Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Ультразвуковая сварка тонкой металлической фольги. Волновод вращается вдоль сварного шва.

Ультразвуковая сварка - это промышленный процесс, при котором высокочастотные ультразвуковые акустические колебания локально применяются к деталям, удерживаемым вместе под давлением, для создания твердотельного шва . Он обычно используется для пластмасс и металлов , 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 особенностью этого метода является то, что температура остается значительно ниже точки плавления задействованных материалов, что предотвращает любые нежелательные свойства, которые могут возникнуть в результате воздействия высоких температур на материалы. [1]

История [ править ]

Практическое применение ультразвуковой сварки жестких пластиков было завершено в 1960-х годах. 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. [2] Солофф, основатель компании Sonics & Materials Inc., был руководителем лаборатории в Branson Instruments, где сваривались тонкие пластиковые пленки. пакеты и пробирки с использованием 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. [2]Он продолжил разработку первого ультразвукового пресса. Первое применение этой новой технологии было в индустрии игрушек. [3]

Первый автомобиль, полностью сделанный из пластика, был собран с помощью ультразвуковой сварки в 1969 году. [3] Несмотря на то, что пластиковые автомобили не прижились, ультразвуковая сварка сделала. В автомобильной промышленности он регулярно используется с 1980-х годов. [3] Сейчас он используется во множестве приложений.

Процесс [ править ]

Ультразвуковая сварка

Для соединения сложных деталей из термопласта , полученных литьем под давлением , оборудование для ультразвуковой сварки можно легко настроить в соответствии с точными характеристиками свариваемых деталей. Детали зажаты между гнездом фиксированной формы ( наковальней ) и сонотродом (рупором), подключенным к преобразователю, и частотой ~ 20 кГц.излучается низкоамплитудная акустическая 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 заостренную или закругленную направляющую энергии, которая контактирует со второй пластмассовой частью. Ультразвуковая энергия плавит точечный контакт между деталями, создавая соединение. Этот процесс - хорошая автоматизированная альтернатива клею , шурупам или защелкам.конструкции. Обычно он 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 алюминия, меди, никеля. 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 полукристаллические пластики, 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. [3] 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) Университета Кайзерслаутерна при поддержке Немецкого исследовательского фонда ( Deutsche Forschungsgemeinschaft ) удалось доказать, что использование процессов ультразвуковой сварки может привести к очень прочным связям между легкими металлами и углеродом. листы из армированного волокном полимера (углепластик). [4]

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 [ править ]

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 позволяющее направлять высокочастотную вибрацию на поверхности раздела.
  • Ультразвуковой пакет, состоящий из преобразователя или пьезоэлектрического преобразователя , дополнительного усилителя и сонотрода (США: Horn). Все три элемента стека 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 помощью пьезоэлектрического эффекта.
    • Booster: механически изменяет амплитуду вибрации. Он также используется в стандартных системах для зажима стопки 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 большой мощности с частотой, соответствующей резонансной частоте пакета.
  • Контроллер, контролирующий движение пресса и подачу ультразвуковой энергии.

Приложения [ править ]

Ультразвуковая сварка широко применяется во многих отраслях промышленности, включая электротехническую и компьютерную, автомобильную и аэрокосмическую, 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 электрическая промышленность [ править ]

В электротехнической и компьютерной промышленности ультразвуковая сварка часто используется для соединения проводных соединений и создания соединений в небольших, деликатных цепях. Места стыков жгутов проводов часто соединяют с помощью ультразвуковой сварки. [5] Жгуты проводов - это большие группы проводов, используемых для распределения электрических сигналов и мощности. Электродвигатели , обмотки возбуждения , трансформаторы и конденсаторы также могут быть собраны с помощью ультразвуковой сварки. [6] Его также часто предпочитают при сборке носителей информации, таких как флэш-накопители и компьютерные диски, из-за того, что требуются большие объемы. Было обнаружено, что ультразвуковая сварка компьютерных дисков имеет время цикла менее 300 мс. [7]

Микросхемы - одна из областей, в которой ультразвуковая сварка используется чаще всего и где сосредоточены новые исследования и эксперименты. [5] Этот процесс идеально подходит для микросхем, поскольку он создает надежные связи без внесения примесей или теплового искажения в компоненты. Полупроводниковые приборы, транзисторы и диоды часто соединяются тонкими алюминиевыми и золотыми проводами с помощью ультразвуковой сварки. [8] Он также используется для соединения проводов и лент, а также целых микросхем с микросхемами. Примером использования микросхем являются медицинские датчики, используемые для контроля человеческого сердца у пациентов с шунтированием.

Одно из различий между ультразвуковой сваркой и традиционной сваркой - это способность ультразвуковой сварки соединять разнородные материалы. Сборка компонентов батареи является хорошим примером использования этой способности. При создании компонентов аккумуляторных батарей и топливных элементов тонкие медные, никелевые и алюминиевые соединения, слои фольги и металлические сетки часто свариваются вместе с помощью ультразвуковой сварки. [5] За один сварной шов часто можно нанести несколько слоев фольги или сетки, что исключает необходимость дополнительных операций и затрат.

Аэрокосмическая и автомобильная промышленность [ править ]

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. [9] Поскольку пластмассы продолжают заменять другие материалы при проектировании и производстве автомобилей, сборка и соединение пластмассовых компонентов становится все более важной проблемой. Некоторые из преимуществ ультразвуковой сварки - это малое время цикла, автоматизация , низкие капитальные затраты и гибкость. [10] Кроме того, ультразвуковая сварка не повреждает отделку поверхности, что является решающим фактором для многих производителей автомобилей, поскольку высокочастотные вибрации предотвращают образование следов. [9]

Ультразвуковая сварка обычно используется в аэрокосмической промышленности при соединении тонких листовых металлов и других легких материалов. Алюминий - это 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. [11] Так как алюминий так широко используется в аэрокосмической промышленности, ультразвуковая сварка является важным производственным процессом. Кроме того, с появлением новых композитных материалов ультразвуковая сварка становится все более распространенной. Он был использован при склеивании популярного композитного материала из углеродного волокна.. Были проведены многочисленные исследования, чтобы найти оптимальные параметры, обеспечивающие получение качественных сварных швов для этого материала. [12]

Медицинская промышленность [ править ]

В медицинской промышленности часто используется ультразвуковая сварка, так как она не приводит к загрязнению или ухудшению качества сварного шва, и машины могут быть адаптированы для использования в чистых помещениях . [13] 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, фильтры для анестезии, фильтры для крови, катетеры для внутривенного введения, диализные трубки, пипетки , резервуары для кардиометрии, фильтры для крови / газа, маски для лица и иглы / фильтры для внутривенных вливаний, могут быть изготовлены с помощью ультразвуковой сварки. [14]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. [15] Это предотвращает загрязнение и образование пыли и снижает риск заражения.

Упаковочная промышленность [ править ]

Бутановая зажигалка

Упаковка - это приложение, в котором часто используется ультразвуковая сварка. Многие обычные предметы создаются или упаковываются с помощью ультразвуковой сварки. Часто применяется запечатывание контейнеров, тюбиков и блистерных упаковок .

Ультразвуковая сварка также применяется при упаковке опасных материалов, таких как взрывчатые вещества, фейерверки и другие химически активные вещества. Эти предметы обычно требуют герметичной герметизации , но не могут подвергаться воздействию высоких температур. [8] Одним из примеров является бутановая зажигалка. Этот сварной шов контейнера должен выдерживать высокое давление и напряжение и должен быть герметичным, чтобы удерживать бутан. [16] 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, поскольку она быстра, гигиенична и позволяет производить герметичные уплотнения. Емкости для молока и сока - примеры продуктов, которые часто запечатываются с помощью ультразвуковой сварки. Свариваемые бумажные детали покрываются пластиком, обычно полипропиленом или полиэтиленом , а затем свариваются вместе для создания герметичного уплотнения. [16] Основным препятствием, которое необходимо преодолеть в этом процессе, является 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. [16]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.

Безопасность [ править ]

Опасности ультразвуковой сварки 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. [17] 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. [18]

Аппараты ультразвуковой сварки требуют регулярного обслуживания и осмотра. Двери панели, крышки корпуса и защитные ограждения могут потребовать снятия для обслуживания. [17] Это должно выполняться при выключенном питании оборудования и только обученным профессионалом, обслуживающим машину.

Субгармонические колебания, которые могут создавать раздражающий слышимый шум, могут возникать в более крупных частях рядом с аппаратом из-за частоты ультразвуковой сварки. [19] 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. Экранировать этот излучающий звук можно с помощью акустического кожуха. [19]

См. Также [ править ]

  • Термозвуковое соединение

Ссылки [ править ]

Примечания [ править ]

  1. ^ Мостафави, Шимаалсадат; Хессер, Даниэль Франк; Маркерт, Бернд (декабрь 2018 г.). «Влияние параметров процесса на температуру интерфейса при ультразвуковой сварке алюминиевой проволокой». Журнал производственных процессов . 36 : 104–114. DOI : 10.1016 / j.jmapro.2018.09.020 .
  2. ^ a b «Технологии крупным планом: обновленная информация о 50 топ-50 Кто был первым в области горячеканальной технологии, ультразвуковой сварки и ПЭТ?» . Технология пластмасс . 1 декабря 2005 . Дата обращения 13 ноября 2020 .
  3. ^ a b c d Вебер, Остин (30 ноября 2007 г.). «Сварка еще обеспечивает высокопрочные соединения» . Сборочный журнал . Дата обращения 13 ноября 2020 .
  4. ^ Балле, F; Вагнер, Г; Эйфлер, Д. (ноябрь 2007 г.). «Ультразвуковая точечная сварка соединений полимеров, армированных алюминиевым листом и углеродным волокном» . Materialwissenschaft und Werkstofftechnik: Entwicklung, Fertigung, Prüfung, Eigenschaften und Anwendungen Technischer Werkstoffe . 38 (11): 934–938. DOI : 10.1002 / mawe.200700212 .
  5. ^ a b c Ахмед, стр. 260.
  6. ^ Американское общество сварки, Энциклопедия сварки Джефферсона , стр. 571.
  7. ^ Grewell, стр. 169.
  8. ^ a b Американское общество сварки, Энциклопедия сварки Джефферсона , стр. 570.
  9. ^ a b Библиотека дизайна пластмасс, Справочник по соединению пластмасс: Практическое руководство , стр. 56.
  10. ^ Grewell, стр. 141.
  11. ^ Ахмед, стр. 251.
  12. ^ Харрас, B; Коул, KC; Ву-Ханх, Т. (февраль 1996 г.). «Оптимизация ультразвуковой сварки композитов ПЭЭК-углерод». Журнал армированных пластиков и композитов . 15 (2): 174–182. DOI : 10.1177 / 073168449601500203 .
  13. ^ Библиотека дизайна пластмасс, Справочник по соединению пластмасс: Практическое руководство , стр. 54.
  14. ^ Институт сварки, Ультразвуковая сварка
  15. ^ Библиотека дизайна пластмасс, Справочник по соединению пластмасс: Практическое руководство , стр. 57.
  16. ^ a b c Grewell, стр. 171.
  17. ^ a b Американское общество сварки, Справочник по сварке: наука и технология сварки , стр. 750.
  18. ^ Американское общество сварки, Энциклопедия сварки Джефферсона , стр. 572.
  19. ^ а б Ахмед, стр. 266.

Библиография [ править ]

  • Американское сварочное общество (1997). Энциклопедия сварки Джефферсона . Американское сварочное общество. ISBN 0-87171-506-6 . 
  • Американское сварочное общество (2001 г.). Справочник по сварке: наука и технология сварки . Американское сварочное общество. ISBN 0-87171-657-7 . 
  • Ахмед, Насир (ред.), (2005). Новые разработки в современной сварке . Бока-Ратон, Флорида: CRC Press LLC. ISBN 0-8493-3469-1 . 
  • Grewell, David A .; Бенатар, Авраам; И Пак, Джун Б. (ред.), (2003). Справочник по сварке пластмасс и композитов . Цинциннати, Огайо: ISBN Hanser Gardner Publications, Inc. 1-56990-313-1 . 
  • Библиотека дизайна пластмасс (1997). Справочник по соединению пластмасс: Практическое руководство . Норидж, Нью-Йорк: Библиотека дизайна пластмасс. ISBN 1-884207-17-0 . 

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Трес, Пол А., "Разработка пластиковых деталей для сборки", 6-е изд., 2006 г., ISBN 978-1-5699-0401-5 
  • Кроуфорд, Лэнс, «Уплотнение портов: эффективное решение для термосварки». Журнал "Пластиковый декор" . Выпуск за январь / февраль 2013 г. ISSN 1536-9870 . (Топика, KS: Peterson Publications, Inc.). Раздел: Assembly: страницы 36–39, охватывает статью Кроуфорда.