Az ultrahangos műanyag összeszerelési technológiát széles körben használják a hőre lágyuló műanyagok összekapcsolásában. Az általa előállított ízületek nemcsak erősek és tartósok, hanem szép megjelenésűek is. Ez a technológia négy fő kategóriát foglal magában, amelyek közül az ultrahangos hegesztés a kutatás középpontjában áll. Az ultrahangos hegesztés magas frekvenciájú ultrahangos energiát (15-50 kHz) használ az alacsony amplitúdójú (1-100 μm) mechanikai rezgések előállításához. Ez a rezgés az alkatrészek ízületeire hat, a hőre lágyuló anyagot a súrlódási hőtermelés révén, majd hegesztést képez. Hegesztési sebessége rendkívül gyors, általában 0,1 másodperc és 1,0 másodperc között.
Az ultrahangos hegesztési eljárás során a szinuszos állóhullámok a hőre lágyuló műanyagokban generálódnak. Az intermolekuláris súrlódás miatt az energia egy részét hőenergiává alakítják, ami növeli az anyag hőmérsékletét. Az energia egy másik részét koncentrálják és áthelyezik az ízületbe, amelyet a határ súrlódása tovább hevít. Ezért az ultrahangos energia átviteli útját és az anyag olvadási viselkedését együttesen befolyásolja az rész geometriája és az anyag ultrahangos abszorpciós jellemzői.
Ha a rezgési forrás közel van a hegesztési ízülethez, az anyag kevesebb energiaelnyelési veszteséggel rendelkezik. Ha a rezgési forrástól az ízületig tartó távolság kevesebb, mint 6,4 mm, akkor a folyamatot közeli mezőhegesztésnek nevezzük, amely nagy energiaelnyeléssel és alacsony merevségi anyagokkal rendelkező kristályos anyagokhoz alkalmas. Ha a távolság nagyobb, mint 6,4 mm, akkor távoli hegesztésnek nevezzük, amely alkalmas amorf anyagokhoz alacsony energiaelnyeléssel és nagy merevségi anyagokkal.
Az ízületi felület "egyenetlen" jellemzői miatt könnyű magas hőmérsékletet és magas súrlódást generálni, ami elősegíti az ultrahangos energia felhalmozódását. Számos ultrahangos hegesztési alkalmazásban egy háromszög alakú kiemelkedést terveztek a felső rész felületén, az úgynevezett Energy Guide Rib, amely vezeti a rezgési energiát az ízület koncentrálásához.
Az ultrahangos hegesztési eljárás során a rezgési energia függőlegesen hat az ízületi felületre, és az Energy Guide bordájának csúcsa a hegesztett alkatrészt nyomás alatt érinti. A súrlódási hőtermelés miatt nagy mennyiségű hőt generálnak a csúcson, ami az Energy Guide Rord megolvadását okozza. A teljes hegesztési folyamat négy szakaszra osztható. Először, az energiamegóriumi bordának teteje megolvad, és az olvadási sebesség fokozatosan növekszik. Ahogy az ízület mindkét oldalán lévő rés csökken, az olvadt energiavezető bordája teljes mértékben elterjed és érintkezik az alábbi alkatrészről, és az olvadási sebesség ebben az időben csökken. Másodszor, a felső és az alsó részek felületi érintkezésben vannak, és az olvadási terület tovább bővül. Ezután belép az egyensúlyi állapotú olvadási szakaszba, amikor egy bizonyos vastagságú olvadt réteg képződik, amelyet stabil hőmérsékleti mező kísér. Amikor elérik az előre beállított hegesztési energiát, az időt vagy más kontroll körülményeket, az ultrahangos rezgés leáll. Végül, a nyomást fenntartják, a felesleges olvadékot kiszorítják a hegesztésből, és az alkatrészeket molekuláris kötések kötik össze és fokozatosan lehűtik.
Az ultrahangos hegesztés előnyei és hátrányai
Mivel az ipari területen széles körben alkalmazott műanyag csatlakozó technológia az ultrahangos hegesztés kiemelkedik a gyors, gazdaságos, egyszerű automatizálás és a tömegtermeléshez való alkalmasság miatt. Hegesztési stabilitása kiváló, az erő is magas, és a hegesztési idő rövidebb, mint más folyamatok. Ezenkívül ez a technológia nem igényel komplex szellőzőrendszert a füst vagy a hűtőrendszer eltávolításához a túlzott hő eltávolítása érdekében, nagy energiafelhasználással, magasabb termelési hatékonysággal és alacsonyabb költségekkel. A penész kialakítása viszonylag egyszerű, és a penészváltási sebesség gyors, ezáltal javítva a berendezés felhasználási sebességét és sokoldalúságát. Érdemes megemlíteni, hogy mivel egyetlen más kiegészítő hegesztési anyagot sem vezetnek be a hegesztésbe, a hegesztés tiszta és szennyeződésektől mentes, nem befolyásolja a berendezések biokompatibilitását, és nagyon alkalmas az egészségügyi ágazatban történő felhasználásra, a tisztaság magasabb követelményeivel.
Az ultrahangos hegesztés azonban bizonyos korlátozásokkal is szembesül. A 250 mmx300 mm -nél nagyobb méretű termékek esetében a hegesztőfej kialakítása nehézkessé válik, és gyakran több hegesztési fejet kell használni a szinkron hegesztéshez vagy egy hegesztőfejhez a többszörös hegesztéshez. Ezenkívül az ultrahangos hegesztés eredményei szorosan kapcsolódnak olyan tényezőkhöz, mint például a hegesztési szerkezet tervezése, a fröccsöntött részdimenziós hiba és a deformáció. Ugyanakkor az ultrahangos rezgések az érzékeny elektronikus alkatrészek károsodását okozhatják, bár az ilyen kockázatok csökkenthetők a frekvencia növelésével és az amplitúdó csökkentésével.
Alkalmazási mezők
Az ultrahangos hegesztést számos iparágban széles körben használják. Például az autóiparban az alkatrészek, például a fényszórók, a műszerfalak, a gombok és a kapcsolók csatlakoztatására szolgálnak; Az elektronikában és az elektromos iparban ezt a technológiát gyakran használják olyan alkatrészek összekapcsolására, mint például kapcsolók, érzékelők és működtetők; Ezenkívül az ultrahangos hegesztés nélkülözhetetlen a termékek gyártási folyamatában, például szűrők, katéterek, orvosi ruházat és maszkok az orvosi területen. Ugyanakkor olyan termékek előállítása, mint például a hólyagos táskák, a táskák, a tárolótartályok és a csomagolási iparban található fúvókák, szintén előnyei vannak az ultrahangos hegesztés hatékonyságából és kényelméből.
A kávéscsésze PS anyagból készül, és hegesztési kialakítása okosan ötvözi a horonyt és az energiairányító bordát, ami nemcsak biztosítja a kapcsolat stabilitását, hanem javítja a termelés hatékonyságát is.
Az elektronikus kapcsolót ABS műanyagból készítik, és ultrahangos szegecseléssel finomítják.
A reflektor vegyes ABS és PC anyagból készül, és egyesíti a lépések és az energiairányító bordák hegesztési folyamatát, hogy egyedi szerkezeti kialakítást hozzon létre.
Az elektronikus lámpa az ABS és a PMMA kompozit anyagát használja, a sík- és energiairányító bordák finom hegesztési folyamatával kombinálva, egyedi tervezési stílust mutatva.
Az elektromos csatlakozó egyesíti az ABS és a fém szilárd anyagát, és biztosítja kapcsolatának stabilitását és tartósságát a pontos ultrahangos szegecselés révén.
Az orvosi palack PC anyagból készül, és ügyesen használja a sík és az energiairányító bordák fúziós kialakítását.
Az üzemanyag-szűrő palack nejlon 6-6-ból készül, és kialakítása okosan egyesíti a nyíróvarratok és a hegesztések kettős folyamatait.
A szűrőmembrán és a hangelnyelő pamut összeszerelése egy 30% üvegszálú nejlon kompozit anyagot használ, és finoman összeszerelhető egy piercing hegesztési folyamaton keresztül.
Az elektromos doboz kompozit PS és réz anyák anyagát használja, és finoman készül az ultrahangos beillesztési technológián keresztül.
A rotor PS anyagot használ, és egyesíti a sík és az energiavezető bordák hegesztéseinek okos kialakítását.
Polimer szerkezet
Az amorf műanyagok molekuláris szerkezete véletlenszerűen eloszlik, és nincs rögzített elrendezési iránya. Jellemzője, hogy fokozatosan lágyul a hőmérsékleti tartományban. Amikor az ilyen típusú anyag eléri az üveg átmeneti hőmérsékletét, fokozatosan lágyul, és végül folyékony olvadt állapotba lép. Az anyag folyamata a folyadéktól a megszilárdulásig fokozatos. Az amorf műanyagok hatékonyan továbbíthatják az ultrahangos rezgéseket, és széles lágyítási hőmérsékleti tartományuk miatt könnyebben hegeszthetők és a tömítés elérése.
Másrészt a félig kristályos műanyagok molekuláris szerkezete rendezett. A magas hő kulcsfontosságú a rendezett elrendezés felbontásához. Ezeknek a műanyagoknak éles olvadási pontjai vannak, és amint a hőmérséklet kissé csökken, a folyékony állapot gyorsan megszilárdul. Ezért a forró olvadékterületből kifolyó olvadék gyorsan megszilárdul. Szilárd állapotban a félig kristályos anyagok molekuláris viselkedése olyan, mint egy rugó, amely az ultrahangos rezgések nagy részét felszívja, ahelyett, hogy az ízületi területre továbbítja. Ezért a félig kristályos műanyagok esetében nagy amplitúdójú kimeneti hegesztőfejre van szükség ahhoz, hogy elegendő hőt termeljenek.
TG üveg átmeneti hőmérséklete és a TM olvadási hőmérséklete
A polimer szerkezetének megvitatásakor két fontos hőmérsékleti koncepciót említettünk: a TG üveg átmeneti hőmérséklete és a TM olvadási hőmérséklete. A TG az az a hőmérséklet, amelyen az anyag üveges állapotból nagyon elasztikus állapotba változik, amikor az anyag fokozatosan lágyul. A TM az a hőmérséklet, amely ahhoz szükséges, hogy az anyag teljes mértékben folyadékba olvadjon. Ez a két hőmérsékleti tulajdonság elengedhetetlen a polimer anyagok feldolgozásának és teljesítményének megértéséhez.
A fenti ábra bal oldala amorf műanyagot mutat, míg a jobb oldal félig kristályos műanyagot mutat. A hőre lágyuló anyagokban a töltőanyagok, például az üvegszál, a talkum és az ásványi anyagok javíthatják vagy gátolhatják az ultrahangos hegesztés hatását. Bizonyos anyagok, például a kalcium -karbonát, a kaolin, a talkum, az alumínium -oxid, valamint a szerves szálak, szilícium -dioxid, üveggömbök, kalcium metaszilikátus (wollastonit) és csillám, növelhetik a gyanta keménységét. A tanulmányok kimutatták, hogy amikor a töltőanyag-tartalom eléri a 20%-ot, akkor hatékonyan javíthatja az anyag ultrahangos rezgéseinek átviteli hatékonyságát, különösen a félig kristályos anyagok esetében. Ha azonban a töltőanyag -tartalom meghaladja a 35%-ot, akkor a pecsét megbízhatóságát befolyásolhatja a hegesztés nem megfelelő gyantatartalma miatt. Amikor a töltőanyag -tartalom eléri a 40%-ot, az üvegszálak összegyűlnek a közös helyzetben, ami a hegesztési nem elégséges gyanta tartalmat eredményez, ami viszont befolyásolja a hegesztési szilárdságot. Ezenkívül a fröccsöntési eljárás során a hosszú üvegszálak hajlamosak felhalmozódni az energiairányító bordákra. Hatékony megoldás a rövid üvegszálak rövid üvegszálak használata.
Ezenkívül, ha a töltőanyag -tartalom meghaladja a 10%-ot, az anyag csiszoló részecskéi a hegesztőfej kopását okozhatják. Ezért ajánlott egy karbid acél hegesztőfej vagy titánötvözet hegesztőfej használata, amelyet volfrám -karbid bevonattal borítanak. Ugyanakkor szükség lehet egy nagyobb teljesítményű ultrahangos eszköz kiválasztására annak biztosítása érdekében, hogy az ízületnél elegendő hő keletkezzen.
Másrészt, míg az adalékanyagok javíthatják az anyag általános teljesítményét vagy fröccsöntési tulajdonságait, gyakran gátló hatással vannak az ultrahangos hegesztésre. A tipikus adalékanyagok közé tartoznak a kenőanyagok, lágyítók, ütköző módosítók, égésgátló szerek, színezékek, habzó szerek és újragondolva gyanták. Például a kenőanyagok, például a viasz, a cink -sztearát, a sztearinsav és a zsírsav -észterek csökkentik a polimer molekulák közötti súrlódási együtthatót, ezáltal csökkentve a hőtermelést. Ez a hatás azonban általában kisebb az ízületnél, mivel a kenőanyag -koncentráció alacsony és egyenletesen eloszlatott. Másrészt a lágyítók, például a magas hőmérsékletű szerves folyadékok vagy az alacsony hőmérsékletű olvadó szilárd anyagok növelik az anyag lágyságát és csökkentik a merevséget, de csökkentik a vonzerőt a polimer belső molekulái között, és befolyásolják a rezgési energia átvitelét. Különösen a magasan lágyított anyagok, például a vinil nagyon alkalmatlanok, mint az ultrahangos rezgések átviteli anyagai. Ezenkívül a lágyítók, mint belső adalékanyagok, az idő múlásával vándorolhatnak a műanyag felületére, tovább befolyásolva az ultrahangos hegesztés hatását. Hasonlóképpen, az ütköző módosítók, például a gumi szintén csökkentik az anyag ultrahangos rezgések átvitelének képességét, és nagyobb amplitúdót igényelnek a műanyag megolvadásához.
Az anyaghoz hozzáadott lángrésók, szervetlen oxidok vagy halogénezett szerves elemek (például alumínium, antimon, bór, klór, bróm, kén, nitrogén vagy foszfor), amely hozzáadja az anyaghoz, hatékonyan elnyomhatja az anyag tűzpontját, vagy megváltoztathatja annak égési jellemzőit. Ezek az összetevők azonban gyakran nem tudhatatlanná teszik az anyagot, különösen akkor, ha a égésgátló legalább 50% -ot tesz ki, ami jelentősen csökkenti a hegeszthető anyag mennyiségét. Ilyen anyagokhoz nagy teljesítményű ultrahangos berendezésekre és nagy amplitúdókkal rendelkező hegesztőfejekre van szükség, és a közös kialakítást úgy állítják be, hogy növelje a hegeszthető anyag arányát.
A legtöbb színezék, beleértve a pigmenteket és a színezékeket, nem akadályozza az ultrahangos rezgések átvitelét. Ezek azonban csökkenthetik a hegeszthető anyag mennyiségét a közös területen. Különösen, ha a titán -dioxid (TIO2) tartalma meghaladja az 5%-ot, a kenőanyag -hatása nyilvánvalóvá válik, amely gátló hatással lesz az ultrahangos hegesztésre. Ugyanakkor a szénfekete zavarja az ultrahangos energia terjedését az anyagban.
A habzó szerek csökkentik az anyag képességét az ultrahangos rezgések továbbítására, mivel alacsony sűrűségük és nagyszámú pórusuk a molekuláris szerkezetben megakadályozzák a hatékony energiaátvitelt.
Amikor a földgylansot (regrind) összekeverik az anyagba, a hegesztési hatás optimalizálása érdekében gondosan ki kell értékelni és ellenőrizni kell annak kiegészítését és térfogatát. Bizonyos esetekben a regrind egyáltalán nem használható, és 100% szűz anyag szükséges.
Ezen túlmenően, míg a penészkibocsátási ágensek, például a cink -sztearát, az alumínium sztearát, a fluorokarbonok és a szilikonok elősegíthetik a fröccsöntött alkatrészek felszabadítását, átjuthatnak az ízületi felületre és csökkenthetik az anyag súrlódási együtthatóját, csökkentve ezáltal a hőtermelést és gátolva az ultrahangos hegesztést. Ugyanakkor a penészkibocsátási szerek kémiai szennyeződést is okozhatnak a gyanta számára, és befolyásolhatják a megfelelő kémiai kötések képződését. Különösen a szilikonok a legjelentősebb hatással vannak. Ezért a penészkibocsátási ágensek használatakor a megfelelő besorolást gondosan ki kell választani, és intézkedéseket kell tenni annak megakadályozására, hogy az alkatrész felületére kerüljön.
Ezen túlmenően a különböző anyagok különféle olvadási hőmérsékletei és áramlási indexei lehetnek, amelyek befolyásolhatják az ultrahangos hegesztés hatását is. Például a PMMA öntött fokozatát nehezebb lehet hegeszteni, mint az injekció/extrudálási fokozat, magasabb molekulatömegük és olvadási hőmérsékletük miatt. Ezért a legjobb hegesztési hatás elérése érdekében próbálja meg kiválasztani az azonos fokú hegesztéshez szükséges anyagokat, és ellenőrizze, hogy a két anyag áramlási indexe hasonló, és az olvadási hőmérsékleti különbség 22 fokon belül van.
Az anyag nedvességtartalma jelentős hatással van a hegesztési szilárdságára. A hidroszkópos anyagok, például a PBT, a PC, a PSU és a nylon könnyen felszívják a nedvességet a levegőből. A hegesztési eljárás során ez az elnyelt nedvesség magas hőmérsékleten forr, és a hegesztésbe csapdába esett gáz pórusokat képez és lebontja a műanyagot, ezáltal befolyásolva a hegesztés esztétikáját, erejét és tömítését. Ennek elkerülése érdekében a hidroszkópos anyagokat a fröccsöntés után azonnal hegeszteni kell. Ha az azonnali hegesztés nem lehetséges, a szárított alkatrészeket száraz PE -táskában kell tárolni, vagy hegesztés előtt 3 órán keresztül 80 fokos sütőbe kell helyezni.
Ezen túlmenően, amikor a különféle típusú anyagokat hegeszti, különös figyelmet kell fordítani a két anyag olvadási hőmérsékletére és molekuláris szerkezetére. Az ideális hegesztési feltétel az, hogy a két anyag olvadási hőmérsékleti különbsége nem haladja meg a 22 fokot, és a molekuláris szerkezet hasonló. Ha az olvadási hőmérsékleti különbség túl nagy, akkor az alacsonyabb olvadási ponttal rendelkező anyag megolvad és először áramlik, és nem fog elegendő hőt biztosítani ahhoz, hogy az anyagot magasabb olvadási ponttal megolvaszthassa. Például, ha a magas olvadáspontú PMMA-t hegeszti az alacsony olvadáspontú PMMA-val, ha az energiakorvezető a nagy olvadáspontú PMMA-n helyezkedik el, akkor az alacsony olvadáspontú anyagcsukló először megolvad és áramlik, ami az energiamag vezetője lágyulást okoz, ami viszont befolyásolja a hegesztési szilárdságot.
Ezenkívül az anyagkompatibilitás kulcsfontosságú tényező a sikeres hegesztéshez. Csak kémiailag kompatibilis anyagok, azaz hasonló molekuláris szerkezetű anyagok hegeszthetők. Érdemes megjegyezni, hogy az anyagkompatibilitás elsősorban az amorf anyagok, például az ABS és a PMMA, a PC és a PMMA, valamint a PS és a módosított PPO között létezik. A félig kristályos műanyagok, például a PP és a PE, bár hasonló fizikai tulajdonságokkal rendelkeznek, eltérő molekuláris struktúrákkal rendelkeznek, és ezért nem rendelkeznek anyagi kompatibilitással, és nem hegeszthetők.
