Ultraskaņas plastmasas montāžas tehnoloģiju plaši izmanto termoplastikas savienojumā. Tā ražotās locītavas ir ne tikai spēcīgas un izturīgas, bet arī skaistas pēc izskata. Šī tehnoloģija aptver četras galvenās kategorijas, starp kurām pētījumu uzmanības centrā ir ultraskaņas metināšana. Ultraskaņas metināšana izmanto augstfrekvences ultraskaņas enerģiju (15-50 kHz), lai radītu zemas amplitūdas (1-100 μm) mehāniskās vibrācijas. Šī vibrācija darbojas uz komponentu locītavām, izkausējot termoplastisko materiālu caur berzes siltuma veidošanos un pēc tam veidojot metinājumu. Tā metināšanas ātrums ir ārkārtīgi ātrs, parasti no 0,1 sekundēm līdz 1,0 sekundēm.
Ultraskaņas metināšanas procesa laikā termoplastikā rodas sinusoidāli stāvošie viļņi. Starpmolekulārās berzes dēļ daļa enerģijas tiek pārveidota par siltuma enerģiju, kas paaugstina materiāla temperatūru. Vēl viena enerģijas daļa ir koncentrēta un pārnesta uz savienojumu, kuru vietēji silda ar robežu berzi. Tāpēc ultraskaņas enerģijas pārraides ceļu un materiāla kušanas izturēšanos kopīgi ietekmē materiāla ģeometrija un materiāla ultraskaņas absorbcijas īpašības.
Kad vibrācijas avots ir tuvu metināšanas locītavai, materiālam ir mazāk enerģijas absorbcijas zudumu. Ja attālums no vibrācijas avota līdz savienojumam ir mazāks par 6,4 mm, procesu sauc par tuvu lauka metināšanu, kas ir piemērota kristāliskiem materiāliem ar lielu enerģijas absorbciju un zemu stingrības materiāliem. Ja attālums ir lielāks par 6,4 mm, to sauc par tālo metināšanu, kas ir piemērota amorfiem materiāliem ar zemas enerģijas absorbciju un augstu stingrības materiāliem.
Sakarā ar locītavas virsmas "nevienmērīgajām" īpašībām ir viegli radīt augstu temperatūru un augstu berzi, kas veicina ultraskaņas enerģijas uzkrāšanos. Daudzos ultraskaņas metināšanas pielietojumos uz augšējās daļas virsmas ir paredzēts trīsstūrveida izvirzījums, ko sauc par enerģijas vadotnes ribu, kas vada vibrācijas enerģiju, lai koncentrētos pie locītavas.
Ultraskaņas metināšanas procesa laikā vibrācijas enerģija darbojas vertikāli uz locītavas virsmas, un enerģijas virzošā ribas gals saskaras ar metināto daļu zem spiediena. Berzes siltuma ģenerēšanas dēļ galā tiek ģenerēts liels daudzums siltuma, izraisot enerģijas vadotnes ribas sākšanu. Visu metināšanas procesu var iedalīt četros posmos. Pirmkārt, enerģijas vadotnes ribas augšdaļa sāk izkausēt, un kušanas ātrums pakāpeniski palielinās. Tā kā sprauga abās locītavas pusēs samazinās, izkausētās enerģijas virzošā riba pilnībā izplatīsies un sazināsies ar zemāk esošo daļu, un šajā laikā kausēšanas ātrums samazināsies. Otrkārt, augšējās un apakšējās daļas ir saskarē ar virsmu, un kušanas laukums ir vēl vairāk paplašināts. Pēc tam tas nonāk līdzsvara stāvokļa kušanas posmā, kurā laikā veidojas noteikta biezuma izkusis slānis, kam pievienots stabils temperatūras lauks. Kad tiek sasniegta iepriekš iestatītā metināšanas enerģija, laiks vai citi vadības apstākļi, ultraskaņas vibrācija apstāsies. Visbeidzot, spiediens tiek uzturēts, liekā kausēšana tiks izspiesta no metināšanas, un daļas ir savienotas ar molekulārām saitēm un pakāpeniski atdzesētas.
Ultraskaņas metināšanas priekšrocības un trūkumi
Kā plastmasas savienošanas tehnoloģija, ko plaši izmanto rūpniecības jomā, ultraskaņas metināšana izceļas ar ātru, ekonomisku, vieglu automatizācijas integrāciju un piemērotību masveida ražošanai. Tā metināšanas stabilitāte ir lieliska, izturība ir arī augsta, un metināšanas laiks ir īsāks nekā citi procesi. Turklāt šai tehnoloģijai nav nepieciešama sarežģīta ventilācijas sistēma, lai noņemtu dūmu vai dzesēšanas sistēmu, lai noņemtu lieko siltumu, izmantojot lielu enerģijas izmantošanu, lielāku ražošanas efektivitāti un zemākas izmaksas. Pelējuma dizains ir samērā vienkāršs, un pelējuma maiņas ātrums ir ātrs, tādējādi uzlabojot aprīkojuma izmantošanas ātrumu un daudzpusību. Ir vērts pieminēt, ka, tā kā metinājumā netiek ieviesti citi papildu metināšanas materiāli, metinājums paliek tīrs un bez piemaisījumiem, neietekmē aprīkojuma bioloģisko savietojamību un ir ļoti piemērots lietošanai veselības aprūpes nozarē ar augstākām tīrības prasībām.
Tomēr ultraskaņas metināšana saskaras arī ar dažiem ierobežojumiem. Produktiem, kuru izmērs ir lielāks par 250mmx300 mm, metināšanas galvas dizains kļūst grūts, un bieži ir nepieciešams izmantot vairākas metināšanas galviņas sinhronai metināšanai vai viena metināšanas galva, lai veiktu vairākas metināšanas. Turklāt ultraskaņas metināšanas rezultāti ir cieši saistīti ar tādiem faktoriem kā metināšanas struktūras projektēšana, iesmidzināšanas veidota daļas izmēra kļūda un deformācija. Tajā pašā laikā ultraskaņas vibrācijas var izraisīt jutīgu elektronisko komponentu bojājumus, lai gan šādus riskus var samazināt, palielinot frekvenci un samazinot amplitūdu.
Lietojumprogrammas lauki
Ultraskaņas metināšanu plaši izmanto daudzās nozarēs. Piemēram, automobiļu rūpniecībā to izmanto, lai savienotu komponentus, piemēram, lukturus, informācijas paneļus, pogas un slēdžus; Elektronikas un elektrības rūpniecībā šo tehnoloģiju bieži izmanto arī komponentu, piemēram, slēdžu, sensoru un izpildmehānismu, savienošanai; Turklāt ultraskaņas metināšana ir arī neaizstājama tādu produktu, piemēram, filtru, katetru, medicīnisko apģērbu un masku ražošanas procesā, ražošanas procesā medicīnas jomā. Tajā pašā laikā tādu produktu, piemēram, pūslīšu somu, somu, uzglabāšanas konteineru un sprauslu ražošana iepakojuma nozarē, ražošana arī gūst labumu no ultraskaņas metināšanas efektivitātes un ērtības.
Kafijas tase ir izgatavota no PS materiāla, un tā metināšanas dizains gudri apvieno rievu un enerģijas vadīto ribu, kas ne tikai nodrošina savienojuma stabilitāti, bet arī uzlabo ražošanas efektivitāti.
Elektroniskais slēdzis ir izgatavots no ABS plastmasas un rafinēts ar ultraskaņas kniedēšanu.
Atstarotājs ir izgatavots no jaukta ABS un PC materiāla, un tas apvieno pakāpienu un enerģijas vadītas ribu metināšanas procesu, lai izveidotu unikālu konstrukcijas dizainu.
Elektroniskajā lampā tiek izmantots ABS un PMMA kompozītmateriāla materiāls, kas apvienots ar izsmalcināto plaknes un enerģijas vadīto ribu metināšanas procesu, parādot unikālu dizaina stilu.
Elektriskais savienotājs apvieno ABS un metāla cietos materiālus un nodrošina tā savienojuma stabilitāti un izturību, izmantojot precīzu ultraskaņas kniedēšanu.
Medicīniskā pudele ir izgatavota no datora materiāla un gudri izmanto plaknes un enerģijas vadāmo ribu metinājumu saplūšanas dizainu.
Degvielas filtra pudele ir izgatavota no neilona 6-6, un tās dizains ir gudri apvieno bīdes šuves un metināšanas divkāršos procesus.
Filtra membrānas un skaņas absorbējošās kokvilnas montāžā tiek izmantots neilona salikts materiāls ar 30% stikla šķiedru, un tas tiek smalki salikts caur caurduršanas metināšanas procesu.
Elektriskajā kastē tiek izmantots PS un vara riekstu salikts materiāls, un tas ir smalki izgatavots, izmantojot ultraskaņas inkrustācijas tehnoloģiju.
Rotors izmanto PS materiālu un apvieno gudro plaknes un enerģijas vadāmo ribu metinājumu dizainu.
Polimēra struktūra
Amorfās plastmasas molekulārā struktūra ir nejauši sadalīta, un tai trūkst fiksēta izkārtojuma virziena. Tās īpašība ir tāda, ka tas pakāpeniski mīkstina ar temperatūras diapazonu. Kad šāda veida materiāls sasniedz stikla pārejas temperatūru, tas pakāpeniski mīkstina un galu galā nonāk šķidrā izkausētā stāvoklī. Materiāla process no šķidruma līdz sacietēšanai ir pakāpenisks. Amorfā plastmasa var efektīvi pārraidīt ultraskaņas vibrācijas, un to plašā mīkstināšanas temperatūras diapazona dēļ tās ir vieglāk metināt un sasniegt blīvēšanu.
No otras puses, daļēji kristāliskās plastmasas molekulārā struktūra ir sakārtota. Liels karstums ir galvenais, lai sadalītu sakārtotu izkārtojumu. Šīm plastmasai ir asi kušanas punkti, un, tiklīdz temperatūra nedaudz pazeminās, šķidruma stāvoklis ātri sacietē. Tāpēc kausējums, kas izplūst no karstā kausējuma zona, ātri sacietē. Kad cieta, puskristālisko materiālu molekulārā izturēšanās ir kā atspere, absorbējot lielāko daļu ultraskaņas vibrāciju, nevis pārnēsājot tos uz locītavas zonu. Tāpēc puskristāliskai plastmasai, lai radītu pietiekami daudz siltuma, ir nepieciešama augstas amplitūdas izejas metināšanas galva.
TG stikla pārejas temperatūra un TM kausēšanas temperatūra
Apspriežot polimēru struktūru, mēs pieminējām divus svarīgus temperatūras jēdzienus: TG stikla pārejas temperatūra un TM kušanas temperatūra. Tg ir temperatūra, kurā materiāls mainās no stiklveida stāvokļa uz ļoti elastīgu stāvokli, kurā materiāls sāk pakāpeniski mīkstināties. TM ir temperatūra, kas nepieciešama, lai materiāls pilnībā izkausētu šķidrumā. Šie divi temperatūras raksturlielumi ir izšķiroši, lai izprastu polimēru materiālu apstrādi un veiktspēju.
Augšējā attēla kreisajā pusē parāda amorfu plastmasu, savukārt labajā pusē ir puskristāliska plastmasa. Termoplastikā tādas pildvielas kā stikla šķiedra, talks un minerāli var pastiprināt vai kavēt ultraskaņas metināšanas iedarbību. Daži materiāli, piemēram, kalcija karbonāts, kaolīns, talks, alumīnija oksīds, kā arī organiskās šķiedras, silīcija dioksīds, stikla bumbiņas, kalcija metasilikāts (wollastonīts) un vizla, var palielināt sveķu cietību. Pētījumi liecina, ka tad, kad pildvielas saturs sasniedz 20%, tas var efektīvi uzlabot ultraskaņas vibrāciju pārnešanas efektivitāti materiālā, īpaši puskristāliskiem materiāliem. Tomēr, kad pildvielas saturs pārsniedz 35%, blīvējuma ticamību var ietekmēt nepietiekama sveķu satura dēļ metinājumā. Kad pildvielas saturs sasniedz 40%, stikla šķiedras pulcēsies kopīgā stāvoklī, kā rezultātā metinātā veidā būs nepietiekams sveķu saturs, kas savukārt ietekmē metināšanas stiprumu. Turklāt iesmidzināšanas laikā garās stikla šķiedras mēdz uzkrāties uz enerģijas vadītām ribām. Efektīvs risinājums ir garu stikla šķiedru vietā izmantot īsas stikla šķiedras.
Turklāt, kad pildvielas saturs pārsniedz 10%, materiālā abrazīvās daļiņas var izraisīt metināšanas galvas nodilumu. Tāpēc ieteicams izmantot karbīda tērauda metināšanas galvu vai titāna sakausējuma metināšanas galvu, kas pārklāta ar volframa karbīda pārklājumu. Tajā pašā laikā var būt nepieciešams atlasīt augstākas enerģijas ultraskaņas ierīci, lai pārliecinātos, ka savienojumā rodas pietiekams siltums.
No otras puses, kaut arī piedevas var uzlabot materiāla kopējās veiktspējas vai iesmidzināšanas formas īpašības, tām bieži ir inhibējoša ietekme uz ultraskaņas metināšanu. Tipiskās piedevas ir smērvielas, plastifikatori, trieciena modifikatori, liesmas slāpētāji, krāsvielas, putojošie līdzekļi un regresa sveķi. Piemēram, smērvielas, piemēram, vasks, cinka stearāts, stearīnskābe un taukskābju esteri, samazina berzes koeficientu starp polimēru molekulām, tādējādi samazinot siltuma veidošanos. Tomēr šis efekts parasti ir mazāks locītavā, jo smērvielas koncentrācija ir zema un vienmērīgi izkliedēta. No otras puses, plastifikatori, piemēram, augstas temperatūras organiskie šķidrumi vai zemas temperatūras kušanas cietās vielas, palielina materiāla maigumu un samazina stīvumu, bet tie samazina pievilcību starp polimēra iekšējām molekulām un traucē vibrācijas enerģijas pārnešanu. Jo īpaši augsti plastificēti materiāli, piemēram, vinils, ir ļoti nepiemēroti kā pārvades materiāli ultraskaņas vibrācijām. Turklāt plastifikatori kā iekšējās piedevas laika gaitā var migrēt uz plastmasas virsmu, vēl vairāk ietekmējot ultraskaņas metināšanas efektu. Tāpat trieciena modifikatori, piemēram, gumija, arī samazina materiāla spēju pārraidīt ultraskaņas vibrācijas, prasot lielāku amplitūdu, lai izkausētu plastmasu.
Materiālam pievienotie liesmas slāpētāji, neorganiski oksīdi vai halogenēti organiski elementi (piemēram, alumīnijs, antimons, bors, hlors, broms, sēra, slāpeklis vai fosfors) var efektīvi nomākt materiāla uguns punktu vai mainīt tā sadegšanas īpašības. Tomēr šīs sastāvdaļas bieži padara materiālu nevēlamu, it īpaši, ja liesmas palēninātāja veido 50% vai vairāk, kas ievērojami samazinās metināmā materiāla daudzumu. Šādiem materiāliem ir nepieciešams lielas enerģijas ultraskaņas aprīkojums un metināšanas galviņas ar lielām amplitūdām, un locītavas dizains tiek pielāgots, lai palielinātu metināmā materiāla proporciju.
Lielākā daļa krāsu, ieskaitot pigmentus un krāsvielas, nekavē ultraskaņas vibrāciju pārnešanu. Tomēr tie var samazināt metināmā materiāla daudzumu kopīgajā apgabalā. Jo īpaši, kad titāna dioksīda (TiO2) saturs pārsniedz 5%, tā smērvielas efekts kļūs acīmredzams, kam būs inhibējoša ietekme uz ultraskaņas metināšanu. Tajā pašā laikā oglekļa melnais traucēs ultraskaņas enerģijas izplatīšanos materiālā.
Putojošie līdzekļi samazina materiāla spēju pārraidīt ultraskaņas vibrācijas, jo to zemais blīvums un lielais portu skaits molekulārajā struktūrā novērš efektīvu enerģijas pārnešanu.
Kad zemes sveķi (ReStind) ir sajaukti materiālā, to pievienošana un tilpums ir rūpīgi jānovērtē un jākontrolē, lai optimizētu metināšanas efektu. Dažos gadījumos atkārtotu atgūšanu vispār nevar izmantot, un ir nepieciešams 100% neapstrādāts materiāls.
Turklāt, lai arī pelējuma izdalīšanās līdzekļi, piemēram, cinka stearāts, alumīnija stearāts, fluorogļūdeņraži un silikoni, var palīdzēt atbrīvot iesmidzinātas veidotās daļas, tie var pāriet uz locītavas virsmas un samazināt materiāla berzes koeficientu, tādējādi samazinot siltuma veidošanos un kavējot ultraskaņas metināšanu. Tajā pašā laikā pelējuma izdalīšanās līdzekļi var izraisīt arī ķīmisku piesārņojumu sveķiem un ietekmēt pareizu ķīmisko saites veidošanos. Īpaši visnozīmīgākā ietekme ir silikoniem. Tāpēc, lietojot pelējuma atbrīvošanas līdzekļus, ir rūpīgi jāizvēlas atbilstošā pakāpe un jāveic pasākumi, lai neļautu tā pārnešanai uz daļas virsmu.
Turklāt dažādām materiālu pakāpēm var būt atšķirīga kušanas temperatūra un plūsmas indeksi, kas var ietekmēt arī ultraskaņas metināšanas ietekmi. Piemēram, PMMA atveidotās pakāpes var būt grūtāk metināt nekā injekcijas/ekstrūzijas pakāpes to augstākās molekulmasas un kušanas temperatūras dēļ. Tāpēc, lai iegūtu vislabāko metināšanas efektu, mēģiniet atlasīt vienas un tās pašas pakāpes materiālus metināšanai un pārliecināties, ka abu materiālu plūsmas indekss ir līdzīgs un kušanas temperatūras starpība ir 22 grādu robežās.
Materiāla mitruma saturam ir būtiska ietekme uz tā metināšanas izturību. Hidroskopiski materiāli, piemēram, PBT, PC, PSU un neilons, viegli absorbē mitrumu no gaisa. Metināšanas procesa laikā šis absorbētais mitrums vārīsies augstā temperatūrā, un ģenerētā gāze, ja tā ir ieslodzīta metinājumā, veidos poras un noārdīs plastmasu, tādējādi ietekmējot metināšanas estētiku, stiprību un blīvēšanu. Lai no tā izvairītos, hidroskopiskie materiāli jānospiež tūlīt pēc iesmidzināšanas veidošanas. Ja tūlītēja metināšana nav iespējama, žāvētās daļas pirms metināšanas jāuzglabā sausā PE maisiņā vai jānovieto cepeškrāsnī 80 grādos 3 stundas.
Turklāt, metinot dažāda veida materiālus, īpaša uzmanība jāpievērš abu materiālu kušanas temperatūrai un molekulārajai struktūrai. Ideāls metināšanas nosacījums ir tāds, ka abu materiālu kušanas temperatūras starpība nepārsniedz 22 grādus un molekulārā struktūra ir līdzīga. Ja kausēšanas temperatūras starpība ir pārāk liela, materiāls ar zemāku kušanas temperatūru vispirms izkausēs un plūst, un tas nenodrošinās pietiekami daudz siltuma, lai materiālu izkausētu ar augstāku kušanas temperatūru. Piemēram, metinot augstas kokapstrādes punktu PMMA ar zemas kokapstrādes punktu PMMA, ja enerģijas vadītājs atrodas uz augstas kokapstrādes punkta PMMA, zemas krāsas punkta materiāla savienojums vispirms izkausēs un plūst, izraisot enerģijas vadītāja mīkstināšanu, kas savukārt ietekmē metināšanas stiprību.
Turklāt materiālu savietojamība ir arī galvenais veiksmīgas metināšanas faktors. Var metināt tikai ķīmiski saderīgus materiālus, kas ir, materiālus ar līdzīgām molekulārām struktūrām. Ir vērts atzīmēt, ka materiāla saderība galvenokārt pastāv starp amorfiem materiāliem, piemēram, ABS un PMMA, PC un PMMA, kā arī PS un modificētu PPO. Tomēr puskristāliskai plastmasai, piemēram, PP un PE, kaut arī tām ir līdzīgas fizikālās īpašības, tām ir atšķirīgas molekulārās struktūras, un tāpēc tiem nav materiālu savietojamības un tos nevar metināt.
