Spawanie ultradźwiękowe części formowanych wtryskowo: szczegóły projektu, na które należy zwrócić uwagę

W branży formowania wtryskowego często spotykamy się z następującym scenariuszem: projekt produktu wygląda świetnie, funkcjonalność jest doskonała, ale kiedy przychodzi czas na połączenie dwóch plastikowych części za pomocą spawania, pojawiają się problemy — słabe spoiny, wycieki powietrza, widoczne ślady na powierzchni...

Najczęściej problemy te nie wynikają z samego procesu spawania. Zaczynają się już na etapie projektowania części formowanych wtryskowo.

Porozmawiajmy dzisiaj: Jeśli Twój produkt wymaga spawania ultradźwiękowego, jakie szczegóły projektu należy wziąć pod uwagę przed wykonaniem formy?

Część 1: Po pierwsze, jak działa spawanie ultradźwiękowe?

Przed zagłębieniem się w szczegóły projektu warto zrozumieć podstawową zasadę zgrzewania ultradźwiękowego.

Proces zgrzewania ultradźwiękowego można podsumować jako: Wibracje o wysokiej częstotliwości → Ciepło tarcia → Topienie tworzyw sztucznych → Wiązanie molekularne.

Konkretnie:

• Sprzęt spawalniczy przetwarza standardowy prąd elektryczny o częstotliwości 50/60 Hz na energię elektryczną o wysokiej częstotliwości (20–40 kHz)

• Przetwornik przekształca tę energię elektryczną w wibracje mechaniczne o tej samej częstotliwości

• Wibracje przenoszone są poprzez tubę (sonotrodę) na część z tworzywa sztucznego

• Na styku energia drgań jest skupiana przez kierownika energetycznego, generując ciepło tarcia

• Plastik topi się i płynie, tworząc wiązanie na poziomie molekularnym pomiędzy dwiema częściami

Cały ten proces trwa zwykle tylko od 0,2 do 1,0 sekundy, co czyni go niezwykle wydajnym.

Kluczowy punkt: Aby skutecznie stopić plastik, energia ultradźwiękowa musi zostać „skoncentrowana”. Właśnie dlatego projekt modułu Energy Director ma tak istotne znaczenie – stanowi punkt wyjścia całego procesu spawania.

Część 2: Istota projektowania złącza spawanego: dyrektor ds. energii

Kierownik energii to wstępnie zaprojektowany wypukły element na części formowanej wtryskowo, zwykle o przekroju trójkątnym. Jego funkcją jest koncentracja energii ultradźwiękowej w wyjątkowo małym punkcie styku, co powoduje szybkie wytwarzanie ciepła w celu zainicjowania topnienia.

2.1 Kluczowe parametry projektowe dla dyrektorów ds. energii

2.2 Wybór dyrektora ds. energii według rodzaju materiału

Tworzywa amorficzne (ABS, PC, PS, PMMA itp.)

• Kąt wierzchołkowy dyrektora energetycznego: 90° (trójkąt prostokątny, 90° na wierzchołku)

• Charakterystyka spawania: Efektywne przenoszenie energii, łatwe spawanie

• Zalecane typy połączeń: Podstawowy dyrektor energetyczny, złącze schodkowe, pióro i wpust

Tworzywa półkrystaliczne (PA, POM, PP, PBT itp.)

• Kąt wierzchołkowy dyrektora energetycznego: 60° (trójkąt równoboczny)

• Charakterystyka spawania: Wymaga więcej energii, szybko krzepnie po stopieniu

• Zalecany typ złącza: Złącze ścinane

Dlaczego różnica?
Tworzywa półkrystaliczne bardzo szybko przechodzą ze stanu stałego w stopiony, w wąskim zakresie temperatur. Jeśli użyjesz standardowego rozdzielacza energii, stopiony plastik może zestalić się przed właściwym stopieniem z pasowaną częścią. Z tego powodu półkrystaliczne tworzywa sztuczne zazwyczaj wymagają połączeń ścinanych, aby zapewnić wytrzymałość spoiny.

2.3 Kompatybilność materiałów: Nie wszystkie tworzywa sztuczne są ze sobą spawane

Jest to jeden z najczęściej pomijanych czynników. Zgrzewanie ultradźwiękowe wymaga, aby oba materiały były kompatybilne chemicznie.

Szczególna uwaga: Jeśli tworzywa sztuczne zawierają dodatki, takie jak środki zmniejszające palność, środki antyadhezyjne lub smary, może to mieć wpływ na wydajność spawania. Zaleca się wcześniejsze przeprowadzenie testów spawalniczych.

Część 3: Pięć typowych projektów złączy spawanych ultradźwiękowo

Różne wymagania spawalnicze wymagają różnych konstrukcji połączeń. Oto pięć najpopularniejszych podejść:

3.1 Wspólny Dyrektor ds. Energii Podstawowej

Najbardziej popularna i najprostsza konstrukcja, odpowiednia do większości zastosowań, które nie wymagają uszczelnienia.

Projekt:

• Trójkątny dyrektor energetyczny z jednej strony

• Płaska powierzchnia współpracującej części

• Wysokość dyrektora energetycznego: 0,25-0,75 mm

Najlepsze dla:

• Amorficzne tworzywa sztuczne

• Zastosowania niewymagające hermetycznych uszczelek

• Główny nacisk położony jest na wytrzymałość spoiny

Zalety: Prosta konstrukcja, łatwe wykonanie formy.
Wady: Możliwość wypływu, wpływa na wygląd; nie może zagwarantować uszczelnienia

3.2 Złącze stopniowe

Ta konstrukcja może ukryć wypływ spawalniczy, zapewniając lepszy wygląd.

Projekt:

• Funkcje stopniowe dla wyrównania części

• Do stopnia można dodać dyrektora ds. energii

• Minimalna grubość ścianki: 2mm

• Szczelina 0,13–0,51 mm po stronie niespawanej w celu zabezpieczenia wypływki

Najlepsze dla:

• Produkty z wymaganiami dotyczącymi wyglądu

• Zastosowania wymagające samonastawności

• Wymagana wytrzymałość konstrukcyjna bez uszczelnienia

3.3 Połączenie na pióro i wpust

Jest to preferowany wybór w przypadku uszczelek hermetycznych i najbardziej wytrzymałej konstrukcji.

Projekt:

• Język z jednej strony, wpust z drugiej

• Dyrektor energetyczny na czubku języka

• Wymaga grubszych ścian, aby pomieścić pióro i wpust

Najlepsze dla:

• Produkty wymagające szczelności powietrznej/wodnej

• Amorficzne tworzywa sztuczne

• Zastosowania z miejscem na pióro i wpust

Zalety: Samonastawne, wypływka zawarta w rowku, doskonałe uszczelnienie
Wady: Wymaga grubszych ścianek, nieco wyższy koszt formy

3.4 Połączenie ścinane

Jest to preferowany wybór w przypadku półkrystalicznych tworzyw sztucznych i zapewnia najwyższą wytrzymałość spoiny.

Projekt:

• Konstrukcja z pasowaniem wciskowym: część wewnętrzna nieco większa niż wewnętrzna średnica części zewnętrznej

• Minimalny kontakt początkowy, części „ścinają się” razem podczas spawania

• Głębokość spoiny wynosi zazwyczaj 1,25 × grubość ścianki

• Wysokość spoiny pionowej: 1,0-1,5 mm (określa wytrzymałość spoiny)

Najlepsze dla:

• Tworzywa półkrystaliczne (PA, POM, PP, PBT itp.)

• Zastosowania wymagające dużej wytrzymałości i uszczelnienia

• Małe i średnie części

Zalety: Najwyższa wytrzymałość, najlepsze uszczelnienie, stopione tworzywo sztuczne chronione przed powietrzem
Wady: Wymagane wąskie tolerancje wymiarowe, wymaga stabilnego procesu formowania

3.5 Połączenie szczyt-dolina

Konstrukcja ta zapewnia samonastawność i nadaje się do zastosowań wymagających całkowitego uszczelnienia.

Projekt:

• Elementy blokujące przypominające ząb piły

• Szczelina 0,13-0,51 mm po stronie niespawanej

• Minimalna grubość ścianki: 3mm

Najlepsze dla:

• Zastosowania wymagające całkowicie hermetycznych uszczelek

• Produkty wymagające samonastawności

Część 4: Inne krytyczne uwagi projektowe

Poza samym złączem na sukces spawania bezpośrednio wpływa kilka szczegółów konstrukcyjnych:

4.1 Spawanie w polu bliskim a spawanie w polu dalekim

W oparciu o odległość od punktu styku rogu do powierzchni spoiny:

Spawanie w pobliżu pola (<6 mm)

• Odległość od rogu do złącza spawanego mniejsza niż 6 mm

• Wysoka efektywność przesyłu energii

• Nadaje się do wszystkich materiałów, szczególnie półkrystalicznych tworzyw sztucznych

• Krótszy czas zgrzewania, niższe wymagania dotyczące ciśnienia

• Preferowane podejście

Spawanie w dalekim polu (>6 mm)

• Odległość od rogu do złącza spoiny większa niż 6 mm

• Energia traci siłę, przechodząc przez część

• Działa tylko ze sztywnymi tworzywami amorficznymi (PS, ABS, PMMA itp.)

• Wymaga dłuższego czasu spawania i wyższego ciśnienia

• Używaj ostrożnie, tylko wtedy, gdy jest to konieczne

Zalecenia projektowe: Jeśli to możliwe, złącza spawane powinny znajdować się w odległości 6 mm od powierzchni styku tuby.

4.2 Jednorodność grubości ścianki

Spawanie ultradźwiękowe opiera się na energii wibracji przemieszczającej się przez część. Nagłe zmiany grubości ścianki wpływają na przenoszenie energii.

Zasady projektowania:

• Zachowaj jednakową grubość ścianki

• Unikaj miejscowych grubych odcinków, które mogą powodować zapadnięcia się (zapadnięcia mogą się zapaść podczas spawania)

• Zapewnij wystarczającą sztywność, aby przenosić energię drgań

4.3 Unikaj ostrych narożników

Ostre narożniki wewnętrzne mogą powodować powstawanie punktów koncentracji naprężeń pod wpływem wibracji ultradźwiękowych, potencjalnie powodując pękanie części.

Zasady projektowania:

• Użyj promieni na wszystkich rogach

• Minimalny promień: 0,2-0,5 mm

• Zaokrąglone ostre krawędzie zapobiegają koncentracji energii i pękaniu

4.4 Luz montażowy części

Dopasowanie współpracujących części przed spawaniem ma ogromne znaczenie.

Zasady projektowania:

• Idealny luz: 0,05-0,1 mm (w zależności od rozmiaru części)

• Zbyt ciasne: Trudne w montażu, mogą zmiażdżyć dyrektora energetycznego

• Zbyt luźne: Niewspółosiowość, nierówne spawanie

4.5 Stała wysokość powierzchni spoiny

Idealnie, cała powierzchnia spoiny powinna leżeć w tej samej płaszczyźnie i równolegle do czoła rogu.

Jeśli powierzchnie spoiny nie znajdują się na tej samej wysokości:

• Najpierw stykają się wysokie punkty, najpierw topią się

• Niskie punkty mogą nigdy nie mieć kontaktu, co może skutkować słabymi spoinami

Zalecenie projektowe: Wszystkie powierzchnie spoin powinny znajdować się na tej samej wysokości. Jeśli to niemożliwe, upewnij się, że różnice wysokości mieszczą się w dopuszczalnych granicach.

4.6 Projekt powierzchni stykowej rogu

Klakson potrzebuje powierzchni styku, aby przenosić wibracje. Zła konstrukcja powierzchni styku prowadzi do utraty energii lub śladów na powierzchni.

Zasady projektowania:

• Zapewnij odpowiednią płaską powierzchnię do kontaktu z klaksonem

• Jeśli konieczna jest ochrona powierzchni, należy użyć buforu folii PE

• Powierzchnie wypolerowane lub nierówne są bardziej podatne na ślady

Część 5: Często pomijane „ukryte” problemy

5.1 Absorpcja wilgoci w nylonie

Nylon (PA) jest wysoce higroskopijny. Jeśli części nylonowe po uformowaniu znajdują się w powietrzu, pochłaniają wilgoć.

Skutek: Podczas spawania wilgoć zamienia się w parę, tworząc pęcherzyki i puste przestrzenie na styku spoiny, poważnie osłabiając złącze.

Środek zaradczy: Zespawać części nylonowe możliwie jak najszybciej po uformowaniu („spawanie na sucho”). Jeśli części były osadzone, osusz je przed spawaniem.

5.2 Działanie środka zapobiegającego przyleganiu do pleśni

W przypadku niektórych części formowanych wtryskowo podczas produkcji stosowane są środki ułatwiające oddzielanie od formy. Pozostałości na powierzchniach spoin zapobiegają wiązaniom molekularnym.

Środek zaradczy: Jeśli konieczne są środki antyadhezyjne, wybierz gatunki spawalne lub przed spawaniem oczyść obszary spawania.

5.3 Efekty materiału wypełniającego

Tworzywa sztuczne mogą zawierać wypełniacze, takie jak włókno szklane, włókno węglowe lub talk. Wypełniacze te wpływają na spawalność.

Ogólne zasady:

• Większa zawartość wypełniacza = większa trudność spawania

• Wypełniacze na styku spoiny mogą stać się punktami koncentracji naprężeń

• Przed ostatecznym zatwierdzeniem formy należy przeprowadzić testy spawalnicze

Część 6: Podsumowanie: Lista kontrolna projektu spawania ultradźwiękowego

Zanim sfinalizujesz projekt produktu i zajmiesz się formami, przejrzyj tę krótką listę kontrolną:

Wybór materiału

• Czy te dwuczęściowe materiały są chemicznie kompatybilne?

• Czy w przypadku tworzyw półkrystalicznych wybrano złącze ścinane?

• Czy zawartość wypełniacza mieści się w granicach spawalności?

• Czy wchłanianie wilgoci jest problemem wymagającym rozwiązania?

Wspólny projekt

• Czy wysokość dyrektora energetycznego mieści się w zakresie 0,25–1,0 mm?

• Czy kąt dyrektora energetycznego odpowiada wymaganiom materiałowym (90° amorficzny, 60° półkrystaliczny)?

• Czy wybrano właściwy typ połączenia (wytrzymałość/uszczelnienie/wygląd)?

• Czy w przypadku wymagań dotyczących uszczelnienia stosuje się połączenie na pióro i wpust czy na ścinanie?

• Czy w przypadku wymagań dotyczących wyglądu istnieje zabezpieczenie przed błyskiem?

Projekt konstrukcyjny

• Czy złącze spawane znajduje się w odległości 6 mm od styku z tubą (w polu bliskim)?

• Czy grubość ścianki jest jednolita i nie ulega gwałtownym zmianom?

• Czy wszystkie narożniki są zaokrąglone (R≥0,2mm)?

• Czy sztywność jest wystarczająca do przenoszenia wibracji?

• Czy wszystkie powierzchnie spoin znajdują się na tej samej wysokości, równolegle do czoła rogu?

Kontrola wymiarowa

• Czy luz montażowy wynosi 0,05–0,1 mm?

• Czy w przypadku połączeń ścinanych wcisk jest dokładnie kontrolowany?

• Czy istnieją elementy samonastawne (stopnie, pióro i wpust)?

Przygotowanie procesu

• Czy zapewniono odpowiednią powierzchnię styku z klaksonem?

• Czy powierzchnia styku jest płaska i odporna na ślady?

• Czy rozważa się użycie środka zapobiegającego przyleganiu do pleśni?

• Czy planowane są testy spawalnicze w celu sprawdzenia poprawności projektu?

Część 6.5: Tabela podsumowująca zalecenia projektowe

Ostateczne myśli

Zgrzewanie ultradźwiękowe to proces, w którym projekt decyduje o sukcesie. Sprzęt spawalniczy może wykonywać tylko to, na co pozwala konstrukcja – nie może kompensować wad konstrukcyjnych.

Jako dostawcy form wtryskowych, nasza rada jest następująca: Uwzględnij kwestie spawalnicze na etapie projektowania produktu, a nie po wykonaniu form, próbując wymyślić, jak „sprawić, że będą spawane”. Przemyśl wcześniej wymagania dotyczące spawania, wybierz odpowiednie projekty złączy, kontroluj krytyczne wymiary, a produkcja będzie przebiegać sprawnie.

Jeśli opracowujesz produkt wymagający spawania i nie masz pewności co do swojego projektu, skontaktuj się z nami. Możemy pomóc w analizie DFM w celu zidentyfikowania potencjalnych problemów przed oddaniem formy, unikając później kosztownych przeróbek.