Ultragarsinis suvirinimas (USW) yra kietakūnis suvirinimo procesas, kai du komponentai sujungiami taikant aukšto dažnio osciliacinius šlyties įtempius, esant nedidelei prispaudimo jėgai. Ši procedūra, kuri dažnai naudojama suvirinant perimetrą (kaip parodyta paveikslėlyje žemiau), nuplėšia paviršiaus dangas ir leidžia glaudžiai kontaktuoti tarp komponentų, suformuojant tvirtą metalurginį ryšį. Šiluma sąsajoje išsiskiria dėl trinties ir plastinės deformacijos, tačiau temperatūra išlieka daug žemesnė už lydymosi temperatūrą, todėl nereikia apsauginių dujų, fliusų ar užpildų.
Ultragarsiniame suvirinime prie ultragarso keitiklio pritvirtintas sonotrodas perduoda svyruojantį judesį viršutinei ruošinio daliai. Šis prietaisas elektros energiją paverčia aukšto dažnio vibruojančiu judesiu, kurio amplitudė yra nuo 0.018 iki 0.13 mm (0.0007–0.005 colio), o dažnių diapazonas paprastai yra nuo 15 iki 75 kHz. Paviršiai nėra žymiai plastiškai deformuojami, nes naudojami prispaudimo slėgiai yra gerokai mažesni nei šaltojo suvirinimo metu. Suvirinimo laikas paprastai yra trumpesnis nei sekundė.
Varis ir aliuminis yra vienos iš minkštesnių medžiagų, kurias geriausiai suvirina ultragarsas. Kietesnės medžiagos greičiau ardo sonotrodą. Geriausi ruošiniai yra maži, paprastai mažesni nei 3 mm (1/8 colio) suvirinimo storis. Naudojant šią technologiją laidų užbaigimui ir sujungimui elektros ir elektronikos sektoriuose, litavimas nereikalingas. Be to, ji naudojama saulės baterijų vamzdžių suvirinimui prie lakštų, mažų dalių surinkimui ir aliuminio lakštinio metalo plokščių surinkimui.
Suvirinimo procesas
Toliau aprašomas bendras ultragarsinio suvirinimo proceso veikimas:
-Medžiagos paruošimas: Padėkite plastikinius komponentus ant mašinos suvirinimo įrenginio perdengimo jungtimi.
- Aukšto dažnio elektros gamyba: generatorius standartinę elektros energiją (50–60 Hz) transformuoja į aukšto dažnio elektros energiją (20–40 kHz).
-Konvertavimas į ultragarsą: vibracijos sustiprinamos stiprintuvu po to, kai keitiklis aukšto dažnio elektrą paverčia ultragarso bangomis.
-Suvirinimas: Ultragarsinės vibracijos nukreipiamos į surinktas dalis suvirinimo ragu, dar vadinamu sonotrodu. Operatorius naudoja presą slėgiui sukelti. Operatorius ištraukia suvirintus komponentus ir po suvirinimo įtraukia ragą.
Ultragarsinio suvirinimo aparato komponentai
Ultragarsiniai suvirinimo aparatai sudaryti iš skirtingų dalių, kurių kiekviena atlieka specifinę funkciją. Štai keletas pagrindinių dalių, esančių visų tipų ultragarsiniuose suvirinimo aparatuose:
Generatorius
Generatorius elektros energiją paverčia reikiamu aukšto dažnio rezonansiniu dažniu ir įtampa. Jo dalis taip pat yra mikroprocesorius, kuris valdo suvirinimo ciklą ir užtikrina esminį ryšį per vartotojo sąsają.
Mašininis presas
Mašininis presas pritvirtina suvirinimo mazgą ir pritaiko reikiamą jėgą jungčiai išlaikyti. Jame yra slėgio matuoklis ir reguliatorius, leidžiantys operatoriui reguliuoti sistemai taikomą jėgą.
Suvirinimo kaminas
Keitiklis, stiprintuvas ir suvirinimo ragas yra suvirinimo įrenginio dalis ir yra pritvirtinti prie preso stiprintuvo viduryje. Ultragarsines vibracijas sukuria šis mazgas, ir norint užtikrinti puikias suvirinimo siūles, jų dažnis turi beveik atitikti generatoriaus dažnį.
Rele
Keitiklis, kartais vadinamas keitikliu, aukšto dažnio elektros energiją paverčia mechaninėmis vibracijomis. Jį sudaro daugybė keraminių pjezoelektrinių diskų, įterptų tarp dviejų titano blokų. Be to, tarp pjezoelektrinių diskų yra plonas metalinis elektrodas.
Stiprintuvas
Stiprintuvas atlieka dvi pagrindines funkcijas. Jis perduoda vibracijas į suvirinimo ragą, prieš tai sustiprindamas jas susitraukimo ir plėtimosi būdu. Jis taip pat tarnauja kaip suvirinimo įrenginio pagrindas.
Suvirinimo ragas
Suvirinimo ragas, paprastai pagamintas iš aliuminio arba titano, perduoda vibraciją suvirinamai detalei. Nors aliuminis gerai tinka nedidelio kiekio suvirinimo darbams, jis greitai dyla. Siekiant to išvengti, dauguma suvirinimo ragų turi grūdintus antgalius, kurie pagerina našumą ir ilgaamžiškumą esant dideliam naudojimui.
Pagalbos įrankiai
Atraminiai įrankiai veikia kaip mašinos pagrindas, palaikydami jos apatinę dalį suvirinimo metu. Siekiant užtikrinti stabilumą ir tikslumą, jie pagaminti taip, kad atitiktų ruošinių kreives.
Suvirinimo parametrai
Ultragarsinis suvirinimas yra labai efektyvus medžiagų, dažniausiai metalų arba polimerų, sujungimo būdas, naudojant aukšto dažnio vibracijas. Jėga, taikoma statmenai vibracijos krypčiai, vibracijos amplitudė ir vibracijos trukmė yra trys pagrindiniai technologiniai veiksniai, turintys įtakos ultragarsinio suvirinimo efektyvumui ir kokybei. Šių kintamųjų supratimas ir valdymas yra būtinas norint gauti idealius suvirinimo siūles.
Vibracijos trukmė
Laikas, per kurį ultragarsinės vibracijos veikia jungiamas medžiagas, vadinamas vibracijos trukme arba suvirinimo laiku. Daugumai suvirinimo operacijų šis laikas paprastai yra trumpesnis nei viena sekundė. Vis dėlto, jei suvirinimui reikia daugiau energijos, vibracijos trukmę reikia padidinti, išlaikant tas pačias kitų parametrų vertes. Ši formulė nustato suvirinimo ciklui reikalingą energiją:
kur �� yra energija džauliais, �� yra galia vatais, F yra jėga niutonais, �� yra amplitudė mikrometrais, �� yra dažnis hercais, o Δ�� yra ciklo laikas sekundėmis.
Vibracijos amplitudė
Suvirinimo įrankio išilginis pailgėjimas ir susitraukimas matuojami ultragarsinių virpesių amplitude, kuri svyruoja nuo 5 iki 35 mikrometrų. Tai svarbi amplitudė, nes ji atitinka suvirinimo paviršiaus trinties atstumą. Padidinus amplitudę, reikia mažiau laiko tiekti tą patį energijos kiekį, nes vibracijai palaikyti reikia daugiau galios. Amplitudės profiliavimas arba žingsnavimas, kaip jis vadinamas, yra įmanomas dėl pažangiausios ultragarsinės įrangos suvirinimo ciklo metu. Kadangi tai sustiprina sukibimą ir apsaugo nuo įrankio įstrigimo, šis metodas yra labai naudingas suvirinant tokius lydinius kaip aliuminis.
Jėga, statmena vibracijos krypčiai
Svarbiausias ultragarsinio suvirinimo proceso veiksnys yra jėga, taikoma statmenai vibracijos krypčiai. Reikiamą mechaninį įtempį suvirinimo zonoje sukuria ši jėga, kurią gamina pneumatinis cilindras. Toliau aprašomi vibracijos sukūrimo ir palaikymo našumo kriterijai:
kur Smh yra pneumatinio cilindro skerspjūvio plotas kvadratiniais metrais, pℓ yra suslėgto oro slėgis paskalais, o η – mechaninis efektyvumas. Didėjant slėgiui, didėja mechaninė apkrova, todėl vibracijai palaikyti reikia daugiau galios.
Proceso variantai
Ultragarsinio taškinio suvirinimo metu svyruojantis judesys perduodamas iš persidengiančių įdėklų į plonesnes medžiagas (nuo 0.005 iki 3 mm). Sonotrodas, naudodamas jėgą detalėms suspausti, sukuria suvirintą jungtį, kuri vibruoja kartu su ruošiniu. Labai svarbu, kad tarp ruošinių būtų santykinis judėjimas, o ne tarp sonotrodo ir viršutinio ruošinio. Šiuo metodu galima sujungti įvairių medžiagų savybių lakštus ar vielas. Ultragarsinis suvirinimas, nuolatinio taškinio suvirinimo forma, sukuria suvirintas jungtis tarp persidengiančių plonų lakštų, esančių tarp sonotrodo ir priekalo. Proceso metu trys vibracijos įrenginiai užtikrina pakaitinį judėjimą aplink vamzdinio sonotrodo ašį, sudarydami vienodo dydžio ir formos siūlę su jo vamzdiniu priekiniu paviršiumi.
Ultragarsinio suvirinimo tipai
Ultragarsiniu suvirinimu dažnai sujungiami ir metalai, ir polimerai, kurių medžiagų suderinamumas skiriasi.
Ultragarsinis plastiko suvirinimas: termoplastams, tokiems kaip poliesteris, ABS ir polikarbonatas, geriausias metodas yra ultragarsinis plastiko suvirinimas. Reikėtų atsižvelgti į tokias savybes kaip kietumas ir drėgmės kiekis. Tačiau šis metodas netinka plastiko polimerams, tokiems kaip poliamidas ir PVC.
Ultragarsinis metalo suvirinimas: ši technika veiksminga metalams, įskaitant vario, sidabro, žalvario, nikelio, aukso ir aliuminio lydinius, sujungti. Šis metodas geriausiai veikia su plonais, mažo skersmens metalais, todėl idealiai tinka jautriems darbams.
Ultragarsinio suvirinimo privalumai
Kadangi ultragarsinis suvirinimas naudoja netiesioginio kaitinimo metodus, jis pagerina estetiką neprarandant funkcionalumo, ir išskiria jį iš įprastinio lakštinio metalo suvirinimo ir metodų be suvirinimo. Štai pagrindiniai jo privalumai:
Greitis: ultragarsinio suvirinimo metu sukuriami aukšto dažnio ultragarsiniai virpesiai greitai suvirina tinkamus ruošinius, užtikrindami greitą gamybos procesą. Dėl to susidaro trumpas gamybos laikas ir didelis našumas.
Aukštas saugos lygis: Netiesioginis šilumos naudojimas sukuria mažesnę eksploatavimo riziką. Suvirintos jungtys ir aplinkinės medžiagos yra apsaugotos nuo pažeidimų dėl lokalizuoto ir greito susidariusios šilumos išsklaidymo.
Patikimumas: Įrenginiai yra patikimi ir turi nedaug gedimų bei gedimų. Automatizavimas dar labiau sumažina eksploatacines ir žmogiškąsias klaidas, taupo eksploatavimo išlaidas ir pagerina suvirintų jungčių kokybę.
Tinka skirtingoms medžiagoms: Kitas svarbus plastikų suvirinimo aspektas yra tai, kad ši procedūra gerai tinka skirtingoms medžiagoms sujungti. Jungiant skirtingus plastikus, ultragarsiniam suvirinimui nereikia molekulinių jungčių, kitaip nei kitiems plastikų suvirinimo metodams.
Ultragarsinio suvirinimo trūkumai
Ultragarsinis suvirinimas turi nemažai trūkumų. Visų pirma, jis netinka kietiems ir drėgmę turintiems plastikams. Šis metodas turi problemų su termoplastikais, kuriuose yra daug drėgmės, ir stipriais polimerais, tokiais kaip polipropilenas. Be to, ribotas keitiklio diapazonas (100–150 mm) reiškia, kad jis negali suvirinti detalių, kurių jungtys yra didesnės nei 150 mm. Detalių dydis yra dar vienas apribojimas. Tai, kad storų medžiagų lydymas sunaudoja daug energijos, taip pat apsunkina jų suvirinimą.
Brangios pradinės išlaidos yra dar vienas didelis trūkumas. Organizacijoms ultragarsinio suvirinimo įranga reikalauja didelių finansinių investicijų dėl didelės kainos, kuri didėja kartu su automatizavimu. Be to, šis metodas apsiriboja persidengiančių jungčių, kurios sudaromos iš lygiame paviršiuje viena kitą persidengiančių sekcijų, metodu. Kitų tipų jungtys, pvz., kampinės, užpakalinės, trišakės ir kraštinės jungtys, neturėtų jo naudoti. Rinkdamiesi, ar ultragarsinis suvirinimas yra geriausia jūsų pritaikymo technika, atminkite, kad šie trūkumai riboja jo universalumą, palyginti su kitomis suvirinimo technikomis.
Ultragarsinio suvirinimo taikymas
Ultragarsinis suvirinimas yra vertinga technika, naudojama įvairiose pramonės šakose, ypač plataus vartojimo ir pramonės prekių gamyboje. Ji naudojama gyvybiškai svarbioms medicinos priemonėms, tokioms kaip anestezijos filtrai, kraujo ir dujų filtrai bei veido kaukės, gaminti. Šis metodas puikiai tinka medicinos prietaisams, nes garantuoja nebrangias, aukštos kokybės jungtis detalėse, pagamintose iš skirtingų medicininių polimerų, tokių kaip ABS ir polietilenas.
Automobilių pramonė, gamindama tokius komponentus kaip prietaisų skydeliai, durų apmušalai ir vairai, naudoja ultragarsinį suvirinimą plastikui sulydyti. Be mažų kapitalo sąnaudų, automatizavimo, greito ciklo ir lankstumo, šis procesas yra pageidaujamas, nes jame naudojama netiesioginė šiluma, kuri nepažeidžia ruošinio.
Dėl tikslumo, greičio ir aukštos kokybės jungčių ultragarsinis suvirinimas taip pat padeda orlaivių sektoriui.
Lygiai taip pat elektronikos sektoriuje ultragarsinis suvirinimas naudojamas laidams sujungti ir elektros varikliams, kondensatoriams, laikmenoms ir subtilioms grandinėms surinkti. Dėl savo tikslumo ir patikimumo jis puikiai tinka kurti mažyčius, sudėtingus elektros komponentus.
Nuorodos
Groover, MP, 2010. Šiuolaikinės gamybos pagrindai: medžiagos, procesai ir sistemos. 4-asis leidimas. Hobokenas, NJ: John Wiley & Sons, Inc.
