Yleiset ultraäänihitsausongelmat ja -ratkaisut
Ultraäänihitsauksen perusperiaatteena on muuntaa korkeataajuuksinen sähköenergia korkeataajuiseksi värähtelymekaaniseksi energiaksi. Tämä mäntävärähtely välittyy lämpömuoviin tai metalliin, ja kitkaa ja lämpöä syntyy muovin ja muovin, muovin ja metallin tai metallin ja metallin rajapinnassa.
Ultraäänihitsaukseen kitka tuottaa lämpöä kahden materiaalipinnan sulattamiseen yhteen. Ultraääniniitojassa hitsauspää ohjaa sulan muovin virtausta, muodostaen ja puristaen osia. Ultraäänimutterin asennuksessa hitsauspää ajaa metallimutterin muoviin.
Ultraäänihitsausjärjestelmässä on erilaisia kokoonpanovaihtoehtoja, kuten erilaisia taajuuksia (15Khz-50Khz), erilaisia voimia (600W-4800W) ja erilaisia muotoja, kuten pneumaattisia ultraäänihitsauskoneita, servo ultraäänihitsauskoneita, kädessä pitetetyjä hitsauskoneita, epästandardihitsauskoneita, metallisia ultraäänihitsauskoneita ja niin edelleen.
Ultraäänihitsauksen onnistumiseen vaikuttavat monet tekijät: muotti (mukaan lukien ylempi hitsauspää ja alapohjamuotti), taajuus, materiaali, hitsaussuunnittelu, hitsausparametrit ja osien ruiskuvalu. Tässä artikkelissa esittelemme 5 päätekijää.
1. Hitsausjärjestelmän taajuus
Tyypillisen ultraäänihitsausjärjestelmän taajuus on 15Khz, 20Khz, 30Khz, 35Khz ja 40Khz. On tarpeen valita sopiva hitsaustaajuus tuotteen koon, sisäisten komponenttityyppien, lujuuden ja ulkonäön vaatimusten mukaan. Yleensä voit viitata seuraaviin periaatteisiin:
Käytä pienissä ja tarkkoissa elektronisissa tuotteissa (mukaan lukien piirilevyt ja mikroetronikomponentit) korkeataajuista 40Khz-hitsauskonetta. 40Khz-hitsauskoneessa on pienempi amplitudi ja minimihitsauspaine, mikä voi välttää tuotteen sisäisten elektronisten komponenttien vaurioitumisen.
Pienille tuotteille, jotka vaativat A-luokan pinnan ulkonäköä. Se hitsataan 40Khz-hitsauskoneella, joka voi parantaa ulkonäköä pienen amplitudi ja paineen vuoksi.
Käytä keskikokoisten ja suurten osien hitsaukseen matalataajuisia 15Khz- tai 20Khz-hitsauskoneita.
Pehmeämmissä materiaaleissa, kuten PP: ssä, ja ohutseinäisiin tuotteisiin, joiden jäykkyys on heikko, hitsaukseen käytetään 15Khz-hitsauskonetta, jolla on matala taajuus ja suuri amplitudi.
Kaukohitsaukseen eli hitsauspää on kaukana hitsaussaumasta, esimerkiksi kun se on yli 12 mm, hitsaukseen käytetään matalataajuista ja suurta amplitudia käyttelevää 15Khz-hitsauskonetta.
20Khz-hitsauskone soveltuu hitsaukseen useimpiin pieniin tai keskisuuriin tuotteisiin, ja se on myös yleisimmin käytetty ultraäänitaajuus.
2. Materiaali
Muovien ultraäänihitsaukseen se soveltuu vain termoplastiikan hitsaukseen. Koska ne voivat sulaa tietyllä lämpötila-alueella. Kuumentuvat muovit hajoavat kuumennettaessa, eikä niitä voi hitsata ultraäänellä.
Termoplastiikan hitsattavuus riippuu materiaalin jäykkyydestä tai elastisesta modulusta, tiheydestä, kitkakertoimesta, lämmönjohtavuudesta, erityisestä lämpökapasiteetista, lasin siirtymälämpötilasta Tg tai sulamislämpötilasta Tm.
Yleisesti ottaen jäykät muovit osoittavat erinomaista kaukokenttähitsaustehoa, koska niiden on helpompi välittää tärinäenergiaa. Pehmeitä muoveja, joissa on matala elastinen modulus, on kuitenkin vaikea hitsata, koska ne vaimentavat ultraäänivärähtelyä. Ultraääniniitto tai pistehitsaus on päinvastainen. Mitä pehmeämpi muovi on, sitä helpompi se on niittaamiseen tai pistehitsaukseen.
Yleensä muovit voidaan jakaa kahteen tyyppiin: ei-kiteinen (amorfinen) ja kiteinen. Ultraäänienergia välittyy helposti amorfisina materiaaleina, joten amorfiset muovit on helppo ultraäänihitsata. Ultraäänienergiaa ei ole helppo siirtää kiteisiin materiaaleihin, joten kiteisiä muoveja hitsatessa tarvitaan enemmän amplitudia ja energiaa, ja hitsaus on suunniteltava huolellisesti.
Juotettavuuteen vaikuttavia tekijöitä ovat kosteuspitoisuus, homeen vapautumisaineet, voiteluaineet, pehmentajat, täyteaineiden tehostajat, pigmentit, palonestoaineet ja muut lisäaineet sekä todellinen nastalaatu. Lisäksi on huomattava, että eri materiaalien yhteensopivuusaste on erilainen. Joillakin materiaaleilla on tietty yhteensopivuus tiettyjen laatujen välillä, kun taas toisilla ne eivät ole yhteensopivia.
Lopuksi mieti, onko hitsaus kenttähitsausta vai kaukohitsausta. Kun etäisyys hitsauspäästä hitsauskylkeen on alle 6 mm, sitä kutsutaan kenttähitsauksen lähelle. Yli 6 mm' on nimeltään kaukohitsaus. Mitä suurempi etäisyys, sitä suurempi tärinänvaimennus ja sitä vaikeampi hitsaus.
3. Hitsattu liitossuunnittelu
Kriittisin ja tärkein ultraäänihitsaukseen vaikuttava tekijä on yhteinen muotoilu. Kun osat ovat suunnitteluvaiheessa, insinöörien tulee harkita ja arvioida huolellisesti. Hitsatuissa liitoksissa on erilaisia malleja, joilla on omat ominaisuutensa ja etunsa. Suunnittelun valinta riippuu muovin tyypistä, osageometriasta, hitsausvaatimuksista, ruiskuvaluominaisuuksista ja ulkonäkövaatimuksista.
Tyypillinen yhteissuunnittelu:
Kolmion muotoinen energia ohjaa kylkiluun muotoilua. Tämä on yleisimmin käytetty ultraäänihitsauksen muotoilu ja helpoin ruiskuvalun muotoilu. Sille on ominaista pieni korotettu kolmio tasolla, kolmion yläosa on 90 tai 60 astetta. Koska sen terävän pisteen rakenne on helppo ohjata ja keskittää tärinäenergiaa, sitä kutsutaan energiaa ohjaavaksi kylkiluuksi.
Askelsaumasuunnittelu, helppo ruiskuvalu, itseasentuvat ylä- ja alaosat, korkea hitsauslujuus, sula materiaali virtaa pystysuoraan aukkoon.
Uritetut sauman muotoilut, ylä- ja alaosat voivat olla itse sijoitettuja, lujat, hyvät tiivistysominaisuudet ja ei vilkkumista sisällä ja ulkopuolella. Haittapuolena on, että tarvitaan tietty seinämän paksuus.
Leikkaustaumasuunnittelua käytetään yleensä pienikokoisten, lujaa tiivistystä vaativien tuotteiden hitsaamiseen, ja se soveltuu erityisesti kiteisten muovien hitsaukseen.
Huiviliitokset, joita käytetään yleensä pyöreissä tai elliptiseissä osissa, tarjoavat suuren lujuuden ja korkean tiivisteen, ja ne soveltuvat erityisesti kiteisen muovin hitsaukseen.
(Edellä oleva yksityiskohtainen selvitys hitsaussuunnittelusta lisätään seuranta-artikkeliin).)
Jos haluat selvittää, mikä hitsaussuunnittelu sopii tuotteellesi, ota yhteyttä ultraäänivalmistajan insinööriin tai myyjään.
4. Työkalu- ja hitsauspää
Yleisesti ottaen asiakkaat valitsevat hitsauskoneen kanssa samanmerkkisiä työkalu- ja hitsauspäitä. Itse asiassa voit vapaasti valita muiden merkkien tarjoaman työkalu- ja hitsauspään, kunhan hitsauspään taajuus on sama kuin laitteiden.
Hitsauspään materiaaleista voi valita alumiiniseoksen, titaaniseoksen ja kovaseosteräksen. Työkalumateriaalit voivat valita alumiiniseoksen, ruostumattoman teräksen ja nastamuotin. Miten materiaali valitaan, yleensä tarkastellaan muovin tyyppiä, materiaalin lasikuitupitoisuutta, liitoksen rakennetta ja kokoa, hitsauslujuutta ja käyttöikää. Esimerkiksi karbiditeräshitsauspää on paras valinta käyttöiän pidentämiseen.
Ultraäänihitsauspäät voidaan suunnitella ja optimoida FEA:lla (Finite Element Analysis), jonka avulla insinöörit voivat arvioida hitsauspään tärinä- ja stressitason ennen varsinaista valmistusta. Paras hitsauspään muotoilu on tasainen lähtöastudi ja pienin rasitus. Yllä olevassa kuvassa vasemmalla oleva kuva on optimoitu etuhitsauspään muotoilu, ja amplitudilähtö on epätasainen. Oikealla, optimoinnin jälkeen, lähtö amplitudi on yhtenäinen.
Hitsauspään suunnittelussa ja valmistuksessa symmetria on pidettävä huolellisesti mielessä hitsaavassa pään symmetriassa. Epäsymmetrinen hitsauspää aiheuttaa ei-aksiaalista tärinää. Säteittäinen tärinä lisää huomattavasti rasitusta ja aiheuttaa hitsauspään pettämisen.
Hyvä työkalusuunnittelu on myös erittäin tärkeää. Työkalulla on kaksi päätoimintoa: (1) kohdista osat hitsauspään alle; (2) tue hitsausaluetta tukevasti. Jäykkä tuki auttaa heijastamaan ultraäänienergiaa hitsausasentoon, minkä vuoksi työkalut on yleensä valmistettu metallin prosessointiosista.
Hitsauspään kulumiskestävyyden lisäämiseksi ja käyttöiän lisäämiseksi hitsauspään pintaa voidaan käsitellä tungstenkarbidilla tai kromipinnoituksella. Työkalu voidaan suunnitella osiin, jotka sopivat paremmin tuotteeseen.
5. Hitsausparametrit
Hitsausprosessin aikana hitsausparametrit vaikuttavat hitsaustulokseen. Näitä parametreja ovat amplitudi, hitsauspaine, liipaisinpaine, hitsausetäisyys ja hitsausenergia.
Erityyppiset muovit vaativat erilaisia amplitudit. Amplitudia voidaan hienosäätää ohjelmiston prosenttiasetuksella tai säätää laajalla alueella muuttamalla amplitudimodulaattoria eri suhteella. Hitsauspainetta voidaan säätää nupin tai ohjelmistoasetuksen avulla. Liipaisinpaine tarkoittaa sitä, että kun hitsauspää painaa tuotetta ja paine saavuttaa tietyn asetettavan arvon, laite alkaa säteillä ultraääniä. Tätä arvoa voidaan säätää nupin tai ohjelmistoasetusten avulla.
Ultraäänihitsausprosessissa on useita ohjausmenetelmiä:
Aikahitsaustila, eli ultraäänihitsauksen kesto.
Etäisyyshitsaustila (asemointihitsaustila) eli aseta hitsausetäisyys tai -asento.
Energiahitsaustila, joka asettaa hitsausenergian.
Eri tuotteisiin sovelletaan erilaisia hitsaustiloja. Esimerkiksi levyhitsaus ottaa käyttöön energiahitsaustilan, suurimittaiset tuotteet ottavat etäisyyttähitsaustilan ja tuotteet, joilla on korkeat toleranssivaatimukset, ottavat asentohitsaustilan käyttöön.
Muovinen ultraäänihitsaus on erityinen prosessi. Tuotekehityksen alkuvaiheessa on tarpeen tehdä yhteistyötä ultraäänilaitteiden valmistajan kanssa ja käyttää laitevalmistajan kokemusta tällä alalla tuoterakenteen ja hitsaussuunnittelun arviointiin sekä näytteiden hitsaustestien suorittamiseen. Myöhemmän massatuotannon tuoton parantamiseksi.
