Technologia ultradźwiękowego zestawu tworzyw sztucznych jest szeroko stosowana w połączeniu termoplastii. Wytworzone przez niego stawy są nie tylko silne i trwałe, ale także piękne. Ta technologia obejmuje cztery główne kategorie, wśród których spawanie ultradźwiękowe jest przedmiotem badań. Spawanie ultradźwiękowe wykorzystuje energię ultradźwiękową o wysokiej częstotliwości (15-50 kHz) do generowania wibracji mechanicznych o niskiej amplitudzie (1-100 μm). Ta wibracja działa na stawy komponentów, topiąc materiał termoplastyczny przez wytwarzanie ciepła tarcia, a następnie tworząc spoinę. Jego prędkość spawania jest niezwykle szybka, zwykle od 0,1 sekundy do 1,0 sekundy.
Podczas procesu spawania ultradźwiękowego sinusoidalne fale stojące są generowane w termoplastyce. Ze względu na tarcie międzycząsteczkowe część energii jest przekształcana w energię cieplną, która zwiększa temperaturę materiału. Kolejna część energii jest skoncentrowana i przenoszona do złącza, który jest dalej ogrzewany lokalnie przez tarcia graniczne. Dlatego na ścieżkę transmisji energii ultradźwiękowej i zachowanie topnienia materiału są wspólnie dotknięte geometrią części i charakterystykę absorpcji ultradźwiękowej materiału.
Gdy źródło wibracji znajduje się blisko złącza spoiny, materiał ma mniejszą utratę wchłaniania energii. Jeśli odległość od źródła wibracji do złącza jest mniejsza niż 6,4 mm, proces nazywany jest spawaniem bliskim pola, które jest odpowiednie dla materiałów krystalicznych o wysokiej wchłanianiu energii i materiałach o niskiej sztywności. Jeśli odległość jest większa niż 6,4 mm, nazywana jest spawaniem dalekiego pola, które jest odpowiednie dla materiałów amorficznych o niskiej wchłanianiu energii i materiałach o wysokiej sztywności.
Ze względu na „nierównomierne” charakterystyki powierzchni stawowej łatwo jest wygenerować wysoką temperaturę i wysokie tarcia, co sprzyja gromadzeniu się energii ultradźwiękowej. W wielu zastosowaniach spawania ultradźwiękowego trójkątny występ został zaprojektowany na powierzchni górnej części, zwany żebrem prowadzącym energię, które kieruje energią wibracji do koncentracji na stawie.
Podczas procesu spawania ultradźwiękowego energia wibracji działa pionowo na powierzchni stawu, a końcówka żebra z energii styka się z częścią spawaną pod ciśnieniem. Ze względu na wytwarzanie ciepła tarcia na końcu wytwarzana jest duża ilość ciepła, powodując, że żebro prowadzące energię zaczyna się topić. Cały proces spawania można podzielić na cztery etapy. Po pierwsze, górna część żebra prowadzenia energii zaczyna się stopić, a szybkość topnienia stopniowo wzrasta. W miarę spadku szczeliny po obu stronach stawu, żebro stopionego energii w pełni rozprzestrzeni się i skontaktuje się z częścią poniżej, a szybkość topnienia zmniejszy się w tym czasie. Po drugie, górne i dolne części mają kontakt powierzchniowy, a obszar topnienia jest dalej rozszerzany. Następnie wchodzi do etapu topnienia w stanie ustalonym, w którym powstaje stopiona warstwa o określonej grubości, w towarzystwie stabilnego pola temperaturowego. Po osiągnięciu ustawionej energii spawalniczej, czasu lub innych warunków kontrolnych, wibracje ultradźwiękowe się zatrzymają. Wreszcie, ciśnienie jest utrzymywane, nadmiar stopu zostanie wyciśnięty z spoiny, a części są połączone wiązaniami molekularnymi i stopniowo chłodzone.
Zalety i wady spawania ultradźwiękowego
Jako technologia łączenia z tworzywa sztucznego szeroko stosowana w polu przemysłowym, spawanie ultradźwiękowe wyróżnia się szybką, ekonomiczną, łatwą integracją automatyzacji i przydatności do masowej produkcji. Jego stabilność spoiny jest doskonała, wytrzymałość jest również wysoka, a czas spawania jest krótszy niż inne procesy. Ponadto technologia ta nie wymaga złożonego systemu wentylacji w celu usunięcia dymu lub systemu chłodzenia w celu usunięcia nadmiaru ciepła, z wysokim wykorzystaniem energii, wyższą wydajnością produkcji i niższym kosztem. Konstrukcja pleśni jest stosunkowo prosta, a prędkość zmiany formy jest szybka, a tym samym poprawiając szybkość wykorzystania i wszechstronność sprzętu. Warto wspomnieć, że skoro żadne inne pomocnicze materiały spawalnicze nie są wprowadzane do spoiny, spoiny pozostaje czyste i wolne od zanieczyszczeń, nie wpływa na biokompatybilność sprzętu i jest bardzo odpowiednia do stosowania w branży opieki zdrowotnej o wyższych wymaganiach dotyczących czystości.
Jednak spawanie ultradźwiękowe również staje w obliczu pewnych ograniczeń. W przypadku produktów o wielkości ponad 250 mmx300 mm konstrukcja głowicy spawalkowej staje się trudna i często konieczne jest użycie wielu głowic spawalniczych do synchronicznego spawania lub pojedynczej głowicy spawalniczej do zakończenia spawania. Ponadto wyniki spawania ultradźwiękowego są ściśle związane z czynnikami takimi jak projektowanie struktury spoiny, błąd wymiarowy i odkształcenia wtrysku. Jednocześnie wibracje ultradźwiękowe mogą powodować uszkodzenie wrażliwych elementów elektronicznych, chociaż takie ryzyko można zmniejszyć poprzez zwiększenie częstotliwości i zmniejszenie amplitudy.
Pola aplikacji
Spawanie ultradźwiękowe jest szeroko stosowane w wielu branżach. Na przykład w branży motoryzacyjnej służy do łączenia komponentów, takich jak reflektory, pulpity nawigacyjne, przyciski i przełączniki; W przemyśle elektronicznym i elektrycznym technologia ta jest często stosowana do łączenia komponentów, takich jak przełączniki, czujniki i siłowniki; Ponadto spawanie ultradźwiękowe jest również niezbędne w procesie produkcyjnym produktów, takich jak filtry, cewniki, odzież medyczna i maski w dziedzinie medycyny. Jednocześnie produkcja produktów takich jak torby blister, torby, pojemniki do przechowywania i dysz w branży opakowaniowej korzysta również z wydajności i wygody spawania ultradźwiękowego.
Kubek do kawy jest wykonany z materiału PS, a jego konstrukcja spoiny sprytnie łączy rowek i żebro energetyczne, które nie tylko zapewnia stabilność połączenia, ale także poprawia wydajność produkcji.
Przełącznik elektroniczny jest wykonany z plastiku ABS i udoskonalany przez nitowanie ultradźwiękowe.
Reflektor wykonany jest z mieszanego materiału ABS i PC i łączy proces spawania kroków i żebra prowadzącego energię, aby stworzyć unikalny konstrukcję.
Lampa elektroniczna wykorzystuje materiał kompozytowy ABS i PMMA, w połączeniu z wykwintnym procesem spawania żeber płaskich i energetycznych, prezentujących unikalny styl projektowy.
Złącze elektryczne łączy stałe materiały ABS i metalu oraz zapewnia stabilność i trwałość jego połączenia poprzez precyzyjne nitowanie ultradźwiękowe.
Butelka medyczna jest wykonana z materiału PC i sprytnie wykorzystuje konstrukcję fuzyjną spawów żebra płaskich i energooszczędnych.
Butelka filtra paliwa wykonana jest z nylonu 6-6, a jej konstrukcja sprytnie łączy podwójne procesy szwów i spoin ścinających.
Montaż membrany filtracyjnej i bawełniana bawełniana dźwiękowa wykorzystuje materiał kompozytowy nylonu domieszkowanego 30% włókna szklanego i jest drobno zmontowany przez przeszywający proces spawania.
Pudełko elektryczne wykorzystuje materiał kompozytowy PS i miedzianych orzechów i jest drobno wykonane dzięki technologii ultradźwiękowej.
Rotor wykorzystuje materiał PS i łączy sprytną konstrukcję spawów żebra płaszczyzny i energooszczędne.
Struktura polimeru
Struktura molekularna amorficznych tworzyw sztucznych jest losowo rozmieszczona i nie ma ustalonego kierunku układu. Jego cechą jest to, że stopniowo zmiękcza się wraz z zakresem temperatur. Gdy ten rodzaj materiału osiągnie temperaturę przejścia szkła, stopniowo zmiękcza i ostatecznie wchodzi w ciecz stopionego stanu. Proces materiału od cieczy do zestalania jest stopniowy. Amorficzne tworzywa sztuczne mogą skutecznie przenosić wibracje ultradźwiękowe, a ze względu na ich szeroki zakres temperatur zmiękczenia są łatwiejsze do spawania i uszczelnienia.
Z drugiej strony, molekularna struktura półkrystalicznych tworzyw sztucznych jest uporządkowana. Wysokie ciepło jest kluczem do zerwania uporządkowanego układu. Te tworzywa sztuczne mają ostre temperatury topnienia, a gdy temperatura spadnie nieznacznie, stan cieczy szybko się zestali. Dlatego topienie wypływające z obszaru stopu gorącego szybko się zestali. Gdy stałe zachowanie molekularne materiałów półkrystalicznych jest jak sprężyna, pochłaniając większość wibracji ultradźwiękowych zamiast przekazywać je na obszar stawu. Dlatego w przypadku półkrystalicznych tworzyw sztucznych do wytworzenia wystarczającej ilości ciepła wymagana jest wysokiej zawartości głowicy spawalniczej.
TG TEMATEKTA TEMPERATURY SZKOLNEJ I TEMPERATURY TEMINEK TM
Omawiając strukturę polimerów, wspomnieliśmy o dwóch ważnych koncepcjach temperatury: temperaturze przejścia szklanego TG i temperaturze topnienia TM. TG to temperatura, w której materiał zmienia się ze stanu szklistego na wysoce elastyczny stan, w którym to czasie materiał zaczyna stopniowo zmiękczać. TM to temperatura wymagana do całkowitego stopienia się w ciecz. Te dwie cechy temperatury mają kluczowe znaczenie dla zrozumienia przetwarzania i wydajności materiałów polimerowych.
Lewa strona powyższej rysunku pokazuje amorficzny plastik, podczas gdy prawa strona pokazuje półkrystaliczny plastik. W termoplastyce wypełniacze, takie jak włókno szklane, talk i minerały, mogą zwiększyć lub hamować wpływ spawania ultradźwiękowego. Niektóre materiały, takie jak węglan wapnia, kaolina, talk, tlen glinu, a także włókna organiczne, krzemionka, kulki szklane, metasiarz wapnia (wllastonite) i mika, mogą zwiększyć twardość żywicy. Badania wykazały, że gdy zawartość wypełniacza osiągnie 20%, może skutecznie zwiększyć wydajność transmisji wibracji ultradźwiękowych w materiale, szczególnie w przypadku materiałów półkrystalicznych. Jednak gdy zawartość wypełniacza przekracza 35%, może wpłynąć na niezawodność uszczelnienia z powodu niewystarczającej zawartości żywicy na spoinie. Gdy zawartość wypełniacza osiągnie 40%, włókna szklane gromadzą się w pozycji złącza, co spowoduje niewystarczającą zawartość żywicy na spoinie, co z kolei wpływa na wytrzymałość spoiny. Ponadto podczas procesu formowania wtryskowego długie włókna szklane mają tendencję do gromadzenia się na żebrach energooszczędnych. Skutecznym rozwiązaniem jest użycie krótkich włókien szklanych zamiast długich szklanych włókien.
Ponadto, gdy zawartość wypełniacza przekracza 10%, cząstki ścierne w materiale mogą powodować zużycie głowicy spawalkowej. Dlatego zaleca się użycie głowicy spawalniczej ze stali węglowodanowej lub głowicy spawalniczej ze stopu tytanu pokrytego powłoką węglików wolframowych. Jednocześnie może być konieczne wybranie urządzenia ultradźwiękowego o wyższej mocy, aby zapewnić, że wystarczające ciepło jest wytwarzane na złącze.
Z drugiej strony, podczas gdy dodatki mogą poprawić ogólną wydajność lub charakterystykę formowania wtrysku materiału, często mają one hamujący wpływ na spawanie ultradźwiękowe. Typowe dodatki obejmują smary, plastyfikatory, modyfikatory uderzenia, opóźniacze płomienia, barwniki, środki pieniące i żywice na ziemi. Na przykład smary, takie jak wosk, stearynian cynku, kwas stearynowy i estry kwasów tłuszczowych zmniejszają współczynnik tarcia między cząsteczkami polimerowymi, zmniejszając w ten sposób wytwarzanie ciepła. Jednak efekt ten jest zwykle mniejszy na stawie, ponieważ stężenie smaru jest niskie i równomiernie rozproszone. Z drugiej strony plastyfikatory, takie jak wysokiej temperatury cieczy organicznych lub niskotemperatura stałe topnienia, zwiększają miękkość materiału i zmniejszają sztywność, ale zmniejszają przyciąganie między wewnętrznymi cząsteczkami polimeru i zakłócają przenoszenie energii wibracyjnej. W szczególności wysoce plastyczne materiały, takie jak winyl, są bardzo nieodpowiednie jako materiały transmisyjne dla wibracji ultradźwiękowych. Ponadto plastyfikatory jako dodatki wewnętrzne mogą z czasem migrować na powierzchnię plastiku, co dodatkowo wpływa na efekt spawania ultradźwiękowego. Podobnie modyfikatory uderzenia, takie jak guma, również zmniejszają zdolność materiału do przenoszenia wibracji ultradźwiękowych, wymagając większej amplitudy do stopienia plastiku.
Opóźniacze płomienia, tlenki nieorganiczne lub elementy halogeniczne organiczne (takie jak glin, antymon, bor, chlor, brom, siarka, azot lub fosfor) mogą skutecznie stłumić punkt pożarowy materiału lub zmienić jego charakterystykę spalania. Jednak te składniki często sprawiają, że materiał nie jest niezdolny, zwłaszcza gdy opóźnienie płomienia stanowi 50% lub więcej, co znacznie zmniejszy ilość materiału do spawania. W przypadku takich materiałów wymagane są urządzenia ultradźwiękowe o dużej mocy i głowice spawalnicze z dużymi amplitudami, a konstrukcja połączenia jest dostosowywana w celu zwiększenia proporcji materiału do spawania.
Większość barwników, w tym pigmenty i barwniki, nie utrudnia transmisji wibracji ultradźwiękowych. Mogą jednak zmniejszyć ilość materiału do spawania w obszarze stawu. W szczególności, gdy zawartość dwutlenku tytanu (TiO2) przekracza 5%, jego działanie smarne stanie się widoczne, co będzie miało hamujący wpływ na spawanie ultradźwiękowe. W tym samym czasie sadźba będzie zakłócać propagację energii ultradźwiękowej w materiale.
Środki pieniące się zmniejszają zdolność materiału do przekazywania wibracji ultradźwiękowych, ponieważ ich niska gęstość i duża liczba porów w strukturze molekularnej zapobiegają efektywnej transmisji energii.
Gdy żywica naziemna (powtórka) jest mieszana z materiałem, jej dodanie i objętość należy dokładnie ocenić i kontrolować, aby zoptymalizować efekt spawania. W niektórych przypadkach nie można w ogóle stosować runka i wymagany jest 100% dziewiczy materiał.
Ponadto, podczas gdy środki uwalniające pleśń, takie jak stearynian cynku, aluminium stearynian, fluorokarbony i silikony mogą pomóc w uwolnieniu części formowanych wtrysku, mogą przenieść na powierzchnię stawów i zmniejszyć współczynnik tarcia materiału, zmniejszając w ten sposób wytwarzanie ciepła i hamując ultradźwiękowe spawanie. Jednocześnie środki uwalniania pleśni mogą również powodować zanieczyszczenie chemiczne żywicy i wpływać na tworzenie odpowiednich wiązań chemicznych. W szczególności silikony mają największy wpływ. Dlatego przy użyciu środków uwalniania pleśni konieczne jest ostrożne wybór odpowiedniej oceny i podjęcie środków, aby zapobiec przeniesieniu na powierzchnię części.
Ponadto różne stopnie materiałów mogą mieć różne temperatury topnienia i wskaźniki przepływu, co może również wpływać na efekt spawania ultradźwiękowego. Na przykład stopnie rzucające PMMA mogą być trudniejsze do sporzenia niż stopnie wtrysku/wytłaczania ze względu na ich wyższą masę cząsteczkową i temperaturę topnienia. Dlatego, aby uzyskać najlepszy efekt spawania, staraj się wybrać materiały o tej samej klasie do spawania i upewnij się, że wskaźnik przepływu dwóch materiałów jest podobny, a różnica temperatury topnienia wynosi 22 stopnie.
Zawartość wilgoci w materiale ma znaczący wpływ na jego wytrzymałość spoiny. Materiały hydroskopowe, takie jak PBT, PC, PSU i nylon, łatwo wchłania wilgoć z powietrza. Podczas procesu spawania ta pochłonięta wilgoć gotuje się w wysokich temperaturach, a wytworzony gaz, jeśli jest uwięziony w spoinie, utworzy pory i degraduje plastik, wpływając w ten sposób na estetykę, siłę i uszczelnienie spoiny. Aby tego uniknąć, materiały hydroskopowe należy przyspawać natychmiast po formowaniu wtrysku. Jeśli natychmiastowe spawanie nie jest możliwe, suszone części powinny być przechowywane w suchej torbie PE lub umieszczone w piekarniku na 80 stopni przez 3 godziny przed spawaniem.
Ponadto, gdy spawanie różnych rodzajów materiałów należy zwrócić szczególną uwagę na temperaturę topnienia i strukturę molekularną dwóch materiałów. Idealnym warunkiem spawania jest to, że różnica temperatur topnienia dwóch materiałów nie przekracza 22 stopni, a struktura molekularna jest podobna. Jeśli różnica temperatury topnienia jest zbyt duża, materiał o niższej temperaturze topnienia rozpłynie się i przepłynie najpierw i nie zapewni wystarczającej ilości ciepła, aby stopić materiał o wyższą temperaturę topnienia. Na przykład, gdy spawanie PMMA o wysokim pomieszczeniu z o niskim poziomie pomieszczenia, jeśli przewodnik energetyczny znajduje się na PMMA o wysokim poziomie, złącza materiału o niskim poziomie pomieszczenia będzie najpierw stopić i przepływa, powodując, że przewodnik energii zmięknie, co z kolei wpływa na siłę spawania.
Ponadto kompatybilność materiału jest również kluczowym czynnikiem udanego spawania. Można przyspawać tylko materiały kompatybilne chemicznie, to znaczy materiałów o podobnych strukturach molekularnych. Warto zauważyć, że istnieje kompatybilność materiału głównie między materiałami amorficznymi, takimi jak ABS i PMMA, PC i PMMA oraz PS oraz zmodyfikowanym PPO. Jednak półkrystaliczne tworzywa sztuczne, takie jak PP i PE, chociaż mają podobne właściwości fizyczne, mają różne struktury molekularne, a zatem nie mają kompatybilności materiałowej i nie można ich spawać.
