Termoplastide ühendamisel kasutatakse laialdaselt ultraheli plastist montaažitehnoloogiat. Selle toodetud liigesed pole mitte ainult tugevad ja vastupidavad, vaid ka ilusad välimuselt. See tehnoloogia hõlmab nelja peamist kategooriat, mille hulgas on teadusuuringute keskmes ultraheli keevitamine. Ultraheli keevitamine kasutab madala amplituudiga (1-100 μm) mehaaniliste vibratsioonide tekitamiseks kõrgsageduslikku ultraheli energiat (15-50 kHz). See vibratsioon toimib komponentide liigestele, sulatades termoplastilise materjali hõõrdelise soojuse genereerimise kaudu ja moodustades seejärel keevisõmbluse. Selle keevituskiirus on äärmiselt kiire, tavaliselt vahemikus 0,1 kuni 1,0 sekundit.
Ultraheli keevitusprotsessi ajal genereeritakse sinusoidsed seisvad lained termoplastides. Molekulidevahelise hõõrdumise tõttu muudetakse osa energiast soojusenergiaks, mis suurendab materjali temperatuuri. Veel üks osa energiast on koondunud ja kantakse liigesesse, mida soojendatakse ka lokaalselt piirihõõrdumisega. Seetõttu mõjutavad ultraheli energia ülekandeteed ja materjali sulamiskäitumist osaliselt ja materjali ultraheli neeldumisomadused.
Kui vibratsiooniallikas on keevisliigese lähedal, on materjalil vähem energia imendumise kadu. Kui kaugus vibratsiooniallikast vuuki on alla 6,4 mm, nimetatakse seda protsessi lähiväljakeelseks, mis sobib suure energia imendumise ja madala jäikusega materjalidega kristalsete materjalide jaoks. Kui vahemaa on suurem kui 6,4 mm, nimetatakse seda kaugevälja keevitamiseks, mis sobib amorfsete materjalide jaoks, millel on väikese energia imendumine ja kõrge jäikusega materjalid.
Liigendi pinna "ebaühtlaste" omaduste tõttu on lihtne tekitada kõrget temperatuuri ja kõrget hõõrdumist, mis soodustab ultraheli energia kogunemist. Paljudes ultraheli keevitusrakendustes on ülemise osa pinnale konstrueeritud kolmnurkne väljaulatuvus, mida nimetatakse energiajuhi ribiks, mis juhib vibratsioonienergiat liigesesse koondama.
Ultraheli keevitusprotsessi ajal toimib vibratsioonienergia vertikaalselt liigendi pinnal ja energiajuhi ribi ots puutub keevitatud osaga rõhu all. Hõõrdelise soojuse genereerimise tõttu tekib otsas suur hulk soojust, põhjustades energiajuhi ribi sulamist. Kogu keevitusprotsessi saab jagada neljaks etapiks. Esiteks hakkab energiajuhi ribi ülaosa sulama ja sulamiskiirus järk -järgult suureneb. Kuna lõhe mõlemal küljel väheneb, levib sula energiajuhendi ribi täielikult allpool oleva osaga ning sulamiskiirus sel ajal väheneb. Teiseks on ülemised ja alumised osad pinnakontaktis ja sulatusala laiendatakse veelgi. Seejärel siseneb see püsiseisundi sulamise etappi, sel ajal moodustub teatud paksusega sulakiht koos stabiilse temperatuuriväljaga. Kui eelseadistatud keevitustenergia, aeg või muud kontrollitingimused saavutatakse, peatub ultraheli vibratsioon. Lõpuks säilitatakse rõhk, liigne sula keevisõmblusest välja pigistatakse ning osad ühendatakse molekulaarsete sidemetega ja jahutatakse järk -järgult.
Ultraheli keevitamise eelised ja puudused
Tööstusvaldkonnas laialdaselt kasutatava plastilise ühendamise tehnoloogiana paistab ultraheli keevitamine silma kiire, ökonoomse ja hõlpsa automatiseerimise integreerimise ja masstootmise sobivuse tõttu. Selle keevisõmbluse stabiilsus on suurepärane, ka tugevus on kõrge ja keevitusaeg on lühem kui muud protsessid. Lisaks ei vaja see tehnoloogia suitsu või jahutussüsteemi eemaldamiseks keerulist ventilatsioonisüsteemi, et eemaldada liigne soojus, suure energia kasutamise, suurema tootmise efektiivsuse ja madalamate kuludega. Hallituse disain on suhteliselt lihtne ja hallituse muutmise kiirus on kiire, parandades seeläbi seadmete kasutamise kiirust ja mitmekülgsust. Väärib märkimist, et kuna keevisõmblusse ei tuua ühtegi muud abiainet keevitusmaterjali, jääb keevisõmblus puhas ja lisanditeta, ei mõjuta seadme biosobivust ning sobib väga sobivaks kasutamiseks tervishoiutööstuses, millel on kõrgemad puhtuse nõuded.
Kuid ultraheli keevitamine seisab silmitsi ka teatud piirangutega. Toodete jaoks, mille suurus on üle 250 mmx300mm, muutub keevituspea konstruktsioon keeruliseks ja sageli on vaja kasutada mitut keevituspead või ühe keevituspea jaoks mitme keevituse jaoks mitu keevituspea. Lisaks on ultraheli keevitamise tulemused tihedalt seotud selliste teguritega nagu keevisõmbluse struktuuri kujundamine, süstimise vormitud osa mõõtmete viga ja deformatsioon. Samal ajal võivad ultraheli vibratsioonid kahjustada tundlikke elektroonilisi komponente, ehkki selliseid riske saab vähendada, suurendades sagedust ja vähendades amplituudi.
Rakendusväljad
Ultraheli keevitamist kasutatakse paljudes tööstusharudes laialdaselt. Näiteks autotööstuses kasutatakse seda komponentide nagu esitulede, armatuurlaudade, nuppude ja lülitite ühendamiseks; Elektroonika- ja elektritööstuses kasutatakse seda tehnoloogiat sageli ka komponentide, näiteks lülitite, andurite ja ajamite ühendamiseks; Lisaks on ultraheli keevitamine hädavajalik ka selliste toodete tootmisprotsessis nagu filtrid, kateetrid, meditsiinilised rõivad ja maskid meditsiinivaldkonnas. Samal ajal on pakenditööstuses selliste toodete nagu blisterkotid, kotid, hoiukonteinerid ja düüsemed kasu ka ultraheli keevitamise tõhususest ja mugavusest.
Kohvikarpp on valmistatud PS-materjalist ja selle keevisõmbluse disain ühendab nutikalt soone ja energiat juhendava ribi, mis mitte ainult ei taga ühenduse stabiilsust, vaid parandab ka tootmise tõhusust.
Elektrooniline lüliti on valmistatud ABS -plastist ja rafineeritakse ultraheli neetimisega.
Reflektor on valmistatud ABS ja PC segamaterjalist ning ühendab etappide ja energiat juhendavate ribide keevitusprotsessi, et luua ainulaadne konstruktsiooni kujundus.
Elektrooniline lamp kasutab ABS-i ja PMMA komposiitmaterjali koos tasapinnaliste ja energiajuhtimise ribide peen keevitusprotsessiga, esitades ainulaadse disainistiili.
Elektriline pistik ühendab ABS ja metalli tahked materjalid ning tagab ühenduse stabiilsuse ja vastupidavuse täpse ultraheli neetimise kaudu.
Meditsiiniline pudel on valmistatud PC-materjalist ja kasutab nutikalt tasapinna ja energiat juhendavate ribide keevisõmbluste termotuumasünteesi.
Kütusefiltri pudel on valmistatud nailonist 6-6 ja selle disain ühendab nutikalt nihkeõmbluste ja keevisõmbluste kahekordsed protsessid.
Filtrimembraani ja heli neelduva puuvilla kokkupanekus kasutatakse 30% klaaskiuga leotatud nailoni komposiitmaterjali ja see on läbi augustava keevitusprotsessi kaudu peeneks kokku pandud.
Elektrikarbis kasutatakse PS ja vaskmutrite komposiitmaterjali ning see on ultraheli sisemise tehnoloogia kaudu peeneks valmistatud.
Rootor kasutab PS-materjali ja ühendab tasapinna ja energiajuhtivate ribide keevisõmbluste nutika kujunduse.
Polümeerstruktuur
Amorfsete plastide molekulaarstruktuur on juhuslikult jaotatud ja sellel puudub fikseeritud paigutuse suund. Selle omadus on see, et see pehmeneb järk -järgult temperatuurivahemikuga. Kui seda tüüpi materjal jõuab klaasi üleminekutemperatuurile, pehmeneb see järk -järgult ja siseneb lõpuks vedela sula olekusse. Materjali protsess vedelikust tahkestumiseni on järk -järguline. Amorfsed plastikud võivad ultraheli vibratsiooni tõhusalt edastada ja nende laia pehmenemise temperatuurivahemiku tõttu on neid lihtsam keevitada ja tihendada.
Teisest küljest on poolkristalliliste plastide molekulaarstruktuur korralikult korraldatud. Kõrge kuumus on korrapärase paigutuse purustamiseks võti. Nendel plastidel on teravad sulamispunktid ja kui temperatuur pisut langeb, tahkeb vedela olek kiiresti. Seetõttu tugevneb kuuma sulapiirkonnast välja voolav sula kiiresti. Kui tahke, on poolkristalliliste materjalide molekulaarne käitumine nagu vedru, imades suurema osa ultraheli vibratsioonidest, selle asemel, et neid liigese piirkonda edastada. Seetõttu on poolkristallilise plasti korral piisavalt amplituudiga väljundkeevituspea, et tekitada piisavalt soojust.
TG klaasi üleminekutemperatuur ja TM sulamistemperatuur
Polümeeri struktuuri arutamisel mainisime kahte olulist temperatuurikontseptsiooni: TG klaasist üleminekutemperatuur ja TM sulamistemperatuur. TG on temperatuur, mille juures materjal muutub klaasjast olekust väga elastsesse olekusse, sel ajal hakkab materjal järk -järgult pehmenema. TM on temperatuur, mis on vajalik, et materjal oleks täielikult vedelikuks sulaks. Need kaks temperatuuriomadust on polümeermaterjalide töötlemise ja jõudluse mõistmiseks üliolulised.
Ülaltoodud joonise vasakpoolsel küljel on amorfne plastik, paremal küljel on poolkristalliline plastik. Termoplastides võivad sellised täiteained nagu klaaskiud, talk ja mineraalid suurendada või pärssida ultraheli keevitamise mõju. Teatud materjalid, näiteks kaltsiumkarbonaat, kaolin, talk, alumiiniumoksiid, samuti orgaanilised kiud, ränidioksiid, klaasist kuulid, kaltsiumi metasilikaat (wollastoniit) ja vilgukivi, võivad suurendada vaigu kõvadust. Uuringud on näidanud, et kui täiteainesisaldus ulatub 20%-ni, võib see tõhusalt suurendada materjali ultraheli vibratsiooni ülekande efektiivsust, eriti poolkristalliliste materjalide puhul. Kui täiteainesisaldus ületab 35%, võib pitseri usaldusväärsust mõjutada keevisõmbluse ebapiisava vaiku sisalduse tõttu. Kui täiteainete sisaldus ulatub 40%-ni, kogunevad klaaskiud liigese asendisse, mille tulemuseks on keevisõmbluses ebapiisav vaigusisaldus, mis omakorda mõjutab keevisõmbluse tugevust. Lisaks kipuvad süstimisvormimisprotsessi ajal pikkade klaaskiudude kogunemist energiat juhendavatele ribidele. Tõhus lahendus on kasutada pikkade klaaskiudude asemel lühikesi klaaskiudusid.
Lisaks, kui täiteaine sisaldus ületab 10%, võivad materjali abrasiivsed osakesed põhjustada keevituspea kulumist. Seetõttu on soovitatav kasutada karbiidterase keevituspea või titaansulami keevituspea, mis on kaetud volframkarbiidkattega. Samal ajal võib osutuda vajalikuks valida kõrgema võimsusega ultraheli seade, et tagada vuugi korral piisav soojus.
Teisest küljest, kuigi lisaained saavad materjali üldisi jõudlus- või süstimisvormimisomadusi parandada, on neil sageli ultraheli keevitamisele pärssiv mõju. Tüüpiliste lisandite hulka kuuluvad määrdeained, plastifikaatorid, löögi modifikaatorid, leegi aeglustujad, värvained, vahustajad ja taaskehastatud vaigud. Näiteks vähendavad määrdeained nagu vaha, tsinkstearaat, steariinhape ja rasvhapete estrid polümeerimolekulide vahel hõõrdetegurit, vähendades sellega soojuse tekkimist. Kuid see efekt on liiges tavaliselt väiksem, kuna määrdeaine kontsentratsioon on madal ja ühtlaselt hajutatud. Teisest küljest suurendavad sellised plastifikaatorid nagu kõrge temperatuuriga orgaanilised vedelikud või madala temperatuuriga sulavad tahked ained materjali pehmust ja vähendavad jäikust, kuid need vähendavad polümeeri sisemiste molekulide vahelist külgetõmbest ja häirib vibratsioonienergiat. Eelkõige ei ole ülimalt plastifitseeritud materjalid, näiteks vinüül, väga sobimatud kui ultraheli vibratsioonide ülekandematerjalid. Lisaks võivad sisemised lisaained kui sisemised lisaained aja jooksul plasti pinnale rännata, mõjutades veelgi ultraheli keevitamise mõju. Sarnaselt vähendavad sellised löögimuundurid nagu kumm ka materjali võimet edastada ultraheli vibratsioone, nõudes plasti sulatamiseks suuremat amplituudi.
Leegi aeglustujad, anorgaanilised oksiidid või halogeenitud orgaanilised elemendid (näiteks alumiinium, antimon, boor, kloor, broom, väävel, lämmastik või fosfor), mida lisatakse materjalile) võib materjali tuletõrjepunkti tõhusalt maha suruda või selle põlemisomadusi muuta. Kuid need koostisosad muudavad materjali sageli lubamatuks, eriti kui leegi aeglustuja moodustab 50% või rohkem, mis vähendab märkimisväärselt keevitatava materjali kogust. Selliste materjalide jaoks on vaja suurte amplituudidega suure võimsusega ultraheli seadmeid ja keevituspead ning liigesekujundust kohandatakse keevitatava materjali osakaalu suurendamiseks.
Enamik värvaineid, sealhulgas pigmendid ja värvained, ei takista ultraheli vibratsiooni levikut. Kuid need võivad vähendada keevitatava materjali kogust liigese piirkonnas. Täpsemalt, kui titaandioksiidi (TiO2) sisaldus ületab 5%, ilmneb selle määrdeaine toime, millel on ultraheli keevitamisele pärssiv mõju. Samal ajal segab süsinik must ultraheli energia levimist materjalis.
Vahustajad vähendavad materjali võimet edastada ultraheli vibratsioone, kuna nende madal tihedus ja suur poorid molekulaarstruktuuris takistavad efektiivset energiat.
Kui maapinna vanus (regrind) segatakse materjalisse, tuleb keevitusfekti optimeerimiseks hoolikalt hinnata ja kontrollida. Mõnel juhul ei tohi regrindit üldse kasutada ja 100% neitsi materjali on vaja.
Lisaks, kuigi hallituse vabanemise ained nagu tsingi stearaat, alumiiniumist stearaat, fluoroboonid ja silikoonid võivad aidata süstimisvormitud osi vabastada, võivad need kanduda liigese pinnale ja vähendada materjali hõõrdekoefitsienti, vähendades sellega soojuse tekitamist ja pärssides ultraheli keevitamist. Samal ajal võivad hallituse vabastajad põhjustada ka vaiku keemilise saastumise ja mõjutada sobivate keemiliste sidemete moodustumist. Eelkõige olulisem mõju on silikoonidel. Seetõttu on hallituse vabastamisagentide kasutamisel vaja hoolikalt valida sobiv hinne ja võtta meetmeid, et takistada selle ülekandmist osa pinnale.
Lisaks võivad erinevatel materjalide klassidel olla erinevad sulamistemperatuurid ja voolu indeksid, mis võivad mõjutada ka ultraheli keevitamise mõju. Näiteks võib PMMA valatud hindeid olla keerulisem keevitada kui süstimis-/ekstrusiooni hinded nende suurema molekulmassi ja sulamistemperatuuri tõttu. Seetõttu proovige parima keevitamisefekti saamiseks valida keevitusse sama klassi materjalid ja veenduda, et kahe materjali vooluindeks oleks sarnane ja sulamistemperatuuri erinevus 22 kraadi.
Materjali niiskusesisaldus mõjutab selle keevisõmbluse tugevust märkimisväärselt. Hüdroskoopilised materjalid nagu PBT, PC, PSU ja nailon neelavad õhust kergesti niiskust. Keevitusprotsessi ajal keeb see neeldunud niiskus kõrgel temperatuuril ning keevisõmbluse lõksu korral moodustab genereeritud gaas poorid ja halvendab plasti, mõjutades seega keevisõmbluse esteetikat, tugevust ja tihendamist. Selle vältimiseks tuleks hüdroskoopilised materjalid keevitada kohe pärast sissepritsevormi. Kui viivitamatu keevitamine pole võimalik, tuleks kuivatatud osad hoida kuiva PE -kotis või asetada ahju 80 kraadi juures 3 tundi enne keevitamist.
Lisaks tuleks eri tüüpi materjalide keevitamisel pöörata erilist tähelepanu kahe materjali sulamistemperatuurile ja molekulaarsele struktuurile. Ideaalne keevitamistingimus on see, et kahe materjali sulamistemperatuuri erinevus ei ületa 22 kraadi ja molekulaarstruktuur on sarnane. Kui sulamistemperatuuri erinevus on liiga suur, sulab madalama sulamistemperatuuriga materjal kõigepealt ja voolab kõigepealt ning see ei anna piisavalt soojust, et materjali sulatada kõrgema sulamistemperatuuriga. Näiteks kui keevitades kõrge sulamisega PMMA-d madala sulanduvaputusega PMMA-ga, kui energiajuht asub kõrge sulamise punkti PMMA-l, sulab madala sulandumispunkti materjali liigend kõigepealt ja voolab kõigepealt, põhjustades energiajuht pehmenemist, mis omakorda mõjutab keevitustugevust.
Lisaks on eduka keevitamise võtmetegur ka materiaalne ühilduvus. Ainult keemiliselt ühilduvaid materjale, see tähendab sarnaste molekulaarstruktuuridega materjale. Väärib märkimist, et materjali ühilduvus eksisteerib peamiselt amorfsete materjalide, näiteks ABS ja PMMA, PC ja PMMA ning PS ning modifitseeritud PPO vahel. Kuid poolkristallilistel plastidel nagu PP ja PE, ehkki neil on sarnased füüsikalised omadused, on neil erinevad molekulaarstruktuurid ja seetõttu pole neil materiaalse ühilduvust ja neid ei saa keevitada.
