Ultralydssvejsning er en bredt anerkendt og accepteret proces til samling af termoplastiske materialer. Den giver mange fordele, herunder processikkerhed og gentagelighed, lavere energiforbrug end andre sammenføjningsteknikker, materialebesparelser (fordi der ikke er behov for forbrugsstoffer, såsom lim eller mekaniske fastgørelseselementer) og arbejdsbesparelser.
Men som med enhver proces er der situationer, hvor tilsyneladende problemer med denne teknik kan afbryde produktionsprocessen. Nøglen til at løse og undgå disse problemer er at forstå deres sandsynlige oprindelse. Forarbejdningsvirksomheder, der har succes med at anvende ultralydssvejsning, har typisk to hovedtræk til fælles: de har en veldokumenteret, valideret svejseproces, og denne proces understøttes og vedligeholdes af en fastboende, veluddannet “mester”. Hvis en eller begge af disse vigtige faktorer ikke er til stede, vil du sandsynligvis meget snart tilkalde hjælp. Selv hvis begge er til stede, er det muligt, at du vil få brug for hjælp eller teknisk bistand i det mindste en gang imellem.
Hvordan PROCESSEN FUNGERERER
Hvor vi undersøger de almindelige årsager til problemer med ultralydssvejsning, skal vi tage et øjeblik til at forstå selve svejsecyklussen. Ved ultralydssvejsning påføres højfrekvente vibrationer på overfladerne af to dele af et vibrerende værktøj, der almindeligvis kaldes et “horn” eller en “sonotrode”. Svejsning sker som følge af den gnidningsvarme, der opstår ved grænsefladen mellem delene. Ultralydsvibrationerne skabes af en række komponenter – strømforsyning, omformer, booster og horn – der leverer mekaniske vibrationer til delene.
Som vist i fig. 1 tager strømforsyningen en standard elektrisk netspænding og omdanner den til en driftsfrekvens. I det følgende eksempel vil vi anvende en almindelig ultralydssvejsefrekvens på 20 kHz, selv om svejsning kan finde sted i et interval på 15 til 60 kHz for at opfylde specialiserede behov. I drift sender strømforsyningen elektrisk energi med den angivne frekvens gennem et RF-kabel til konverteren. Konverteren anvender piezoelektrisk keramik til at konvertere den elektriske energi til mekaniske vibrationer ved strømforsyningens driftsfrekvens. Disse mekaniske vibrationer øges eller mindskes afhængigt af konfigurationen af booster og horn. Den rette mekaniske vibrationsamplitude bestemmes af en applikationsingeniør og er baseret på de termoplastiske materialer, der anvendes i delene.
De dele, der skal svejses, sættes under en mekanisk belastning, som regel med en pneumatisk aktuator, der holder booster og horn. Under denne belastning overføres de mekaniske vibrationer til grænsefladen mellem materialeoverfladerne, som fokuserer vibrationerne for at skabe intermolekylær friktion og overfladefriktion. Denne friktion skaber varme og en efterfølgende smeltning, som størkner til en svejset forbindelse.
De grundlæggende komponenter i et ultralydssystem er en strømforsyning, en aktuator og en stak (se fig. 2). Strømforsyningen tager netspænding på nominelt 120-240 V og omdanner den til et højspændings- og højfrekvenssignal. Den indeholder også den programmering, der er nødvendig for at betjene aktuatoren og stakken på en kontrolleret måde for at opnå et ønsket svejseresultat. Aktuatoren, der enten er pneumatisk eller elektrisk servodrevet og fås som en selvstændig bordpladeenhed eller integreret i et automatiseret system, bevæger ultralydsværktøjet mod de dele, der skal samles. Den påfører den nødvendige kraft på materialerne for at hjælpe med at skabe svejsebetingelserne.
Ultralydsstacken fuldender systemet. Den overfører vibrationsenergi gennem direkte kontakt med delene til tætnings-/samlingsfladen. Stakken består typisk af tre elementer: transduceren eller konverteren (beskrevet ovenfor), som indeholder de piezoelektriske keramiske krystaller, der svinger med frekvensen af det påførte strømforsyningssignal. Når disse krystaller svinger, udvider og trækker de sig fysisk sammen og skaber en målbar mekanisk bevægelse (kaldet peak-to-peak-amplitude) i transducerens udgangsside.
Den anden sektion, booster, med en fastgjort ring i dens midtersektion, tjener to funktioner: Den fungerer som et monteringspunkt for stakken i aktuatoren og tjener også til at forstærke eller reducere den udgangsbevægelse, der skabes i transduceren.
Den tredje og sidste komponent i stakken er hornet (sonotrode), der skal komme i kontakt med de dele, der skal samles. Hornet vil være udformet til at matche profilen på de stive dele, der skal sammenføjes, eller kan have en tætningsprofil tilføjet på sin kontaktflade i en film/tekstilapplikation. For hver enkelt anvendelse er hornet designet til at kombinere med de andre komponenter i stakken for at opnå det optimale amplitudeoutputniveau, således at ultralydssvejsning kan foregå så effektivt som muligt.
TYPISKE OPGAVER
Problemer opstår normalt på et af fire områder:
1. Udstyr: Udstyret til ultralydssvejsning eller forskellige svejsekomponenter er ikke egnet til anvendelsen.
2. Procesparametre: De anvendte parametre er ikke egnede til de dele, der skal samles.
3. Materialer: Der foretages ændringer i typen, sammensætningen eller de fysiske/mekaniske egenskaber af de materialer, der anvendes i delene.
4. Delkonstruktion: Visse detaljer i delens geometri er ikke egnede til gentagelig eller vellykket svejsning.
Det skal også bemærkes, at et problem, der er identificeret på ét område, undertiden kan afsløre en svaghed eller mangel på et andet område.
Lad os begynde med udstyret. Det er let og normalt logisk at tro, at det udstyr og de metoder, der giver vellykkede svejsninger i én anvendelse, også vil gøre det i en anden. Men det er ikke universelt sandt. På verdensplan er 20-kHz ultralydssvejseapparater langt de mest anvendte; på grund af deres alsidighed kan disse svejsere levere høj effekt (op til 6000 W) og højamplitude output, og de kan rumme en bred vifte af tilgængelige værktøjsstørrelser. For en kontraktproducent, der producerer ultralydssvejsede dele, kan 20-kHz-udstyr være en god investering, da det giver løfte om fremtidig anvendelse i mange applikationer.
Der er imidlertid nogle tilfælde – især med små og sarte dele – hvor 20-kHz-udstyrets kapacitet med høj effekt og høj amplitude kan vise sig at være for “aggressivt” for visse samlinger, hvilket potentielt kan medføre skader. En mulig løsning er at reducere inputamplituden, men dette vil ikke fungere, hvis den anvendte amplitude er under det anbefalede niveau for den polymer, der svejses.
En anden løsning er at se på udstyr, der arbejder ved en højere frekvens, måske 30 eller 40 kHz, forudsat at det værktøj, der kræves til anvendelsen, er tilgængeligt til brug ved denne frekvens. Udstyr med højere frekvens giver et lavere amplitudeoutput, men kompenserer ved at resonere ved en højere frekvens. Svejseapparater med højere frekvens anses derfor for at være “mere skånsomme” ved anvendelse af ultralydsenergi på dele. Elektroniske samlinger, især dem med sarte timere/oscillatorer og andre komponenter på printplader, har nydt godt af denne fremgangsmåde. På samme måde vil dele, der lider af “diaphragmatisering” eller “oil canning” på grund af overdreven bevægelse af en af de sammenføjede dele, ofte drage fordel af skiftet til højfrekvent udstyr.
En anden potentiel faktor er fejl i udstyret. Disse opstår sjældent uden varsel. Et indlysende eksempel er en ændring eller stigning i den støj, der genereres, når en svejser er i drift. Erfarne operatører og vedligeholdelsespersonale er ofte indstillet på sådanne subtile harmoniske fluktuationer og bør altid informere tilsynsførende om disse ændringer. Hvis man lytter til “et knirkende hjul” før end senere, kan det meget vel gøre det muligt at identificere og løse et problem, før produktionen påvirkes negativt.
Sådan giver nyere ultralydsudstyr brugerne mulighed for at udføre interaktive diagnostiske funktionskontroller, som, hvis de fortolkes korrekt og bruges i kombination med andre advarselstegn som f.eks. støj, kan advare brugeren om bekymrende tendenser, før de bliver til større problemer. Strømforsyninger kan via avancerede kommunikationsprotokoller få data som f.eks. “svejsegraferesultater” og “hornscanninger”, der kan sammenlignes med basislinjedata, der blev opnået, da udstyret var nyt, for nylig blev serviceret eller vidste, at det fungerede efter standard.
Med disse oplysninger kan erfarne brugere derefter fokusere deres fejlfinding og afgøre, om der er behov for yderligere tiltag eller yderligere overvågning. Når et problemområde er blevet identificeret, er udskiftning af kendte gode komponenter med mistænkelige komponenter en måde at identificere positivt svejseudstyr, der kræver reparation eller korrigerende handling. Eksempler på nyttige diagnostiske data omfatter:
– Svejsekurvediagramdata. Dette kan hjælpe med at lokalisere forskelle mellem gode dele og mistænkelige dele. Data, der vises på en svejsediagram, som det ses i fig. 3, omfatter amplitude, strømforbrug, effekt, frekvens og fase. Amplitude-, fase-, frekvens- og strømvariationer kan indikere et problem med en strømforsyning eller en stak. En afvigelse i strømforbruget kan indikere en procesændring (f.eks. i svejsetryk), en ændring i emnets geometri (tolerancer, især i sammenføjningsområdet, kan have ændret sig) eller et problem med en stakkomponent (et horn eller en konverter er begyndt at svigte).
– Diagnostisk scanning af horn. Dette identificerer, om hornet trækker mere strøm (vises som en stigning i den wattydelse, der er nødvendig for at køre i luft). Øget strømtræk kan være tegn på, at der er ved at dannes en revne i hornet. Sådanne revner er undertiden interne og er derfor ikke altid synlige for det blotte øje.
– Tilfældige data. Data, der virker kaotiske, når de sammenlignes med kendte, gode data, kan være tegn på en fejl i omformeren, hornet eller i radiofrekvenskablet, som det ses i fig. 4.
PROCESSPARAMETRE & MATERIALER
En omhyggelig kontrol og dokumentation af procesparametre er et andet område, der ikke kan overses. Producenter af medicinske og bilkomponenter ved dette og følger strenge procedurer, ofte påbudt af regulerende myndigheder som FDA, som resulterer i en høj grad af succes ved brug af ultralydssvejsning.
Desværre opererer forarbejdningsvirksomheder af andre produkter, såsom legetøj eller engangsprodukter, ofte under meget mindre strenge krav og udøver meget svagere proceskontrol. I sådanne situationer kan det være almindeligt, at operatørerne løbende justerer indstillingerne som reaktion på ændrede emne- eller produktionsforhold. Selv om denne fremgangsmåde kan resultere i en tilfredsstillende produktion, kan det være vanskeligere at diagnosticere eventuelle problemer, især på afstand, når procesparametrene varierer ofte. Var den seneste parameterændring f.eks. foranlediget af et udstyrsproblem eller en ændring i emnets sammensætning eller kvalitet?
Typisk set kan en ultrasonisk svejseapplikationsingeniør, når en applikation som denne kræver hjælp, efter at have stillet et par grundlæggende spørgsmål omkring delene (materiale, design af forbindelsen, testkrav og den nuværende maskinopsætning) lede kunden til den rette løsning. Denne fremgangsmåde er især nyttig, hvis fejlfindingen kan udføres direkte på maskinen ved hjælp af produktionsdele. En oversigt over processen for fejlfinding/parameterjustering er vist i fig. 5.
Materiale-relaterede spørgsmål er en hyppig kilde til uoverensstemmelser eller problemer i produktionen. Som det fremgår af de følgende eksempler, kan selv små variationer i materialerne have dramatiske virkninger på svejse- eller produktionskvaliteten:
– Polymerændringer. Da priserne svinger, er det almindeligt, at forarbejdningsvirksomheder af økonomiske årsager ønsker at skifte mellem lignende polymerer. Det er dog klogt at rådføre sig med en ekspert i ultralydssvejseapplikationer, før man foretager en ændring.
Et eksempel på en almindelig, men potentielt besværlig ændring indebærer, at man går fra et amorft materiale, der er let at svejse, som f.eks. ABS, til en meget vanskeligere at svejse halvkrystallinsk polymer, som f.eks. PP. ABS kræver en lavere ultralydsstackoutput (30-70 mikron ved 20 kHz) for at opnå en vellykket svejsning end PP (90-120 mikron). Hvis denne ændring resulterer i dele, der ikke har den samme styrke som tidligere, eller hvis det tager længere tid at svejse, eller hvis svejsningerne forårsager skader på følsomme monteringsoverflader/komponenter, kan problemet være manglende ultralydsudgang. En undersøgelse af stakkomponenterne, især hornet og booster, er berettiget for at afgøre, om forbedringer af en af komponenterne vil gøre det muligt
for applikationen at svejse den nye polymer effektivt og bringe applikationen tilbage til et “normalt” succesområde.
– Højt indhold af eftersmeltning. Eftersmeltede termoplastmaterialer kan smeltes og omformes mange gange, men undergår en vis nedbrydning af deres fysiske egenskaber ved hver efterfølgende smeltning. Den kumulative virkning af for meget eftersmeltet materiale kan føre til, at dele ikke opfylder specifikationerne. Derfor anbefaler Branson, at der ikke anvendes mere end 10 % efterslibning i dele, der skal svejses med ultralyd. I specifikke anvendelser, der kræver overholdelse af strenge test- og acceptkriterier, bør producenterne kraftigt overveje at foretage periodiske analyser af produktionsmaterialet for løbende at validere kvaliteten af det materiale, der indgår i de færdige dele.
– Indhold af fyldstof. Ofte er fyldstoffer afgørende for at sikre delens styrke og holdbarhed. Forskellige typer og procentdele af fyldstoffer i dele kan imidlertid påvirke succesen af plastføjningsprocesser. Branson anbefaler, at indholdet af fyldstof holdes på mindre end 30 %. Sammenføjning af dele, der indeholder en højere procentdel fyldstof, især lange fibre, vil undertiden resultere i, at fyldstoffer akkumuleres ved svejsesamlingen, hvilket kan reducere svejsestyrken.
Et andet problem er slibende fyldstoffer. Nogle fyldstoffer, der giver ekstra styrke eller sejhed, herunder calciumcarbonat, silica og talkum, kan også være slibende for værktøjets kontaktflader. Længerevarende eksponering af slibende dele mod værktøjsoverflader kan forårsage slid, der kan føre til kosmetiske skader på dele og utilstrækkelig energioverførsel til deleforbindelsesflader.
Det anbefales at skifte til titanhorn med slidstærke overflader (f.eks. hårdmetal eller titannitrid). Til fastgørelse anbefales stål eller hærdet rustfrit stål.
DELKONFIGURATION & FEJLSØGNING
At have alt andet rigtigt – udstyr, materialer og proces – betyder ikke meget, hvis de dele, du forsøger at svejse, ikke er korrekt konstrueret. Men i stedet for at forsøge at gennemgå alle detaljerne i en god delkonstruktion her, skal vi i stedet fokusere på nogle af de grundlæggende årsager til ukorrekt delkonstruktion:
– Manglende klart definerede projekt- eller anvendelsesmål. Mange applikationsprojekter oplever vanskeligheder, når der er et “bevægeligt mål” for test og accept. Vil applikationen f.eks. kræve en faldtest? En trykprøvning? Og i så fald, ved hvilke værdier? Disse værdier er afgørende for at kunne gå effektivt videre med konstruktionen af en tætningsfuge. Generelt skal acceptkriterierne overvejes og besluttes tidligt, hvis en konstruktion skal forløbe gnidningsløst.
– Manglende forståelse af de bedste fugetyper til bestemte anvendelser. Suboptimale leddesigns opstår ofte, når en hovedkonstruktør, som måske kun har en marginal forståelse af plastføjningsprocesser, fører et projekt fremad, blot for at opdage, at der er truffet en forkert beslutning, og at der ikke er taget behørigt hensyn til led- og svejseegenskaberne.
Ofte gøres sådanne opdagelser først, efter at der allerede er foretaget betydelige investeringer (færdiggørelse af støbeforme, produktion af dele og indledende svejseprøver). Endnu en gang bør de vigtigste del- og svejserelaterede overvejelser (kontrol af svejseflammer og forseglingstype – hermetisk, strukturel eller begge dele) fastlægges tidligt i projektet. Samarbejde med en ultralydssvejseingeniør i de indledende faser af et projekt kan bidrage til at identificere vigtige delkriterier, bedre uddanne konstruktører og bidrage til at minimere eller i det mindste belyse mulige risici.
– Formslid, som normalt skyldes brug af slibende polymerer eller fyldstoffer, kan med tiden resultere i dele, der er væsentligt og dimensionelt forskellige fra tidligere validerede dele. Som følge heraf er de vigtigste sammenføjningselementer, f.eks. energidirektører eller forskydningsinterferensforbindelser, ikke længere inden for specifikationerne. Delprofiler passer måske ikke længere korrekt ind i værktøjssættet. Svejseresultaterne kan blive mere og mere inkonsekvente. Afhjælpningerne til dette problem omfatter omarbejdning af den eksisterende støbeform eller fremstilling af en ny støbeform.
I sidste ende kan problemer med ultralydssvejsede dele opstå fra mange kilder. Hvis du ringer til din lokale repræsentant for ultralydssvejseudstyr, så snart du får mistanke om et problem, kan du få stillet en diagnose og få råd om afhjælpning, hvilket ofte sker via telefonopkald eller e-mails, som kan hjælpe dig med at identificere, minimere eller løse potentielle produktionsproblemer. For at reducere behovet for fejlfinding skal du følge disse bedste fremgangsmåder:
– Samarbejd tidligt i dit projekts design (eller redesign, hvis betydelige materiale-, form- eller funktionsændringer er påtænkt) med din leverandør af ultralydssvejseudstyrs eksperter i applikationsteknik.
– Hav altid en reserve af reservekomponenter i produktionskvalitet til rådighed, især til kritiske applikationer, hvor produktionsafbrydelser ville medføre betydelige driftsmæssige eller økonomiske problemer. Reserveproduktionsdele er en vigtig hjælp til fejlfinding af sammenføjningsproblemer og kan i en forsyningskrise holde produktionen i gang med et minimum af nedetid.
– Udnyt uddannelsesmuligheder, der gør det muligt for dig at beherske den plastføjningsteknologi, du bruger. Branson, for eksempel, tilbyder seminarer på en række forskellige virksomhedslokationer og kundesteder, der giver den praktiske uddannelse og tekniske bistand, der er nødvendig for at holde din ultralydsproces-“mester” velinformeret om den nyeste teknologi og klar til at uddanne og vedligeholde teknologien efter behov på dit anlæg. Konstruktionsingeniører, kvalitetsingeniører, personale til vedligeholdelse af udstyr og drifts-/produktionspersonale kan alle drage fordel af den tid, der investeres i træningssessioner.
Om FORFATTEREN: David Dahlstrand er Emerson’s sr. regionale tekniske koordinator/tektiludviklingsingeniør for Branson Ultrasonics Corp. i Danbury, Conn. Han har viden om applikationer og værktøjsdesign for ultralyds-, vibrations-, orbital-, termisk- og lasersammenføjningsteknologier, der anvendes til samling af stive termoplastmaterialer, syntetiske tekstiler og film. Kontakt: Kontakt: (770) 962-2111, ext. 17; [email protected]; emerson.com.
RELATERET INDHOLD
-
SPRØJTESTØBNING: Automatisering og integration på K Show
Der var masser af nye pressemaskiner af alle slags på K 2010, men “wow”-faktoren blev leveret af automatiserede arbejdsceller og integrerede fremstillingssystemer, der udfører flere operationer før, under og efter støbningen.
-
Lær lasere at kende og deres rolle i plast
Kunststofforarbejdning er et af de hurtigst voksende anvendelsesområder for laserteknologi.
-
Lasermærkning har en lys fremtid i plast
Shurtig, programmerbar og miljømæssigt ren lasermærkning har etableret en niche inden for grundlæggende mærkning af datoer og produktkoder, men den kan meget mere. Markedet har knap nok rørt ved repertoiret af dekorative effekter, der er tilgængelige med dagens bredere udvalg af lasermærkbare harpikser, pigmenteringsteknologi og laserudstyr.