Aplikace principu ultrazvukového řezání a svařování popruhů

Princip ultrazvukového řezání a svařování

Ultrazvukové řezání a svařování je podoblastí ultrazvukových aplikací v průmyslu a díky svým ekologickým, efektivním a esteticky příjemným vlastnostem se stále více používá.

Princip ultrazvukového řezání a svařování

Ultrazvukové řezání a svařování popruhů využívá vysokofrekvenční mechanické vibrace 20-40 kHz, které přenášejí energii na kontaktní povrch popruhu prostřednictvím svařovací hlavy. 1. Přeměna energie: Ultrazvukový generátor přeměňuje elektrickou energii na vysokofrekvenční mechanické vibrace, které jsou zesíleny amplitudovým transformátorem a poté přenášeny do svařovací hlavy. 2. Generování třecího tepla: Svařovací hlava tlačí na popruh, což způsobuje vysokofrekvenční tření mezi vlákny uvnitř popruhu a okamžitě generuje lokalizované vysoké teploty 500-1000 °C. 3. Synchronní svařování a řezání: Vysoká teplota taví vlákna popruhu (například nylon a polyester), zatímco tlak svařovací hlavy zhutňuje roztavenou část a vytváří silnou svarovou vrstvu. Při použití se specifickou svařovací hlavou s řeznou hranou může vysoká teplota současně řezat popruh, čímž se dosáhne integrovaného "řezání + svařování". 4. Chlazení a tvarování: Po ukončení vibrací se tlak udržuje po dobu 0,1-0,5 sekundy, což umožňuje svařované oblasti rychlé vychladnutí a ztuhnutí, čímž se proces řezání a svařování dokončí. (Pneumatické systémy zajišťují tlumení a zároveň zajišťují chlazení a tvarování během procesu řezání a svařování.)

Složení ultrazvukového řezacího a svařovacího systému

Běžně používaný systém ultrazvukového svařování plastů se skládá ze tří hlavních komponent: ultrazvukového generátoru (elektrické skříně), ultrazvukový měnič (vibrátor) a ultrazvuková forma (hlava formy, svařovací hlava, trychtýř).

Ultrazvukový generátor (elektrická skříň) Ultrazvukové měniče (vibrátory), ultrazvukové formy (formovací hlavy, svařovací hlavy, trychtýře)

1. Ultrazvukový generátor (elektrická skříň): Převádí síťový proud na stabilní vysokofrekvenční výstup vysokého napětí.

2. Ultrazvukový měnič (oscilátor): Akustické zařízení, které přeměňuje energii, transformuje elektrickou energii na mechanickou energii.

3. Zesilovač: Amplituda mechanických vibrací měniče se mění pomocí předem navrženého poměru zesílení.

4. Formy (svařovací hlavy, trysky): Přizpůsobeno specifickým rozměrům podle potřeb svařovacích a řezacích aplikací a navrženo s akustickými vlastnostmi pro splnění rezonančních požadavků ultrazvukového systému. Níže použiji několik vzorců k vysvětlení jevu ladění parametrů v aplikacích.

Energie = Amplituda * Tlak * Čas * Konstanta K = Výkon * Čas

Výše uvedené vzorce ukazují, že při svařování a řezání amplituda ultrazvukové vlny (kterou lze nastavit na generátoru), tlak (tlak vzduchu nebo točivý moment elektrického válce, stejně jako strukturální tuhost a tvrdost) a doba emise vlny pozitivně korelují se svařovacím a řezacím účinkem. Jinými slovy, pokud není výrobek dobře řezán, lze tyto parametry pozitivně upravit. Znamená to, že čím vyšší jsou tyto parametry, tím lépe? Samozřejmě že ne!

P = K∗A∗f∗δ, kde P představuje svařovací výkon ve W;

K. je konstanta, jejíž velikost souvisí s vedením zvuku a rozptylem energie materiálem. To znamená, že obvykle říkáme, že různé materiály potřebují různé jemné doladění parametrů, aby splnily požadavky.

A představuje plochu svarového řezu, měřenou v metrech čtverečních (㎡). Jedná se o kontaktní plochu svarového řezu, takže délka a úhel břitu obvykle určují tuto plochu.

F je ultrazvuková frekvence, což znamená, že teoreticky se vyšší frekvence svařují snadněji. Akusticky je však čím vyšší frekvence, tím obtížnější dosáhnout velké amplitudy; jednotkou je Hz.

d představuje amplitudu měřenou v metrech (m). Teoreticky větší amplituda vede k lepšímu svařování a řezání. Únavová životnost kovových materiálů však souvisí s frekvencí, vlastnostmi materiálu, napětím, časem, tlakem a tvrdostí, a proto je ovlivněna dalšími parametry.

Šest faktorů ovlivňujících výsledky ultrazvukového řezání a svařování:

Tlak + Čas + Mechanická struktura + Materiály produktu + Ladění

1. Tlak při ultrazvukovém svařování

Aplikace vhodného tlaku na svařovaný povrch způsobí přechod svařovaného materiálu z elastického na plastický, podpoří molekulární difúzi a vytlačí zbytkový vzduch ze svaru, čímž se zvýší těsnicí účinnost svařovaného povrchu. Tlak obvykle nepřesahuje 0,5 MPa.

2. Doba ultrazvukového svařování/řezání (doba emise vlny)

Vhodná doba tavení a dostatečná doba chlazení jsou nezbytné. Při fixním tepelném výkonu povede nedostatečná doba k neúplnému svaření, zatímco nadměrná doba způsobí deformaci svařence, přetečení strusky a někdy i horká místa (zabarvení) v nesvařených oblastech. Je zásadní zajistit, aby svarový povrch absorboval dostatečné množství tepla k dosažení plně roztaveného stavu, aby byla zajištěna dostatečná molekulární difúze a tavení. Současně je pro dosažení dostatečné pevnosti svaru nezbytná dostatečná doba chlazení.

3. Ultrazvuková amplituda

4. Mechanická struktura

Přesnost a stabilita výroby rámu přímo ovlivňují účinek svařování, zejména u některých přesných výrobků, kde mechanická konstrukce musí odpovídat přesnosti výrobku.

5. Materiály produktu

Faktory, jako je materiál svařovaných dílů, jejich struktura, tloušťka a odolnost vůči tlaku, také přímo ovlivňují svařovací účinek.

6. Ladění zařízení

Závěrem lze říci, že pro dosažení nejlepších výsledků ultrazvukového řezání a svařování je důležitou zárukou také ladění zařízení. Důležitou roli hraje flexibilní přizpůsobení a nastavení různých parametrů a ladění na místě inženýry.