Zgrzewanie ultradźwiękowe tworzyw sztucznych

Zgrzewanie ultradźwiękowe tworzyw sztucznych

Najważniejsze informacje

• Nagrzewanie lepkosprężyste na styku — drgania 20–40 kHz topią prowadnicę energii lub złącze ścinane w czasie krótszym niż sekunda.
• Żywice amorficzne zgrzewają się łatwo; żywice półkrystaliczne wymagają złącza ścinanego, geometrii w polu bliskim i dokładniejszej kontroli.
• Tryb sterowania zagłębieniem ze wskazanym oknem jest niezawodnym sposobem prowadzenia i walidacji procesu.
• Najszybsza i najtańsza metoda zgrzewania, ograniczona cząstkami, śladami po sonotrodzie i zawartością wrażliwą na drgania.

Zgrzewanie ultradźwiękowe tworzyw sztucznych

Zgrzewanie ultradźwiękowe to proces łączenia tworzyw termoplastycznych, w którym drgania mechaniczne o częstotliwości 20–40 kHz i amplitudzie 20–120 µm (wartość międzyszczytowa) są przekazywane przez jedną część do powierzchni złącza, gdzie nagrzewanie lepkosprężyste i tarciowe topi cienką warstwę polimeru, która krzepnie pod naciskiem, tworząc zgrzew. Nie wykorzystuje się rozpuszczalnika, kleju ani materiałów eksploatacyjnych.

Zestaw drgający tworzą przetwornik piezoelektryczny dający ok. 20 µm przy 20 kHz, wzmacniacz o przełożeniu np. 1:1,5 lub 1:2,5 oraz sonotroda dostrojona do tej samej częstotliwości, dociskająca część siłą pneumatyczną lub serwo. 20 kHz nadaje się do większych części i wyższej mocy; 30–40 kHz do małych, delikatnych lub widocznych części, ponieważ amplituda, naprężenia i ślady są mniejsze.

Polimery są lepkosprężyste: odkształcenie cykliczne jest częściowo zamieniane na ciepło przez histerezę, skoncentrowane w najmniejszym przekroju — wierzchołku prowadnicy energii lub wcisku złącza ścinanego — gdzie topienie rozpoczyna się w ciągu milisekund. Złącze w odległości do ok. 6 mm od powierzchni sonotrody znajduje się w polu bliskim, dalej w polu dalekim. Żywice amorficzne przenoszą drgania z niewielkimi stratami i zgrzewają się w polu dalekim; żywice półkrystaliczne i elastomery tłumią drgania i zgrzewają się niezawodnie tylko w polu bliskim.

Przydatność materiałów

Parametry procesu i konstrukcja złącza

Konstrukcja złącza decyduje o wyniku bardziej niż jakiekolwiek ustawienie. Prowadnica energii to trójkątne żebro na jednej z powierzchni łączonych, o kącie rozwarcia 60–90° i wysokości 0,2–0,6 mm, z podstawą ok. dwukrotnie szerszą niż wysokość; dla żywic półkrystalicznych należy stosować 60° i wyższą prowadnicę, a części pozycjonować stopniem lub złączem na pióro i wpust. Złącze ścinane wykorzystuje wcisk promieniowy 0,2–0,4 mm między wargą a ścianką, prowadzenie wejściowe 30–45°, głębokość zgrzewu ok. 1,25 grubości ścianki oraz gniazdo przeciwdziałające naprężeniom obwodowym. Złącza ścinane dają najmocniejsze i najbardziej hermetyczne zgrzewy w żywicach półkrystalicznych.

Rozwiązywanie problemów ze zgrzewami ultradźwiękowymi

Ultradźwięki a spawanie laserowe, wibracyjne i płytą grzewczą

Pod względem czasu cyklu i kosztu oprzyrządowania ultradźwięki rzadko mają konkurencję, a rzadko są właściwym wyborem dla dużych części o krytycznym wyglądzie, z elektroniką lub wrażliwych na cząstki. Zwykłą alternatywą jest spawanie laserowe metodą transmisyjną; wymaga ono dobranej pary żywic (zob. spawanie laserowe transmisyjne – wyjaśnienie oraz dobór pary żywic i barwników) i powierzchni złącza w granicach ok. 0,1 mm, podczas gdy ultradźwięki tolerują gorsze dopasowanie i dowolny kolor. Inżynierowie Sabreen opracowują procesy spawania laserowego, nie sprzedają urządzeń i stosują to porównanie przed rekomendacją którejkolwiek metody.

Określanie i walidacja zgrzewu ultradźwiękowego

Zapis „zgrzewać ultradźwiękowo” na rysunku niczego nie określa. Należy podać wymaganie eksploatacyjne, okno procesowe i dowód, że to okno je spełnia.

• Wytrzymałość. Wytrzymałość na rozciąganie zespołu lub próbka dwuteowa wg AWS G1.2M/G1.2 do wstępnej selekcji par materiałów; zgrzewy amorficzne w polu bliskim osiągają 70–100% wytrzymałości materiału bazowego. Należy podać minimum i rodzaj zniszczenia.
• Rozrywanie i szczelność. Minimalne ciśnienie rozrywające oraz liczbowy limit spadku ciśnienia lub nieszczelności helowej, a nie „brak przecieków”. Mocny zgrzew z 2-milimetrowym brakiem nadal przecieka.
• Okno zagłębienia. Na przykład 0,35 ± 0,05 mm, z energią i mocą szczytową jako limitami dodatkowymi rejestrowanymi w każdym cyklu; części spoza okna są odrzucane.
• IQ/OQ/PQ. Zgodnie z ISO 13485 i przepisami FDA dotyczącymi systemu jakości: IQ potwierdza zgrzewarkę, zestaw drgający, oprzyrządowanie i zmierzoną amplitudę; OQ wyznacza okno metodą planowanego eksperymentu dla amplitudy, siły i zagłębienia; PQ obejmuje trzy partie przy wartościach nominalnych z operatorami i żywicą produkcyjną. Kwalifikację należy powtórzyć po każdej zmianie sonotrody, wzmacniacza lub żywicy; konstrukcję złączy omawia DVS 2216.

Powiązane terminy i lektura

• Spawanie laserowe tworzyw sztucznych
• Spawanie laserowe metodą transmisyjną
• Usługi spawania laserowego
• Spawanie laserowe transmisyjne – wyjaśnienie
• Dobór pary żywic i barwników
• Spawanie laserowe przezroczystych tworzyw

Zastosowanie w produkcji

The Sabreen Group zapewnia niezależne wsparcie inżynieryjne w zakresie opracowywania procesów zgrzewania ultradźwiękowego i laserowego, konstrukcji złączy i walidacji zgrzewów. Jeśli określają Państwo proces, kwalifikują materiał lub rozwiązują problem produkcyjny, nasz zespół usług inżynieryjnych może pomóc. Skontaktuj się z nami, aby omówić Państwa zastosowanie.

Najczęściej zadawane pytania

Czy zgrzewać przy 20 kHz, czy 40 kHz?

20 kHz dla części powyżej ok. 50 mm, grubych ścianek, żywic półkrystalicznych i złączy w polu dalekim, które wymagają większej amplitudy i mocy. 30–40 kHz dla małych, cienkościennych lub widocznych części oraz wszystkiego, co zawiera elektronikę: amplituda i przenoszone naprężenia maleją o połowę, ślady są mniejsze, a sonotroda jest o połowę krótsza.

Czy polipropylen i inne tworzywa półkrystaliczne można zgrzewać ultradźwiękowo?

Tak, ale z węższym oknem. Tłumią one drgania, więc złącze musi znajdować się w odległości do ok. 6 mm od sonotrody przy amplitudzie 60–120 µm i powinno być złączem ścinanym lub ostrą prowadnicą 60°, a nie prowadnicą 90° stosowaną dla ABS. Ostry punkt topnienia sprawia, że większe znaczenie ma siła docisku w fazie przetrzymania.

Dlaczego zgrzew przechodzi próbę zrywania, a mimo to przecieka?

Ponieważ wytrzymałość i ciągłość to nie to samo. Próba zrywania uśrednia cały zgrzew i kończy się wynikiem pozytywnym, jeśli 90% złącza jest sprawne, natomiast jeden 2-milimetrowy brak spowodowany wypaczoną częścią lub nieprostopadłą sonotrodą powoduje przeciek. Szczelność należy określić jako limit liczbowy, stosować tryb sterowania zagłębieniem, aby odrzucać części niedogrzane, i sprawdzać równoległość sonotrody, gdy przecieki się grupują.

Kiedy lepsze jest spawanie laserowe?

Gdy część jest krytyczna wizualnie, zawiera elektronikę, wymaga ścieżki płynu bez cząstek, ma długi lub trójwymiarowy szew albo przekracza zasięg sonotrody. Laser nie powoduje drgań, śladów po sonotrodzie ani cząstek, kosztem wyższych nakładów inwestycyjnych, dobranej pary żywic i powierzchni złącza w granicach ok. 0,1 mm. Ultradźwięki nadal wygrywają czasem cyklu i kosztem.

---