Aplikácia princípu ultrazvukového rezania a zvárania popruhov

Princíp ultrazvukového rezania a zvárania

Ultrazvukové rezanie a zváranie je podoblasťou ultrazvukových aplikácií v priemysle a vďaka svojim ekologickým, efektívnym a esteticky príjemným vlastnostiam sa čoraz viac používa.

Princíp ultrazvukového rezania a zvárania

Ultrazvukové rezanie a zváranie popruhov využíva vysokofrekvenčné mechanické vibrácie 20 – 40 kHz, ktoré prenášajú energiu na kontaktnú plochu popruhu cez zváraciu hlavu. 1. Premena energie: Ultrazvukový generátor premieňa elektrickú energiu na vysokofrekvenčné mechanické vibrácie, ktoré sú zosilnené amplitúdovým transformátorom a potom prenášané do zváracej hlavy. 2. Generovanie trecieho tepla: Zváracia hlava tlačí na popruh, čo spôsobuje vysokofrekvenčné trenie medzi vláknami vo vnútri popruhu, pričom okamžite generuje lokalizované vysoké teploty 500 – 1 000 ℃. 3. Synchrónne zváranie a rezanie: Vysoká teplota roztaví vlákna popruhu (ako je nylon a polyester), zatiaľ čo tlak zváracej hlavy zhutní roztavenú časť a vytvorí silnú zvarovú vrstvu. Pri použití so špecifickou zváracou hlavou s reznou hranou môže vysoká teplota súčasne rezať popruh, čím sa dosiahne integrované „rezanie + zváranie“. 4. Chladenie a tvarovanie: Po ukončení vibrácií sa tlak udržiava 0,1 – 0,5 sekundy, čo umožňuje zvarenej oblasti rýchlo vychladnúť a stuhnúť, čím sa proces rezania a zvárania dokončí. (Pneumatické systémy poskytujú tlmenie a zároveň zabezpečujú chladenie a tvarovanie počas procesu rezania a zvárania.)

Zloženie ultrazvukového rezacieho a zváracieho systému

Bežne používaný systém ultrazvukového zvárania plastov pozostáva z troch hlavných komponentov: ultrazvukového generátora (elektrickej skrinky), ultrazvukový menič (vibrátor) a ultrazvuková forma (hlava formy, zváracia hlava, trúba).

Ultrazvukový generátor (elektrická skrinka), ultrazvukové meniče (vibrátory), ultrazvukové formy (formy, zváracie hlavy, trúby)

1. Ultrazvukový generátor (elektrická skrinka): Premieňa sieťovú energiu na stabilný vysokofrekvenčný vysokonapäťový výstup.

2. Ultrazvukový menič (oscilátor): Akustické zariadenie, ktoré premieňa energiu, transformuje elektrickú energiu na mechanickú energiu.

3. Zosilňovač: Amplitúda mechanických vibrácií meniča sa mení pomocou vopred navrhnutého pomeru zosilnenia.

4. Formy (zváracie hlavy, rohy): Prispôsobené špecifickým rozmerom podľa potrieb zváracích a rezacích aplikácií a navrhnuté s akustickými vlastnosťami, aby spĺňali rezonančné požiadavky ultrazvukového systému. Nižšie použijem niekoľko vzorcov na vysvetlenie javu ladenia parametrov v aplikáciách.

Energia = Amplitúda * Tlak * Čas * Konštanta K = Výkon * Čas

Vyššie uvedené vzorce ukazujú, že pri zváraní a rezaní amplitúda ultrazvukovej vlny (ktorú je možné nastaviť na generátore), tlak (tlak vzduchu alebo krútiaci moment elektrického valca, ako aj tuhosť a tvrdosť konštrukcie) a čas vyžarovania vlny pozitívne korelujú s účinkom zvárania a rezania. Inými slovami, ak nie je výrobok dobre narezaný, tieto parametre je možné pozitívne upraviť. Znamená to, že čím vyššie sú tieto parametre, tým lepšie? Samozrejme, že nie!

P = K∗A∗f∗δ, kde P predstavuje zvárací výkon vo W;

K. je konštanta, ktorej veľkosť súvisí s vedením zvuku a rozptylom energie materiálu. To znamená, že zvyčajne hovoríme, že rôzne materiály potrebujú rôzne jemné doladenie parametrov, aby splnili požiadavky.

A predstavuje plochu zvarového rezu meranú v štvorcových metroch (㎡). Ide o kontaktnú plochu zvarového rezu, takže dĺžka a uhol reznej hrany zvyčajne určujú túto plochu.

f je ultrazvuková frekvencia, čo znamená, že teoreticky sa vyššie frekvencie zvárajú ľahšie. Akusticky je však čím vyššia frekvencia, tým ťažšie dosiahnuť veľkú amplitúdu; jednotka je Hz.

deň predstavuje amplitúdu meranú v metroch (m). Teoreticky väčšia amplitúda vedie k lepšiemu zváraniu a rezaniu. Únavová životnosť kovových materiálov však súvisí s frekvenciou, vlastnosťami materiálu, napätím, časom, tlakom a tvrdosťou, a preto je ovplyvnená inými parametrami.

Šesť faktorov ovplyvňujúcich výsledky ultrazvukového rezania a zvárania:

Tlak + Čas + Mechanická štruktúra + Materiály produktu + Ladenie

1. Ultrazvukový zvárací tlak

Aplikácia vhodného tlaku na zvarový povrch spôsobí prechod zvarového materiálu z elastického na plastický, podporí molekulárnu difúziu a vytlačí zvyškový vzduch zo zvaru, čím sa zvýši tesniaci výkon zvarového povrchu. Tlak vo všeobecnosti nepresahuje 0,5 MPa.

2. Čas ultrazvukového zvárania/rezania (čas vyžarovania vlny)

Vhodný čas tavenia a dostatočný čas chladnutia sú nevyhnutné. Pri pevnom tepelnom výkone bude mať nedostatočný čas za následok neúplné zvarenie, zatiaľ čo nadmerný čas spôsobí deformáciu zvaru, pretečenie trosky a niekedy aj horúce miesta (zmenu farby) v nezvarených oblastiach. Je nevyhnutné zabezpečiť, aby zvarový povrch absorboval dostatok tepla na dosiahnutie úplne roztaveného stavu, aby sa zaručila dostatočná molekulárna difúzia a tavenie. Súčasne je potrebný dostatočný čas chladnutia, aby zvar dosiahol dostatočnú pevnosť.

3. Ultrazvuková amplitúda

4. Mechanická štruktúra

Presnosť a stabilita výroby rámu priamo ovplyvňujú zvárací účinok, najmä pri niektorých presných výrobkoch, kde mechanická konštrukcia musí zodpovedať presnosti výrobku.

5. Materiály produktu

Faktory ako materiál zváraných častí, ich štruktúra, hrúbka a odolnosť voči tlaku tiež priamo ovplyvňujú zvárací účinok.

6. Ladenie zariadenia

Záverom možno povedať, že pre dosiahnutie najlepších výsledkov ultrazvukového rezania a zvárania je dôležitou zárukou aj ladenie zariadenia. Dôležitú úlohu zohráva flexibilné prispôsobovanie a nastavovanie rôznych parametrov a ladenie na mieste technikmi.