Ultraäänihitsaus on teollisuusmenetelmä, jolla korkeataajuisia ultraääniäänisiä akustisia värähtelyjä kohdistetaan paikallisesti työkappaleisiin, joita pidetään yhdessä paineen alaisena, kiinteän olosuhteen hitsin luomiseksi. Sitä käytetään yleisesti muoveihin ja metalleihin ja etenkin erilaisten materiaalien yhdistämiseen. Ultraäänihitsauksessa , ei ole liitospultteja, nauloja, juotosmateriaaleja tai liima-aineita, jotka tarvitaan materiaalien sitomiseen toisiinsa.Metallille levitettäessä tämän menetelmän huomattava ominaisuus on, että lämpötila pysyy selvästi kyseessä olevien materiaalien sulamispisteen alapuolella, estäen siten ei-toivotut ominaisuudet, jotka voivat johtua materiaalien korkeasta lämpötilasta altistumisesta.
Ultraäänihitsauksen käytännön soveltaminen jäykille muoveille valmistui 1960-luvulla. Tässä vaiheessa vain kovat muovit voitiin hitsata. Jäykien termoplastisten osien hitsaamiseen tarkoitetun ultraäänimenetelmän patentti myönnettiin Robert Soloffille ja Seymour Linsleylle vuonna 1965. Sonics & Materials Inc. -yrityksen perustaja Soloff oli Branson Instrumentsin laboratoriopäällikkö, jossa ohuet muovikalvot hitsattiin pusseihin ja putkiin. käyttämällä ultraääni- koettimia. Hän liikutti tahattomasti anturia lähelle muoviteippi annostelijaa ja annostelijan puolikkaat hitsattiin yhteen. Hän tajusi, että anturia ei tarvitse siirtää käsin osan ympäri, vaan että ultraäänienergia voi kulkea jäykän muovin läpi ja ympärillä ja hitsata koko nivelen. Hän kehitti ensimmäisen ultraäänipuristimen. Tämän uuden tekniikan ensimmäinen sovellus oli lelualalla.
Ensimmäinen kokonaan muovista valmistettu auto koottiin ultraäänihitsauksella vuonna 1969. Vaikka muoviautot eivät kiinni, ultraäänihitsaus tapahtui. Autoteollisuus on käyttänyt sitä säännöllisesti 1980-luvulta lähtien. Sitä käytetään nyt lukuisiin sovelluksiin.
Monimutkaisten ruiskuvalettujen kestomuovien osien liittämistä varten ultraäänihitsauslaitteet voidaan helposti räätälöidä sopimaan hitsattavien osien tarkat vaatimukset. Osat on kerrostettu anturiin kytketyn kiinteän muotoisen pesän ( alasin ) ja sonotrodin (torvi) väliin, ja lähetetään ~ 20 kHz: n matalan amplitudin akustinen värähtely. (Huomaa: Termoplastien ultraäänihitsauksessa käytetyt yleiset taajuudet ovat 15 kHz, 20 kHz, 30 kHz, 35 kHz, 40 kHz ja 70 kHz). Muoveja hitsaamalla näiden kahden osan rajapinta on suunniteltu erityisesti sulamisprosessin keskittämiseen. Yhdessä materiaalissa on yleensä piikki tai pyöristetty energiaohjain, joka on yhteydessä toiseen muoviosaan. Ultraäänienergia sulattaa osien välisen pistekoskettimen, muodostaen liitoksen. Tämä prosessi on hyvä automatisoitu vaihtoehto liima- , ruuvi- tai napsautussuunnitelmille . Sitä käytetään tyypillisesti pienten osien kanssa (esim. Matkapuhelimet, kulutuselektroniikka, kertakäyttöiset lääkinnälliset työkalut, lelut jne.), Mutta sitä voidaan käyttää yhtä suurissa osissa kuin pieni autoinstrumentti. Ultraääniä voidaan käyttää myös metallien hitsaamiseen, mutta ne rajoittuvat tyypillisesti ohuiden, muokattavien metallien, kuten alumiinin, kuparin, nikkelin, pieniin hitsauksiin. Ultraääniä ei käytetä auton rungon tai polkupyörän kappaleiden hitsaamiseen tarvittavien tehotasojen vuoksi.
Termoplastien ultraäänihitsaus aiheuttaa muovin paikallisen sulamisen johtuen värähtelyenergian absorptiosta hitsattavan liitoksen pitkin. Metalleissa hitsaus tapahtuu pintaoksidien korkean paineen hajonnan ja materiaalien paikallisen liikkeen takia. Vaikka siellä on lämmitystä, se ei riitä sulattamaan perusmateriaaleja.
Ultraäänihitsausta voidaan käyttää sekä koville että pehmeille muoveille, kuten puolikiteisille muoveille, ja metalleille. Ultraäänihitsauksen ymmärtäminen on parantunut tutkimuksen ja testauksen myötä. Kehittyneempien ja edullisempien laitteiden keksiminen sekä muovi- ja elektroniikkakomponenttien lisääntynyt kysyntä on johtanut kasvavaan tietoon perusprosessista. Monet ultraäänihitsauksen näkökohdat vaativat kuitenkin vielä lisätutkimuksia, kuten hitsauslaadun yhdistäminen prosessiparametreihin. Ultraäänihitsaus on edelleen nopeasti kehittyvä ala.
Kaiserslauternin yliopiston materiaalitieteiden ja tekniikan instituutin (WKK) tutkijat ovat saksalaisen tutkimuskeskuksen ( Deutsche Forschungsgemeinschaft ) tuella onnistuneet osoittamaan, että ultraäänihitsausprosessien käyttö voi johtaa erittäin kestäviin sidoksiin kevytmetallien ja hiilen välillä -kuituvahvisteiset polymeerilevyt (CFRP).
Ultraäänihitsauksen etuna on, että se on paljon nopeampaa kuin perinteiset liimat tai liuottimet. Kuivausaika on erittäin nopea, ja kappaleiden ei tarvitse pysyä kiinnittimessä pitkiä aikoja odottaessaan nivelen kuivumista tai kovettumista. Hitsaus voidaan helposti automatisoida tekemällä puhtaista ja tarkista liitoksista; hitsin paikka on erittäin puhdas ja vaatii harvoin mitään korjaustöitä. Alhainen lämpövaikutus kyseisiin materiaaleihin mahdollistaa useamman materiaalin hitsaamisen yhteen.
