Jeżeli ustalimy technologię zgrzewania detali, to należy się zastanowić nad urządzeniem. Z gamy oferowanych urządzeń łatwy jest wybór maszyny do zgrzewania gorącą płytą, ponieważ występują tylko dwa - mniejsze i większe. Równie prosty wybór jest w przypadku urządzeń do zgrzewania wibracyjnego i obrotowo - tarciowego, gdyż w tym segmencie oferujemy tylko po jednym modelu urządzenia.

Trudniej jest ze zgrzewarkami ultradźwiękowymi, gdyż jest ich cała gama i temu problemowi poświęcimy więcej miejsca.

Wybór zgrzewarki ultradźwiękowej

Oferujemy zgrzewarki pracujące przy dwóch częstotliwościach znamionowych:

• 20 kHz i mocach od 2,0 kW do 4,0 kW,
• 36 kHz i mocach 500W - 1000 W.

Zgrzewarki na 20 kHz służą do zgrzewania większych detali lub trudniejszych materiałów, gdy mogą być potrzebne wyższe moce. Analogicznie zgrzewarki na 36 kHz stosuje się do detali mniejszych. Często patrząc na detale i ich gabaryty trudno przewidzieć, jaka moc będzie potrzebna do ich zgrzewania.

W tej sytuacji SonicArts może przeprowadzić próby zgrzewania. Dysponujemy maszynami o mocy do 4,00 kW, na których możemy zasymulować dowolną moc w przedziale 0 - 4,00 kW i w rezultacie doradzić klientowi optymalny model. Oferowane zgrzewarki występują w kilku warintach nowoczesności. Im wyższy model tym więcej parametrów roboczych można nastawić i kontrolować za pomocą programowalnego mikroprocesora, ale niestety rośnie też cena urządzenia, które musi być wyposazone w wiekszą ilość czujników, enkoder, zaworów proporcjonalnych itd.

Żeby mogli Państwo samodzielnie wyrobić sobie opinię na ten temat, poniżej omówimy podstawowe parametry zgrzewania ultradźwiękoweg, ogólne zasady ich doboru oraz sposób realizacji przez urządzenie. Omówimy też podstawowe zasady eksploatacji i diagnozowania urządzeń.

Parametry zgrzewania ultradźwiękowego

Podstawowymi parametrami zgrzewania ultradźwiękowego są:

• czas zgrzewania
• ciśnienie zgrzewania
• amplituda drgań na powierzchni narzędzia

Dodatkowym parametrem ułatwiającym zgrzewanie może być czas wytrzymania, czyli pozostawienie zgrzanych detali pod dociskiem (już bez ekspozycji ultradźwięków) w celu przestygnięcia uplastycznionego materiału, co wzmacnia spoinę i zapobiega deformacji detali.

Pozostałe parametry procesu, które można nastawiać w zgrzewarkach jak:

• prędkość narastania nacisku na zgrzewane elementy
• energia zgrzewania
• moc zgrzewania
• głębokość zgrzewania
• czas minimalny zgrzewania,
• czas maksymalny zgrzewania
• itd.

są parametrami pomocniczymi lub wtórnymi wynikającymi z fizyki procesu zgrzewania i możliwości nastawczych urządzenia.

Moc zgrzewarki jest jej istotnym parametrem. Natomiast zapotrzebowanie na moc przez układ zgrzewany zależy od ciśnienia, czasu i amplitudy zgrzewania.

Dobór parametrów zgrzewania

Istnieją ogólne przesłanki doboru parametrów zgrzewania, jednakże zawsze musi nastąpić ich praktyczna weryfikacja. Parametry zgrzewania wynikają z własności zgrzewanych materiałów, konstrukcji powierzchni zgrzewanych, wielkości powierzchni zgrzewanych. Trudność w precyzyjnym wstępnym określeniu parametrów zgrzewania wynika także z faktu, że wpływają one wzajemnie na siebie np.: duża amplituda i wysokie ciśnienie skracają czas zgrzewania. Duże ciśnienie (docisk elementów) może jednak deformować zgrzewane elementy. Duże ciśnienie i duża amplituda powodują także duże zapotrzebowanie na moc, czasami przewyższającą moc urządzenia. Duże ciśnienie, szybkie jego narastanie i duża amplituda mogą uniemożliwić wprowadzenie układu drgającego w wibracje, co jest niebezpieczne dla przetwornika.

Amplituda

Amplituda drgań (wysokość / skok wibracji) powinna być odpowiednia dla materiału zgrzewanych detali i zgrzewanych kształtów. W tabeli podano wartości amplitudy dla bardziej popularnych tworzyw i wykonywanych operacji.

Istotne różnice w wielkości amplitudy występują w przypadku materiałów amorficznych i semi-krystalicznych (półkrystalicznych). Amplituda jest zależna także od uformowania powierzchni zgrzewanych i wielkości detali. Wartości z tabeli należy traktować jako dane wyjściowe, które trzeba zweryfikować doświadczalnie w trakcie prób.

Na ogół wielkości amplitudy powinna być zwiększona, gdy:

• trudne jest wydzielanie energii na styku zgrzewanych detali i proces przebiega wolno lub jego efekty nie są zadawalające
• zgrzewanie wymaga za wysokiego ciśnienia (docisku)
• gdy ujawnia się efekt perforacji przepony - występują powierzchnie okrągłe, dość cienkie i wypalane są w nich otwory
• podczas nitowania, gdy materiał kształtowanego kołeczka za wolno się rozgrzewa przy narzędziu, a upłynnia się u podstawy
• gdy czas zgrzewania nadmiernie wydłuża się

Wielkość amplitudy powinna być zmniejszana, gdy:

• występują objawy za małej mocy generatora (przełącza się on w tryb awaryjny)
• pod wpływem docisku zostają zahamowane drgania
• powierzchnia robocza narzędzia (sonotrody) nie jest gładka, a kształtowa
• narzędzie nadmiernie rozgrzewa się w czasie pracy

Zgrubnej regulacji wartości amplitudy dokonuje się przy projektowaniu procesu zgrzewania, przez dobór falowodu (boostera) o odpowiednim przełożeniu. Dokładnej regulacji amplitudy dokonuje się w trakcie prób zgrzewania, zmieniając jej wartość za pomocą odpowiednich nastaw parametrów pracy generatora.

Zalecane wartości amplitudy dla różnych materiałów i różnych operacji ultradźwiękowych podano w tabeli.

Materiał	Częstotliwość zgrzewania	Rodzaj operacji ultradźwiękowej
		Zgrzewanie	Nitowanie	Osadzanie
Polistyren PS	20	15-30	40-60	20-30
	36	15-20	20-30	12-15
Polistyren antyudarowy	20	25-40	60-80	25-35
	36	15-25	30-40	12-18
ABS SAN	20	20-35	45-70	20-30
	36	15-25	30-40	12-18
Polimetyl PMMA	20	20-35	45-70	20-30
	36	15-25	30-40	12-18
PPO	20	25-40	60-80	25-35
	36	15-25	30-40	12-20
Policarbonat PC	20	25-40	60-80	25-35
	36	15-30	30-45	15-25
Poliacetal POM	20	45-60	90-120	25-35
	36	25-35	45-60	15-20
Poliamid PA	20	45-60	90-120	25-35
	36	25-35	45-60	15-20
PET	20	45-60	90-120	25-35
	36	30-35	50-60	15-30
Polibutylen PBT	20	45-60	90-120	25-35
	36	25-35	45-60	15-20
Pochodne celulozy	20	25-35	60-70	25-35
	36	15-30	30-45	15-25
Twarde PVC	20	25-40	60-80	25-35
	36	15-30	30-45	15-25
Miękkie PVC	20	30-45	70-100	25-35
	36	20-35	40-60	15-20
Polietylen PE	20	25-60	90-120	30-40
	36	25-35	45-60	20-25
Polipropylen PP	20	30-60	90-120	35-40
	36	25-35	45-70	20-30

Ciśnienie zgrzewania

Wartość ciśnienia zgrzewania zależy od rodzaju zgrzewanych materiałów, ukształtowania zgrzewanych powierzchni i parametrów urządzenia. Dokładną wartość ciśnienia ustala się doświadczalnie obserwując uzyskiwane efekty zgrzewania. Optymalną wartością do rozpoczęcia prób jest ciśnienie 3 bar, przy najczęściej stosowanych siłownikach pneumatycznych. Istnieją przesłanki ułatwiające poszukiwanie optymalnego ciśnienia:

• materiały lepiej przewodzące ciepło można zgrzewać przy niższych ciśnieniach,
• materiały o wyższym współczynniku tłumienia (lepiej rozgrzewające się od drgań ultradźwiękowych) przy niższych ciśnieniach.
• detale, w których może występować zjawisko perforacji membrany należy zgrzewać przy wyższych ciśnieniach.

Generalnie zwiększenie ciśnienia, skraca czas zgrzewania, ale zwiększa pobór mocy i silniej hamuje drgania układu ultradźwiękowego. W skrajnym przypadku może dojść do zatrzymania wibracji. Wtedy wyjściem z sytuacji może być zmniejszenie wielkości amplitudy.

Materiały wymagające wyższych amplitud zgrzewania, łączy się z mniejszym dociskiem (ciśnieniem) i odwrotnie, wyższe ciśnienia pracy stosuje się do materiałów spajanych przy niższych amplitudach.

Ze względu na trwałość maszyny, mniejsze prawdopodobieństwo uszkodzenia przetwornika, narzędzia (sonotrody) czy generatora lepiej jest stosować możliwie najniższe ciśnienia robocze z wartości gwarantujących dobre połączenie detali.

Przekazywanie ultradźwięków do detali

Moment przekazania ultradźwięków do zgrzewanych detali, można zrealizować na trzy sposoby:

• narzędzie (sonotroda) zaczyna drgać na chwilę przed dociśnięciem do zgrzewanych detali,
• drgania narzędzia rozpoczynają się po dotknięciu do zgrzewanych detali i w czasie narastania ich docisku,
• narzędzie dotyka do detali, następuje docisk (czasami można nastawić wstępny docisk inny niż docisk zgrzewania) i dopiero wtedy zostają włączone drgania.

Wybór momentu włączenia ultradźwięków zależy od rodzaju wykonywanej pracy. W przypadku dobrze zgrzewalnych materiałów stosuje się włączenie ultradźwięków po wywarciu docisku. Do tej sytuacji należy także dążyć, gdy powierzchnia detalu kontaktującego się z narzędziem musi być wysokiej jakości (nie powinny występować ślady po zgrzewaniu). Wstępny docisk należy wywrzeć przy obróbce materiałów "gąbczastych" (ściśliwych, tkanin, waty syntetycznej), ponieważ dopiero po ściśnięciu tych materiałów następuje efektywne odbieranie drgań przez obrabiany materia.

Przy trudno zgrzewalnych materiałach, gdy operacja przebiega przy wyższych ciśnieniach, dobrze jest włączyć drgania w momencie dotknięcia narzędzia do detalu i w trakcie narastania ciśnienia. Tak samo należy postępować przy operacjach nitowania. W operacjach osadzania na ogół załącza się drgania przed kontaktem narzędzia z detalem osadzanym.

Prędkość docisku narzędzia

Prędkość narastania docisku w trakcie zgrzewania, należy dobrać doświadczalnie. Tutaj jedynie zwracamy uwagę, że ta wartość też może mieć wpływ na jakość spajania detali. Na ogół stosuje się prędkości z przedziału 0.5 mm/sec do 50 mm/sec. Generalnie zgrzewanie powinno rozpoczynać się w sposób łagodny, co wydłuża żywotność i bezawaryjną pracę urządzenia.

Czas zgrzewania

Czas zgrzewania zależy od:

• typu materiału,
• rozmiaru zgrzewanej powierzchni,
• głębokości zgrzewania,
• amplitudy drgań,
• ciśnienia zgrzewania,
• mocy generatora,

Wszystkie powyższe parametry są ściśle powiązane i w rezultacie końcowym optymalny czas zgrzewania można dobrać tylko doświadczalnie. Poniżej podajemy kilka sugestii ułatwiające rozpoczęcie prób:

• w przypadku możliwości uszkodzenia powierzchni detalu mającego styk z narzędziem zaleca się stosowanie czasów możliwie krótkich,
• dla tworzyw o niskiej temperaturze mięknięcia czasy zgrzewania są krótsze,
• przy mniejszych powierzchniach zgrzewanych czasy skracają się,
• zwiększając amplitudę drgań skraca się czas drgań,
• zwiększając ciśnienie zgrzewania możemy skrócić czas zgrzewania,
• tworzywa z dodatkami ułatwiającymi odprowadzenie ciepła (np. włókno szklane) wymagają wydłużenia czasu zgrzewania,

Większość nowoczesnych generatorów ultradźwiękowych ma możliwość pracy w tzw. trybie energii. Jeżeli jesteśmy w stanie określić zapotrzebowanie układu zgrzewanego na energię niezbędną do uzyskania dobrego połączenia i zaprogramujemy ten typ pracy, to generator automatycznie dobierze czas zgrzewania. Oczywiście i w tym przypadku będzie on zależny od ciśnienia, amplitudy, zgrzewanej powierzchni oraz rodzaju tworzywa. Przy zgrzewaniu danych detali w trybie energii, poszczególne czasy ich zgrzewania mogą być nieco różne w wyniku wykonania zgrzewanych detali w jakimś polu tolerancji.

Czas chłodzenia (wytrzymania)

Jest to czas, w jakim pozostawiamy zgrzane detale pod dociskiem już bez działania ultradźwięków. Chodzi o to, by wytworzona spoina mogła wstępnie ostygnąć. Czas ten wydłuża nieco cykl zgrzewania, ale pozwala zapewnić zgrzeinie odpowiednią wytrzymałość, a łączonym detalom powtarzalną wysokość.

Podstawowe zasady eksploatacji i konserwacji urządzeń

Zgrzewarki nie wymagają specjalnych zabiegów konserwacyjnych. Powinny stać w pomieszczeniach niezapylonych, o wilgotności i temperaturze odpowiedniej dla człowieka. W takim przypadku wystarczy okresowo przesmarować prowadnice, po których porusza się głowica drgająca. Należy zadbać, aby otwory wentylacyjne generatora nie były przesłonięte lub zanieczyszczone.

Kategorycznie należy przestrzegać zasady, że drgające (pracujące) narzędzie nie może dotknąć części metalowych (np. kowadła bez włożonych detali do zgrzewania). Przy stosowaniu niskich ciśnień, czasów i amplitud skutki takiego zajścia mogą być umiarkowane, ale przy wyższych wartościach tych parametrów psuje się (pęka) narzędzie i bardzo często przetwornik, a w skrajnym przypadku także generator.

Jeżeli przy pierwotnym poprawnie ustawionym procesie zgrzewania wzrasta hałas i zapotrzebowanie na energię, to należy sprawdzić czy elementy drgające (przetwornik, falowód, narzędzie) nie poluzowały się (są dobrze skręcone). Objawem poluźnienia połączeń jest także nagrzewanie się tych części. Powierzchnie styku skręcanych części powinny być czyste i bez widocznych wad (większe rysy, wżery). Uszkodzone powierzchnie można minimalnie przeszlifować zachowując płasko-równoległośc. Należy unikać większych zmian geometrycznych detali, gdyż można odstroić układ od częstotliwości roboczej. Po wielu regeneracjach może nastąpić odstrojenie układu drgającego, którego się już nie da skompensować regulacją generatora.

Pogorszenie się jakości zgrzewów, wzrost zapotrzebowania na moc i nagrzewanie się narzędzia mogą być spowodowane jego pęknięciem. Nie należy pracować z uszkodzonym narzędziem, a jego regeneracja nie jest możliwa.
W przypadku kłopotów z Państwa układem drgającym SonicArts może być pomocny w jego zdiagnozowaniu.

W razie dodatkowych pytań zapraszamy na konsultacje.