Hvordan Ultrasonic Welding Works

{h1}

Ultralydssvejsning bruger højlydede lyde til at binde materialer sammen. Lær hvordan ultralydsvejsning virker.

I 1982 musikalske komedie "Victor Victoria" synger Julie Andrews en høj tone i slutningen af ​​hendes karakters parisiske cabaret act. Hun opretholder noten og champagnebrillerne rundt om i rummet. Dette demonstrerede glimrende, hvordan højhøjde eller højfrekvente lyde kan ødelægge materialer fra hinanden. Men vidste du, at højfrekvente lyde kan bruges til at binde materialer sammen? En teknologi kaldet ultralydssvejsning bruges til at samle produkter fra mange brancher - lige fra medicinsk udstyr til sportssko til biler.

Typisk kan du binde materialer ved hjælp af skruer som negle, skruer eller tråd. Dette er egnet til metaller, træ, stoffer og plast. For mange plastik anvendes lim; lim danner kemiske bindinger mellem selve limen og overfladerne af de bundet plastmaterialer. Metaller kan holdes sammen ved opvarmning af andre metaller som bindemiddel, såsom bly loddemetal i elektriske forbindelser. Alternativt kan metallerne smeltes direkte sammen (svejsning); Når de smeltede metaloverflader er afkølet, binder metallerne sammen. Svejsning kræver normalt en åben flamme eller fakkel for at opnå de høje temperaturer, der er nødvendige for at smelte metaloverfladerne sammen. Så det kan være en dyr proces for nogle fremstillingsjob.

En ny mere omkostningseffektiv svejsemetode blev introduceret i 1940'erne. Teknikken, ultralydssvejsning, brugte højfrekvente lydbølger og tryk til at binde metaller sammen og krævede mindre energi end konventionel svejsning. Ultralydmetalsvejsning udviklet i 1950'erne gennem 1990'erne, da elektronikken i udstyret blev mere sofistikeret, og computere kunne styre processen. Siden denne gang er teknikken blevet anvendt til plastik, hvor den virkelig er blevet populær.

I denne artikel vil vi se på udstyr og fysiske processer ved ultralydssvejsning, hvordan New Balance har brugt det til at lave sportssko og fordele og ulemper ved denne teknik. Lad os først se nærmere på, hvordan lydbølger binder materialer, både metal og plast.

Specielt tak

Vi vil gerne takke Kenneth Straka, Senior Product Developer for New Balance, for hans hjælp med denne artikel.

Ultralydssvejsning og friktion

Diagram af ultrasonisk svejsemekanisme

Diagram af ultrasonisk svejsemekanisme

Gnid dine hænder sammen hurtigt. Bemærk noget? De varede op, ikke? Hvis du tager en hammer og pund en metaloverflade hurtigt og gentagne gange, vil du opdage, at stedet hvor hammeren slår metalmet opvarmes også. I begge disse eksempler skyldes varmen friktion. Forestil dig nu at gnide dine hænder eller pounding, at hammer tusindvis af gange i sekundet. Den genererede friktionsvarme kan øge temperaturen betydeligt på meget kort tid. I grunden forårsager højfrekvent lyd (ultralyd) hurtige vibrationer inden for de materialer, der skal svejses. Vibrationerne får materialerne til at gnide imod hinanden, og friktionen hæver temperaturen på overfladerne i kontakt. Denne hurtige friktionsvarme er, hvad der stiller betingelserne for, at materialerne skal binde sammen.

Ultrasoniske svejsemaskiner har fire hoveddele. En strømforsyning konverterer lavfrekvent elektricitet (50-60 Hz) til højfrekvent elektricitet (20 - 40 kHz, 1 kHz = 1000 Hz). Derefter ændrer en transducer eller konverter højfrekvent elektricitet til højfrekvent lyd (ultralyd). En booster gør ultralydsvibrationerne større. Endelig et horn eller en sonotrode fokuserer ultralydsvibrationerne og leverer dem til de materialer, der skal svejses. Udover disse stykker er der en ambolt, hvorpå de svejsede materialer stables og holdes. Der er også en metode til at påføre kraft (normalt lufttryk leveret af et pneumatisk stempel) for at holde materialerne sammen under svejsningen.

Så hvilke materialer og brancher udnytter denne kloge proces? Ultralydsvejsning af plast anvendes i vid udstrækning til fremstilling af elektronik, medicinsk udstyr og bildele. Ultralydsvejsning bruges til at lave elektriske forbindelser på computerens printkort og samle elektroniske komponenter som transformatorer, elmotorer og kondensatorer. Medicinske anordninger, såsom katetre, ventiler, filtre og ansigtsmasker, samles også ved hjælp af ultralydssvejsning. Emballeringsindustrien bruger denne teknik til at lave film, samle rør og blisterpakker. Selv Ford Motor Company har udforsket brug af ultralydssvejsning for at gøre aluminium chassis i biler.

Nu da du kender det grundlæggende bag ultralydssvejsning, lad os se på selve svejseprocessen.

Ultralydssvejsning trin for trin

Diagram af ultralydsvejsproces

Diagram af ultralydsvejsproces

Den grundlæggende proces ved ultralydssvejsning kan beskrives ved hjælp af følgende trin:

  1. De dele, der skal svejses, placeres i ambolten eller armaturet.
  2. Hornet kontakter de dele, der skal svejses.
  3. Tryk påføres for at holde hornet i kontakt med de svejsede materialer og holde dem sammen.
  4. Hornet leverer ultralydsvibrationer til opvarmning af materialerne. Vibrationerne bevæger sig mindre end en millimeter enten op og ned eller fra side til side.
  5. Materialerne svejses sammen.
  6. Hornet trækkes ind, og de svejsede materialer kan fjernes fra ambolten.

Svejsetiderne, påtrykte tryk og temperaturer styres af en computer eller mikroprocessor inden for svejsningsapparatet. Og hvad der faktisk sker under svejseprocessen afhænger af materialernes natur. I metaller leveres ultralydsvibrationerne parallelt med materialernes plan. Friktionsvarmen øger metaloverfladens temperatur til ca. en tredjedel af smeltetemperaturen, men smelter ikke metallerne.I stedet fjerner varmen metaloxider og film fra overfladerne. Dette gør det muligt for metalatomer at bevæge sig mellem de to overflader og danne bindinger, der holder metallerne sammen.

I tilfælde af plast er vibrationerne vinkelret på materialernes plan, og friktionsvarmen øger temperaturen nok til at smelte plasten. Plastmolekylerne blandes sammen og danner bindinger. Ved afkøling svejses plastoverfladerne sammen. Svejsetiderne kan variere, men svejsningerne kan danne sig i så lidt som 0,25 sekunder.

De faktorer, der varierer ved ultralydsvejsning, er frekvensen af ​​lydbølgerne (normalt 20, 30 eller 40 kHz), trykket påtrykt for at holde materialerne sammen, og den tid over hvilken ultralydet påføres (fraktioner fra et sekund til mere end et sekund).

De ultralydssvejsningsteknikker, der er beskrevet hidtil, er gode for materialer (metaller, plast), der ligner hinanden. Men hvad med materialer, der ikke er ens. Lad os løse dette spørgsmål ved at se på, hvordan New Balance har brugt ultralydssvejsning til at samle sportssko.

Ultralydssvejsning i aktion

Atletisk skoanordning: Efter smeltefilm er blevet påført på syntetisk ruskind, presses filmen.

Atletisk skoanordning: Efter smeltefilm er blevet påført på syntetisk ruskind, presses filmen.

Se på et par sportssko. Mens traditionelle sko kan være lavet af et enkelt materiale som lærred eller suede læder, har mange atletiske sko flere materialer såsom lette plastpolymerer, ruskind eller syntetisk ruskind og mesh kombineret. Disse kompositmaterialer gør skoene lette, fleksible, holdbare og åndbare. For eksempel har en stil af New Balance atletisk sko en øvre del, der består af tre dele.

  • Et mønster af syntetisk ruskind kaldte en vamp - Vampen udgør størstedelen af ​​den øvre sko, herunder spidsen, tunge- og øjenrørene til snørebånd.
  • Et mønster af syntetisk ruskind kaldte en sadel øjenrække - Sadeløjen rækken indeholder de øverste to øjenlåg for at styrke snoet og reducere slitage.
  • Et lag af mesh - Garnet omgiver hældelen af ​​vampen og den øvre del af åbningen omkring ankelen.

Men hvordan sætter du disse materialer sammen? Sædvanligvis støder skovirksomhederne sammen. Omkring to til tre år siden satte New Balance sig ud for at lave den øverste del af en sko uden at sy. Efter at have eksperimenteret med polymerklæbende film og jern, kom de op på en måde at gøre denne del af skoen ved hjælp af ultralydssvejsning.

For at samle den øverste del af skoen begynder arbejderne med et stykke syntetisk ruskindsmateriale. De bruger en jernpress til at binde et tyndt lag smeltefilm til bagsiden af ​​materialet. Dernæst trykker en ultrasonisk svejsesamling et mønster vamp i et ruskindsmateriale. Ligeledes trykker en lignende ultralydssvejsemaskine sadeløjlen fra et andet stykke syntetisk ruskind. Vampformen bliver skåret ud af ruskindet. Sadeløjlen og meshmaterialet svejses ultralyd til vampen. I processerne smelter friktionsvarmen fra ultralydsvejseren smeltefilmen, som binder sadeløjen og maskeringsmaterialet til vampen. Den færdige vamp bliver så formet og bundet til sål- og hælstykker med vandbaserede opløsningsmidler.

Ifølge Kenneth Straka, Senior Product Developer for New Balance, har ultralydssvejsemetoderne øget produktiviteten ved at spare tid. Ikke alene udbreder ultralydssvejserne mere jævnt end jernpresser, de opvarmer også og afkøles hurtigere. Så kræver montageprocessen færre trin og er hurtigere end traditionelle symetoder.

Nu hvor vi har set, hvordan ultralydsvejsning bruges til at binde forskellige materialer, lad os se på fordele og ulemper ved denne teknik.

Hvorfor bruge ultrasoniske svejsemetoder?

Atletisk sko samling: binde syntetisk ruskind

Atletisk sko samling: binde syntetisk ruskind

Ultralydsvejsning har mange fordele i forhold til traditionelle metoder. For det første sker svejsning ved lave temperaturer i forhold til andre metoder. Derfor behøver producenten ikke bruge store mængder brændstof eller anden energi til at nå høje temperaturer. Dette gør processen billigere. Det er også hurtigere og sikrere.

Processen sker i fraktioner af et sekund til sekunder. Så det kan gøres hurtigere end andre metoder. Faktisk kan det binde plastik bedre og hurtigere end lim. For eksempel har de nye smarte nøgler i biler en transponderchip i dem. Bilen kan kun starte, når den registrerer chippen. For at lave nøglen bliver den ene ende af metalnøglen og chipet placeret i den ene halvdel af plastikpladen. Den anden halvdel bliver placeret over dem og bundet til bunden halvdelen. Denne binding vil normalt være lavet med lim, hvilket tager tid at helbrede. Den samme opgave kan udføres med ultralydssvejsning på mindre end et sekund.

Ultralydssvejsning kræver ikke brændbare brændstoffer og åben ild, så i forhold til andre svejsemetoder er det en sikrere proces. Arbejdstagere udsættes ikke for brændbare gasser eller skadelige opløsningsmidler. I elektronik er kobberledninger normalt bundet til elektriske kontakter på kredsløb med loddemetal. Den samme opgave kan udføres ved hjælp af ultralydsvejsning i en brøkdel af tiden, og uden at udsætte arbejdere for dampe fra slibende blylodder. Selv om arbejdstagernes hørelse kan blive beskadiget ved udsættelse for højfrekvent lyd, reduceres denne potentielle fare ved at lukke ultralydssvejsemaskinen i en sikkerhedsboks eller i et bur og / eller ved hjælp af ørebeskyttelse.

Endelig er ultralydssvejsninger lige så stærke og holdbare som konventionelle svejsninger af samme materiale - hvilket er en af ​​grundene til, at metoden bruges til bilproduktion. For at gøre biler lettere og mere brændstofeffektive, drejer bilproducenterne sig om aluminium som hovedmetal i billegemer. Ultralydssvejsning kan bruges til at binde metalet på mindre tid og ved lavere temperaturer end traditionel svejsning.

Ultralydssvejsning har dog sine begrænsninger. For det første er svejsningernes dybder mindre end en millimeter, så processen fungerer bedst på tynde materialer som plast, ledninger eller tynde metalplader. Ultralydssvejsning af en stålbjælke til en bygning ville ikke være praktisk. For det andet fungerer det bedst, når der svejses lignende materialer som lignende plast eller lignende metaller. Som du så med New Balance-sko, kræver ultralydssvejsning af forskellige materialer et ekstra materiale - i tilfælde af New Balance-skoene er det en film, som kan bindes mellem den syntetiske ruskind og masken.

På trods af disse begrænsninger fortsætter ultralydssvejsningens popularitet og potentiale med at vokse.


Video Supplement: How to Measure Steel Thickness using an Elcometer 204 Ultrasonic Thickness Gauge.




DA.WordsSideKick.com
All Rights Reserved!
Reproduktion Af Materialer Tilladt Kun Prostanovkoy Aktivt Link Til Webstedet DA.WordsSideKick.com

© 2005–2019 DA.WordsSideKick.com