Ultraljudssvetsning är en allmänt erkänd och accepterad process för att sammanfoga termoplastiska material. Den erbjuder många fördelar, bland annat processäkerhet och repeterbarhet, lägre energiförbrukning än andra sammanfogningstekniker, materialbesparingar (eftersom det inte finns något behov av förbrukningsmaterial, t.ex. lim eller mekaniska fästelement) och arbetsbesparingar.
Men som med alla processer finns det situationer där uppenbara problem med denna teknik kan avbryta produktionsprocessen. Nyckeln till att lösa och undvika dessa problem är att förstå deras troliga ursprung. Processorer som är framgångsrika när det gäller att använda ultraljudssvetsning har vanligtvis två huvuddrag: de har en väldokumenterad, validerad svetsprocess, och den processen stöds och underhålls av en bofast och välutbildad ”mästare”. Om en eller båda dessa viktiga faktorer inte är närvarande kommer du sannolikt mycket snart att kalla på hjälp. Även om båda är närvarande är det möjligt att du kommer att behöva hjälp eller tekniskt stöd åtminstone då och då.
HUR PROCESSEN FUNGERAR
Innan vi undersöker vanliga orsaker till problem med ultraljudssvetsning, låt oss ta en stund för att förstå själva svetscykeln. Vid ultraljudssvetsning appliceras högfrekventa vibrationer på ytorna på två delar med hjälp av ett vibrerande verktyg, vanligen kallat ”horn” eller ”sonotrode”. Svetsningen sker som ett resultat av den friktionsvärme som genereras vid gränssnittet mellan delarna. Ultraljudsvibrationerna skapas av en rad komponenter – strömförsörjning, omvandlare, förstärkare och horn – som levererar mekaniska vibrationer till delarna.
Som framgår av figur 1 tar strömförsörjningen en vanlig elektrisk linjespänning och omvandlar den till en arbetsfrekvens. I följande exempel kommer vi att använda en vanlig ultraljudssvetsningsfrekvens på 20 kHz, även om svetsning kan ske inom ett intervall på 15 till 60 kHz för att tillgodose specialiserade behov. I drift skickar strömförsörjningen elektrisk energi med den angivna frekvensen genom en RF-kabel till omvandlaren. Omvandlaren använder piezoelektrisk keramik för att omvandla den elektriska energin till mekaniska vibrationer vid strömförsörjningens arbetsfrekvens. Dessa mekaniska vibrationer ökas eller minskas beroende på förstärkarens och hornets konfiguration. Den korrekta mekaniska vibrationsamplituden bestäms av en applikationsingenjör och baseras på de termoplastiska material som används i delarna.
Delarna som ska svetsas sätts under en mekanisk belastning, i allmänhet med ett pneumatiskt ställdon som håller booster och horn. Under denna belastning överförs de mekaniska vibrationerna till gränssnittet mellan materialytorna, som fokuserar vibrationerna för att skapa intermolekylär friktion och ytfriktion. Denna friktion skapar värme och en efterföljande smälta som stelnar till en svetsad bindning.
De grundläggande komponenterna i ett ultraljudssystem är en strömförsörjning, ett ställdon och en stapel (se fig. 2). Strömförsörjningen tar nätspänning på nominellt 120-240 V och omvandlar den till en högspännings- och högfrekvenssignal. Den innehåller också den programmering som krävs för att driva ställdonet och stapeln på ett kontrollerat sätt för att uppnå ett önskat svetsresultat. Ställdonet, som antingen är pneumatiskt eller elektriskt servodrivet och finns som en fristående bänkstation eller integrerat i ett automatiserat system, förflyttar ultraljudsverktyget mot de delar som ska sammanfogas. Den applicerar den nödvändiga kraften på materialen för att hjälpa till att skapa svetsförhållandena.
Ultraljudsstacken kompletterar systemet. Den överför vibrationsenergi, genom direktkontakt med delarna, till tätnings- och sammanfogningsytan. Stacken består vanligtvis av tre delar: transducer eller omvandlare (beskrivet ovan), som innehåller de piezoelektriska keramiska kristaller som oscillerar vid frekvensen för den applicerade strömförsörjningssignalen. När dessa kristaller oscillerar expanderar de fysiskt och drar ihop sig, vilket skapar en mätbar mekanisk rörelse (kallad amplitud från topp till topp) i omvandlarens utgångssida.
Den andra sektionen, förstärkaren, med en fäst ring i mitten av sektionen, har två funktioner: Den fungerar som en monteringspunkt för stacken i manöverdonet och tjänar också till att förstärka eller reducera den utgångsrörelse som skapas i transducern.
Den tredje och sista komponenten i stacken är hornet (sonotroden) som kommer att komma i kontakt med de delar som ska sammanfogas. Hornet utformas för att matcha profilen på de styva delar som ska sammanfogas eller kan ha en tätningsprofil som läggs till på dess kontaktyta i en film/textiltillämpning. För varje tillämpning utformas hornet så att det kombineras med de andra komponenterna i stacken för att uppnå den optimala amplitudnivån så att ultraljudssvetsning kan ske så effektivt som möjligt.
TYPISKA UPPDRAG
Problem uppstår vanligtvis inom ett av fyra områden:
1. Utrustning: Utrustningen för ultraljudssvetsning eller olika svetskomponenter är inte lämpliga för tillämpningen.
2. Processparametrar: Utrustning för ultraljudssvetsning eller olika svetskomponenter är inte lämpliga för tillämpningen: Parametrarna som används är inte anpassade till de delar som ska sammanfogas.
3. Material: Ändringar görs i typ, sammansättning eller fysiska/mekaniska egenskaper hos de material som används i delarna.
4. Delkonstruktion: Vissa detaljer i delens geometri lämpar sig inte för repeterbar eller framgångsrik svetsning.
Det bör också noteras att ibland kan ett problem som identifierats på ett område avslöja en svaghet eller brist på ett annat område.
Låt oss börja med utrustning. Det är lätt och oftast logiskt att tro att den utrustning och de tillvägagångssätt som ger lyckade svetsar i en tillämpning kommer att göra det i en annan. Men det är inte universellt sant. På grund av sin mångsidighet kan dessa svetsare leverera hög effekt (upp till 6 000 W) och högamplitud, och de kan passa ett stort antal tillgängliga verktygsstorlekar. För en kontraktstillverkare som producerar ultraljudssvetsade delar kan 20 kHz-utrustning vara en bra investering eftersom den ger löfte om framtida användning i många tillämpningar.
Det finns dock vissa fall – särskilt när det gäller små och ömtåliga delar – där 20 kHz-utrustningens kapacitet med hög effekt och hög amplitud kan visa sig vara för ”aggressiv” för vissa sammansättningar, vilket kan leda till skador. En möjlig lösning är att minska ingångsamplituden, men detta fungerar inte om den tillämpade amplituden ligger under den rekommenderade nivån för den polymer som svetsas.
En annan lösning är att titta på utrustning som arbetar på en högre frekvens, kanske 30 eller 40 kHz, under förutsättning att de verktyg som krävs för applikationen finns tillgängliga för att användas vid denna frekvens. Utrustning med högre frekvens ger ett lägre amplitudutbyte, men kompenserar detta genom att resonera vid en högre frekvens. Därför anses svetsare med högre frekvens vara ”mer skonsamma” när det gäller att applicera ultraljudsenergi på delar. Elektroniska enheter, särskilt sådana med känsliga timers/oscillatorer och andra komponenter på kretskort, har gynnats av detta tillvägagångssätt. På liknande sätt gynnas ofta delar som lider av ”membranbildning” eller ”oljedosering” på grund av överdriven rörelse av en av de ingående delarna av bytet till utrustning med högre frekvens.
En annan potentiell faktor är fel på utrustningen. Dessa inträffar sällan utan förvarning. Ett uppenbart exempel är en förändring eller ökning av det buller som genereras när en svetsare arbetar. Erfarna operatörer och underhållspersonal är ofta inställda på sådana subtila harmoniska fluktuationer och bör alltid meddela dessa förändringar till arbetsledare. Att lyssna på ”ett gnisslande hjul” förr snarare än senare kan mycket väl göra det möjligt att identifiera och lösa ett problem innan produktionen påverkas negativt.
Samma sak gäller för nyare ultraljudsutrustning som gör det möjligt för användarna att utföra interaktiva diagnostiska funktionskontroller som, om de tolkas på rätt sätt och används i kombination med andra varningssignaler, t.ex. buller, kan varna användaren för oroväckande tendenser innan de blir till större problem. Genom avancerade kommunikationsprotokoll kan strömförsörjningen få fram data som ”svetsdiagramresultat” och ”hornscanningar” som kan jämföras med baslinjedata som erhållits när utrustningen var ny, nyligen servad eller känd för att fungera enligt standard.
Med denna information kan erfarna användare sedan fokusera sin felsökning och avgöra om ytterligare åtgärder eller ytterligare övervakning krävs. När ett problemområde har identifierats är utbyte av kända bra komponenter mot misstänkta komponenter ett sätt att positivt identifiera svetsutrustning som kräver reparation eller korrigerande åtgärder. Exempel på användbara diagnostiska data är:
– Svetsdiagramdata. Detta kan hjälpa till att peka ut skillnader mellan bra delar och misstänkta delar. Data som visas på ett svetsdiagram, som visas i figur 3, inkluderar amplitud, strömuttag, effekt, frekvens och fas. Amplitud-, fas-, frekvens- och strömvariationer kan tyda på problem med strömförsörjningen eller stacken. En avvikelse i strömuttag kan tyda på en processförändring (t.ex. svetstryck), en förändring av delgeometrin (toleranser, särskilt i sammanfogningsområdet, kan ha ändrats) eller ett problem med en stapelkomponent (ett horn eller en omvandlare börjar gå sönder).
– Diagnostisk skanning av horn. Detta identifierar om hornet drar mer ström (visas som en ökning av den effekt som krävs för att köras i luft). Ökat effektuttag kan tyda på att en spricka håller på att bildas i hornet. Sådana sprickor är ibland interna och syns därför inte alltid med blotta ögat.
– Slumpmässiga data. Data som verkar kaotiska när de jämförs med kända, bra data kan tyda på ett fel i omvandlaren, hornet eller i radiofrekvenskabeln, vilket framgår av figur 4.
PROCESSPARAMETRAR & MATERIALER
Noggrann kontroll och dokumentation av processparametrar är ett annat område som inte kan förbises. Tillverkare av medicinska komponenter och fordonskomponenter vet detta och följer strikta rutiner, ofta föreskrivna av tillsynsmyndigheter som FDA, som resulterar i en hög grad av framgång vid användning av ultraljudssvetsning.
Tyvärr arbetar bearbetare av andra produkter, t.ex. leksaker eller engångsprodukter, ofta med mycket mindre strikta krav och utövar mycket svagare processkontroller. I sådana situationer kan det vara vanligt att operatörerna kontinuerligt justerar inställningarna som svar på förändrade del- eller produktionsförhållanden. Även om detta tillvägagångssätt kan resultera i tillfredsställande produktion, kan det vara svårare att diagnostisera eventuella problem som uppstår, särskilt på distans, när processparametrarna varierar ofta. Var till exempel den senaste parameterändringen föranledd av ett utrustningsproblem eller en förändring i delens sammansättning eller kvalitet?
Typiskt sett kan en applikationstekniker för ultraljudssvetsning, när en tillämpning som denna kräver hjälp, efter att ha ställt några grundläggande frågor kring delarna (material, fogutformning, provningskrav och nuvarande maskinuppsättning) styra kunden till rätt lösning. Detta tillvägagångssätt är särskilt användbart om felsökningen kan utföras direkt vid maskinen med hjälp av produktionsdelar. En översikt över processen för felsökning/parameterjustering visas i figur 5.
Materialrelaterade frågor är en vanlig källa till inkonsekvenser eller problem i produktionen. Som framgår av följande exempel kan även små variationer i material ha dramatiska effekter på svets- eller produktionskvaliteten:
– Polymerförändringar. Eftersom priserna fluktuerar är det vanligt att bearbetningsföretag av ekonomiska skäl vill byta mellan liknande polymerer. Det är dock klokt att rådgöra med en expert på tillämpningar för ultraljudssvetsning innan man gör någon förändring.
Ett exempel på en vanlig men potentiellt besvärlig förändring innebär att man går från ett amorft material som är lätt att svetsa, t.ex. ABS, till en mycket svårare svetsbar halvkristallin polymer, t.ex. PP. ABS kräver lägre ultraljudseffekt (30-70 mikrometer vid 20 kHz) för framgångsrik svetsning än PP (90-120 mikrometer). Om denna förändring resulterar i delar som inte har samma styrka som tidigare eller tar längre tid att svetsa, eller om svetsarna orsakar skador på känsliga monteringsytor/komponenter, kan det bero på bristande ultraljudsutgång. En undersökning av stackkomponenterna, särskilt hornet och booster, är motiverad för att avgöra om förbättringar av någon av komponenterna kommer att göra det möjligt
för applikationen att svetsa den nya polymeren effektivt och föra applikationen tillbaka till ett ”normalt” framgångsområde.
– Högt innehåll av regranulat. Återbrukade termoplaster kan visserligen smältas och omformas många gånger, men genomgår en viss försämring av sina fysiska egenskaper vid varje efterföljande smältning. Den kumulativa effekten av för mycket omsmält material kan leda till att delar inte uppfyller specifikationerna. Av denna anledning rekommenderar Branson att inte mer än 10 % återbruk används i delar som ska svetsas med ultraljud. I specifika tillämpningar som kräver överensstämmelse med rigorösa test- och acceptanskriterier bör tillverkarna starkt överväga periodisk analys av produktionsmaterial för att kontinuerligt validera kvaliteten på det material som går in i de färdiga delarna.
– Innehåll av fyllnadsmaterial. Ofta är fyllmedel nödvändiga för att säkerställa hållfasthet och hållbarhet. Olika typer och procentandelar av fyllmedel i delar kan dock påverka hur framgångsrika plastfogningsprocesser är. Branson rekommenderar att innehållet av fyllmedel hålls på mindre än 30 %. Sammanfogning av delar som innehåller en högre andel fyllmedel, särskilt långa fibrer, leder ibland till att fyllmedel ackumuleras vid svetsfogen, vilket kan minska svetsstyrkan.
Ett annat problem är slipande fyllmedel. Vissa fyllmedel som ger ökad styrka eller seghet, t.ex. kalciumkarbonat, kiseldioxid och talk, kan också vara slipande för verktygens kontaktytor. Långvarig exponering av slipande delar mot verktygsytor kan orsaka slitage som kan leda till kosmetiska skador på delar och otillräcklig energiöverföring till delar som ska sammanfogas.
Byte till titanhorn med slitstarka ytor (t.ex. karbid eller titannitrid) rekommenderas. För fixturer rekommenderas stål eller härdat rostfritt stål.
DELKONFIGURATION & FELBESKRIVNING
Att ha allt annat rätt – utrustning, material och process – betyder inte så mycket om delarna som du försöker svetsa inte är rätt konstruerade. Men i stället för att försöka gå igenom alla detaljer i en bra delkonstruktion här, ska vi istället fokusera på några av de grundläggande orsakerna till felaktig delkonstruktion:
– Avsaknad av tydligt definierade projekt- eller applikationsmål. Många tillämpningsprojekt upplever svårigheter när det finns ett ”rörligt mål” för testning och godkännande. Kommer till exempel applikationen att kräva ett falltest? Ett tryckprov? Och i så fall, vid vilka värden? Dessa värden är viktiga för att effektivt kunna gå vidare med konstruktionen av en tätningsskarv. Generellt sett måste acceptanskriterierna övervägas och beslutas i ett tidigt skede om konstruktionen ska gå smidigt.
– Bristande förståelse för vilka skarvtyper som är bäst lämpade för särskilda tillämpningar. Suboptimala ledkonstruktioner uppstår ofta när en huvudkonstruktör, som kanske bara har en marginell förståelse för plastfogningsprocesser, för ett projekt framåt bara för att upptäcka att ett felaktigt beslut har fattats och att egenskaperna hos led och svetsning inte har beaktats på rätt sätt.
Ofta görs sådana upptäckter först efter att betydande investeringar (färdigställande av form, tillverkning av delar och inledande svetsförsök) redan har gjorts. Ännu en gång, viktiga del- och svetsrelaterade överväganden (kontroll av svetsflash och tätningstyp – hermetisk, strukturell eller båda) bör bestämmas tidigt i projektet. Samarbete med en tekniker för ultraljudssvetsning i projektets inledande skeden kan bidra till att identifiera viktiga delkriterier, bättre utbilda konstruktörer och bidra till att minimera eller åtminstone belysa eventuella risker.
– Formslitage, vanligen orsakat av användningen av slipande polymerer eller fyllmedel, kan med tiden resultera i delar som skiljer sig väsentligt och dimensionellt från tidigare validerade delar. Som ett resultat av detta är de viktigaste sammanfogningsfunktionerna, t.ex. energidirektörer eller skjuvinterferensfogar, inte längre inom ramen för specifikationerna. Delprofiler kanske inte längre passar korrekt in i verktygsutrustningen. Svetsresultaten kan bli mer och mer inkonsekventa. Lösningarna på detta problem omfattar omarbetning av den befintliga formen eller tillverkning av en ny form.
I slutändan kan problem med ultraljudssvetsade delar dyka upp från många olika källor. Att ringa din lokala representant för ultraljudssvetsutrustning så snart ett problem misstänks kan möjliggöra diagnos och åtgärdstips, ofta utförda via telefonsamtal eller e-post som kan hjälpa dig att identifiera, minimera eller lösa potentiella produktionsproblem. För att minska behovet av felsökning bör du följa dessa bästa metoder:
– Samarbeta tidigt i projektets utformning (eller omkonstruktion om betydande material-, form- eller funktionsändringar planeras) med din leverantör av ultraljudsvetsutrustningens experter inom applikationsteknik.
– Ha alltid en reserv av reservkomponenter av produktionskvalitet tillgängliga, särskilt för kritiska tillämpningar där produktionsavbrott skulle orsaka betydande operativa eller ekonomiska problem. Reservproduktionsdelar är ett viktigt hjälpmedel vid felsökning av sammanfogningsproblem och kan i en försörjningskris hålla produktionen igång med ett minimum av stillestånd.
– Utnyttja utbildningsmöjligheter som gör det möjligt att behärska den sammanfogningsteknik för plaster som du använder. Branson, till exempel, erbjuder seminarier på en mängd olika företagsställen och kundställen, vilket ger den praktiska utbildning och det tekniska stöd som behövs för att hålla din ”mästare” i ultraljudsprocesser välinformerad om den senaste tekniken och redo att utbilda och underhålla tekniken efter behov i din anläggning. Konstruktörer, kvalitetsingenjörer, underhållspersonal och drifts- och produktionspersonal kan alla dra nytta av den tid som investeras i utbildningssessioner.
Om författaren: David Dahlstrand är Emerson’s sr. regionala tekniska samordnare/textilutvecklingsingenjör för Branson Ultrasonics Corp., Danbury, Conn. Han har kunskap om tillämpningar och verktygsdesign för ultraljud, vibrationer, orbital, termisk och lasertekniker för sammanfogning som används vid montering av styva termoplaster, syntetiska textilier och filmer. Kontakt: Kontakt: (770) 962-2111, växel 17; [email protected]; emerson.com.
RELATERAT INNEHÅLL
-
FORMSPRUTNING: Det fanns gott om nya pressar av alla slag på K 2010, men det var automatiserade arbetsceller och integrerade tillverkningssystem som utförde flera olika arbetsmoment före, under och efter gjutningen som gav den största effekten.
-
Lär känna lasrar och deras roll inom plast
Plastikbearbetning är ett av de snabbast växande tillämpningsområdena för laserteknik.
-
Lasermärkning har en lysande framtid inom plast
Snabb, programmerbar och miljövänlig lasermärkning har etablerat sig i en nisch för grundläggande märkning av datum och produktkoder, men den kan göra mycket mer. Marknaden har knappt rört vid den repertoar av dekorativa effekter som är tillgängliga med dagens större utbud av lasermarkerbara hartser, pigmenteringsteknik och laserutrustning.