Ультразвуковая сварка

редактировать
Ультразвуковая сварка тонкой металлической фольги. сонотрод вращается вдоль сварного шва.

Ультразвуковая сварка - это промышленный процесс, при котором высокочастотный ультразвуковой акустический Вибрации локально применяются к деталям, удерживаемым вместе под давлением, для создания твердотельного сварного шва. Он обычно используется для пластмасс и металлов, и особенно для соединения разнородных материалов. При ультразвуковой сварке не нужны соединительные болты, гвозди, паяльные материалы или клеи, необходимые для связывания материалов вместе. Применительно к металлам примечательной характеристикой этого метода является то, что температура остается значительно ниже точки плавления используемых материалов, что предотвращает любые нежелательные свойства, которые могут возникнуть в результате воздействия высоких температур на материалы.

Содержание

  • 1 История
  • 2 Процесс
  • 3 Компоненты
  • 4 Приложения
    • 4.1 Компьютерная и электрическая промышленность
    • 4.2 Авиакосмическая и автомобильная промышленность
    • 4.3 Медицинская промышленность
    • 4.4 Упаковочная промышленность
    • 4.5 Одежда
  • 5 Безопасность
  • 6 См. Также
  • 7 Ссылки
    • 7.1 Примечания
    • 7.2 Библиография
  • 8 Дополнительная литература

История

Завершено практическое применение ультразвуковой сварки жестких пластиков в 1960-е гг. На этом этапе можно было сваривать только твердые пластмассы. Патент на ультразвуковой метод сварки жестких термопластичных деталей был выдан Роберту Солоффу и Сеймуру Линсли в 1965 году. Солофф, основатель компании Sonics Materials Inc., был менеджером лаборатории в Branson Instruments, где тонкие пластиковые пленки сваривали в пакеты и трубки. с помощью ультразвуковых датчиков. Он непреднамеренно пододвинул зонд близко к диспенсеру с пластиковой лентой, и половинки диспенсера были сварены вместе. Он понял, что зонд не нужно вручную перемещать вокруг детали, но что ультразвуковая энергия может проходить через твердый пластик и вокруг него и сваривать все соединение. Он продолжил разработку первого ультразвукового пресса. Впервые эта новая технология была применена в индустрии игрушек.

Первый автомобиль, полностью сделанный из пластика, был собран с помощью ультразвуковой сварки в 1969 году. Хотя пластиковые автомобили не прижились, ультразвуковая сварка сделала. В автомобильной промышленности он регулярно используется с 1980-х годов. Сейчас он используется для множества приложений.

Процесс

Ультразвуковая сварка

Для соединения сложных деталей, полученных литьем под давлением из термопласта, оборудование для ультразвуковой сварки можно легко настроить в соответствии с точными характеристиками свариваемых деталей. Детали зажаты между гнездом фиксированной формы (наковальня ) и сонотродом (рупором), подключенным к преобразователю, и акустическим устройством с низкой амплитудой ~ 20 кГц. излучается вибрация. (Примечание: общие частоты, используемые при ультразвуковой сварке термопластов, составляют 15 кГц, 20 кГц, 30 кГц, 35 кГц, 40 кГц и 70 кГц). При сварке пластмасс интерфейс двух частей специально разработан для концентрации процесса плавления. Один из материалов обычно имеет шип или закругленную направляющую энергии, которая контактирует со второй пластиковой частью. Ультразвуковая энергия плавит точечный контакт между деталями, создавая соединение. Этот процесс является хорошей автоматизированной альтернативой клею, винтам или защелкиванию. Он обычно используется с небольшими деталями (например, сотовыми телефонами, бытовой электроникой, одноразовыми медицинскими инструментами, игрушками и т. Д.), Но его можно использовать с деталями размером с небольшую автомобильную приборную панель. Ультразвук также может использоваться для сварки металлов, но обычно ограничивается небольшими сварными швами тонких ковких металлов, например алюминий, медь, никель. Ультразвук не будет использоваться при сварке шасси автомобиля или при сварке деталей велосипеда вместе из-за требуемых уровней мощности.

Ультразвуковая сварка термопластов вызывает локальное плавление пластика из-за поглощения энергии колебаний вдоль свариваемого соединения. В металлах сварка происходит из-за диспергирования поверхностных оксидов под высоким давлением и локального движения материалов. Хотя нагрев есть, его недостаточно для плавления основных материалов.

Ультразвуковая сварка может использоваться как для твердых, так и для мягких пластиков, таких как полукристаллических пластиков и металлов. Понимание ультразвуковой сварки расширилось благодаря исследованиям и испытаниям. Изобретение более сложного и недорогого оборудования и возросший спрос на пластмассовые и электронные компоненты привели к углублению знаний о фундаментальном процессе. Однако многие аспекты ультразвуковой сварки все еще требуют дополнительных исследований, например, связь качества сварки с параметрами процесса. Ультразвуковая сварка продолжает оставаться быстро развивающейся областью.

Ученым из Института материаловедения и инженерии (WKK) Кайзерслаутернского университета при поддержке Немецкого исследовательского фонда (Deutsche Forschungsgemeinschaft ) удалось доказать, что с помощью ультразвуковой сварки процессы могут привести к очень прочным связям между легкими металлами и листами из армированного углеродным волокном полимера (CFRP).

Преимущества ультразвуковой сварки заключаются в том, что она выполняется намного быстрее, чем обычные клеи или растворители. Время высыхания очень быстрое, и детали не нужно долго оставаться в приспособлении, ожидая, пока соединение высохнет или затвердеет. Сварку можно легко автоматизировать, создавая чистые и точные соединения; Место сварки очень чистое и редко требует подкраски. Низкое тепловое воздействие на задействованные материалы позволяет сваривать большее количество материалов.

Компоненты

Все системы ультразвуковой сварки состоят из одних и тех же основных элементов:

  • пресс, обычно с пневматическим или электрическим приводом, для сборки двух частей под давлением
  • Гнездо, наковальня или приспособление, в котором размещаются детали и позволяющие направлять высокочастотную вибрацию к интерфейсам
  • Ультразвуковой пакет, состоящий из преобразователя или пьезоэлектрического преобразователя, дополнительный бустер и сонотрод (США: Horn). Все три элемента пакета специально настроены для резонанса на одной и той же точной ультразвуковой частоте (обычно 15, 20, 30, 35 или 40 кГц)
    • Преобразователь: преобразует электрический сигнал в механическую вибрацию с использованием пьезоэлектрического эффекта.
    • Booster: механически изменяет амплитуду вибрации. Он также используется в стандартных системах для зажима пакета в прессе.
    • Рупор или сонотрод: принимает форму детали, также механически изменяет амплитуду и применяет механическую вибрацию к свариваемым деталям.
  • Электронный ультразвуковой генератор (США: источник питания), доставляющий электрический сигнал высокой мощности с частотой, соответствующей резонансной частоте пакета.
  • Контроллер, управляющий движением пресса и доставка ультразвуковой энергии.

Области применения

Ультразвуковая сварка широко применяется во многих отраслях промышленности, включая электротехническую и компьютерную, автомобильную и авиакосмическую, медицинскую и упаковочную. Возможность сварки двух изделий с помощью ультразвука зависит от их толщины. Если они будут слишком толстыми, этот процесс к ним не присоединится. Это главное препятствие при сварке металлов. Однако провода, соединения микросхем, листовой металл, фольга, ленты и сетки часто соединяются с помощью ультразвуковой сварки. Ультразвуковая сварка - очень популярный метод склеивания термопластов. Он быстро и легко автоматизируется, время сварки часто составляет менее одной секунды, и нет необходимости в системе вентиляции для отвода тепла или выхлопных газов. Этот тип сварки часто используется для создания узлов, которые слишком малы, слишком сложны или слишком тонки для более распространенных методов сварки.

Компьютерная и электротехническая промышленность

В электротехнической и компьютерной промышленности ультразвуковая сварка часто используется для соединения проводных соединений и создания соединений в небольших, тонких цепях. Места стыков жгутов проводов часто соединяют с помощью ультразвуковой сварки. Жгуты проводов - это большие группы проводов, используемых для распределения электрических сигналов и питания. Электродвигатели, катушки возбуждения, трансформаторы и конденсаторы также могут быть собраны с помощью ультразвуковой сварки. Его также часто предпочитают при сборке носителей информации, таких как флэш-накопители и компьютерные диски, из-за требуемых больших объемов. Ультразвуковая сварка компьютерных дисков имеет время цикла менее 300 мс.

Одной из областей, в которой ультразвуковая сварка наиболее широко используется и где сосредоточены новые исследования и эксперименты, являются микросхемы. Этот процесс идеально подходит для микросхем, поскольку он создает надежные соединения без внесения примесей или теплового искажения в компоненты. Полупроводниковые приборы, транзисторы и диоды часто соединяются тонкими алюминиевыми и золотыми проводами с помощью ультразвуковой сварки. Он также используется для приклеивания проводов и лент, а также целых микросхем к микросхемам. Примером использования микросхем являются медицинские датчики, используемые для контроля человеческого сердца у пациентов с шунтированием.

Одно из различий между ультразвуковой сваркой и традиционной сваркой заключается в способности ультразвуковой сварки соединять разнородные материалы. Сборка компонентов батареи является хорошим примером использования этой способности. При создании компонентов батареи и топливного элемента тонкие медные, никелевые и алюминиевые соединения, слои фольги и металлические сетки часто свариваются вместе с помощью ультразвуковой сварки. За один сварной шов часто можно нанести несколько слоев фольги или сетки, что исключает необходимость этапов и затрат.

Аэрокосмическая и автомобильная промышленность

В автомобилях ультразвуковая сварка обычно используется для сборки крупных пластиковых и электрических компонентов, таких как приборные панели, дверные панели, лампы, воздуховоды, рулевые колеса, обивка и компоненты двигателя. Поскольку пластмассы продолжают заменять другие материалы при разработке и производстве автомобилей, сборка и соединение пластиковых компонентов становится все более важной проблемой. Некоторые из преимуществ ультразвуковой сварки - это малое время цикла, автоматизация, низкие капитальные затраты и гибкость. Кроме того, ультразвуковая сварка не повреждает отделку поверхности, что является решающим фактором для многих производителей автомобилей, поскольку высокочастотная вибрация предотвращает образование следов.

Ультразвуковая сварка обычно используется в аэрокосмической промышленности при соединении тонких листовой прокат и другие легкие материалы. Алюминий - металл, который сложно сваривать традиционными методами из-за его высокой теплопроводности. Однако это один из материалов, которые легче сваривать с помощью ультразвуковой сварки, поскольку это более мягкий металл и, следовательно, сварка в твердом состоянии проста. Поскольку алюминий так широко используется в аэрокосмической промышленности, ультразвуковая сварка является важным производственным процессом. Кроме того, с появлением новых композиционных материалов ультразвуковая сварка становится все более распространенной. Он был использован при склеивании популярного композитного материала углеродного волокна. Были проведены многочисленные исследования, чтобы найти оптимальные параметры, обеспечивающие получение качественных сварных швов для этого материала.

Медицинская промышленность

В медицинской промышленности часто используется ультразвуковая сварка, поскольку она не приводит к загрязнению и разрушению. в сварной шов, и машины могут быть специализированы для использования в чистых помещениях. Процесс также может быть в высокой степени автоматизирован, обеспечивает строгий контроль допусков на размеры и не влияет на биосовместимость деталей. Таким образом, повышается качество деталей и снижаются производственные затраты. Такие предметы, как артериальные фильтры, анестезиологические фильтры, фильтры крови, катетеры для внутривенных вливаний, диализные трубки, пипетки, резервуары для кардиометрии, фильтры крови / газа, маски для лица и иглы / фильтры для внутривенных вливаний могут быть изготовлены с помощью ультразвуковой сварки. Еще одно важное применение ультразвуковой сварки в медицинской промышленности - текстиль. Такие предметы, как больничные халаты, стерильная одежда, маски, трансдермальные пластыри и ткани для чистых помещений, могут быть запечатаны и сшиты с помощью ультразвуковой сварки. Это предотвращает загрязнение и образование пыли и снижает риск заражения.

Упаковочная промышленность

Бутановая зажигалка

Упаковка - это область применения, в которой часто используется ультразвуковая сварка. Многие обычные предметы создаются или упаковываются с помощью ультразвуковой сварки. Запечатывание контейнеров, тюбиков и блистерных упаковок является обычным применением.

Ультразвуковая сварка также применяется при упаковке опасных материалов, таких как взрывчатые вещества, фейерверки и другие химически активные вещества. Эти элементы обычно требуют герметичного уплотнения, но не могут подвергаться воздействию высоких температур. Одним из примеров является бутановая зажигалка. Этот сварной шов контейнера должен выдерживать высокое давление и напряжение и должен быть герметичным, чтобы удерживать бутан. Другой пример - упаковка боеприпасов и метательного взрывчатого вещества. Эти упаковки должны выдерживать высокое давление и нагрузку, чтобы защитить потребителя от содержимого. При герметизации опасных материалов безопасность является первоочередной задачей.

Пищевая промышленность считает, что ультразвуковая сварка предпочтительнее традиционных методов соединения, потому что она быстрая, гигиеничная и позволяет производить герметичные уплотнения. Емкости для молока и сока - примеры продуктов, которые часто запечатываются с помощью ультразвуковой сварки. Свариваемые бумажные части покрываются пластиком, обычно полипропиленом или полиэтиленом, а затем свариваются вместе для создания герметичного уплотнения. Главное препятствие, которое необходимо преодолеть в этом процессе, - это настройка параметров. Например, если происходит чрезмерная сварка, концентрация пластика в зоне сварного шва может быть слишком низкой, что приведет к разрыву уплотнения. Если он не приварен, уплотнение неполное. Различия в толщине материалов могут привести к изменению качества сварки. Некоторые другие продукты питания, запечатанные с помощью ультразвуковой сварки, включают обертки от конфет, упаковки для замороженных продуктов и контейнеры для напитков.

Одежда

В 2000-х годах ультразвуковая сварка использовалась для производства купальников LZR Racer.

Безопасность

Опасности при ультразвуковой сварке включают воздействие высоких уровней тепла и напряжения. Это оборудование следует эксплуатировать с соблюдением правил техники безопасности, предоставленных производителем, чтобы избежать травм. Например, операторы никогда не должны подносить руки к сварочному наконечнику, когда аппарат включен. Кроме того, операторы должны быть обеспечены средствами защиты органов слуха и защитными очками. Операторы должны быть проинформированы о правилах государственных органов в отношении оборудования для ультразвуковой сварки, и эти правила должны выполняться.

Аппараты для ультразвуковой сварки требуют текущего обслуживания и осмотра. Двери панели, крышки корпуса и защитные ограждения, возможно, потребуется снять для обслуживания. Это должно выполняться при отключенном питании оборудования и только обученным профессионалом, обслуживающим машину.

Субгармонические колебания, которые могут создавать раздражающий слышимый шум, могут возникать в более крупных частях вблизи аппарата из-за частоты ультразвуковой сварки. Этот шум можно подавить, зажимая эти большие детали в одном или нескольких местах. Кроме того, мощные сварочные аппараты с частотами 15 кГц и 20 кГц обычно издают потенциально опасный пронзительный визг в диапазоне человеческого слуха. Экранирование излучаемого звука может быть выполнено с помощью акустического кожуха.

См. Также

Ссылки

Примечания

Библиография

Дополнительная литература

На Wikimedia Commons есть материалы, относящиеся к сварке.
Последняя правка сделана 2021-06-20 10:08:23
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте