Principy a techniky PPS ultrazvukového svařování

I. Přehled

PPS (polyfenylensulfid) je semikrystalický termoplast se strmou křivkou tání a vysokou teplotou tání (285 ° C, 545 ° F) a jeho čistý PPS není vhodný pro ultrazvukové svařování. Po přidání skelného vlákna a dalších plniv se však tuhost směsi PPS značně zvýší, což přispívá k přenosu ultrazvukových vibrací, takže lze použít ultrazvukové svařování. Za předpokladu, že svařovací žebra jsou navržena rozumně, lze obsah skelných vláken 40 % PPS snadno svařit. Když se však obsah skleněných vláken a minerální prášek kontinuálně zvyšují, je obtížné vytvořit ultrazvukovou složku, protože obsah pryskyřičné složky ve směsi se sníží.

2. Návrh svařovacího žebra

Konstrukce svařovacího žebra produktu PPS je rozhodující pro pevnost svaru. Konstrukce dílů a svarových žeber je třeba vzít v úvahu při montáži součástí a také vliv těchto konstrukcí na proces ultrazvukového svařování.

Pro svařování materiálů PPS se obecně používá konstrukce smykového švu. Pro konstrukci trojúhelníkových nebo energeticky úsporných žeber mají různé typy PPS s různým složením různé výsledky svařování. U směsí PPS s vysokým obsahem plniva není při tavení dostatečná tekutost a není možné zatékat na obě strany, aby se vytvořilo více spojovacích ploch. Proto takové směsi PPS nejsou vhodné pro konstrukci trojúhelníkových nebo energeticky úsporných žeber.

U střižných spojů dochází během procesu svařování na rozhraní spoje k podobnému 'stěru', což má za následek větší tekutost roztaveného plastu a snadnější pájení. Testy ukázaly, že u PPS s vysokým obsahem plniva má výrobek využívající smykový spoj vytahovací sílu, která je šestkrát větší než u stupňovitého svaru. Smykový šev se zároveň roztaví a naváže na větší plochu, což napomáhá utěsnění.

Typické smykové a stupňovité svary jsou znázorněny na obrázcích 1 a 2 níže.

U výrobků s maximální velikostí větší než 89 mm nebo nepravidelného tvaru je obtížné kontrolovat chybu vstřikování, což vede k nestabilním výsledkům svařování. Proto se u výrobků s velkými nebo nepravidelnými tvary nedoporučuje provedení smykového švu, ale doporučuje se provedení trojúhelníkový vodič/stupeň/drážka. Obecně platí, že hloubka svaru smykového spoje je přibližně 1,25násobek tloušťky stěny.

U ultrazvukového svařování v blízkém poli tenkostěnných dílů PPS je pravděpodobnější, že budou úspěšné vysokofrekvenční (např. 20Khz nebo 30Khz) a nízkoamplitudové svařovací procesy. Zároveň má výhodu v nízkém okamžitém výkonu a ochraně proti poškození součástek. Při použití konstrukce žeber pro vedení energie je pro typický semikrystalický materiál úhel trojúhelníkového žebra 60°, šířka dna je obecně 20 % až 25 % a výška je 0,866 násobek šířky dna.

Je důležité mít na paměti při navrhování produktů, které volí proces ultrazvukového svařování, který musí minimalizovat zbytečné ztráty ultrazvukové energie. Ultrazvukové vlny se šíří ve směru pohybu svářečky a  energie je úměrná velikosti průřezu stěny. Vibrovaný díl by měl být nejvyšší a nejlehčí částí sestavy a tryskou .  nad svarovou housenkou by měl být navržen větší rovný povrch, který je v kontaktu se svařovací Někdy je nutné navrhnout speciální strukturu pro přenos vibrační energie přímo do svaru, například přidáním zvýšené břitové struktury na okraji víka. Správná vůle sestavy součástí je také nezbytná, aby se zabránilo rušení a pájení. Díly na dráze vibrací by měly být zaoblené a velikost zaoblení je 0,6násobek tloušťky stěny, aby se zabránilo praskání dílů během ultrazvukového svařování. Symetricky navržené díly se snáze svařují díky jejich rovnoměrnému rozložení tlaku a energie.

Stručně řečeno, následující jsou nesprávné návrhy svarů, kterým je třeba se vyhnout:

1. Konstrukce mezery součásti sestavy je příliš malá a je zde těsné nebo rušivé uložení, které brání účinnému přenosu ultrazvukových vibrací na svařovací žebro;

2. Průřez části přenášející ultrazvukové vibrace je příliš malý/tenký, což má za následek praskání při velké amplitudě;

3. Pokud je velikost svaru příliš velká, okamžitý výkon bude příliš velký, což může poškodit díly;

4. Část, která je v přímém kontaktu se svařovacím h ornem,  není nejpokročilejší a nejlehčí součástí sestavy;

5. Vnitřní ostré rohy mohou způsobit prasknutí dílů;

6. Vnitřní kovová vložka absorbuje ultrazvukové vibrace a snižuje účinnost svařování, takže kovové části by měly být sestaveny po ultrazvukovém svařování.

3. doporučení svařovacího procesu

Optimální proces ultrazvukového svařování je vysoce závislý na kvalitě dílu a přesnosti montáže, stejně jako na použitém svařovacím zařízení a příslušenství. Během fáze návrhu produktu je důležité požádat o radu výrobce. Úprava svařovacích parametrů by měla zohledňovat materiálové složení, rozměrovou chybu a tuhost součásti a také vzdálenost mezi polohou svařovací h orny  a výrobkem a svarem. Svařitelnost výrobku se týká schopnosti materiálu přenášet ultrazvukové vibrace bez poškození.

Vzhledem k tomu, že PPS je semikrystalický termoplast s vysokým bodem tání, je obvykle zapotřebí velká amplituda ultrazvukových vibrací k roztavení plastu a vytvoření svaru. S ohledem na vlastnosti PPS s vysokým modulem (vysokou tuhostí) může být amplituda výstupu přenášena na značnou vzdálenost v plastové části. Čím větší je vzdálenost mezi trychtýřem a svarem, tím větší je požadovaná amplituda. Při svařování v blízkém poli (vzdálenost mezi kontaktním povrchem svaru a  svarem je menší než 6 mm) lze dosáhnout vyšší účinnosti svařování použitím vysokofrekvenčního procesu svařování s nižší amplitudou. Při svařování ve vzdáleném poli (vzdálenost mezi kontaktní plochou svaru a  svarem je větší než 6 mm) je vzdálenost přenosu amplitudy omezena strukturou produktu. Když je stěna tenčí, vzdálenost přenosu ultrazvukových vibrací je kratší.

Výkon potřebný pro svařování závisí na velikosti svarové plochy, geometrii dílu a absorpčních charakteristikách materiálu. Svařování PPS obvykle vyžaduje vysoký výkon, aby bylo zajištěno, že většina energie se velmi rychle přenese do svaru a zároveň se zabrání poškození součásti vibracemi. Rychlost svaru je  přizpůsobena tavení plastu PPS a rychlosti tváření svaru.

Když je produkt navržen se smykovým švem, počáteční parametry lze nastavit na vysoký výkon, modulátor velkého poměru, nízký svařovací tlak a nižší rychlost svařování. Poté se podle skutečných výsledků svařování provede další úprava. Při pájení si uvědomte, že velká amplituda a dlouhodobé vibrace mohou poškodit povrch součásti. Maximální pevnost svaru se vytvoří během fáze držení. Není-li vzduchotěsnost dobrá, lze pro zlepšení prodloužit vzdálenost dynamického udržení tlaku nebo dobu udržení.

Při použití provedení smykového švu je nutné dbát na boční podepření stěny výrobku, aby se předešlo problému se špatnou pevností svaru v důsledku otevření boční stěny dílu při svařování. Svítidlo může být vyrobeno z hliníku, oceli, pryskyřice nebo jiných materiálů. Slícování mezi přípravkem a výrobkem by mělo být vhodné, aby poskytovalo náležitou podporu a usnadňovalo manipulaci s díly.

4. pevnost svařování

Pevnost svaru je obvykle mnohem nižší než u sypkého materiálu. Protože na svaru není téměř žádné skleněné vlákno, pevnost svaru je dána především pevností samotné pryskyřice. To znamená, že při svařování materiálů z čisté pryskyřice (kromě vyztužených skleněnými vlákny) není pevnost svaru obvykle tak velká jako u sypkého materiálu. U některých materiálů PPS může pevnost svaru dosáhnout 50 Mpa; u většiny materiálů PPS je pevnost svaru menší než 35 MPa. Pevnost svaru navíc klesá s rostoucí teplotou, jak ukazuje následující obrázek (pevnost čistého PPS v tahu v závislosti na teplotě).

Kromě toho existuje mnoho dalších faktorů, které ovlivňují pevnost svaru:

Oblast svařovací oblasti. Čím delší je drát, tím více roztaveného plastu, tím větší je pevnost svaru. Ale ve skutečnosti, ovlivněná faktory, jako je přesnost vstřikování a přípravky, bude plocha svařované oblasti mnohem menší, než návrh očekává.

·

Vstřikované díly rozměrová přesnost a kvalita. Vady vstřikování, jako jsou dutiny, absorbují ultrazvukové vibrace a ovlivňují přenos energie. Může způsobit popáleniny a vnitřní praskliny na povrchu dílu a také nižší pevnost svaru.

·

Taková povrchová kontaminace lubrikantem nebo separačním prostředkem snižuje tvorbu tepla třením a brání procesu svařování. Zároveň je narušena pevnost svaru v důsledku nečistot vstupujících do svaru.

Během procesu svařování se PPS plast ve svaru rychle roztaví a rychle ochladí a je snadné vytvořit amorfnější (amorfní) stav. Když je produkt používán při teplotách nad 85 °C, PPS se postupně přemění do semikrystalického stavu, čímž se uvnitř produktu vytvoří dodatečné napětí.