Běžné problémy a řešení pro ultrazvukové svařování
Základním principem ultrazvukového svařování je přeměna vysokofrekvenční elektrické energie na vysokofrekvenční vibrační mechanickou energii. Tyto vratné vibrace se přenášejí do termoplastu nebo kovu a tření a teplo se generují na rozhraní plastu a plastu, plastu a kovu nebo kovu a kovu.
Při ultrazvukovém svařování tření generuje teplo ke spojení dvou povrchů materiálu dohromady. U ultrazvukového nýtování řídí svařovací hlava tok roztaveného plastu, formuje a lisuje součásti. Při montáži ultrazvukové matice tlačí svařovací hlava kovovou matici do plastu.
Ultrazvukový svařovací systém má řadu možností konfigurace, včetně různých frekvencí (15 KHz-50 KHz), různých výkonů (600 W-4800 W) a různých forem, jako jsou pneumatické ultrazvukové svařovací stroje, servo ultrazvukové svařovací stroje, ruční svařovací stroje, standardní svářečky, ultrazvukové svařování kovů atd.
Existuje mnoho faktorů, které ovlivňují úspěch ultrazvukového svařování: forma (včetně horní svařovací hlavy a spodní spodní formy), frekvence, materiál, design svaru, parametry svařování a vstřikování dílů. V tomto článku představujeme 5 hlavních faktorů.
1. Frekvence svařovacího systému
Četnost typického ultrazvukového svařovacího systému je 15 KHz, 20 KHz, 30 KHz, 35 KHz a 40 KHz. Je nutné zvolit vhodnou frekvenci svařování podle požadavků na velikost produktu, typy vnitřních součástí, pevnost a vzhled. Obecně můžete odkázat na následující zásady:
U malých a přesných elektronických výrobků (včetně desek plošných spojů a mikroelektronických součástek) používejte vysokofrekvenční svařovací stroj 40kHz. Svařovací stroj 40kHz má menší amplitudu a minimální svařovací tlak, což může zabránit poškození vnitřních elektronických součástek výrobku.
Pro malé výrobky, které vyžadují vzhled povrchu třídy A. Je svařován svařovacím strojem o výkonu 40 kHz, který díky malé amplitudě a tlaku může zlepšit vzhled.
Pro svařování středních a velkých dílů používejte nízkofrekvenční svářečky 15kHz nebo 20kHz.
Pro měkčí materiály, jako je PP, a tenkostěnné výrobky se špatnou tuhostí, se pro svařování používá 15kHz svařovací stroj s nízkou frekvencí a velkou amplitudou.
Pro svařování ve vzdáleném poli, to znamená, že svařovací hlava je daleko od svařovacího švu, například když je větší než 12 mm, používá se pro svařování svařovací stroj s kmitočtem 15 KHz a nízkou frekvencí.
20kHz svařovací stroj je vhodný pro svařování většiny produktů malé až střední velikosti a je také nejpoužívanější ultrazvukovou frekvencí.
2. Materiál
Pro ultrazvukové svařování plastů je vhodný pouze pro svařování termoplastů. Protože se mohou roztavit v určitém teplotním rozmezí. Termosetové plasty se při zahřátí degradují a nelze je svařovat ultrazvukem.
Svařitelnost termoplastů závisí na tuhosti materiálu nebo modulu pružnosti, hustotě, koeficientu tření, tepelné vodivosti, měrné tepelné kapacitě, teplotě skelného přechodu Tg nebo teplotě tání Tm.
Obecně lze říci, že tuhé plasty vykazují vynikající svařovací výkon ve vzdáleném poli, protože snáze přenášejí vibrační energii. Měkké plasty s nízkým modulem pružnosti se však svařují obtížně, protože tlumí ultrazvukové vibrace. Opak je pravdou pro ultrazvukové nýtování nebo bodové svařování. Čím měkčí je plast, tím snazší je pro nýtování nebo bodové svařování.
Obecně lze plasty rozdělit na dva typy: nekrystalické (amorfní) a krystalické. Ultrazvuková energie se snadno přenáší v amorfních materiálech, takže amorfní plasty se snadno ultrazvukem svařují. Ultrazvuková energie se v krystalických materiálech nepřenáší snadno, takže při svařování krystalických plastů je zapotřebí větší amplitudy a energie a svar musí být pečlivě navržen.
Faktory, které mohou dále ovlivnit pájitelnost, zahrnují obsah vlhkosti, separační prostředky, lubrikanty, změkčovadla, látky zlepšující plnivo, pigmenty, retardéry hoření a další přísady, stejně jako skutečný druh pryskyřice. Kromě toho je třeba poznamenat, že stupeň kompatibility mezi různými materiály je odlišný. Některé materiály mají určitý stupeň kompatibility mezi konkrétními druhy, zatímco jiné jsou nekompatibilní.
Nakonec zvažte, zda se jedná o svařování v blízkém nebo ve vzdáleném poli. Pokud je vzdálenost mezi svařovací hlavou a svařovacím žebrem menší než 6 mm, nazývá se to svařování na blízkém poli. Větší než 6 mm' se nazývá svařování ve vzdáleném poli. Čím větší je vzdálenost, tím větší je útlum vibrací a obtížnější svařování.
3. Návrh svařovaného spoje
Nejkritičtějším a nejdůležitějším faktorem ovlivňujícím ultrazvukové svařování je návrh spoje. Když jsou díly ve fázi návrhu, měli by inženýři pečlivě zvážit a vyhodnotit. Existují různé konstrukce svařovaných spojů s vlastními charakteristikami a výhodami. Volba designu závisí na typu plastu, geometrii dílu, požadavcích na svařování, schopnostech vstřikování a požadavcích na vzhled.
Typický design spoje:
Provedení trojúhelníkového vodícího žebra. Toto je nejčastěji používaný design v ultrazvukovém svařování a nejjednodušší design pro vstřikování. Vyznačuje se malým vyvýšeným trojúhelníkem na rovině, horní část trojúhelníku je 90 nebo 60 stupňů. Protože jeho konstrukce s ostrými hroty se snadno vede a koncentruje energii vibrací, nazývá se to žebra pro vedení energie.
Konstrukce stupňovitého švu, snadné vstřikování, samonastavovací horní a spodní část, vysoká pevnost svařování, roztavený materiál proudí do svislé mezery.
Drážkovaný design švu, horní a dolní části lze polohovat samostatně, s vysokou pevností, dobrými těsnicími vlastnostmi a bez lemování uvnitř i vně. Nevýhodou je, že je vyžadována určitá tloušťka stěny.
Konstrukce střihového švu se obecně používá pro svařování výrobků menší velikosti, které vyžadují vysokopevnostní utěsnění, a je zvláště vhodná pro svařování krystalických plastů.
Spoje šátků, které se obvykle používají na dílech kulatých nebo eliptických tvarů, zajišťují vysokou pevnost a vysokou těsnost a jsou zvláště vhodné pro svařování krystalických plastů.
(Výše uvedené podrobné vysvětlení konstrukce svaru bude představeno v navazujícím článku).
Chcete-li zjistit, který design svaru je vhodný pro váš produkt, obraťte se na inženýra nebo prodejce ultrazvukového výrobce.
4. Nástrojová a svařovací hlava
Obecně lze říci, že zákazníci si vyberou nástrojové a svařovací hlavy stejné značky jako svařovací stroj. Ve skutečnosti si můžete libovolně zvolit nástrojovou a svařovací hlavu od jiných značek, pokud je frekvence svařovací hlavy stejná jako frekvence zařízení.
Materiály svařovací hlavy si mohou vybrat hliníkovou slitinu, slitinu titanu a tvrdou legovanou ocel. Nástrojové materiály si mohou vybrat hliníkovou slitinu, nerezovou ocel a pryskyřičnou formu. Jak vybrat materiál, obecně zvažte druh plastu, obsah skleněných vláken v materiálu, strukturu a velikost spoje, pevnost svařování a životnost. Například pro prodloužení životnosti je nejlepší volbou svařovací hlava z karbidové oceli.
Ultrazvukové svařovací hlavy lze navrhnout a optimalizovat pomocí FEA (analýza konečných prvků), což umožňuje technikům vyhodnotit úroveň vibrací a napětí svařovací hlavy před vlastní výrobou. Nejlepší konstrukcí svařovací hlavy je rovnoměrná výstupní amplituda a minimální napětí. Na obrázku nahoře je obrázek vlevo s optimalizovanou konstrukcí přední svařovací hlavy a amplitudový výstup je nerovnoměrný. Vpravo po optimalizaci je výstupní amplituda stejnoměrná.
Při konstrukci a výrobě svařovací hlavy je třeba pečlivě pamatovat na symetrii - symetrie svařovací hlavy je zásadní. Asymetrická svařovací hlava způsobuje neosové vibrace. Radiální vibrace značně zvýší napětí a způsobí poruchu svařovací hlavy.
Dobrý design nástrojů je také velmi důležitý. Nástroj má dvě hlavní funkce: (1) vyrovnání dílů pod svařovací hlavou; (2) pevně podepřete oblast svařování. Tuhá podpora pomáhá odrážet ultrazvukovou energii do polohy svaru, a proto jsou nástroje obvykle vyrobeny z dílů pro zpracování kovů.
Za účelem zvýšení odolnosti svařovací hlavy proti opotřebení a prodloužení životnosti lze povrch svařovací hlavy ošetřit karbidem wolframu nebo chromováním. Nástroje mohou být navrženy po částech, aby lépe odpovídaly produktu.
5. Parametry svařování
Během procesu svařování ovlivní parametry svařování výsledek svařování. Mezi tyto parametry patří amplituda, svařovací tlak, spouštěcí tlak, svařovací vzdálenost a svařovací energie.
Různé druhy plastů vyžadují různé amplitudy. Amplitudu lze jemně doladit nastavením procenta v softwaru nebo ji lze upravit v širokém rozsahu změnou modulátoru amplitudy s jiným poměrem. Tlak svařování lze upravit knoflíkem nebo softwarovým nastavením. Spouštěcí tlak znamená, že když svařovací hlava stiskne produkt a tlak dosáhne určité nastavené hodnoty, zařízení začne vydávat ultrazvuk. Tuto hodnotu lze upravit pomocí ovladače nebo softwarového nastavení.
Existuje několik způsobů řízení procesu ultrazvukového svařování:
Režim časového svařování, to znamená, nastavuje dobu trvání ultrazvukového svařování.
Režim svařování na dálku (režim svařování s pozicí), to znamená nastavení vzdálenosti nebo polohy svařování.
Režim svařování energií, který nastavuje energii svařování.
Pro různé výrobky platí různé režimy svařování. Například svařování plechu přijímá režim svařování energií, výrobky s velkými rozměrovými tolerancemi přijímají režim svařování na dálku a výrobky s vysokými tolerančními požadavky přijímají režim svařování pozicí.
Ultrazvukové svařování plastů je speciální proces. V rané fázi vývoje produktu je nutné spolupracovat s výrobcem ultrazvukového zařízení a na základě zkušeností výrobce zařízení v této oblasti vyhodnotit strukturu výrobku a návrh svaru a provést zkoušky svařování vzorků. Za účelem zlepšení výnosu následné hromadné výroby.
