Ultrazvočno varjenje
Ultrazvočno varjenje uporablja visokofrekvenčne ultrazvočne akustične vibracije, ki se nanašajo na spojene dele, ki so sestavljeni skupaj pod nizkim pritiskom. Ta način varjenja se najpogosteje uporablja za spajanje termoplastov in kadar vijačenje, spajkanje ali lepljenje ni primerno.
Čeprav je bilo ultrazvočno varjenje razvito že v štiridesetih letih prejšnjega stoletja, so ga prvič industrijsko uporabili v zgodnjih šestdesetih letih prejšnjega stoletja za varjenje finih žic v elektronski industriji. Leta 1963 so za lepljenje polietilena začeli uporabljati ultrazvočno varjenje. Od takrat se ultrazvočno varjenje uporablja za varjenje aluminija in tanke pločevine v avtomobilski industriji (moduli za vžig, končne žice, žice).
Počasen proces prepoznavanja prednosti ultrazvočnega varjenja v industriji je posledica pomanjkanja zmogljive ultrazvočne opreme, ki bi lahko zagotovila dosledno kakovost varjenja tudi pri velikih delih.Posledično so bile raziskave v 80. in 90. letih 20. stoletja osredotočene predvsem na razvoj ultrazvočne opreme.
Čeprav ultrazvočno varjenje uporablja vibracije, se ta metoda razlikuje od "vibracijskega varjenja", znanega tudi kot torno varjenje. Pri vibracijskem varjenju je eden od delov, ki se spajajo, pritrjen, drugi pa niha (z elektromagnetnim ali hidravličnim pogonom).
Ultrazvočno varjenje drži oba dela na mestu in uporablja visokofrekvenčne zvočne valove za ustvarjanje trenja. Akustična energija ustvarja trenje in proizvaja toploto, zaradi česar so deli zvarjeni v manj kot sekundi, zaradi česar je ultrazvočno varjenje eno najhitrejših v uporabi danes.
Postopek ultrazvočnega varjenja je popolnoma avtomatiziran in se izvaja na posebnih napravah. Načelo ultrazvočnega varjenja je prikazano na sl. 1, sestava tipične instalacije pa je prikazana na sl. 2.
riž. 1. Princip ultrazvočnega varjenja: a — poravnava delov, b — stik delov s konico, c — uporaba pritiska, d — varjenje, e — držanje, f — dviganje konice
riž. 2. Montažna shema za zvočno varjenje
Generator (v ločeni enoti) se uporablja za pretvorbo električnih vibracij iz omrežja v visokofrekvenčne (20 ... 60 kHz), pretvornik s pomočjo piezoelektričnih elementov pretvori električne vibracije v akustične. Ojačevalnik in sonotroda sta pasivna resonančna elementa naprave, ki služita za prenos vibracij od pretvornika do delov.
Običajno so ultrazvočni varilni stroji opremljeni z nizom ojačevalnikov z različnimi razmerji transformacije premika.Oblika sonotrode je določena z zahtevano konfiguracijo zvara. Vzdolžna radialna, robna in druga valovna nihanja se ustvarijo glede na obliko sonotrode. Vsak šiv zahteva svojo sonotrodo.
Fizikalno bistvo procesa je v pojavu zelo močnih vibracij majhne amplitude na stiku dveh delov. Vibracije v kombinaciji s pritiskom odstranijo nečistoče in okside s površine delov. Med deli začnejo teči elektroni, ki tvorijo metalurški šiv.
Ultrazvočno varjenje je idealno za izdelavo električnih povezav, varjenje aluminija in bakra, tesnjenje koncev bakrenih cevi, varjenje plastike, vdelavo kovinskih delov v plastiko.
riž. 3. Spoji z ultrazvočnim varjenjem
Ultrazvočno varjenje plastike omogoča bolj zanesljive spoje kot druge metode. V tem primeru se ultrazvočno varjenje plastike bistveno razlikuje od varjenja kovin.
Prvič, ultrazvočno varjenje kovin poteka s pomočjo prečnih vibracij, vzporednih z varjenimi površinami. Ultrazvočno varjenje plastike uporablja vzdolžne vibracije, ki so normalne (tj. pod pravim kotom) na površine, ki jih varimo. Oblika sonotrod, ki prenaša ultrazvočne vibracije na kovinske in plastične šive, je tudi popolnoma drugačna.
Drugič, pri varjenju kovin se zaradi torne interakcije površin ustvari šiv, ki ustvari togo povezavo brez taljenja materiala.Ultrazvočno varjenje plastičnih delov temelji na taljenju materiala na enak način kot mnoge druge tradicionalne metode varjenja, kot so obločno varjenje, uporovno ali lasersko varjenje), vendar v veliko nižjih temperaturnih območjih.
riž. 4. Ultrazvočna oprema za varjenje
Prednosti ultrazvočnega varjenja:
1. Posebno čiščenje površine ni potrebno.
2. Zaščitna atmosfera ni potrebna.
3. Dodatni material za varjenje (žica, elektrode, spajka itd.) ni potreben.
4. Nizka poraba energije.
5. Kratek čas spajanja za oblikovanje spoja (približno četrtina sekunde).
6. Popolna avtomatizacija varilnega procesa in možnost enostavne integracije z ostalimi proizvodnimi procesi.
7. Možnost varjenja materialov različnih vrst, tudi občutljivih na visoke temperature, saj se pri varjenju proizvaja majhna količina toplote.
8. Varjenje vseh vrst detajlov.
9. Zvari, ustvarjeni s tem postopkom, so vizualno prijetni in urejeni.
10. Ultrazvočno varjenje ne uporablja jedkih kemikalij in proizvaja majhno količino hlapov, za razliko od drugih metod.
Omejitve ultrazvočnega varjenja:
1. Najresnejša omejitev pri uporabi ultrazvočnega varjenja je velikost varjenih delov - ne več kot 250 mm. To je posledica omejitev izhodne moči pretvornika, nezmožnosti sonotrode za prenos ultrazvočnih valov zelo visoke moči in težav pri nadzoru amplitude.
2. Ultrazvočno varjenje zahteva tudi nižjo vsebnost vlage v materialih, ki se spajajo.V nasprotnem primeru je prednostno varjenje z vibracijami.
3. Ultrazvočno varjenje ni učinkovito za spajanje debelostenskih materialov. Vsaj eden od delov, ki jih povezujemo, mora biti lahek, saj »vsrka« ogromno energije.