PPS 초음파 용접의 원리와 기술

I. 개요

PPS(폴리페닐렌 설파이드)는 용융 곡선이 가파르고 용융 온도(285 ° C, 545 ° F)가 높은 반결정성 열가소성 수지이며 순수한 PPS는 초음파 용접에 적합하지 않습니다. 그러나 유리섬유 및 기타 충진제를 첨가한 후에는 PPS 혼합물의 강성이 크게 증가하여 초음파 진동 전달에 기여하므로 초음파 용접을 사용할 수 있습니다. 용접 리브가 합리적으로 설계되면 유리 섬유 함량이 40% PPS인 경우 쉽게 용접할 수 있습니다. 그러나, 유리섬유와 광물분말의 함량을 지속적으로 증가시키면 혼합물 내 수지성분의 함량이 낮아져 초음파 성분이 형성되기 어렵다.

2. 용접 리브 디자인

PPS 제품의 용접 리브 디자인은 용접 강도에 매우 중요합니다. 부품 조립부터 용접 리브 및 부품 설계를 고려해야 하며 이러한 설계가 초음파 용접 공정에 미치는 영향도 고려해야 합니다.

PPS 재료의 용접에는 일반적으로 전단 솔기 디자인이 채택됩니다. 삼각형 또는 에너지 절약형 리브 설계의 경우 구성이 다른 다양한 유형의 PPS가 용접 결과가 다릅니다. Filler 함량이 높은 PPS 혼합물의 경우 용융시 유동성이 부족하여 양면에 흘러들어 더 많은 접착면적을 형성하는 것이 불가능합니다. 따라서 이러한 PPS 혼합물은 삼각형 또는 에너지 절약형 리브 설계에 적합하지 않습니다.

전단 접합의 경우 용접 공정 중 접합 경계면에서 유사한 '스미어' 작용이 발생하여 용융된 플라스틱의 유동성이 향상되고 납땜이 더 쉬워집니다. 테스트 결과, 필러 함량이 높은 PPS의 경우 전단 접합을 사용한 제품은 계단형 용접에 비해 인발력이 6배 더 높은 것으로 나타났습니다. 동시에 전단 솔기가 녹아 더 넓은 면적에 접착되어 밀봉에 도움이 됩니다.

일반적인 전단 및 계단 용접은 아래 그림 1과 2에 나와 있습니다.

최대치수가 89mm를 초과하거나 형상이 불규칙한 제품의 경우, 사출성형 오차 제어가 어려워 용접 결과가 불안정해집니다. 따라서 형상이 크거나 불규칙한 제품에는 전단심 디자인을 권장하지 않으며, 삼각형 도체/단차/홈 디자인을 권장합니다. 일반적으로 전단 접합의 용접 깊이는 벽 두께의 약 1.25배입니다.

PPS 얇은 벽 부품의 초음파 근거리 용접의 경우 고주파수(예: 20Khz 또는 30Khz) 및 낮은 진폭 용접 공정이 성공할 가능성이 더 높습니다. 동시에 순시 전력이 낮고 부품 손상을 방지할 수 있다는 장점이 있습니다. 에너지 가이드 리브 디자인을 사용하는 경우 일반적인 반결정 재료의 경우 삼각형 리브 각도는 60°이고 바닥 너비는 일반적으로 20%-25%이며 높이는 바닥 너비의 0.866배입니다.

불필요한 초음파 에너지 손실을 최소화해야 하는 초음파 용접 공정을 선택하는 제품을 설계할 때 명심하는 것이 중요합니다. 초음파는 용접 이동 방향으로 전파되며 혼의  에너지는 벽 단면 크기에 비례합니다. 진동을 받는 부분은 조립품의 가장 위쪽에 있고 가장 가벼운 부분이어야 하며, 용접 과 접촉하는 더 크고 평평한 표면이 혼  용접 비드 위에 설계되어야 합니다. 때로는 진동 에너지를 용접부에 직접 전달하기 위한 특별한 구조를 설계해야 하는 경우도 있습니다. 예를 들어 뚜껑 가장자리에 융기된 립 구조를 추가하는 경우가 있습니다. 간섭을 피하고 납땜 접합으로 이어지려면 적절한 부품 조립 간격도 필요합니다. 진동 경로의 부품은 둥글게 처리되어야 하며 필렛 크기는 벽 두께의 0.6배로 초음파 용접 중 부품의 균열을 방지할 수 있습니다. 대칭적으로 설계된 부품은 균일한 압력과 에너지 분포로 인해 용접하기가 더 쉽습니다.

요약하면 다음은 피해야 할 잘못된 용접 설계입니다.

1. 조립 부품의 간격 설계가 너무 작고, 단단하거나 억지 끼워맞춤되어 초음파 진동이 용접 리브에 효과적으로 전달되는 것을 방지합니다.

2. 초음파 진동을 전달하는 부분의 단면이 너무 작거나 얇아 큰 진폭에서 균열이 발생합니다.

3. 용접 비드의 크기가 너무 크면 순간 전력 출력이 너무 커져 부품이 손상될 수 있습니다.

4. 용접 과 직접 접촉하는 부분은 혼  조립에서 가장 진보적이고 가벼운 부분이 아닙니다.

5. 내부의 날카로운 모서리로 인해 부품이 깨질 수 있습니다.

6. 내부 금속 인서트가 초음파 진동을 흡수하여 용접 효율을 저하시키므로 초음파 용접 후 금속 부품을 조립해야 합니다.

3. 용접 공정 권장 사항

최적의 초음파 용접 공정은 부품 품질과 조립 정확도는 물론 사용되는 용접 장비와 고정 장치에 따라 크게 달라집니다. 제품 설계 단계에서는 제조업체의 조언을 구하는 것이 중요합니다. 용접 매개변수의 조정에는 재료 구성, 부품의 치수 오차 및 강성뿐만 아니라 용접 사이의 거리도 고려해야 합니다 . 혼의 위치  와 제품 및 용접부 제품의 용접성은 손상 없이 초음파 진동을 전달하는 재료의 능력을 의미합니다.

PPS는 고융점 반결정성 열가소성 수지이기 때문에 일반적으로 플라스틱을 녹여 용접부를 형성하려면 큰 진폭의 초음파 진동이 필요합니다. PPS의 높은 모듈러스(높은 강성) 특성을 고려하면 출력 진폭이 플라스틱 부품에서 상당한 거리에 걸쳐 전달될 수 있습니다. 혼과 용접부 사이의 거리가 멀수록 필요한 진폭도 커집니다. 근거리 용접(용접 혼 접촉면과 용접부 사이의 거리가 6mm 미만)에서는 고주파  및 저진폭 용접 공정을 사용하여 더 높은 용접 효율을 얻을 수 있습니다. 원거리 용접(용접 혼 접촉면과 용접부 사이의 거리가 6mm 이상)에서는 제품  구조에 따라 진폭 전송 거리가 제한됩니다. 벽이 얇을수록 초음파 진동 전달 거리가 짧아집니다.

용접에 필요한 힘은 용접 영역의 크기, 부품의 기하학적 구조, 재료의 흡수 특성에 따라 달라집니다. PPS 용접에는 부품의 진동 손상을 방지하면서 대부분의 에너지가 매우 빠르게 용접부에 전달되도록 하기 위해 일반적으로 높은 출력이 필요합니다. 용접 혼의 속도는 PPS  플라스틱의 용융 및 용접 성형 속도와 일치합니다.

제품이 전단 심으로 설계되면 초기 매개변수를 높은 출력, 큰 비율 비율 변조기, 낮은 용접 압력 및 느린 용접 속도로 설정할 수 있습니다. 그런 다음 실제 용접 결과에 따라 다음 조정이 이루어집니다. 납땜 시 큰 진폭과 장기간의 진동으로 인해 부품 표면이 손상될 수 있다는 점에 유의하십시오. 최대 용접 강도는 유지 단계에서 형성됩니다. 기밀성이 좋지 않은 경우에는 동압유지거리나 유지시간을 늘려서 개선할 수 있습니다.

전단 심 설계를 사용할 경우 용접 중 부품의 측벽이 벌어져 용접 강도가 떨어지는 문제를 피하기 위해 제품 벽의 측면 지지대에 주의할 필요가 있습니다. 고정물은 알루미늄, 강철, 수지 또는 기타 재료로 만들 수 있습니다. 고정 장치와 제품 사이의 맞춤은 적절한 지지를 제공하고 부품 취급을 용이하게 하기 위해 적절해야 합니다.

4. 용접강도

용접 강도는 일반적으로 벌크 재료보다 훨씬 낮습니다. 용접부에는 유리섬유가 거의 없기 때문에 용접강도는 주로 수지 자체의 강도에 따라 결정됩니다. 즉, 순수 수지 재료(유리 섬유 강화 제외)를 용접할 때 용접 강도는 일반적으로 벌크 재료만큼 크지 않습니다. 특정 PPS 재료의 경우 용접 강도는 50Mpa에 도달할 수 있습니다. 대부분의 PPS 재료의 용접 강도는 35Mpa 미만입니다. 또한 다음 그림(온도에 따른 순수 PPS의 순수 인장 강도)에 표시된 것처럼 온도가 증가함에 따라 용접 강도가 감소합니다.

또한 용접 강도에 영향을 미치는 다른 많은 요소가 있습니다.

용접 영역의 면적. 와이어가 길수록, 용융된 플라스틱이 많을수록 용접 강도가 높아집니다. 그러나 실제로는 사출 성형 정확도 및 고정 장치와 같은 요소의 영향을 받아 용접 영역의 면적이 설계에서 예상한 것보다 훨씬 작습니다.

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사출 성형 부품의 치수 정확성과 품질. 공극과 같은 주입 결함은 초음파 진동을 흡수하여 에너지 전달에 영향을 미칩니다. 부품 표면의 화상 및 내부 균열이 발생할 수 있으며 용접 강도가 저하될 수 있습니다.

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이러한 윤활제나 이형제의 표면 오염은 마찰열 발생을 감소시키고 용접 공정을 방해합니다. 동시에 용접부에 불순물이 유입되어 용접 강도가 저하됩니다.

용접 공정 중 용접 부위의 PPS 플라스틱은 급격하게 용융되고 급냉되어 더욱 비정질(amorphous) 상태를 생성하기 쉽습니다. 제품을 85°C 이상의 온도에서 사용하면 PPS가 점차 반결정 상태로 변해 제품 내부에 추가적인 응력이 발생합니다.