Jak řešit běžné problémy při ultrazvukovém svařování

Ultrazvukové svařování je široce uznávaný a akceptovaný proces spojování termoplastických materiálů. Nabízí mnoho výhod, včetně spolehlivosti a opakovatelnosti procesu, nižší spotřeby energie než jiné techniky spojování, úspory materiálu (protože není potřeba spotřební materiál, jako je lepidlo nebo mechanické spojovací prvky) a úspory pracovní síly.

Jako u každého procesu však existují situace, kdy zjevné problémy s touto technikou mohou přerušit výrobní proces. Klíčem k řešení těchto problémů a jejich předcházení je pochopení jejich pravděpodobného původu. Zpracovatelé, kteří úspěšně používají ultrazvukové svařování, obvykle sdílejí dva základní rysy: mají dobře zdokumentovaný, ověřený svařovací proces; a tento proces je podporován a udržován rezidentním dobře vyškoleným „mistrem“. Pokud jeden nebo oba tyto důležité faktory nejsou přítomny, budete pravděpodobně velmi brzy volat o pomoc. I když jsou oba přítomny, je možné, že budete alespoň jednou za čas potřebovat pomoc nebo technickou asistenci.

JAK PROCES FUNGUJE
Předtím, než se budeme zabývat běžnými příčinami problémů při ultrazvukovém svařování, věnujme chvíli pochopení samotného svařovacího cyklu. Při ultrazvukovém svařování působí vysokofrekvenční vibrace na povrchy dvou dílů pomocí vibračního nástroje, běžně nazývaného „roh“ nebo „sonotroda“. Ke svařování dochází v důsledku tepla vznikajícího třením na rozhraní mezi díly. Ultrazvukové vibrace vytváří řada součástí – napájecí zdroj, měnič, zesilovač a roh – které přenášejí mechanické vibrace na díly.

Jak je znázorněno na obr. 1, napájecí zdroj přijímá standardní elektrické síťové napětí a převádí je na pracovní frekvenci. V následujícím příkladu využijeme běžnou ultrazvukovou svařovací frekvenci 20 kHz, i když pro specializované potřeby může svařování probíhat v rozsahu 15 až 60 kHz. Při provozu vysílá napájecí zdroj elektrickou energii o zadané frekvenci přes VF kabel do měniče. Převodník využívá piezoelektrickou keramiku k přeměně elektrické energie na mechanické vibrace při pracovní frekvenci zdroje. Tyto mechanické vibrace se buď zvyšují, nebo snižují v závislosti na konfiguraci zesilovače a klaksonu. Správnou amplitudu mechanických vibrací určuje aplikační inženýr a vychází z termoplastických materiálů použitých v dílech.

Svařované díly jsou mechanicky zatěžovány, obvykle pneumatickým pohonem, který drží posilovač a roh. Při tomto zatížení se mechanické vibrace přenášejí na rozhraní mezi povrchy materiálů, kde se vibrace soustředí a vytvářejí mezimolekulární a povrchové tření. Toto tření vytváří teplo a následnou taveninu, která tuhne do svarového spoje.

Základními součástmi ultrazvukového systému jsou zdroj energie, aktuátor a zásobník (viz obr. 2). Napájecí zdroj odebírá síťové napětí o jmenovité hodnotě 120-240 V a transformuje je na vysokonapěťový vysokofrekvenční signál. Obsahuje také programování potřebné k řízenému ovládání aktuátoru a zásobníku, aby bylo dosaženo požadovaného výsledku svařování. Aktuátor, ovládaný pneumaticky nebo elektrickým servopohonem a dostupný jako samostatná stolní jednotka nebo integrovaný do automatizovaného systému, pohybuje ultrazvukovým nástrojem směrem ke spojovaným dílům. Působí potřebnou silou na materiály a pomáhá tak vytvořit podmínky pro svařování.

Ultrazvukový zásobník doplňuje systém. Přenáší vibrační energii přímým kontaktem s díly na těsnicí/spojovací plochu. Zásobník se obvykle skládá ze tří položek: převodníku nebo měniče (popsaného výše), který obsahuje piezoelektrické keramické krystaly, které kmitají na frekvenci přiváděného napájecího signálu. Jak tyto krystaly kmitají, fyzicky se rozpínají a smršťují a vytvářejí měřitelný mechanický pohyb (označovaný jako amplituda špička-špička) na výstupní straně převodníku.

Druhá část, posilovač, s připojeným prstencem ve své střední části, plní dvě funkce: Slouží jako montážní bod stohu do aktuátoru a také slouží k zesílení nebo snížení výstupního pohybu vytvořeného v převodníku.

Třetí a poslední součástí stohu je roh (sonotroda), který se bude dotýkat spojovaných částí. Roh bude navržen tak, aby odpovídal profilu pevných dílů, které mají být spojeny, nebo může být na jeho kontaktní plochu přidán těsnicí profil v případě použití fólie/textilie. Pro každou aplikaci je roh navržen tak, aby v kombinaci s ostatními součástmi stohu dosáhl optimální úrovně výstupní amplitudy umožňující co nejefektivnější ultrazvukové svařování.

TYPICKÉ ZÁVADY
Problémy se obvykle vyskytují v jedné ze čtyř oblastí:

1. Vybavení: Zařízení pro ultrazvukové svařování nebo různé svařovací komponenty nejsou vhodné pro danou aplikaci.
2. Parametry procesu: Použité parametry nejsou vhodné pro spojované díly.
3. Materiály: Jsou provedeny změny v typu, složení nebo fyzikálních/mechanických vlastnostech materiálů použitých v dílech.
4. Konstrukce dílu: Některé detaily geometrie dílu nejsou vhodné pro opakovatelné nebo úspěšné svařování.

Je třeba také poznamenat, že někdy problém zjištěný v jedné oblasti může odhalit slabinu nebo nedostatek v jiné oblasti.

Začněme vybavením. Je snadné a obvykle logické si myslet, že zařízení a přístupy, které vytvářejí úspěšné svary v jedné aplikaci, budou takové i v jiné. Není to však univerzální pravda. Celosvětově jsou zdaleka nejrozšířenější 20kHz ultrazvukové svářečky; díky své univerzálnosti mohou tyto svářečky poskytovat vysoký výkon (až 6000 W) a vysokoamplitudové výstupy a mohou se přizpůsobit široké škále dostupných velikostí nástrojů. Pro smluvního výrobce, který vyrábí ultrazvukově svařované díly, může být 20kHz zařízení skvělou investicí, protože nabízí příslib budoucího využití v mnoha aplikacích.

V některých případech – zejména u malých a choulostivých dílů – se však může ukázat, že výkonné a vysokoamplitudové schopnosti 20kHz zařízení jsou pro určité sestavy příliš „agresivní“, což může vést k jejich poškození. Jedním z možných řešení je snížení vstupní amplitudy, ale to nebude fungovat, pokud je použitá amplituda nižší než doporučená úroveň pro svařovaný polymer.

Dalším řešením je poohlédnout se po zařízení, které pracuje na vyšší frekvenci, třeba 30 nebo 40 kHz, za předpokladu, že jsou pro použití na této frekvenci k dispozici nástroje požadované danou aplikací. Zařízení s vyšší frekvencí produkuje nižší amplitudu výstupu, ale kompenzuje to rezonancí na vyšší frekvenci. Svářečky s vyšší frekvencí jsou proto považovány za „šetrnější“ při aplikaci ultrazvukové energie na díly. Tento přístup se osvědčil u elektronických sestav, zejména u těch, které obsahují choulostivé časovače/oscilátory a další součástky umístěné na deskách s plošnými spoji. Stejně tak díly, které trpí „membránou“ nebo „olejovou konzervou“ v důsledku nadměrného pohybu jedné ze spárovaných částí, budou často profitovat z přechodu na zařízení s vyšší frekvencí.

Dalším potenciálním faktorem jsou poruchy zařízení. Ty se zřídka vyskytují bez varování. Jedním ze zřejmých příkladů je změna nebo zvýšení hluku vznikajícího při provozu svářečky. Zkušení operátoři a pracovníci údržby jsou často na takové jemné harmonické výkyvy upozorněni a měli by o těchto změnách vždy informovat nadřízené. Vyslechnutí „skřípajícího kola“ dříve než později může dobře umožnit identifikaci a řešení problému dříve, než dojde k nepříznivému ovlivnění výroby.

Podobně novější ultrazvuková zařízení umožňují uživatelům provádět interaktivní kontroly diagnostických funkcí, které při správné interpretaci a použití v kombinaci s dalšími varovnými signály, jako je hluk, mohou uživatele upozornit na znepokojivé trendy dříve, než se stanou závažnými problémy. Napájecí zdroje mohou prostřednictvím pokročilých komunikačních protokolů získávat údaje, jako jsou „výsledky grafů svarů“ a „skenování rohů“, které lze porovnat s výchozími údaji získanými v době, kdy bylo zařízení nové, nedávno servisované nebo o němž bylo známo, že funguje podle normy.

S těmito informacemi se pak zkušení uživatelé mohou zaměřit na řešení problémů a určit, zda je třeba provést další opatření nebo další monitorování. Po identifikaci problémové oblasti je nahrazení známých dobrých komponent podezřelými komponentami jedním ze způsobů, jak pozitivně identifikovat svařovací zařízení, která vyžadují opravu nebo nápravné opatření. Mezi příklady užitečných diagnostických údajů patří:

– Údaje z grafu svařování. To může pomoci přesně určit rozdíly mezi dobrými a podezřelými součástmi. Údaje zobrazené na grafu svaru, jak je vidět na obr. 3, zahrnují amplitudu, odebíraný proud, výkon, frekvenci a fázi. Změny amplitudy, fáze, frekvence a proudu mohou indikovat problém se zdrojem napájení nebo komínem. Odchylka v odběru energie může indikovat změnu procesu (např. v tlaku při svařování), změnu geometrie dílu (mohly se změnit tolerance, zejména v oblasti spojování) nebo problém s komponentou stohu (roh nebo měnič začíná selhávat).

– Diagnostický sken rohu. Identifikuje, zda klakson odebírá více energie (zobrazuje se jako zvýšení výkonu potřebného k provozu ve vzduchu). Zvýšený odběr energie může znamenat, že se v klaksonu tvoří trhlina. Takové trhliny jsou někdy vnitřní, a proto nejsou vždy viditelné pouhým okem.

– Náhodné údaje. Data, která se při porovnání se známými, dobrými daty jeví jako chaotická, mohou ukazovat na závadu v měniči, v rohu nebo v radiofrekvenčním kabelu, jak je vidět na obr. 4.

PARAMETRY PROCESU & MATERIÁLY
Důkladná kontrola a dokumentace parametrů procesu je další oblastí, kterou nelze opomenout. Výrobci součástek pro zdravotnictví a automobilový průmysl to vědí a dodržují přísné postupy, často nařízené regulačními orgány, jako je FDA, které vedou k vysoké míře úspěšnosti při použití ultrazvukového svařování.

Naneštěstí zpracovatelé jiných výrobků, jako jsou hračky nebo výrobky na jedno použití, často pracují podle mnohem méně přísných požadavků a provádějí mnohem slabší kontrolu procesů. V takových situacích může být běžné, že operátoři neustále upravují nastavení v reakci na měnící se podmínky dílu nebo výroby. Tento přístup sice může vést k uspokojivé výrobě, ale případné problémy, které se vyskytnou, může být obtížnější diagnostikovat, zejména na dálku, když se parametry procesu často mění. Byla například poslední změna parametrů vyvolána problémem se zařízením nebo změnou složení či kvality dílu?

Obvykle, když taková aplikace vyžaduje pomoc, může aplikační technik ultrazvukového svařování po položení několika základních otázek týkajících se dílů (materiál, konstrukce spoje, požadavky na zkoušky a aktuální nastavení stroje) nasměrovat zákazníka ke správnému řešení. Tento přístup je obzvláště užitečný, pokud lze řešení problémů provést přímo na stroji s použitím výrobních dílů. Přehled postupu odstraňování problémů/seřizování parametrů je uveden na obr. 5.

Problémy související s materiálem jsou častým zdrojem neshod nebo problémů ve výrobě. Jak je uvedeno v následujících příkladech, i malé odchylky v materiálech mohou mít dramatický vliv na kvalitu svaru nebo výroby:

– Změny polymerů. Při kolísání cen je běžné, že zpracovatelé chtějí z ekonomických důvodů přecházet mezi podobnými polymery. Před jakoukoli změnou je však vhodné poradit se s odborníkem na aplikace ultrazvukového svařování.

Jedním z příkladů běžné, ale potenciálně problematické změny je přechod ze snadno svařitelného amorfního materiálu, jako je ABS, na mnohem obtížněji svařitelný semikrystalický polymer, jako je PP. ABS vyžaduje pro úspěšné svařování nižší výkon ultrazvukového komína (30-70 mikronů při 20 kHz) než PP (90-120 mikronů). Pokud tato změna vede k tomu, že díly nemají takovou pevnost jako dříve nebo jejich svařování trvá déle, nebo pokud svary způsobují poškození citlivých montážních povrchů/součástek, může být problém v nedostatečném výkonu ultrazvukového komína. Je třeba přezkoumat součásti stohu, zejména roh a posilovač, aby se zjistilo, zda vylepšení kterékoli z těchto součástí umožní
aplikaci efektivně svařovat nový polymer a vrátit aplikaci do „normálního“ rozsahu úspěšnosti.

– Vysoký obsah přebroušení. Regranulované termoplasty, přestože je lze mnohokrát roztavit a přetavit, podléhají při každém dalším roztavení určité degradaci svých fyzikálních vlastností. Kumulativní účinek příliš velkého množství přebroušeného materiálu může vést k tomu, že díly nesplní specifikace. Z tohoto důvodu společnost Branson doporučuje, aby v dílech, které mají být svařovány ultrazvukem, nebylo použito více než 10 % přebroušeného materiálu. U specifických aplikací, které vyžadují splnění přísných zkušebních a přejímacích kritérií, by výrobci měli důrazně zvážit pravidelnou analýzu výrobního materiálu za účelem průběžného ověřování kvality materiálu vstupujícího do hotových dílů.

– Obsah plniva. Plniva jsou často nezbytná pro zajištění pevnosti a trvanlivosti dílů. Různé typy a procenta plniv v dílech však mohou ovlivnit úspěšnost procesů spojování plastů. Společnost Branson doporučuje, aby obsah plniv byl nižší než 30 %. Spojování dílů, které obsahují vyšší procento plniv, zejména dlouhých vláken, někdy vede k hromadění plniv ve svarovém spoji, což může snížit pevnost svaru.

Dalším problémem jsou abrazivní plniva. Některá plniva, která dodávají dodatečnou pevnost nebo houževnatost, včetně uhličitanu vápenatého, oxidu křemičitého a mastku, mohou být také abrazivní pro kontaktní plochy nástrojů. Dlouhodobé působení abrazivních částí na povrchy nástrojů může způsobit opotřebení, které by mohlo vést ke kosmetickému poškození dílů a nedostatečnému přenosu energie na spojovací plochy dílů.

Doporučuje se přechod na titanové rohy s povrchy odolnými proti opotřebení (například karbid nebo nitrid titanu). Pro upevnění se doporučuje ocel nebo kalená nerezová ocel.

KONFIGURACE DÍLŮ & TROUBLESHOOTING
Mít vše ostatní správně – vybavení, materiály a proces – nebude mnoho znamenat, pokud díly, které se snažíte svařovat, nejsou správně navrženy. Ale než abychom se zde snažili rozebírat všechny detaily správného návrhu dílu, zaměřme se raději na některé základní příčiny nesprávného návrhu dílu:

– Nedostatek jasně definovaných cílů projektu nebo aplikace. Mnoho aplikačních projektů se potýká s potížemi, pokud existuje „pohyblivý cíl“ pro testování a akceptaci. Bude například aplikace vyžadovat pádovou zkoušku? Tlakovou zkoušku? A pokud ano, při jakých hodnotách? Tyto hodnoty jsou nezbytné pro efektivní postup při návrhu těsnicího spoje. Obecně platí, že pokud má návrh probíhat hladce, je třeba včas zvážit kritéria přijatelnosti a učinit rozhodnutí.

– Nedostatek znalostí o nejlepších typech spojů pro konkrétní aplikace. K neoptimálním návrhům spojů často dochází, když hlavní konstruktér, který může mít pouze okrajové znalosti o procesech spojování plastů, posune projekt kupředu jen proto, aby zjistil, že bylo učiněno nesprávné rozhodnutí a že nebyly řádně zohledněny vlastnosti spojů a svarů dílů.

Často jsou taková zjištění učiněna až poté, co již byly provedeny značné investice (dokončení formy, výroba dílů a počáteční zkoušky svarů). Opět platí, že klíčové úvahy týkající se dílů a svarů (kontrola otřepů svarů a typ těsnění – hermetické, konstrukční nebo obojí) by měly být stanoveny již na počátku projektu. Spolupráce s inženýrem pro ultrazvukové svařování v počátečních fázích projektu může pomoci určit klíčová kritéria dílu, lépe poučit konstruktéry a pomoci minimalizovat nebo alespoň osvětlit možná rizika.

– Opotřebení formy, obvykle způsobené použitím abrazivních polymerů nebo plniv, může časem vést k dílům, které se podstatně a rozměrově liší od dříve ověřených dílů. Výsledkem je, že hlavní spojovací prvky, jako jsou energetické direktory nebo smykové interferenční spoje, již neodpovídají specifikacím. Profily dílů již nemusí správně zapadat do nástrojové sady. Výsledky svařování mohou být stále více nekonzistentní. K nápravě tohoto problému patří přepracování stávající formy nebo výroba nové formy.

Problémy s ultrazvukově svařovanými díly se nakonec mohou objevit z mnoha zdrojů. Zavolání místního zástupce pro ultrazvukové svařovací zařízení, jakmile se objeví podezření na problém, může umožnit diagnostiku a rady k nápravě, často realizované prostřednictvím telefonních hovorů nebo e-mailů, které vám pomohou identifikovat, minimalizovat nebo vyřešit potenciální výrobní problémy. Abyste omezili nutnost řešení problémů, dodržujte tyto osvědčené postupy:

– Spolupracujte na počátku návrhu projektu (nebo jeho přepracování, pokud se uvažuje o významných změnách materiálu, tvaru nebo funkce) s aplikačně-inženýrskými odborníky dodavatele ultrazvukového svařovacího zařízení.

– Vždy mějte k dispozici rezervu náhradních komponentů ve výrobní kvalitě, zejména pro kritické aplikace, kde by přerušení výroby způsobilo značné provozní nebo finanční problémy. Náhradní výrobní díly jsou důležitým pomocníkem při řešení problémů se spojováním a v případě nedostatku dodávek mohou udržet výrobu v chodu s minimálními prostoji.

– Využijte možnosti školení, která vám umožní zvládnout používanou technologii spojování plastů. Společnost Branson například nabízí semináře na různých firemních místech a u zákazníků, kde poskytuje praktické školení a technickou pomoc potřebnou k tomu, aby byl váš „mistr“ ultrazvukových procesů dobře informován o nejnovějších technologiích a připraven školit a udržovat technologii podle potřeby ve vašem závodě. Z času investovaného do školení mohou těžit konstruktéři, inženýři kvality, pracovníci údržby zařízení i provozní/výrobní pracovníci.

O AUTOROVI: David Dahlstrand je regionální technický koordinátor/technický vývojový inženýr společnosti Emerson pro Branson Ultrasonics Corp., Danbury, Conn. Má znalosti aplikací a návrhu nástrojů pro ultrazvukové, vibrační, orbitální, tepelné a laserové spojovací technologie používané při montáži tuhých termoplastů, syntetických textilií a fólií. Kontakt: Mgr: (770) 962-2111, ext 17; [email protected]; emerson.com.

.