Hàn siêu âm nhựa

Hàn siêu âm nhựa

Điểm chính cần nhớ

• Gia nhiệt nhớt đàn hồi tại bề mặt tiếp xúc — rung động 20–40 kHz làm chảy gờ dẫn năng lượng hoặc mối hàn trượt trong chưa đến một giây.
• Nhựa vô định hình hàn dễ; nhựa bán tinh thể cần mối hàn trượt, hình học trường gần và kiểm soát chặt chẽ hơn.
• Chế độ khoảng sụp với cửa sổ được quy định rõ là cách vận hành và thẩm định quy trình một cách vững chắc.
• Là phương pháp hàn nhanh nhất và rẻ nhất, nhưng bị giới hạn bởi bụi hạt, vết đầu hàn và các chi tiết bên trong nhạy với rung động.

Hàn siêu âm nhựa

Hàn siêu âm là quy trình ghép nhựa nhiệt dẻo, trong đó rung động cơ học ở 20–40 kHz với biên độ 20–120 µm đỉnh–đỉnh được truyền qua một chi tiết đến mặt tiếp giáp, nơi gia nhiệt nhớt đàn hồi và ma sát làm chảy một lớp polymer mỏng, rồi đông đặc dưới áp lực để tạo thành mối hàn. Không dùng dung môi, keo dán hay vật tư tiêu hao.

Bộ rung gồm bộ chuyển đổi áp điện cho khoảng 20 µm ở 20 kHz, bộ tăng biên độ với hệ số như 1:1,5 hoặc 1:2,5, và đầu hàn được điều chỉnh cùng tần số, ép lên chi tiết bằng lực khí nén hoặc servo. 20 kHz phù hợp với chi tiết lớn và công suất cao; 30–40 kHz phù hợp với chi tiết nhỏ, mỏng manh hoặc yêu cầu thẩm mỹ vì biên độ, ứng suất và vết hằn thấp hơn.

Polymer có tính nhớt đàn hồi: biến dạng tuần hoàn được chuyển một phần thành nhiệt do hiện tượng trễ, tập trung ở tiết diện nhỏ nhất — đỉnh gờ dẫn năng lượng hoặc phần giao thoa của mối hàn trượt — nơi quá trình chảy bắt đầu trong vài mili giây. Mối hàn cách mặt đầu hàn trong khoảng 6 mm là trường gần, xa hơn là trường xa. Nhựa vô định hình truyền rung với tổn hao thấp và hàn được ở trường xa; nhựa bán tinh thể và chất đàn hồi làm tắt rung động nên chỉ hàn đáng tin cậy ở trường gần.

Mức độ phù hợp của vật liệu

Thông số quy trình và thiết kế mối hàn

Thiết kế mối hàn quyết định nhiều hơn bất kỳ cài đặt nào. Gờ dẫn năng lượng là gờ hình tam giác trên một mặt ghép, góc ở đỉnh 60–90° và cao 0,2–0,6 mm, đáy khoảng gấp đôi chiều cao; dùng góc 60° và phần cao hơn cho nhựa bán tinh thể, và định vị các chi tiết bằng bậc hoặc rãnh–ngàm. Mối hàn trượt dùng độ giao thoa hướng kính 0,2–0,4 mm giữa mép và thành, vát dẫn hướng 30–45°, chiều sâu mối hàn khoảng 1,25 lần chiều dày thành, và đồ gá chịu được ứng suất vòng. Mối hàn trượt cho mối hàn bền và kín khí nhất ở nhựa bán tinh thể.

Khắc phục sự cố mối hàn siêu âm

So sánh hàn siêu âm với hàn laser, hàn rung và hàn tấm nhiệt

Hàn siêu âm hiếm khi bị vượt về thời gian chu kỳ hoặc chi phí dụng cụ, và hiếm khi phù hợp với chi tiết lớn, yêu cầu thẩm mỹ cao, chứa điện tử hoặc nhạy với bụi hạt. Hàn laser truyền qua là giải pháp thay thế thông thường; phương pháp này cần cặp nhựa tương thích (xem hàn laser truyền qua nhựa được giải thích và lựa chọn cặp nhựa và chất tạo màu) và mặt mối hàn khớp trong khoảng 0,1 mm, trong khi hàn siêu âm chấp nhận độ khớp kém hơn và mọi màu sắc. Sabreen thiết kế kỹ thuật cho các quy trình hàn laser, không bán thiết bị, và áp dụng phép so sánh này trước khi đề xuất phương pháp nào.

Quy định và thẩm định mối hàn siêu âm

Chỉ ghi “hàn siêu âm” trên bản vẽ thì chưa quy định gì. Hãy nêu yêu cầu về tính năng, cửa sổ trong quy trình và bằng chứng cho thấy cửa sổ đó đạt yêu cầu.

• Độ bền. Lực kéo trên cụm lắp ráp, hoặc mẫu dầm chữ I theo AWS G1.2M/G1.2 để sàng lọc cặp vật liệu; mối hàn trường gần ở nhựa vô định hình đạt 70–100% độ bền vật liệu gốc. Nêu giá trị tối thiểu và dạng phá hủy.
• Áp suất nổ và rò rỉ. Áp suất nổ tối thiểu và giới hạn bằng số cho độ sụt áp hoặc rò rỉ heli, không ghi “không rò rỉ”. Một mối hàn bền nhưng có đoạn bỏ sót 2 mm vẫn rò rỉ.
• Cửa sổ khoảng sụp. Ví dụ 0,35 ± 0,05 mm, kèm năng lượng và công suất đỉnh là các giới hạn phụ được ghi lại ở mỗi chu kỳ; chi tiết ngoài cửa sổ bị loại.
• IQ/OQ/PQ. Theo ISO 13485 và quy định hệ thống chất lượng của FDA: IQ xác nhận máy hàn, bộ rung, đồ gá và biên độ đo được; OQ lập bản đồ cửa sổ bằng thiết kế thí nghiệm theo biên độ, lực và khoảng sụp; PQ chạy ba lô ở giá trị danh định với thao tác viên và nhựa sản xuất. Thẩm định lại sau mọi thay đổi đầu hàn, bộ tăng biên độ hoặc nhựa; DVS 2216 quy định về thiết kế mối hàn.

Thuật ngữ và tài liệu liên quan

• Hàn nhựa bằng laser
• Hàn laser truyền qua
• Dịch vụ hàn laser
• Hàn laser truyền qua nhựa được giải thích
• Lựa chọn cặp nhựa và chất tạo màu
• Hàn laser nhựa trong suốt với nhựa trong suốt

Áp dụng vào sản xuất

The Sabreen Group cung cấp hỗ trợ kỹ thuật độc lập về phát triển quy trình hàn siêu âm và hàn laser, thiết kế mối hàn và thẩm định mối hàn. Nếu quý khách đang xây dựng quy trình, phê duyệt vật liệu hoặc xử lý sự cố sản xuất, đội ngũ dịch vụ kỹ thuật của chúng tôi có thể hỗ trợ. Hãy liên hệ với chúng tôi để trao đổi về ứng dụng của quý khách.

Câu hỏi thường gặp

Nên hàn ở 20 kHz hay 40 kHz?

Dùng 20 kHz cho chi tiết lớn hơn khoảng 50 mm, thành dày, nhựa bán tinh thể và mối hàn trường xa, vì cần biên độ và công suất lớn hơn. Dùng 30–40 kHz cho chi tiết nhỏ, thành mỏng hoặc yêu cầu thẩm mỹ và mọi chi tiết chứa điện tử: biên độ và ứng suất truyền đi giảm một nửa, vết hằn giảm, và đầu hàn chỉ dài bằng một nửa.

Polypropylene và các loại nhựa bán tinh thể khác có hàn siêu âm được không?

Được, nhưng với cửa sổ hẹp hơn. Chúng làm tắt rung động nên mối hàn phải nằm trong khoảng 6 mm so với đầu hàn ở biên độ 60–120 µm, và nên là mối hàn trượt hoặc gờ dẫn năng lượng nhọn 60° thay vì gờ 90° như với ABS. Điểm nóng chảy rõ rệt của chúng khiến lực giữ quan trọng hơn.

Vì sao mối hàn đạt thử kéo nhưng vẫn rò rỉ?

Vì độ bền và tính liên tục là hai việc khác nhau. Thử kéo lấy trung bình cả mối hàn và đạt nếu 90% mối nối tốt, trong khi chỉ một đoạn bỏ sót 2 mm do chi tiết cong vênh hoặc đầu hàn không phẳng cũng gây rò rỉ. Hãy quy định rò rỉ bằng giới hạn số, chạy chế độ khoảng sụp để loại chi tiết hàn thiếu, và kiểm tra độ song song của đầu hàn khi rò rỉ tập trung.

Khi nào hàn laser là lựa chọn tốt hơn?

Khi chi tiết yêu cầu thẩm mỹ cao, chứa điện tử, cần đường dẫn chất lỏng không có bụi hạt, có đường hàn dài hoặc ba chiều, hoặc vượt tầm với của đầu hàn. Hàn laser không có rung động, vết đầu hàn hay bụi hạt, đổi lại là vốn đầu tư cao hơn, cần cặp nhựa tương thích và mặt mối hàn khớp trong khoảng 0,1 mm. Hàn siêu âm vẫn thắng về thời gian chu kỳ và chi phí.

---