Kimpalan ultrasonik (USW) ialah proses kimpalan keadaan pepejal di mana dua komponen disambungkan dengan menggunakan tegasan ricih berayun frekuensi tinggi di bawah daya pengapit yang sederhana. Prosedur ini, yang kerap digunakan dalam kimpalan pusingan (seperti yang ditunjukkan dalam Rajah di bawah), memecahkan salutan permukaan dan membenarkan sentuhan rapat antara komponen, membentuk ikatan metalurgi yang kuat. Haba dihasilkan pada antara muka melalui geseran dan ubah bentuk plastik, tetapi suhu kekal jauh di bawah takat lebur, menafikan keperluan untuk melindungi gas, fluks atau logam pengisi.
Dalam USW, sonotrod yang dilekatkan pada transduser ultrasonik menghantar gerakan berayun ke bahan kerja atas. Peranti ini mengubah tenaga elektrik kepada gerakan getaran frekuensi tinggi, dengan amplitud 0.018 hingga 0.13 mm (0.0007–0.005 inci), dan julat frekuensi biasanya 15 hingga 75 kHz. Permukaan tidak berubah bentuk secara plastik dengan ketara kerana tekanan pengapit yang digunakan jauh lebih rendah daripada kimpalan sejuk. Masa kimpalan biasanya lebih pendek daripada satu saat.
Kuprum dan aluminium adalah antara bahan yang lebih lembut yang paling sesuai untuk kimpalan ultrasonik. Bahan yang lebih keras menghakis sonotrod dengan lebih cepat. Bahan kerja terbaik adalah kecil, biasanya kurang daripada 3 mm (1/8 inci) ketebalan kimpalan. Pematerian tidak diperlukan apabila menggunakan teknologi ini untuk penamatan wayar dan penyambungan dalam sektor elektrik dan elektronik. Selain itu, ia digunakan dalam kimpalan tiub panel solar kepada kepingan, pemasangan bahagian kecil dan pemasangan panel logam kepingan aluminium.
Proses Kimpalan
Berikut adalah penerangan umum tentang operasi proses kimpalan ultrasonik:
-Penyediaan Bahan: Letakkan komponen plastik pada timbunan kimpalan mesin dalam konfigurasi sambungan riba.
-Penghasilan Elektrik Frekuensi Tinggi: Elektrik standard (50–60 Hz) diubah menjadi elektrik frekuensi tinggi (20–40 kHz) oleh penjana.
-Penukaran kepada Ultrasonik: Getaran dikuatkan oleh penggalak selepas transduser menukar elektrik frekuensi tinggi kepada gelombang ultrasonik.
-Kimpalan: Getaran ultrasonik diarahkan ke bahagian yang dipasang oleh tanduk kimpalan, juga dikenali sebagai sonotrod. Mesin penekan digunakan oleh operator untuk memberikan tekanan. Operator mengekstrak komponen yang dikimpal dan menarik balik tanduk selepas kimpalan.
Komponen mesin kimpalan ultrasonik
Mesin kimpalan ultrasonik terdiri daripada bahagian yang berbeza, setiap satunya dengan fungsi tertentu. Berikut adalah beberapa bahagian penting yang terdapat dalam semua jenis mesin kimpalan ultrasonik:
Generator
Penjana menukar kuasa elektrik kepada frekuensi dan voltan tinggi yang diperlukan pada frekuensi resonan. Mikropemproses yang mengurus kitaran kimpalan dan membolehkan komunikasi penting melalui antara muka pengguna juga merupakan sebahagian daripadanya.
Mesin Press
Mesin penekan mengikat pemasangan kimpalan dan mengenakan daya yang diperlukan untuk mengekalkan sambungan. Ia dilengkapi dengan tolok tekanan dan pengawal selia, yang membolehkan pengendali melaraskan daya yang dikenakan pada sistem.
Susunan Kimpalan
Transduser, penggalak dan tanduk kimpalan semuanya merupakan sebahagian daripada susunan kimpalan dan dipasang pada mesin tekan di tengah-tengah penggalak. Getaran ultrasonik dihasilkan oleh pemasangan ini, dan untuk menjamin lipit kimpalan yang sangat baik, frekuensinya mestilah hampir sama dengan frekuensi penjana.
Transduser
Transduser, kadangkala dirujuk sebagai penukar, menukar tenaga elektrik dengan frekuensi tinggi kepada getaran mekanikal. Ia terdiri daripada banyak cakera piezoelektrik seramik yang diapit di antara dua blok titanium. Di samping itu, elektrod nipis yang diperbuat daripada logam diletakkan di antara cakera piezoelektrik.
Booster
Penggalak mempunyai dua tujuan utama. Ia menghantar getaran ke tanduk kimpalan selepas menguatkannya melalui pengecutan dan pengembangan. Ia juga berfungsi sebagai asas untuk susunan kimpalan pada mesin kimpalan.
Tanduk Kimpalan
Tanduk kimpalan, biasanya diperbuat daripada aluminium atau titanium, menghantar getaran ke bahagian yang dikimpal. Walaupun aluminium berfungsi dengan baik dalam aplikasi isipadu rendah, ia cepat haus. Untuk mengatasi masalah ini, kebanyakan tanduk kimpalan termasuk hujung yang dikeraskan, yang meningkatkan prestasi dan jangka hayat di bawah penggunaan yang kerap.
Peralatan Sokongan
Perkakas sokongan bertindak sebagai asas mesin dengan menyokong komponen bawahnya semasa ia dikimpal. Untuk memberikan kestabilan dan ketepatan, ia dibuat agar sesuai dengan lengkungan benda kerja.
Parameter kimpalan
Kimpalan ultrasonik merupakan kaedah yang sangat berkesan untuk menyambungkan bahan, biasanya logam atau polimer, dengan menggunakan getaran frekuensi tinggi. Daya yang dikenakan secara serenjang dengan arah getaran, amplitud getaran dan tempoh getaran merupakan tiga faktor teknologi utama yang mempengaruhi keberkesanan dan kualiti kimpalan ultrasonik. Memahami dan mengurus pembolehubah ini adalah penting untuk mencapai kimpalan yang ideal.
Tempoh Getaran
Masa getaran ultrasonik dikenakan pada bahan yang hendak disambungkan dikenali sebagai tempoh getaran atau masa kimpalan. Tempoh ini biasanya kurang daripada satu saat untuk kebanyakan operasi kimpalan. Walau bagaimanapun, jika kimpalan memerlukan lebih banyak tenaga, panjang getaran perlu ditingkatkan sambil mengekalkan nilai yang sama untuk parameter lain. Formula berikut menentukan tenaga yang diperlukan untuk kitaran kimpalan:
dengan �� ialah tenaga dalam joule, �� ialah kuasa dalam watt, F ialah daya dalam newton, �� ialah amplitud dalam mikrometer, �� ialah frekuensi dalam hertz dan �� ialah masa kitaran dalam saat.
Amplitud Getaran
Pemanjangan dan pengecutan membujur alat kimpalan diukur dengan amplitud getaran ultrasonik, yang berbeza-beza antara 5 dan 35 mikrometer. Ini adalah amplitud yang penting kerana ia sepadan dengan jarak geseran permukaan kimpalan. Ia mengambil masa yang lebih singkat untuk memasukkan jumlah tenaga yang sama apabila amplitud ditingkatkan kerana lebih banyak kuasa diperlukan untuk memastikan getaran berterusan. Profil amplitud atau langkahan, seperti yang dipanggil, dimungkinkan oleh peralatan ultrasonik yang canggih semasa kitaran kimpalan. Memandangkan ia menguatkan ikatan dan mengelakkan perangkap alat, kaedah ini sangat membantu untuk mengimpal aloi seperti aluminium.
Daya Tegak Lentang dengan Arah Getaran
Faktor utama dalam proses kimpalan ultrasonik ialah daya yang dikenakan secara serenjang dengan arah getaran. Tegasan mekanikal yang diperlukan pada zon kimpalan dihasilkan oleh daya ini, yang dihasilkan oleh silinder pneumatik. Berikut adalah kriteria prestasi untuk penciptaan dan penyelenggaraan getaran:
di mana Smh ialah luas keratan rentas silinder pneumatik dalam meter persegi, pℓ ialah tekanan udara termampat dalam pascals, dan η ialah kecekapan mekanikal. Apabila tekanan meningkat, beban mekanikal juga meningkat, memerlukan lebih banyak kuasa untuk mengekalkan getaran.
Varian proses
Dalam kimpalan titik ultrasonik, gerakan berayun dihantar dari sisipan yang bertindih ke bahan yang lebih nipis (berjulat dari 0.005 hingga 3 mm). Sonotrod, yang mengenakan daya untuk memampatkan kepingan, menghasilkan ikatan kimpalan yang bergetar dengan bahan kerja. Adalah penting bahawa terdapat pergerakan relatif antara bahan kerja, bukan antara sonotrod dan bahan kerja atas. Kaedah ini boleh menyambungkan kepingan atau wayar dengan kualiti bahan yang berbeza-beza. Kimpalan ultrasonik, satu bentuk kimpalan titik berterusan, menghasilkan sambungan kimpalan antara kepingan nipis yang bertindih yang diletakkan di antara sonotrod dan andas. Semasa proses tersebut, tiga unit getaran memberikan gerakan berselang-seli di sekitar paksi sonotrod berbentuk tiub, membentuk jahitan dengan saiz dan bentuk yang konsisten dengan permukaan hadapan berbentuk tiubnya.
Jenis-jenis Kimpalan Ultrasonik
Kedua-dua logam dan polimer, yang mempunyai keserasian bahan yang berbeza, sering dicantumkan melalui kimpalan ultrasonik.
Kimpalan Plastik Ultrasonik: Untuk termoplastik seperti poliester, ABS dan polikarbonat, kimpalan plastik ultrasonik adalah kaedah terbaik. Sifat seperti kekerasan dan kandungan lembapan harus diambil kira. Tetapi ia tidak sesuai untuk polimer plastik seperti poliamida dan PVC.
Kimpalan Logam Ultrasonik: Teknik ini berkesan untuk menyambungkan logam, termasuk aloi yang diperbuat daripada kuprum, perak, loyang, nikel, emas dan aluminium. Kaedah ini paling sesuai digunakan dengan logam nipis dan berdiameter kecil, menjadikannya sesuai untuk kegunaan sensitif.
Kelebihan Kimpalan Ultrasonik
Oleh kerana kimpalan ultrasonik menggunakan teknik pemanasan tidak langsung, ia meningkatkan estetika tanpa mengorbankan fungsi, membezakannya daripada kaedah kimpalan logam kepingan konvensional dan bukan kimpalan. Berikut adalah faedah utamanya:
Kelajuan: Getaran ultrasonik frekuensi tinggi yang dihasilkan oleh kimpalan ultrasonik mengimpal bahagian yang sesuai dengan pantas, memastikan proses pengeluaran yang cepat. Masa pemulihan yang singkat dan daya pemprosesan yang tinggi adalah hasilnya.
Tahap Keselamatan Tinggi: Kurang risiko operasi dicipta oleh aplikasi haba tidak langsung. Sambungan yang dikimpal dan bahan di sekeliling dilindungi daripada kerosakan oleh pelesapan haba yang dihasilkan secara setempat dan pantas.
Kebolehpercayaan: Jentera ini boleh diharap dan mempunyai sedikit kerosakan dan kegagalan. Automasi seterusnya meminimumkan ralat operasi dan manusia, menjimatkan perbelanjaan operasi dan meningkatkan kualiti sambungan kimpalan.
Sesuai untuk Bahan Berbeza: Satu lagi aspek penting dalam kimpalan plastik ialah prosedur ini berfungsi dengan baik untuk menyambungkan bahan yang berbeza. Apabila menyambungkan plastik yang berbeza, kimpalan ultrasonik tidak memerlukan pembangunan ikatan molekul, berbeza dengan teknik kimpalan plastik yang lain.
Kelemahan Kimpalan Ultrasonik
Terdapat beberapa kelemahan kimpalan ultrasonik. Ia tidak sesuai untuk plastik keras dan mengandungi kelembapan. Kaedah ini mempunyai masalah dengan termoplastik dengan kandungan lembapan yang tinggi dan polimer kuat seperti polipropilena. Tambahan pula, julat terhad transduser iaitu 100-150 mm bermakna ia tidak dapat mengimpal kepingan dengan sambungan lebih besar daripada 150 mm. Saiz bahagian adalah satu lagi kekangan. Hakikat bahawa mencairkan bahan tebal memerlukan banyak tenaga juga menjadikannya menyusahkan.
Perbelanjaan awal yang mahal merupakan satu lagi kelemahan utama. Bagi organisasi, peralatan kimpalan ultrasonik memerlukan pelaburan kewangan yang besar disebabkan oleh kosnya yang tinggi, yang meningkat dengan automasi. Selain itu, kaedah ini terhad kepada sambungan riba, yang dibentuk daripada bahagian-bahagian yang bertindih antara satu sama lain pada permukaan yang rata. Jenis sambungan lain, seperti sambungan sudut, punggung, tee dan tepi, tidak sepatutnya menggunakannya. Apabila memilih sama ada kimpalan ultrasonik merupakan teknik terbaik untuk aplikasi anda, perlu diingat bahawa kelemahan ini mengehadkan fleksibilitinya berbanding teknik kimpalan lain.
Aplikasi Kimpalan Ultrasonik
Kimpalan ultrasonik merupakan teknik berharga yang digunakan dalam pelbagai industri, terutamanya dalam fabrikasi barangan pengguna dan perindustrian. Ia digunakan untuk membuat bekalan perubatan penting seperti penapis anestesia, penapis darah dan gas, serta topeng muka. Kaedah ini sesuai untuk peranti perubatan kerana ia menjamin sambungan berkualiti tinggi dan berkos rendah pada bahagian yang terdiri daripada pelbagai polimer perubatan, seperti ABS dan polietilena.
Untuk menghasilkan komponen seperti panel instrumen, panel pintu dan stereng, industri kereta menggunakan kimpalan ultrasonik untuk menggabungkan plastik. Selain kos modal yang rendah, automasi, masa kitaran yang cepat dan fleksibiliti, proses ini lebih diutamakan kerana ia menggunakan haba tidak langsung, yang tidak menyebabkan kerosakan pada bahan kerja.
Disebabkan ketepatan, kelajuan dan sambungan yang berkualiti tinggi, kimpalan ultrasonik juga membantu sektor pesawat.
Dengan cara yang sama, sektor elektronik menggunakan kimpalan ultrasonik untuk menyambungkan wayar dan memasang motor elektrik, kapasitor, media storan dan litar yang halus. Disebabkan ketepatan dan kebolehpercayaannya, ia sesuai untuk menghasilkan komponen elektrik yang kecil dan kompleks.
Rujukan
Groover, MP, 2010. Asas Pembuatan Moden: Bahan, Proses dan Sistem. Edisi ke-4. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, Inc.
