Вибрационная сварка термопластов - Vibration welding of thermoplastics

Вибрационная сварка (также известная как линейная сварка или сварка трением) относится к процессу, в котором две детали контактируют под давлением, а возвратно-поступательное движение (вибрация) применяется вдоль общей поверхности раздела для генерации тепла. Возникающее тепло расплавляет детали, и они становятся сваренный когда вибрация прекратится и интерфейс остынет. Большинство машин работает на частоте 120 Гц, хотя имеется оборудование, работающее в диапазоне 100–240 Гц.^[1] Вибрация может быть достигнута либо посредством линейной вибрационной сварки, в которой используется одномерное движение вперед и назад, либо орбитальной вибрационной сварки, при которой детали перемещаются по небольшим орбитам относительно друг друга. Линейная вибрационная сварка более распространена из-за того, что требуется более простое и относительно дешевое оборудование.

Вибрационная сварка часто используется для более крупных объектов, где соединяемые детали имеют относительно плоские швы, хотя в процессе сварки некоторые из них могут выходить из плоскости. кривизна. Недавно автоматизированная индустрия широко использовал этот процесс для производства таких деталей, как коллекторы и осветительные агрегаты, чьи сложные геометрические формы предотвратить процессы формования отдельных компонентов.

Преимущества и недостатки

^[2]Вибрационная сварка имеет множество преимуществ по сравнению с другими обычными процессами сварки пластмасс. Поскольку тепло создается на границе раздела, расплавленный полимеры не находятся на открытом воздухе, предотвращая окисление и загрязнение сварного шва во время процесса. Присадочный материал не требуется, и при сварке компонентов из одного материала можно ожидать, что соединение будет таким же прочным, как и объемный материал. Нагревание локализовано на границе раздела, что снижает вероятность деградации материала, наблюдаемой при других процессах, для которых требуется источник тепла, значительно превышающий температуру плавления материала. Сам процесс экономически эффективен, без расходные материалы и короткое время цикла.^[1] Вибрационная сварка практически не дает дыма или дыма, требует небольшой подготовки поверхности и хорошо подходит для множества применений, что делает ее подходящей для массовое производство среды.

Однако вибрационная сварка имеет свои недостатки. Процесс плохо поддается низкому модулю упругости. термопласты или к соединениям между пластиками с относительно высокой разницей температур плавления. Вибрационная сварка требует специальных креплений и конструкций соединений, и деталь будет подвергаться воздействию тщательный вибрация во время сварочного цикла, которая может повредить чувствительные или миниатюрные компоненты. Готовый сварной шов будет окружен значительным количеством заусенцев, которые необходимо удалить, если внешний вид является проблемой. В качестве альтернативы можно использовать геометрию стыков, которая скрывает лишнюю вспышку. Наконец, этот процесс плохо подходит для сварки чего-либо, кроме относительно плоских стыков.

Процесс вибрационной сварки

Процесс вибрационной сварки состоит из четырех этапов: твердое трение, неустановившееся течение, установившееся течение и затвердевание.^{[нужна цитата ]}

Твердое трение

На этом первом этапе возникает вибрация между двумя холодными частями, прижатыми вместе с постоянным давление. Энергия трения заставляет полимеры нагреваться. На этом этапе проплавление сварного шва отсутствует, поскольку плавление еще не произошло.

Переходный поток

На этапе переходного течения поверхность полимера начинает плавиться. Толщина слоя расплава быстро увеличивается, в результате чего силы трения уменьшаются. Это уменьшение трения снижает подвод тепла к системе, и начинает возникать боковой поток расплавленного материала.

Устойчивый поток

На этом этапе скорость плавления материала соответствует потоку материала. экструдированный на боковых поверхностях. Расход материала и толщина слоя расплава становятся постоянными. Это шаг, который определяет качество сварного шва. Этот этап сохраняется до тех пор, пока не будет достигнута желаемая толщина «расплавления» (толщина расплавленного материала). В это время вибрация прекращается и сварному шву дают остыть.

Затвердевание

Во время затвердевания вибрация прекращается, а давление на заготовки сохраняется до тех пор, пока не перестанет оставаться расплавленный материал. После охлаждения до комнатной температуры соединение должно иметь прочность, близкую к прочности материала. Давление снимается только тогда, когда соединение достигает приемлемой прочности.

Оборудование

Аппарат для вибросварки по существу представляет собой вертикальный машинный пресс в котором одна сторона была изменена для вибрации. Основными компонентами являются вибрационный узел, подъемный стол и инструментальная оснастка.

Вибрационная сборка

Вибрационный узел представляет собой подвижный элемент, приводимый в движение гидравлика или чаще, электромагниты. В электромагнитной версии сердцем этого узла является настроенная система пружина-масса, питаемая электрическими катушками, действующими на противоположно заряженные ламинированные пакеты. В частота электрических зарядов согласовано с механической частотой системы. Хотя амплитуда можно отрегулировать на машине частота может быть изменена только путем изменения масса вибрационного узла. Подвижная часть инструмента прикрепленный к вибрирующему узлу.

Подъемный стол

Подъемный стол представляет собой гидравлический узел прикреплен к неподвижной части инструмента. Подъемный стол объединяет детали и прикладывает давление между подвижной и неподвижной частями инструмента.^[3]

Инструменты

Инструменты относятся к приспособлениям, которые прикреплены к вибрационному узлу и подъемному столу и удерживают детали на месте. Инструмент зависит от области применения и должен позволять быстро менять детали после каждого цикла сварки. Крайне важно, чтобы инструмент соответствовал заготовкам достаточно близко, чтобы предотвратить любое относительное движение между инструментом и заготовками, так как это уменьшит амплитуда сварного шва и меньшего тепловложения, а также допусков на размеры.

Переменные процесса

Процесс вибрационной сварки имеет пять основных переменных: частота, амплитуда, давление, время и глубина.

Частота

Частота означает, сколько раз в секунду завершается цикл вибрации. Большинство механизмов работает на частоте 120 Гц, хотя доступно оборудование с частотой 100–240 Гц. Частота зависит от массы вибрирующего узла и, как таковая, может быть изменена только путем отключения компонентов узла.

Амплитуда

Амплитуда - это расстояние, пройденное за каждый колебательный цикл. Более высокие амплитуды обычно используются с более низкими частотами, и наоборот. Более высокие амплитуды увеличивают тепловложение за счет чистоты и допусков на размеры, что делает их более полезными для больших деталей. Более низкие амплитуды находятся в диапазоне 0,7-1,8 мм, а более высокие амплитуды описывают циклы, охватывающие 2-4 мм.

Давление

Давление является основным регулятором толщины слоя расплава и должно поддерживаться в оптимальном диапазоне для получения качественных соединений. Хотя давление может варьироваться от 0,5 до 20 МПа в зависимости от материалов и геометрии, допуски для конкретного применения довольно жесткие. Слишком низкое давление предотвратит выделение достаточного количества тепла, а слишком большое давление может вызвать выдавливание всего расплавленного материала из соединения. Оба сценария приведут к слабому сварному шву. Давление контролируется подъемным столом.

Время

Еще одним ключевым фактором является продолжительность воздействия вибрации на заготовку. Время прямо пропорционально тепловыделению и потере материала на вспышку. Процессы могут контролироваться либо по времени, либо по глубине, при этом большинство современных процессов контролируются по глубине. Процесс с контролируемой глубиной будет иметь переменное время, и наоборот.

Глубина

Иллюстрация стыка со встроенной вспышкой

Под глубиной понимается расстояние, пройденное заготовками после начала вибрации. Иногда это называют смещением, оно напрямую связано с величиной потерь материала на вспышку. Обычно глубина должна быть близкой к толщине слоя расплава или выше ее в начале стадии установившегося состояния. После этого значения большая глубина приводит только к потере материала без сопутствующего повышения прочности соединения.

Сварной дизайн

Конструкция сварного шва для вибрационной сварки должна включать относительно большую плоскую поверхность, хотя можно компенсировать некоторую изогнутую поверхность. Самый распространенный тип соединения - стыковое соединение, при котором две плоские детали с одинаковым поперечным сечением свариваются вместе. Варианты этого соединения могут включать U-образные фланцы, гребень и паз шарниры, и даже двойные соединения гребня и паза.^[2] Когда внешний вид важен, можно использовать импульсные ловушки. Ловушки вспышки - это пустоты в поперечном сечении рядом с областью сварного шва, которые собирают вспышку и скрывают ее от просмотра.