Параметри процесу ультразвукового зварювання
Основними параметрами процесу ультразвукового зварювання є: амплітуда, час зварювання, час витримування тиску, тиск зварювання, частота тощо. Найкращі технічні характеристики зварювання залежать від зварюваних деталей та зварювального обладнання. Регулювання параметрів зварювання залежить від розміру та жорсткості деталі, особливо відстані між точкою контакту зварювальної головки та зварювального з'єднання. Зварювальна здатність обмежена здатністю пластику передавати ультразвукові коливання (і деталі не пошкоджуються).
1.Частота
Часто використовувані частоти для ультразвуку складають 20, 30 і 40 кГц, а для напівкристалічних пластмас - 15 кГц. 20 кГц є найбільш часто використовуваною ультразвуковою частотою, оскільки легко отримати амплітуду та потужність, необхідні для плавлення термопластів на цій частоті, але це може генерувати багато механічних вібрацій, які важко контролювати, і інструмент стає дуже великим. Вища частота (40 кГц), яка виробляє менше вібрацій, є можливою і зазвичай використовується для зварювання інженерних пластмас та армованих полімерів. До переваг високочастотного зварювального обладнання відносяться: низький рівень шуму, невеликий розмір деталі, посилений захист деталі (завдяки зменшенню циклічного напруження та неселективному нагріванню зовнішньої зони стику з'єднання), покращений контроль механічної енергії, знижений зварювальний тиск , і швидкість обробки швидше. Недоліком є те, що важко виконувати зварювання в далекому полі через малий розмір деталей, зменшену потужність та зменшену амплітуду. Високочастотні ультразвукові зварювальні апарати зазвичай використовуються для зварювання дрібних точних деталей (таких як електричні вимикачі) та деталей, які потребують меншої деградації матеріалу. Зварювальник на 15 кГц може швидко зварювати більшість термопластів, і в більшості випадків деградація матеріалу не така хороша, як зварювач на 20 кГц. Частини, які важко зварювати на частоті 20 кГц (особливо деталі, виготовлені з високоефективних гумово-пластикових технологій та обладнання), можна зварювати з ефективністю 15 кГц. На нижчих частотах резонансна довжина зварювальної головки довша, і її можна збільшити на всі розміри. Ще однією важливою перевагою використання 15 кГц є те, що у порівнянні з використанням більш високих частот це може значно зменшити ослаблення ультразвукових хвиль у пластмасах, завдяки чому можна зварювати більш м’які пластмаси та досягати більшої відстані в далекому полі.
2.Рамки
Успіх зварювання залежить від належної амплітуди кінця зварювальної головки. Для всіх комбінацій ріг / зварювальна головка амплітуда фіксована. Виберіть амплітуду відповідно до матеріалу, що зварюється, щоб отримати відповідну ступінь плавлення. Взагалі кажучи, напівкристалічна пластмаса вимагає більше енергії, ніж некристалічна пластмаса, і тому вимагає більшої амплітуди наконечника. Контроль процесу на сучасних ультразвукових зварювальних апаратах дозволяє проводити класифікацію. Висока амплітуда використовується для початку плавлення, а мала амплітуда використовується для контролю в'язкості розплавленого матеріалу. Збільшення покращить якість зварювання деталей конструкції зсувного з’єднання. Для стикових з'єднань із збільшенням амплітуди якість зварювання покращується, а час зварювання зменшується. При використанні енергетичного направляючого стрижня для ультразвукового зварювання середня швидкість втрат тепла (Qavg) залежить від модуля втрати композиту (E "), частоти (ω) та діючої деформації (ε0) матеріалу: Qavg=ωε02E" / 2
Композиційний модуль втрат термопластів тісно пов’язаний з температурою. Коли температура плавлення або температура склування досягається, модуль втрат збільшується, і більше енергії перетворюється на тепло. Після початку нагрівання температура зварювальної поверхні різко підвищується (до 1000 ° C / с). Застосовувана деформація пропорційна амплітуді зварного з'єднання, тому нагріванням зварного з'єднання можна керувати, змінюючи амплітуду. Амплітуда є важливим параметром для контролю витрати термопластичної екструзії. Коли амплітуда велика, швидкість нагрівання зварювальної поверхні стає вищою, температура підвищується, а потік розплавленого матеріалу прискорюється, що призводить до збільшення молекулярної орієнтації, збільшення спалаху та зменшення міцності зварювання. Для початку плавлення необхідна велика амплітуда. Занадто низька амплітуда призведе до нерівномірного плавлення та передчасного затвердіння розплаву. Коли амплітуда збільшується, термопластичний матеріал буде споживати більше енергії вібрації, а деталі, що зварюються, зазнаватимуть більших напружень. Коли амплітуда залишається незмінною протягом зварювального циклу, зазвичай використовується найвища амплітуда, яка не призведе до надмірного пошкодження зварних деталей. Для кристалічних пластмас, таких як поліетилен та поліпропілен, вплив амплітуди набагато більший, ніж вплив аморфних пластмас, таких як АБС та полістирол. Це може бути тому, що плавлення та зварювання кристалічного пластику вимагає більше енергії. Амплітуду можна регулювати механічно (зміною гудка або зварювальної головки) або електричним способом (зміною напруги, що подається на датчик). Насправді механічні методи використовуються для більших регулювань, тоді як електричні - для тонких регулювань. Матеріали з високою температурою плавлення, зварювання в далеких полях та напівкристалічні пластмаси, як правило, вимагають більшої амплітуди, ніж аморфні пластмаси та приполеве зварювання. Типовий загальний діапазон амплітуд аморфних пластмас становить 30-100 мкм, тоді як типовий діапазон загальних амплітуд кристалічних пластмас становить 60-125 мкм. Розподіл амплітуди може забезпечити хороший потік розплаву та стабільний високий. Амплітудний профіль може забезпечити хороший потік розплаву та стабільну високу міцність зварювання. Для комбінованого рівня амплітуди та сили використовуйте більшу амплітуду та силу, щоб розпочати плавлення, а потім зменшіть амплітуду та силу, щоб зменшити орієнтацію молекул вздовж лінії зварювання.
3. час зварювання
Час зварювання - це час, коли застосовується вібрація. Експериментуйте, щоб визначити відповідний час зварювання для кожного застосування. Збільшення часу зварювання збільшить міцність зварювання до досягнення оптимального часу. Подальше збільшення часу зварювання призведе до зменшення міцності зварювання або лише незначного збільшення міцності, в той же час збільшить зварювальні задирки і збільшить можливість поглиблення деталей. Уникати надмірного зварювання важливо, оскільки воно створює надмірне спалахування, яке потрібно обрізати, що може знизити якість зварного шва і спричинити витік деталей, які потрібно герметизувати. Зварювальна головка може подряпати поверхню. Для більш тривалого часу зварювання плавлення і руйнування можуть також відбуватися в частинах, далеких від місця стику, особливо в отворах, зварних швах та гострих кутах формованих деталей.
4.Час проведення
Час витримки відноситься до номінального часу для деталей, що зливаються та тверднуть без тиску вібрації після зварювання. У більшості випадків цей параметр не є критичним параметром. Якщо внутрішнє навантаження не легко розібрати зварену деталь (наприклад, гвинтову пружину, стиснуту перед зварюванням), зазвичай достатньо 0,3 ~ 0,5 с.
5.Тиск
Тиск зварювання забезпечує статичну силу, необхідну для зчеплення зварювальної головки з деталлю, тому вібрація може передаватися деталі. На стадії витримування тиску зварювального циклу, коли розплавлений матеріал у місці з'єднання застигає, однакове статичне навантаження може забезпечити цілісне з'єднання деталей. Визначення оптимального тиску має важливе значення для хорошого зварювання. Якщо тиск занадто низький, це призведе до поганого або недостатнього потоку розплаву при передачі енергії, що призведе до непотрібних тривалих циклів зварювання. Збільшення зварювального тиску зменшить час зварювання, необхідний для досягнення однакового переміщення. Якщо тиск занадто високий, це призведе до молекулярної орієнтації вздовж напрямку потоку і зменшить міцність зварювання, що може спричинити поглиблення деталі. У крайніх випадках, якщо тиск занадто високий відносно кінця зварювальної головки, це може перевантажити зварювальну головку і зупинитися. При ультразвуковому зварюванні висока амплітуда вимагає низького тиску, а низька амплітуда вимагає високого тиску. Зі збільшенням амплітуди допустимий діапазон тиску звужується. Тому найголовніше для великої амплітуди - це знайти найкращий тиск. Більшість ультразвукових зварювань виконують під постійним тиском або постійною силою. Для деякого обладнання ви можете змінити силу під час циклу, тобто виконати аналіз профілю сили та зменшити силу зварювання під час прикладання ультразвукової енергії до деталі. Знижений зварювальний тиск або сила в кінці зварювального циклу зменшить кількість матеріалу, що видавлюється із з'єднання, продовжить час дифузії між молекулами, зменшить молекулярну орієнтацію та збільшить зварювальну міцність. Для матеріалів з нижчою в'язкістю розплаву, подібною до поліаміду, це може значно збільшити міцність зварного шва.
6. Метод зварювання
Зварювання в часі називається процесом із відкритим циклом. Перш ніж зварювальна головка опуститься і торкнеться, деталі, що зварюються, збираються в кріплення. Потім ультразвук діятиме на деталь протягом певного періоду часу, зазвичай від 0,2 до 1 с. Під час цього процесу зварювання не було успішно виконано. Якщо припустити, що фіксований час зварювання змушує фіксовану кількість енергії діяти на з'єднання і приводити до контрольованої кількості плавлення, вдале зварювання є ідеальною ситуацією. Насправді потужність, що поглинається підтримкою амплітуди від одного циклу до наступного, неоднакова. Це пов’язано з безліччю факторів (наприклад, відповідність між двома частинами). Оскільки енергія змінюється залежно від потужності та часу, а час фіксований, застосовувана енергія змінюється від однієї частини до іншої. Для масового виробництва, де важлива послідовність, це явно небажано. Енергетичне зварювання - це процес із замкнутим циклом із контролем зворотного зв'язку. Ультразвукове програмне забезпечення машини вимірює поглинену потужність і регулює час обробки, щоб доставити необхідну енергію на суглоби. Припущення цього процесу полягає в тому, що якщо енергія, що споживається кожним зварюванням, однакова, кількість розплавленого матеріалу в кожному з'єднанні однакова. Однак фактична ситуація полягає в тому, що в зварювальному наборі є втрати енергії, особливо на межі розділу зварювальної головки та деталі. Як результат, деякі деталі можуть отримувати більше енергії, ніж інші, що може спричинити нестійку зварювальну міцність. Зварювання на відстані дозволяє з’єднувати деталі на певній глибині зварювання. Цей режим роботи не залежить від часу, поглиненої енергії або потужності, і може компенсувати будь-які відхилення розмірів у литій деталі, забезпечуючи тим самим найкраще, щоб щоразу однакова кількість пластику плавилася у з'єднанні. Для контролю якості можна встановити обмеження на енергію або час, що використовується для формування зварного шва.
