Zasada cięcia i zgrzewania taśm ultradźwiękowych

Zasada cięcia i spawania ultradźwiękowego

Cięcie i spawanie ultradźwiękowe to dziedzina zastosowań ultradźwiękowych w przemyśle, która jest coraz szerzej wykorzystywana ze względu na przyjazność dla środowiska, wydajność i walory estetyczne.

Zasada cięcia i spawania ultradźwiękowego

Cięcie i zgrzewanie taśm ultradźwiękowych wykorzystuje drgania mechaniczne o wysokiej częstotliwości (20-40 kHz), przenoszące energię na powierzchnię styku taśmy przez głowicę zgrzewającą. 1. Przetwarzanie energii: Generator ultradźwiękowy przetwarza energię elektryczną na drgania mechaniczne o wysokiej częstotliwości, które są wzmacniane przez transformator amplitudy, a następnie przekazywane do głowicy zgrzewającej. 2. Generowanie ciepła przez tarcie: Głowica zgrzewająca dociska taśmę, powodując tarcie o wysokiej częstotliwości między włóknami wewnątrz taśmy, generując natychmiastowe, lokalne wysokie temperatury rzędu 500-1000°C. 3. Synchroniczne spawanie i cięcie: Wysoka temperatura topi włókna taśmy (takie jak nylon i poliester), a nacisk głowicy zgrzewającej zagęszcza stopioną część, tworząc mocną warstwę spoiny. W przypadku użycia specjalnej głowicy zgrzewającej o krawędzi tnącej, wysoka temperatura może jednocześnie ciąć taśmę, zapewniając zintegrowane „cięcie i spawanie”. 4. Chłodzenie i kształtowanie: Po ustaniu wibracji, ciśnienie jest utrzymywane przez 0,1-0,5 sekundy, co pozwala na szybkie schłodzenie i zestalenie spawanego obszaru, kończąc proces cięcia i spawania. (Systemy pneumatyczne zapewniają amortyzację, a także chłodzenie i kształtowanie podczas cięcia i spawania).

Skład systemu cięcia i spawania ultradźwiękowego

Najczęściej stosowany system zgrzewania ultradźwiękowego tworzyw sztucznych składa się z trzech głównych komponentów: generatora ultradźwiękowego (skrzynki elektrycznej), przetwornik ultradźwiękowy (wibrator) i forma ultradźwiękowa (głowica formy, głowica spawalnicza, tuba).

Generator ultradźwiękowy (skrzynka elektryczna) Przetworniki ultradźwiękowe (wibratory), formy ultradźwiękowe (głowice formujące, głowice spawalnicze, tuby)

1. Generator ultradźwiękowy (skrzynka elektryczna): Zamienia napięcie sieciowe na stabilne napięcie wyjściowe o wysokiej częstotliwości i wysokim napięciu.

2. Przetwornik ultradźwiękowy (oscylator): Urządzenie akustyczne, które przetwarza energię, przekształcając energię elektryczną w energię mechaniczną.

3. Wzmacniacz: Amplitudę drgań mechanicznych przetwornika zmienia się za pomocą wstępnie zaprojektowanego współczynnika wzmocnienia.

4. Formy (głowice spawalnicze, rogi): Dostosowane do konkretnych wymiarów, zgodnie z potrzebami zastosowań spawalniczych i tnących, oraz zaprojektowane z uwzględnieniem charakterystyki akustycznej, aby spełnić wymagania rezonansowe systemu ultradźwiękowego. Poniżej, posłużę się kilkoma wzorami, aby wyjaśnić zjawisko dostrajania parametrów w różnych zastosowaniach.

Energia = Amplituda * Ciśnienie * Czas * Stała K = Moc * Czas

Powyższe wzory pokazują, że podczas spawania i cięcia amplituda fali ultradźwiękowej (którą można ustawić w generatorze), ciśnienie (ciśnienie powietrza lub moment obrotowy siłownika elektrycznego, a także sztywność i twardość konstrukcji) oraz czas emisji fali są dodatnio skorelowane z efektem spawania i cięcia. Innymi słowy, jeśli produkt nie jest dobrze cięty, parametry te można skorygować. Czy to oznacza, że ​​im wyższe te parametry, tym lepiej? Oczywiście, że nie!

P = K∗A∗f∗δ, gdzie P oznacza moc spawania w W;

K To stała, której wartość jest związana z przewodnością dźwięku i rozpraszaniem energii przez materiał. Oznacza to, że zazwyczaj mówimy, że różne materiały wymagają różnych, precyzyjnych ustawień parametrów, aby spełnić wymagania.

A Reprezentuje powierzchnię przekroju spoiny mierzoną w metrach kwadratowych (㎡). Jest to powierzchnia styku spoiny, więc długość i kąt krawędzi tnącej zazwyczaj określają tę powierzchnię.

F to częstotliwość ultradźwiękowa, co teoretycznie oznacza, że ​​wyższe częstotliwości są łatwiejsze do spawania. Jednak akustycznie, im wyższa częstotliwość, tym trudniej uzyskać dużą amplitudę; jednostką jest Hz.

D reprezentuje amplitudę mierzoną w metrach (m). Teoretycznie większa amplituda zapewnia lepsze spawanie i cięcie. Jednak trwałość zmęczeniowa materiałów metalowych zależy od częstotliwości, właściwości materiału, naprężenia, czasu, ciśnienia i twardości, a zatem jest zależna od innych parametrów.

Sześć czynników wpływających na efekty cięcia i spawania ultradźwiękowego:

Ciśnienie + Czas + Struktura mechaniczna + Materiały produktu + Debugowanie

1. Ciśnienie spawania ultradźwiękowego

Zastosowanie odpowiedniego nacisku na powierzchnię spoiny powoduje, że materiał spoiny zmienia swoją konsystencję z elastycznej na plastyczną, wspomaga interdyfuzję molekularną i wypiera resztki powietrza ze spoiny, zwiększając w ten sposób szczelność powierzchni spoiny. Ciśnienie zazwyczaj nie przekracza 0,5 MPa.

2. Czas spawania/cięcia ultradźwiękowego (czas emisji fali)

Odpowiedni czas topienia i chłodzenia są niezbędne. Przy stałej mocy cieplnej, zbyt krótki czas spowoduje niepełne spawanie, a zbyt długi – odkształcenie spoiny, nadmiar żużla, a czasem przebarwienia w miejscach niespawanych. Kluczowe jest zapewnienie, aby powierzchnia spoiny pochłonęła wystarczającą ilość ciepła, aby osiągnąć stan pełnego stopienia, gwarantując odpowiednią dyfuzję i stopienie molekularne. Jednocześnie, aby spoina osiągnęła odpowiednią wytrzymałość, konieczny jest odpowiedni czas chłodzenia.

3. Amplituda ultradźwiękowa

4. Struktura mechaniczna

Precyzja i stabilność wykonania ramy mają bezpośredni wpływ na efekt spawania, zwłaszcza w przypadku produktów precyzyjnych, gdzie struktura mechaniczna musi odpowiadać precyzji wykonania produktu.

5. Materiały produktu

Na efekt spawania bezpośredni wpływ mają również takie czynniki jak materiał spawanych części, ich struktura, grubość i odporność na ciśnienie.

6. Debugowanie sprzętu

Podsumowując, aby produkt osiągnął najlepsze rezultaty cięcia i spawania ultradźwiękowego, debugowanie sprzętu jest również ważną gwarancją. Elastyczne dopasowanie i regulacja różnych parametrów oraz debugowanie na miejscu przez inżynierów odgrywają istotną rolę.