Spawanie ultradźwiękowe
Spawanie ultradźwiękowe wykorzystuje ultradźwiękowe wibracje akustyczne o wysokiej częstotliwości, które są przykładane do połączonych części, które są montowane razem pod niskim ciśnieniem. Ta metoda spawania jest najczęściej stosowana do łączenia tworzyw termoplastycznych i gdy skręcanie, lutowanie lub klejenie nie jest odpowiednie.
Chociaż spawanie ultradźwiękowe zostało opracowane już w latach czterdziestych XX wieku, po raz pierwszy zastosowano je w przemyśle na początku lat sześćdziesiątych do spawania cienkich drutów w przemyśle elektronicznym. W 1963 roku do łączenia polietylenu zaczęto stosować zgrzewanie ultradźwiękowe. Od tego czasu zgrzewanie ultradźwiękowe jest stosowane do spawania aluminium i cienkich blach w przemyśle motoryzacyjnym (moduły zapłonowe, końcówki przewodów, przewody).
Powolny proces rozpoznawania zalet spawania ultradźwiękowego w przemyśle wynika z braku wydajnego sprzętu ultradźwiękowego, który może zagwarantować stałą jakość spawania nawet w przypadku dużych części.W rezultacie badania w latach 80. i 90. koncentrowały się głównie na rozwoju aparatury ultrasonograficznej.
Chociaż zgrzewanie ultradźwiękowe wykorzystuje wibracje, metoda ta różni się od „zgrzewania wibracyjnego”, znanego również jako zgrzewanie tarciowe. W przypadku zgrzewania wibracyjnego jedna z łączonych części jest utrzymywana w miejscu, a druga wprawia w ruch oscylacyjny (za pomocą napędu elektromagnetycznego lub hydraulicznego).
Zgrzewanie ultradźwiękowe utrzymuje obie części na miejscu i wykorzystuje fale dźwiękowe o wysokiej częstotliwości do tworzenia tarcia. Energia akustyczna wytwarza tarcie i wytwarza ciepło, które powoduje spawanie części w mniej niż sekundę, co czyni zgrzewanie ultradźwiękowe jednym z najszybszych obecnie stosowanych.
Proces zgrzewania ultradźwiękowego jest w pełni zautomatyzowany i odbywa się na specjalnych instalacjach. Zasada zgrzewania ultradźwiękowego pokazano na ryc. 1, a skład typowej instalacji pokazano na ryc. 2.
Ryż. 1. Zasada zgrzewania ultradźwiękowego: a — wyrównanie części, b — styk części z końcówką, c — przyłożenie nacisku, d — zgrzewanie, e — trzymanie, f — podnoszenie końcówki
Ryż. 2. Schemat montażu do zgrzewania sonicznego
Generator (w oddzielnej jednostce) służy do przetwarzania drgań elektrycznych z sieci na drgania o wysokiej częstotliwości (20 ... 60 kHz), przetwornik za pomocą elementów piezoelektrycznych przetwarza drgania elektryczne na akustyczne. Wzmacniacz i sonotroda to pasywne elementy rezonansowe instalacji, które służą do przenoszenia drgań z przetwornika na części.
Zazwyczaj zgrzewarki ultradźwiękowe są wyposażone w zestaw wzmacniaczy o różnych przełożeniach transformacji.Kształt sonotrody zależy od wymaganej konfiguracji spoiny. Wzdłużne promieniowe, krawędziowe i inne oscylacje falowe powstają w zależności od kształtu sonotrody. Każdy szew wymaga własnej sonotrody.
Fizyczna istota procesu polega na pojawianiu się na styku dwóch części bardzo silnych drgań o małej amplitudzie. Wibracje połączone z ciśnieniem usuwają zanieczyszczenia i tlenki z powierzchni części. Elektrony zaczynają przepływać między częściami, tworząc szew metalurgiczny.
Zgrzewanie ultradźwiękowe idealnie nadaje się do wykonywania połączeń elektrycznych, spawania aluminium i miedzi, uszczelniania końców rur miedzianych, zgrzewania tworzyw sztucznych, zatapiania części metalowych w tworzywach sztucznych.
Ryż. 3. Połączenia wykonane metodą zgrzewania ultradźwiękowego
Zgrzewanie ultradźwiękowe tworzyw sztucznych pozwala na uzyskanie bardziej niezawodnych połączeń niż inne metody. W tym przypadku zgrzewanie ultradźwiękowe tworzyw sztucznych zasadniczo różni się od spawania metali.
Po pierwsze, ultradźwiękowe spawanie metali odbywa się za pomocą poprzecznych drgań równoległych do spawanych powierzchni. Zgrzewanie ultradźwiękowe tworzyw sztucznych wykorzystuje drgania wzdłużne, które są normalne (tj. prostopadłe) do zgrzewanych powierzchni. Zupełnie inny jest też kształt sonotrod, które przekazują drgania ultradźwiękowe na szwy metalowe i plastikowe.
Po drugie, podczas spawania metali powstaje szew w wyniku wzajemnego oddziaływania tarciowego powierzchni, co tworzy sztywne połączenie bez topienia materiału.Zgrzewanie ultradźwiękowe elementów z tworzyw sztucznych polega na topieniu materiału w taki sam sposób, jak wiele innych tradycyjnych metod spawania, takich jak spawanie łukowe, oporowe czy laserowe), ale w znacznie niższych zakresach temperatur.
Ryż. 4. Sprzęt do zgrzewania ultradźwiękowego
Zalety zgrzewania ultradźwiękowego:
1. Nie wymaga specjalnego czyszczenia powierzchni.
2. Nie jest wymagana atmosfera ochronna.
3. Nie są wymagane żadne materiały spawalnicze (drut, elektrody, lutowie itp.).
4. Niskie zużycie energii.
5. Krótki czas splatania do utworzenia złącza (około ćwierć sekundy).
6. Pełna automatyzacja procesu spawania oraz możliwość łatwej integracji z innymi procesami produkcyjnymi.
7. Możliwość spawania materiałów o różnym charakterze, w tym wrażliwych na wysokie temperatury, ponieważ podczas spawania powstaje niewielka ilość ciepła.
8. Spawanie wszelkiego rodzaju detali.
9. Spoiny utworzone w tym procesie są przyjemne wizualnie, schludne.
10. Spawanie ultradźwiękowe nie wykorzystuje żrących chemikaliów i wytwarza niewielką ilość oparów, w przeciwieństwie do innych metod.
Ograniczenia zgrzewania ultradźwiękowego:
1. Najpoważniejszym ograniczeniem w stosowaniu zgrzewania ultradźwiękowego jest rozmiar spawanych części — nie więcej niż 250 mm. Wynika to z ograniczeń mocy wyjściowej przetwornika, niezdolności sonotrody do transmisji fal ultradźwiękowych o bardzo dużej mocy oraz trudności w kontrolowaniu amplitudy.
2. Zgrzewanie ultradźwiękowe wymaga również niższej zawartości wilgoci w łączonych materiałach.W przeciwnym razie preferowane jest spawanie wibracyjne.
3. Zgrzewanie ultradźwiękowe nie jest skuteczne w przypadku łączenia materiałów grubościennych. Przynajmniej jedna z części, które mają być połączone, musi być lekka, ponieważ „pochłania” ogromną ilość energii.