Ultraäänihitsaus on kiinteän olomuodon hitsausprosessi, jossa kaksi komponenttia liitetään yhteen käyttämällä suurtaajuisia värähteleviä leikkausjännityksiä kohtuullisen puristusvoiman alaisena. Tämä menetelmä, jota käytetään usein limihitsauksessa (kuten alla olevassa kuvassa on esitetty), irrottaa pinnoitteita ja mahdollistaa komponenttien välisen tiiviin kosketuksen muodostaen vahvan metallurgisen sidoksen. Lämpöä syntyy rajapinnassa kitkan ja plastisen muodonmuutoksen kautta, mutta lämpötilat pysyvät paljon sulamispisteen alapuolella, mikä tekee suojakaasujen, fluxien tai lisäaineiden tarpeen tarpeettomaksi.
Ultraäänihitsauksessa ultraäänimuuntimeen kiinnitetty äänipää lähettää värähtelyliikkeen ylempään työkappaleeseen. Laite muuntaa sähköenergian korkeataajuiseksi värähtelyliikkeeksi, jonka amplitudi on 0.018–0.13 mm (0.0007–0.005 tuumaa) ja taajuusalue yleensä 15–75 kHz. Pintojen plastinen muodonmuutos ei ole merkittävä, koska käytetyt puristuspaineet ovat huomattavasti alhaisemmat kuin kylmähitsauksessa. Hitsausajat ovat tyypillisesti alle sekunnin.
Kupari ja alumiini ovat pehmeämpiä materiaaleja, joihin ultraäänihitsaus toimii parhaiten. Kovemmat materiaalit syövyttävät äänipäätä nopeammin. Parhaat työkappaleet ovat pieniä, yleensä alle 3 mm (1/8 tuumaa) hitsauspaksuudeltaan. Juottamista ei tarvita, kun tätä tekniikkaa käytetään johdinten päättämiseen ja liittämiseen sähkö- ja elektroniikkateollisuudessa. Lisäksi sitä käytetään aurinkopaneeliputkien hitsauksessa levyihin, pienten osien kokoonpanossa ja alumiinilevyjen kokoonpanossa.
Hitsausprosessi
Seuraavassa kuvataan ultraäänihitsausprosessin yleinen toiminta:
-Materiaalin valmistelu: Aseta muoviosat koneen hitsauspinoon limittäin.
-Korkeataajuisen sähkön tuotanto: Generaattori muuntaa normaalin sähkön (50–60 Hz) korkeataajuiseksi sähköksi (20–40 kHz).
-Muuntaminen ultraääneksi: Vahvistin vahvistaa värähtelyt sen jälkeen, kun muunnin muuntaa korkeataajuisen sähkön ultraääniaalloksi.
-Hitsaus: Ultraäänivärähtelyjä kohdistetaan koottuihin osiin hitsaustorven eli äänipään avulla. Käyttäjä käyttää prässiä paineen aikaansaamiseen. Käyttäjä irrottaa hitsatut komponentit ja vetää torven takaisin hitsauksen jälkeen.
Ultraäänihitsauskoneiden komponentit
Ultraäänihitsauskoneet koostuvat eri osista, joilla jokaisella on tietty toiminto. Tässä on joitakin keskeisiä osia, joita löytyy kaikentyyppisistä ultraäänihitsauskoneista:
Generaattori
Generaattori muuntaa sähkötehon tarvittavaksi korkeataajuudeksi ja -jännitteeksi resonanssitaajuudella. Siihen kuuluu myös mikroprosessori, joka hallitsee hitsaussykliä ja mahdollistaa olennaisen kommunikaation käyttöliittymän kautta.
Koneprässi
Konepuri kiinnittää hitsauskokoonpanon ja kohdistaa tarvittavan voiman liitoksen ylläpitämiseksi. Se on varustettu painemittarilla ja säätimellä, joiden avulla käyttäjä voi säätää järjestelmään kohdistettavaa voimaa.
Hitsauspino
Muunnin, tehostin ja hitsaustorvi ovat kaikki osa hitsauspinoa ja kiinnitetty tehostimen keskellä olevaan puristimeen. Tämä kokoonpano tuottaa ultraäänivärähtelyt, ja erinomaisten hitsaussaumojen takaamiseksi niiden taajuuden on oltava lähes sama kuin generaattorin.
Anturin
Muunnin, jota joskus kutsutaan myös konvertteriksi, muuntaa korkeataajuista sähköenergiaa mekaanisiksi värähtelyiksi. Se koostuu useista keraamisista pietsosähköisistä levyistä, jotka on sijoitettu kahden titaanilohkon väliin. Lisäksi pietsosähköisten levyjen väliin on sijoitettu ohut metallista valmistettu elektrodi.
Tehosterokotus
Vahvistimella on kaksi päätarkoitusta. Se toimittaa värähtelyt hitsaustorvelle vahvistettuaan ne supistumisen ja laajenemisen kautta. Se toimii myös hitsauspinon perustana hitsausprässissä.
Hitsaustorvi
Hitsaustorvi, joka on tyypillisesti valmistettu alumiinista tai titaanista, välittää värähtelyä hitsattavaan osaan. Vaikka alumiini toimii hyvin pienimuotoisissa sovelluksissa, se kuluu nopeasti. Tämän torjumiseksi useimmissa hitsaustorvissa on karkaistut kärjet, jotka parantavat suorituskykyä ja pitkäikäisyyttä raskaassa käytössä.
Tukityökalut
Tukityökalut toimivat koneen perustana tukemalla sen alaosaa hitsauksen aikana. Vakauden ja tarkkuuden varmistamiseksi ne on valmistettu mukautumaan työkappaleiden kaarteisiin.
Hitsausparametrit
Ultraäänihitsaus on erittäin tehokas menetelmä materiaalien, yleensä metallien tai polymeerien, liittämiseen korkeataajuisten värähtelyjen avulla. Värähtelyn suuntaan kohtisuorassa oleva voima, värähtelyn amplitudi ja värähtelyn kesto ovat kolme tärkeintä teknologista tekijää, jotka vaikuttavat ultraäänihitsauksen tehokkuuteen ja laatuun. Näiden muuttujien ymmärtäminen ja hallinta on olennaista ihanteellisten hitsien saavuttamiseksi.
Tärinän kesto
Aikaa, jonka ultraäänivärähtelyjä kohdistetaan liitettävään materiaaliin, kutsutaan värähtelyn kestoksi tai hitsausajaksi. Tämä pituus on tyypillisesti alle yksi sekunti useimmissa hitsausoperaatioissa. Jos hitsaus kuitenkin vaatii enemmän energiaa, värähtelyn pituutta on nostettava samalla, kun muiden parametrien arvot pidetään samoina. Seuraava kaava määrittää hitsaussyklin tarvittavan energian:
jossa �� on energia jouleina, �� on teho watteina, F on voima newtoneina, �� on amplitudi mikrometreinä, �� on taajuus hertseinä ja Δ�� on syklin kesto sekunteina.
Tärinä amplitudi
Hitsaustyökalun pituussuuntainen venymä ja supistuminen mitataan ultraäänivärähtelyjen amplitudilla, joka vaihtelee 5 ja 35 mikrometrin välillä. Tämä on tärkeä amplitudi, koska se vastaa hitsauspinnan kitkaetäisyyttä. Saman energiamäärän syöttäminen kestää vähemmän aikaa, kun amplitudia kasvatetaan, koska värähtelyn ylläpitämiseen tarvitaan enemmän tehoa. Huippuluokan ultraäänilaitteet mahdollistavat hitsaussyklin aikana amplitudiprofiloinnin eli porrastuksen. Koska se vahvistaa sidosta ja estää työkalun juuttumisen, tämä menetelmä on erittäin hyödyllinen alumiinin kaltaisten seosten hitsauksessa.
Värähtelysuuntaan kohtisuora voima
Ultraäänihitsausprosessissa keskeinen tekijä on värähtelyn suuntaan kohtisuorassa oleva voima. Tämän paineilmasylinterin tuottaman voiman avulla luodaan hitsausalueelle tarvittava mekaaninen rasitus. Seuraavassa kuvataan värähtelyn luomisen ja ylläpitämisen suorituskykykriteerit:
jossa Smh on pneumaattisen sylinterin poikkileikkauspinta-ala neliömetreinä, pℓ on paineilman paine pascaleina ja η on mekaaninen hyötysuhde. Paineen kasvaessa mekaaninen kuormitus kasvaa, mikä vaatii enemmän tehoa värähtelyn ylläpitämiseksi.
Prosessivariantit
Ultraäänipistehitsauksessa värähtelyliike siirtyy päällekkäisistä inserteistä ohuempiin materiaaleihin (paksuus 0.005–3 mm). Äänipää puristaa kappaleita puristavalla voimalla ja luo hitsatun liitoksen, joka värähtelee työkappaleen mukana. On ratkaisevan tärkeää, että työkappaleiden välillä on suhteellista liikettä, ei äänipään ja ylemmän työkappaleen välillä. Tällä menetelmällä voidaan yhdistää eri materiaalilaatuisia levyjä tai lankoja. Ultraäänihitsaus, jatkuvan pistehitsauksen muoto, tuottaa hitsattuja liitoksia äänipään ja alasimen väliin sijoitettujen päällekkäisten ohuiden levyjen välille. Prosessin aikana kolme värähtelyyksikköä tarjoavat vuorottelevaa liikettä putkimaisen äänipään akselin ympäri muodostaen tasakokoisen ja -muotoisen sauman sen putkimaisen etupinnan kanssa.
Ultraäänihitsauksen tyypit
Sekä metalleja että polymeerejä, joilla on erilaiset materiaalien yhteensopivuudet, yhdistetään usein ultraäänihitsauksella.
Ultraäänihitsaus muoville: Ultraäänihitsaus muoville on paras menetelmä kestomuoveille, kuten polyesterille, ABS:lle ja polykarbonaatille. Ominaisuudet, kuten kovuus ja kosteuspitoisuus, on otettava huomioon. Se ei kuitenkaan sovellu muovipolymeereille, kuten polyamidille ja PVC:lle.
Ultraäänihitsaus: Tämä tekniikka on tehokas metallien, mukaan lukien kuparin, hopean, messingin, nikkelin, kullan ja alumiinin seosten, liittämiseen. Tämä menetelmä toimii parhaiten ohuiden, pieniläpimittaisten metallien kanssa, minkä ansiosta se sopii erinomaisesti herkkiin käyttötarkoituksiin.
Ultraäänihitsauksen edut
Koska ultraäänihitsauksessa käytetään epäsuoria lämmitystekniikoita, se parantaa estetiikkaa tinkimättä toiminnallisuudesta, mikä erottaa sen perinteisistä ohutlevyhitsauksista ja hitsaamattomista menetelmistä. Tässä ovat sen tärkeimmät edut:
Nopeus: Ultraäänihitsauksen tuottamat korkeataajuiset ultraäänivärähtelyt hitsaavat nopeasti sopivat kappaleet, mikä varmistaa nopean tuotantoprosessin. Tämän tuloksena on lyhyet läpimenoajat ja suuri läpimenoaika.
Korkea turvallisuustaso: Epäsuora lämmön käyttö vähentää käyttöriskejä. Hitsatut liitokset ja ympäröivät materiaalit suojataan vaurioilta paikallisen ja nopean lämmön haihtumisen ansiosta.
Luotettavuus: Koneisto on luotettava ja siinä on vähän toimintahäiriöitä ja vikoja. Automaatio minimoi entisestään toiminnalliset ja inhimilliset virheet, säästää käyttökustannuksia ja parantaa hitsausliitosten laatua.
Soveltuu erilaisille materiaaleille: Toinen tärkeä muovin hitsauksen näkökohta on, että tämä menetelmä sopii hyvin erilaisten materiaalien liittämiseen yhteen. Erilaisia muoveja yhdistettäessä ultraäänihitsaus ei vaadi molekyylisidosten kehittymistä, toisin kuin muut muovin hitsaustekniikat.
Ultraäänihitsauksen haitat
Ultraäänihitsauksessa on useita haittoja. Se ei aluksi sovellu koville ja kosteutta sisältäville muoveille. Menetelmällä on ongelmia korkeakosteisten kestomuovien ja vahvojen polymeerien, kuten polypropeenin, kanssa. Lisäksi anturin rajallinen 100–150 mm:n alue tarkoittaa, että sillä ei voida hitsata yli 150 mm:n liitosten kappaleita. Osan koko on toinen rajoitus. Paksujen materiaalien sulattaminen vie paljon energiaa, mikä tekee niistä myös hankalia.
Kallis alkukustannus on jälleen yksi merkittävä haittapuoli. Organisaatioille ultraäänihitsauslaitteet vaativat merkittäviä taloudellisia investointeja korkeiden kustannustensa vuoksi, jotka nousevat automatisoinnin myötä. Lisäksi tämä menetelmä rajoittuu limiliitoksiin, jotka muodostuvat päällekkäin olevista osista tasaisella pinnalla. Muiden liitostyyppien, kuten kulma-, pusku-, T- ja reunaliitosten, ei tulisi käyttää sitä. Kun valitset, onko ultraäänihitsaus paras tekniikka sovellukseesi, muista, että nämä haitat rajoittavat sen monipuolisuutta verrattuna muihin hitsaustekniikoihin.
Ultraäänihitsauksen sovellukset
Ultraäänihitsaus on arvokas tekniikka, jota käytetään monilla eri teollisuudenaloilla, erityisesti kulutus- ja teollisuustuotteiden valmistuksessa. Sitä käytetään tärkeiden lääketieteellisten tarvikkeiden, kuten anestesiasuodattimien, veri- ja kaasusuodattimien sekä kasvomaskien, valmistukseen. Tämä menetelmä sopii erinomaisesti lääkinnällisiin laitteisiin, koska se takaa edulliset ja korkealaatuiset liitokset osissa, jotka koostuvat eri lääketieteellisistä polymeereistä, kuten ABS:stä ja polyeteenistä.
Autoteollisuus käyttää ultraäänihitsausta muovin sulattamiseen komponenttien, kuten kojelaudan, ovipaneelien ja ohjauspyörien, valmistukseen. Alhaisten pääomakustannusten, automaation, nopeiden sykliaikojen ja joustavuuden lisäksi prosessia suositaan, koska se käyttää epäsuoraa lämpöä, joka ei vahingoita työkappaletta.
Tarkkuutensa, nopeutensa ja korkealaatuisten liitosten ansiosta ultraäänihitsaus auttaa myös lentokoneteollisuutta.
Samalla tavalla elektroniikkateollisuudessa käytetään ultraäänihitsausta johtojen liittämiseen ja sähkömoottoreiden, kondensaattoreiden, tallennusvälineiden ja herkkien piirien kokoamiseen. Tarkkuutensa ja luotettavuutensa ansiosta se sopii täydellisesti pienten ja monimutkaisten sähkökomponenttien valmistukseen.
Viitteet
Groover, MP, 2010. Nykyaikaisen valmistuksen perusteet: materiaalit, prosessit ja järjestelmät. 4. painos. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, Inc.
