Ultraljudssvetsning (USW) är en fastfassvetsningsprocess där två komponenter sammanfogas genom att applicera högfrekventa oscillerande skjuvspänningar under måttlig klämkraft. Denna procedur, som ofta används vid överlappsvetsning (som visas i figur nedan), bryter av ytbeläggningar och möjliggör nära kontakt mellan komponenterna, vilket bildar en stark metallurgisk bindning. Värme produceras vid gränssnittet genom friktion och plastisk deformation, men temperaturerna håller sig långt under smältpunkten, vilket eliminerar behovet av skyddsgaser, flussmedel eller tillsatsmaterial.
I USW överför en sonotrod som är ansluten till en ultraljudsgivare den oscillerande rörelsen till det övre arbetsstycket. Denna anordning omvandlar elektrisk energi till högfrekvent vibrationsrörelse, med amplituder på 0.018 till 0.13 mm (0.0007–0.005 tum) och ett frekvensområde på vanligtvis 15 till 75 kHz. Ytorna deformeras inte signifikant plastiskt eftersom de använda klämtrycken är betydligt lägre än vid kallsvetsning. Svetstiderna är vanligtvis kortare än en sekund.
Koppar och aluminium är bland de mjukare material som ultraljudssvetsning fungerar bäst på. Hårdare material eroderar sonotroden snabbare. De bästa arbetsstyckena är små, vanligtvis mindre än 3 mm (1/8 tum) i svetstjocklek. Lödning krävs inte när man använder denna teknik för trådavslutningar och skarvning inom el- och elektroniksektorn. Dessutom används den vid svetsning av solpanelrör till plåtar, montering av små delar och montering av aluminiumplåtpaneler.
Svetsprocess
Följande beskriver den allmänna funktionen för ultraljudssvetsningsprocessen:
-Materialförberedelse: Placera plastkomponenterna på maskinens svetsstapel i en överlappningskonfiguration.
-Produktion av högfrekvent elektricitet: Standardelektricitet (50–60 Hz) omvandlas till högfrekvent elektricitet (20–40 kHz) av generatorn.
-Omvandling till ultraljud: Vibrationerna förstärks av boosteren efter att givaren omvandlar högfrekvent elektricitet till ultraljudsvågor.
-Svetsning: Ultraljudsvibrationer riktas mot de monterade delarna av svetshornet, även känt som sonotrod. Pressen används av operatören för att ge tryck. Operatören drar ut de svetsade komponenterna och drar tillbaka hornet efter svetsningen.
Komponenter för ultraljudssvetsmaskin
Ultraljudssvetsmaskiner består av olika delar, var och en med en specifik funktion. Här är några viktiga delar som finns i alla typer av ultraljudssvetsmaskiner:
Generator
Generatorn omvandlar elektrisk energi till önskad hög frekvens och spänning vid en resonansfrekvens. En mikroprocessor som hanterar svetscykeln och möjliggör nödvändig kommunikation via användargränssnittet ingår också.
Maskinpress
Maskinpressen fixerar svetsaggregatet och applicerar den kraft som krävs för att bibehålla fogen. Den är utrustad med en tryckmätare och regulator, vilket gör det möjligt för operatören att justera den kraft som appliceras på systemet.
Svetsstack
Givaren, boostren och svetshornet är alla en del av svetsstapeln och är fästa vid pressen mitt i boostren. Ultraljudsvibrationerna produceras av denna enhet, och för att garantera utmärkta svetsfogar måste deras frekvens nästan matcha generatorns.
Transducer
En givare, ibland kallad en omvandlare, omvandlar elektrisk energi med hög frekvens till mekaniska vibrationer. Den består av många keramiska piezoelektriska skivor som är inklämda mellan två titanblock. Dessutom är en tunn elektrod av metall placerad mellan de piezoelektriska skivorna.
Booster
Boostern har två huvudsakliga syften. Den levererar vibrationerna till svetshornet efter att ha förstärkt dem genom sammandragning och expansion. Den fungerar också som en grund för svetsstapeln på svetspressen.
Svetshorn
Ett svetshorn, vanligtvis tillverkat av aluminium eller titan, överför vibrationer till den svetsade delen. Även om aluminium fungerar bra i små volymer, slits det snabbt. För att motverka detta har majoriteten av svetshorn härdade spetsar, vilket förbättrar prestanda och livslängd vid hård användning.
Stödverktyg
Stödverktyg fungerar som maskinens grund genom att stödja dess nedre komponent medan den svetsas. För att ge stabilitet och noggrannhet är de tillverkade för att passa arbetsstyckenas kurvor.
Svetsparametrar
Ultraljudssvetsning är en mycket effektiv metod för att sammanfoga material, vanligtvis metaller eller polymerer, med hjälp av högfrekventa vibrationer. Kraften som appliceras vinkelrätt mot vibrationsriktningen, vibrationsamplituden och vibrationsvaraktigheten är de tre viktigaste tekniska faktorerna som påverkar effektiviteten och kvaliteten hos ultraljudssvetsning. Att förstå och hantera dessa variabler är avgörande för att uppnå ideala svetsar.
Vibrationsvaraktighet
Den tid som ultraljudsvibrationer appliceras på de material som ska sammanfogas kallas vibrationsvaraktighet eller svetstid. Denna längd är vanligtvis mindre än en sekund för de flesta svetsoperationer. Om en svets kräver mer energi måste vibrationslängden dock ökas samtidigt som samma värden bibehålls för de andra parametrarna. Följande formel bestämmer den energi som krävs för en svetscykel:
där �� är energin i joule, �� är effekten i watt, F är kraften i newton, �� är amplituden i mikrometer, �� är frekvensen i hertz och Δ�� är cykeltiden i sekunder.
Vibrationsamplitud
Svetsverktygets longitudinella utsträckning och kontraktion mäts med ultraljudsvibrationernas amplitud, som varierar mellan 5 och 35 mikrometer. Detta är en viktig amplitud eftersom den matchar svetsytans friktionsavstånd. Det tar kortare tid att mata in samma mängd energi när amplituden ökas eftersom mer kraft behövs för att hålla vibrationen igång. Amplitudprofilering eller stegning, som det kallas, möjliggörs av den senaste ultraljudsutrustningen under svetscykeln. Eftersom det stärker bindningen och undviker att verktyget fastnar är denna metod mycket användbar för svetsning av legeringar som aluminium.
Kraft vinkelrät mot vibrationsriktningen
En nyckelfaktor i ultraljudssvetsprocessen är den kraft som appliceras vinkelrätt mot vibrationsriktningen. Den erforderliga mekaniska belastningen på svetszonen skapas av denna kraft, som produceras av en pneumatisk cylinder. Följande beskriver prestandakriterierna för vibrationsskapande och -upprätthållande:
där Smh är tvärsnittsarean av den pneumatiska cylindern i kvadratmeter, pℓ är tryckluftstrycket i pascal, och η är den mekaniska verkningsgraden. När trycket ökar ökar den mekaniska belastningen, vilket kräver mer kraft för att upprätthålla vibrationen.
Processvarianter
Vid ultraljudspunktsvetsning överförs den oscillerande rörelsen från de överlappande skären till de tunnare materialen (från 0.005 till 3 mm). Sonotroden, som applicerar kraft för att komprimera delarna, skapar en svetsad bindning som vibrerar med arbetsstycket. Det är avgörande att det finns relativ rörelse mellan arbetsstyckena, inte mellan sonotroden och det övre arbetsstycket. Denna metod kan ansluta ark eller trådar av varierande materialkvaliteter. Ultraljudssvetsning, en form av kontinuerlig punktsvetsning, producerar svetsade fogar mellan överlappande tunna ark placerade mellan sonotroden och städet. Under processen ger tre vibrationsenheter alternerande rörelse runt den rörformiga sonotrodens axel, vilket bildar en söm av jämn storlek och form med dess rörformiga framsida.
Typer av ultraljudssvetsning
Både metaller och polymerer, som har olika materialkompatibiliteter, sammanfogas ofta via ultraljudssvetsning.
Ultraljudssvetsning av plast: För termoplaster som polyester, ABS och polykarbonat är ultraljudssvetsning av plast den bästa metoden. Egenskaper som hårdhet och fukthalt bör beaktas. Men det är inte lämpligt för plastpolymerer som polyamid och PVC.
Ultraljudssvetsning av metall: Denna teknik är effektiv för att sammanfoga metaller, inklusive legeringar av koppar, silver, mässing, nickel, guld och aluminium. Metoden fungerar bäst med tunna metaller med liten diameter, vilket gör den idealisk för känsliga ändamål.
Fördelar med ultraljudssvetsning
Eftersom ultraljudssvetsning använder indirekta uppvärmningstekniker förbättrar den estetiken utan att offra funktionaliteten, vilket skiljer den från konventionell plåtsvetsning och metoder utan svetsning. Här är dess främsta fördelar:
Hastighet: Högfrekventa ultraljudsvibrationer som produceras vid ultraljudssvetsning svetsar snabbt samman lämpliga delar, vilket säkerställer en snabb produktionsprocess. Korta leveranstider och hög genomströmning är resultatet av detta.
Hög säkerhetsnivå: Mindre driftsrisk skapas av den indirekta värmetillförseln. De svetsade anslutningarna och omgivande material skyddas från skador genom lokal och snabb avledning av den genererade värmen.
Tillförlitlighet: Maskinerna är pålitliga och har få fel och haverier. Automatisering minimerar ytterligare driftsfel och mänskliga fel, sparar driftskostnader och förbättrar kvaliteten på svetsfogar.
Lämplig för olika material: En annan viktig aspekt av plastsvetsning är att denna procedur fungerar bra för att sammanfoga olika material. Vid sammanfogning av olika plaster kräver ultraljudssvetsning inte utveckling av molekylära bindningar, till skillnad från andra plastsvetsningstekniker.
Nackdelar med ultraljudssvetsning
Det finns ett antal nackdelar med ultraljudssvetsning. Den är till att börja med olämplig för hårda och fukthaltiga plaster. Denna metod har problem med termoplaster med hög fukthalt och starka polymerer som polypropen. Dessutom innebär givarens begränsade intervall på 100–150 mm att den inte kan svetsa delar med fogar större än 150 mm. Delstorleken är en annan begränsning. Det faktum att smältning av tjocka material kräver mycket energi gör dem också besvärliga.
Den dyra initiala investeringen är ytterligare en stor nackdel. För organisationer kräver ultraljudssvetsutrustning en betydande finansiell investering på grund av dess höga kostnad, som ökar med automatisering. Dessutom är denna metod begränsad till överlappande skarvar, vilka består av sektioner som överlappar varandra på en plan yta. Andra skarvtyper, såsom hörn-, stum-, T- och kantskarvar, bör inte använda den. När du väljer om ultraljudssvetsning är den bästa tekniken för din tillämpning, tänk på att dessa nackdelar begränsar dess mångsidighet i jämförelse med andra svetstekniker.
Tillämpningar av ultraljudssvetsning
Ultraljudssvetsning är en värdefull teknik som används inom en mängd olika industrier, särskilt vid tillverkning av konsument- och industrivaror. Den används för att tillverka viktiga medicinska förnödenheter som anestesifilter, blod- och gasfilter och ansiktsmasker. Denna metod är perfekt för medicintekniska produkter eftersom den garanterar låga och högkvalitativa fogar i delar som består av olika medicinska polymerer, som ABS och polyeten.
För att skapa komponenter som instrumentpaneler, dörrpaneler och rattar använder bilindustrin ultraljudssvetsning för att sammanfoga plast. Förutom låga kapitalkostnader, automatisering, korta cykeltider och flexibilitet är processen att föredra eftersom den använder indirekt värme, vilket inte orsakar skador på arbetsstycket.
På grund av sin noggrannhet, hastighet och högkvalitativa fogar är ultraljudssvetsning även till hjälp inom flygindustrin.
På samma sätt använder elektroniksektorn ultraljudssvetsning för att sammanfoga ledningar och sätta ihop elmotorer, kondensatorer, lagringsmedia och känsliga kretsar. Tack vare dess noggrannhet och tillförlitlighet är den perfekt för att skapa små, komplexa elektriska komponenter.
Referensprojekt
Groover, MP, 2010. Grunderna i modern tillverkning: Material, processer och system. 4:e uppl. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, Inc.
