Ultrasoon lassen (USW) is een lasproces in vaste toestand waarbij twee componenten worden samengevoegd door hoogfrequente oscillerende schuifspanningen toe te passen onder een bescheiden klemkracht. Deze procedure, die vaak wordt toegepast bij laplassen (zoals weergegeven in onderstaande afbeelding), breekt oppervlaktecoatings af en maakt nauw contact tussen de componenten mogelijk, waardoor een sterke metallurgische verbinding ontstaat. Op het grensvlak wordt warmte geproduceerd door wrijving en plastische vervorming, maar de temperaturen blijven ver onder het smeltpunt, waardoor de noodzaak voor beschermgassen, vloeimiddelen of vulmetalen teniet wordt gedaan.
Bij USW brengt een sonotrode die is bevestigd aan een ultrasone transducer de oscillerende beweging over naar het bovenste werkstuk. Dit apparaat zet elektrische energie om in hoogfrequente trillingsbewegingen, met amplitudes van 0.018 tot 0.13 mm (0.0007-0.005 inch) en een frequentiebereik van gewoonlijk 15 tot 75 kHz. De oppervlakken worden niet significant plastisch vervormd, omdat de gebruikte klemdrukken aanzienlijk lager zijn dan bij koudlassen. Lastijden zijn doorgaans korter dan een seconde.
Koper en aluminium behoren tot de zachtere materialen waar ultrasoon lassen het beste op werkt. Hardere materialen eroderen de sonotrode sneller. De beste werkstukken zijn klein, meestal minder dan 3 mm (1/8 inch) lasdikte. Solderen is niet vereist bij gebruik van deze technologie voor draadafsluitingen en splitsingen in de elektrische en elektronische sector. Daarnaast wordt het toegepast bij het lassen van zonnepaneelbuizen aan platen, de assemblage van kleine onderdelen en de assemblage van aluminium plaatpanelen.
Lasproces
Hieronder wordt de algemene werking van het ultrasone lasproces beschreven:
-Materiaalvoorbereiding: Plaats de plastic componenten op de lasstapel van de machine in een overlappend verbindingsconfiguratie.
- Productie van hoogfrequente elektriciteit: standaardelektriciteit (50–60 Hz) wordt door de generator omgezet in hoogfrequente elektriciteit (20–40 kHz).
-Conversie naar ultrasoon: de trillingen worden versterkt door de booster nadat de transducer de hoogfrequente elektriciteit heeft omgezet in ultrasone golven.
-Lassen: Ultrasone trillingen worden door de lashoorn, ook wel sonotrode genoemd, op de geassembleerde onderdelen gericht. De pers wordt door de operator gebruikt om druk uit te oefenen. De operator haalt de gelaste onderdelen eruit en trekt de hoorn na het lassen terug.
Onderdelen van ultrasone lasmachines
Ultrasoon lasmachines zijn opgebouwd uit verschillende onderdelen, elk met een specifieke functie. Hier zijn enkele belangrijke onderdelen die te vinden zijn in alle soorten ultrasone lasmachines:
Generator
De generator zet elektrisch vermogen om in de benodigde hoge frequentie en spanning met een resonantiefrequentie. Een microprocessor die de lascyclus beheert en essentiële communicatie via de gebruikersinterface mogelijk maakt, maakt er ook deel van uit.
Machinepers
De machinepers zet het lassamenstel vast en oefent de nodige kracht uit om de verbinding in stand te houden. Het is uitgerust met een manometer en regelaar, waardoor de operator de kracht kan aanpassen die op het systeem wordt uitgeoefend.
Lasstapel
De transducer, booster en lashoorn maken allemaal deel uit van de lasstapel en zijn bevestigd aan de pers in het midden van de booster. De ultrasone trillingen worden door dit samenstel geproduceerd en om uitstekende lasnaden te garanderen, moet hun frequentie vrijwel overeenkomen met die van de generator.
Omzetter
Een transducer, ook wel een converter genoemd, zet elektrische energie met een hoge frequentie om in mechanische trillingen. Het bestaat uit vele keramische piëzo-elektrische schijven, ingeklemd tussen twee titaniumblokken. Bovendien is tussen de piëzo-elektrische schijven een dunne metalen elektrode geplaatst.
Booster
De booster heeft twee hoofddoelen. Het levert de trillingen aan de lashoorn en versterkt deze door samentrekking en uitzetting. Het dient tevens als basis voor de lasstapel op de laspers.
Lassen Hoorn
Een lashoorn, meestal gemaakt van aluminium of titanium, brengt trillingen over op het gelaste onderdeel. Hoewel aluminium goed werkt in toepassingen met kleine volumes, slijt het snel. Om dit tegen te gaan, zijn de meeste lashoorns voorzien van geharde punten, die de prestaties en levensduur bij intensief gebruik verbeteren.
Ondersteunende tooling
Ondersteuningsgereedschap fungeert als de basis van de machine door het onderste onderdeel te ondersteunen terwijl het wordt gelast. Om stabiliteit en nauwkeurigheid te bieden, is het gemaakt om te passen bij de krommingen van de werkstukken.
Lasparameters
Ultrasoon lassen is een zeer effectieve methode voor het verbinden van materialen, meestal metalen of polymeren, door gebruik te maken van hoogfrequente trillingen. De kracht die loodrecht op de trillingsrichting wordt uitgeoefend, de trillingsamplitude en de trillingsduur zijn de drie belangrijkste technologische factoren die de effectiviteit en kwaliteit van ultrasoon lassen beïnvloeden. Het begrijpen en beheersen van deze variabelen is essentieel voor het verkrijgen van ideale lassen.
Trillingsduur
De tijd dat ultrasone trillingen op de te verbinden materialen worden toegepast, staat bekend als de trillingsduur of lastijd. Deze lengte bedraagt doorgaans minder dan één seconde voor de meeste laswerkzaamheden. Als een las echter meer energie vereist, moet de trillingslengte worden verhoogd terwijl dezelfde waarden voor de andere parameters behouden blijven. De volgende formule bepaalt de energie die nodig is voor een lascyclus:
waarbij �� de energie in joules is, �� het vermogen in watt is, F de kracht in newton is, �� de amplitude in micrometers is, �� de frequentie in hertz is, en �� de cyclustijd in seconden is .
Trillingsamplitude
De longitudinale verlenging en contractie van het lasgereedschap worden gemeten door de amplitude van de ultrasone trillingen, die varieert tussen 5 en 35 micrometer. Dit is een belangrijke amplitude omdat het overeenkomt met de wrijvingsafstand van het lasoppervlak. Het kost minder tijd om dezelfde hoeveelheid energie in te voeren wanneer de amplitude wordt vergroot, omdat er meer vermogen nodig is om de trilling gaande te houden. Amplitudeprofilering of stepping, zoals het wordt genoemd, wordt mogelijk gemaakt door de ultramoderne ultrasone apparatuur tijdens de lascyclus. Omdat het de verbinding versterkt en voorkomt dat het gereedschap vast komt te zitten, is deze methode erg handig voor het lassen van legeringen zoals aluminium.
Kracht loodrecht op de trillingsrichting
Een sleutelfactor bij het ultrasone lasproces is de kracht die loodrecht op de trillingsrichting wordt uitgeoefend. Door deze kracht, die wordt geproduceerd door een pneumatische cilinder, ontstaat de benodigde mechanische spanning op de laszone. Hieronder worden de prestatiecriteria beschreven voor het creëren en onderhouden van trillingen:
waar Smh is het dwarsdoorsnedeoppervlak van de pneumatische cilinder in vierkante meters, pℓ is de persluchtdruk in pascal, en η is het mechanische rendement. Naarmate de druk toeneemt, neemt de mechanische belasting toe, waardoor er meer kracht nodig is om de trilling in stand te houden.
Proces varianten
Bij ultrasoon puntlassen wordt de oscillerende beweging overgebracht van de overlappende inzetstukken naar de dunnere materialen (variërend van 0.005 tot 3 mm). De sonotrode, die kracht uitoefent om de stukken samen te drukken, creëert een gelaste verbinding die trilt met het werkstuk. Het is cruciaal dat er relatieve beweging is tussen de werkstukken, niet tussen de sonotrode en het bovenste werkstuk. Deze methode kan platen of draden van verschillende materiaalkwaliteiten verbinden. Ultrasoon lassen, een vorm van continu puntlassen, produceert gelaste verbindingen tussen overlappende dunne platen die tussen de sonotrode en het aambeeld zijn geplaatst. Tijdens het proces zorgen drie vibratie-eenheden voor afwisselende beweging rond de as van de buisvormige sonotrode, waardoor een naad van consistente grootte en vorm met zijn buisvormige vooroppervlak wordt gevormd.
Soorten ultrasoon lassen
Zowel metalen als polymeren, die verschillende materiaalcompatibiliteit hebben, worden vaak samengevoegd via ultrasoon lassen.
Ultrasoon kunststof lassen: Voor thermoplasten zoals polyester, ABS en polycarbonaat is ultrasoon kunststof lassen de beste methode. Eigenschappen zoals hardheid en vochtgehalte moeten in acht worden genomen. Maar het is niet geschikt voor kunststofpolymeren zoals polyamide en PVC.
Ultrasoon metaallassen: Deze techniek is effectief voor het verbinden van metalen, waaronder legeringen gemaakt van koper, zilver, messing, nikkel, goud en aluminium. Deze methode werkt het beste met dunne metalen met een kleine diameter, waardoor deze ideaal is voor gevoelige toepassingen.
Voordelen van ultrasoon lassen
Omdat bij ultrasoon lassen gebruik wordt gemaakt van indirecte verwarmingstechnieken, verbetert het de esthetiek zonder dat dit ten koste gaat van de functionaliteit, waardoor het zich onderscheidt van conventioneel plaatwerklassen en niet-lasmethoden. Dit zijn de belangrijkste voordelen:
Snelheid: Hoogfrequente ultrasone trillingen geproduceerd door ultrasoon lassen lassen snel geschikte stukken, waardoor een snel productieproces wordt gegarandeerd. Korte doorlooptijden en een hoge doorvoer zijn hiervan het resultaat.
Hoog veiligheidsniveau: Er ontstaat minder operationeel risico door de indirecte warmtetoepassing. De lasverbindingen en omringende materialen worden beschermd tegen beschadiging door de plaatselijke en snelle afvoer van de gegenereerde warmte.
Betrouwbaarheid: Het machinepark is betrouwbaar en kent weinig storingen en storingen. Automatisering minimaliseert verder operationele en menselijke fouten, bespaart bedrijfskosten en verbetert de kwaliteit van lasverbindingen.
Geschikt voor ongelijksoortige materialen: Een ander belangrijk aspect van kunststoflassen is dat deze procedure goed werkt voor het met elkaar verbinden van ongelijksoortige materialen. Bij het verbinden van ongelijksoortige kunststoffen is bij ultrasoon lassen, in tegenstelling tot andere kunststoflastechnieken, geen moleculaire binding nodig.
Nadelen van ultrasoon lassen
Er zijn een aantal nadelen aan ultrasoon lassen. Het is om te beginnen al ongeschikt voor harde en vochthoudende kunststoffen. Deze methode heeft problemen met thermoplasten met een hoog vochtgehalte en sterke polymeren zoals polypropyleen. Bovendien betekent het beperkte bereik van de transducer van 100-150 mm dat het geen stukken kan lassen met verbindingen groter dan 150 mm. De grootte van het onderdeel is een andere beperking. Het feit dat het smelten van dikke materialen veel energie kost, maakt ze ook lastig.
De dure initiële uitgave is nog een groot nadeel. Voor organisaties vereist ultrasoon lasapparatuur een aanzienlijke financiële investering vanwege de hoge kosten, die stijgen met automatisering. Bovendien is deze methode beperkt tot schootverbindingen, die bestaan uit secties die elkaar overlappen op een vlak oppervlak. Andere verbindingstypen, zoals hoek-, stomp-, T- en randverbindingen, mogen deze niet gebruiken. Houd er bij het kiezen of ultrasoon lassen de beste techniek is voor uw toepassing rekening mee dat deze nadelen de veelzijdigheid ervan beperken in vergelijking met andere lastechnieken.
Toepassingen van ultrasoon lassen
Ultrasoon lassen is een waardevolle techniek die in een breed scala aan industrieën wordt gebruikt, met name in de productie van consumenten- en industriële goederen. Het wordt gebruikt om essentiële medische benodigdheden te maken, zoals anesthesiefilters, bloed- en gasfilters en gezichtsmaskers. Deze methode is perfect voor medische apparaten, omdat het goedkope, hoogwaardige verbindingen garandeert in onderdelen die zijn samengesteld uit verschillende medische polymeren, zoals ABS en polyethyleen.
Om componenten zoals instrumentenpanelen, deurpanelen en stuurwielen te maken, gebruikt de auto-industrie ultrasoon lassen om plastic te smelten. Naast de lage kapitaalkosten, automatisering, snelle cyclustijden en flexibiliteit heeft dit proces de voorkeur omdat er gebruik wordt gemaakt van indirecte warmte, die geen schade aan het werkstuk veroorzaakt.
Door de nauwkeurigheid, snelheid en hoogwaardige verbindingen komt ultrasoon lassen ook de vliegtuigsector ten goede.
Op dezelfde manier gebruikt de elektronicasector ultrasoon lassen om draden te verbinden en elektromotoren, condensatoren, opslagmedia en delicate circuits in elkaar te zetten. Vanwege zijn nauwkeurigheid en betrouwbaarheid is het perfect voor het maken van kleine, complexe elektrische componenten.
Referenties
Groover, MP, 2010. Grondbeginselen van de moderne productie: materialen, processen en systemen. 4e druk. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, Inc.
