Analiza zgrzewania ultradźwiękowego tworzyw sztucznych

Wśród wielu produktów w wielu przypadkach stosuje się zgrzewanie ultradźwiękowe tworzyw sztucznych i jest ono stosowane w samochodach, sprzęcie gospodarstwa domowego, opakowaniach, zabawkach, elektronice i innych zastosowaniach komercyjnych. Jego wyjątkowe zalety – szybkość, wydajność, czystość i trwałość – zyskały uznanie we wszystkich środowiskach

Przede wszystkim przyjrzyjmy się zasadzie spawania: gdy fale ultradźwiękowe działają na powierzchnię styku z tworzywa termoplastycznego, wytwarzają one dziesiątki tysięcy wibracji o wysokiej częstotliwości na sekundę. Te wibracje o wysokiej częstotliwości osiągają pewną amplitudę, a energia ultradźwiękowa jest przenoszona przez górną część spawaną. W strefie zgrzeiny powstają miejscowo wysokie temperatury, spowodowane dużym oporem akustycznym w strefie zgrzeiny, czyli na styku obu spoin. Co więcej, ze względu na słabą przewodność cieplną tworzywa sztucznego, nie może ono zostać rozproszone w czasie i zgromadzić się w strefie zgrzeiny, przez co powierzchnie styku obu tworzyw szybko się topią, a po pewnym nacisku łączą się w jedno. Kiedy fala ultradźwiękowa zatrzyma się, poczekaj kilka sekund, aby ciśnienie ją zestaliło, tworząc w ten sposób mocny łańcuch molekularny do celów spawania. Siła zgrzewania może być zbliżona do wytrzymałości surowca.

Proces zgrzewania ultradźwiękowego dzieli się na cztery etapy.

Etap 1: Klakson styka się z częścią, wywiera nacisk i zaczyna wibrować. Ciepło tarcia rozprasza energię żeber prowadzących, a roztwór wpływa na powierzchnię klejenia. W miarę zmniejszania się odległości między dwiema częściami zmniejsza się ilość spawu (odległość między dwiema częściami wynikająca z płynięcia stopu). Początkowo wielkość przemieszczenia spoiny szybko wzrasta, a następnie maleje, gdy żebro prowadzące stopioną energię rozprzestrzenia się i styka z powierzchnią dolnej części. W fazie tarcia stałego ciepło generowane jest przez energię tarcia pomiędzy dwiema powierzchniami oraz tarcie wewnętrzne w części. Ciepło tarcia powoduje, że materiał polimerowy nagrzewa się do temperatury topnienia. Ilość ciepła zależy od częstotliwości działania, amplitudy i ciśnienia.

Etap 2: Wzrost szybkości topienia powoduje zwiększenie wielkości przemieszczeń spawu i kontaktu pomiędzy powierzchniami obu części. Na tym etapie tworzy się cienka stopiona warstwa, której grubość zwiększa się w wyniku ciągłego wytwarzania ciepła. Ciepło na tym etapie jest generowane przez rozpraszanie lepkości.

Etap 3; grubość warstwy roztworu w spoinie pozostaje taka sama i przy stałym rozkładzie temperatury następuje topienie w stanie ustalonym.

Etap 4: Po określonym czasie lub po osiągnięciu określonej energii, poziomu mocy lub dystansu następuje wyłączenie zasilania, zatrzymanie wibracji ultradźwiękowych i uruchomienie czwartego etapu. Utrzymuje się ciśnienie i część dodatkowego roztworu zostaje wyciśnięta ze złącza. Maksymalne przemieszczenie osiąga się, gdy spoina zostaje schłodzona i zestalona oraz następuje dyfuzja międzycząsteczkowa.