Ultrasonic Welding of Plastic: Process, Materials, Joint Design and Machine Selection

قطعات پلاستیکی که از قالب تزریق خارج می شوند همیشه برای استفاده نهایی آماده نیستند. آنها معمولاً باید به یک جزء دیگر متصل شوند. آزمایش فشار، آزمایش افت و استفاده روزانه از میدان، هر پیوند ضعیف را آشکار می کند. چسب ها وزن و پیچیدگی شیمیایی را اضافه می کنند. اتصال دهنده ها غلظت استرس ایجاد می کنند. استقرار حرارتی کند است. از طرف دیگر، جوشکاری اولتراسونیک پلاستیک، با ارتعاش مواد در سطح مشترک تا ذوب شدن و ذوب شدن، پیوند محکم و تمیزی را در کسری از ثانیه ایجاد می‌کند.

این روش به طور گسترده در بسته بندی، تجهیزات پزشکی، فضای داخلی خودرو و لوازم الکترونیکی استفاده می شود، زیرا نیازی به مواد مصرفی ندارد، دود تولید نمی کند و هیچ علامت قابل مشاهده ای باقی نمی گذارد. با این حال این یک درمان جهانی نیست. این به سه چیز بستگی دارد: پلیمر باید قابل جوش باشد، اتصال باید برای فرآیند طراحی شود، و دستگاه جوش باید ارتعاش مکانیکی کنترل شده را در دامنه و فرکانس مناسب ارائه دهد. هنگامی که این شرایط برآورده می شود، جوشکاری اولتراسونیک یکی از مقرون به صرفه ترین روش های اتصال پلاستیک موجود است.

جوشکاری اولتراسونیک چگونه کار می کند

وقتی آن را از سخت افزار جدا می کنید، اصل کار ساده است. منبع تغذیه ولتاژ خط معمولی را به سیگنال الکتریکی با فرکانس بالا تبدیل می کند. این سیگنال یک مبدل را هدایت می کند که پالس الکتریکی را به ارتعاش مکانیکی در فرکانس های 20 کیلوهرتز، 35 کیلوهرتز یا 40 کیلوهرتز تبدیل می کند. ارتعاش برای تنظیم دامنه از یک تقویت کننده عبور می کند، سپس به شاخ جوش می رسد. بوق دو قسمت پلاستیکی را بر روی فیکسچر آنها فشار می دهد و ارتعاش را مستقیماً به محل اتصال منتقل می کند.

در رابط تماس، حرکت با فرکانس بالا باعث اصطکاک بین مولکولی می شود. این اصطکاک به سرعت دما را به اندازه ای افزایش می دهد که پلاستیک بدون سوزاندن آن ذوب شود. از آنجا که گرما موضعی است، مواد اطراف جامد و از نظر ابعادی پایدار می مانند. پس از اتمام زمان جوش، لایه مذاب سرد شده و جامد می شود تا یک پیوند پیوسته ایجاد شود.

یک چرخه جوشکاری معمولی دارای چهار مرحله است:

1. رویکرد: بوق به سمت بالای قطعه کار حرکت می کند و برای اعمال نیرو آماده می شود.
2. جوش: بوق پایین می آید، فشار وارد می کند و برای مدت زمان مشخصی می لرزد.
3. نگه دارید: لرزش متوقف می شود در حالی که بوق هنوز قطعات را برای مدت کوتاهی تحت فشار نگه می دارد.
4. پس گرفتن: بوق بلند می شود و قطعه برای مرحله بعدی آماده است.

اجزای اصلی منبع تغذیه، مبدل، تقویت کننده، بوق و فیکسچر هستند. منبع تغذیه دامنه پایداری را حفظ می کند. تقویت کننده می تواند لرزش را بزرگ یا کاهش دهد. بوق آن را به قسمت توزیع می کند. جنس بوق روی دوام آن تأثیر می گذارد. شاخ‌های تیتانیومی در تولید با حجم بالا در برابر سایش مقاومت می‌کنند، در حالی که شاخ‌های آلومینیومی برای فرآیندهای سبک‌تر رایج هستند زیرا ماشین‌کاری آسان‌تر هستند.

کلید موفقیت تکرارپذیری است. زمان جوش، زمان نگه‌داری، نیروی ماشه و دامنه باید در محدوده تلرانس‌های محدود کنترل شوند. اگر فیکسچر گیره حرکت کند، بوق نامرتب شود یا منبع تغذیه جابجا شود، کیفیت اتصال تغییر می کند. به همین دلیل است که سیستم مکانیکی اطراف بوق به اندازه خود بوق مهم است.

برای ایستگاه‌های تعمیر، نمونه‌های اولیه یا سلول‌های تولید انعطاف‌پذیر، جوشکارهای اولتراسونیک دستی همان مکانیسم اولیه را در یک بسته قابل حمل ارائه می‌کنند. آنها به اپراتور اجازه می دهند به جای اینکه قطعه را به دستگاه منتقل کند، بوق را به قطعه منتقل کند.

جوشکار نقطه ای اولتراسونیک 28 کیلوهرتز/35 کیلوهرتز برای قطعات ترموپلاستیک این جوشکار دستی مناسب ایستگاه های تعمیر و نمونه سازی کم حجم است. ورق ها و سیم های نازک را بدون پرکننده جوش می دهد و آن را برای پارچه های نبافته، نایلون، PP، پلی اتیلن و پلاستیک PC ایده آل می کند. مشاهده محصول →

سازگاری مواد و جوشکاری

انتخاب پلاستیک استراتژی جوشکاری را هدایت می کند. ترموپلاستیک های آمورف مانند ABS، اکریلیک و پلی کربنات ارتعاش اولتراسونیک را به خوبی منتقل می کنند زیرا دامنه نرم کنندگی وسیعی دارند. آنها به تدریج ذوب می شوند و بدون کریستال شدن ناگهانی جریان می یابند. پلیمرهای نیمه کریستالی مانند نایلون، استال و پلی پروپیلن دارای نقطه ذوب تیز هستند. آنها به انرژی بیشتر، یک اتصال خوب طراحی شده و اغلب زمان جوش کوتاه تری برای جلوگیری از سوختگی نیاز دارند.

سازگاری بین قطعات یکی دیگر از عوامل تعیین کننده است. دو قسمت ساخته شده از یک پلیمر معمولاً بدون مشکل جوش می شوند. ترکیبات پلیمری غیر مشابه به خانواده پایه یکسانی نیاز دارند. ABS به پلی کربنات می تواند در موارد محدود با کنترل دقیق فرآیند کار کند. ABS به نایلون، پی وی سی به پلی کربنات، یا پلی پروپیلن به استال جوش پایداری تشکیل نمی دهند زیرا خواص حرارتی و ساختارهای مولکولی بسیار متفاوت هستند.

افزودنی ها نیز رفتار را تغییر می دهند. الیاف شیشه، پرکننده های معدنی، بازدارنده های شعله، رنگدانه ها و روان کننده ها همگی بر انتقال انرژی به مفصل تأثیر می گذارند. درصد بالایی از پرکننده می تواند مفصل را شکننده کند یا از جریان مناسب مذاب جلوگیری کند. اگر با یک ماده پر شده کار می کنید، ابتدا اتصال را نمونه اولیه کنید و قبل از طراحی ابزار در اطراف آن، استحکام واقعی جوش را آزمایش کنید.

جدول زیر یک نقطه شروع ساده برای ترموپلاستیک های رایج ارائه می دهد.

قبل از اینکه متعهد به تولید با حجم بالا شوید، کوپن‌های آزمایشی را در همان مواد و با طراحی مشترک جوش دهید. با جدا کردن مفصل استحکام را بررسی کنید. همچنین سطح مقطع را زیر میکروسکوپ بررسی کنید. این امر هوای محبوس شده، کانال های پر نشده یا فلاش بیش از حد را نشان می دهد که از بیرون مشخص نیستند. این یک سرمایه گذاری کوچک است که از شگفتی های گران قیمت در خط جلوگیری می کند.

برای جزئیات بیشتر در مورد محدودیت های پلیمرهای خاص و مثال های عملی، مقاله ما را بخوانید مواد و محدودیت های ایده آل جوشکاری اولتراسونیک .

طراحی مشترک برای جوش های قوی

طراحی اتصال مهم ترین عاملی است که تعیین می کند جوش در تولید بماند یا خیر. سه طرح اصلی عبارتند از مدیر انرژی، اتصال برشی و زبانه و شیار.

مدیر انرژی یک مهره مثلثی کوچک است که روی یک قسمت قالب گیری شده است. استرس اولتراسونیک را متمرکز می کند، ابتدا ذوب می شود و شکاف بین سطوح جفت گیری را پر می کند. این طرح بر روی قطعات مسطح و سفت و سخت ساخته شده از پلیمرهای آمورف بهترین عملکرد را دارد. برای یک دیوار معمولی 1.5 میلی متر، مدیر انرژی باید حدود 0.3 میلی متر ارتفاع و 0.4 تا 0.6 میلی متر عرض داشته باشد. با این حال، ابعاد دقیق به ضخامت قطعه و مواد بستگی دارد.

اتصال برشی تداخلی بین یک بخش نر و ماده از قطعات است. این یک سطح تماس بزرگ ایجاد می کند و برای مواد نیمه کریستالی که به زمان خنک شدن طولانی تری نیاز دارند ایده آل است. این تناسب همچنین مانع از خروج پلاستیک مذاب به بیرون می شود که فلاش را کاهش می دهد. تلورانس های معمول برای اتصال برشی 0.05 تا 0.1 میلی متر است.

طرح های زبانه و شیار تراز را با یک منطقه آب بندی بزرگ ترکیب می کنند. بسته به استحکام و الزامات نشتی، می توان آنها را به عنوان یک جداره یا دو جداره استفاده کرد. اتصال پله ای یک نسخه ساده شده از زبانه و شیار است و قالب گیری آسان تر است اما همپوشانی کمتری ایجاد می کند.

چند قانون عملی مدیریت طراحی مشترک را آسان تر می کند. هرگز اجازه ندهید شاخ با دنده غیر جوشی یا سطح لوازم آرایشی تماس پیدا کند. مدیر انرژی را در مرکز روی دیواره جوش قرار دهید. از یک زاویه کشش سخاوتمندانه روی قسمت نر یک اتصال برشی استفاده کنید تا نیروی وارد کردن به قطعه آسیب نرساند. در نهایت لبه های شاخ را گرد کنید تا حلقه قابل رویتی روی قسمت باقی نماند.

در عمل، مفصل نیز باید با مشخصات شاخ و فیکسچر مطابقت داشته باشد. اگر بوق به دنده یا دیواری که بخشی از جوش نیست برخورد کند، انرژی ارتعاشی پراکنده شده و فلاش شل ایجاد می کند. طراحی ابزار متفکرانه، ناحیه تماس شاخ را کوچک و در مرکز نگه می دارد.

برای اجراهای کم حجم، دستگاه‌های جوش پلاستیکی دستی به شما کنترل کافی را می‌دهند تا از طریق چند تغییر مفصل کار کنید و بهترین تنظیمات را قبل از انتقال به تجهیزات خودکار پیدا کنید.

دستگاه جوش التراسونیک 15 کیلوهرتز دستی با فضای قالب قابل تنظیم برای اجراهای کم حجم، این دستگاه دستی کنترل دقیقی بر زمان و فشار جوش ارائه می دهد. جوشکاری نقطه ای، پرچ کردن و برش ترموپلاستیک ها را انجام می دهد و به شما کمک می کند تا پارامترها را قبل از اتوماسیون بهینه کنید. مشاهده محصول →

ملاحظات تولید و خرید

آوردن جوش اولتراسونیک از یک نمونه اولیه به خط تولید با بهینه سازی پارامترها شروع می شود. زمان جوش، زمان نگه‌داری، فشار جوش، نیروی ماشه و دامنه همگی باید با قطعه خاص مطابقت داشته باشند. بسیاری از مهندسان مجموعه‌ای کوچک از قطعات را با زمان‌های جوش متفاوت اجرا می‌کنند و سپس سطح مقطع را برای تعیین کیفیت بهینه جوش بررسی می‌کنند. انرژی ورودی مستقیماً با استحکام جوش مرتبط است، بنابراین ارزش این را دارد که این مطالعه پس از تعمیر ابزارها انجام شود.

تحمل خطر دیگری است. شکاف مفصلی که بیش از حد گسترده است انرژی را جذب می کند و می تواند باعث آسیب به قسمت شود. فاصله خیلی تنگ ممکن است مانع از نشستن صحیح بوق شود. برای اتصالات برشی، نوار تحمل 0.05 تا 0.1 میلی متر رایج است. برای مدیران انرژی، تناسب می تواند کمی شل تر باشد. به یاد داشته باشید که فرآیند جوشکاری راهی برای اصلاح تلورانس های بد قالب گیری تزریقی نیست. این نیاز به قطعاتی دارد که مستقیم، تمیز و یکدست باشند.

فرکانس جوش به اندازه قدرت اهمیت دارد. یک سیستم 20 کیلوهرتز با 4200 وات انرژی مورد نیاز برای قطعات نیمه کریستالی ضخیم را تامین می کند. واحدهای دستی کوچکتر که با فرکانس 35 کیلوهرتز کار می کنند برای قطعات ظریف و دیوارهای نازک بهتر هستند. هنگام انتخاب تجهیزات، به حجم قطعه، مواد و زمان چرخه مورد نظر خود توجه کنید، نه فقط برچسب قیمت.

کیفیت جوش باید در هر شیفت بررسی شود. یک تست کشش ساده روی یک قطعه نمونه به شما می گوید که آیا استحکام باند هنوز در حد مشخصات است یا خیر. برای مجموعه های هرمتیک، آزمایش نشتی را به طور منظم انجام دهید. اگر افت ناگهانی قدرت مشاهده کردید، خط را متوقف کنید و بوق، منبع تغذیه و تراز فیکسچر را بررسی کنید. معمولاً یکی از این سه جزء است که دریفت شده است.

تعمیر و نگهداری آسان است اما ضروری است. شاخ‌ها فرسوده می‌شوند، مبدل‌ها تنظیم را از دست می‌دهند و فیکسچرها شل می‌شوند. شاخ های فرسوده دامنه نامنظمی تولید می کنند که باعث ایجاد جوش های ناسازگار می شود. یک برنامه پیشگیرانه که شامل تمیز کردن، بررسی صافی شاخ و آزمایش تداوم مبدل می شود، از زمان کار محافظت می کند و نرخ ضایعات را کاهش می دهد.

در نهایت اپراتور را در نظر بگیرید. دستگاهی که راه‌اندازی آن ساده و استفاده ایمن باشد، در یک فروشگاه واقعی کارآمدتر خواهد بود. بررسی کنید که منبع تغذیه دارای کنترل‌های واضحی برای زمان و فشار باشد، سوئیچ ایمنی قابل اعتماد باشد و به قطعات یدکی مانند قالب‌های جوشکاری و شاخ‌ها دسترسی سریع داشته باشید. یک تامین کننده توانا همچنین به شما کمک می کند تا فیکسچر و طراحی بوق را برای قطعه دقیق خود ارزیابی کنید.

برای قطعات بزرگ و سفت و سخت یا مقاطع نیمه بلوری سنگین، دستگاه جوش پلاستیک با توان بالاتر و فرکانس پایین اغلب بهترین انتخاب است.

جوشکار اولتراسونیک با توان 15 کیلوهرتز 4200 وات برای قطعات نیمه کریستالی سنگین این جوشکار 15 کیلوهرتز 4200 وات را برای قطعات سخت بزرگ و پلاستیک های نیمه کریستالی سنگین ارائه می دهد. این دستگاه از حالت‌های زمان، دستی و انرژی، با قاب ماشینکاری CNC برای نیروی پایدار و اتصالات دقیق پشتیبانی می‌کند. مشاهده محصول →