فناوری مونتاژ پلاستیک اولتراسونیک به طور گسترده در اتصال ترموپلاستیک استفاده می شود. اتصالات تولید شده توسط آن نه تنها قوی و بادوام هستند ، بلکه از نظر ظاهری نیز زیبا هستند. این فناوری چهار دسته اصلی را در بر می گیرد ، که از این میان جوش اولتراسونیک تمرکز تحقیق است. جوش اولتراسونیک از انرژی اولتراسونیک با فرکانس بالا (15-50 کیلوهرتز) برای تولید ارتعاشات مکانیکی کم دامنه (1-100μm) استفاده می کند. این لرزش بر روی اتصالات اجزای سازنده عمل می کند ، مواد ترموپلاستیک را از طریق تولید گرمای اصطکاک ذوب می کند و سپس جوش می دهد. سرعت جوش آن بسیار سریع است ، معمولاً بین 0.1 ثانیه و 1.0 ثانیه.
در طی فرآیند جوشکاری اولتراسونیک ، امواج ایستاده سینوسی در ترموپلاستیک تولید می شوند. به دلیل اصطکاک بین مولکولی ، بخشی از انرژی به انرژی گرما تبدیل می شود که باعث افزایش دمای مواد می شود. بخش دیگری از انرژی متمرکز شده و به مفصل منتقل می شود ، که بیشتر در محلی با اصطکاک مرزی گرم می شود. بنابراین ، مسیر انتقال انرژی اولتراسونیک و رفتار ذوب مواد به طور مشترک تحت تأثیر هندسه قسمت و خصوصیات جذب اولتراسونیک ماده قرار می گیرد.
هنگامی که منبع لرزش نزدیک به مفصل جوش است ، این ماده از دست دادن انرژی کمتری برخوردار است. اگر فاصله از منبع لرزش به مفصل کمتر از 6.4 میلی متر باشد ، این فرایند جوشکاری نزدیک به میدان نامیده می شود که برای مواد کریستالی با جذب انرژی بالا و مواد سفتی کم مناسب است. اگر فاصله از 6.4 میلی متر بیشتر باشد ، به آن جوشکاری دور می گویند ، که برای مواد آمورف با جذب انرژی کم و مواد سفتی بالا مناسب است.
با توجه به ویژگی های "ناهموار" سطح مفصل ، به راحتی می توان دمای بالا و اصطکاک بالا را تولید کرد که این امر منجر به تجمع انرژی اولتراسونیک می شود. در بسیاری از کاربردهای جوشکاری اولتراسونیک ، یک برآمدگی مثلثی بر روی سطح قسمت فوقانی به نام دنده راهنمای انرژی طراحی شده است که انرژی لرزش را برای تمرکز در مفصل راهنمایی می کند.
در طی فرآیند جوشکاری اولتراسونیک ، انرژی لرزش به صورت عمودی بر روی سطح مفصل عمل می کند و نوک دنده راهنمای انرژی با قسمت جوش داده شده تحت فشار تماس می گیرد. به دلیل تولید گرمای اصطکاک ، مقدار زیادی گرما در نوک ایجاد می شود و باعث می شود دنده راهنمای انرژی شروع به ذوب شدن کند. کل فرآیند جوشکاری را می توان به چهار مرحله تقسیم کرد. ابتدا ، بالای دنده راهنمای انرژی شروع به ذوب شدن می کند و میزان ذوب به تدریج افزایش می یابد. از آنجا که شکاف در هر دو طرف مفصل کاهش می یابد ، دنده راهنمای انرژی مذاب به طور کامل پخش می شود و قسمت زیر را تماس می گیرد و میزان ذوب در این زمان کاهش می یابد. ثانیا ، قسمت های فوقانی و پایین در تماس سطحی قرار دارند و ناحیه ذوب بیشتر گسترش می یابد. سپس ، وارد مرحله ذوب حالت پایدار می شود ، که در آن زمان یک لایه مذاب با ضخامت مشخص تشکیل می شود ، همراه با یک میدان دمای پایدار. هنگامی که به انرژی جوشکاری از پیش تعیین شده ، زمان یا شرایط کنترل دیگر رسید ، لرزش اولتراسونیک متوقف می شود. سرانجام ، فشار حفظ می شود ، ذوب اضافی از جوش خارج می شود و قطعات توسط پیوندهای مولکولی وصل می شوند و به تدریج خنک می شوند.
مزایا و مضرات جوش اولتراسونیک
به عنوان یک فناوری پیوستن پلاستیک که به طور گسترده در زمینه صنعتی مورد استفاده قرار می گیرد ، جوش اولتراسونیک از ادغام سریع ، اقتصادی ، آسان اتوماسیون و مناسب بودن برای تولید انبوه استفاده می کند. ثبات جوش آن بسیار عالی است ، قدرت نیز زیاد است و زمان جوشکاری کوتاه تر از سایر فرآیندها است. علاوه بر این ، این فناوری برای از بین بردن دود یا سیستم خنک کننده برای از بین بردن گرمای اضافی ، با استفاده از انرژی زیاد ، راندمان تولید بالاتر و هزینه کمتری نیازی به سیستم تهویه پیچیده ندارد. طراحی قالب نسبتاً ساده است و سرعت تغییر قالب سریع است ، در نتیجه میزان استفاده و تطبیق پذیری تجهیزات را بهبود می بخشد. شایان ذکر است از آنجا که هیچ ماده جوشکاری کمکی دیگر به جوش وارد نمی شود ، جوش تمیز و عاری از ناخالصی ها باقی می ماند ، بر سازگاری زیست سازگاری تجهیزات تأثیر نمی گذارد و برای استفاده در صنعت مراقبت های بهداشتی با نیازهای بالاتر برای پاکیزگی بسیار مناسب است.
با این حال ، جوش اولتراسونیک نیز با محدودیت هایی روبرو است. برای محصولاتی با اندازه بیش از 250mmx300mm ، طراحی سر جوش دشوار می شود و اغلب لازم است از چندین سر جوش برای جوشکاری همزمان یا یک سر جوش واحد برای جوشکاری چندگانه استفاده شود. علاوه بر این ، نتایج جوشکاری اولتراسونیک با عواملی مانند طراحی ساختار جوش ، خطای بعدی و تغییر شکل قسمت تزریق ارتباط دارد. در عین حال ، ارتعاشات اولتراسونیک ممکن است باعث آسیب به اجزای الکترونیکی حساس شود ، اگرچه با افزایش فرکانس و کاهش دامنه می توان چنین خطرات را کاهش داد.
قسمتهای کاربردی
جوش اولتراسونیک به طور گسترده در بسیاری از صنایع مورد استفاده قرار می گیرد. به عنوان مثال ، در صنعت خودرو ، از آن برای اتصال مؤلفه هایی مانند چراغهای جلو ، داشبورد ، دکمه و سوئیچ استفاده می شود. در صنایع الکترونیک و برق ، این فناوری اغلب برای اتصال مؤلفه هایی مانند سوئیچ ، سنسورها و محرک ها استفاده می شود. علاوه بر این ، جوشکاری اولتراسونیک در فرآیند تولید محصولاتی مانند فیلترها ، کاتترها ، لباس های پزشکی و ماسک در حوزه پزشکی نیز ضروری است. در همین زمان ، تولید محصولاتی مانند کیف های تاول ، کیسه ها ، ظروف ذخیره سازی و نازل در صنعت بسته بندی نیز از کارآیی و راحتی جوش اولتراسونیک بهره می برد.
فنجان قهوه از مواد PS ساخته شده است ، و طراحی جوش آن هوشمندانه شیار و دنده هدایت انرژی را ترکیب می کند ، که نه تنها ثبات اتصال را تضمین می کند ، بلکه باعث افزایش کارایی تولید نیز می شود.
سوئیچ الکترونیکی از پلاستیک ABS ساخته شده و توسط پرچین اولتراسونیک تصفیه می شود.
این بازتابنده از ماده مختلط ABS و PC ساخته شده است و فرآیند جوشکاری مراحل و دنده های هدایت انرژی را برای ایجاد یک طراحی ساختاری منحصر به فرد ترکیب می کند.
لامپ الکترونیکی از یک ماده کامپوزیت ABS و PMMA استفاده می کند ، همراه با فرآیند جوشکاری نفیس از دنده های هواپیما و هدایت انرژی ، و ارائه یک سبک طراحی منحصر به فرد.
کانکتور الکتریکی مواد جامد ABS و فلز را ترکیب می کند و ثبات و دوام اتصال آن را از طریق پرچ کردن دقیق اولتراسونیک تضمین می کند.
بطری پزشکی از مواد رایانه ای ساخته شده است و هوشمندانه از طراحی فیوژن هواپیمای و جوش های دنده هدایت کننده انرژی استفاده می کند.
بطری فیلتر سوخت از نایلون 6-6 ساخته شده است و طراحی آن هوشمندانه فرآیندهای دوگانه درزهای برشی و جوش را ترکیب می کند.
مونتاژ غشای فیلتر و پنبه جذب کننده صدا از یک ماده کامپوزیت نایلون دوپ شده با فیبر شیشه ای 30 ٪ استفاده می کند و از طریق یک فرآیند جوشکاری سوراخ دار کاملاً مونتاژ می شود.
جعبه الکتریکی از یک ماده کامپوزیت PS و آجیل مس استفاده می کند و از طریق فناوری Inlay Ultrasonic کاملاً ریز ساخته شده است.
روتور از مواد PS استفاده می کند و طراحی هوشمندانه هواپیما و جوش های دنده ای را با استفاده از انرژی ترکیب می کند.
ساختار پلیمری
ساختار مولکولی پلاستیک آمورف به طور تصادفی توزیع می شود و فاقد یک جهت تنظیم ثابت است. ویژگی آن این است که به تدریج با دامنه دما نرم می شود. هنگامی که این نوع مواد به دمای انتقال شیشه می رسد ، به تدریج نرم می شود و در نهایت وارد یک حالت مذاب مایع می شود. فرایند مواد از مایع به جامد سازی تدریجی است. پلاستیک های آمورف می توانند به طور موثری ارتعاشات اولتراسونیک را منتقل کنند و به دلیل دامنه دمای نرم و نرم ، جوشکاری و دستیابی به آب بندی آسان تر هستند.
از طرف دیگر ، ساختار مولکولی پلاستیک های نیمه کریستالی ترتیب داده شده است. گرمای زیاد برای شکستن ترتیب منظم مهم است. این پلاستیک ها دارای نقاط ذوب تیز هستند و پس از کاهش دما کمی ، حالت مایع به سرعت محکم می شود. بنابراین ، ذوب خارج از ناحیه ذوب داغ به سرعت جامد می شود. هنگامی که جامد باشد ، رفتار مولکولی مواد نیمه کریستالی مانند چشمه است و بیشتر ارتعاشات اولتراسونیک را به جای انتقال آنها به ناحیه مفصل جذب می کند. بنابراین ، برای پلاستیک های نیمه کریستالی ، یک سر جوش خروجی با دامنه بالا برای تولید گرمای کافی لازم است.
دمای انتقال شیشه TG و دمای ذوب TM
هنگام بحث در مورد ساختار پلیمری ، ما به دو مفهوم دما مهم اشاره کردیم: دمای انتقال شیشه TG و دمای ذوب TM. TG دما است که در آن ماده از حالت شیشه ای به حالت بسیار الاستیک تغییر می کند ، در این زمان مواد به تدریج نرم می شوند. TM دمای مورد نیاز برای ذوب شدن مواد به طور کامل در یک مایع است. این دو ویژگی دما برای درک پردازش و عملکرد مواد پلیمری بسیار مهم است.
سمت چپ شکل بالا پلاستیک آمورف را نشان می دهد ، در حالی که سمت راست پلاستیک نیمه کریستالی را نشان می دهد. در ترموپلاستیک ، پرکننده هایی مانند فیبر شیشه ای ، تالک و مواد معدنی می توانند اثر جوش اولتراسونیک را تقویت یا مهار کنند. مواد خاصی مانند کربنات کلسیم ، کائولین ، تالک ، آلومینا و همچنین الیاف آلی ، سیلیس ، توپ های شیشه ای ، متاستیلیکات کلسیم (ولاستونیت) و میکا می توانند سختی رزین را افزایش دهند. مطالعات نشان داده اند که وقتی محتوای پرکننده به 20 ٪ برسد ، می تواند به طور موثری راندمان انتقال ارتعاشات اولتراسونیک در مواد ، به ویژه برای مواد نیمه کریستالی را افزایش دهد. با این حال ، هنگامی که محتوای پرکننده بیش از 35 ٪ باشد ، قابلیت اطمینان مهر و موم ممکن است به دلیل عدم وجود رزین کافی در جوش تحت تأثیر قرار گیرد. هنگامی که محتوای پرکننده به 40 ٪ برسد ، الیاف شیشه ای در موقعیت مشترک جمع می شوند و در نتیجه محتوای کافی رزین در جوش ایجاد نمی شود که به نوبه خود بر قدرت جوش تأثیر می گذارد. علاوه بر این ، در طی فرآیند قالب گیری تزریق ، الیاف شیشه ای بلند تمایل به تجمع روی دنده های هدایت کننده انرژی دارند. یک راه حل مؤثر استفاده از الیاف شیشه ای کوتاه به جای الیاف شیشه ای طولانی است.
علاوه بر این ، هنگامی که محتوای پرکننده بیش از 10 ٪ باشد ، ذرات ساینده موجود در مواد ممکن است باعث پوشیدن سر جوشکاری شود. بنابراین ، توصیه می شود از سر جوش فولادی کاربید یا سر جوش آلیاژ تیتانیوم پوشیده از پوشش کاربید تنگستن استفاده کنید. در عین حال ، ممکن است لازم باشد که یک دستگاه اولتراسونیک با قدرت بالاتر را انتخاب کنید تا اطمینان حاصل شود که گرمای کافی در مفصل ایجاد می شود.
از طرف دیگر ، در حالی که مواد افزودنی می توانند عملکرد کلی یا ویژگی های قالب گیری تزریق مواد را بهبود بخشند ، اما اغلب تأثیر مهاری در جوشکاری اولتراسونیک دارند. مواد افزودنی معمولی شامل روان کننده ها ، پلاستیک سازها ، اصلاح کننده های ضربه ، مقاوم در برابر شعله ، رنگ کننده ها ، عوامل کف و رزین های مجدد است. به عنوان مثال ، روان کننده هایی مانند موم ، استرنات روی ، اسید استئاریک و استرهای اسید چرب ضریب اصطکاک بین مولکول های پلیمری را کاهش می دهند و از این طریق باعث کاهش تولید گرما می شوند. با این حال ، این اثر معمولاً در مفصل کوچکتر است زیرا غلظت روان کننده کم و به طور مساوی پراکنده است. از طرف دیگر ، پلاستیک سازها مانند مایعات آلی درجه حرارت بالا یا مواد جامد ذوب دمای کم ، نرمی مواد را افزایش داده و سفتی را کاهش می دهند ، اما باعث کاهش جذابیت بین مولکول های داخلی پلیمر می شوند و در انتقال انرژی لرزش دخالت می کنند. به طور خاص ، مواد بسیار پلاستیکی مانند وینیل به عنوان مواد انتقال برای ارتعاشات اولتراسونیک بسیار نامناسب هستند. علاوه بر این ، پلاستیک سازها به عنوان مواد افزودنی داخلی ممکن است به مرور زمان به سطح پلاستیک مهاجرت کنند و بیشتر بر تأثیر جوشکاری اولتراسونیک تأثیر می گذارد. به طور مشابه ، اصلاح کننده های ضربه مانند لاستیک همچنین توانایی مواد در انتقال ارتعاشات اولتراسونیک را کاهش می دهد و برای ذوب پلاستیک به دامنه بزرگتر نیاز دارد.
مقاوم در برابر شعله ، اکسیدهای معدنی یا عناصر آلی هالوژنه (مانند آلومینیوم ، آنتیموان ، بور ، کلر ، برم ، گوگرد ، نیتروژن یا فسفر) که به مواد اضافه شده می توانند به طور موثری نقطه آتش ماده را سرکوب کرده یا خصوصیات احتراق آن را تغییر دهند. با این حال ، این مواد غالباً مواد را ناخواسته می کنند ، به ویژه هنگامی که مهار کننده شعله 50 ٪ یا بیشتر را تشکیل می دهد ، که باعث کاهش قابل توجهی میزان مواد جوش داده می شود. برای چنین موادی ، تجهیزات اولتراسونیک با قدرت بالا و سرهای جوشکاری با دامنه های بزرگ مورد نیاز است و طراحی مشترک برای افزایش نسبت مواد جوش داده شده تنظیم می شود.
بیشتر رنگ ها ، از جمله رنگدانه ها و رنگها ، مانع انتقال ارتعاشات اولتراسونیک نمی شوند. با این حال ، آنها ممکن است میزان مواد قابل جوش را در منطقه مشترک کاهش دهند. به طور خاص ، هنگامی که محتوای دی اکسید تیتانیوم (TIO2) از 5 ٪ تجاوز کند ، اثر روان کننده آن آشکار خواهد شد ، که اثر مهاری بر جوش اولتراسونیک خواهد داشت. در عین حال ، کربن سیاه در انتشار انرژی اولتراسونیک در مواد تداخل خواهد داشت.
عوامل کف سازی توانایی مواد در انتقال ارتعاشات اولتراسونیک را کاهش می دهد زیرا چگالی کم و تعداد زیادی از منافذ آنها در ساختار مولکولی از انتقال انرژی مؤثر جلوگیری می کند.
هنگامی که رزین زمینی (REGIND) در مواد مخلوط می شود ، برای بهینه سازی اثر جوشکاری ، افزودن و حجم آن باید با دقت ارزیابی و کنترل شود. در بعضی موارد ، ممکن است به هیچ وجه از Redrind استفاده نشود و 100 ٪ مواد باکره لازم است.
علاوه بر این ، در حالی که عوامل آزاد کننده قالب مانند استاره روی ، آلومینیوم استاررات ، فلوروکربن ها و سیلیکون ها می توانند به آزادسازی قطعات قالب تزریق کمک کنند ، ممکن است به سطح مفصل منتقل شوند و ضریب اصطکاک مواد را کاهش دهند و از این طریق باعث کاهش تولید گرما و مهار جوش اولتراسونیک می شوند. در عین حال ، عوامل انتشار قالب نیز ممکن است باعث آلودگی شیمیایی به رزین شوند و بر تشکیل پیوندهای شیمیایی مناسب تأثیر بگذارند. به ویژه سیلیکون ها بیشترین تأثیر را دارند. بنابراین ، هنگام استفاده از عوامل انتشار قالب ، لازم است که درجه مناسب را با دقت انتخاب کرده و اقدامات لازم را برای جلوگیری از انتقال آن به سطح قسمت انجام دهید.
علاوه بر این ، درجه های مختلف مواد ممکن است دمای ذوب و شاخص های مختلف جریان داشته باشند ، که همچنین می تواند بر تأثیر جوشکاری اولتراسونیک تأثیر بگذارد. به عنوان مثال ، نمرات بازیگران PMMA به دلیل وزن مولکولی بالاتر و دمای ذوب ممکن است جوشکاری از درجه تزریق/اکستروژن دشوارتر باشد. بنابراین ، به منظور به دست آوردن بهترین اثر جوشکاری ، سعی کنید موادی با همان درجه را برای جوشکاری انتخاب کنید و اطمینان حاصل کنید که شاخص جریان این دو ماده مشابه است و اختلاف دمای ذوب در 22 درجه است.
میزان رطوبت یک ماده تأثیر قابل توجهی در قدرت جوش آن دارد. مواد هیدروسکوپی مانند PBT ، PC ، PSU و نایلون به راحتی رطوبت را از هوا جذب می کنند. در طی فرآیند جوشکاری ، این رطوبت جذب شده در دماهای بالا جوش می خورد ، و گاز تولید شده اگر در جوش به دام بیفتد ، منافذ را تشکیل می دهد و پلاستیک را تخریب می کند ، بنابراین بر زیبایی شناسی ، استحکام و آب بندی جوش تأثیر می گذارد. برای جلوگیری از این ، مواد هیدروسکوپی باید بلافاصله پس از قالب تزریق جوش داده شوند. اگر جوش فوری امکان پذیر نباشد ، قطعات خشک شده باید در یک کیسه PE خشک ذخیره شوند یا به مدت 3 ساعت قبل از جوشکاری در فر 80 درجه قرار بگیرند.
علاوه بر این ، هنگام جوشکاری انواع مختلف مواد ، باید به دمای ذوب و ساختار مولکولی این دو ماده توجه ویژه ای داشته باشد. وضعیت جوشکاری ایده آل این است که اختلاف دمای ذوب دو ماده از 22 درجه تجاوز نمی کند و ساختار مولکولی مشابه است. اگر اختلاف دمای ذوب خیلی زیاد باشد ، مواد با نقطه ذوب پایین ابتدا ذوب و جریان می یابند و گرمای کافی برای ذوب شدن مواد با نقطه ذوب بالاتر فراهم نمی کنند. به عنوان مثال ، هنگام جوشکاری PMMA با ذوب بالا با PMMA با ذوب کم ، اگر هادی انرژی در PMMA با نقطه بالا قرار داشته باشد ، مفاصل ماده با ذوب پایین ابتدا ذوب می شود و جریان می یابد و باعث نرم شدن هادی انرژی می شود که به نوبه خود بر قدرت جوش تأثیر می گذارد.
علاوه بر این ، سازگاری مواد نیز یک عامل اصلی برای جوشکاری موفقیت آمیز است. فقط مواد سازگار با شیمیایی ، یعنی مواد با ساختارهای مولکولی مشابه ، می توانند جوش داده شوند. شایان ذکر است که سازگاری مواد به طور عمده بین مواد آمورف مانند ABS و PMMA ، PC و PMMA و PS و PPO اصلاح شده وجود دارد. با این حال ، پلاستیک های نیمه کریستالی مانند PP و PE ، اگرچه از خصوصیات فیزیکی مشابهی برخوردار هستند ، اما ساختارهای مولکولی متفاوتی دارند و بنابراین سازگاری مادی ندارند و نمی توان جوشکاری کرد.
