Uporaba principa ultrazvočnega rezanja in varjenja trakov
Načelo ultrazvočnega rezanja in varjenja
Ultrazvočno rezanje in varjenje je podpodročje ultrazvočnih aplikacij v industriji in se zaradi svojih okolju prijaznih, učinkovitih in estetsko prijetnih lastnosti vse bolj uporablja.
Načelo ultrazvočnega rezanja in varjenja
Ultrazvočno rezanje in varjenje trakov uporablja visokofrekvenčne mehanske vibracije 20–40 kHz, ki prenašajo energijo na kontaktno površino traku skozi varilno glavo. 1. Pretvorba energije: Ultrazvočni generator pretvarja električno energijo v visokofrekvenčne mehanske vibracije, ki jih amplitudni transformator ojača in nato prenese na varilno glavo. 2. Ustvarjanje toplote zaradi trenja: Varilna glava pritiska na trak, kar povzroča visokofrekvenčno trenje med vlakni znotraj traku in takojšnje ustvarjanje lokaliziranih visokih temperatur od 500 do 1000 ℃. 3. Sinhrono varjenje in rezanje: Visoka temperatura tali vlakna traku (kot sta najlon in poliester), medtem ko tlak varilne glave stisne staljeni del in tvori močno varilno plast. Če se uporablja s posebno varilno glavo z rezalnim robom, lahko visoka temperatura hkrati reže trak, s čimer se doseže integrirano "rezanje + varjenje". 4. Hlajenje in oblikovanje: Po prenehanju vibracij se tlak vzdržuje 0,1–0,5 sekunde, kar omogoča, da se varjeno območje hitro ohladi in strdi, s čimer se zaključi postopek rezanja in varjenja. (Pnevmatski sistemi zagotavljajo blaženje, hkrati pa zagotavljajo hlajenje in oblikovanje med rezanjem in varjenjem.)
Sestava ultrazvočnega sistema za rezanje in varjenje
Pogosto uporabljen sistem za ultrazvočno varjenje plastike je sestavljen iz treh glavnih komponent: ultrazvočnega generatorja (električne omarice), ultrazvočni pretvornik (vibrator) in ultrazvočni kalup (glava kalupa, varilna glava, rog).
Ultrazvočni generator (električna omarica), ultrazvočni pretvorniki (vibratorji), ultrazvočni kalupi (glave kalupov, varilne glave, rogovi),
1. Ultrazvočni generator (električna omarica): Pretvarja omrežno energijo v stabilen visokofrekvenčni visokonapetostni izhod.
2. Ultrazvočni pretvornik (oscilator): Akustična naprava, ki pretvarja energijo, tako da električno energijo preoblikuje v mehansko energijo.
3. Ojačevalnik: Amplituda mehanskih vibracij pretvornika se spreminja z vnaprej določenim razmerjem ojačanja.
4. Kalupi (varilne glave, rogovi): Prilagojeno specifičnim dimenzijam glede na potrebe varilnih in rezalnih aplikacij ter zasnovano z akustičnimi lastnostmi, ki ustrezajo resonančnim zahtevam ultrazvočnega sistema. Spodaj bom uporabil več formul za razlago pojava nastavitve parametrov v aplikacijah.
Energija = Amplituda * Tlak * Čas * Konstanta K = Moč * Čas
Zgornje formule kažejo, da so pri varjenju in rezanju amplituda ultrazvočnega vala (ki jo je mogoče nastaviti na generatorju), tlak (tlak zraka ali navor električnega valja ter strukturna togost in trdota) in čas oddajanja vala pozitivno povezani z učinkom varjenja in rezanja. Z drugimi besedami, če izdelek ni dobro razrezan, je mogoče te parametre pozitivno prilagoditi. Ali to pomeni, da višji kot so ti parametri, bolje je? Seveda ne!
P = K∗A∗f∗δ, kjer P predstavlja varilno moč v W;
K. je konstanta, katere velikost je povezana s prevodnostjo zvoka in odvajanjem energije materiala. To pomeni, da običajno rečemo, da različni materiali potrebujejo različno natančno nastavitev parametrov, da izpolnijo zahteve.
A predstavlja površino varjenega reza, merjeno v kvadratnih metrih (㎡). To je kontaktna površina varjenega reza, zato dolžina in kot rezalnega roba običajno določata to površino.
f je ultrazvočna frekvenca, kar pomeni, da je teoretično lažje variti z višjimi frekvencami. Vendar pa je akustično gledano višja frekvenca pomeni težje doseči veliko amplitudo; enota je Hz.
d predstavlja amplitudo, merjeno v metrih (m). Teoretično večja amplituda pomeni boljše varjenje in rezanje. Vendar pa je utrujenostna življenjska doba kovinskih materialov povezana s frekvenco, lastnostmi materiala, napetostjo, časom, tlakom in trdoto, zato nanjo vplivajo tudi drugi parametri.
Šest dejavnikov, ki vplivajo na rezultate ultrazvočnega rezanja in varjenja:
Tlak + Čas + Mehanska struktura + Materiali izdelka + Odpravljanje napak
1. Ultrazvočni varilni tlak
Z ustreznim pritiskom na varilno površino se varilni material spremeni iz elastičnega v plastično stanje, kar spodbuja molekularno medsebojno difuzijo in izpodriva preostali zrak iz zvara, s čimer se poveča tesnilna sposobnost varilne površine. Tlak običajno ne presega 0,5 MPa.
2. Čas ultrazvočnega varjenja/rezanja (čas oddajanja valov)
Ustrezen čas taljenja in zadosten čas hlajenja sta bistvenega pomena. Pri fiksni toplotni moči bo premajhen čas povzročil nepopolno varjenje, predolg čas pa bo povzročil deformacijo varjenega spoja, prelivanje žlindre in včasih vroče točke (razbarvanje) na nevarjenih območjih. Ključnega pomena je zagotoviti, da varjena površina absorbira dovolj toplote, da doseže popolnoma staljeno stanje, kar zagotavlja ustrezno molekularno difuzijo in taljenje. Hkrati je potreben zadosten čas hlajenja, da var doseže ustrezno trdnost.
3. Ultrazvočna amplituda
4. Mehanska struktura
Natančnost in stabilnost izdelave okvirja neposredno vplivata na učinek varjenja, zlasti pri nekaterih preciznih izdelkih, kjer se mora mehanska struktura ujemati z natančnostjo izdelka.
5. Materiali izdelka
Dejavniki, kot so material varjenih delov, njihova struktura, debelina in tlačna odpornost, neposredno vplivajo tudi na učinek varjenja.
6. Odpravljanje napak v opremi
Skratka, za doseganje najboljših rezultatov ultrazvočnega rezanja in varjenja je pomembno zagotovilo tudi odpravljanje napak v opremi. Pomembno vlogo igrajo prilagodljivo prilagajanje in prilagajanje različnih parametrov ter odpravljanje napak na kraju samem, ki ga izvajajo inženirji.