Parametre procesu zvárania ultrazvukom
Hlavné parametre procesu ultrazvukového zvárania sú: amplitúda, čas zvárania, čas udržovacieho tlaku, zvárací tlak, frekvencia atď. Najlepšie zváracie parametre závisia od zváraných častí a použitého zváracieho zariadenia. Úprava parametrov zvárania závisí od veľkosti a tuhosti dielu, najmä od vzdialenosti medzi kontaktným bodom zváracej hlavy a zvarovým spojom. Zváracia schopnosť je obmedzená schopnosťou plastu prenášať ultrazvukové vibrácie (a časti nie sú poškodené).
1. Frekvencia
Bežne používané frekvencie pre ultrazvuk sú 20, 30 a 40 kHz a pre polokryštalické plasty 15 kHz. 20 kHz je najbežnejšie používanou ultrazvukovou frekvenciou, pretože je ľahké získať amplitúdu a výkon potrebný na roztavenie termoplastov pri tejto frekvencii, ale môže generovať mnoho mechanických vibrácií, ktoré sa ťažko ovládajú, a nástroj sa stáva veľmi veľkým. Je možná vyššia frekvencia (40 kHz), ktorá produkuje menšie vibrácie, a zvyčajne sa používa na zváranie technických plastov a vystužených polymérov. Medzi výhody vysokofrekvenčného zváracieho zariadenia patria: nízky hluk, malá veľkosť súčiastok, zvýšená ochrana súčiastok (vďaka zníženému cyklickému namáhaniu a neselektívnemu zahrievaniu vonkajšej oblasti spojovacieho rozhrania), vylepšené riadenie mechanickej energie, znížený zvárací tlak , a Rýchlosť spracovania je rýchlejšia. Nevýhodou je, že je ťažké vykonať zváranie vo vzdialenom poli kvôli malým rozmerom dielov, zníženej výkonovej kapacite a zníženej amplitúde. Vysokofrekvenčné ultrazvukové zváracie stroje sa zvyčajne používajú na zváranie malých presných častí (napríklad elektrických spínačov) a častí, ktoré si vyžadujú menšiu degradáciu materiálu. Zvárač s frekvenciou 15 kHz dokáže rýchlo zvárať väčšinu termoplastov a vo väčšine prípadov nie je degradácia materiálu taká dobrá ako pri zvárači s frekvenciou 20 kHz. Súčasti, ktoré sa ťažko zvárajú pri 20 kHz (najmä diely vyrobené z vysoko výkonnej gumárenskej a plastovej technológie a vybavenia), je možné zvárať s účinnosťou 15 kHz. Pri nižších frekvenciách je rezonančná dĺžka zváracej hlavy dlhšia a dá sa zväčšiť vo všetkých veľkostiach. Ďalšou dôležitou výhodou použitia 15 kHz je, že v porovnaní s použitím vyšších frekvencií môže výrazne znížiť útlm ultrazvukových vĺn v plastoch, takže je možné zvárať mäkšie plasty a dosiahnuť väčšiu vzdialenosť vzdialeného poľa.
2. Rámy
Úspešnosť zvárania závisí od správnej amplitúdy konca zváracej hlavy. Pre všetky kombinácie klaksónu / zváracej hlavy je amplitúda pevná. Zvoľte amplitúdu podľa materiálu, ktorý sa má zvárať, aby ste dosiahli vhodný stupeň tavenia. Všeobecne povedané, polokryštalické plasty vyžadujú viac energie ako nekryštalické plasty, a preto vyžadujú väčšiu amplitúdu hrotu. Riadenie procesu na moderných ultrazvukových zváracích strojoch umožňuje triedenie. Vysoká amplitúda sa používa na začatie topenia a nízka amplitúda sa používa na riadenie viskozity roztaveného materiálu. Toto zvýšenie zlepší kvalitu zvárania konštrukčných častí strihového spoja. U tupých spojov sa so zvyšujúcou sa amplitúdou zlepšuje kvalita zvárania a čas zvárania sa skracuje. Pri použití vodiacej tyče energie na ultrazvukové zváranie závisí priemerná miera tepelných strát (Qavg) od modulu straty kompozitu (Eʺ), frekvencie (ω) a pôsobiaceho napätia (ε0) materiálu: Qavg=ωε02Eʺ / 2
Zložený stratový modul termoplastov úzko súvisí s teplotou. Keď sa dosiahne teplota topenia alebo teplota skleného prechodu, modul straty sa zvýši a viac energie sa prevedie na teplo. Po začiatku zahrievania teplota zváracieho rozhrania prudko stúpa (až k 1 000 ° C / s). Aplikované napätie je úmerné amplitúde zváraného spoja, takže zahrievanie zváraného rozhrania je možné riadiť zmenou amplitúdy. Amplitúda je dôležitým parametrom na riadenie toku termoplastickej extrúzie. Keď je amplitúda veľká, rýchlosť ohrevu zváracieho rozhrania sa zvyšuje, teplota stúpa a tok roztaveného materiálu sa zrýchľuje, čo vedie k zvýšeniu molekulárnej orientácie, zvýšeniu záblesku a zníženiu zváracej sily. Pre začiatok topenia je nevyhnutná veľká amplitúda. Príliš nízka amplitúda spôsobí nerovnomerné topenie a predčasné tuhnutie taveniny. Keď sa amplitúda zvýši, termoplastický materiál bude spotrebovávať viac energie vibrácií a časti, ktoré sa majú zvárať, budú viac namáhané. Keď amplitúda zostáva konštantná počas celého zváracieho cyklu, zvyčajne sa používa najvyššia amplitúda, ktorá nespôsobí nadmerné poškodenie zváraných častí. V prípade kryštalických plastov, ako sú polyetylén a polypropylén, je vplyv amplitúdy oveľa väčší ako v prípade amorfných plastov, ako sú ABS a polystyrén. Môže to byť preto, že tavenie a zváranie kryštalického plastu vyžaduje viac energie. Amplitúda sa dá nastaviť mechanicky (zmenou klaksónu alebo zváracej hlavy) alebo elektricky (zmenou napätia dodávaného do meniča). V skutočnosti sa na väčšie úpravy používajú mechanické metódy, zatiaľ čo na jemné úpravy sa používajú elektrické. Materiály s vysokou teplotou topenia, zváranie na ďalekom poli a semikryštalické plasty všeobecne vyžadujú väčšiu amplitúdu ako amorfné plasty a zváranie na blízku vzdialenosť. Typický celkový rozsah amplitúdy amorfných plastov je 30 - 100 μm, zatiaľ čo typický celkový rozsah amplitúdy kryštalických plastov je 60 - 125 μm. Rozdelením amplitúdy možno dosiahnuť dobrý tok taveniny a konštantne vysokú. Amplitúdový profil môže dosiahnuť dobrý tok taveniny a konzistentne vysokú pevnosť zvárania. Pre kombinovanú úroveň amplitúdy a sily použite väčšiu amplitúdu a silu na začatie topenia, potom znížte amplitúdu a silu, aby ste znížili molekulárnu orientáciu pozdĺž zvarovej čiary.
3. Čas zvárania
Doba zvárania je doba, kedy sa pôsobia vibrácie. Pokuste sa určiť vhodný čas zvárania pre každú aplikáciu. Predĺženie času zvárania zvýši zváraciu silu, kým sa nedosiahne optimálny čas. Ďalšie zvýšenie doby zvárania bude mať za následok zníženie pevnosti zvárania alebo len mierne zvýšenie pevnosti, pričom sa súčasne zvýši ostrie zvárania a zvýši sa možnosť čiastočného vtlačenia. Vyvarovanie sa nadmernému zváraniu je dôležité, pretože vytvára nadmerný záblesk, ktorý je potrebné orezávať, čo môže znížiť kvalitu zvaru a spôsobiť netesnosť častí, ktoré je potrebné utesniť. Zváracia hlava môže poškriabať povrch. Pri dlhších časoch zvárania sa môže roztavenie a zlomenie vyskytnúť aj v častiach ďaleko od oblasti spoja, najmä v otvoroch, zvaroch a ostrých rohoch tvarovaných dielov.
4. Čas držania
Čas výdrže sa týka nominálneho času pre diely, ktoré sa majú po zváraní spojiť a spevniť bez vibračného tlaku. Vo väčšine prípadov tento parameter nie je kritickým parametrom. Pokiaľ nie je možné vnútornú záťaž ľahko rozobrať zváranou časťou (napríklad špirálovou pružinou stlačenou pred zváraním), stačí obyčajne 0,3 ~ 0,5 s.
5. Tlak
Zvárací tlak poskytuje statickú silu potrebnú na spojenie medzi zváracou hlavou a dielom, takže na diel sa môžu prenášať vibrácie. V štádiu udržania tlaku zváracieho cyklu, keď roztavený materiál v spoji stuhne, môže rovnaké statické zaťaženie zabezpečiť integrálne spojenie častí. Stanovenie optimálneho tlaku je pre dobré zváranie nevyhnutné. Ak je tlak príliš nízky, spôsobí to zlý alebo nedostatočný tok taveniny pri prenose energie, čo bude mať za následok zbytočné dlhé zváracie cykly. Zvýšenie zváracieho tlaku zníži čas zvárania potrebný na dosiahnutie rovnakého posunu. Ak je tlak príliš vysoký, spôsobí to molekulárnu orientáciu v smere toku a zníži sa zváracia sila, čo môže spôsobiť prehĺbenie dielu. V extrémnych prípadoch, ak je tlak príliš vysoký na konci zváracej hlavy, môže dôjsť k preťaženiu zváracej hlavy a zastaveniu. Pri ultrazvukovom zváraní vyžaduje veľká amplitúda nízky tlak a nízka amplitúda vysoký tlak. Pri zvyšovaní amplitúdy sa prípustný rozsah tlaku zužuje. Preto je pre vysokú amplitúdu najdôležitejšie nájsť najlepší tlak. Väčšina ultrazvukového zvárania sa vykonáva za stáleho tlaku alebo konštantnej sily. U niektorých zariadení môžete zmeniť silu počas cyklu, to znamená vykonať analýzu silového profilu a znížiť zváraciu silu počas pôsobenia ultrazvukovej energie na súčasť. Znížený zvárací tlak alebo sila na konci zváracieho cyklu zníži množstvo materiálu vytlačeného zo spoja, predĺži čas difúzie medzi molekulami, zníži molekulárnu orientáciu a zvýši zváraciu pevnosť. U materiálov s nižšou viskozitou taveniny, ako je polyamid, sa tým môže výrazne zvýšiť pevnosť zvaru.
6. Metóda zvárania
Časové zváranie sa nazýva proces otvorenej slučky. Predtým, ako zváracia hlava spadne a dotknete sa, sú diely, ktoré sa majú zvárať, namontovať do upínacieho prípravku. Potom bude na časť pôsobiť ultrazvuk po stanovenú dobu, zvyčajne 0,2 až 1 s. Zváranie sa počas tohto procesu nepodarilo úspešne vykonať. Za predpokladu, že fixný čas zvárania spôsobí, že na kĺb bude pôsobiť pevné množstvo energie a výsledkom bude kontrolovateľné množstvo tavenia, je úspešné zváranie ideálnou situáciou. V skutočnosti výkon absorbovaný udržiavaním amplitúdy z jedného cyklu na druhý nie je rovnaký. Je to spôsobené viacerými faktormi (napríklad prispôsobením medzi dvoma časťami). Pretože energia sa mení s výkonom a časom a čas je fixný, aplikovaná energia sa mení z jednej časti na druhú. Pre hromadnú výrobu, kde je dôležitá konzistencia, je to zjavne nežiaduce. Energetické zváranie je proces s uzavretou slučkou s riadením spätnou väzbou. Softvér ultrazvukového stroja meria absorbovaný výkon a upravuje čas spracovania tak, aby dodával potrebný vstup energie do kĺbov. Predpokladom tohto procesu je, že ak je energia spotrebovaná každým zváraním rovnaká, množstvo roztaveného materiálu pri každom pripojení je rovnaké. Skutočná situácia je však taká, že v zváracej súprave dochádza k stratám energie, najmä na rozhraní medzi zváracou hlavou a časťou. Výsledkom je, že niektoré časti môžu prijímať viac energie ako ostatné, čo môže spôsobovať nekonzistentnú pevnosť zvárania. Zváranie na diaľku umožňuje spájanie dielov v konkrétnej hĺbke zvárania. Tento režim činnosti nezávisí od času, absorbovanej energie alebo energie a môže kompenzovať akékoľvek rozmerové odchýlky vo výlisku, čím sa najlepšie zabezpečí, aby sa v spoji natavilo vždy rovnaké množstvo plastu. Na kontrolu kvality je možné stanoviť limit energie alebo času použitého na vytvorenie zvaru.
