Zgrzewanie wibracyjne tworzyw termoplastycznych
Zgrzewanie wibracyjne (znane również jako zgrzewanie liniowe lub tarciowe) odnosi się do procesu, w którym dwa elementy obrabiane stykają się pod ciśnieniem, a wzdłuż wspólnego interfejsu stosowany jest ruch posuwisto-zwrotny (wibracje) w celu wytworzenia ciepła. Powstałe ciepło topi obrabiane przedmioty i stają się one zespawane , gdy wibracje ustaną, a interfejs ostygnie. Większość maszyn działa z częstotliwością 120 Hz, chociaż dostępny jest sprzęt pracujący w zakresie 100–240 Hz. Wibracja można osiągnąć albo przez liniowe spawanie wibracyjne, które wykorzystuje jednowymiarowy ruch w przód iw tył, albo orbitalne spawanie wibracyjne, które przesuwa elementy po małych orbitach względem siebie. Liniowe spawanie wibracyjne jest bardziej powszechne ze względu na wymagane prostsze i stosunkowo tańsze maszyny.
Zgrzewanie wibracyjne jest często stosowane w przypadku większych zastosowań, w których łączone części mają stosunkowo płaskie szwy, chociaż proces ten może uwzględniać pewne krzywizny poza płaszczyzną . Ostatnio przemysł motoryzacyjny szeroko wykorzystywał ten proces do produkcji części, takich jak kolektory i zespoły oświetleniowe, których złożona geometria uniemożliwia procesy formowania pojedynczych elementów.
Zalety i wady
Zgrzewanie wibracyjne ma wiele zalet w porównaniu z innymi konwencjonalnymi procesami spawania tworzyw sztucznych. Ponieważ ciepło jest wytwarzane na granicy faz, stopione polimery nie są wystawione na działanie powietrza, co zapobiega utlenianiu i zanieczyszczeniu spawu podczas procesu. Nie jest wymagany żaden materiał wypełniający, a podczas spawania elementów z tego samego materiału można oczekiwać, że połączenie będzie tak samo mocne jak materiał sypki. Ogrzewanie jest zlokalizowane na granicy faz, co zmniejsza ryzyko degradacji materiału obserwowane w przypadku innych procesów, które wymagają źródła ciepła znacznie powyżej temperatury topnienia materiału. Sam proces jest ekonomiczny, nie wymaga materiałów eksploatacyjnych i ma krótkie czasy cyklu. Spawanie wibracyjne praktycznie nie wytwarza dymu ani oparów, wymaga niewielkiego przygotowania powierzchni i dobrze sprawdza się w wielu zastosowaniach, dzięki czemu doskonale nadaje się do produkcji masowej środowiska.
Zgrzewanie wibracyjne ma jednak swoje wady. Proces ten nie nadaje się dobrze do termoplastów o niskim module sprężystości ani do połączeń między tworzywami sztucznymi o stosunkowo dużych różnicach temperatur topnienia. Spawanie wibracyjne wymaga specyficznych dla części mocowań i konstrukcji połączeń, a część będzie narażona na silne wibracje podczas cyklu spawania, które mogą uszkodzić delikatne lub miniaturowe elementy. Gotowa spoina będzie otoczona znaczną ilością wypływki, którą należy usunąć, jeśli wygląd jest problemem. Alternatywnie można zastosować geometrie połączeń, które ukrywają nadmiar wypływki. Wreszcie, proces ten nie nadaje się dobrze do spawania czegokolwiek poza stosunkowo płaskimi złączami.
Proces spawania wibracyjnego
Proces zgrzewania wibracyjnego składa się z czterech etapów: tarcia ciała stałego, przepływu przejściowego, przepływu w stanie ustalonym i krzepnięcia. [ potrzebne źródło ]
Stałe tarcie
W tym pierwszym etapie rozpoczyna się wibracja między dwiema zimnymi częściami dociskanymi do siebie pod stałym ciśnieniem . Energia tarcia powoduje nagrzewanie się polimerów. Na tym etapie nie ma penetracji spoiny, ponieważ stopienie jeszcze nie nastąpiło.
Przejściowy przepływ
W etapie przepływu przejściowego powierzchnia polimeru zaczyna się topić. Grubość warstwy stopu szybko rośnie, powodując zmniejszenie sił tarcia. Ten spadek tarcia zmniejsza dopływ ciepła do układu i zaczyna występować boczny przepływ stopionego materiału.
Przepływ w stanie ustalonym
W tej fazie szybkość topnienia materiału odpowiada przepływowi materiału wytłaczanego na powierzchniach bocznych. Płynność materiału i grubość warstwy stopu stają się stałe. Jest to krok, który decyduje o jakości spoiny. Ten krok jest utrzymywany aż do osiągnięcia pożądanej grubości „stopu” (grubości stopionego materiału). W tym czasie wibracje są zatrzymywane, a spoina pozostawiana do ostygnięcia.
Zestalenie
Podczas krzepnięcia wibracje są zatrzymywane, podczas gdy nacisk na obrabiane przedmioty jest utrzymywany, aż nie pozostanie już stopiony materiał. Po schłodzeniu do temperatury pokojowej spoina powinna mieć wytrzymałość zbliżoną do wytrzymałości materiału sypkiego. Ucisk zostaje odciążony dopiero wtedy, gdy złącze osiągnie akceptowalną wytrzymałość.
Sprzęt
Zgrzewarka wibracyjna to zasadniczo pionowa prasa maszynowa , w której jedna strona została zmodyfikowana tak, aby wibrowała. Głównymi elementami są zespół wibracyjny, stół podnośny i uchwyt narzędziowy.
Zespół wibracyjny
Zespół wibracyjny jest ruchomym elementem napędzanym hydrauliką lub częściej elektromagnesami . W wersji elektromagnetycznej sercem tego zespołu jest dostrojony układ sprężyna-masa zasilany cewkami elektrycznymi działającymi na przeciwnie naładowane stosy laminatów. Częstotliwość dopasowana do częstotliwości mechanicznej układu. Chociaż amplitudę można regulować na maszynie, częstotliwość można zmienić tylko poprzez zmianę masy zespołu wibracyjnego. Ruchoma część oprzyrządowania jest przymocowana do zespołu wibracyjnego.
Stół podnoszony
Stół podnośny jest zespołem hydraulicznym przymocowanym do stałej części oprzyrządowania. Stół podnośny łączy elementy obrabiane i wywiera nacisk między ruchomymi i nieruchomymi częściami oprzyrządowania.
Obróbka
Oprzyrządowanie odnosi się do uchwytów, które są przymocowane do zespołu wibracyjnego i stołu podnośnego, które utrzymują elementy obrabiane na miejscu. Oprzyrządowanie jest specyficzne dla danego zastosowania i musi umożliwiać szybką wymianę obrabianych przedmiotów po każdym cyklu spawania. Konieczne jest, aby oprzyrządowanie pasowało do przedmiotów obrabianych wystarczająco blisko, aby zapobiec wszelkim względnym ruchom między oprzyrządowaniem a przedmiotami obrabianymi, ponieważ zmniejszyłoby to amplitudę spoiny i mniejsze wprowadzanie ciepła, a także tolerancje wymiarowe.
Zmienne procesowe
Proces spawania wibracyjnego ma pięć głównych zmiennych: częstotliwość, amplitudę, ciśnienie, czas i głębokość.
Częstotliwość
Częstotliwość odnosi się do tego, ile razy na sekundę kończy się cykl wibracji. Większość maszyn działa z częstotliwością 120 Hz, chociaż dostępne są maszyny pracujące z częstotliwością 100–240 Hz. Częstotliwość zależy od masy wibrującego zespołu i jako taka może być zmieniona jedynie poprzez wyłączenie elementów zespołu.
Amplituda
Amplituda odnosi się do odległości przebytej podczas każdego cyklu wibracyjnego. Wyższe amplitudy są zwykle używane z niższymi częstotliwościami i odwrotnie. Wyższe amplitudy zwiększają dopływ ciepła kosztem czystości i tolerancji wymiarowych, co czyni je bardziej przydatnymi w przypadku większych części. Niższe amplitudy mieszczą się w zakresie 0,7-1,8 mm, podczas gdy wyższe amplitudy opisują cykle obejmujące 2-4 mm.
Ciśnienie
Ciśnienie jest głównym regulatorem grubości warstwy stopu i musi być utrzymywane w optymalnym zakresie, aby uzyskać wysokiej jakości spoiny. Chociaż ciśnienie może wahać się od 0,5 do 20 MPa w przypadku różnych materiałów i geometrii, tolerancje dla danego zastosowania są dość wąskie. Zbyt mały nacisk uniemożliwi wystarczające wytwarzanie ciepła, podczas gdy zbyt duży nacisk może spowodować wyciskanie całego stopionego materiału ze złącza. Oba scenariusze spowodują słabą spoinę. Ciśnienie jest kontrolowane przez stół podnoszący.
Czas
Kolejnym kluczowym czynnikiem jest czas, w którym wibracje są przykładane do przedmiotu obrabianego. Czas jest wprost proporcjonalny do wydzielania ciepła i utraty materiału w wyniku wypływki. Procesy mogą być kontrolowane w czasie lub w głąb, przy czym większość nowoczesnych procesów jest kontrolowana w głąb. Proces kontrolowany w głąb będzie miał zmienny czas i odwrotnie.
Głębokość
Głębokość odnosi się do odległości przebytej przez obrabiane przedmioty po rozpoczęciu wibracji. Czasami określane jako przemieszczenie, jest bezpośrednio związane z wielkością utraty materiału w wyniku wypływki. Na ogół głębokość powinna być bliska lub większa od grubości warstwy wytopu na początku etapu stanu ustalonego. Po tej wartości większa głębokość powoduje jedynie utratę materiału bez towarzyszącego temu wzrostu wytrzymałości złącza.
Projekt spoiny
Projekt spoiny do spawania wibracyjnego musi obejmować stosunkowo dużą płaską powierzchnię, chociaż można uwzględnić pewne krzywizny poza płaszczyzną. Najpopularniejszym typem połączenia jest połączenie doczołowe, w którym dwa płaskie elementy o takim samym przekroju są ze sobą spawane. Odmiany tego połączenia mogą obejmować kołnierze w kształcie litery U, połączenia na pióro i wpust , a nawet podwójne połączenia na pióro i wpust. Gdy wygląd jest ważny, można zastosować pułapki błyskowe. Pułapki płomienia odnoszą się do pustych obszarów w przekroju poprzecznym obok obszaru spawania, które zbierają wypływkę i ukrywają ją przed wzrokiem.