Spawanie ultradźwiękowe jest techniką przemysłową, w której ultradźwiękowe wibracje akustyczne o wysokiej częstotliwości są lokalnie przykładane do obrabianych przedmiotów utrzymywanych razem pod ciśnieniem w celu utworzenia spoiny półprzewodnikowej. Jest to powszechnie stosowane do tworzyw sztucznych i metali, a zwłaszcza do łączenia różnych materiałów. , nie ma żadnych łączących śrub, gwoździ, materiałów lutowniczych ani klejów niezbędnych do połączenia materiałów razem. Po nałożeniu na metale, godną uwagi cechą tej metody jest to, że temperatura pozostaje znacznie poniżej temperatury topnienia zaangażowanych materiałów, zapobiegając w ten sposób niepożądanemu właściwości, które mogą wynikać z narażenia materiałów na wysokie temperatury.
Praktyczne zastosowanie spawania ultradźwiękowego sztywnych tworzyw sztucznych zostało ukończone w latach 60. W tym momencie można spawać tylko twarde tworzywa sztuczne. Patent na ultradźwiękową metodę spawania sztywnych elementów termoplastycznych został przyznany Robertowi Soloffowi i Seymourowi Linsleyowi w 1965 r. Soloff, założyciel Sonics & Materials Inc., był kierownikiem laboratorium Branson Instruments, gdzie cienkie folie z tworzywa sztucznego były zgrzewane w worki i rurki za pomocą sond ultradźwiękowych. Nieumyślnie przeniósł sondę blisko dozownika taśmy z tworzywa sztucznego, a połówki dozownika zespawano ze sobą. Uświadomił sobie, że sondy nie trzeba ręcznie przesuwać wokół części, ale energia ultradźwiękowa może przemieszczać się przez sztywne tworzywa sztuczne i wokół nich i przyspawać całe złącze. Następnie opracował pierwszą prasę ultradźwiękową. Pierwsze zastosowanie tej nowej technologii miało miejsce w branży zabawek.
Pierwszy samochód wykonany w całości z plastiku został zmontowany za pomocą spawania ultradźwiękowego w 1969 roku. Mimo że samochody z tworzywa sztucznego nie przylgnęły, spawanie ultradźwiękowe tak. Przemysł motoryzacyjny stosuje go regularnie od lat 80. Jest teraz używany do wielu aplikacji.
Aby połączyć złożone elementy termoplastyczne formowane wtryskowo , urządzenia do spawania ultradźwiękowego można łatwo dostosować do dokładnych specyfikacji spawanych części. Części są umieszczone pomiędzy gniazdem o stałym kształcie ( kowadło ) a sonotrodą (klakson) podłączonym do przetwornika i emitowane są wibracje akustyczne o niskiej amplitudzie ~ 20 kHz . (Uwaga: Częstotliwości stosowane w spawaniu ultradźwiękowym tworzyw termoplastycznych to 15 kHz, 20 kHz, 30 kHz, 35 kHz, 40 kHz i 70 kHz). Podczas spawania tworzyw sztucznych interfejs dwóch części jest specjalnie zaprojektowany w celu skoncentrowania procesu topienia. Jeden z materiałów zwykle ma kolczasty lub zaokrąglony czujnik energii, który styka się z drugą częścią z tworzywa sztucznego. Energia ultradźwiękowa topi punktowy kontakt między częściami, tworząc połączenie. Ten proces jest dobrą zautomatyzowaną alternatywą dla projektów klejów , śrub lub zatrzasków . Zwykle stosuje się go z małymi częściami (np. Telefony komórkowe, elektronika użytkowa, jednorazowe narzędzia medyczne, zabawki itp.), Ale można go stosować na częściach tak dużych jak mały zestaw instrumentów samochodowych. Do spawania metali można również stosować ultradźwięki, ale zwykle są one ograniczone do małych spawów cienkich, plastycznych metali, np. Aluminium, miedzi, niklu. Ze względu na wymagany poziom mocy ultradźwięki nie byłyby stosowane do spawania podwozia samochodu lub spawania elementów roweru ze sobą.
Ultradźwiękowe spawanie tworzyw termoplastycznych powoduje miejscowe stopienie tworzywa z powodu absorpcji energii drgań wzdłuż spawanego złącza. W metalach spawanie następuje z powodu wysokociśnieniowej dyspersji tlenków powierzchniowych i lokalnego ruchu materiałów. Chociaż jest ogrzewanie, nie wystarczy stopić materiałów podstawowych.
Spawanie ultradźwiękowe może być stosowane zarówno do twardych, jak i miękkich tworzyw sztucznych, takich jak tworzywa półkrystaliczne i metale. Zrozumienie spawania ultradźwiękowego wzrosło wraz z badaniami i testami. Wynalezienie bardziej wyrafinowanego i niedrogiego sprzętu oraz zwiększone zapotrzebowanie na elementy plastikowe i elektroniczne doprowadziły do rosnącej wiedzy o podstawowym procesie. Wiele aspektów spawania ultradźwiękowego wymaga jednak dalszych badań, takich jak powiązanie jakości spoiny z parametrami procesu. Spawanie ultradźwiękowe jest nadal szybko rozwijającą się dziedziną.
Naukowcom z Instytutu Inżynierii Materiałowej (WKK) Uniwersytetu w Kaiserslautern, przy wsparciu Niemieckiej Fundacji Badawczej ( Deutsche Forschungsgemeinschaft ), udało się udowodnić, że zastosowanie procesów spawania ultradźwiękowego może prowadzić do bardzo trwałych połączeń między metalami lekkimi a węglem - arkusze polimerowe wzmocnione włóknami (CFRP).
Zaletą spawania ultradźwiękowego jest to, że jest on znacznie szybszy niż konwencjonalne kleje lub rozpuszczalniki. Czas schnięcia jest bardzo szybki, a elementy nie muszą pozostawać w uchwycie przez długi czas, czekając, aż staw wyschnie lub utwardzi się. Spawanie można łatwo zautomatyzować, tworząc czyste i precyzyjne połączenia; miejsce spoiny jest bardzo czyste i rzadko wymaga żadnych poprawek. Niski wpływ termiczny na zastosowane materiały pozwala na spawanie większej liczby materiałów.
