Principi e tecniche della saldatura ad ultrasuoni PPS

I. Panoramica

Il PPS (polifenilene solfuro) è un materiale termoplastico semicristallino con una curva di fusione ripida e un'elevata temperatura di fusione (285 ° C, 545 ° F) e il suo PPS puro non è adatto alla saldatura a ultrasuoni. Tuttavia, dopo l'aggiunta di fibra di vetro e altri riempitivi, la rigidità della miscela PPS aumenta notevolmente, il che contribuisce alla trasmissione delle vibrazioni ultrasoniche, pertanto è possibile utilizzare la saldatura ad ultrasuoni. A condizione che le nervature di saldatura siano progettate in modo ragionevole, il contenuto di fibra di vetro pari al 40% di PPS può essere facilmente saldato. Tuttavia, quando il contenuto di fibra di vetro e la polvere minerale vengono continuamente aumentati, è difficile che si formi il componente ultrasonico poiché il contenuto del componente di resina nella miscela diventa basso.

2. Design della nervatura di saldatura

Il design della nervatura di saldatura del prodotto PPS è fondamentale per la resistenza della saldatura. È necessario considerare la progettazione delle parti e delle nervature di saldatura a partire dall'assemblaggio dei componenti, nonché l'impatto di tali progetti sul processo di saldatura a ultrasuoni.

Per la saldatura di materiali PPS, viene generalmente adottato il design della cucitura a taglio. Per la progettazione di nervature triangolari o a risparmio energetico, diversi tipi di PPS con diverse composizioni hanno risultati di saldatura diversi. Per le miscele PPS con alto contenuto di riempitivo, non c'è abbastanza fluidità durante la fusione ed è impossibile fluire su entrambi i lati per formare più aree di adesione. Pertanto, tali miscele di PPS non sono adatte per la progettazione di nervature triangolari o a risparmio energetico.

Per i giunti a taglio, un'azione simile di 'strisciamento' viene prodotta sull'interfaccia del giunto durante il processo di saldatura, con conseguente maggiore fluidità della plastica fusa e saldatura più semplice. I test hanno dimostrato che per il PPS con un alto contenuto di riempitivo, il prodotto che utilizza il giunto a taglio ha una forza di estrazione sei volte superiore a quella della saldatura a gradini. Allo stesso tempo, la giuntura di taglio si scioglie e si lega a un'area più ampia, favorendo la sigillatura.

Le tipiche saldature a taglio e a gradino sono mostrate nelle Figure 1 e 2 di seguito.

Per prodotti con una dimensione massima superiore a 89 mm o con forma irregolare, è difficile controllare l'errore di stampaggio a iniezione, con conseguenti risultati di saldatura instabili. Pertanto, il design con giunzione a taglio non è consigliato per prodotti con forme grandi o irregolari, ma è consigliato il design triangolare conduttore/gradino/scanalatura. In generale, la profondità della saldatura del giunto a taglio è circa 1,25 volte lo spessore della parete.

Per la saldatura a ultrasuoni in campo vicino di parti in PPS a parete sottile, i processi di saldatura ad alta frequenza (ad esempio 20Khz o 30Khz) e a bassa ampiezza hanno maggiori probabilità di avere successo. Allo stesso tempo ha il vantaggio di una bassa potenza istantanea e di protezione contro i danni ai componenti. Quando si utilizza il design della nervatura di guida energetica, per un tipico materiale semicristallino, l'angolo della nervatura triangolare è di 60°, la larghezza del fondo è generalmente del 20%-25% e l'altezza è 0,866 volte la larghezza del fondo.

È importante tenere presente quando si progettano prodotti che si sceglie un processo di saldatura a ultrasuoni che deve ridurre al minimo le perdite di energia ultrasonica non necessarie. Le onde ultrasoniche si propagano nella direzione del movimento del corno di saldatura  e l'energia è proporzionale alla dimensione della sezione della parete. La parte da vibrare dovrebbe essere la parte più alta e più leggera dell'assieme e sopra il cordone di saldatura dovrebbe essere progettata una superficie piana più ampia a contatto con il corno  di saldatura. A volte è necessario progettare una struttura speciale per trasferire l'energia vibrazionale direttamente alla saldatura, ad esempio aggiungendo una struttura a labbro rialzato sul bordo del coperchio. È inoltre necessario uno spazio adeguato per l'assemblaggio delle parti per evitare interferenze e portare a giunti di saldatura. Le parti sul percorso di vibrazione devono essere arrotondate e la dimensione del raccordo è pari a 0,6 volte lo spessore della parete per evitare la rottura delle parti durante la saldatura a ultrasuoni. Le parti progettate simmetricamente sono più facili da saldare grazie alla loro pressione uniforme e alla distribuzione dell'energia.

In sintesi, i seguenti sono i progetti di saldatura errati da evitare:

1. Il design dello spazio del componente di assemblaggio è troppo piccolo e c'è un adattamento stretto o con interferenza, che impedisce la trasmissione efficace delle vibrazioni ultrasoniche alla nervatura di saldatura;

2. La sezione trasversale della parte che trasmette la vibrazione ultrasonica è troppo piccola/sottile, causando crepe di grande ampiezza;

3. Se la dimensione del cordone di saldatura è troppo grande, la potenza istantanea sarà troppo grande, il che potrebbe danneggiare le parti;

4. La parte che è a diretto contatto con il corno di saldatura  non è la parte più avanzata e leggera dell'assieme;

5. Gli spigoli vivi interni possono causare la rottura delle parti;

6. L'inserto metallico interno assorbe le vibrazioni ultrasoniche e riduce l'efficienza della saldatura, quindi le parti metalliche devono essere assemblate dopo la saldatura ad ultrasuoni.

3. raccomandazioni sul processo di saldatura

Il processo di saldatura a ultrasuoni ottimale dipende in larga misura dalla qualità delle parti e dalla precisione dell'assemblaggio, nonché dalle apparecchiature di saldatura e dai dispositivi utilizzati. È importante chiedere consiglio al produttore durante la fase di progettazione del prodotto. La regolazione dei parametri di saldatura dovrebbe tenere conto della composizione del materiale, dell'errore dimensionale e della rigidità della parte, nonché della distanza tra la posizione del corno di saldatura e  il prodotto e la saldatura. La saldabilità del prodotto si riferisce alla capacità del materiale di trasmettere vibrazioni ultrasoniche senza danni.

Poiché il PPS è un materiale termoplastico semicristallino ad alto punto di fusione, sono solitamente necessarie vibrazioni ultrasoniche di grande ampiezza per fondere la plastica e formare una saldatura. Considerando le proprietà di alto modulo (elevata rigidità) del PPS, l'ampiezza dell'uscita può essere trasmessa su una distanza considerevole nella parte in plastica. Maggiore è la distanza tra corno e saldatura, maggiore è l'ampiezza richiesta. Nella saldatura a campo vicino (la distanza tra la superficie di contatto del corno di saldatura  e la saldatura è inferiore a 6 mm), è possibile ottenere una maggiore efficienza di saldatura utilizzando un processo di saldatura ad alta frequenza e ampiezza inferiore. Nella saldatura a campo lontano (la distanza tra la superficie di contatto del corno di saldatura  e la saldatura è maggiore di 6 mm), la distanza di trasmissione dell'ampiezza è limitata dalla struttura del prodotto. Quando la parete è più sottile, la distanza di trasmissione delle vibrazioni ultrasoniche è più breve.

La potenza richiesta per la saldatura dipende dalle dimensioni dell'area di saldatura, dalla geometria del pezzo e dalle caratteristiche di assorbimento del materiale. La saldatura PPS richiede solitamente un'elevata potenza in uscita per garantire che la maggior parte dell'energia venga trasferita molto rapidamente alla saldatura evitando danni da vibrazioni alla parte. La velocità del corno di saldatura  è adattata alla fusione della plastica PPS e alla velocità di formazione della saldatura.

Quando il prodotto è progettato con una giunzione a taglio, i parametri iniziali possono essere impostati su potenza elevata, modulatore di rapporto ampio, bassa pressione di saldatura e velocità di saldatura più lenta. Quindi, in base ai risultati effettivi della saldatura, viene effettuata la regolazione successiva. Durante la saldatura, tenere presente che una grande ampiezza e vibrazioni a lungo termine possono danneggiare la superficie della parte. La massima resistenza della saldatura si forma durante la fase di mantenimento. Se la tenuta all'aria non è buona, è possibile aumentare la distanza di mantenimento della pressione dinamica o il tempo di mantenimento per migliorare.

Quando si utilizza il design con giuntura a taglio, è necessario prestare attenzione al supporto laterale della parete del prodotto per evitare il problema della scarsa resistenza della saldatura dovuta all'apertura della parete laterale della parte durante la saldatura. L'apparecchio può essere realizzato in alluminio, acciaio, resina o altri materiali. L'adattamento tra l'attrezzatura e il prodotto deve essere adeguato per fornire un supporto adeguato e facilitare la movimentazione delle parti.

4. forza della saldatura

La resistenza della saldatura è solitamente molto inferiore a quella del materiale sfuso. Poiché sulla saldatura non è presente quasi alcuna fibra di vetro, la resistenza della saldatura è determinata principalmente dalla resistenza della resina stessa. Cioè, quando si saldano materiali in resina pura (esclusi quelli rinforzati con fibra di vetro), la resistenza della saldatura solitamente non è grande quanto quella del materiale sfuso. Per alcuni materiali PPS, la resistenza della saldatura può raggiungere i 50 MPa; per la maggior parte dei materiali PPS, la resistenza della saldatura è inferiore a 35 MPa. Inoltre, la resistenza della saldatura diminuisce all'aumentare della temperatura, come mostrato nella figura seguente (resistenza alla trazione pura del PPS puro in funzione della temperatura).

Inoltre, ci sono molti altri fattori che influenzano la resistenza della saldatura:

Area della zona di saldatura. Più lungo è il filo, più plastica fusa, maggiore è la forza della saldatura. Ma in realtà, influenzata da fattori quali la precisione dello stampaggio a iniezione e le attrezzature, l'area dell'area saldata sarà molto più piccola di quanto previsto dal progetto.

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Precisione dimensionale e qualità dei pezzi stampati ad iniezione. Difetti di iniezione come i vuoti assorbono le vibrazioni ultrasoniche e influenzano il trasferimento di energia. Può causare ustioni e crepe interne sulla superficie della parte, nonché una minore resistenza della saldatura.

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Tale contaminazione superficiale del lubrificante o dell'agente distaccante riduce la generazione di calore da attrito e ostacola il processo di saldatura. Allo stesso tempo, la resistenza della saldatura viene compromessa a causa della penetrazione di impurità nella saldatura.

Durante il processo di saldatura, la plastica PPS sulla saldatura viene rapidamente fusa e raffreddata rapidamente ed è facile produrre uno stato più amorfo (amorfo). Quando il prodotto viene utilizzato a temperature superiori a 85°C, il PPS si trasformerà gradualmente in uno stato semicristallino creando ulteriore stress all'interno del prodotto.