Ultralydssvejsning (USW) er en faststofsvejsningsproces, hvor to komponenter forbindes ved at påføre højfrekvente oscillerende forskydningsspændinger under moderat klemkraft. Denne procedure, som ofte anvendes ved overlapsvejsning (som vist i figur nedenfor), afbryder overfladebelægninger og tillader tæt kontakt mellem komponenterne, hvilket danner en stærk metallurgisk binding. Varme produceres ved grænsefladen ved friktion og plastisk deformation, men temperaturerne forbliver meget under smeltepunktet, hvilket eliminerer behovet for beskyttelsesgasser, flusmidler eller tilsatsmetaller.
I USW overfører en sonotrode, der er fastgjort til en ultralydstransducer, den oscillerende bevægelse til det øvre emne. Denne enhed omdanner elektrisk energi til højfrekvent vibrationsbevægelse med amplituder på 0.018 til 0.13 mm (0.0007-0.005 tommer) og et frekvensområde på almindeligvis 15 til 75 kHz. Overfladerne deformeres ikke signifikant plastisk, da de anvendte klemtryk er væsentligt lavere end ved koldsvejsning. Svejsetiderne er typisk kortere end et sekund.
Kobber og aluminium er blandt de blødere materialer, som ultralydssvejsning fungerer bedst på. Hårdere materialer eroderer sonotroden hurtigere. De bedste emner er små, normalt mindre end 3 mm (1/8 tomme) i svejsetykkelse. Lodning er ikke nødvendig, når denne teknologi bruges til ledningsafslutninger og splejsning i den elektriske og elektroniske sektor. Derudover anvendes den til svejsning af solpanelrør til plader, samling af små dele og samling af aluminiumspladepaneler.
Svejseproces
Følgende beskriver den generelle funktion af ultralydssvejseprocessen:
-Materialeforberedelse: Placer plastikkomponenterne på maskinens svejsestak i en overlapningskonfiguration.
-Produktion af højfrekvent elektricitet: Standardelektricitet (50-60 Hz) omdannes til højfrekvent elektricitet (20-40 kHz) af generatoren.
-Konvertering til ultralyd: Vibrationerne forstærkes af boosteren, efter at transduceren konverterer den højfrekvente elektricitet til ultralydbølger.
-Svejsning: Ultralydsvibrationer rettes mod de samlede dele af svejsehornet, også kendt som en sonotrode. Pressen bruges af operatøren til at tilføre tryk. Operatøren trækker de svejsede komponenter ud og trækker hornet tilbage efter svejsning.
Komponenter til ultralydssvejsemaskiner
Ultralydssvejsemaskiner er opbygget af forskellige dele, der hver har en specifik funktion. Her er nogle nøgledele, der findes i alle typer ultralydssvejsemaskiner:
Generator
Generatoren omdanner elektrisk strøm til den nødvendige høje frekvens og spænding ved en resonansfrekvens. En mikroprocessor, der styrer svejsecyklussen og muliggør nødvendig kommunikation via brugergrænsefladen, er også en del af den.
Maskinpresse
Maskinpressen fastgør svejseenheden og anvender den nødvendige kraft til at opretholde samlingen. Den er udstyret med en trykmåler og regulator, der gør det muligt for operatøren at justere den kraft, der påføres systemet.
Svejsestak
Transduceren, boosteren og svejsehornet er alle en del af svejsestablen og er fastgjort til pressen midt i boosteren. Ultralydsvibrationerne produceres af denne samling, og for at garantere fremragende svejsesømme skal deres frekvens næsten matche generatorens.
Transducer
En transducer, undertiden omtalt som en konverter, omdanner elektrisk energi med en høj frekvens til mekaniske vibrationer. Den består af mange keramiske piezoelektriske skiver, der er klemt inde mellem to titaniumblokke. Derudover er en tynd elektrode af metal placeret mellem de piezoelektriske skiver.
Booster
Boosteren har to hovedformål. Den leverer vibrationerne til svejsehornet efter at have forstærket dem gennem sammentrækning og udvidelse. Den fungerer også som fundament for svejsestablen på svejsepressen.
Svejsehorn
Et svejsehorn, typisk lavet af aluminium eller titanium, overfører vibrationer til den svejsede del. Selvom aluminium fungerer godt i applikationer med lav volumen, slides det hurtigt. For at modvirke dette har de fleste svejsehorn hærdede spidser, som forbedrer ydeevne og levetid under kraftig brug.
Støtteværktøj
Støtteværktøj fungerer som maskinens fundament ved at støtte dens nederste komponent under svejsningen. For at give stabilitet og præcision er det fremstillet til at passe til emnets kurver.
Svejseparametre
Ultralydssvejsning er en yderst effektiv metode til at sammenføje materialer, normalt metaller eller polymerer, ved hjælp af højfrekvente vibrationer. Den kraft, der påføres vinkelret på vibrationsretningen, vibrationsamplituden og vibrationsvarigheden, er de tre vigtigste teknologiske faktorer, der påvirker effektiviteten og kvaliteten af ultralydssvejsning. Forståelse og håndtering af disse variabler er afgørende for at opnå ideelle svejsninger.
Vibrationsvarighed
Den tid, hvor ultralydsvibrationer påføres de materialer, der skal forbindes, kaldes vibrationsvarigheden eller svejsetiden. Denne længde er typisk mindre end et sekund for de fleste svejseoperationer. Hvis en svejsning kræver mere energi, skal vibrationslængden dog øges, mens de samme værdier for de andre parametre opretholdes. Følgende formel bestemmer den energi, der kræves til en svejsecyklus:
hvor �� er energien i joule, �� er effekten i watt, F er kraften i newton, �� er amplituden i mikrometer, �� er frekvensen i hertz, og �� er cyklustiden i sekunder.
Vibrationsamplitude
Svejseværktøjets længdeforskel og -kontraktion måles ved hjælp af ultralydsvibrationernes amplitude, som varierer mellem 5 og 35 mikrometer. Dette er en vigtig amplitude, fordi den matcher svejseoverfladens friktionsafstand. Det tager kortere tid at tilføre den samme mængde energi, når amplituden øges, fordi der kræves mere kraft for at holde vibrationen i gang. Amplitudeprofilering eller stepping, som det kaldes, muliggøres af det avancerede ultralydsudstyr under svejsecyklussen. Da det styrker bindingen og undgår fastklemning af værktøjet, er denne metode meget nyttig til svejsning af legeringer som aluminium.
Kraft vinkelret på vibrationsretningen
En nøglefaktor i ultralydssvejseprocessen er den kraft, der påføres vinkelret på vibrationsretningen. Den nødvendige mekaniske belastning på svejsezonen skabes af denne kraft, som produceres af en pneumatisk cylinder. Følgende beskriver ydelseskriterierne for vibrationsoprettelse og -vedligeholdelse:
hvor Smh er tværsnitsarealet af den pneumatiske cylinder i kvadratmeter, pℓ er tryklufttrykket i pascal, og η er den mekaniske virkningsgrad. Når trykket stiger, øges den mekaniske belastning, hvilket kræver mere kraft for at opretholde vibrationen.
Procesvarianter
Ved ultralydspunktsvejsning overføres den oscillerende bevægelse fra de overlappende indsatser til de tyndere materialer (fra 0.005 til 3 mm). Sonotroden, der anvender kraft til at komprimere stykkerne, skaber en svejset binding, der vibrerer med emnet. Det er afgørende, at der er relativ bevægelse mellem emnerne, ikke mellem sonotroden og det øvre emne. Denne metode kan forbinde plader eller tråde af varierende materialekvaliteter. Ultralydsvejsning, en form for kontinuerlig punktsvejsning, producerer svejsede samlinger mellem overlappende tynde plader placeret mellem sonotroden og ambolten. Under processen giver tre vibrationsenheder skiftevis bevægelse omkring den rørformede sonotrodes akse, hvilket danner en søm af ensartet størrelse og form med dens rørformede forside.
Typer af ultralydssvejsning
Både metaller og polymerer, som har forskellig materialekompatibilitet, sammenføjes ofte via ultralydssvejsning.
Ultralydssvejsning af plast: For termoplast som polyester, ABS og polycarbonat er ultralydssvejsning af plast den bedste metode. Egenskaber som hårdhed og fugtindhold bør tages i betragtning. Men det er ikke egnet til plastpolymerer som polyamid og PVC.
Ultralydssvejsning af metal: Denne teknik er effektiv til at sammenføje metaller, herunder legeringer lavet af kobber, sølv, messing, nikkel, guld og aluminium. Denne metode fungerer bedst med tynde metaller med lille diameter, hvilket gør den ideel til følsomme anvendelser.
Fordele ved ultralydssvejsning
Fordi ultralydssvejsning bruger indirekte opvarmningsteknikker, forbedrer den æstetikken uden at gå på kompromis med funktionaliteten, hvilket adskiller den fra konventionel pladesvejsning og metoder uden svejsning. Her er dens vigtigste fordele:
Hastighed: Højfrekvente ultralydsvibrationer produceret ved ultralydssvejsning svejser hurtigt egnede emner, hvilket sikrer en hurtig produktionsproces. Korte ekspeditionstider og høj kapacitet er resultatet af dette.
Høj sikkerhed: Den indirekte varmepåføring skaber mindre driftsrisiko. De svejsede forbindelser og omgivende materialer er beskyttet mod skader ved hjælp af den lokaliserede og hurtige afledning af den genererede varme.
Pålidelighed: Maskineriet er pålideligt og har få funktionsfejl og nedbrud. Automatisering minimerer yderligere driftsfejl og menneskelige fejl, sparer driftsomkostninger og forbedrer kvaliteten af svejsede samlinger.
Velegnet til forskellige materialer: Et andet vigtigt aspekt ved plastsvejsning er, at denne procedure fungerer godt til at sammenføje forskellige materialer. Ved sammenføjning af forskellige plasttyper kræver ultralydssvejsning ikke udvikling af molekylære bindinger i modsætning til andre plastsvejseteknikker.
Ulemper ved ultralydssvejsning
Der er en række ulemper ved ultralydssvejsning. Den er til at begynde med uegnet til hårde og fugtholdige plasttyper. Denne metode har problemer med termoplast med højt fugtindhold og stærke polymerer som polypropylen. Desuden betyder transducerens begrænsede område på 100-150 mm, at den ikke kan svejse emner med samlinger større end 150 mm. Emnestørrelse er en anden begrænsning. Det faktum, at smeltning af tykke materialer kræver meget energi, gør dem også besværlige.
Den dyre startudgift er endnu en stor ulempe. For organisationer kræver ultralydssvejseudstyr en betydelig økonomisk investering på grund af dets høje omkostninger, som stiger med automatisering. Derudover er denne metode begrænset til overlapningssamlinger, som er dannet af sektioner, der overlapper hinanden på en plan overflade. Andre samlingstyper, såsom hjørne-, stød-, T- og kantsamlinger, bør ikke bruge den. Når du vælger, om ultralydssvejsning er den bedste teknik til din anvendelse, skal du huske på, at disse ulemper begrænser dens alsidighed i sammenligning med andre svejseteknikker.
Anvendelser af ultralydssvejsning
Ultralydsvejsning er en værdifuld teknik, der finder anvendelse i en bred vifte af industrier, især inden for fremstilling af forbrugs- og industrivarer. Den bruges til at fremstille vigtige medicinske forsyninger som anæstesifiltre, blod- og gasfiltre og ansigtsmasker. Denne metode er perfekt til medicinsk udstyr, da den garanterer billige samlinger af høj kvalitet i dele sammensat af forskellige medicinske polymerer, såsom ABS og polyethylen.
For at fremstille komponenter som instrumentpaneler, dørpaneler og rat bruger bilindustrien ultralydssvejsning til at smelte plast sammen. Ud over de lave kapitalomkostninger, automatisering, hurtige cyklustider og fleksibilitet foretrækkes processen, fordi den bruger indirekte varme, som ikke forårsager skade på emnet.
På grund af dens nøjagtighed, hastighed og samlinger af høj kvalitet hjælper ultralydssvejsning også flyindustrien.
På samme måde bruger elektroniksektoren ultralydssvejsning til at forbinde ledninger og sammensætte elektriske motorer, kondensatorer, lagringsmedier og delikate kredsløb. På grund af dens nøjagtighed og pålidelighed er den perfekt til at skabe små, komplekse elektriske komponenter.
Referencer
Groover, MP, 2010. Grundlæggende principper for moderne fremstilling: Materialer, processer og systemer. 4. udg. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, Inc.
