Ультразвуковая сварка

Рис. 5: Простое соединение встык (слева) и соединение «язык-в-канавке» (справа) с направляющим энергию устройством (НЭУ)

В простейшей форме, направляющее энергию устройство представляет собой  гребень, имеющий форму треугольника с вершиной 60° или 90°, обычно высотой 0,3 - 0,8 мм, формованный на одной из деталей. Это направляющее энергию  устройство ограничивает начальный  контакт очень малым участком и фокусирует ультразвуковую энергию  в вершине треугольника. Во время  цикла сварки, сфокусированная ультразвуковая энергия вызывает плавление гребня и оплавление полимера по всему участку  стыка, соединяющего детали. Соединение встык языка и канавки с  направляющим энергию устройством  используется, прежде всего, для автоматического  размещения деталей и предупреждения выплеска как внутри, так и вне  зоны сварки. Он обеспечивает наибольшую прочность связи всех стыков соединения.  
 

Для полукристаллических  полимеров или в том случае, когда необходимы воздухонепроницаемые затворы или высокая прочность соединения, соединение внахлест (или интерференционное соединение) является предпочтительнее (см. рис. 6). В этом случае начальный контакт ограничивается малым участком, который обычно является шагом или выемкой в любой из деталей. Сварка достигается первым плавлением соприкасающихся поверхностей; затем, когда детали телескопически складываются, они продолжают плавиться вдоль вертикальных стенок. Смазывающее действие двух поверхностей расплава устраняет наплывы и пустоты, что делает этот способ лучшим соединением для получения прочных, герметичных спаев. Поэтому прочность сварки определяется глубиной раздвинутой секции, которая является функцией времени сварки. Глубина сварки и прочность сварки являются прямо пропорциональными.  
 
Следует рассмотреть несколько важных аспектов соединения внахлест; верхняя деталь должна быть с максимально пустой, будучи фактически просто крышкой. Стенки нижней секции должны быть закреплены в соединении зажимным приспособлением, которое близко соответствует внешней конфигурации детали, чтобы избежать расширения под давлением осадки.  
 
Параллельная ориентация является менее важной при соединении внахлест, чем при соединении встык. Из-за глубины сварки и механизма смазывания незначительные вариации существенно не влияют на прочность или герметичность сварки. По этой же причине при таком соединении можно допустить более высокую степень деформации в деталях.  
 
Рис. 6: Соединения внахлест 
 

Влияние, связанное с материалом и технологией

 
 
Легкость, с которой может быть сварен материал, зависит от его  способности передавать высокочастотные  колебания. Обычно потери энергии выше в случае полукристаллических пластмасс, чем при сварке твердых аморфных пластмасс. Есть простое правило: пластмассы, имеющие высокий модуль упругости, обладают также низкими внутренними  потерями ультразвуковых колебаний, и, следовательно, позволяют достигать  максимальной передачи энергии соединению. Детали, изготовленные из полукристаллических  пластмасс, обычно требуют более  высоких амплитуд, чем детали, изготовленные  из аморфных пластмасс.  
Задаются следующие значения (см. Табл. 1): - аморфные полимеры 15-50 мкм; - полукристаллические полимеры 30 - 90 мкм.  
 
Высокая температура расплава или кристаллическая структура делают сварку более сложным процессом. Очень важно влияние пигментов, средств, улучшающих разъем пресс-формы, стекловолокно и армирующие волокна. Большинство армированных материалов увеличивает жесткость, в результате которой увеличивается также коэффициент сдвига. Детали должны производиться в условиях, подходящих для их конкретного типа. Причина дефектной сварки состоит в том, что часто она осуществляется в неподходящих производственных условиях.  
 
Следует избегать отложения на поверхности соединения средств, улучшающих разъем пресс-формы, или примесей. Если нельзя обойтись без средств, улучшающих разъем пресс-формы, то нужно принять во внимание, что детали выделяют на поверхности соединения разные количества агентов, улучшающих разъем пресс-формы, и могут оказывать неблагоприятное воздействие на свойства сварки. Там, где необходимо, отлитые детали должны быть очищены. В случае неармированных пластиков, на модуль сдвига влияет также содержание влаги, степень кристаллизации, ориентация кристаллов и собственное напряжение. Эти факторы влияют также в случае армированных материалов.  
 
Вязкость расплава (выражаемая, например, Индексом расплава MFI) влияет на характеристику сварки. Высокомолекулярные, вязкие пластмассы, характеризующиеся низким MFI, обычно требуют для расплавления большего количества энергии. Это означает большую длительность цикла сварки или требует более высокой мощности на выходе аппарата ультразвуковой сварки.  
 
Пластмассы с низкой вязкостью расплава, характеризующиеся высоким коэффициентом плавления MFI, плавятся быстрее (например, ПОМ). Расплавленный материал может в таких случаях внезапно выйти за пределы области соединения. Чтобы избежать этого, должны быть с особой осторожностью скоординированы давление сварки, длительность цикла свар¬ки, амплитуда, запуск и схема области соединения. Механизм влияния пигментов на сварку до настоящего времени не выяснен. Поскольку сварочное оборудование устанавливается в условиях, которые обеспечивают качественную сварку неокрашенных деталей, качество сварки окрашенных деталей может оказаться заметно ниже. Низкое качество выражается в недостаточной прочности и большой хрупкости сварных швов.  
 
Когда ультразвуковая сварка предусматривается для скрепления деталей, которые должны быть отлиты в цветном материале, для выяснения применимости такой сварки рекомендуется провести пробную сварку прототипа. Содержание влаги должно быть как можно более низким, за исключением полиамидных деталей, где отвечающие стандартам детали, которые впитали допустимый процент влаги, дают лучшие сварные швы, чем те, которые не соответствуют требованиям стандарта. Детали, изготовленные из гигроскопичных материалов, перед сваркой должны быть полностью просушены, и их следует максимально долго хранить в полиэтиленовых мешках. Высокая степень полировки также может вызвать проблемы, если не предпринять меры предосторожности и перед сваркой не выяснить свойства расплава материала. Марки из первичного материала обычно имеют более высокую вязкость расплава, чем изделия с добавлением вторичного сырья, и это может привести к появлению на поверхности углублений и отметин, если к поверхности приложить усилие давления того же уровня, что используется при сварке деталей из полностью первичного сырья.

Проектирование

 
Немало написано о соответствующих  технологиях проектирования для  производства пластмассовых деталей, и те, кто отвечают за проектирование, должны гарантировать нам, что они  обладают достаточными техническими знаниями перед тем, как приступить к проектированию детали из термопласта, которая будет  монтироваться с помощью ультразвуковой сварки. Конструкция хорошей пластмассовой  детали влияет также и на другие процессы соединения компонентов, например, сварку нагретым инструментом, лазерную и вибрационную сварку. 
Правильная интеграция подходящих сварных соединений в деталь имеет наиважнейшее значение для успешного соединения. Самым важным шагом на пути к такой интеграции является получение хороших ресурсов от отрасли сверхзвуковой сварки и/или получение данных о наличии хороших ресурсов. Для каждой конструкции соединения существуют свои преимущества, а производители оборудования дают мало информации о затратах на проектирование и его использовании.

Тем не менее, можно изучить  наиболее существенные преимущества конструкции  всех основных типов  соединений:

- расположение одной  детали относительно другой за  счет использования элементов  деталей, таких как канавки,  соединительные переходники, или  же опоры и отверстия; 

- небольшая исходная  контактная зона между двумя  деталями для ускорения процесса  сварки и сведения к минимуму  воздействия на верхнюю часть  вибрации консоли сварочной машины  и прилагаемого усилия; 

- свобода вертикального  перемещения между двумя деталями  при начале ультразвуковой вибрации, что уменьшает продолжительность  периода воздействия;

 
- ультразвуковое соединение должно  располагаться как можно ближе  к поверхности консоли/рабочему  инструменту машины для ультразвуковой  сварки для того, чтобы можно  было избежать затухания вибрации  на сварном соединении.

Для характеристики данного  измерения в отрасли используются такие условия: в ближней зоне (< 6 мм) и в дальней зоне (>6 мм). 
Не менее важным фактором, обеспечивающим успех процесса сварки, является использование стандартной «практики хорошего проектирования». Использование хорошей практики обеспечивает получение хорошо сформованных деталей, которые можно соединить надлежащим образом. Особое внимание следует обратить на те детали, которые сводят к минимуму усадку деталей, внутренние напряжения и трудности с правильным заполнением формы (например, слабые швы или линии расслоения, неполное заполнение, и т. д.). 
Толщина стенок должна оставаться неизменной для всей поверхности детали для того, чтобы избежать проблем с утяжками, раковинами и усадкой детали. Если добиться этого невозможно, приемлемым является отклонение от 15 до 25%, при условии, что переход между зонами осуществляется постепенно (в отличие от резкого изменения). Любое состояние, в результате которого происходит уменьшение поля контакта консоли или рабочего инструмента сварочной машины с деталью, такое как образование утяжек или усадка, потребует уменьшения усилия (исходного параметра сварки), тем самым, приводя к созданию неполноценных сварных соединений. 
Использование правильного радиуса для уменьшения концентрации напряжения обеспечивает меньшее напряжение при формовании детали, и позволяет легче осуществлять заполнение формы. Предлагается использовать радиусы со значениями, составляющими 50% от толщины стенок для того, чтобы избежать образования разрывов от острых углов, в которых концентрируется напряжение и снижается прочность деталей. Отмечались случаи, когда зоны с наибольшими уровнями напряжения, например, зоны входа, повреждались при воздействии ультразвуковой вибрации и сил сопряжения. 
Сверхзвуковая энергия и сила сварки могут вызывать повреждение в зонах ослабления, таких как слабые швы или линии расслоения вокруг выступов, отверстий или иных зон, ограничивающих поток. Это обычно хорошо видно в процессе установки на место ультразвуковых вставок, с натягом, или с соединениями внахлестку, что может создать высокую растягивающую нагрузку на компоненты (См. рис. 7).

 
  
Рисунок 7. Эффект коробления детали на примере типичного соединения внахлестку.

Установка размеров питателя в половину от номинальной толщины  стенок уменьшит количество проблем  с заполнением формы. Установка  правильных размеров воздушника позволит свести к минимуму неполный впрыск в форму, прижоги, деформацию и высокие значения остаточного напряжения, что в результате даст более стабильные технологии и прочные детали.

Формы деталей или их геометрия

 
Даже тогда, когда проектирование пластмассовой детали осуществлено на должном уровне, и надлежащее внимание уделено большинству проблемных зон, все же могут создаться такие  условия формования, которые ухудшат  состояние проблемных зон или  создадут новые проблемные зоны готовой  детали. То, что было «исключено при  проектировании», может появиться  снова. Ниже приведены примеры проблем, с которыми можно столкнуться, и  тех причин, которые их вызывают.

1)Плохая  размерная стабильность 
Результатом плохой размерной стабильности является то, что детали по-разному подходят друг к другу, или же они по-разному устанавливаются в ультразвуковое оборудование, от одного цикла к другому, от партии к партии, и от гнезда к гнезду. Разумеется, детали должны всегда подгоняться друг к другу одним и тем же образом для того, чтобы добиться осуществления правильной и надежной сварки. Различная степень «подогнанности» деталей дает различия в результатах сварки, что можно неоднократно наблюдать при изучении данных по сварке в виде различных расстояний оплавления, максимальных выходных мощностей, времени сварки, и, в результате, энергетических уровней. Например, плотная подгонка двух деталей потребует большего времени сварки, а это может привести к повреждению детали. Эту проблему можно преодолеть с помощью увеличения амплитуды сварки, но использовать это средство не рекомендуется. Слишком свободная подгонка деталей может привести к тому, что соединение произойдет не так, как это предусмотрено в проекте. Изменение размерности деталей, а также варьирование размеров деталей, изготавливаемых на формовочных установках с большим количеством гнезд, также влияет на то, как детали устанавливаются в сварное оборудование. Это может привести к непостоянству используемых сварных данных, маркировки или повреждению деталей оборудованием или же самим процессом сварки. Это нередко можно наблюдать при работе с деталями, произведенными на формовочных установках с большим количеством гнезд. Иногда эти проблемы можно решить за счет использования пленки из ПЭ между инструментарием и деталью. 
В такой нестабильности виноваты многие факторы самого различного характера; тем не менее, варьирование параметров при реализации формования приведет к таким изменениям геометрии деталей: изменение размеров впрыска даст следы утяжек на деталях (что повлияет на поверхность контакта консоли) или заусенцы (такие детали трудно правильно разместить в оборудовании) в отдельных зонах. В самых тяжелых случаях, линии оплавления (линии спая) могут оказаться недостаточно прочными для того, чтобы выдерживать усилие и вибрацию, воздействующие в процессе сварки. Такое состояние может возникнуть из-за: температур расплава и формы, различных процентных соотношений повторного измельчения, различных скоростей течения расплава и скоростей усадки материалов. Шагами в правильном направлении являются хороший стабильный процесс формования, повторяемый многократно, а также хорошо обслуживаемое оборудование, на котором работает хороший персонал.

2) Коробление 
Короблением называется состояние, при котором объект находится не в той форме, которая для него предназначалась, например, плоская планка загибается на концах, или стенка прогибается вместо того, чтобы оставаться прямой. Это может повлиять на сварку, так как препятствует надлежащему соединению компонентов конструкции. 
Например, если соединение внахлестку проектируется так, чтобы натяг составил 0,5 мм между корпусом и крышкой, а корпус прогибается наружу на 0,25 мм в своей центральной точке, у этой зоны не будет прочности. Тем не менее, чтобы решить эту проблему, может быть достаточно дополнить стенку креплением, обеспечив дополнительное прикрепление. Другим примером является ситуация, при которой горизонтальная стенка, на которую опирается конструкция, прогибается. Здесь зона, находящаяся в середине, не будет привариваться так же, как зоны, находящиеся на концах. В таких случаях справиться с этим может помочь увеличение усилия включения, хотя нагрузки в сварной области останутся (См. рис. 8).

  
Рисунок 8. Эффект, который дает утяжка в области контакта консоли

Коробление обычно появляется при первых впрысках новой  формовочной установки, когда процесс  еще не «запущен», и в деталях  есть остаточное напряжение. Детали с  сильным короблением отмечаются в ходе сварного процесса в тех  местах, где коробление расположено  лицом к инструменту. Примером может  служить небольшая направленная вверх выпуклая поверхность, которая  должна быть плоской, края которой подвергаются воздействию большей сжимающей  нагрузки со стороны консоли, чем  области, расположенные в середине. При этом края «засвечиваются» или  обдираются инструментами. 
Если коробление происходит не из-за недостатков конструкции, его можно свести к минимуму за счет изменения процесса формования. Увеличение времени выдерживания при литьевом формовании для того, чтобы позволить детали отверждаться в «плоском» состоянии, а также правильная регулировка объема подачи могут помочь в большинстве случаев. Коробление также уменьшают при использовании более высокой температуры расплава и более низкого давления литья, что позволяет снизить напряжение при формовании. Кроме того, введение вставок и ребер в конструкцию детали может помочь справиться с такими проблемами.

3) Следы утяжек 
Следы утяжек, или неровные поверхности детали, появляются либо в результате того, что в форму вводится недостаточное количество материала, либо того, что стенки имеют большую толщину в тех частях детали, где происходит усадка, по сравнению с зонами с более тонкими стенками. В этих участках происходит уменьшение контакта консоли и усилия, прикладываемого ультразвуковой консолью. Это уменьшает нагрев пластмассы и объем получаемого сварного соединения. Так же, как указано выше, те участки, которые контактируют с консолью, могут получать высокие силовые нагрузки, и на них могут оставаться отметины. 
Наиболее распространенной причиной образования следов утяжек обычно является недостаточный объем вводимого материала. Вырезание участков с толстыми стенками может быть использовано для предотвращения этих проблем, если с ними нельзя справиться с помощью изменения параметров формования. И снова ключом к решению проблем является правильной подбор температуры расплава и скорости подачи. Необходимо также обеспечить надлежащий отвод воздуха из формы.