Ultrasonisk plastmonteringsteknologi er vidt brugt i forbindelse med termoplast. De led, der er produceret af det, er ikke kun stærke og holdbare, men også smukke i udseende. Denne teknologi dækker fire hovedkategorier, blandt hvilke ultralydsvejsning er i fokus for forskning. Ultrasonisk svejsning bruger højfrekvent ultralydsenergi (15-50 kHz) til at generere mekaniske vibrationer med lav amplitude (1-100 um). Denne vibration virker på samlingerne på komponenterne, smelter det termoplastiske materiale gennem friktionsvarmeproduktion og danner derefter en svejsning. Dens svejsehastighed er ekstremt hurtig, normalt mellem 0,1 sekunder og 1,0 sekunder.
Under den ultralydssvejsningsproces genereres sinusformede bølger i termoplast. På grund af intermolekylær friktion omdannes en del af energien til varmeenergi, hvilket øger materialets temperatur. En anden del af energien er koncentreret og overført til leddet, som yderligere er lokalt opvarmet af grænsefriktion. Derfor påvirkes transmissionsstien for ultralydsenergi og materialets smeltende opførsel i fællesskab af materialets geometri og de ultralyds absorptionsegenskaber af materialet.
Når vibrationskilden er tæt på svejseleddet, har materialet mindre energiabsorptionstab. Hvis afstanden fra vibrationskilden til samlingen er mindre end 6,4 mm, kaldes processen nær felt svejsning, som er velegnet til krystallinske materialer med høj energiabsorption og materialer med lav stivhed. Hvis afstanden er større end 6,4 mm, kaldes den fjernfelt svejsning, som er velegnet til amorfe materialer med lav energiabsorption og materialer med høj stivhed.
På grund af de "ujævne" egenskaber ved den fælles overflade er det let at generere høj temperatur og høj friktion, hvilket er befordrende for ophobningen af ultralydsenergi. I mange ultralydssvejseanvendelser er en trekantet fremspring designet på overfladen af den øverste del, kaldet Energy Guide Rib, der guider vibrationsenergien til at koncentrere sig ved leddet.
Under den ultralydsvejsproces fungerer vibrationsenergien lodret på den fælles overflade, og spidsen af energiduideen ribben kontakter den svejste del under pres. På grund af friktionsvarmeproduktion genereres en stor mængde varme ved spidsen, hvilket får energiduideen til at begynde at smelte. Hele svejseprocessen kan opdeles i fire trin. Først begynder toppen af energiduideen ribben at smelte, og smeltehastigheden øges gradvist. Efterhånden som kløften på begge sider af leddet falder, spreder den smeltede energiduide ribben fuldt ud og kontakter delen nedenfor, og smeltehastigheden falder på dette tidspunkt. For det andet er de øvre og nedre dele i overfladekontakt, og smelteområdet udvides yderligere. Derefter går det ind i den stabile tilstandsmeltningstadium, på hvilket tidspunkt der dannes et smeltet lag med en bestemt tykkelse, ledsaget af et stabilt temperaturfelt. Når den forudindstillede svejseenergi, tid eller andre kontrolbetingelser nås, stopper den ultralydsvibration. Endelig opretholdes trykket, den overskydende smelte vil blive presset ud af svejsningen, og delene er forbundet med molekylære bindinger og afkøles gradvist.
Fordele og ulemper ved ultralydssvejsning
Som en plastikforbindelsesteknologi, der i vid udstrækning er brugt inden for det industrielle felt, skiller ultralydsvejsning sig ud for sin hurtige, økonomiske, lette automatiseringsintegration og egnethed til masseproduktion. Dens svejsestabilitet er fremragende, styrken er også høj, og svejsningstiden er kortere end andre processer. Derudover kræver denne teknologi ikke et komplekst ventilationssystem for at fjerne røg eller et kølesystem for at fjerne overskydende varme med høj energiudnyttelse, højere produktionseffektivitet og lavere omkostninger. Formdesignet er relativt enkelt, og formskiftens hastighed er hurtig, hvilket forbedrer udstyrets anvendelseshastighed og alsidighed. Det er værd at nævne, at da ingen andre hjælpesvejsningsmaterialer indføres i svejsningen, forbliver svejsningen ren og fri for urenheder, ikke påvirker udstyrets biokompatibilitet og er meget velegnet til brug i sundhedsindustrien med højere krav til renlighed.
Imidlertid står ultralydsvejsning også over for nogle begrænsninger. For produkter med en størrelse på mere end 250 mmx300mm bliver designet af svejsningshovedet vanskeligt, og det er ofte nødvendigt at bruge flere svejsningshoveder til synkron svejsning eller et enkelt svejsehoved til flere svejsninger til at afslutte. Derudover er resultaterne af ultralydssvejsning tæt knyttet til faktorer såsom svejsestrukturdesign, injektionsformet deldimensionel fejl og deformation. På samme tid kan ultralydsvibrationer forårsage skade på følsomme elektroniske komponenter, skønt sådanne risici kan reduceres ved at øge frekvensen og reducere amplituden.
Applikationsfelter
Ultralydssvejsning er vidt brugt i mange brancher. I bilindustrien bruges det for eksempel til at forbinde komponenter som forlygter, dashboards, knapper og switches; I elektronik- og elektriske industrier bruges denne teknologi også ofte til at forbinde komponenter som switches, sensorer og aktuatorer; Derudover er ultralydsvejsning også uundværlig i fremstillingsprocessen for produkter såsom filtre, katetre, medicinsk tøj og masker på det medicinske område. På samme tid drager produktionen af produkter såsom blisterposer, poser, opbevaringscontainere og dyser i emballageindustrien også fordel af effektiviteten og bekvemmeligheden ved ultralydssvejsning.
Kaffekopen er lavet af PS-materiale, og dets svejsedesign kombinerer kløgtigt rillen og energi-guiding ribben, som ikke kun sikrer stabiliteten af forbindelsen, men forbedrer også effektiviteten af produktionen.
Den elektroniske switch er lavet af ABS -plast og raffineret ved ultralyds nitning.
Reflektoren er lavet af et blandet materiale af ABS og PC og kombinerer svejseprocessen med trin og energiforvender ribben for at skabe et unikt strukturelt design.
Den elektroniske lampe bruger et sammensat materiale af ABS og PMMA, kombineret med den udsøgte svejsningsproces for plan og energiforvalt ribben, der præsenterer en unik designstil.
Det elektriske stik kombinerer de faste materialer af ABS og metal og sikrer stabiliteten og holdbarheden af dens forbindelse gennem præcis ultralyds nitting.
Den medicinske flaske er lavet af pc-materiale og bruger klogt fusionsdesignet af plan og energi-guiding ribben svejsninger.
Brændstoffilterflasken er lavet af nylon 6-6, og dens design kombinerer klogt de dobbelte processer med forskydningsssømme og svejsninger.
Samlingen af filtermembranen og den lydabsorberende bomuld bruger et sammensat materiale af nylon dopet med 30% glasfiber og er fint samlet gennem en gennemborende svejsningsproces.
Den elektriske boks bruger et sammensat materiale af PS og kobbermøtrikker og er fint fremstillet gennem ultralydsindlægsteknologi.
Rotoren bruger PS-materiale og kombinerer det smarte design af planet og energi-ledende ribben svejsninger.
Polymerstruktur
Den molekylære struktur af amorf plast er tilfældigt fordelt og mangler en fast arrangementretning. Dens egenskab er, at det gradvist blødgøres med temperaturområdet. Når denne type materiale når glasovergangstemperaturen, blødgør den gradvist og går til sidst ind i en flydende smeltet tilstand. Processen med materialet fra væske til størkning er gradvis. Amorf plast kan effektivt transmittere ultralydsvibrationer, og på grund af deres brede blødgøringstemperaturområde er de lettere at svejse og opnå tætning.
På den anden side er den molekylære struktur af semi-krystallinsk plast ordnet arrangeret. Høj varme er nøglen til at nedbryde det ordnede arrangement. Disse plast har skarpe smeltepunkter, og når temperaturen falder lidt, vil flydende tilstand størkne hurtigt. Derfor vil den smelte, der flyder ud af det varme smelteområde, størkne hurtigt. Når den er fast, er den molekylære opførsel af semi-krystallinske materialer som en fjeder, der absorberer det meste af de ultralyds vibrationer i stedet for at overføre dem til det fælles område. Derfor kræves det for semi-krystallinsk plastik et højfor amplitudeudgangsvejshoved for at generere nok varme.
TG glasovergangstemperatur og TM -smeltetemperatur
Når vi diskuterede polymerstruktur, nævnte vi to vigtige temperaturkoncepter: TG -glasovergangstemperatur og TM -smeltetemperatur. TG er den temperatur, hvorpå materialet skifter fra en glasagtig tilstand til en meget elastisk tilstand, på hvilket tidspunkt materialet begynder at blødgøre gradvist. TM er den temperatur, der kræves for, at materialet helt smelter i en væske. Disse to temperaturegenskaber er afgørende for at forstå behandlingen og ydeevnen af polymermaterialer.
Den venstre side af figuren ovenfor viser en amorf plast, mens højre side viser en halvkrystallinsk plast. I termoplastik kan fyldstoffer som glasfiber, talkum og mineraler forbedre eller hæmme effekten af ultralydsvejsning. Visse materialer, såsom calciumcarbonat, kaolin, talkum, aluminiumoxid såvel som organiske fibre, silica, glasbolde, calciummetasilikat (wollastonit) og mica, kan øge harpikets hårdhed. Undersøgelser har vist, at når fyldstofindholdet når 20%, kan det effektivt forbedre transmissionseffektiviteten af ultralydsvibrationer i materialet, især til halvkrystallinske materialer. Når fyldstofindholdet overstiger 35%, kan pålideligheden af tætningen imidlertid påvirkes på grund af utilstrækkeligt harpiksindhold ved svejsningen. Når fyldstofindholdet når 40%, samles glasfibrene i den fælles position, hvilket resulterer i utilstrækkeligt harpiksindhold ved svejsningen, hvilket igen påvirker svejsestyrken. Derudover har lange glasfibre under injektionsstøbningsprocessen en tendens til at akkumulere på de energiforholdede ribben. En effektiv opløsning er at bruge korte glasfibre i stedet for lange glasfibre.
Når fyldstofindholdet overstiger 10%, kan slibende partikler i materialet desuden forårsage slid af svejsehovedet. Derfor anbefales det at bruge et carbidstålsvejsningshoved eller en titanlegeringsvejshoved dækket med wolframcarbidbelægning. På samme tid kan det være nødvendigt at vælge en ultralydsenhed med højere effekt for at sikre, at der genereres tilstrækkelig varme ved samlingen.
På den anden side, mens tilsætningsstoffer kan forbedre materialets samlede ydelse eller injektionsstøbning, har de ofte en hæmmende virkning på ultralydssvejsning. Typiske tilsætningsstoffer inkluderer smøremidler, blødgøringsmidler, påvirkningsmodifikatorer, flammehæmmere, farvestoffer, skummagenter og gengrund. For eksempel reducerer smøremidler, såsom voks, zinkstearat, stearinsyre og fedtsyreestere friktionskoefficienten mellem polymermolekyler og reducerer derved varmen. Imidlertid er denne effekt normalt mindre ved leddet, fordi smøremiddelkoncentrationen er lav og jævnt spredt. På den anden side øger blødgøringsmidler, såsom organiske væsker med høj temperatur eller lavtemperatur smeltende faste stoffer, blødheden af materialet og reducerer stivheden, men de reducerer tiltrækningen mellem de indre molekyler af polymeren og forstyrrer transmission af vibrationsenergi. Især er højt plastificerede materialer såsom vinyl meget uegnet som transmissionsmaterialer til ultralydsvibrationer. Derudover kan blødgører som interne tilsætningsstoffer migrere til overfladen af plasten over tid, hvilket yderligere påvirker effekten af ultralydsvejsning. Tilsvarende reducerer påvirkningsmodifikatorer såsom gummi også materialets evne til at transmittere ultralydsvibrationer, hvilket kræver en større amplitude for at smelte plasten.
Flammehæmmere, uorganiske oxider eller halogenerede organiske elementer (såsom aluminium, antimon, bor, klor, brom, svovl, nitrogen eller fosfor) tilføjet til materialet kan effektivt undertrykke materialets brandpunkt eller ændre dets forbrændingsegenskaber. Imidlertid gør disse ingredienser ofte materialet ujævnt, især når flammenhæmmende tegner sig for 50% eller mere, hvilket vil reducere mængden af svejseligt materiale markant. For sådanne materialer kræves ultralydsudstyr med høj effekt og svejsede hoveder med store amplituder, og det leddesign justeres for at øge andelen af svejseligt materiale.
De fleste farvestoffer, inklusive pigmenter og farvestoffer, hindrer ikke transmission af ultralydsvibrationer. De kan dog reducere mængden af svejseligt materiale i det fælles område. Især når indholdet af titandioxid (TiO2) overstiger 5%, vil dets smøremiddeleffekt blive tydeligt, hvilket vil have en hæmmende virkning på ultralydssvejsning. På samme tid vil carbon sort forstyrre udbredelsen af ultralydsenergi i materialet.
Skummidler reducerer materialets evne til at transmittere ultralydsvibrationer, fordi deres lave densitet og store antal porer i molekylstrukturen forhindrer effektiv energioverførsel.
Når jordharpiks (regrind) blandes i materialet, skal dets tilsætning og volumen evalueres omhyggeligt og kontrolleres for at optimere svejseeffekten. I nogle tilfælde kan regrind muligvis ikke bruges overhovedet, og 100% jomfruemateriale er påkrævet.
Selvom formfrigivelsesmidler, såsom zinkstearat, aluminiumsstearat, fluorcarboner og siliconer kan hjælpe med at frigive injektionsstøbte dele, kan de overføres til den ledoverflade og reducere friktionskoefficienten for materialet og derved reducere varmegenerering og hæmme ultrasonisk svejsning. På samme tid kan formfrigivelsesmidler også forårsage kemisk kontaminering i harpiksen og påvirke dannelsen af korrekte kemiske bindinger. Især siliconer har den mest betydningsfulde indflydelse. Derfor er det nødvendigt omhyggeligt at vælge den passende karakter og træffe foranstaltninger for at forhindre, at den overfører til overfladen af delen.
Derudover kan forskellige kvaliteter af materialer have forskellige smeltetemperaturer og strømningsindekser, hvilket også kan påvirke effekten af ultralydsvejsning. For eksempel kan støbte kvaliteter af PMMA være vanskeligere at svejse end injektions-/ekstruderingskvaliteter på grund af deres højere molekylvægt og smeltetemperatur. For at opnå den bedste svejsningseffekt skal du prøve at vælge materialer af samme karakter til svejsning og sikre, at strømningsindekset for de to materialer er ens, og at den smelte temperaturforskel er inden for 22 grader.
Fugtighedsindholdet i et materiale har en betydelig effekt på dens svejsestyrke. Hydroskopiske materialer såsom PBT, PC, PSU og nylon absorberer let fugt fra luften. Under svejseprocessen koges denne absorberede fugtighed ved høje temperaturer, og den genererede gas, hvis den er fanget i svejsningen, vil danne porer og forringe plasten, hvilket påvirker æstetikken, styrken og tætningen af svejsningen. For at undgå dette skal hydroskopiske materialer svejses umiddelbart efter injektionsstøbning. Hvis øjeblikkelig svejsning ikke er mulig, skal de tørrede dele opbevares i en tør PE -taske eller placeres i en ovn ved 80 grader i 3 timer før svejsning.
Når der desuden svejser forskellige typer materialer, skal der rettes særlig opmærksomhed på smeltetemperaturen og molekylstrukturen for de to materialer. Den ideelle svejsningstilstand er, at den smelte temperaturforskel for de to materialer ikke overstiger 22 grader, og molekylstrukturen er ens. Hvis forskel på smeltetemperaturen er for stort, smelter materialet med et lavere smeltepunkt først og flyder og vil ikke give nok varme til at smelte materialet med et højere smeltepunkt. For eksempel, når PMMA med høj smeltning-punkt PMMA med PMMA med lavt smeltning, hvis energidederen er placeret på PMMA med høj smeltning, vil PMMA med lavt smeltningspoint smelte og flyde først, hvilket får energilederen til at blødgøre, hvilket i drej påvirker svejsestyrken.
Derudover er materialekompatibilitet også en nøglefaktor for vellykket svejsning. Kun kemisk kompatible materialer, det vil sige materialer med lignende molekylære strukturer, kan svejses. Det er værd at bemærke, at materialekompatibilitet hovedsageligt eksisterer mellem amorfe materialer, såsom ABS og PMMA, PC og PMMA og PS og modificeret PPO. Imidlertid har semi-krystallinsk plast, såsom PP og PE, selvom de har lignende fysiske egenskaber, forskellige molekylstrukturer og har derfor ikke materialekompatibilitet og kan ikke svejses.
