Zgrzewanie ultradźwiękowe inaczej zgrzewanie ultrasoniczne, to proces specjalny, w którym za pomocą wysokoczęstotliwościowych wibracji zespolone zostają dwa termoplastyczne elementy w okienku czasowym wynoszącym ułamek sekundy. Zgrzewanie to jest technologią mało popularną ze względu na fakt, że produkt finalny zazwyczaj jest z tworzywa sztucznego, z tego powodu w produkcji o wiele częściej spotykamy skręcanie lub zgrzewanie oporowe. Ze względu na swoją „niszowość” zgrzewanie ultradźwiękami jest mało rozreklamowane, rzadko spotykane, a wiedza na temat tej technologii jest najzwyczajniej w świecie mało popularna. Sam proces jest jednak niesamowicie ciekawy, efektywny, efektowny, a przede wszystkim niebezpieczny!

Źródło obrazka: sonics.com

Będzie łatwo i przyjemnie, a przynajmniej postaram się, aby tak było:

Fale dźwiękowe wzbudzone w zgrzewarce wibrują dziesiątki tysięcy razy na sekundę. Drgania te przekazywane są przez układ zgrzewarki (opiszę ten układ w dalszej części artykułu) na powierzchnię styku elementów zgrzewanych, zazwyczaj wykonanych z tworzywa sztucznego. Mówimy wtedy że jest to zgrzewanie ultradźwiękowe  tworzyw sztucznych.

Impedancja akustyczna, czyli odbicie fali dźwiękowej określa stopień oporu, jaki stawia ośrodek, w którym rozprzestrzenia się fala dźwiękowa. Jest zależny od prędkości propagacji dźwięku oraz gęstości ośrodka.

Ze względu na fakt, że materiały zgrzewane posiadają bardzo wysoką impedancję akustyczną, wprawione w ruch zaczynają nawzajem się od siebie odbijać.

ULTRASONIC WELDING | How Ultrasonic Welding process works – YouTube

W ten sposób wytwarzana jest niesamowicie wysoka temperatura, no bo spróbujcie zacząć bić brawo, zobaczycie, jak szybko zacznie wam być ciepło w dłonie 😊. Ze względu na to, że tworzywa są słabymi przewodnikami ciepła i nie są w stanie go rozproszyć, na powierzchni styku stan skupienia zmienia się ze stałego w ciekły. Zgrzewarka w odpowiednio zadanym czasie (po upłynnieniu się materiału), zaczyna wywierać nacisk na elementy zgrzewane, przez co następuje ich połączenia. Po dociśnięciu zgrzewarka przestaje „wibrować”, a materiały zmieniają się z powrotem w ciało stałe. Magia, która się pojawia podczas tego procesu, sprawia, że połączenie jest niesamowicie czyste i szczelne, spoina jest również bardzo mocna i odporna mechanicznie. Połączenie będzie miało podobną wytrzymałość do wytrzymałości surowców formowanych razem w procesie wtryskiwania.

Źródło : Rewo.io

Zgrzewarka ultradźwiękowa zbudowana jest z:

• Siłownika poruszającego układem zgrzewarki
• Generator
• Konwertera
• Boostera
• Sonotrody
• Kowadła

Każdy z tych elementów pełni w zgrzewarce określoną funkcję, zaczynając od siłownika. Siłownik zamontowany jest na układzie zgrzewarki, którego wysokość jest regulowana (tego układu 😊). Siłownik raczej jest pneumatyczny, tj. wyposażony w tłoczysko umieszczone w cylindrze, podparte na sprężynie. W zależności od rodzaju zgrzewarki: 20kHz/35kHz, siłownik będzie miał większą średnicę cylindra lub mniejszą, a sama zgrzewarka będzie miała inny zasięg. Zazwyczaj parametry będą wyglądały następująco:

• Częstotliwości pracy [kHz]:20, 35
• Dostępne moce [W]:1.000, 2.000 – 5.000
• Regulacja amplitudy:50-100%
• Tryby zgrzewania:Czas, Energia, Moc
• Sterowanie ciśnieniem:Ręczne (manualne ustawianie wartości ciśnienia)
• Regulacja wysokości [mm]:150 (dla 35kHz), 450 (dla 20kHz)
• Wymiar zgrzewarki [mm]:310 x 900 x 510 (dla 35kHz), 360 x 1350 x 660 (dla 20kHz)

Generator jest zewnętrznym urządzeniem, podłączonym do zgrzewarki ultradźwiękowej specjalnym przewodem wysokonapięciowym. W układzie, pełni funkcję zamieniania napięcia zasilania tj. 230 V 50 Hz, na znacznie wyższe napięcia – ponad 1000 V oraz częstotliwości 35 kHz, 20 kHz. Jeżeli chodzi o konwerter, jest to element spięty bezpośrednio z generatorem. Jego zadaniem jest konwersja energii elektrycznej w mechaniczną za pomocą specjalnego elementu piezoelektrycznego. Następnie energia mechaniczna przekazywana jest do boostera, gdzie następuje jej wzmocnienie lub osłabienie i na końcu do sonotrody. Booster pełni dwojaką funkcję w zgrzewarce, z jednej strony wpływa na zwiększenie lub zmniejszenie amplitudy, oraz jest elementem, do którego montujemy sonotrodę. Ostatni element układu zgrzewania, czyli sonotroda jest częścią specyfikowaną przez klienta, a jej kształt będzie odzwierciedlał negatyw powierzchni zgrzewanej.

Sonotroda jest „narzędziem” zgrzewarki, tak jak bit jest narzędziem raper… Oczywiście wkrętarki. Jest ostatnim elementem zgrzewarki, do którego dociera fala energii mechanicznej, a następnie energia ta, przekazywana jest bezpośrednio do powierzchni styku pomiędzy elementami zgrzewanymi, a tam uwalniana w formie ciepła. Sonotrody są narzędziami bardzo specjalistycznymi wykonanymi zazwyczaj z tytanu, rzadziej z hartowanej stali lub aluminium. Specyfikacja sonotrody wykonywana jest przez klienta, dokładnie przez konstruktora projektującego elementy, które należy zgrzać. Pisząc specyfikacja, mam na myśli tę część sonotrody, która ma bezpośredni styk z elementem obrabianym, czyli czoło sonotrody.

rittmeyer-beri.de/

Jeżeli chodzi o kształt sonotrody, zazwyczaj jest on dobierany przez specjalistów pracujących w firmach je wykonujących. Jeżeli spojrzycie na zdjęcie powyżej, zauważycie, że sonotroda jest „stopniowana”. Dzięki tym stopniom narzędzie jest w stanie kumulować więcej energii, poprzez „podbicie” amplitudy. Samo zaprojektowanie kształtu sonotrody jest procesem niezwykle skomplikowanym i powinno być wykonywane tylko przez specjalistów. Proces ten wykonany w sposób nieprawidłowy sprawi, że narzędzie nie będzie w stanie pracować. Każda sonotroda jest specyfikowana do konkretnego rodzaju materiału oraz zgrzewarki. Inaczej więc będzie wyglądać (inny kształt, materiał, inna częstotliwość zgrzewarki) szpilka sonotrody do zgrzewania miękkiej obudowy, a inaczej do zgrzewania twardego wytrzymałego elementu. W najgorszym wypadku przy źle zaprojektowanej i wykonanej sonotrodzie jest ona w stanie zwyczajnie pęknąć. Jako ostatnia sprawa dotycząca sonotrod, najważniejszym parametrem tego narzędzia jest częstotliwość, przy jakiej ona pracuje, i jest ona ściśle określona przez swój kształt. Częstotliwość pracy sprawdza się poprzez „strojenie”.

Jeżeli chodzi o sonotrody i jej pracę, bardzo ładnie pokazuje to poniższy gif:

Sonictech.pl

Zgrzewanie ultradźwiękowe jako proces technologiczny, jest procesem bardzo przyjemnym, choć moim zdaniem średnio stabilnym. Aczkolwiek jeżeli weźmiemy pod uwagę tylko procesy „zgrzewania”, będzie się klasyfikowało jako bardzo stabilny proces. Sam proces podzielimy na pewne sekwencje:

• Dojazd układu zgrzewarki do elementu zgrzewanego (praca siłownika)
• Ściśnięcie elementów zgrzewanych (praca siłownika)
• Zgrzewanie właściwe (praca siłownika oraz praca układu zgrzewania)
• Docisk w trakcie zespalania materiałów (praca siłownika)
• Odjazd układu zgrzewarki od elementu zgrzewanego (praca siłownika)

Dodatkowo po procesie zgrzewania można „puścić” impuls zgrzewarki, aby mieć pewność, że elementy zgrzane są „odklejone” od sonotrody.

Proces zgrzewania właściwego jest tym, co interesuje nas najbardziej, sam dojazd i odjazd siłownika każdy jest w stanie sobie raczej wyobrazić 😊.

Zgrzewanie ultradźwiękowe jest procesem technologicznym polegającym na takim wytworzeniu i przekazaniu energii, aby elementy zgrzewane na powierzchni styku najpierw się upłynniły, a następnie połączyły w element jednorodny. Zgrzewanie to może odbywać się jako proces zdefiniowany na kilka różnych sposobów, w zależności od wymagań konstruktora. Najbardziej popularne są jednak:

• Zgrzewanie po drodze względnej (DRM)
• Zgrzewanie po drodze bezwzględnej (ABS)
• Zgrzewanie po energii (E)
• Zgrzewanie po czasie (t)
• Zgrzewanie po mocy (W)

Zgrzewanie po drodze względnej, będzie oznaczało proces, w którym definiujemy drogę „wtapiania” w siebie elementów.

Zgrzewanie po drodze bezwzględnej, będzie oznaczało proces, w którym definiujemy odległość od podstawy dolnego elementu zgrzewanego.

Zgrzewanie po energii, będzie oznaczało proces, w którym oczekujemy jako „stopera” naszego procesu, wyzwolenia takiej energii, która została przez nas zdefiniowana. Tutaj przykładem może być na przykład zagrzewanie elementu metalowego na pinie. Układ zgrzewający po „dojściu” do metalowego elementu zacznie zwiększać energię, nie mogąc go przetopić, a próbując to robić. Spowoduje to „przelanie masy krytycznej”, którą ustaliliśmy w parametrach i zaprzestanie zgrzewania.

Zgrzewanie po czasie, będzie oznaczało wykonanie procesu o zadanych parametrach przez określony czas. Szczerze mówiąc, uważam tę opcję za totalnie bezsensowną, aczkolwiek być może ktoś z was kiedyś z niej skorzysta!

Zgrzewanie po mocy, jest bardzo podobne do zgrzewania po energii, aczkolwiek trigerem zatrzymującym proces jest moc.

Zgrzewanie ultradźwiękowe jako proces jest stosowane głównie do łączenia materiałów z tworzywa sztucznego. Aczkolwiek istnieją możliwości łączenia również metali. Nigdy osobiście nie spotkałem się takim procesem, natomiast na youtube można znaleźć kilka efektownych filmików pokazujących proces, którym jest zgrzewanie ultradźwiękowe metali. Jedno natomiast mogę tutaj napisać z własnego doświadczenia. Brałem udział w testach wykorzystujących zgrzewarki ultradźwiękowe do „kompaktowania” wiązek kablowych. Kompaktowanie jest procesem „zbrylającym” pojedyncze linki wiązki kablowej w jeden stały element, ułatwiający późniejszą jego obróbkę. Bardzo często firmy stosują to rozwiązanie po to, aby ułatwić handling wiązek kablowych pomiędzy stanowiskami lub do późniejszej łatwiejszej obróbki takich końcówek przewodów.

www.strunk-connect.com

Ten akapit chciałbym poświęcić ludziom, którzy w pracy chcą wdrożyć zgrzewanie ultradźwiękowe lub ludziom, którzy będą mieli w przyszłości do czynienia ze zgrzewaniem. Dźwięki jakie wydają zgrzewarki ultradźwiękowe, są niebezpieczne. Należy przy tym procesie zachować bezwzględną samokontrolę i zawsze chronić swój aparat słuchu oraz oczy. Zanim przystąpicie do zgrzewania ultradźwiękowego, załóżcie okulary ochronne oraz nauszniki. Po pierwsze, dźwięki o wysokich częstotliwościach dochodzą do głośności nawet przekraczających 100 dB., dodatkowo zgrzewarki wydają również niemożliwe do usłyszenia przez człowieka ultradźwięki które bezpośrednio wpływają na degradację słuchu. Po drugie, sonotroda podczas pracy wydziela fale o określonej długości które mogą odbijać się od wszystkiego, co jest w okolicy i trafić w wasze oczy. Jest to niezwykle rzadko wspominane przez kogokolwiek pracującego przy tym procesie, ale zgrzewanie ultradźwiękowe wpływa na degradację waszego wzroku. Zawsze! Zawsze miejcie założone okulary podczas zgrzewania albo jeżeli już ich nie macie i nie chce wam się po nie iść, to zamknijcie oczy na sam czas zgrzewania.

Zgrzewanie ultradźwiękowe mimo tego, że jest procesem raczej rzadko spotykanym, jest niezwykle wydajne i czyste, a zarazem wystarczająco stabilne, aby uzyskiwać wymagane rezultaty. Sam osobiście pracowałem przy tym procesie wystarczająco długo, aby napisać ten artykuł, aczkolwiek ekspertem na pewno nie jestem. Rezultaty poprawnie ustawionego przez technologa zgrzewania potrafią być często zaskakujące. Połączenia tak uzyskiwane są bezwzględnie szczelne, wytrzymałe mechanicznie oraz czyste. Osobiście uważam, że zgrzewanie ultradźwiękami jest również niesamowicie ciekawe i z wielką przyjemnością słuchałem jednego z moich współpracowników gdy opowiadał mi niuansy na temat tego procesu (serdecznie pozdrawiam!). Jako ciekawostkę powiem, że spotkałem w życiu człowieka który był w stanie „stroić” sonotrody, lub rozpoznawać ich właściwe funkcjonowanie po tym jaki dźwięk wydawały. Autentycznie ekspert słuchał gołym uchem tego przeraźliwego piszczenia. Jako drugą ciekawostkę powiem, że w lewym uchu cały czas, niezmiennie od 2022 roku słyszę sonotrodę bez przerwy. Dlatego w podsumowaniu napiszę jeszcze raz, dbajcie o swoje uszy i oczy, bo nikt inny za was tego nie zrobi!