Параметры процесса ультразвуковой сварки
Основными параметрами процесса ультразвуковой сварки являются: амплитуда, время сварки, время выдержки, давление сварки, частота и т. Д. Наилучшие характеристики сварки зависят от свариваемых компонентов и используемого сварочного оборудования. Регулировка параметров сварки зависит от размера и жесткости детали, особенно от расстояния между точкой контакта сварочной головки и сварным швом. Сварочные возможности ограничены способностью пластика&№39 передавать ультразвуковую вибрацию (при этом детали не повреждаются).
1 частота
Обычно используемые частоты для ультразвука - 20, 30 и 40 кГц, а 15 кГц часто используются для полукристаллических пластиков. 20 кГц - это наиболее часто используемая ультразвуковая частота, потому что амплитуда и мощность, необходимые для плавления термопластов на этой частоте, легко достижимы, но она может генерировать множество механических колебаний, которые трудно контролировать, и инструмент становится очень большим. Возможна более высокая частота (40 кГц), которая вызывает меньшую вибрацию, и обычно используется для сварки конструкционных пластмасс и армированных полимеров. К преимуществам высокочастотного сварочного оборудования относятся: низкий уровень шума, небольшие размеры деталей, улучшенная защита деталей (за счет снижения циклических напряжений и неселективного нагрева внешней области стыка соединения), улучшенный контроль механической энергии, более низкое давление сварки и более быстрая работа. скорость обработки. Недостатком является то, что сварка в дальней зоне затруднена из-за малых размеров деталей, пониженной мощности и амплитуды. Аппараты для высокочастотной ультразвуковой сварки обычно используются для сварки небольших прецизионных деталей (например, электрических переключателей) и деталей, которые требуют меньшего разрушения материала. Сварщик с частотой 15 кГц может быстро сваривать большинство термопластов, в большинстве случаев с меньшим ухудшением качества материала, чем сварщик с частотой 20 кГц. Детали, которые с трудом поддаются сварке с частотой 20 кГц (особенно те, которые изготовлены из высококачественной резины и пластика и оборудования), можно эффективно сваривать с частотой 15 кГц. На более низких частотах сварочная головка имеет большую резонансную длину и может быть увеличена во всех размерах. Еще одно важное преимущество использования 15 кГц заключается в том, что по сравнению с использованием более высоких частот он значительно снижает затухание ультразвуковых волн в пластмассах, позволяя сваривать более мягкие пластики и увеличивать расстояние в дальней зоне.
2 амплитуда
Успешная сварка зависит от правильной амплитуды конца сварочной головки. Для всех комбинаций рупора и сварочной головки амплитуда фиксирована. Выберите амплитуду в соответствии с свариваемым материалом, чтобы получить соответствующую степень плавления. Вообще говоря, полукристаллический пластик требует больше энергии, чем некристаллический пластик, и, следовательно, требует большей амплитуды кончика наконечника. Контроль процесса на современных аппаратах для ультразвуковой сварки допускает градацию. Высокая амплитуда используется для начала плавления, а низкая амплитуда используется для регулирования вязкости расплавленного материала. Увеличение амплитуды улучшит качество сварки детали конструкции срезаемого соединения. Для стыковых соединений с увеличением амплитуды качество сварки улучшается, а время сварки сокращается. При ультразвуковой сварке с использованием энергетических направляющих стержней средний коэффициент тепловых потерь (Qavg) зависит от композитного модуля потерь (Eʺ), частоты (ω) и действующей деформации (ε 0) материала: Qavg=ωε 02 Eʺ / 2
Композитный модуль потерь термопластов тесно связан с температурой. Когда достигается точка плавления или температура стеклования, модуль потерь увеличивается, и больше энергии преобразуется в тепло. После начала нагрева температура на стыке сварки резко повышается (до 1 000 ℃ / с). Действующая деформация пропорциональна амплитуде сварочной головки, поэтому нагревом поверхности раздела сварки можно управлять, изменяя амплитуду. Амплитуда - важный параметр, контролирующий расход термопласта при экструзии. Когда амплитуда высока, скорость нагрева границы раздела фаз выше, температура повышается и расплавленный материал течет быстрее, что приводит к увеличению ориентации молекул, большому количеству вспышек и снижению прочности сварного шва. Для начала таяния необходима большая амплитуда. Слишком низкая амплитуда приводит к неравномерному плавлению и преждевременному затвердеванию расплава. Когда амплитуда увеличивается, в термопласте расходуется большее количество энергии вибрации, и свариваемые детали подвергаются большему напряжению. Когда амплитуда постоянна на протяжении всего цикла сварки, обычно используется самая высокая амплитуда, которая не вызовет чрезмерного повреждения свариваемых деталей. Для кристаллических пластиков, таких как полиэтилен и полипропилен, влияние амплитуды намного больше, чем для некристаллических пластмасс, таких как АБС и полистирол. Это может быть связано с необходимостью увеличения энергии для плавления и сварки кристаллических пластиков. Амплитуда может регулироваться механически (путем изменения рожка или сварочной головки) или электрически (путем изменения напряжения, подаваемого на преобразователь). На практике для большей регулировки амплитуды используется механический метод, а для более точной - электрический. Материалы с высокой температурой плавления, сварные швы в дальней зоне и полукристаллические пластмассы обычно требуют большей амплитуды, чем некристаллические пластмассы и сварные швы в ближней зоне. Типичный общий диапазон амплитуд аморфных пластиков составляет 30–100 мкм, а для кристаллических пластиков - 60–125 мкм. Амплитудное профилирование позволяет добиться хорошей текучести расплава и неизменно высокой прочности сварного шва. Для комбинированных уровней амплитуды и силы высокая амплитуда и сила используются для начала плавления, а затем амплитуда и сила уменьшаются для уменьшения ориентации молекул вдоль линии шва.
3 Время сварки
Время сварки - это время, когда применяется вибрация. Соответствующее время сварки для каждого случая применения определяется экспериментально. Увеличение времени сварки увеличивает прочность сварного шва до достижения оптимального времени. Дальнейшее увеличение времени сварки приведет к снижению прочности сварного шва или лишь небольшому увеличению прочности, в то же время это увеличит оплавление сварного шва и увеличит возможность вдавливания детали. Важно избегать чрезмерной сварки, так как это приведет к чрезмерному заусенцеву, который необходимо обрезать, что может снизить качество сварного шва и вызвать утечки в деталях, которые необходимо герметизировать. Сварочная головка может поцарапать поверхность. При более продолжительном времени сварки плавление и разрушение могут также происходить в деталях, удаленных от области соединения, особенно в отверстиях, линиях сварки и острых углах отформованной детали.
4 Время выдержки
Время выдержки под давлением относится к номинальному времени, в течение которого детали должны быть соединены и отверждены под давлением без вибрации после сварки. В большинстве случаев это не критический параметр, обычно достаточно 0,3 ~ 0,5 с, если только внутренняя нагрузка не позволяет легко разобрать свариваемую деталь (например, винтовая пружина, сжатая перед сваркой).
5 давление
Сварочное давление обеспечивает статическое усилие, необходимое для соединения сварочной головки и детали, так что вибрация может передаваться на деталь. Когда расплавленный материал в месте соединения затвердевает во время фазы удержания давления в сварочном цикле, та же статическая нагрузка обеспечивает соединение деталей. Определение оптимального давления очень важно для хорошей сварки. Если давление слишком низкое, это вызовет плохой или недостаточный поток расплава при передаче энергии, что приведет к ненужным длинным циклам сварки. Увеличение сварочного давления сократит время сварки, необходимое для достижения такого же смещения. Если давление будет слишком высоким, это вызовет ориентацию молекул вдоль направления потока и снизит прочность сварного шва, что может вызвать вмятины детали. В крайних случаях, если давление слишком велико по сравнению с амплитудой конца сварочной головки, это может привести к перегрузке и остановке сварочной головки. При ультразвуковой сварке высокая амплитуда требует низкого давления, а низкая амплитуда требует высокого давления. По мере увеличения амплитуды допустимый диапазон давления сужается. Следовательно, самое главное для большой амплитуды - найти лучшее давление. В большинстве случаев ультразвуковая сварка выполняется при постоянном давлении или постоянной силе. Для некоторых устройств сила может быть изменена во время цикла, то есть выполняется профилирование силы, а сила сварки уменьшается во время приложения ультразвуковой энергии к детали. Давление или сила при сварке, которые падают в конце цикла сварки, сокращают количество материала, выдавленного из соединения, продлевают время диффузии между молекулами, уменьшают ориентацию молекул и повышают прочность сварного шва. Для материалов с более низкой вязкостью расплава, подобных полиамиду, это может значительно повысить прочность сварного шва.
6 Режим сварки
Сварка по времени называется процессом разомкнутого цикла. Свариваемые детали собираются в приспособлении до падения и касания сварочной головки. Затем ультразвуковая волна воздействует на компонент в течение фиксированного периода времени, обычно от 0,2 до 1 с. При этом успешной сварки не произошло. Успешная сварка является идеальной ситуацией при условии, что фиксированное время сварки вызывает воздействие фиксированного количества энергии на соединение, что приводит к контролируемому количеству плавления. Фактически, мощность, потребляемая при поддержании амплитуды от одного цикла к другому, не одинакова. Это связано с несколькими факторами (такими как соответствие между двумя частями). Поскольку энергия изменяется в зависимости от мощности и времени, а время фиксировано, приложенная энергия будет меняться от одной части к другой. Для массового производства, где важна последовательность, это явно нежелательно. Энергетическая сварка - это процесс с обратной связью. Программное обеспечение ультразвуковой машины измеряет потребляемую мощность и регулирует время обработки для доставки требуемой энергии в сустав. Предполагается, что этот процесс состоит в том, что если энергия, потребляемая каждым сварным швом, одинакова, количество расплавленного материала в стыке всегда одинаково. Однако на самом деле происходит потеря энергии в сварочном комплекте, особенно на границе раздела между сварочной головкой и деталью. В результате одни детали могут получать больше энергии, чем другие, что может вызвать непостоянную прочность сварного шва. Сварка на расстоянии позволяет соединять детали на определенной глубине сварки. Этот режим работы не зависит от времени, потребляемой энергии или мощности и компенсирует любые отклонения в размерах отформованной детали, тем самым наилучшим образом гарантируя, что в стыке каждый раз плавится одинаковое количество пластика. Для контроля качества можно установить предел энергии или времени, затрачиваемого на формирование сварного шва.