Ультразвуковая сварка пластика: Сварка пластмасс ультразвуком

Сварка пластмасс ультразвуком

---

Рекомендуем приобрести:

Установки для автоматической сварки продольных швов обечаек — в наличии на складе!
Высокая производительность, удобство, простота в управлении и надежность в эксплуатации.

Сварочные экраны и защитные шторки — в наличии на складе!
Защита от излучения при сварке и резке. Большой выбор.
Доставка по всей России!

---

Метод сварки пластмасс ультразвуком — один из промышленных методов соединения полимерных материалов, основанный на преобразовании механических высокочастотных колебаний (более 20 000 Гц) в тепловую энергию. Выделяемое при этом тепло размягчает свариваемые поверхности, генерируясь в толще материала, а приложенное давление обеспечивает плотный контакт внутренних поверхностей материала.

Получение и передача ультразвуковых колебаний на материал осуществляется по следующей схеме (рис. 19). Вибратор 1 преобразует электрическую энергию высокой частоты в механические колебания сердечника с частотой ультразвука.

Колебания очень маленькой амплитуды передаются от вибратора к концентратору 2, который усиливает механические колебания и благодаря своей особой конструкции концентрирует их в конце волновода. Конец волновода является сварочным инструментом (электродом) или опорой, когда в качестве электрода используют наконечники. Колебания от волновода передаются полимерному материалу 3, который укладывают на опору — отражатель 4. Отражатель может быть пассивным (ненастроенным) и активным (настроенным). В свою очередь, отражатель  укладывают на опорную поверхность стола 5. Давление осуществляется со стороны электрода, как показано на схеме, или со стороны опорной поверхности стола.

Рис. 19. Схема сварки пластмасс ультразвуком:
1 — вибратор; 2 — концентратор; 3 — свариваемый материал; 4 — отражатель; 5 — опора.

Ультразвуковую сварку применяют в основном для соединения материалов с низкой электро- и теплопроводностью, большинство из которых трудно или вообще не возможно сваривать другими методами. Ультразвуком сваривают следующие полимерные материалы: органическое стекло, винипласт, полиэтилен, поливинилхлорид, полистирол и др.

Процесс образования соединения при ультразвуковой сварке можно условно разделить на две стадии. Вначале происходит нагрев соединяемых материалов. На второй стадии между нагретыми до вязкотекучего состояния контактирующими поверхностями возникают связи, которые и обеспечивают получение неразъемного соединения.

Особенности сварки ультразвуком состоят в следующем: 

1) можно соединять детали, толщина одной из которых практически неограничена, и осуществлять сварку конструкций, в которых затруднен доступ к месту сварки; это объясняется тем, что  сварка осуществляется с помощью одного электрода, односторонним способом, ультразвуковая энергия может подводиться на значительном расстоянии от места соединения;

2) высокая производительность процесса; так как максимальный разогрев происходит на свариваемых поверхностях, вследствие чего исключается значительный перегрев пластмасс по толщине или длине привариваемого стержня;

3) не создаются радиопомехи;

4) не подводится напряжение к свариваемым поверхностям;

5) возможна сварка более широкого ассортимента и больших толщин изделий из различных полимерных материалов, чем при сварке ТВЧ.

По характеру распределения вводимой механической энергии относительно свариваемых поверхностей ультразвуковая сварка? может быть разделена на контактную и передаточную.

В первом случае механическая энергия равномерно распределена по всей площади контакта свариваемых изделий. Этот вид ультразвуковой сварки обычно применяют для соединения эластичных пластмасс небольшой толщины (— 0,05—1,5 мм). Наиболее распространены соединения внахлестку.

При передаточной ультразвуковой сварке механические колебания вводятся в отдельной точке или на небольшом участке поверхности верхнего изделия. Передача и равномерное распределение механической энергии зависят в этом случае от упругих свойств свариваемого материала. Поэтому передаточную сварку применяют для соединения объемных деталей из жестких пластмасс, таких как полистирол, полиметилметакрилат и др. Наиболее рациональны соединения встык или втавр.

По степени непрерывности процесса ультразвуковую сварку можно разделить на прессовую и непрерывную. Прессовая сварка выполняется за одно рабочее движение волновода. По этой схеме может осуществляться как контактная, так и передаточная ультразвуковая сварка. Непрерывная сварка позволяет получить непрерывные протяженные сварные швы за счет относительного перемещения волновода и свариваемого изделия. Она используется для сварки изделий из пленок и синтетических тканей: мешков, фильтров, непромокаемой одежды и др.

По степени механизации непрерывная сварка делится на ручную и механизированную. При ручной сварке непрерывные швы любой конфигурации получают за счет перемещения сварочного пистолета, а изделие при этом остается неподвижным. Таким способом можно соединять многослойные пакеты из разных пленок с покрытием. При механизированной непрерывной сварке, как правило, перемещается свариваемое изделие, а сварочный волновод остается неподвижным.

Оптимальный режим, зависящий от свойств свариваемого материала, толщины и формы изделия, состояния контактируемых поверхностей и целого ряда других факторов, определяется в каждом конкретном случае экспериментально.

В связи с массовым характером производства и отсутствием простых и надежных методов неразрушающего контроля для сварных изделий из пластмасс особое значение приобретает надежность и стабильность технологического процесса сварки. Для повышения стабильности свойств сварного соединения и получения соединения с максимальной прочностью режим сварки в каждом отдельном случае может меняться.

На сварочном оборудовании могут быть установлены приборы контроля и регулирования технологическим процессом.

Схемы процесса

Способ предложен в 1958 г. учеными МВТУ им. Н. Э. Баумана под руководством акад. Г. А. Николаева. Способ ультразвуковой сварки пластмасс заключается в том, что электрические колебания ультразвуковой частоты (18—30 кГц), вырабатываемые генератором, преобразуются в механические продольные колебания магнитострикционного преобразователя, вводятся в свариваемый материал с помощью продольно-колеблющегося инструмента-волновода, расположенного перпендикулярно свариваемым поверхностям (рис.

29.5). Здесь часть энергии механических колебаний переходит в тепловую, что приводит к нагреву зоны контакта соединяемых деталей до температуры вязкотекучего состояния. Надлежащие условия ввода механических колебаний и создание тесного контакта свариваемых деталей, расположенных на опоре, обеспечивается статическим давлением рабочего торца волновода на свариваемые детали. Это давление способствует также концентрации энергии в зоне соединения. Динамическое усилие, возникающее в результате воздействия колеблющегося волновода, приводит к нагреву свариваемого материала, а действие статического давления обеспечивает получение прочного сварного соединения. Механические колебания и давление в этом случае действуют по одной линии перпендикулярно к свариваемым поверхностям. Такая схема ввода энергии применяется для ультразвуковой сварки пластмасс, в отличие от «металлической» схемы, когда механические колебания действуют в плоскости соединяемых поверхностей, а давление прикладывается перпендикулярно к ним. Подвод энергии от волновода может быть односторонним и двусторонним. По характеру передачи энергии и распределению ее по свариваемым поверхностям ультразвуковая сварка делится на контактную и передаточную.

Контактная сварка

Возможность передачи механической энергии в зону сварки зависит от упругих свойств и коэффициента затухания колебаний свариваемых материалов. Если полимер характеризуется низким модулем упругости и большим коэффициентом затухания, то сварное соединение можно получить лишь на малом удалении от плоскости ввода колебаний. Для равномерного распределения энергии по всей площади контакта свариваемых деталей необходимо, чтобы рабочий торец, соприкасающийся с верхней деталью, имел форму и площадь, идентичную площади и форме плоскости контакта свариваемых деталей. Контактная ультразвуковая сварка обычно применяется для соединения изделий из мягких пластмасс, таких как полиэтилен, полипропилен, поливинил-хлорид, а также пленок и синтетических тканей небольшой толщины — от 0,02 до 5 мм.

При этом способе сварки наиболее распространены соединения внахлестку (рис. 29.6).

Передаточная сварка

Если полимер обладает высоким модулем упругости и низким коэффициентом затухания, то сварное соединение можно получать на большом удалении от поверхности ввода механических колебаний (рис. 29.7). В этом случае ввод механических колебаний может осуществляться в точке или на небольшом участке поверхности верхней детали. Благодаря хорошим акустическим свойствам материала изделия энергия ультразвуковой волны незначительно ослабляется при проходе через деталь, контактирующую с волноводом, и почти полностью транспортируется к границе раздела свариваемых деталей. Тепловыделение на границе раздела в этом случае зависит от конфигурации изделия, а площадь сварки значительно отличается от площади рабочего торца волновода. Передаточную сварку рекомендуется применять для соединения объемных деталей из жестких пластмасс, таких как полистирол, полиметилметакрилат, капрон, полиамиды, поликарбонат.

Наиболее распространены стыковые и тавровые соединения. Удаление поверхности ввода механических колебаний от плоскости раздела свариваемых деталей зависит от упругих свойств материала, мощности ультразвука, подготовки кромок и может составлять от 10 до 250 мм. В случае необходимости передаточной сваркой можно соединять и мягкие термопласты. Для этого свариваемые детали должны находиться в жестком застекленном состоянии, что может быть достигнуто путем охлаждения их до температуры стеклования.

Оборудование

В МГТУ им. Н. Э. Баумана разработаны машины типа УПМ-21, УПК-15М, УПШ-12, ВНИИЭСО разработаны машины типа МТУ-1,5 и МТУ-0,4, которые серийно выпускаются заводом «Электросварка». Переносные установки РУСУ-50 и РУСУ-44-250 разработаны в НИАТ. Машины типа БШМ-1 разработаны ВНИИЛТЕКмашем совместно с ВНИИТВЧ им.. В. П. Вологдина и серийно выпускаются ПО Промшвеймаш (г. Орша).

Ультразвуковая сварка полиэтилена

Ультразвуковую сварку применяют при изготовлении емкостей, различных контейнеров и труб, предназначенных для хранения пищевых и других промышленных продуктов.

В большинстве случаев при упаковке продуктов в полиэтиленовую тару соединяемые поверхности загрязнены упаковываемым продуктом. Поэтому использование других методов сварки, кроме ультразвукового, в данном случае исключено. Загрязненность свариваемых поверхностей упаковываемым продуктом накладывает специфические требования к процессу ультразвуковой сварки, так как это оказывает влияние на прочность получаемого сварного соединения. Загрязнение поверхности приводит к понижению прочности сварного соединения.

Кроме того, при сварке изделий из полиэтилена следует учитывать особенности хранения и предшествующую обработку соединяемых изделий, которая также влияет на прочностные и эксплуатационные характеристики сварного шва.

Применение предварительной термообработки в интервале температур 50—100°С незначительно влияет на прочность сварных соединений (прочность уменьшается соответственно на 5—9% по сравнению с прочностью образцов, сваренных без предварительной термообработки).

С повышением температуры обработки до 115 °С наблюдается понижение прочности на 17%, и продолжительность сварки при этом увеличивается на 2—3 с.

Значительно влияет на качество сварного шва старение полиэтилена в условиях солнечной радиации. После 30 ч облучения ультрафиолетовыми лучами образец нестабилизированного полиэтилена низкой плотности толщиной 0,7 мм перестает свариваться. Полиэтилен, стабилизированный сажей или парафином, перестает свариваться после 60 ч облучения.

Ультразвуковая сварка полистирола

Ультразвуковую сварку изделий из полистирола применяют для изготовления различных контейнеров и сосудов, игрушек, спортивных товаров, а также для упаковки пищевых продуктов, медикаментов, косметики и т. д. В зависимости от формы изделия и свойств материала применяют контактную и передаточную сварку или комбинацию этих методов. Каждый из выпускаемых в настоящее время полистиролов (блочный, суспензионный, эмульсионный и ударопрочный) имеет различную способность свариваться — от наилучшей у блочного до наихудшей у ударопрочного полистирола.

При сварке изделий из полистирола одним из важных факторов, влияющих на процесс формирования сварных швов, является качество соединяемых поверхностей. Хорошая геометрическая форма и правильная подготовка поверхностей не только облегчает сварку, но и способствуют повышению прочности шва, увеличивают производительность процесса и позволяют строго фиксировать одну часть свариваемого изделия относительно другой его части.

Разделки кромок могут различаться по форме, по в основном одна из стыкуемых деталей должна иметь выступ, входящий по всей длине в соответствующий паз другой детали (рис. 20). Стыкуемые детали должны обладать наименьшей контактной поверхностью; поэтому паз выполняют плоским, а выступ — острым. Острие выступа должно контактировать с соединяемой поверхностью на очень небольшой площади, которая сводится почти к линии. Это способствует концентрации механической энергии на выступе, ускоряет процесс нагрева и сварки пластмасс.

Наилучшей является V-образная разделка свариваемых кромок, которая применяется для соединения деталей, показанных на рис. 20, а. На верхней детали делается V-образный выступ, а на нижней — V-образный паз. Высота выступа должна быть больше, чем глубина паза на 0,05—0,030 мм. При таком типе соединений достигается лучшая текучесть разогретого материала под действием давления и шов имеет хороший внешний вид.

При сварке соединений необходимо предусматривать допуски на текучесть размягченного полимера, который выдавливается из зоны шва, образуя грат. Если грат нежелателен, используют специальные конструкции шва, чтобы избежать выплесков полимера (см. рис. 20, 6 и в). Доведенный до вязкотекучего состояния полимер должен соединять две стыкуемые поверхности, заполняя зазор в несколько десятых долей миллиметра.

Рис. 20. Типы разделки кромок свариваемых поверхностей изделия.

Линия наплыва вдоль шва и выход наплыва за пределы шва свидетельствуют о том, что сварка произошла, В тех случаях, когда требуется герметичность изделия, необходимо, чтобы сварные детали имели линию наплыва. Однако линия наплыва большей частью ухудшает внешний вид изделия, поэтому ее следует избегать в особенности на полированных поверхностях.

Улучшение внешнего вида достигается ступенчатой конструкцией рабочей части волновода, при этом выступ изготовляют так, чтобы наплыв образовывался на внутренней стороне изделия. Малогабаритные детали несложной формы свариваются за один контакт волновода с изделием, причем волновод устанавливается перпендикулярно к свариваемым поверхностям по оси симметрии соединения. Если деталь сложная и длина сварного шва значительная, то количество точек и место введения ультразвуковых колебаний определяются экспериментально.

На свариваемость жестких пластмасс большое влияние оказывают условия хранения соединяемых деталей. Длительное хранение деталей до сварки приводит к уменьшению прочности сварного соединения. Особенно сильно уменьшается прочность соединения при сварке деталей, прошедших длительное хранение в атмосферных условиях. Таким образом, для получения качественных сварных соединений сварку необходимо производить либо сразу же после отливки деталей, либо хранить литые детали в темных холодных помещениях. Хранение деталей в атмосферных условиях при наличии солнечной радиации недопустимо.

Применение ультразвука для сварки деталей детских игрушек из полистирола позволило полностью исключить процесс склеивания дихлорэтаном, толуолом и другими растворителями, применение которых приводит к значительной загазованности воздушной среды. Использование ультразвуковой сварки повышает производительность труда и культуру производства.

Соединение пластмасс с металлами

В последнее время ультразвук применяется не только для сварки пластмасс, но и для соединения пластмасс с металлами и впрессовки металлических изделий в пластмассы.

При соединении металлических изделий с пластмассовыми в металлическом изделии делают отверстие, а в изделии из пластмассы — штифт, выполненный как одно целое с изделием. Металлическое изделие надевают на штифт, а на выступающую часть штифта накладывают ультразвуковой инструмент — волновод, торец которого имеет два сферических углубления, Под действием ультразвука выступающая часть штифта размягчается и деформируется инструментом в две полусферические головки, образующие замковое соединение, напоминающее собой соединение заклепками.

Лебедев Г.А. «Напыление. Сварка. Склеивание».

См. также:

как и чем проводится, особенности процесса, плюсы и минусы

Для того, чтобы соединять конструкции из полимерных материалов (например, полипропиленовые), используется ультразвуковая сварка пластмасс.

Этот метод уменьшает расходы, увеличивает эффективность и улучшает качество готового изделия, поэтому так обширно применяется в промышленности.

Эта статья написана в помощь тем, кто решил узнать о сварке ультразвуком пластмасс и ряде моментов, связанных с ней (оборудование, достоинства, недостатки).

Содержание статьиПоказать

Как это работает?

Что такое ультразвуковая сварка пластмасс? Если по-простому, это процесс, в котором происходит превращение механических колебаний, созданных специальным оборудованием, в тепло, энергия которого образует сварочный шов.

Иными словами, происходит трансформация энергии (механическая переходит в тепловую), поэтому подобный процесс можно назвать «использованием энергии преобразования».

В процессе ультразвукового сваривания пластмасс можно выделить 2 этапа: соединения деталей и образования шва.

Первый этап представляет собой воздействие на детали на молекулярном уровне: тепло, сформировавшееся в результате трансформации механической энергии, точечно фокусируется в месте будущего скрепления материалов.

Происходит увеличение показателя движения молекул пластмассы. Из-за этого начинается оплавление и соединение элементов конструкции. Второй этап представляет собой остывание мест сварки пластмассы и формирование крепкого шва.

Так вкратце можно описать принцип работы этого метода. Подробнее этот материал приводится в следующем разделе.

Как образуется шов?

Работа с металлом не похожа на сварку ультразвуком. Для второй не понадобятся привычные по работе с металлом расходные материалы (проволока, стержни электродов и пр.) и высокое температурное воздействие.

Зато потребуются механическое влияние на место формирования шва и энергия ультразвуковых колебаний.

Образование колебаний начинается с подсоединения генератора к ультразвуковому сварочному аппарату для пластмассы. Преобразователь трансформирует колебания одного вида в другие (ультразвуковые в механические).

Следом происходит подключение колеблющегося параллельно будущем шву волновода.

Он позволяет локально сфокусировать энергию в конкретной точке и создаёт два типа давлений: статическое и динамическое. Они приложены к детали под углом в 90°, и у каждого из них своя роль.

Первое отвечает за получение прочного шва, а второе — за достижение уровня температуры, оптимальной для работы с разными типами пластика и пластмасс.

Технически, возможности этого метода позволяют скреплять пластмассу с деталями различного состава, главное условие — чтобы материал выдерживал воздействие ультразвука.

В теории возможно соединение пластмассы с металлом, несмотря на разницу их температур плавления.

Характеристики оборудования

Перед работой рекомендуется изучить характеристики оборудования и те показатели, которые поддаются регулированию.

В соответствии с тем, какие параметры Вам нужны, Вы можете изменять следующие значения:

1. Давление ультразвуковой сварки (оно же статистическое).
2. Длительность импульса.
3. Давление волновода на материал.
4. Количество колебаний в единицу времени (частота).
5. Размах колебаний торца волновода.
6. Дополнительные: температурный режим прогрева материала, параметры, зависящие от характеристик самих деталей (например, размера и/или формы) и прочее.

Параметры из пунктов 1-5 связаны друг с другом. Более того, от них зависит скорость ультразвуковой сварки, её время, прочность и качество готового шва.

Параметры оборудования для сваривания пластмасс ультразвуком коррелируют с составом материала и видом предполагаемого шва. Они индивидуальны для каждого случая. Набор различных параметров представляет собой так называемый режим сварки.

В промышленности он устанавливается на основании проведения набора специальных исследований.

Они проходят следующим образом: в лабораторных условиях мастера осуществляют сварку различных конструкций и определяют характеристики образовавшегося шва.

К исследуемым параметрам относятся: прочность соединения, его надёжность и герметичность. Очевидно, что сварщикам, которые используют подобный метод в домашних условиях, такие исследования ни к чему.

Однако можно провести тестирование в минимальном объёме, потренировавшись перед началом работ на ненужных деталях. На собственном опыте оптимальный режим сварки пластмасс ультразвуком подбирается гораздо увереннее.

Категории сварки

Известно несколько вариантов классификаций сварки пластмасс ультразвуком. Каждая из них включает несколько пунктов. Ниже приведены наиболее популярные.

• Классификация по подаче энергии:

1. Односторонняя (применяется для соединения толстостенных конструкций).
2. Двусторонняя (оптимальна для тонкостенных деталей, но требует добавочного охлаждения).

• Классификация по передвижению волновода:

1. Непрерывное (скорость движения волновода не изменяется со временем).
2. Прерывное (движения с заранее известными временными промежутками).

• Классификация по движению вдоль шва:

1. Ручное (сила, направляющая аппарат, сосредоточена в руках мастера).
2. Механическое (сварочный аппарат перемещается вдоль шва автоматически, по ранее сформированным параметрам. Менее сфокусированный, чем ручной, но даёт возможность поменять направление сварного соединения).

• Классификация по типу сварки:

1. Контактная (шов формируется по уложенным внахлёст конструкциям. Подходит для деталей толщиной 2 миллиметра и меньше).
2. Передаточная (формирование механических колебаний проводится в установленные точки на деталях в таких количествах, чтобы гарантировать равномерное распространение волны ультразвука и, как следствие, прочность и качество соединения. Используется при сварке деталей толще 2 миллиметров, пластмасс с акустическими свойствами, мягких пластмасс, которые предварительно замораживаются, а также для выполнения стыковых швов у изделий из поликарбоната, полистирола и полиамида).

+ и —

Рассмотрим достоинства и недостатки ультразвуковой сварки пластмасс. К числу первых относятся:

1. Не нужно приобретать расходные материалы, растворители или клей, из-за чего снижается риск неблагоприятного воздействия на организм мастера.
2. Возможность соединить пластмассы любого состава.
3. При правильном выставлении режима сварки шов получается почти что невидимым.
4. Высокая производительность при довольно скромных затратах.
5. Швы получаются устойчивыми и герметичными на деталях любого состава.
6. Можно не проводить предварительную очистку поверхностей конструкций.
7. Шов в принципе не может перегреться, так как тепло фокусируется точечно.
8. При работе не образуются радиопомехи по причине того, что напряжение не достигает поверхности деталей.
9. Сварочные работы не требуют особых условий. Достаточно обеспечения электричеством.
10. Особенности оборудования позволяют проводить работы разного масштаба, от мелкого ремонта крошечных деталей и до непрерывной сваркой промышленных конструкций.
11. Возможность осуществления нескольких задач одновременно. К примеру, сварка пластмасс + покрытие полимерным напылением или сварка + резка.

Несмотря на невероятное количество достоинств, способ сварки далеко не идеален. На это есть свои причины:

1. Нет унифицированного метода проверки качества сварного шва, что чревато получением некачественного соединения.
2. Низкая мощность работы предполагает необходимость подачи энергии в двустороннем режиме.

Да, минусов у такого метода немного. Однако все преимущества работают только тогда, когда выбран оптимальный режим ультразвуковой сварки. Поэтому новичку рекомендуется приобретать аппарат с автоматическим выстраиванием режима.

В помощь начинающим мастерам, которые собираются вручную настраивать режим, приведена информация об оптимальных параметрах в удобном формате таблицы.

По мере накопления опыта в деле ультразвуковой сварки можно будет выставлять режим без её помощи.

Сварочные аппараты

В составе аппарата для ультразвуковой сварки пластмасс выделяют:

1. Инструмент для сварки.
2. Волновод.
3. Преобразователь (магнитострикционный или пьезокерамический).
4. Опора.
5. Генератор волн.
6. Дополнительная комплектация (с функцией управления параметрами процесса — автоматического или ручного. Рекомендуется к приобретению для выполнения качественных работ с формированием шва максимальной прочности).

Рассмотрим строение и функции основных узлов ультразвукового сваривания более подробно.

Генератор производит волны ультразвука с заданной скоростью и в последующем трансформирует их в механическую энергию (для этого используется также и преобразователь в аппаратах с двусторонней подачей энергии) с прежней частотой.

С его помощью возможно определение способа отправки энергии ультразвука.

Исходя из его названия, преобразователь обеспечивает превращение энергии из одного вида в другой. Его присутствие в оборудовании обуславливает потребность в перманентном охлаждении (воздушном, водном).

Следующее звено в конструкции — трансформатор колебаний. Он расположен между волноводом и преобразователем, предназначен для синхронизации их работы и может увеличивать размах колебаний с торцовой части волновода.

Сам же волновод отвечает за передачу механических колебаний и формирование давления в заданных точках. Вместо него может использоваться акустический преобразователь.

Фиксацией деталей занимается опора. Иногда возможно её применение в роли ещё одного волновода.

Постскриптум

После прочтения этой статьи не вызывает сомнений тот факт, что сварка ультразвуком пластмасс представляет собой высокотехнологичный процесс скрепления полимерных материалов.

Эффективность её (особенно при использовании механического управления процессом) обуславливает высокое качество шва, которое не стоит рядом с другими способами соединения деталей.

Никто не отменяет того факта, что для выполнения соединений идеального качества необходимо много тренироваться.

Представляется возможным интуитивное выполнение работ, когда практикующий мастер на основании опыта осознает, где и каким образом необходимо совершить то или иное действие.

Однако даже длительно работающим сварщикам иногда приходится совершать ошибки в этом деле, после которых их работа приобретает действительно профессиональный характер.

Всем начинающим мастерам рекомендуется хотя бы попробовать выполнить соединения посредством ультразвуковой сварки.

Считается, что этот метод обладает огромными возможностями. Здесь, в комментариях, профессионалы могут подсказать начинающим мастерам какие-либо аспекты ультразвуковой сварки.

Желаем удачи в обучении этому методу соединения конструкций!

Сварка и резка пластмасс — УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ТЕХНИКА — ИНЛАБ

Оборудование для ультразвуковой сварки пластиков 

«Ультразвуковая техника — ИНЛАБ» разрабатывает, изготавливает и поставляет оборудование для ультразвуковой сварки и резки пластмасс, армирования пластмасс металлами, развальцовки заклепок из полимеров.
Ультразвуковой сварочный пресс И100-7/2 предназначен для контактного сваривания ультразвуком различных деталей из термопластичных материалов. Ультразвуковые сварочные пистолеты предназначены для точечной сварки пластиков, для развальцовки заклепок

И100-7/2. Ультразвуковая сварочная машина.	И100-7/2. Комплект поставки и технические характеристики: — ультразвуковой генератор; — ультразвуковой магнитострикционный преобразователь; — блок питания со встроенным ключом управления пневмореле; — цифровой программируемый контроллер управления технологическим процессом; — портальный пресс с пневмоприводом — потребляемая мощность, кВт, не более               — И100-7/2-0.1               — И100-7/2-0.2 2.0 4.0 — напряжение питания               — И100-7/2-0.1               — И100-7/2-0.2 220В, 50 Гц 3 фазы, 380В, 50 Гц — рабочая частота, кГц 22±10% — рабочее давление воздуха, кг/см кв. 5-6 — масса комплекта, ориентировочно, кг 45 — охлаждение преобразователя водяное, принудительное Ультразвуковая сварочная установка И100-7/2 выпускается в виде законченного стационарного рабочего места, оснащается двумя кнопками включения пресса и цифровым программируемым контроллером управления. Система портального привода пресса позволяется избежать перекосов при давлении на свариваемые детали и устанавливать точные зазоры между сварочным волноводом и наковальней. Для охлаждения магнитострикционного преобразователя поставляется Автономная система охлаждения. Ультразвуковые сварочные волноводы (сонотроды) изготавливаются из титанового сплава. Разработка каждого сварочного волновода осуществляется индивидуально, исходя из конфигурации свариваемой детали и с помощью средств математического моделирования. Мощность машин может быть от 400 Вт до 4 кВт. Гарантийные обязательства — 12 месяцев.
И100-7/6-0.2М. Ручной ультразвуковой сварочный пистолет на базе пьезокерамического преобразователя. Модель 2018 года.	И100-7/6-0.2М. Технические характеристики: — мощность И100-7/6-0.2М: до 200 Вт  — напряжение питания: 220 В 50 Гц — рабочая частота: 35 кГц — охлаждение: воздушное принудительное — гарантия: — сварочный титановый волновод с диаметром торца: — устройство подвеса и гибкий кабель: 12 мес. от 3 до 16 мм
И100-7/6-0.3. Ручной ультразвуковой сварочный пистолет на базе магнитострикционного преобразователя с водяным охлаждением. Модель 2013 года.	И100-7/6-0.3. Технические характеристики: — мощность:                                                                до 1000 Вт — напряжение питания:                                         220 В 50 Гц — рабочая частота:                                         22 кГц  — охлаждение инструмента:                                         водяное — сварочный волновод:                                         титановый  — гарантия:                                         12 мес.

С ценами и основными техническими параметрами установки для сварки и резки пластмасс можно ознакомиться в разделе Цены (файл Ультразвуковые сварочные установки)

Версия для печати

Ультразвуковая сварка пластмасс|полимеров ультразвуковым прессом

В этой статье мы предлагаем Вашему вниманию обзор новой ультразвуковой сварочной установки, предназначенной для сварки пластмасс. Основной особенностью этой модели является возможность изменения параметров(усилия и амплитуды) во время сварочного импульса, благодаря чему, открывается широкий выбор сварочных режимов соответствующих используемым материалам. Прессовая сварка со статичной позицией инструмента отличается тем, что форма сварочного шва определяет форму инструмента. Исходя из этой особенности, для обеспечения высокого качества и эстетичного вида сварочного шва, уже на стадии проектировки установки были учтены технологические особенности процесса сварки. Новая разработка на рынке автоматизированного станкостроения из восточной Европы — ультразвуковая сварочная установка серии 12, иллюстрация которой представлена справа. Так же, как и в предыдущей модели, основным источником энергии новой установки является ультразвуковой генератор, однако отличается от нее новыми функциональными возможностями и конструкторскими решениями. Главной особенностью новой модели является возможность изменения параметров сварки в течение сварочного импульса. Эта необходимость может возникнуть при выборе технологических режимов в зависимости от соединяемых материалов и конструкции изделия. Известно, что энергия поступающая в зону сварки зависит от трёх параметров: усилия(давления пресса) P амплитуды A времени сварочного импульса T (В рамках этой статьи, принимаем, что амплитуда A не зависит от сварочного усилия P.) Рис. 1. График изменения сварочного усилия Р и сварочной амплитуды А за период сварочного импульса Тс. Практические значения Тс = 0,2 – 3 с На сварочной установке 12-й серии стало возможным изменение усилия во время сварочного импульса с высокого на низкое и наоборот, а амплитуду только в сторону её уменьшения. Моменты переключения давления и сварочной амплитуды могут как совпадать по времени, так и отличаться(Рис. 1). Таким образом, данная сварочная технология дополняется широким спектром сварочных режимов. Так, например, при сварке таких полимеров, как ПММА(плексиглаз), для получения высокой прочности шва, необходимо увеличить статическое усилие после выключения ультразвука(описание режима: Т1= Т2, Р1<Р2, А1≠0, А2=0). В случае сварки пористого материала (например фильтра) с жестким полимером (корпус фильтра) наиболее применим режим, в котором первая часть сварочного импульса проходит при низком усилии и высокой амплитуде, а другая часть, при повышенном усилии и пониженной амплитуде (описание режима: Т1=Т2, Р1<Р2, А1>А2).  Наряду с расширенными технологическими возможностями, новая модель сварочной установки имеет ряд конструктивных улучшений, облегчающих работу оператора: локальное освещение рабочей зоны сварки, упрощена процедура настройки и перенастройки режимов работы пресса, оптимировано количество регуляторов и кнопок управления, за счёт значительного уменьшения корпуса активатора пресса, достигнут улучшенный обзор зоны сварки, по бокам основания установки предусмотрены ящики для хранения инструмента и технологических приспособлений. Рис. 2. Инструмент — волновод (сонотрод) для прессовой сварки полимеров Новая установка ультразвуковой сварки позволяет без дополнительной оснастки сваривать детали из пластмасс, имеющих периметр до 400 мм. Вид свариваемых деталей определяет тип и размеры соответствующего инструмента — сонотрода и сварочной опоры, предназначением которой является фиксация детали на рабочем столе. Установка позволяет, так-же, выполнять и другие технологические операции, такие как, закладка металлических деталей в пластмассовую основу, клепка и резка полимерных материалов.   Основным отличием прессовой сварки от так называемой непрерывной или шовной сварки является то, что она происходит в статическом положении инструмента и свариваемой детали. Конфигурация сварного шва определяется формой сонотрода, который прижимается к верхней свариваемой детали с определенным усилием(см. рис. 2), за исключением случая, когда полимер имеет высокую пластичность при низком коэффициенте затухания(например, у таких тяжёлых полимеров, как полистирол или капрон). Рис. 3. Комбинированный инструмент — волновод (сонотрод) для прессовой сварки полимеров В тех случаях, когда сварочный шов имеет сложную форму или значительную протяженность, целесообразным является использование комбинированных сонотродов (см. рис. 3) либо одновременно нескольких сварочных активаторов на одной платформе. Часто к сварному соединению предъявляются достаточно жесткие требования: механическая прочность, герметичность, эстетичный вид и др. Для удовлетворения этих требований необходим комплексный подход к разработке конструкции. Уже на стадии проектирования деталей конструкторы должны закладывать решения, присущие только технологии ультразвуковой сварки. Например, при соединении деталей из жестких полимеров, для концентрации напряжений в зоне сварки и обеспечения герметичности используются V-образные выступы на свариваемых поверхностях. Размеры и угол которых зависят от свойств материалов, конструктивных форм и требований к соединению. Иногда, для повышения прочности сварных швов, используются промежуточные прокладки, что характерно для сварки разнородных материалов. Свойства материала прокладки (температура его плавления, интервал температур вязкотекучего состояния, вязкость расплава и др.) должны быть близки к среднему значению для свариваемых полимеров. Применение таких прокладок позволяет дифференцировать перепад температур плавления, снизить теплообмен между свариваемыми деталями, обеспечить условия лучшей температурной совместимости разнородных пластмасс.  Благодаря приобретённому опыту, полученному в ходе успешных технологических и конструктивных разработок нацеленных на достижение максимально возможного результата в области ультразвуковой сварки, мы готовы к сотрудничеству по внедрению наших технологий и установок для сварки полимеров согласно требованиям Вашего производства!

Ультразвуковая сварка пластмасс: принцип действия и оборудование

Сварка пластмасс ультразвуком — часто используемый способ соединения изделий, выполненных из этого материала. Ультразвуковая сварка пластмасс обладает рядом преимуществ по сравнению с другими методами.

Принцип действия

Суть метода сварки ультразвуковым способом заключается в том, что генератором вырабатываются электрические колебания частой 20-50 кГц, которые относятся к области ультразвуковых. Затем происходит их преобразование в механические колебания инструмента под названием волновод. Входящий в это устройство пневмоцилиндр заставляет свариваемые части изделия прижиматься друг к другу. При этом колебания передаются в зону сварки.

Соединяемые полимеры подвергаются деформации. Между ними начинается диффузия — проникновение молекул одного изделия в другое, вернее в его межмолекулярные промежутки. Этот процесс носит взаимный характер. Происходит соединение пластмассовых деталей.

Для равномерности распределения расплавленного материала в сварном шве после отключения воздействия ультразвука детали остаются прижатыми друг к другу до их полного остывания. Наиболее часто используемым способом при этом является соединение внахлест.

Ультразвуковая сварка бывает выполненной по принципу образования шва, точечной и вдоль периметра.

Таким способом может выполняться ультразвуковая сварка полипропилена и других видов пластмасс.

Преимущества

К достоинствам ультразвукового метода относится:

1. Отсутствие необходимости в защитной газовой среде.
2. Не предъявляются особые требования к качеству подготовки свариваемых поверхностей.
3. Любая геометрическая форма свариваемых изделий.
4. Экологичность метода.
5. Минимальное количество выделяемых вредных веществ.
6. Не слишком высокая температура нагрева деталей.
7. Отсутствие применения сварочных материалов в виде проволоки и припоя.
8. Незаметность полученного шва.
9. Высокая производительность.
10. Минимальные энергозатраты.
11. Безопасность процесса.

Полученный шов обладает эстетичным внешним видом. В дополнительной обработке он не нуждается.

Оборудование

Для ультразвуковой сварки пластмасс применяемое оборудование разделяется на точечное, шовное и шовно-шаговое. Также находят применение небольшие переносные установки типа ручных пистолетов, обладающих небольшой мощностью. К основному используемому оборудованию относится ультразвуковой генератор для сварки пластмасс.

Его параметры:

1. Амплитуда колебаний. Она влияет на величину энергетического потока, и, соответственно, на время всего процесса.
2. Прижимное усилие. Определяет прочность полученного шва.
3. Частота колебаний.
4. Величина давления на соединяемые детали.
5. Продолжительность импульсов. Оказывает влияние на продолжительность сварки.

Также играют роль предварительный прогрев изделий и расстояние, на котором находится головка аппарата по отношению к изделию.

Важнейшая часть в системе — сварочный или, иначе акустический узел. Его назначение — преобразование электрической энергии в механическую. Роль волновода сводится к транспортированию потока энергии к месту сварки. На рабочем конце волновода находится сварочная головка, которая является сменной деталью. Все узлы устанавливаются на опорную раму.

При использовании генератора имеется ограничение, касающееся размера заготовок. Он не должен превышать 30 сантиметров. Это объясняется небольшим значением мощности этого оборудования. Также не слишком большой должна быть и толщина изделий. При использовании генератора необходимо следить за тем, чтобы свариваемые детали имели минимально возможную влажность.

Интересное видео

Ультразвуковая сварка пластмасс и металлов. Холопов Ю.В. 1988 | Библиотека: книги по архитектуре и строительству

В книге изложена технология соединения пластмасс и металлов ультразвуком — УЗС. Даны новые материалы по физическим основам процесса УЗС, технологии сварки; рассмотрены основные конструктивно-технологические особенности оборудования, методы стабилизации прочности и контроля качества сварных соединений. Показана технико-экономическая целесообразность использования ультразвуковой сварки в промышленности. Книга предназначена для инженерно-технических работников, занимающихся разработкой оборудования, технологией и эксплуатацией машин для УЗС пластмасс и металлов.

Предисловие

Глава 1. Физические условия образования сварного соединения
1.1. Общая характеристика процесса
1.2. Общая физическая модель зоны сварки
1.3. Процессы внешнего трения
1.4. Процессы внутреннего трения при сварке пластмасс и металлов
1.5. Закономерности выделения энергии в зоне сварки в зависимости от свойств свариваемых материалов
1.6. Некоторые особенности образования сварных соединений металлов и пластмасс

Глава 2. Стабилизация процесса передачи энергии в зону сварки
2.1. Общая характеристика причин, дестабилизирующих процесс сварки
2.2. Методы стабилизации колебаний сварочного наконечника
2.3. Методы стабилизации сварочного усилия
2.4. Условия передачи энергии в зависимости от состояния контактирующих поверхностей в зоне сварки
2.5. Влияние стержневой опоры и нагрева сварочного наконечника

Глава 3. Основные технологические параметры режима сварки
3.1. Основные величины и параметры режима сварки
3.2. Методические начала расчета сварочного усилия
3.3. Методические начала расчета амплитуды колебаний сварочного наконечника
3.4. Уравнение связи основных энергетических величин и разработка критериев подобия при расчете основных параметров режима сварки
3.5. Алгоритм расчета основных технологических параметров режима сварки

Глава 4. Основные узлы оборудования для УЗС пластмасс и металлов
4.1. Волноводы
4.2. Электромеханические преобразователи
4.3. Источники питания преобразователей
4.4. Промышленные источники питания преобразователей сварочных систем
4.5. Методы и аппаратура для измерения параметров электромеханических систем

Глава 5. Технологическое оборудование для УЗС пластмасс и металлов
5.1. Классификация принципиальных кинематических схем сварочных машин и основные требования к оборудованию
5.2. Оборудование для точечной и шовной сварки металлов и пластмасс 163

Глава 6. Разработка и внедрение технологии УЗС пластмасс и металлов в промышленности
6.1. Технология сварки металлов
6.2. Технология сварки полимеров
6.3. Контроль качества сварных соединений

Список литературы

Предисловие

Ультразвуковая сварка (УЗС) является одним из методов соединения пластмасс и металлов. Благодаря целому ряду весьма ценных технологических свойств, например возможности соединения разнородных и разнотолщинных металлов, в ряде случаев без снятия оксидных пленок, она нашла свое применение особенно в микроэлектронике. Более того, сейчас становится очевидным, что без использования специфических особенностей ультразвуковой сварки невозможно осуществление новых, перспективных технологических процессов сварки.

В области УЗС термопластичных полимеров за последние четверть века ультразвуковая сварка начинает широко использоваться в промышленности. В настоящее время ее используют сотни заводов. Без ультразвука невозможно дальнейшее совершенствование технологии сварки таких; например, широко распространенных полимеров, как полистирол, полиметил метакрилат, полиэтилентерефталатные пленки и т. п. Технико-экономическая целесообразность использования энергии ультразвука однозначна.

Работы в области ультразвуковой микросварки проводятся в стране достаточно интенсивно. Вместе с тем практические нужды промышленности страны сегодняшнего дня в ультразвуковой сварке пластмасс и металлов едва ли не на два порядка превышают то, что на сегодняшний день сделано в области УЗС. Поэтому информация о результатах работ в этом направлении технического прогресса является предельно актуальной. Привлечение внимания различных отраслевых НИИ и КБ к потенциальным возможностям УЗС, освоение специфики оборудования и технологии УЗС будут способствовать еще большему развитию этого вида сварки, обладающему широкими технологическими возможностями, высокой производительностью, обеспечивающему высокое качество сварных соединений.

В СССР сложилась научная школа по сварке пластмасс ультразвуком в МВТУ им. Баумана под руководством академика Г.А. Николаева. Много было сделано во ВНИИЭСО — в отраслевом институте Минэлектротехпрома.

Сейчас перед ультразвуковой сварочной технологией большая перспектива; круг специалистов, занимающихся УЗС пластмасс и металлов, расширяется, потребность в литературе по этому виду техники постоянно растет.

Если учесть, что типовые комплекты технологического оборудования для УЗС после модификации могут с успехом использоваться для развальцовки заклепок при соединении металлов с пластмассами, резки полимеров, финишной обработки металлов и других операций, настоящая книга будет полезна достаточно большому кругу лиц.

Основной особенностью книги является то обстоятельство, что проблемы УЗС пластмасс и металлов рассмотрены с единых методических позиций. Хотя механизм образования сварного соединения полимеров и металлов имеет принципиальные различия, но основные вопросы, связанные с энергетикой процесса сварки методами и приемами стабилизации процесса, комплектностью технологического оборудования и технологией процесса, являются однородными.

В основу книги положены результаты работ автора, выполненных под его непосредственным руководством и при участии, широко использованы также материалы, полученные в МВТУ им. Баумана и других организациях страны. В книгу вошли только наиболее важные, по мнению автора, материалы, часть из которых еще нигде не опубликовывалась.

Ультразвуковая сварка пластмассы

Ультразвуковая сварка пластмассы

Ультразвуковая сварка пластмассы – один из способов соединения всех видов пластмассы при помощи ультразвука. Сильные ультразвуковые колебания (более 25 Кгц) преобразуются в механические колебания аппарата для сварки, после чего часть их переходит в тепловую энергию, нагревая и размягчая поверхности свариваемых изделий до вязко-текучего состояния и впоследствии образуя очень прочное и надежное соединение. При ультразвуковой сварке тепловая энергия направлена на определенный участок, что позволяет избежать перегрева пластмассового изделия в целом, а соответственно и нежелательной деформации детали и выброса вредных веществ. При помощи ультразвукового аппарата для сварки можно соединить все виды пластмассы, а некоторые из них только ультразвуковыми колебаниями.

Ультразвуковая сварка по воздействию механической энергии на свариваемые пластмассовые поверхности подразделяется на два вида: передаточную и контактную.

Передаточную сварку применяют для соединения объемных, с практически неограниченной толщиной, изделий из твердых видов пластмасс (полистирол и др.). При использовании передаточного способа механическая энергия направлена на отдельный участок или точку соединяемых деталей.

Контактный способ применяется для соединения более эластичных, мягких видов пластмасс (полиэтилен и др.) малой толщины. В контактном способе сварки пластмассовых изделий механическая энергия равномерно распределяется по всей поверхности свариваемых деталей.

Плюсы сварки при помощи ультразвука:

Одним из главных плюсов является, безусловно, возможность соединения в труднодоступных местах, даже на отдаленном расстоянии.

При таком способе сварки, детали не требуют определенной подготовки, даже удаления различного рода загрязнения с поверхности.

Очень быстрый нагрев изделия до вязко-текучего состояния, буквально несколько секунд, а иногда и доли секунд.

Возможность получить эффективное и надежное соединение деталей из любых видов пластмассы, как твердых, так и эластичных, и практически любой толщины изделия.

Основы ультразвуковой сварки пластмасс

Что такое ультразвуковая сварка?

Технология ультразвуковой сварки

использует высокочастотные колебания (ультразвуковые) для точного соединения двух термопластичных деталей за доли секунды. Под точным давлением соединение закрывается менее чем за 0,2 секунды.

Ультразвуковые волны колеблются десятки тысяч раз в секунду. Это колебание передается контактной поверхности, которая непосредственно контактирует с пластиковыми деталями.Поскольку граница зоны сварки имеет большой акустический импеданс, она создает высокие температуры. Пластик довольно плохо проводит тепло и не может рассеивать тепло, пока не изменит состояние пластика с твердого на жидкое. При небольшом давлении две части сливаются вместе, как будто они представляют собой единый кусок пластика. Как только ультразвуковой сигнал прекращается, детали снова становятся твердыми. Это волшебство, которое создает чистый и очень прочный шов между двумя частями.Сварной шов будет иметь прочность, близкую к прочности исходных материалов, формируемых вместе в процессе литья под давлением.

Давайте немного углубимся, чтобы увидеть, как выглядит каждый шаг! Мы поговорим о том, как работает этот процесс, каковы преимущества / недостатки и как спроектировать ваши пластмассовые соединения, чтобы максимально использовать эту технологию.

ОСНОВЫ ультразвуковой сварки

Шаг 1 — Детали в приспособлении

Две детали из термопласта, которые необходимо собрать, помещают вместе, одна поверх другой, в поддерживающее гнездо, называемое приспособлением.

Шаг 2 — Контакт звукового сигнала

Титановый или алюминиевый компонент, называемый рогом, контактирует с верхней пластиковой частью.

Шаг 3 — Приложенное давление

К деталям прикладывают контролируемое давление, прижимая их вместе к приспособлению.

Шаг 4 — Время сварки

Рупор вибрирует вертикально 20 000 (20 кГц) или 40 000 (40 кГц) раз в секунду в течение определенного времени, также называемого временем сварки.Различные части детали точно спроектированы так, что энергия направляется в определенные точки соприкосновения между двумя частями.

Механические колебания передаются через термопластические материалы к стыку стыка, создавая тепло трения. Когда температура на стыке стыка достигает точки плавления, пластик плавится и течет, и вибрация прекращается. Это позволяет расплавленному пластику начать охлаждаться.

Шаг 5 — Время удержания

Сила зажима поддерживается в течение заданного времени, чтобы позволить деталям сплавиться по мере охлаждения и затвердевания расплавленного пластика.Это известно как время удержания. Повышенная прочность соединения и герметичное уплотнение могут быть достигнуты путем приложения более высокого усилия во время выдержки. Это достигается с помощью двойного давления в различные моменты времени выдержки.

Шаг 6 — Рог убирается

После затвердевания расплавленного пластика зажим снимается, и рог втягивается. Две пластмассовые части теперь соединены, как если бы они были отлиты вместе, и вынимаются из приспособления как одна часть.

Ультразвуковая сварка пластиковых сборок — это быстрый, чистый, эффективный и повторяемый процесс, который потребляет очень мало энергии.Не требуются растворители, клеи, механические крепления или другие расходные материалы, а готовые сборки прочны и чисты.

важные факторы ультразвуковой сварки пластмасс

Время сварки и давление сварочной головки можно регулировать с амплитудой, определяемой конфигурацией преобразователей и стержней. Как правило, основные переменные —

.

• Амплитудные стержни и преобразователи
• Сварочная головка давление
• Время сварки
• Время удержания

Регулировка должна быть точной.Если частота слишком высока или время подачи сигнала слишком велико, пластмассы могут легко деформироваться за пределами границ точек соединения. Если приложенная энергия слишком слабая, образуется плохая связь.

Преимущества и недостатки

Преимущества ультразвуковой сварки пластмасс

Технология ультразвуковой сварки отличается высокой скоростью сварки, высокой прочностью сварки и хорошими характеристиками уплотнения. Это подходящая замена традиционным процессам сварки / склеивания.Процесс чист, потому что он не использует вредных растворителей или клея, а также не повреждает продукт. Эту технологию также легко внедрить в производственный процесс, и она отличается низким уровнем отказов. В качестве бонуса все эти преимущества помогают снизить производственные затраты.

Недостатки ультразвуковой сварки пластмасс

Когда толщина и твердость пластмассовых деталей увеличиваются, мощность, необходимая для сварки, увеличивается экспоненциально в зависимости от параметров пластмассы. Это увеличивает стоимость производства аппарата для ультразвуковой сварки.Если потребляемая мощность слишком велика, проектирование и изготовление акустической системы, а также технологические эффекты создадут ряд проблем, которые трудно решить. Таким образом, технология обычно ограничивается тонкими деталями, такими как проволока, фольга и листы. Состояние этой технологии ограничивает форму соединения ультразвуковой сварочной системы соединениями внахлест и ограничивается головкой инструмента. Детали могут выступать только в пределах допустимого диапазона размеров сварочной системы. Форма сварного шва и размерный ряд ограничены.

Эти ограничения означают, что свариваемые детали должны быть точно спроектированы, чтобы максимально использовать преимущества этого процесса.

Области применения

Ультразвуковая сварка пластмасс подходит практически для всех термопластов. При планировании сварных швов между деталями из полукристаллического пластика важно помнить, что поведение этих пластиков при сварке значительно отличается от поведения аморфных пластмасс.

Ультразвуковая сварка пластмасс может использоваться в ограниченной степени для соединения двух различных термопластов (аморфных пластмасс).Ультразвуковая сварка не подходит для использования с термореактивными пластиками. Сегодня ультразвуковая сварка используется во всех отраслях промышленности, где обрабатываются пластмассы. Чаще всего используется в автомобильной, медицинской, текстильной, пищевой, пластмассовой и упаковочной промышленности.

Как мне начать?

NexPCB предлагает эту технологию как часть нашего полного предложения «под ключ». Если вы ищете приложения этого типа для своих текущих или новых проектов, вы можете перейти к нашему запросу по проекту, чтобы представить свои проекты.Наша команда опытных инженеров-механиков оценит ваш проект и сообщит, подходит ли эта технология для вашего проекта!

Как решать общие проблемы ультразвуковой сварки

Ультразвуковая сварка — широко признанный и принятый процесс соединения термопластичных материалов. Он предлагает множество преимуществ, включая надежность и повторяемость процесса, меньшее потребление энергии по сравнению с другими методами соединения, экономию материалов (поскольку нет необходимости в расходных материалах, таких как клей или механические крепежные детали), а также экономию рабочей силы.

Но, как и в случае с любым другим процессом, существуют ситуации, когда очевидные проблемы с этой технологией могут прервать производственный процесс. Ключом к решению и предотвращению этих проблем является понимание их вероятного происхождения. Процессоры, успешно применяющие ультразвуковую сварку, обычно имеют две основные характеристики: у них есть хорошо задокументированный и валидированный процесс сварки; и этот процесс поддерживается и поддерживается резидентом, хорошо обученным «чемпионом». Если один или оба этих важных фактора отсутствуют, вы, скорее всего, очень скоро обратитесь за помощью.Даже когда оба присутствуют, возможно, вам понадобится помощь или техническая помощь хотя бы время от времени.

КАК РАБОТАЕТ ПРОЦЕСС
Прежде чем исследовать общие причины проблем ультразвуковой сварки, давайте разберемся с самим циклом сварки. При ультразвуковой сварке высокочастотные колебания воздействуют на поверхности двух деталей с помощью вибрирующего инструмента, обычно называемого «рогом» или «сонотродом». Сварка происходит в результате теплоты трения, возникающей на границе раздела между деталями.Ультразвуковые колебания создаются рядом компонентов — источником питания, преобразователем, усилителем и звуковым сигналом, — которые передают механическую вибрацию деталям.

Как показано на рис. 1, источник питания принимает стандартное линейное напряжение и преобразует его в рабочую частоту. В следующем примере мы будем использовать обычную частоту ультразвуковой сварки 20 кГц, хотя сварка может выполняться в диапазоне от 15 до 60 кГц для удовлетворения особых потребностей. В процессе работы источник питания передает электрическую энергию заданной частоты через ВЧ-кабель к преобразователю.В преобразователе используется пьезокерамика для преобразования электрической энергии в механические колебания на рабочей частоте источника питания. Эта механическая вибрация увеличивается или уменьшается в зависимости от конфигурации усилителя и рупора. Правильная амплитуда механической вибрации определяется прикладным инженером и основывается на термопластических материалах, используемых в деталях.

Свариваемые детали подвергаются механической нагрузке, как правило, с помощью пневматического привода, удерживающего усилитель и звуковой сигнал.Под этой нагрузкой механические колебания передаются на границу раздела между поверхностями материала, которая фокусирует колебания для создания межмолекулярного и поверхностного трения. Это трение вызывает нагревание и последующее плавление, которое затвердевает в сварную связку.

Основными компонентами ультразвуковой системы являются источник питания, привод и блок (см. Рис. 2). Источник питания принимает линейное напряжение от 120 до 240 В и преобразует его в высоковольтный высокочастотный сигнал.Он также содержит программирование, необходимое для управления приводом и пакетом для достижения желаемого результата сварки. Привод с пневматическим или электрическим сервоприводом, доступный как автономный настольный блок или интегрированный в автоматизированную систему, перемещает ультразвуковой инструмент к соединяемым деталям. Он прилагает необходимое усилие к материалам, чтобы создать условия для сварки.

Ультразвуковой комплект завершает систему. Он передает энергию вибрации за счет прямого контакта с деталями на поверхность уплотнения / соединения.Пакет обычно состоит из трех элементов: преобразователя или преобразователя (описанного выше), который содержит пьезоэлектрические керамические кристаллы, которые колеблются с частотой подаваемого сигнала источника питания. Когда эти кристаллы колеблются, они физически расширяются и сжимаются, создавая измеримое механическое движение (называемое размахом амплитуды) на выходной стороне преобразователя.

Вторая секция, усилитель, с прикрепленным кольцом в средней части, выполняет две функции: она действует как точка крепления для пакета в приводе, а также служит для усиления или уменьшения выходного движения, создаваемого в преобразователе.

Третий и последний компонент стопки — это рог (сонотрод), который будет контактировать с соединяемыми частями. Рупор будет спроектирован так, чтобы соответствовать профилю жестких частей, которые необходимо соединить, или может иметь уплотнительный профиль, добавленный к его контактной поверхности при применении пленки / текстиля. Для каждого случая применения рупор спроектирован для объединения с другими компонентами пакета для достижения оптимального уровня выходной амплитуды, что позволяет проводить ультразвуковую сварку с максимальной эффективностью.

ТИПОВЫЕ ЗАДЕРЖКИ
Проблемы обычно возникают в одной из четырех областей:

1. Оборудование : Ультразвуковое сварочное оборудование или различные сварочные компоненты не подходят для данной области применения.
2. Параметры процесса : Используемые параметры не подходят для соединяемых деталей.
3. Материалы : Изменения вносятся в тип, состав или физико-механические характеристики материалов, используемых в деталях.
4. Конструкция детали : Некоторые детали геометрии детали не подходят для повторяемой или успешной сварки.

Следует также отметить, что иногда проблема, выявленная в одной области, может выявить слабость или недостаток в другой области.

Начнем с оборудования. Легко и обычно логично думать, что оборудование и подходы, обеспечивающие успешную сварку в одном приложении, будут делать это в другом. Но это не всегда верно. В мире наиболее широко используются аппараты для ультразвуковой сварки с частотой 20 кГц; Благодаря своей универсальности эти сварочные аппараты могут обеспечивать выходную мощность большой мощности (до 6000 Вт) и большой амплитуды, а также работать с инструментами самых разных размеров.Для контрактного производителя, производящего детали с ультразвуковой сваркой, оборудование с частотой 20 кГц может стать отличным вложением средств, поскольку оно открывает перспективы использования в будущем во многих областях.

Однако в некоторых случаях — особенно с небольшими и хрупкими деталями — возможности высокой мощности и большой амплитуды оборудования с частотой 20 кГц могут оказаться слишком «агрессивными» для определенных сборок, что может привести к повреждению. Одно из возможных решений — уменьшить входную амплитуду, но это не сработает, если приложенная амплитуда ниже рекомендуемого уровня для свариваемого полимера.

---

---

Еще одно средство защиты — это посмотреть на оборудование, которое работает на более высокой частоте, возможно, 30 или 40 кГц, при условии, что инструменты, необходимые для приложения, доступны для использования на этой частоте. Более высокочастотное оборудование производит более низкую амплитуду на выходе, но компенсирует резонанс на более высокой частоте. Таким образом, высокочастотные сварочные аппараты считаются «более щадящими» в применении ультразвуковой энергии к деталям. Электронные сборки, особенно с чувствительными таймерами / генераторами и другими компонентами, расположенными на печатных платах, выиграли от этого подхода.Аналогичным образом, детали, которые страдают от «диафрагмирования» или «масляного консервирования» из-за чрезмерного перемещения одной из сопрягаемых частей, часто выиграют от перехода на высокочастотное оборудование.

Еще один потенциальный фактор — неисправности оборудования. Это редко происходит без предупреждения. Одним из очевидных примеров является изменение или увеличение шума, производимого во время работы сварочного аппарата. Опытные операторы и обслуживающий персонал часто настроены на такие тонкие гармонические колебания и всегда должны сообщать об этих изменениях руководителю.Принятие во внимание «скрипящего колеса» раньше, чем позже, вполне может позволить выявить и разрешить проблему до того, как производство пострадает.

Точно так же новое ультразвуковое оборудование позволяет пользователям выполнять интерактивные диагностические проверки функций, которые при правильной интерпретации и использовании в сочетании с другими предупреждающими знаками, такими как шум, могут предупредить пользователя о тревожных тенденциях, прежде чем они станут серьезными проблемами. Источники питания с помощью усовершенствованных протоколов связи могут получать такие данные, как «результаты графика сварного шва» и «сканирование рупора», которые можно сравнивать с базовыми данными, полученными, когда оборудование было новым, недавно обслуживалось или работало на должном уровне.

С помощью этой информации опытные пользователи могут сосредоточить свои усилия на устранении неполадок и определить, требуются ли дополнительные действия или дальнейший мониторинг. После выявления проблемной области замена подозрительных компонентов на заведомо исправные — это один из способов точно определить сварочное оборудование, требующее ремонта или корректирующих действий. Примеры полезных диагностических данных:

• Данные графика сварки . Это может помочь выявить различия между хорошими и подозрительными частями.Данные, отображаемые на графике сварного шва, как показано на рис. 3, включают амплитуду, потребляемый ток, мощность, частоту и фазу. Изменения амплитуды, фазы, частоты и тока могут указывать на проблему с источником питания или стеком. Несоответствие в потребляемой мощности может указывать на изменение процесса (например, в давлении сварного шва), изменение геометрии детали (допуски, особенно в области соединения, возможно, изменились) или проблему с компонентами пакета (рупор или преобразователь начинают выходить из строя) .

• Диагностический скан звукового сигнала .Это определяет, потребляет ли рупор больше энергии (отображается как увеличение мощности, необходимой для работы в воздухе). Повышенное энергопотребление может указывать на образование трещины в роге. Такие трещины иногда бывают внутренними и поэтому не всегда видны невооруженным глазом.

• Случайные данные . Данные, которые кажутся хаотичными по сравнению с известными хорошими данными, могут указывать на неисправность преобразователя, звукового сигнала или радиочастотного кабеля, как показано на рис. 4.

ПАРАМЕТРЫ ПРОЦЕССА И МАТЕРИАЛЫ
Тщательный контроль и документирование параметров процесса — еще одна область, которую нельзя упускать из виду.Производители медицинских и автомобильных компонентов знают об этом и соблюдают строгие процедуры, часто требуемые регулирующими органами, такими как FDA, которые приводят к высокой степени успеха при использовании ультразвуковой сварки.

К сожалению, переработчики других продуктов, таких как игрушки или одноразовые изделия, часто работают в соответствии с гораздо менее строгими требованиями и осуществляют гораздо более слабый контроль процесса. В подобных ситуациях операторы могут постоянно корректировать настройки в ответ на изменение деталей или условий производства.Хотя такой подход может привести к удовлетворительному производству, любые возникающие проблемы труднее диагностировать, особенно удаленно, когда параметры процесса часто меняются. Например, было ли последнее изменение параметра вызвано проблемой оборудования или изменением состава или качества детали?

Обычно, когда в таком приложении требуется помощь, инженер по ультразвуковой сварке, задав несколько основных вопросов, касающихся деталей (материал, конструкция соединения, требования к испытаниям и текущая настройка машины), может направить заказчика к правильному решению. .Этот подход особенно полезен, если устранение неисправностей может быть выполнено непосредственно на станке с использованием серийных деталей. Обзор процесса поиска и устранения неисправностей / настройки параметров показан на рис. 5.

Проблемы, связанные с материалами, часто являются источником несоответствий или проблем в производстве. Как отмечено в следующих примерах, даже незначительные отклонения в материалах могут иметь существенное влияние на качество сварки или производства:

• Замена полимеров . Поскольку цены колеблются, переработчики часто хотят переключаться между аналогичными полимерами по экономическим причинам.Однако перед внесением каких-либо изменений целесообразно проконсультироваться со специалистом по ультразвуковой сварке.

Одним из примеров распространенного, но потенциально проблемного изменения является переход от легко свариваемого аморфного материала, такого как АБС, к гораздо более сложному для сварки полукристаллическому полимеру, например полипропилену. Для успешной сварки ABS требуется меньшая мощность ультразвукового пакета (30–70 микрон при 20 кГц), чем для полипропилена (90–120 микрон). Если это изменение приводит к тому, что детали не обладают той прочностью, которая была раньше, или сварка занимает больше времени, или если сварные швы вызывают повреждение чувствительных поверхностей / компонентов сборки, проблема может заключаться в отсутствии выхода ультразвукового пакета.Требуется проверка компонентов пакета, в частности рупора и усилителя, чтобы определить, позволят ли усовершенствования любого компонента
приложению эффективно сваривать новый полимер и вернуть приложение к «нормальному» диапазону успеха.

• Высокое содержание доизмельчения . Повторно измельченные термопласты, хотя и могут плавиться и подвергаться многократному преобразованию, претерпевают некоторое ухудшение своих физических свойств с каждым последующим плавлением. Совокупный эффект слишком большого количества переточенного материала может привести к отказу деталей в соответствии со спецификациями.По этой причине Брэнсон рекомендует использовать не более 10% переточки в деталях, подлежащих ультразвуковой сварке. В конкретных приложениях, требующих соблюдения строгих критериев испытаний и приемки, производители должны тщательно рассмотреть возможность периодического анализа производственных материалов, чтобы постоянно проверять качество материалов, используемых для изготовления готовых деталей.

• Состав наполнителя . Часто наполнители необходимы для обеспечения прочности и долговечности деталей. Однако различные типы и процентное содержание наполнителей в деталях могут повлиять на успех процессов соединения пластмасс.Брэнсон рекомендует, чтобы содержание наполнителя не превышало 30%. Соединение деталей, содержащих более высокий процент наполнителя, особенно длинных волокон, иногда приводит к накоплению наполнителей в сварном шве, что может снизить прочность сварного шва.

Еще одна проблема — абразивные наполнители. Некоторые наполнители, которые придают дополнительную прочность или ударную вязкость, включая карбонат кальция, диоксид кремния и тальк, также могут быть абразивными для контактных поверхностей инструмента. Продолжительное воздействие абразивных деталей на поверхности инструмента может вызвать износ, который может привести к косметическому повреждению деталей и недостаточной передаче энергии на соединяемые детали.

Рекомендуется переход на титановые рожки с износостойкими поверхностями (например, карбид или нитрид титана). Для крепления рекомендуется сталь или закаленная нержавеющая сталь.

КОНФИГУРАЦИЯ ДЕТАЛЕЙ И УСТРАНЕНИЕ НЕИСПРАВНОСТЕЙ
Правильное решение всего остального — оборудования, материалов и процесса — не будет иметь большого значения, если детали, которые вы пытаетесь сварить, не будут правильно спроектированы. Но вместо того, чтобы пытаться здесь рассматривать все детали хорошей конструкции детали, давайте сосредоточимся на некоторых основных причинах неправильной конструкции детали:

• Отсутствие четко определенных целей проекта или приложения .Многие прикладные проекты испытывают трудности, когда есть «движущаяся цель» для тестирования и принятия. Например, потребуется ли приложению испытание на падение? Испытание под давлением? И если да, то при каких значениях? Эти значения необходимы для эффективного проектирования герметичного соединения. Как правило, критерии приемки требуют заблаговременного рассмотрения и принятия решения, чтобы проект продолжался гладко.

• Непонимание лучших типов соединений для конкретных приложений .Неоптимальные конструкции соединений часто возникают, когда главный проектировщик, который может иметь лишь ограниченное представление о процессах соединения пластмасс, продвигает проект вперед только для того, чтобы обнаружить, что было принято неправильное решение и что характеристики соединения и сварного шва детали не были должным образом считается.

Часто такие выводы делаются только после значительных инвестиций (завершение изготовления пресс-формы, изготовление деталей и первоначальные испытания сварных швов). Опять же, ключевые аспекты, связанные с деталями и сварными швами (контроль за оплавлением сварного шва и тип уплотнения — герметичный, структурный или и то, и другое) должны быть определены на ранней стадии проекта.Сотрудничество с инженером по ультразвуковой сварке на начальных этапах проекта может помочь определить ключевые критерии детали, лучше обучить проектировщиков и помочь минимизировать или, по крайней мере, выявить возможные риски.

• Износ пресс-формы, обычно вызываемый использованием абразивных полимеров или наполнителей, может со временем привести к деталям, которые существенно отличаются по размерам от ранее утвержденных деталей. В результате основные элементы соединения, такие как направляющие энергии или соединения с натягом на сдвиг, больше не соответствуют спецификациям.Профили деталей могут больше не подходить для набора инструментов. Результаты сварки могут становиться все более и более противоречивыми. К средствам устранения этой проблемы относятся переделка существующей формы или изготовление новой формы.

В конечном счете, проблемы с деталями, сваренными ультразвуком, могут возникать из многих источников. Вызов местного представителя оборудования для ультразвуковой сварки, как только возникнет подозрение на проблему, может дать рекомендации по диагностике и устранению неполадок, часто с помощью телефонных звонков или электронной почты, которые могут помочь вам выявить, минимизировать или решить потенциальные производственные проблемы.Чтобы уменьшить потребность в устранении неполадок, следуйте этим рекомендациям:

• Сотрудничайте на ранних этапах разработки проекта (или вносите изменения в конструкцию, если предполагаются существенные изменения материала, формы или функциональности) со специалистами по прикладной инженерии поставщика оборудования для ультразвуковой сварки.

• Всегда имейте запас запасных компонентов производственного качества, особенно для критически важных приложений, где перебои в производстве могут вызвать серьезные операционные или финансовые проблемы.Запасные производственные детали являются жизненно важным помощником в устранении проблем с соединением и, в случае нехватки поставок, могут поддерживать производство в рабочем состоянии с минимальным временем простоя.

• Воспользуйтесь возможностями обучения, которые позволят вам освоить технологию соединения пластмасс, которую вы используете. Брэнсон, например, предлагает семинары в различных корпоративных точках и на объектах клиентов, обеспечивая практическое обучение и техническую помощь, необходимую для того, чтобы ваш «чемпион» в ультразвуковом процессе был хорошо информирован о новейших технологиях и был готов обучать и обслуживать технологии по мере необходимости в вашем средство.Инженеры-конструкторы, инженеры по качеству, персонал по техническому обслуживанию оборудования и производственный / производственный персонал могут извлечь выгоду из времени, потраченного на учебные занятия.

---

ОБ АВТОРЕ : Дэвид Дальстранд — старший сын Эмерсона. региональный технический координатор / инженер по развитию текстиля для Branson Ultrasonics Corp., Данбери, штат Коннектикут. Он обладает знаниями в области приложений и разработкой инструментов для ультразвуковых, вибрационных, орбитальных, термических и лазерных технологий соединения, используемых при сборке жестких термопластов, синтетических тканей и фильмы.Обращаться: (770) 962-2111, доб.17; [email protected]; emerson.com.

Введение в ультразвуковую сварку пластмасс — Craftech Industries — High-Performance Plastics

Ультразвуковая сварка — это метод соединения двух частей, изготовленных из одинаковых или химически совместимых материалов, с использованием высокочастотных ультразвуковых колебаний, которые создают твердый шов между их. Преимущество использования этого метода с пластиками заключается в том, что в течение нескольких секунд образуется высокопрочное, газо- и водонепроницаемое соединение без винтов, клея, резьбы, припоя или любого другого типа связующего материала.Сваренные детали не нужно оставлять в зажимном приспособлении для отверждения, что позволяет сразу же использовать их в линии автоматизации. Ультразвуковая сварка пластмасс — это экологически чистый процесс, который потребляет очень мало энергии, обеспечивая при этом рентабельный, прочный и чистый сварной шов. Этот процесс используется в электротехнической, компьютерной, автомобильной, аэрокосмической, медицинской и упаковочной промышленности и многих других.

Ультразвуковой сварочный аппарат состоит из узла преобразователя, который называется пакетом. Он состоит из трех компонентов: сонотрода, усилителя и сварочного рупора. Сонотрод является источником вибрации. Внутри него находятся пьезоэлектрические керамические диски, зажатые вокруг металлических пластин, которые плотно прижаты к титановому цилиндру. Затем к нему по кабелю от системного силового модуля подается высокочастотное электричество. Поскольку это не создает достаточной вибрации для получения температуры расплава большинства термопластичных смол, используется усилитель для усиления входных колебаний до соотношения, необходимого для процесса сварки.Сварочный рожок передает энергию колебаний термопластическим заготовкам. Сварочный рожок спроектирован так, чтобы соответствовать контурам конкретных деталей. Он снижает вибрацию до определенного значения и прикладывает силы, необходимые для обеспечения работы процесса.

Этот процесс сварки зависит от размягчения, но не плавления используемых пластмасс, поэтому он лучше всего подходит для термопластов, а не для термореактивных полимеров. Большинство термопластов имеют аморфную структуру с некоторой степенью кристалличности, что означает, что некоторые области имеют упорядоченную структуру.Термопласты размягчаются в широком диапазоне температур и имеют температуру стеклования. Термореактивные полимеры являются кристаллическими и имеют отчетливую температуру плавления. Кристаллический полимер будет оставаться твердым, пока не достигнет точки плавления, а затем полностью расплавится. Аморфные термопласты также имеют более низкий удельный вес, более низкий предел прочности и модуль упругости, более высокую пластичность и ударную вязкость, а также более низкое сопротивление ползучести по сравнению с большинством кристаллических полимеров. Например, АБС, акрил, поликарбонат и ПВХ представляют собой аморфные полимеры с небольшой кристаллической структурой или без нее.Эти пластмассы хорошо подходят для ультразвуковой сварки. Ультразвуковая сварка двух деталей из одного пластика обычно дает лучший результат. Однако в некоторых случаях два разных термопласта можно сваривать с помощью ультразвука, например, когда материалы химически совместимы и имеют схожие точки плавления. Одно из лучших сочетаний пластмасс для этого вида сварки — АБС ​​и акрил.

Полимеры, такие как PE, PP, PE и PIA, являются кристаллическими и имеют тенденцию поглощать вибрации до того, как энергия от ультразвукового сварочного аппарата сможет пройти через место сварки.Поэтому соединить что-либо из них с помощью этого вида сварки затруднительно. Одной из наиболее часто используемых комбинаций является полиэтилен и полипропилен, но они оба являются кристаллическими и химически несовместимыми.

Звуковая сварка используется для изготовления бутановых зажигалок, игрушек, пипеток и внутривенных катетеров. Верхняя часть спортивной обуви часто изготавливается с помощью ультразвуковой сварки, а не сшивания или склеивания. Процесс производства бытовой техники требует соединения множества пластиковых деталей.Примеры этого процесса включают экран дисплея на передней панели стиральной машины и две половинки насосного колеса. В автомобильной промышленности звуковая сварка используется в сотнях случаев, включая сварку вместе частей задних фонарей, комбинации приборов и бамперов. Поступали сообщения о том, что Apple пытается использовать эту технику для изготовления своих наушников, успешно применив этот процесс на некоторых других своих продуктах. Это придаст наушникам более обтекаемый вид.

Ищете другие способы приклеивания различных пластмасс? Ознакомьтесь с нашим бесплатным руководством по приклеиванию пластмасс!

Ультразвуковая сварка пластмасс — Справочник по материалам

Процесс ультразвуковой сварки пластмасс достигается путем приложения металлического вибрирующего инструмента (рожка) под углом 90 ° к пластмассовым деталям канцелярских товаров, которые затем вибрируют. В сочетании с давлением трение вызывает нагревание и плавление деталей в месте контакта рупора. После охлаждения между двумя частями образуется прочный однородный шов.

Чтобы помочь вам с ультразвуковой сваркой пластмасс для вашего применения, в этом руководстве по ультразвуковой сварке перечислены наиболее распространенные ненаполненные классы пластика и их пригодность для каждого типа ультразвуковой сварки Как правило, более жесткие материалы легче сваривать а тем, у кого температура плавления выше, требуется больше энергии. Чтобы сваривать разные материалы, им нужны похожие молекулярные структуры — кристаллические свариваются только сами с собой.

Тип пластика, сокращение и структура A или C			Закрыть Сварка	Дальний Сварка	Вставка	Точечная Сварка	Ставка
Со-ацеталь / гомополимер	ПОМ	С	Хорошо	Ярмарка	Хорошо	Ярмарка	Ярмарка
Акрил	PMMA	А	Хорошо	Ярмарка	Хорошо	Хорошо	Ярмарка
Акрил — ударно-модифицированный	PMMA	А	Ярмарка	Плохо	Плохо	Ярмарка	Ярмарка
Акрилонитрилбутадиенстирол	АБС	А	Очень хорошо	Хорошо	Очень хорошо	Очень хорошо	Очень хорошо
Ацетат целлюлозы…	CA / B / P	А	Плохо	Неподходящий	Очень хорошо	Плохо	Хорошо
Полиамид 6 и 66 (нейлон)	PA6 и 66	С	Хорошо	Ярмарка	Хорошо	Ярмарка	Ярмарка
Поликарбонат	ПК	А	Хорошо	Ярмарка	Хорошо	Хорошо	Ярмарка
Поликарбонат / Abs	ПК / ABS	А	Хорошо	Ярмарка	Хорошо	Хорошо	Хорошо
Полиэстер — термопласт	ПБТ / ПЭТ	С	Хорошо	Ярмарка	Хорошо	Ярмарка	Ярмарка
Полиэтилен — низкая / высокая плотность	LD / HDPE	С	Плохо	Плохо	Хорошо	Хорошо	Ярмарка
Оксид полифенилена	ППО	А	Очень хорошо	Хорошо	Очень хорошо	Очень хорошо	Очень хорошо
Полифениленсульфид	ППС	С	Хорошо	Ярмарка	Хорошо	Ярмарка	Плохо
Полипропилен	PP	С	Удовлетворительно	Плохо	Хорошо	Очень хорошо	Очень хорошо
Полистирол — общего назначения	GPPS	А	Очень хорошо	Очень хорошо	Хорошо	Ярмарка	Ярмарка
Полистирол — ударопрочный	БЕДРА	А	Хорошо	Плохо	Хорошо	Ярмарка	Ярмарка
Поливинилхлорид — гибкий	ПВХ	А	Плохо	Неподходящий	Неподходящий	Плохо	Неподходящий
Стиролакрилонитрил…	SAN / ASA	А	Очень хорошо	Очень хорошо	Хорошо	Ярмарка	Ярмарка

A (аморфный) = полимеры со структурой неупорядоченной молекулярной цепи. Это и их широкий диапазон температур размягчения позволяет им постепенно размягчаться без быстрого затвердевания, что упрощает ультразвуковую сварку.

C (кристаллический) = полимеры с упорядоченной структурой молекулярной цепочки.Это, а также их острые точки плавления и затвердевания заставляют их поглощать вибрации в твердом состоянии, что затрудняет их ультразвуковую сварку.

Сварка в закрытом состоянии = ультразвуковая сварка, при которой прикладывается рупор близко к (<6,35 мм) монтажному стыку - подходит для сварки материалов, низкий модуль жесткости которых гасит вибрации на небольшом расстоянии от рупора.

Дистанционная сварка = ультразвуковая сварка, при которой рупор применяется на расстоянии от (> 6.35 мм) монтажный шов — хорошо подходит для сварки материалов с высоким модулем упругости, которые распространяют колебания, не демпфируя их.

Вставка = ультразвуковая заливка металлических компонентов, таких как вставки, в предварительно сформированные отверстия в отливке — обеспечивает высокую прочность и скорость, отсутствие нарастания напряжения и сокращение циклов формования.

Точечная сварка = ультразвуковая сборка деталей без предварительно проделанных отверстий или направляющих энергии — подходит для крупных деталей

Штамповка = плавление и преобразование стойки на формовке для механической фиксации разнородных материалов на месте — обеспечивает короткие циклы, хороший внешний вид и плотные сборки

Чтобы получить дополнительную информацию о пластмассах, просмотрите наши схемы ультразвуковой сварки или руководства по выбору материалов.

Ультразвуковая сварка и сварка пластмасс — Midwest Engineered Systems

Midwest Engineered Systems может автоматизировать процессы сварки пластмасс в любой ситуации.От небольших автономных систем до крупных роботизированных интегрированных процессов — MWES индивидуально проектирует каждую систему для сварки пластмасс в соответствии с вашими конкретными технологическими потребностями. Опираясь на обширные знания, опыт и сертификаты, наши опытные профессионалы могут предоставить специализированные услуги, независимо от того, нужна ли вам пластиковая деталь, изготовленная на заказ, или ремонт на месте вашей текущей системы сварки пластмасс. Автоматизированные системы для сварки пластмасс предлагаются в различных диапазонах возможностей в зависимости от ваших потребностей в сварке пластмасс, независимо от того, просты ли детали или имеют сложную геометрию.

MWES имеет опыт интеграции, включая сварку маятниковой сваркой и скоростную сварку.

Ультразвуковая сварка

Сварка ультразвуком — это процесс соединения термопластов или металлов с использованием тепла, создаваемого механическими воздействиями с высокой частотой. Вырабатывается высокочастотная электрическая энергия, которая преобразуется в это высокочастотное механическое движение. Приложенная сила используется в сочетании с механическим движением для создания теплового трения на сопрягаемых поверхностях или на стыках металлов или термопластов.Это тепловое трение заставляет детали плавиться вместе, образуя молекулярную связь, которая усиливается, когда материалы снова остывают. В случае металлов тепловое трение повышает температуру металлических поверхностей примерно до одной трети от их точки плавления. Вместо того, чтобы плавить металлы, тепловое трение удаляет пленки и оксиды металлов с металлических поверхностей, позволяя атомам металла перемещаться между поверхностями и сплавлять металлы вместе.

Преимущества ультразвуковой сварки заключаются в том, что она снижает производственные затраты, создает очень эффективное соединение с высококачественным уплотнением, не требующим присадки, и имеет более быстрое время сварки, чем большинство других традиционных сварочных процедур.

Сварка пластмасс

Сварка пластмасс — это тип сварки, при котором происходит сплавление двух совместимых друг с другом термопластов. Сварка пластмасс в принципе работает так же, как и сварка металлов. Процесс включает в себя доведение двух пластмассовых областей или поверхностей до точки плавления, а затем приложение силы для объединения пластмассы. Процесс сварки можно дополнить пластиковым присадочным стержнем, аналогичным свариваемым пластмассам.

Преимущества сварки пластмасс включают их универсальность и долговечность.Сварочные работы для пластмасс могут привести к созданию небольших сложных деталей или к созданию довольно больших пластиковых резервуаров, предназначенных для хранения химикатов. По сравнению со сваркой металлов сварные пластмассы имеют более низкие производственные затраты, более устойчивы к коррозии и их легче транспортировать.

Сварка маятникового типа

Маятниковая сварка

— лучший выбор для коротких сварных швов, а также, когда сопрягаемые поверхности находятся в труднодоступных местах. Этот метод получил свое название от маятникового движения, которое используется для равномерного нагрева сварочного стержня и основного пластического материала.Одним из преимуществ маятниковой сварки является то, что оператор может контролировать поток материала во время процесса сварки, что приводит к более точному сварному шву.

Хорошая маятниковая сварка требует трех элементов; надлежащая температура, постоянная скорость сварки и равномерно распределенное давление на сварочный стержень. Все эти элементы вместе приводят к образованию пены на краях сварного шва, что означает, что сварной шов имеет хорошее проплавление и прочность. У сварного шва должно быть время остыть, прежде чем будут выполнены какие-либо обрезки или очистка, чтобы сварной шов полностью раскрыл свой потенциал прочности.

Скоростная сварка

Speed ​​Welding наиболее эффективно используется при сварке больших участков. Он получил свое название от того факта, что это, как правило, более быстрый процесс по сравнению с методом маятника. Процесс скоростной сварки наиболее подходит для соединения пластмасс в узких углах. Скоростная сварка похожа на паяльник по внешнему виду и мощности, с той лишь разницей, что для скоростной сварки используется подающая трубка для пластикового сварочного прутка.

Особенности материалов при ультразвуковой сварке »Декорирование пластмасс

Том Киркланд,

дань уважения.бизнес

Несколько лет назад в панику позвонил владелец бизнеса и попросил помощи, чтобы выяснить, почему его ультразвуковая сварка перестала работать. Я несколько раз разговаривал с ним по телефону, но никогда не видел его операции. На той неделе я посвятил полдня поиску и устранению неисправностей.

Придя на его завод, я осмотрел его запчасти. Они казались подходящими, и это было то приложение, которое должно было работать — сборка электроники с двумя черными пластиковыми корпусами, соединенными по средней линии, чтобы произвести нечто, очень похожее на большой шприц.

Я задал ему первый вопрос, который вы изучаете в инженерной школе о решении проблем: «Если это сработало на прошлой неделе и не сработало на этой неделе, что изменилось?»

Он ответил, что ничего не изменилось, но, кстати, его формовщик использовал новый, менее дорогой материал. Старый материал: АБС. Новый материал: полипропилен с 30-процентным тальком.

Ну вот и ответ.

Однако владелец бизнеса настаивал на том, чтобы новый материал работал… потому что его формовщик сказал ему об этом… поэтому я настроил сварщика на сварку примерно на 15 секунд и увеличил усилие зажима.

«Это не повредит вашу машину или инструменты, — сказал я, — но, если есть возможность сварки с новым материалом, нужно хотя бы немного закрепить».

Я нажал на кнопки, и примерно через восемь или девять секунд из-под гудка повалил дым. Когда рог убирался, верхняя часть прилипала к нему, капая немного расплавленного материала на электронику и другую оболочку, которые все еще находились в приспособлении. Энергетический директор был слегка сбит, но нигде не было заметных прихватываний.

«О, нет», — сказал владелец так, словно я только что пролил горчицу на обивку его нового «Кадиллака». Я заверил его, что это не повредило сварщику или инструменту, и объяснил, что ему просто нужно вернуться к другому материалу. Однако решение оказалось не таким простым.

«Я только что получил десять тысяч комплектов, — сказал он, — и на их получение ушел месяц».

Мораль истории? Знай свои материалы.

Пластмассовые материалы 101

Два основных семейства пластмасс — это термореактивные пластмассы и термопласты.Термореактивным материалам придают форму и обжигают в форме для образования сшивки, при которой ответвления соседних молекул полимера срастаются, образуя то, что по сути является одной гигантской молекулой. Применение другого цикла нагрева не вызовет потока, и, если температура станет достаточно высокой, материал просто сгорит, не растекаясь. По этой причине сварка термореактивных материалов невозможна.

Молекулы термопласта сохраняют независимость и не сшиваются при нагревании; скорее они начинают течь.Последующие циклы нагрева / охлаждения при соответствующих температурах производят циклы оттаивания / замораживания. Молекула термопласта — это длинноцепочечная молекула, которую можно рассматривать как макаронную лапшу или волосы.

Иллюстрация 1. Аморфный.

Аморфные термопласты (Иллюстрация 1) имеют случайную молекулярную структуру, независимо от того, воспринимаем ли мы их как жидкие или твердые. Поскольку они не имеют особой структуры, в неокрашенном состоянии они обычно прозрачны и прозрачны, хотя многие из них имеют янтарный или коричневый оттенок.Поскольку они не имеют определенной молекулярной структуры, они размягчаются в широком диапазоне температур.

Полукристаллические термопласты (Иллюстрация 2) имеют зоны кристаллической структуры, встроенные в общую аморфную структуру. Молекулы

Иллюстрация 2. Полукристаллический.

обладают сродством к образованию кристаллов, но поскольку молекулы очень длинные, только части каждой молекулы могут присоединяться к конкретному кристаллу. Полностью кристаллический материал, такой как лед, имеет очень четкую температуру плавления, выше которой материал может существовать только в жидкой форме.Ниже этой температуры происходит образование кристаллов, и вся структура «фиксируется» в определенной форме.

С образованием или растворением кристаллических структур связано значительное количество энергии, называемое энергией фазового перехода или теплотой кристаллизации, которая проявляется как более или менее постоянное повышение температуры при приложении постоянной мощности, но при температуре расплава. затем температура выходит на плато, пока не будет поглощено достаточно тепла, чтобы высвободить молекулы из кристаллических структур, затем продолжится постоянный рост температуры.То же самое происходит в обратном порядке: охлаждающая часть имеет тенденцию оставаться при температуре плавления в течение некоторого времени, пока не теряет энергию, необходимую для образования кристаллов. Поскольку кристаллические структуры в полукристаллических термопластах рассеивают свет, в неокрашенном состоянии эти материалы кажутся молочными, полупрозрачными или даже непрозрачными. Если часть, сделанную из неокрашенного полукристаллического термопласта, прижать к горячему инструменту, плавящаяся область будет казаться чистой — указание на то, что кристаллы распались, — и полученный расплавленный материал будет иметь ожидаемое аморфное состояние.

Процесс ультразвуковой сварки

Ультразвуковая энергия создает тепло в деталях из термопласта за счет межмолекулярного трения; приходящие волны сжатия заставляют молекулы пластика труться друг о друга и выделять тепло. Способность пластика преобразовывать механическую энергию в тепло выражается его модулем потерь.

Иллюстрация 3. Энергетический директор.

Сварка сборки из аморфного термопласта требует своего рода направителя энергии (Иллюстрация 3), акустического слабого места, которое концентрирует все относительное движение между деталью, вибрирующей рупором (сонотрод), и деталью, неподвижно удерживаемой приспособлением.При применении ультразвука достаточной амплитуды направитель энергии начнет плавиться, выходя из него, чтобы обеспечить расплавленный материал для создания сварного шва. Контакт с холодным воздухом не представляет особой проблемы, так как время довольно короткое и было создано достаточно тепла для обеспечения потока.

Когда энергетический директор полностью схлопывается и сустав закрывается, ультразвук выключается, и сустав затвердевает.

Сборка, сделанная из полукристаллического термопласта, может быть изготовлена ​​с направляющим устройством энергии, но поскольку расплавленный материал, который начинает вытекать из наконечника направляющего устройства энергии, немедленно удаляется из источника тепла, он обычно затвердевает до того, как соединение имеет шанс закрыть.По этой причине практически невозможно из полукристаллического материала получить сварной шов шире, чем основание энергетического директора.

Иллюстрация 4. Соединение со сдвигом.

Сдвиговое соединение (Иллюстрация 4) было создано для решения этой проблемы. Создавая телескопическую зону из расплавленного материала, гораздо больше материала может быть вовлечено в соединение и защищено от воздействия воздуха, и даже соединения могут быть спроектированы прочнее номинальной стенки сборки.

Амплитуда — это расстояние от пика до пика, пройденное за один цикл акустической волны сжатия.Амплитуда должна передаваться от рожка через одну из частей к суставу. Аморфные материалы имеют тенденцию передавать звуковые волны относительно эффективно, и, учитывая относительную простоту их соединения, амплитуда не должна быть особенно высокой на рупоре. Это позволяет получить довольно сложную геометрию, относительно большие детали и, при необходимости, более надежную «герметизацию» стыков.

Полукристаллические термопласты, напротив, обычно гораздо хуже передают звук, потому что кристаллические структуры имеют тенденцию рассеивать и отклонять прямолинейную передачу, а материалы часто более «мертвые» акустически, чем аморфные термопласты.Часто это можно продемонстрировать, постучав деталями по твердой поверхности. Детали, изготовленные из аморфных материалов, часто будут практически звенеть как колокол по сравнению с часто глухим стуком детали, изготовленной из полукристаллического материала. По этим причинам амплитуда на рупоре обычно должна быть достаточно высокой, что ограничивает конструкцию рупора, что, в свою очередь, ограничивает размер и геометрию детали и может затруднить герметичное уплотнение.

Поликарбонат, будучи аморфным термопластом, часто обрабатывается ультразвуковым сварочным аппаратом так, как если бы он был полукристаллическим.Это связано с тем, что теплопроводность и температура плавления поликарбоната относительно высоки. В поликарбонате сварка с направлением энергии по существу представляет собой гонку между разрушением направляющей энергии с усилием зажима и большой амплитудой и плавлением / плавлением пластика. Детали из поликарбоната также могут быть подвержены растрескиванию либо у сварщика, либо на более позднем этапе эксплуатации сборки, если имеется значительное напряжение при формовании. Тщательный учет размещения и размера шибера, расположения вентиляционного отверстия, температуры пресс-формы, скорости заполнения и давления упаковки особенно важен для геометрии детали, успеха сварки и долговечности детали.

Красители, добавки, наполнители, усилители и усилители

Каждый цвет, добавляемый к термопластическому материалу, представляет собой химическое вещество, которое может по-своему влиять на сварку. Цвет обычно вводится в процесс производства деталей в виде концентрата, в котором используется смола-носитель с очень высоким индексом плавления (низкая вязкость в расплавленном состоянии) с парафинами и другими смазочными материалами, помогающими равномерно распределить порошок или жидкий цвет. Поскольку основной характеристикой цветного концентрата является его цвет, его химический состав иногда может варьироваться в достаточной степени, чтобы вызвать изменения в результатах сварки.По крайней мере, если соединяемые детали бывают разных цветов, может потребоваться корректировка процесса сварки для каждого цвета.

Наполнители заменяют свариваемую смолу минеральными или другими несвариваемыми веществами. Иногда их добавляют для увеличения жесткости и стабильности размеров, и в той степени, в которой они это делают, обычно улучшают свариваемость. В других случаях они просто предназначены для замены дорогостоящего полимера менее дорогим материалом. В любом случае при концентрациях от 20 до 25 процентов они могут отрицательно повлиять на процесс сварки.

Армирующие элементы, такие как стекловолокно или углеродное волокно, действуют как арматурный стержень в бетоне, улучшая прочность на разрыв и стабильность размеров готовой детали. Опять же, в той мере, в какой они это делают, они улучшают процесс сварки. Как и в случае наполнителей, арматура вытесняет связываемый полимер, и, поскольку они обычно лежат параллельно литьевой стали, они лежат параллельно линии соединения и не имеют тенденции пересекать плоскость соединения. Таким образом, армированный материал, в два раза более прочный по прочности на разрыв, чем базовая смола, может иметь потенциал прочности соединения только на 75-80 процентов от прочности базовой смолы или от 35 до 40 процентов от прочности армированного материала.

Иллюстрация 5. Провязать линии.

Наполнители и армирующие элементы обычно приводят к тому, что трикотажные линии (Рисунок 5) в частях становятся значительно слабее, чем окружающий материал. В то время как трикотажные линии иногда могут вызывать проблемы в ненаполненных или неармированных деталях, проблемы гораздо более вероятны с заполненными или армированными деталями. Вибрации, вызванные ультразвуковой сваркой, иногда могут найти слабые линии сшивки и разорвать их. В некоторых случаях необходимо удалить линии вязания, удалив стержни из полостей формы и просверлив отверстия в качестве второстепенной операции.

Внутренние смазочные материалы, такие как воски или стеараты («смазанная» смола), могут облегчить течение в форме и обеспечить высвобождение чистых деталей, но смазочные материалы будут замедлять выработку тепла трения при ультразвуковой сварке. Смазка также имеет тенденцию собираться на поверхности детали, где она принесет наибольшую пользу при формовании, но наибольший вред при сварке. В некоторых случаях это можно компенсировать настройками сварщика.

По той же причине нежелательно наносить смазку для пресс-формы напылением.Любая распыляемая смазка обязательно должна быть окрашена / покрыта металлическим покрытием, а смазки на основе силикона часто полностью препятствуют сварке. Загрязненные таким образом детали часто можно сделать пригодными для сварки, если их очистить разбавленной спиртовой смесью. Применение аэрозольной смазки для пресс-формы по определению является прерывистым и вызывает различные условия сварки на каждой детали и, следовательно, разные результаты сварки. Лучше всего полностью избегать распыления смазки для пресс-формы.

Огнезащитный состав детали также может действовать как внутренняя смазка и затруднять сварку.

Прочие соображения

Некоторые материалы, особенно полиамиды (нейлон) и — в меньшей степени — поликарбонат, гигроскопичны, то есть они будут поглощать воду из воздуха. Поскольку вода превращается в пар при 100 ° C со значительной энергией фазового перехода, а полиамид и поликарбонат плавятся при гораздо более высоких температурах, вода, задержанная в детали соединения, будет поглощать всю тепловую энергию, создаваемую до тех пор, пока не превратится в пар, что часто приводит к вытеснению детали соединения. по амплитуде и усилию зажима, которые никогда не становились достаточно горячими для плавления и сварки.Если соединение действительно станет достаточно горячим, чтобы вода превратилась в пар, то внутри соединения произойдет небольшой взрыв, поскольку пар занимает значительно больший объем, чем вода (что является принципом, по которому работает паровоз). Такие швы могут казаться пенистыми и хрупкими, им обычно не хватает прочности и «герметичности». Обычно деталь, достаточно сухая для формования, является достаточно сухой для сварки, поэтому в средах с умеренной и высокой влажностью детали следует сразу же сваривать, пока они еще теплые, или упаковывать в теплые мешки с влагопоглотителем и не распаковывать их до тех пор, пока они не будут готовы к погрузке. сварщик.

Вопрос о том, насколько хорошо ультразвуковая сварка справляется с измельчением, действительно зависит от двух факторов: во-первых, насколько велико технологическое окно для этого конкретного продукта? Добавление измельчения в смесь сделает процесс более сложным, что не является хорошим направлением, если процесс уже является суетливым. Если окно большое, то качественную переточку можно даже не заметить. В автомобильной аккумуляторной промышленности новые аккумуляторные корпуса изготавливаются из 100-процентного измельченного материала, полученного при переработке автомобильных аккумуляторов.Соединения слишком сконструированы для ультразвуковой сварки (и другой сварки пластмасс) с большими окнами, и все работает нормально. Материал также тщательно проверяется, и в него добавляются средства, улучшающие свойства, чтобы убедиться, что детали и узлы будут очень хорошо изготовлены, поскольку негерметичный автомобильный аккумулятор — это действительно очень плохо.

Реальная проблема не в том, сколько переточки может выдержать процесс, а в качестве переточки. Повторное измельчение из систем литников может быть просто замечательно, если они не испытывают чрезмерного нагрева при сдвиге или повреждений из-за чрезмерного давления уплотнения.Поврежденный материал имеет тенденцию содержать много разорванных молекул, что выражается в низкой средней молекулярной массе, которая имеет тенденцию к увеличению индекса расплава (что делает материал более жидким) и снижает предел прочности на разрыв и ударную вязкость. Но, возможно, самая большая проблема с измельчением — это термическое повреждение материала, которое превращает некоторые молекулы из связанного полимера в обугленный наполнитель. Большая осторожность в процессе измельчения и постоянный мониторинг индекса текучести расплава реальных деталей, вероятно, предотвратит множество проблем, связанных с изменчивостью, которую может внести повторное измельчение.

Существует множество комбинаций разнородных материалов, которые можно сваривать ультразвуком. Для успешной сварки материалы должны иметь химическое сродство друг к другу. Представьте себе очень низкотемпературную операцию, включающую попытку приварить ультразвуком кусок замороженного моторного масла к глыбе льда — это было бы само определение невыполнимой задачи. Обычно к одному и тому же материалу можно сваривать только полукристаллические материалы. Некоторые аморфные материалы обладают химическим сродством более чем к одному другому материалу, но таких не так много.Кроме того, два материала должны иметь одинаковые индексы плавления и аналогичные температуры плавления. Лучшее правило — проконсультироваться со специалистом, а затем тщательно поэкспериментировать, прежде чем выбирать продукт, для которого требуется ультразвуковая сварка разнородных материалов.

Заключение

Знание факторов материала, которые могут повлиять на ультразвуковую сварку, позволяет делать выбор материала с учетом ожидаемых, а не обнаруженных воздействий на процесс. К сожалению, история в начале этой статьи повторялась много раз и во многих местах.Обсуждение этих вопросов может сделать процесс ультразвуковой сварки привередливым и чувствительным, и, если не приложить усилия для расширения окна процесса, это действительно может быть. Однако при грамотном применении процесс ультразвуковой сварки может быть надежным и стабильным как в больших, так и в малых объемах в самых разных отраслях и сферах применения. Чтобы сделать этот процесс успешным, просто необходимо понимать основные входные данные, а также правильно выбирать дизайн и материалы.

Том Киркланд — владелец tributek.biz, поставщик преобразователей, ускорителей, запчастей и расходных материалов для аппаратов ультразвуковой сварки. Он консультант, тренер и автор многих статей и статей по сборке пластмасс. Для получения дополнительной информации пишите на [email protected].

Что такое ультразвуковая сварка и подходит ли она мне? — RevPart

Что такое ультразвуковая сварка и подходит ли она мне?

Изучая способы соединения пластиковых деталей, вы почти наверняка остановитесь на процессе, который попадает в одну из следующих категорий: механический, клеящий или сварочный.Механические процессы, такие как защелкивание, винты или заклепки, отлично подходят, если продукт необходимо разобрать в течение его срока службы или если продукт будет использоваться в небольших объемах. Клеи, такие как клей, образуют более прочную связь и превосходно склеивают два разнородных материала. Процессы сварки пластмасс носят постоянный характер, не требуют расходных материалов и используют сочетание тепла и давления для соединения деталей друг с другом. При оценке методов производства не следует упускать из виду один конкретный метод сварки: ультразвуковую сварку.

Что такое ультразвуковая сварка?

Проще говоря, ультразвуковая сварка использует высокочастотные колебания для нагрева и соединения двух частей, которые соприкасаются под давлением. Эти высокочастотные колебания в большинстве случаев превышают пределы человеческого слуха. Диапазон человеческого слуха составляет от 20 Гц до 20 кГц, в то время как ультразвуковые частоты, используемые в этих сварочных аппаратах, обычно находятся в диапазоне от 15 кГц до 75 кГц. Этот метод был запатентован в 60-х годах и впервые использовался в индустрии игрушек.С тех пор технология продолжает развиваться и используется в таких отраслях, как медицина, электроника, упаковка и автомобилестроение. Ультразвуковая сварка может использоваться как для пластмасс, так и для металлов, но в этой статье основное внимание будет уделено сварке пластмасс. Чтобы лучше понять ультразвуковую сварку, давайте рассмотрим компоненты сварочного аппарата.

Блок питания . Каждый аппарат ультразвуковой сварки начинается с источника питания. Источник питания иногда называют частотным генератором, потому что он потребляет стандартную электрическую мощность (обычно 115 В) при 60 Гц и преобразует ее в рабочую частоту примерно 20 кГц или 20000 циклов в секунду.Другие обычно доступные выходные частоты находятся в диапазоне 15-70 кГц. Этот высокочастотный ток затем передается по специальному кабелю в ультразвуковой пакет.

Ультразвуковой блок. Стек — это не что-то одно, а скорее комбинация трех основных компонентов: преобразователя, усилителя и сварочного рупора. В аппарате для сварки пластмасс ультразвуковой пакет выровнен вертикально и расположен над свариваемыми деталями в опорной колонне.

Конвертер. Преобразователь представляет собой пьезоэлектрический преобразователь, на который подается высокочастотный ток от источника питания и который выдает механические колебания с той же частотой. Преобразователь работает за счет пьезоэлектрического эффекта — вспомните кварцевые часы. Таким образом, пьезоэлектрический эффект возникает, когда механическая деформация (изменение формы из-за давления) происходит в материале-кандидате, который, в свою очередь, генерирует электрический заряд. Пьезоэлектрический эффект работает и в обратном направлении. Если к материалу приложить электрическое поле, он изменит форму.Пьезоэлектрические преобразователи, используемые в ультразвуковых преобразователях, состоят из множества пьезоэлектрических керамических дисков, покрытых с обеих сторон металлическими пластинами. Все они хранятся под давлением в титановом цилиндре. Источник питания передает на это устройство высокочастотный ток, который генерирует быстро меняющиеся электрические поля. Эти быстро меняющиеся электрические поля вызывают быстрое изменение формы пьезоэлектрического материала, что приводит к высокочастотным колебаниям. Титановый цилиндр помогает передать эту вибрацию усилителю.

Бустер. Усилитель — это реактивный компонент преобразователя, который помогает усилить или ослабить вибрацию. Колебания, исходящие от преобразователя, имеют приблизительную амплитуду (от нуля до пика) 8 микрометров (диаметр эритроцита). Эта амплитуда должна часто изменяться для успешной передачи необходимой энергии сварному соединению. Усилитель
увеличивает или уменьшает амплитуду вибрации в определенном соотношении. Это соотношение определяется геометрией и распределением массы ускорителя, каждый из которых специально разработан для достижения этого отношения.Например, бустеры с большей массой около рупора уменьшают выходную амплитуду. Типичные коэффициенты усиления составляют 1: 0,6 (уменьшение амплитуды) и 1: 2,0 (двойная амплитуда) и обычно изготавливаются из титана или алюминия. Отношение также может быть выражено как «усиление», где усиление равно выходной амплитуде, деленной на входную амплитуду. Бустер — не единственный компонент стека, который может изменять амплитуду акустических волн.

Рупор или сонотрод. Рупор иногда чаще называют сонотродом за пределами США.Рупор принимает колебания от усилителя и дополнительно усиливает или ослабляет амплитуду акустических волн. Рупор также отвечает за приложение этих вибраций к свариваемым деталям при прямом контакте. В аппарате для сварки пластмасс рупор и усилитель вибрируют в осевом направлении с рабочей частотой, задаваемой источником питания. Рупор контактирует с верхней пластиковой деталью и передает эти колебания перпендикулярно поверхности детали. Металлические рожки сварщика, напротив, лежат горизонтально, а вибрации прикладываются параллельно поверхности деталей.Уникальная конструкция рупора позволяет его концам постоянно двигаться в противоположных направлениях, в то время как центр рупора остается на месте. Умножив выходную амплитуду преобразователя на коэффициент усиления усилителя и на коэффициент усиления рупора, вы можете найти эффективную выходную амплитуду стека, приложенную к детали. Титан является предпочтительным материалом для изготовления рожков из-за его механических свойств, таких как высокая усталостная прочность и твердость, но также существуют экономичные рожки из алюминия и стали для правильного применения.Существует множество форм рожков, каждая из которых имеет собственное уникальное применение, и для особых случаев можно изготавливать рожки по индивидуальному заказу. Круглый рупор, например, полезен, когда детали должны быть приварены по окружности. Прежде чем рог сможет воздействовать на заготовку вибрацией, его необходимо сначала опустить на место.

Привод. Привод отвечает за опускание пакета на свариваемые детали. Он также должен прикладывать силу, соответствующую желаемому приложению.Приводы для ультразвуковой сварки обычно имеют пневматический или электрический привод и обеспечивают сварочное усилие в диапазоне 50-750 фунтов. Приводы, используемые в аппаратах для ультразвуковой сварки металлов, могут приводиться в действие гидравликой и воспринимать больше силы. Точное усилие будет определяться в зависимости от конструкции свариваемых деталей.

Гнездо или наковальня. Обычно свариваются две части — верхняя половина и нижняя половина. Нижняя половина находится в приспособлении, называемом гнездом. Гнездо будет направлять вибрации на поверхность раздела между двумя частями.Когда приспособление, удерживающее нижнюю часть, более плоское, его можно назвать наковальней. При сварке длинных швов некоторые машины имеют подвижную опору, которая перемещает деталь, удерживая сварщика на месте.

Процесс ультразвуковой сварки. Теперь, когда вы знаете основные компоненты ультразвукового сварочного аппарата, пришло время понять, как работает типичный цикл сварки:
Первый шаг — загрузить детали в гнездо вручную или автоматически — автоматизация используется в больших объемах.Затем органы управления сварочного аппарата будут работать в одном из четырех режимов:

Сварка по времени. Weld-by-time — запускает последовательность сварки в течение заданного времени. В течение многих лет это был стандартный способ сварки. Недостатком этого процесса является то, что это система с разомкнутым контуром (без обратной связи). С появлением строгих требований к качеству в таких отраслях, как медицина, метод сварки по времени не всегда может обеспечить требуемый уровень стабильности. Если одна часть немного отличается от другой, то обратная связь не учитывается.Это приводит к различиям в качестве сварного шва и общих характеристиках деталей. По мере того, как новые датчики и усовершенствованные элементы управления становятся более доступными, были разработаны лучшие режимы сварки.

Общая энергия. Одна из теорий успешной сварки состоит в том, что для данной детали необходимо приложить определенное количество энергии к границе раздела деталей для получения удовлетворительного сварного шва. В режиме общей энергии измеряется мощность, потребляемая сварщиком, и регулируется продолжительность процесса сварки для достижения желаемой подводимой энергии (мощность x время = энергия).Этот метод, хотя и хорош в теории, трудно предсказать фактическую энергию, приложенную к сварному шву, из-за потерь в машине (например, потери энергии в приспособлении).

Расстояние сворачивания (относительное). С помощью линейного энкодера система управления может измерять расстояние, на которое рог погружает верхнюю часть в нижнюю во время сварки. Измерение начинается, когда рупор впервые соприкасается с верхней частью (когда привод опускается), и заканчивается после достижения заранее установленного расстояния. Это заданное расстояние — это расстояние схлопывания — величина, на которую плавится граница раздела между двумя частями.Этот метод является предпочтительным во многих ситуациях, поскольку вы можете точно контролировать глубину сварного шва.

Абсолютное расстояние. Когда габаритные размеры свариваемой детали имеют решающее значение, предпочтительным методом является «абсолютное расстояние». Используя датчик линейных перемещений, сварщик будет продолжать цикл сварки до тех пор, пока не будет достигнут определенный общий размер детали (обычно общая высота). Методы полной энергии, расстояния коллапса и абсолютного расстояния включают петли обратной связи, что делает их замкнутыми системами.

После выбора режима управления исполнительный механизм нажимает на стопку. Рупор в конечном итоге соприкасается с верхней частью, и к нему прилагается нагрузка. Между тем, источник питания подает ток на преобразователь, который выводит высокочастотную вибрацию через усилитель и рупор. Рупор подает эту ультразвуковую волну на свариваемые детали. Одна из частей обычно имеет на интерфейсе распределитель энергии. Направитель энергии представляет собой небольшой формованный выступ высотой чуть менее 1 миллиметра со сторонами под углом 60-90 градусов.Из-за вибраций и трения направитель энергии расплавится и создаст молекулярную связь с поверхностью другой части. Время сварки обычно занимает менее секунды, после чего сварной шов быстро охлаждается из-за того, что температуры плавления остаются локализованными на границе раздела деталей. Времени лечения тоже нет. После этого привод полностью втягивается, и детали можно снимать вручную или автоматически.

Лучшие методы проектирования.

Оценивая ультразвуковую сварку как метод изготовления, важно помнить, что одни пластмассы свариваются лучше, чем другие.

• Благодаря своему химическому составу и тонкости термопластические пленки и ткани легко свариваются ультразвуковыми методами.

• Аморфные термопласты (такие как АБС) также являются идеальными кандидатами.

• Полукристаллические термопласты (например, нейлон) труднее, но их можно сделать.

• С другой стороны, термопластические эластомеры — очень плохие кандидаты для ультразвуковой сварки и, как правило, не рекомендуются.
Различные материалы имеют разные диапазоны амплитуд, необходимые для эффективной сварки.Большинство поставщиков аппаратов для ультразвуковой сварки могут предоставить эталонные настройки для различных материалов. Сваривать два разных пластика можно, если их настройки не слишком различаются.
Размер деталей также является важным фактором. Ультразвуковая сварка лучше всего подходит для мелких деталей. Насколько большой слишком большой? Вот несколько практических правил:

• Чем сложнее материал, тем меньше может быть его максимальный размер. Нейлон (сложный) может быть только около 3,5 дюймов, а ABS (легкий) — около 10 дюймов.

• Более низкие частоты (15 кГц) требуют инструментов большего размера (10 дюймов).Для более высоких частот (40 кГц) требуются инструменты меньшего размера (2,5 дюйма).
Геометрия детали влияет на возможность получения чистых сварных швов. Ультразвуковая сварка хорошо работает с тонкостенными деталями, длинными стенками без опоры и внутренними сварными швами. Сложная геометрия и глубокие контуры плохо подходят для ультразвуковой сварки.
При разработке интерфейса между частями важно добавить директор по энергии. Направитель энергии работает, чтобы сконцентрировать энергию рожка для начала быстрого плавления. Обычно это треугольный профиль, расположенный в центре стены по всей длине стены.Рекомендуется размещать энергетический директор на части, касающейся рупора. Хорошей отправной точкой является угол 60-90 градусов с высотой, равной 1/8 толщины стены. Практическое правило для требуемой силы привода составляет 1 фунт-сила на каждый линейный миллиметр директора энергии. В конструкции деталей должны быть предусмотрены элементы, помогающие их выровнять. Эти предложения являются лишь отправной точкой и должны быть оценены инженером по применению. Проверенный набор эмпирических данных вместе с установленными процедурами сварки — ключ к успеху проекта.

Преимущества

Ультразвуковая сварка дает много преимуществ по сравнению с альтернативными методами:

• Высокопрочные сварные швы

• Нет расходных материалов — нет крепежа или клея

• Быстро — нет времени отверждения или высыхания. Сварка менее чем за секунду.

• Легко автоматизированный

• Чистый и точный

• Вентиляция не требуется

• Может вызывать вибрацию загрязнений из упаковочных пломб

• Обеспечивает герметичные уплотнения с защитой от несанкционированного доступа

• Низкое энергопотребление — работает короткими импульсами

• Отлично подходит для летучих или термочувствительных продуктов.