Tehnologii de sudare cu ultrasunete in cazul pieselor injectate din plastic. [307333]

Tehnologii de sudare cu ultrasunete in cazul pieselor injectate din plastic.

Generalitati despre materialele plastice si sudura cu ultrasunete

Aplicatii in care se foloseste tehnologia cu ultrasunete.

Studiu de caz: Sudarea cu ultrasunete a 2 piese din industria medicala.

Prezentarea pieselor injectate care urmeaza sa fie sudate

Prezentarea ansamblului din care face parte subansamblul sudat

Identificarea masinii de sudat cu ultrasunete si parametrii acesteia.

Prezentarea sonotrodului utilizat pentru sudura cu ultrasunete

Fixarea componentelor in pozajul masinii si sudare acestora.

Testarea pieselor dupa sudura cu ultrasunete.

Concluzii

Avantaje si dezavantaje

Bibliografie

Generalitati despre materialele plastice si sudura cu ultrasunete.

Ultrasunetele

Sunt vibratii mecanice cu frecvente peste 20000 Hz si au de obicei intensitate mica. Cele cu intensitate mare se obtin prin procedee electromecanice care se bazeaza pe fenomenul piezoelectric si/sau pe fenomenul magnetostrictiv. Ele mai pot fi generare si cu ajutorul fluierelor.

Proprietatile ultrasunetelor

nu sunt interceptate de catre oameni;

se pot obtine si sub forma unor fascicule inguste;

transporta o cantitate insemnata de energie;

ele sunt puternic absorbite de substante in stare gazoasa

Principiul sudarii cu ultrasunete:

Sudarea cu ultrasunete este un procedeu de sudare în stare solida. [anonimizat] a [anonimizat] o frecventa corespunzatoareultrasunetelor (16 -103…1010 Hz), În timp ce cele doua componente sunt presate unafata de cealalta cu o forta perpendiculara pe suprafata lor de contact. [anonimizat], ea este lipsitade structurile de turnare care însotesc topirea. În sudura se evidentiaza micideformatii plastice. Procedeul are aplicatii industriale interesante în cazul îmbinarilor bimetalice cu forme variate ale sudurilor. Astfel, el se aplica în industriaelectrotehnica la fabricatia microcircuitelor semiconductoare, a diferitelor tipuri decontacte electrice si a [anonimizat]. Procedeul este eficient la ambalarea si capsularea acelor materialecare necesita protectii ermetice ce nu se pot realiza cu alte procedee de sudare (spreexemplu : capsularea materialelor explozive, a celor pirotehnice, a reactivilor chimicietc.).

Sudurile realizate cu ultrasunete pot fi de tipul ,,în puncte", inelare, în linie întrerupta sau în linie continua. [anonimizat], o forma eliptica.

[anonimizat] o piesa suport

contra piesa (sonotroda este denumirea prescurtata a [anonimizat], [anonimizat], prin presiune în puncte).

Actiunea cumulata a fortei statice de presare a [anonimizat] a acestora si a [anonimizat] a componentelor, [anonimizat]. [anonimizat] contactului metal-metal al celordoua componente. Daca oscilatiile continua, se formeaza un nucleu sudat, avîndcaracteristici mecanice asemanatoare cu cele obtinute în cazul sudarii la rece.Energia eliberata se transforma în caldura, încalzind componentele în zonele vecinesudurii. În afara acestui efect secundar, caldura în sine nu are un rol semnificativ înprocesul de sudare. Energia necesara sudarii depinde de temperatura mediuluiambiant, de proprietatile materialelor care se sudeaza si de grosimea componentelor.Ea se obtine de la un convertizor de frecventa care transforma energia avîndfrecventa retelei industriale (50 Hz), într-o energie cu frecventa cuprinsa în domeniul10… … 175 kHz. Frecventele înalte se utilizeaza în cazul echipamentelor de sudat cuultrasunete de putere mica (1.. .50 W), iar cele joase la echipamentele de putere mare(2… 30 kW). Puterea transmisa de convertizorul de frecventa este de 30.. .90% dincea luata de la reteaua de putere, depinzînd de tipul convertizorului (grupurilemotor-generator livreaza 30… 50% din puterea consumata, iar convertizoarele cusemiconductori au randamente de -90%). Energia electrica de înalta frecventa estetransformata în energie mecanica vibratoare cu ajutorul unui traductor.

La sudarea cu ultrasunete se pot folosi traductoare magnetostrictive sau electrostrictive. Randamentul traductoarelor magnetostrictive este de 20… 40%, întimp ce cel al traductoarelor electrostrictive este 55…80%. Un echipament de sudarecu ultrasunete transmite componentelor de sudat, prin intermediul sonotrodei,10…70% din puterea absorbita, în functie de randamentul convertorului de frecventasi al traductorului folosit. Trebuie observat faptul ca o parte din energia introdusa încomponentele de sudat le traverseaza pe acestea si se disipeaza în masa suport. Laora actuala nu exista o metoda sigura de masurare a energiei acustice nete care seconsuma la formarea sudurii. De aceea, în practica se opereaza cu doua notiuni :energie electrica medie – produsul între puterea electrica medie introdusa întraductor si timpul de sudare – respectiv energia vibratoare medie introdusa încomponentele de sudat – produsul între puterea medie vibratoare transmisa prinvîrful sonotrodei si timpul de sudare.

Parametrii de sudare:

Energia electrica necesara sudarii

Forta de presare depinde de natura materialelor de sudat si grosimeacomponentelor. Valoarea ei creste cu limita la curgere si duritatea materialului desudat, respectiv cu grosimea componentelor. Trebuie stiut ca o forta excesiva producedeformatii nedorite ale suprafetelor componentelor si conduce la cresterea puteriinecesare pentru sudare, iar o forta insuficienta provoaca alunecari ale vîrfuluisonotrodei si încalziri excesive ale componentelor, conducand la realizarea unorsuduri necorespunzatoare.

Timpul de sudare. În cazul sudarii în puncte, inelare sau în linie întrerupta(segmente de linie), timpul în care se transmite energia vibratoare componentelor desudat variaza între 0,05 s (în cazul sîrmelor foarte subtiri) si 1,0 s (în cazul grosimilormari). Necesitatea unui timp lung de sudare denota o putere insuficienta. Pentruevitarea fenomenelor secundare de încalzire si a fisurilor interne în suduri se preferaregimurile de sudare cu puteri mari si timp scurt (regimuri dure).

Viteza de sudare este un parametru specific sudarii în linie. Ordinul de marimeeste de sute de milimetri pe minut. Folii de aluminiu cu grosimea de 0,025 mm s-ausudat cu viteza de 137 mm/min, la o putere de 2000 W, folosind un traductormagnetostrictiv pe baza de Ni.

Frecventa si amplitudinea oscilatiilor. Frecventa oscilatiilor trebuie corelata cugrosimea componentelor de sudat si anume, odata cu micsorarea grosimii estenecesara marirea frecventei. Domeniul frecventelor este 18… 25 kHz.

Echipamente de sudare cu ultrasunete:

Un echipament de sudare cu ultrasunete se compune din:

generatorul de înalta frecventa care furnizeaza energia electrica necesara sudarii

blocul ultrasonic care transforma energia electrica, de înalta frecventa într-o energie mecanica vibratoare pe care o transmite la locul sudurii;

traductoarele

ghidul de unda-cuplaj

sonotroda sau capul de sudare

masa de asezare

dispozitivul suport pentru componentele de sudat si mecanismul de translatie acomponentelor de sudat în cazul sudarii în linie;

-mecanismul de aplicare a fortei de apasare;

programatorul procesului de sudare.

Exemple de sonotrode:

Montarea sonotrodului:

Pregatirea componentelor din materiale plastice în vederea sudarii este similaracu a materialelor metalice. Conditiile impuse suprafetelor de îmbinat: circularitateasuprafetelor, planeitate, perpendicularitate pe axa longitudinala, rugozitate(Rzmax=12,5µm). Dupa pregatirea suprafetelor, sudarea nu se executa mai târziu de6 ore, numai daca umiditatea din atmosfera este scazuta, iar suprafetele de îmbinatsunt curate si uscate.B. Procedeele de sudare frecvent utilizate:- sudarea cap la cap cu element încalzitor,- sudate cu manson cu element rezistiv,- sudate de derivatie cu element rezistiv.Pentru a nu permite formarea de curenti de aer care racesc conducte, se închidcapetele opuse zonelor implicate. Capetele care urmeaza sa fie sudate se fixeaza îndispozitiv circular de presare, iar cu un suflator de aer cald se reda forma circulara asectiunii transversale. Ulterior elementele de sudat se fixeaza într-un dispozitiv deprindere care sa asigure axialitatea componentelor. De corectitudinea pozitiei axialedepinde încalzirea uniforma a suprafetelor de îmbinat

Aplicatii in care se foloseste tehnologia cu ultrasunete

pe baza fenomenului de cavitație se pot curața piese metalice, recipiente,buncare, se pot perfora sau tăia material metalice;

datorita faptului ca ultrasunetele pot elimina micro-organisme, ele pot fi utilizate la fabricarea unor seruri, vaccinuri dar si la sterilizarea sau conservarea unor produse alimentare.

pot fi folosite pentru tratamentul unor nevralgii;

in medicina: ecografia medicala, in cardiologie, oftalmologie, in estetica medicala.

tehnica militara

in industrie

ultrasunetele se mai utilizeaza frecvent in taierea materialelor foarte dure cum ar fi: diamant, oteluri speciale, cabluri de wolfram. Aceasta metoda si pricipiu se aseamana cu procesul de eroziune a rocilor dure.

Se mai utilizeaza la spalarea anumitor materiale textile cum ar fi: lanii naturale, indepartarea impuritatilor cu ultrasunete;

Au rezultate bune si la vopsirea fibrelor naturale si sintetice; acest lucru se face sub energia ultrasunetelor vopseaua distribuindu-se uniform pe toata suprafata ;

Ultrasunetele se mai folosesc si in comunicatiile submarine

Utilizarea lor si in controlul materialelor metalice pentru depistarea unor defecte ascunse, a unor fisuri in material.

altă aplicație a ultrasunetelor este legată de măsurarea adâncimii mărilor,in esență procedeul este același ca și în cazul folosirii sunetelor obișnuite, prezentând însă avantajul fasciculelor dirijate, de asemenea se pot produce semnale foarte scurte ceea ce mărește precizia măsurării intervalului de timp dintre producerea semnalului direct și înregistrarea celui reflectat.

Ultrasunetele se folosesc în diferite procese tehnologice cum ar fi: spălarea, curățarea, uscarea sau sudarea unor corpuri și deasemenea pentru prelucrarea piese.

in principiu! prelucrarea cu ajutorul ultrasunetelor constă înurmătoarele: se introduce piesa (sau porțiunea de piesă) care trebuie prelucrată într-un lichid încare se găsesc în suspensie particule de praf abraziv dur, sub acțiunea unei surse de ultrasunete în lichid apare fenomenul decavitație, datorită șocurilor hidraulice particulele de abraziv sunt lovite cu putere de suprafața piesei smulgând așchii din aceasta. Pe acest principiu se bazează construirea unor mașini unelte care să taie filetele și dinții pinioanelor fine, care rectifică piese complicate, taie și găuresc plăci etc.

Studiu de caz: Sudarea cu ultrasunete a 2 piese din industria medicala.

Prezentarea pieselor injectate care urmeaza sa fie sudate:

Modelul 3d al piesei 1:

Desen 2D piesa 1:

Model 3D al piesei 2:

Desen 2D piesa 2:

Model 3D Subansamblu sudat

In sectiunea de mai sus este prezentata imbinarea prin sudura cu ultrasunete.

Cele 2 piese suprapuse inainte de sudura:

Pentru ca sudura sa fie cat mai perfecta si uniforma, suprafata unde are loc difuzia dintre cordon si piesa conjugata trebuie sa aiba o planeitate cat mai buna.

Prezentarea ansamblului din care face parte subansamblul sudat

Subansamblul nostru face parte dintr-un aparat din industria medicala, folosit pentru pacientii care sufera de APNEE. Ea este de fapt o tulburare a somnului si reprezinta oprirea fluxului aerian, la nivelul nasului si a gurii, in timpul somnului,  pentru cel putin 10 secunde.

Pe langa cerintele impuse de client si anume ca piesele verificate trebuie sa reziste la proba de presiune care consta in, mentinerea ansamblului sudat la o presiune de 50 hPa, timp de 18 secunde, pe durata caruia nu se admite o scadere a presiunii cu o valoare mai mare de 4 hPa; piesele sa fie fara zgarieturi si fara urme de frecare sau alte urme care rezulta in urma sudurii; datorita faptului ca lucram pentru industria medicala acest lucru presupune o igiena impecabila dar si o verificare 100% a fiecarui produs.

Identificarea masinii de sudat cu ultrasunete si parametrii acesteia

Pentru sudura cu ultrasunete am folosit masina prezentata mai jos, mai exact HiQ VARIO de la Herrmann. (20.000 Hz)

Parametrii masinii sunt:

Masina cu ultrasunete este prevazuta cu o masa care are o placa oscilanta descrisa mai jos:

Prezentarea sonotrodului utilizat pentru sudura cu ultrasunete

Fixarea componentelor in pozajul masinii si sudare acestora

Dupa verificarea pieselor care urmeaza sa fie sudate acestea se vor fixa in pozajul masinii de sudura cu ultrasunete prezentat mai jos:

Pozaj pentru sudura cu ultrasunete

Dupa actionarea butonelor de declansare a sudurii, sonotrodul coboara si realizeaza sudura cu US a celor 2 repere, dupa care sontrodul revine la pozitia initiala.

Testarea pieselor dupa sudura cu ultrasunete

Verificarea sudurii se face pe dispozitivul de verificare la presiune atasat masinii de sudat cu US de 20khz prezentat mai jos:

Dispozitiv de verificare la presiune:

Se da “Start” procesului de verificare prin apasarea butonului de pe Panoul de comanda

Pe ecranul Panoului de comanda se monitorizeaza:timpul de umplere care este reglat la 18S, timpul de mentinere 18s, variatia presiunii din intervalul timpului de mentinere care nu trebuie sa fie mai mare de 4hPa, precum si decizia in urma verificarii prin aprinderea cu culoare verde a butonului i.o. in cazul unei piese O.K., sau cu culoare rosie a butonului n.i.o in cazul unei piese N.O.K.

Daca piesa este NOK aceasta se scoate din pozaj si se pune in conteinerul destinat acestor piese.

Daca piesa este OK se trece la operatia urmatoare, daca rezultatul este NOK, piesa se depune in conteinerul de piese neconforme .

Concluzii:

Dezavantaje:

Infrasunetele de anumite frecvențe produc efecte fiziologice asupra oamenilor – somnolență, amețeală, vărsături, fals efect de euforie, iar cele de intensități mari pot afecta sistemul nervos și sistemul circulator.

Ultrasunetele pot produce migrene, greață, pierderea echilibrului. În cazul folosirii ultrasuneteleor pentru stabilirea unui diagnostic, intensitatea lor este mică, pentru a nu distruge globulele roșii din sânge.