Sådan fungerer ultralydssvejsning

I den musikalske komedie fra 1982 "Victor Victoria, "Julie Andrews synger en høj tone i slutningen af ​​karakterens parisiske cabaret-akt. Hun fastholder sedlen og champagneglas rundt i rummet knuses. Dette demonstrerede glimrende, hvordan høje eller højfrekvente lyde kan bryde materialer fra hinanden. Men vidste du det at højfrekvente lyde kan bruges til at binde materialer sammen? En teknologi kaldet ultralydssvejsning bruges til at samle produkter fra mange industrier-lige fra medicinsk udstyr til sportssko til biler.

Typisk, du kan klæbe materialer ved hjælp af fastgørelseselementer såsom søm, skruer eller gevind. Dette er passende for metaller, træ, tekstiler og plast. For mange plastmaterialer, lim bruges; lim danner kemiske bindinger mellem selve limen og overfladerne af de bundne plastmaterialer. Metaller kan holdes sammen ved at opvarme andre metaller som et bindemiddel, såsom blylodder i elektriske forbindelser. Alternativt kan metallerne kan smeltes direkte sammen (svejsning); når de smeltede metaloverflader er afkølet, metallerne binder sammen. Svejsning kræver normalt en åben flamme eller brænder 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. Ultrasonic metal svejsning udviklet i løbet af 1950'erne gennem 1990'erne, da elektronikken, der blev brugt i udstyret, blev mere sofistikeret, og computere kunne styre processen. Siden denne tid, teknikken er blevet anvendt på plast, hvor det virkelig er blevet populært.

I denne artikel, vi ser på udstyret og den fysiske proces ved ultralydssvejsning, hvordan New Balance har brugt det til at lave sportssko, og fordele og ulemper ved denne teknik. Først, lad os se nærmere på, hvordan lydbølger binder materialer, både metal og plast.

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

1. Ultralydssvejsning og friktion
2. Ultralydssvejsning trin for trin
3. Ultralydssvejsning i aktion
4. Hvorfor bruge ultralydssvejsemetoder?

Ultralydssvejsning og friktion

Gnid dine hænder hurtigt sammen. Læg mærke til noget? De varmede op, ret? Hvis du tager en hammer og slår en metaloverflade hurtigt og gentagne gange, du vil opdage, at stedet, hvor hammeren rammer metallet, varmer op, også. I begge disse eksempler, varmen skyldes friktion. Forestil dig nu at gnide dine hænder eller dunke hammeren tusinder af gange i sekundet. Den genererede friktionsvarme kan øge temperaturen betydeligt på meget kort tid. I bund og grund, højfrekvent lyd (ultralyd) bevirker, at hurtige vibrationer i materialerne svejses. Vibrationerne får materialerne til at gnide mod hinanden, og friktionen øger temperaturen ved kontaktfladerne. Denne hurtige friktionsvarme er det, der sætter betingelserne for, at materialerne kan binde sammen.

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

Så hvilke materialer og industrier drager fordel af denne smarte proces? Ultralydssvejsning af plast bruges i vid udstrækning til fremstilling af elektronik, medicinsk udstyr og bildele. For eksempel, ultralydssvejsning bruges til at lave elektriske forbindelser på computerkredsløb, og samle elektroniske komponenter såsom transformere, elmotorer og kondensatorer. Hospitalsudstyr, såsom katetre, ventiler, filtre og ansigtsmasker samles også ved hjælp af ultralydssvejsning. Emballageindustrien bruger denne teknik til at lave film, saml rør og blisterpakninger. Selv Ford Motor Company har undersøgt ved hjælp af ultralydssvejsning til fremstilling af aluminiums chassis i biler.

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

Ultralydssvejsning trin for trin

Den grundlæggende proces ved ultralydssvejsning kan beskrives ved følgende trin:

1. De dele, der skal svejses, placeres i ambolten eller armaturet.
2. Hornet kommer i kontakt med 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 for at opvarme materialerne. Vibrationerne bevæger sig mindre end en millimeter enten op og ned eller fra side til side.
5. Materialerne svejses sammen.
6. Hornet bliver trukket tilbage, og de svejsede materialer kan fjernes fra ambolten.

Svejsetiderne, anvendte tryk og temperaturer styres af en computer eller mikroprocessor i svejseudstyret. Og hvad der egentlig sker under svejseprocessen, afhænger af materialernes art. I metaller, ultralydsvibrationerne leveres parallelt med materialernes plan. Friktionsvarmen øger temperaturen på metaloverfladerne til omkring en tredjedel af smeltetemperaturen, men smelter ikke metallerne. I stedet, varmen fjerner metaloxider og film fra overfladerne. Dette tillader metalatomerne at bevæge sig mellem de to overflader og danne bindinger, der holder metallerne sammen.

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

De faktorer, der varierer ved ultralydssvejsning, er frekvensen af ​​lydbølgerne (normalt 20, 30 eller 40 kHz), det tryk, der påføres for at holde materialerne sammen, og den tid, hvor ultralydet påføres (brøkdele af et sekund til mere end et sekund).

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

Ultralydssvejsning i aktion

Se på et par sportssko. Selvom traditionelle sko kan være lavet af et enkelt materiale såsom lærred eller ruskind, mange sportssko har flere materialer, såsom lette plastpolymerer, ruskind eller syntetisk ruskind, og mesh kombineret. Disse kompositmaterialer gør skoene lette, fleksibel, holdbar og åndbar. For eksempel, en stil af New Balance atletisk sko har en øvre del, der består af tre dele.

• Et mønster af syntetisk ruskind kaldet en vamp - Vampen udgør størstedelen af ​​den øvre sko inklusive spidsen, tunge- og øjenrækker til snørebånd.
• Et mønster af syntetisk ruskind kaldet en sadeløje række - Sadeløjets række indeholder de øverste to øjer for at styrke snøring og reducere slid.
• Et lag maske - Masken omgiver hælpartiet af vampen og den øvre del af åbningen omkring anklen.

Men hvordan sætter du disse materialer sammen? Mest almindeligt, skofirmaer syr materialerne sammen. For cirka to til tre år siden, imidlertid, New Balance satte sig for at lave den øverste del af en sko uden at sy. Efter at have eksperimenteret med polymerklæbende film og strygejern, de fandt på en måde at lave denne del af skoen ved hjælp af ultralydssvejsning.

For at samle den øverste del af skoen, arbejdere starter med et stykke syntetisk ruskindsmateriale. De bruger en jernpresse til at binde et tyndt lag smeltefilm til bagsiden af ​​materialet. Næste, en ultralydssvejsesamling presser en mønstervamp ind i et ruskindsmateriale. Ligeledes, en lignende ultralydssvejsemaskine presser sadeløjets række fra et andet stykke syntetisk ruskind. Vampformen bliver skåret ud af ruskind. Sadeløjets række og mesh -materiale svejses ultralyd til vampen. I processerne, friktionsvarmen fra ultralydssvejseren smelter smeltefilmen, som binder sadeløjets række og maskematerialet til vampen. Den færdige vamp bliver derefter formet og knyttet til sål- og hælstykkerne ved hjælp af vandbaserede opløsningsmidler.

Ifølge Kenneth Straka, Senior produktudvikler for New Balance, ultralydssvejsemetoderne har øget produktiviteten ved at spare tid. Ikke alene fordeler ultralydssvejserne varme mere jævnt end jernpresser, de opvarmes og køles også hurtigere ned. Så, samleprocessen kræver færre trin og er hurtigere end traditionelle symetoder.

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

Hvorfor bruge ultralydssvejsemetoder?

Ultralydssvejsning har mange fordele i forhold til traditionelle metoder. For en, svejsning sker ved lave temperaturer i forhold til andre metoder. Så, producenten behøver ikke bruge store mængder brændstof eller anden energi for at nå høje temperaturer. Dette gør processen billigere. Det er også hurtigere og mere sikkert.

Processen forekommer i brøkdele af et sekund til sekunder. Så, det kan gøres hurtigere end andre metoder. Faktisk, det kan binde plast bedre og hurtigere end lim. For eksempel, de nye smarte nøgler i biler har en transponderchip i sig. Bilen kan kun starte, når den mærker chippen. For at lave nøglen, den ene ende af metalnøgleemnet og chippen placeres i den ene halvdel af plastpladen. Den anden halvdel placeres over dem og bindes til bundhalvdelen. Denne limning ville normalt udføres med lim, som tager tid at helbrede. Den samme opgave kan udføres med ultralydssvejsning på mindre end et sekund.

Ultralydssvejsning kræver ikke brandfarligt brændstof og åben ild, så sammenlignet med andre svejsemetoder, det er en mere sikker proces. Arbejdstagere udsættes ikke for brandfarlige gasser eller skadelige opløsningsmidler. Inden for elektronik, kobbertråde er normalt bundet til elektriske kontakter på printkort med lodning. Den samme opgave kan udføres ved hjælp af ultralydssvejsning på en brøkdel af tiden og uden at udsætte arbejdere for dampe fra ulmende blylodder. Selvom arbejdernes hørelse kan blive beskadiget ved udsættelse for højfrekvent lyd, denne potentielle fare reduceres let ved at lukke ultralydssvejsemaskinen i en sikkerhedsboks eller et bur og/eller bruge høreværn.

Endelig, ultralydssvejsninger er lige så stærke og holdbare som konventionelle svejsninger af de samme materialer - hvilket kun er en af ​​grundene til, at metoden bruges i bilfremstilling. For at gøre biler lettere og mere brændstofeffektive, bilproducenter henvender sig til aluminium som hovedmetallet i bilkarosserier. Ultralydssvejsning kan bruges til at binde metallet på kortere tid og ved lavere temperaturer end traditionel svejsning.

Ultralydssvejsning har sine begrænsninger, selvom. Først, dybderne af svejsningerne er 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. Sekund, det fungerer bedst ved svejsning af lignende materialer som lignende plast eller lignende metaller. Som du så med New Balance sko, ultralydssvejsning af forskellige materialer kræver et ekstra materiale - for New Balance -skoene, det er en film, der kan bindes mellem syntetisk ruskind og mesh.

På trods af disse begrænsninger, populariteten og potentialet ved ultralydssvejsning fortsætter med at vokse.

Masser mere information

relaterede artikler

• Sådan fungerer svejsning
• Sådan fungerer plastik
• Everyday Science:Iron Quiz
• Sådan fungerer et koldvarme loddejern
• Sådan fungerer jern og stål
• Sådan fungerer gummi

Kilder

• Arabe, KC, Undersøgelse af ultralydssvejsning, Industri Markedstrender, 27. august kl. 2003. (Adgang til 23. februar, 2011) http://news.thomasnet.com/IMT/archives/2003/08/exploring_ultra.html
• DSM Engineering Plastics, Ultralydssvejsning. (Adgang til 9. februar, 2011) http://www.dsm.com/en_US/html/dep/ultrasonic_welding.htm
• Dukane, Hvad er ultralydssvejsning? (Adgang til 9. februar, 2011) http://www.dukane.com/us/PPL_whatisUPA.htm
• EWF Teknisk ark, Ultralydssvejsningsproces. (Adgang til 9. februar, 2011) http://www.ewf.be/media/documentosDocs/doc_73_technical_sheet_-_ultrasonic_welding_.pdf
• Hetrick, ET et al., "Ultrasonic Metal Svejsningsproces Robusthed i Aluminium Automotive Body Construction Applications, "Svejsningstidsskrift 88:149S-158S, 2009. (Adgang til 23. februar, 2011) http://www.aws.org/wj/supplement/wj0709-149.pdf
• Hofmann, J, "Grundlaget for ultralyds plastsvejsning, "Maskindesign, 3. februar kl. 2005. (Adgang til 9. februar, 2011) http://machinedesign.com/article/fundamentals-of-ultrasonic-plastic-welding-0203
• Holt, K, "Undersøgelse af ultralydssvejsestakken, "Plastikdekorationssamling april-maj 2001, 18-21. (Adgang til 9. februar, 2011) http://www.herrmannmalaysia.com/uploads/media/Plastics_Decorationg_Assembly_April_May__01.pdf
• SABIC Innovative Plastics, Ultralydssvejsning. (Adgang til 9. februar, 2011) http://kbam.geampod.com/KBAM/Reflection/Assets/10638_2.pdf
• Sonobond Ultrasonics, Ofte stillede spørgsmål om ultralyd. (Adgang til 9. februar, 2011) http://www.sonobondultrasonic.com/ultra_tech.asp#plasticWelding
• Sonobond Ultrasonics, Ultrasonic Metal Svejsning Primer. (Adgang til 9. februar, 2011) http://www.sonobondultrasonic.com/pdf/Ultrasonic-Metal-Welding-Primer.pdf
• Soule, EN, "Inventor viser svejseprocessen for tv -seere, "Fairfield County Business Journal, 7. maj kl. 2007. (Adgang til 10. februar, 2011) http://findarticles.com/p/articles/mi_hb5262/is_200705/ai_n32185173/
• TWI, Ultralydssvejsning. (Adgang til 9. februar, 2011) http://www.twi.co.uk/content/pjkultrason.html
• TWI, Ultralydssvejsning af sprøjtestøbte komponenter del I, . (Adgang til 24. februar, 2011) http://www.twi.co.uk/content/jk61.html
• Weber, EN, "Økonomien ved ultralydssvejsning, "Forsamlingsblad, 1. august, 2003. (Adgang til 23. februar, 2011) http://www.assemblymag.com/Articles/Feature_Article/077a61025e5c9010VgnVCM100000f932a8c0____
• Wnek, J, "Ultralyds metal svejsning til trådsplejsning og afslutning, "AmTech. (Adgang til 23. februar, 2011) http://www.amtechultrasonic.com/articles_theory.asp