Ultrazvučno zavarivanje (USW) je postupak zavarivanja u čvrstom stanju gdje se dvije komponente spajaju primjenom visokofrekventnih oscilatornih posmičnih napona uz umjerenu silu stezanja. Ovaj postupak, koji se često koristi kod zavarivanja u preklop (kao što je prikazano na slici dolje), lomi površinske premaze i omogućuje bliski kontakt između komponenti, stvarajući snažnu metaluršku vezu. Toplina se proizvodi na granici trenjem i plastičnom deformacijom, ali temperature ostaju znatno ispod točke taljenja, što eliminira potrebu za zaštitnim plinovima, fluksovima ili dodatnim metalima.
Kod ultrazvučnog zavarivanja, sonotroda koja je pričvršćena na ultrazvučni pretvarač prenosi oscilatorno gibanje na gornji obratak. Ovaj uređaj pretvara električnu energiju u visokofrekventno vibracijsko gibanje, s amplitudama od 0.018 do 0.13 mm (0.0007–0.005 inča) i frekvencijskim rasponom od obično 15 do 75 kHz. Površine se ne značajno plastično deformiraju jer su korišteni tlakovi stezanja znatno niži nego kod hladnog zavarivanja. Vrijeme zavarivanja je obično kraće od sekunde.
Bakar i aluminij spadaju među mekše materijale na kojima ultrazvučno zavarivanje najbolje djeluje. Tvrđi materijali brže erodiraju sonotrodu. Najbolji obratci su mali, obično manje od 3 mm (1/8 inča) debljine zavara. Lemljenje nije potrebno pri korištenju ove tehnologije za završetke žica i spajanje u električnom i elektroničkom sektoru. Osim toga, koristi se za zavarivanje cijevi solarnih panela na limove, sastavljanje malih dijelova i sastavljanje aluminijskih limenih panela.
Postupak zavarivanja
U nastavku je opisan opći postupak ultrazvučnog zavarivanja:
-Priprema materijala: Postavite plastične komponente na zavarivački stog stroja u konfiguraciji preklopljenog spoja.
-Proizvodnja visokofrekventne električne energije: Standardna električna energija (50–60 Hz) generator pretvara u visokofrekventnu električnu energiju (20–40 kHz).
-Pretvorba u ultrazvuk: Vibracije se pojačavaju pomoću pojačivača nakon što pretvornik pretvori visokofrekventnu električnu energiju u ultrazvučne valove.
-Zavarivanje: Ultrazvučne vibracije usmjeravaju se na sastavljene dijelove pomoću zavarivačke trube, poznate i kao sonotroda. Operater koristi prešu za stvaranje pritiska. Operater izvlači zavarene komponente i uvlači trubu nakon zavarivanja.
Komponente ultrazvučnog stroja za zavarivanje
Uređaji za ultrazvučno zavarivanje sastoje se od različitih dijelova, od kojih svaki ima određenu funkciju. Evo nekih ključnih dijelova koji se nalaze u svim vrstama uređaja za ultrazvučno zavarivanje:
Generator
Generator pretvara električnu energiju u potrebnu visoku frekvenciju i napon na rezonantnoj frekvenciji. Dio njega je i mikroprocesor koji upravlja ciklusom zavarivanja i omogućuje bitnu komunikaciju putem korisničkog sučelja.
Strojna preša
Strojna preša učvršćuje sklop za zavarivanje i primjenjuje potrebnu silu za održavanje spoja. Opremljena je manometrom i regulatorom, što omogućuje operateru podešavanje sile primijenjene na sustav.
Dio za zavarivanje
Pretvarač, pojačivač i zavarivačka truba dio su zavarivačkog sklopa i pričvršćeni su na prešu u sredini pojačivača. Ultrazvučne vibracije proizvodi ovaj sklop, a kako bi se osigurali izvrsni zavareni šavovi, njihova frekvencija mora biti gotovo jednaka frekvenciji generatora.
Transduktor
Pretvarač, ponekad nazivan i pretvaračem, pretvara električnu energiju visoke frekvencije u mehaničke vibracije. Sastoji se od mnogih keramičkih piezoelektričnih diskova smještenih između dva titanska bloka. Osim toga, tanka elektroda od metala postavljena je između piezoelektričnih diskova.
Pojačavač
Pojačivač ima dvije glavne namjene. Dostavlja vibracije do zavarivačke trube nakon što ih pojača kontrakcijom i ekspanzijom. Također služi kao temelj za zavarivački snop na preši za zavarivanje.
Zavarivačka truba
Zavarivačka truba, obično izrađena od aluminija ili titana, prenosi vibracije na zavareni dio. Iako aluminij dobro funkcionira u primjenama s malim volumenom, brzo se troši. Kako bi se to suzbilo, većina zavarivačkih truba ima kaljene vrhove, koji poboljšavaju performanse i dugotrajnost pri intenzivnoj upotrebi.
Alati za podršku
Alati za potporu djeluju kao temelj stroja podupirući njegov donji dio tijekom zavarivanja. Kako bi se osigurala stabilnost i točnost, izrađeni su tako da odgovaraju krivuljama obratka.
Parametri zavarivanja
Ultrazvučno zavarivanje je vrlo učinkovita metoda spajanja materijala, obično metala ili polimera, korištenjem visokofrekventnih vibracija. Sila primijenjena okomito na smjer vibracije, amplituda vibracije i trajanje vibracije tri su glavna tehnološka čimbenika koja utječu na učinkovitost i kvalitetu ultrazvučnog zavarivanja. Razumijevanje i upravljanje tim varijablama ključno je za postizanje idealnih zavara.
Trajanje vibracije
Vrijeme u kojem se ultrazvučne vibracije primjenjuju na materijale koji se spajaju poznato je kao trajanje vibracije ili vrijeme zavarivanja. To je vrijeme obično manje od jedne sekunde za većinu operacija zavarivanja. Ipak, ako zavarivanje zahtijeva više energije, duljinu vibracije potrebno je povećati uz održavanje istih vrijednosti za ostale parametre. Sljedeća formula određuje energiju potrebnu za ciklus zavarivanja:
gdje je �� energija u džulima, �� snaga u vatima, F sila u newtonima, �� amplituda u mikrometrima, �� frekvencija u hercima, a Δ�� vrijeme ciklusa u sekundama.
Amplituda vibracija
Uzdužno istezanje i skupljanje alata za zavarivanje mjere se amplitudom ultrazvučnih vibracija, koja varira između 5 i 35 mikrometara. To je važna amplituda jer odgovara udaljenosti trenja površine zavarivanja. Potrebno je manje vremena za unos iste količine energije kada se amplituda poveća jer je potrebna veća snaga za održavanje vibracija. Profiliranje amplitude ili korakanje, kako se naziva, omogućeno je najsuvremenijom ultrazvučnom opremom tijekom ciklusa zavarivanja. Budući da jača vezu i izbjegava zaglavljivanje alata, ova metoda je vrlo korisna za zavarivanje legura poput aluminija.
Sila okomita na smjer vibracije
Ključni faktor u procesu ultrazvučnog zavarivanja je sila primijenjena okomito na smjer vibracija. Potrebno mehaničko naprezanje na zonu zavarivanja stvara se ovom silom, koju proizvodi pneumatski cilindar. U nastavku su opisani kriteriji performansi za stvaranje i održavanje vibracija:
gdje Smh je površina poprečnog presjeka pneumatskog cilindra u kvadratnim metrima, pℓ je tlak komprimiranog zraka u paskalima, a η je mehanička učinkovitost. Kako se tlak povećava, povećava se i mehaničko opterećenje, što zahtijeva više snage za održavanje vibracija.
Varijante procesa
Kod ultrazvučnog točkastog zavarivanja, oscilirajuće gibanje prenosi se s preklopljenih umetaka na tanje materijale (u rasponu od 0.005 do 3 mm). Sonotroda, primjenjujući silu za kompresiju komada, stvara zavareni spoj koji vibrira s obratkom. Ključno je da postoji relativno kretanje između obratka, a ne između sonotrode i gornjeg obratka. Ova metoda može spajati limove ili žice različitih kvaliteta materijala. Ultrazvučno zavarivanje, oblik kontinuiranog točkastog zavarivanja, stvara zavarene spojeve između preklapajućih tankih limova postavljenih između sonotrode i nakovnja. Tijekom procesa, tri vibracijske jedinice osiguravaju naizmjenično gibanje oko osi cjevaste sonotrode, formirajući šav konzistentne veličine i oblika s njenom cjevastom prednjom površinom.
Vrste ultrazvučnog zavarivanja
I metali i polimeri, koji imaju različite kompatibilnosti materijala, često se spajaju ultrazvučnim zavarivanjem.
Ultrazvučno zavarivanje plastike: Za termoplastike poput poliestera, ABS-a i polikarbonata, ultrazvučno zavarivanje plastike je najbolja metoda. Treba uzeti u obzir svojstva poput tvrdoće i sadržaja vlage. Ali nije prikladno za plastične polimere poput poliamida i PVC-a.
Ultrazvučno zavarivanje metala: Ova tehnika je učinkovita za spajanje metala, uključujući legure od bakra, srebra, mesinga, nikla, zlata i aluminija. Ova metoda najbolje funkcionira s tankim metalima malog promjera, što je čini idealnom za osjetljivu upotrebu.
Prednosti ultrazvučnog zavarivanja
Budući da ultrazvučno zavarivanje koristi tehnike indirektnog zagrijavanja, poboljšava estetiku bez žrtvovanja funkcionalnosti, što ga razlikuje od konvencionalnog zavarivanja limova i metoda bez zavarivanja. Njegove glavne prednosti su:
Brzina: Visokofrekventne ultrazvučne vibracije proizvedene ultrazvučnim zavarivanjem brzo zavaruju odgovarajuće dijelove, osiguravajući brz proizvodni proces. Rezultati su kratko vrijeme obrade i visoka propusnost.
Visoka razina sigurnosti: Neizravna primjena topline stvara manji operativni rizik. Zavareni spojevi i okolni materijali zaštićeni su od oštećenja lokaliziranim i brzim odvođenjem stvorene topline.
Pouzdanost: Strojevi su pouzdani i imaju malo kvarova i kvarova. Automatizacija dodatno minimizira operativne i ljudske pogreške, štedi operativne troškove i poboljšava kvalitetu zavarenih spojeva.
Pogodno za različite materijale: Još jedan važan aspekt zavarivanja plastike je taj što ovaj postupak dobro funkcionira za spajanje različitih materijala. Prilikom spajanja različitih plastika, ultrazvučno zavarivanje ne zahtijeva razvoj molekularnih veza, za razliku od drugih tehnika zavarivanja plastike.
Nedostaci ultrazvučnog zavarivanja
Postoji niz nedostataka ultrazvučnog zavarivanja. Za početak, nije prikladno za tvrde plastike i plastike koje sadrže vlagu. Ova metoda ima problema s termoplastikom s visokim udjelom vlage i jakim polimerima poput polipropilena. Nadalje, ograničeni raspon pretvarača od 100-150 mm znači da ne može zavarivati dijelove sa spojevima većim od 150 mm. Veličina dijela je još jedno ograničenje. Činjenica da taljenje debelih materijala zahtijeva puno energije također ih čini problematičnima.
Skupi početni izdaci još su jedan veliki nedostatak. Za organizacije, oprema za ultrazvučno zavarivanje zahtijeva značajna financijska ulaganja zbog visoke cijene, koja raste s automatizacijom. Osim toga, ova metoda je ograničena na preklopne spojeve, koji su formirani od dijelova koji se preklapaju na ravnoj površini. Druge vrste spojeva, kao što su kutni, sučeoni, T-spojevi i rubni spojevi, ne bi se trebale koristiti. Prilikom odabira je li ultrazvučno zavarivanje najbolja tehnika za vašu primjenu, imajte na umu da ovi nedostaci ograničavaju njegovu svestranost u usporedbi s drugim tehnikama zavarivanja.
Primjena ultrazvučnog zavarivanja
Ultrazvučno zavarivanje je vrijedna tehnika koja pronalazi primjenu u širokom rasponu industrija, posebno u proizvodnji robe široke potrošnje i industrijske robe. Koristi se za izradu vitalnih medicinskih potrepština poput filtera za anesteziju, filtera za krv i plinove te maski za lice. Ova metoda je savršena za medicinske uređaje jer jamči jeftine i visokokvalitetne spojeve u dijelovima sastavljenim od različitih medicinskih polimera, poput ABS-a i polietilena.
Za izradu komponenti poput instrumentnih ploča, panela vrata i volana, automobilska industrija koristi ultrazvučno zavarivanje za spajanje plastike. Osim niskih kapitalnih troškova, automatizacije, brzih ciklusa i fleksibilnosti, proces je preferiran jer koristi neizravnu toplinu koja ne oštećuje obratak.
Zbog svoje točnosti, brzine i visokokvalitetnih spojeva, ultrazvučno zavarivanje pomaže i zrakoplovnom sektoru.
Na isti način, elektronički sektor koristi ultrazvučno zavarivanje za spajanje žica i sastavljanje elektromotora, kondenzatora, medija za pohranu i osjetljivih krugova. Zbog svoje točnosti i pouzdanosti, savršeno je za izradu sitnih, složenih električnih komponenti.
Reference
Groover, MP, 2010. Osnove moderne proizvodnje: Materijali, procesi i sustavi. 4. izd. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, Inc.
