

odległość bezwzględna. Gdy ogólne wymiary spawanej części są krytyczne, preferowaną metodą jest „odległość absolutna”. Za pomocą enkodera liniowego spawacz będzie kontynuował cykl spawania, aż do osiągnięcia określonego ogólnego wymiaru części (zazwyczaj całkowitej wysokości). Wszystkie metody energii całkowitej, odległości załamania i odległości bezwzględnej zawierają pętle sprzężenia zwrotnego, co czyni je systemami w pętli zamkniętej.

Po wybraniu trybu sterowania siłownik naciska stos. Klakson ostatecznie styka się z górną częścią i nakłada się obciążenie. Tymczasem zasilacz dostarcza prąd do konwertera, który wyprowadza wibracje o wysokiej częstotliwości przez wzmacniacz i klakson. Róg stosuje tę falę ultradźwiękową do spawanych części. Jedna z części zwykle ma na interfejsie dyrektora energii. Dyrektor energetyczny jest małym formowanym grzbietem o wysokości nieco poniżej 1 milimetra i bokach 60-90 stopni. Ze względu na wibracje i tarcie, dyrektor energii topi się i tworzy wiązanie molekularne z powierzchnią drugiej części. Czas spawania zwykle trwa mniej niż sekundę, po czym spoina jest szybko chłodzona z powodu temperatur topnienia pozostających zlokalizowanych na interfejsie części. Nie ma też czasu na wyleczenie. Następnie siłownik jest całkowicie schowany, a części można usunąć ręcznie lub automatycznie.

najlepsze praktyki projektowe.

oceniając spawanie ultradźwiękowe jako metodę wytwarzania, ważne jest, aby pamiętać, że niektóre Tworzywa sztuczne spawają się lepiej niż inne.

• * ze względu na swoją chemię i cienką naturę, folie termoplastyczne i tkaniny łatwo spawają się metodami ultradźwiękowymi.

• termoplasty amorficzne (takie jak ABS) są również idealnymi kandydatami.

• Półkrystaliczne tworzywa termoplastyczne (takie jak nylon) są trudniejsze, ale można to zrobić.

• Elastomery termoplastyczne z drugiej strony są bardzo biednymi kandydatami do spawania ultradźwiękowego i generalnie nie są zalecane.
Różne materiały mają różne zakresy amplitudy niezbędne do wydajnego spawania. Większość dostawców zgrzewarek ultradźwiękowych może dostarczyć ustawienia referencyjne dla różnych materiałów. Spawanie dwóch różnych tworzyw sztucznych można osiągnąć, jeśli ich ustawienia nie są zbyt różne.
wielkość części jest również ważnym czynnikiem. Spawanie ultradźwiękowe wyróżnia się małymi częściami. Jak duże jest za duże? Oto kilka zasad:

• im trudniejszy Materiał, tym mniejszy może być jego maksymalny rozmiar. Nylon (trudny) może mieć tylko około 3,5″, podczas gdy ABS (łatwy) może mieć około 10″.

• niższe częstotliwości (15 kHz) wymagają większych narzędzi (10″). Wyższe częstotliwości (40 kHz) wymagają mniejszych narzędzi (2,5″)
geometria części wpływa na zdolność do wytwarzania czystych spoin. Spawanie ultradźwiękowe działa dobrze z cienkościennymi częściami, długimi nieobsługiwanymi ścianami i spoinami wewnętrznymi. Złożone geometrie i głębokie kontury nie nadają się do spawania ultradźwiękowego.
podczas projektowania interfejsu między częściami ważne jest dodanie dyrektora energii. Dyrektor energii pracuje, aby skoncentrować energię z rogu, aby zainicjować szybkie stopienie. Jest to zazwyczaj trójkątny profil umieszczony na środku ściany, biegnący wzdłuż ściany. Zaleca się umieszczenie dyrektora energii na części dotykającej klaksonu. Dobrym punktem wyjścia jest kąt 60-90 stopni o wysokości równej 1/8 grubości ścianki. Regułą dla wymaganej siły siłownika jest 1 lbf na każdy milimetr liniowy dyrektora energii. Konstrukcja części powinna zawierać funkcje, które pomagają je wyrównać. Te sugestie są jedynie punktem wyjścia i powinny zostać ocenione przez inżyniera aplikacji. Wypróbowany i prawdziwy zestaw danych empirycznych wraz z ustalonymi procedurami spawania są kluczem do udanego projektu.

zalety

spawanie ultradźwiękowe ma wiele zalet w stosunku do metod alternatywnych:

• spoiny o wysokiej wytrzymałości

• bez materiałów eksploatacyjnych—bez łączników i klejów

• szybko—bez utwardzania i czasu schnięcia. Spoiny w mniej niż sekundę.

• Easily automated

• Clean and precise

• No ventilation needed

• Can vibrate contaminates out of packaging seals

• Provides tamper-proof hermetic seals

• Low power consumption—works in short bursts

• Great for volatile or heat sensitive products

• Uses standard electrical power (115V @ 60Hz)

• Ugruntowana technologia z wieloma możliwościami w zakresie sprzętu

• stosunkowo niskie koszty kapitałowe sprzętu

ograniczenia i wady.
oto niektóre ograniczenia, o których należy pamiętać podczas oceny spawania ultradźwiękowego: