การเชื่อมด้วยคลื่นเสียง

การเชื่อมแบบอัลตราโซนิกใช้การสั่นสะเทือนแบบอะคูสติกแบบอัลตราโซนิกความถี่สูงที่ใช้กับชิ้นส่วนที่ประกอบเข้าด้วยกันภายใต้แรงดันต่ำ วิธีการเชื่อมนี้มักใช้ในการเชื่อมเทอร์โมพลาสติก และเมื่อการสลักเกลียว การบัดกรี หรือการติดกาวไม่เหมาะสม

แม้ว่าการเชื่อมแบบอัลตราโซนิกจะได้รับการพัฒนาตั้งแต่ช่วงต้นทศวรรษที่ 1940 แต่ก็มีการใช้ครั้งแรกในอุตสาหกรรมในช่วงต้นทศวรรษ 1960 เพื่อเชื่อมลวดขนาดเล็กในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ ในปี พ.ศ. 2506 เริ่มมีการใช้การเชื่อมแบบอัลตราโซนิกเพื่อเชื่อมพอลิเอทิลีน ตั้งแต่นั้นมา การเชื่อมแบบอัลตราโซนิกได้ถูกนำมาใช้ในการเชื่อมอะลูมิเนียมและโลหะแผ่นบางในอุตสาหกรรมยานยนต์ (โมดูลจุดระเบิด ขั้วต่อสายไฟ สายไฟ)

กระบวนการช้าในการตระหนักถึงข้อดีของการเชื่อมแบบอัลตราโซนิกในอุตสาหกรรมเกิดจากการขาดอุปกรณ์อัลตราโซนิกที่ทรงพลังที่สามารถรับประกันคุณภาพการเชื่อมที่สม่ำเสมอแม้กับชิ้นส่วนขนาดใหญ่เป็นผลให้การวิจัยในทศวรรษที่ 1980 และ 1990 มุ่งเน้นไปที่การพัฒนาอุปกรณ์อัลตราซาวนด์เป็นหลัก

แม้ว่าการเชื่อมแบบอัลตราโซนิกจะใช้การสั่นสะเทือน แต่วิธีนี้แตกต่างจาก "การเชื่อมแบบสั่นสะเทือน" หรือที่เรียกว่าการเชื่อมด้วยแรงเสียดทาน ในกรณีของการเชื่อมแบบสั่นสะเทือน ชิ้นส่วนหนึ่งที่จะเชื่อมต่อจะถูกยึดเข้าที่และอีกชิ้นหนึ่งจะสั่น (โดยไดรฟ์แม่เหล็กไฟฟ้าหรือไฮดรอลิก)

การเชื่อมด้วยคลื่นเสียงจะยึดชิ้นส่วนทั้งสองให้เข้าที่และใช้คลื่นเสียงความถี่สูงเพื่อสร้างแรงเสียดทาน พลังงานอะคูสติกสร้างแรงเสียดทานและสร้างความร้อนที่ส่งผลให้ชิ้นส่วนถูกเชื่อมในเวลาน้อยกว่าหนึ่งวินาที ทำให้การเชื่อมแบบอัลตราโซนิกเป็นหนึ่งในการเชื่อมที่เร็วที่สุดในปัจจุบัน

กระบวนการเชื่อมด้วยอัลตราโซนิกเป็นไปโดยอัตโนมัติอย่างสมบูรณ์และดำเนินการในการติดตั้งพิเศษ หลักการของการเชื่อมแบบอัลตราโซนิกแสดงในรูปที่ 1 และองค์ประกอบของการติดตั้งทั่วไปแสดงในรูปที่ 2.

ข้าว. 1. หลักการเชื่อมแบบอัลตราโซนิก: a — การจัดตำแหน่งชิ้นส่วน b — การสัมผัสชิ้นส่วนด้วยปลาย c — การใช้แรงกด d — การเชื่อม e — การถือ f — การยกปลาย

ข้าว. 2. แผนภาพการประกอบสำหรับการเชื่อมแบบโซนิค

เครื่องกำเนิดไฟฟ้า (ในหน่วยแยกต่างหาก) ใช้เพื่อแปลงการสั่นสะเทือนทางไฟฟ้าจากเครือข่ายเป็นความถี่สูง (20 ... 60 kHz) ตัวแปลงสัญญาณที่ใช้องค์ประกอบเพียโซอิเล็กทริกจะแปลงการสั่นสะเทือนทางไฟฟ้าเป็นอะคูสติก แอมพลิฟายเออร์และโซโนโทรดเป็นองค์ประกอบเรโซแนนซ์แบบพาสซีฟของการติดตั้งซึ่งทำหน้าที่ถ่ายโอนการสั่นสะเทือนจากทรานสดิวเซอร์ไปยังชิ้นส่วนต่างๆ

โดยทั่วไปแล้ว เครื่องเชื่อมแบบอัลตราโซนิกจะติดตั้งชุดเครื่องขยายสัญญาณที่มีอัตราส่วนการแปลงดิสเพลสเมนต์ต่างกันรูปร่างของ sonotrode ถูกกำหนดโดยการกำหนดค่าการเชื่อมที่จำเป็น การสั่นตามแนวรัศมี ขอบ และการสั่นของคลื่นอื่นๆ จะขึ้นอยู่กับรูปร่างของโซโนโทรด แต่ละตะเข็บต้องใช้โซโนโทรดของตัวเอง

สาระสำคัญทางกายภาพของกระบวนการประกอบด้วยการสั่นสะเทือนที่รุนแรงมากของแอมพลิจูดขนาดเล็กที่สัมผัสของสองส่วน การสั่นสะเทือนรวมกับแรงดันจะขจัดสิ่งเจือปนและออกไซด์ออกจากพื้นผิวของชิ้นส่วน อิเลคตรอนเริ่มไหลระหว่างชิ้นส่วน ก่อตัวเป็นรอยต่อทางโลหะวิทยา

การเชื่อมด้วยคลื่นเสียงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการเชื่อมต่อทางไฟฟ้า การเชื่อมอลูมิเนียมและทองแดง การปิดผนึกปลายท่อทองแดง การเชื่อมพลาสติก การฝังชิ้นส่วนโลหะในพลาสติก

ข้าว. 3. ข้อต่อที่ทำโดยการเชื่อมแบบอัลตราโซนิก

การเชื่อมพลาสติกแบบอัลตราโซนิกทำให้ได้รอยต่อที่เชื่อถือได้มากกว่าวิธีอื่นๆ ในกรณีนี้ การเชื่อมพลาสติกแบบอัลตราโซนิกจะแตกต่างจากการเชื่อมโลหะโดยพื้นฐาน

ประการแรก การเชื่อมโลหะแบบอัลตราโซนิกเกิดขึ้นโดยใช้การสั่นสะเทือนตามขวางขนานกับพื้นผิวที่เชื่อม การเชื่อมด้วยคลื่นเสียงของพลาสติกใช้การสั่นตามแนวยาวซึ่งเป็นเรื่องปกติ (เช่น ที่มุมฉาก) กับพื้นผิวที่กำลังเชื่อม รูปร่างของ sonotrodes ซึ่งส่งการสั่นสะเทือนแบบอัลตราโซนิกไปยังตะเข็บโลหะและพลาสติกก็แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง

ประการที่สอง เมื่อทำการเชื่อมโลหะ รอยต่อจะถูกสร้างขึ้นโดยแรงเสียดทานของพื้นผิว ซึ่งทำให้เกิดการเชื่อมต่อที่เหนียวแน่นโดยไม่ทำให้วัสดุหลอมละลายการเชื่อมชิ้นส่วนพลาสติกด้วยอัลตราโซนิกขึ้นอยู่กับการหลอมวัสดุในลักษณะเดียวกับวิธีการเชื่อมแบบดั้งเดิมอื่นๆ เช่น การเชื่อมอาร์ค การเชื่อมด้วยแรงต้านทาน หรือการเชื่อมด้วยเลเซอร์) แต่ในช่วงอุณหภูมิที่ต่ำกว่ามาก

ข้าว. 4. อุปกรณ์เชื่อมอัลตราโซนิก

ข้อดีของการเชื่อมด้วยคลื่นเสียง:

1. ไม่จำเป็นต้องทำความสะอาดพื้นผิวพิเศษ

2. ไม่ต้องการบรรยากาศการป้องกัน

3. ไม่ต้องใช้วัสดุสิ้นเปลืองในการเชื่อม (ลวด อิเล็กโทรด บัดกรี ฯลฯ)

4. การใช้พลังงานต่ำ

5. ใช้เวลาในการประกบสั้น ๆ เพื่อสร้างข้อต่อ (ประมาณหนึ่งในสี่ของวินาที)

6. กระบวนการเชื่อมอัตโนมัติเต็มรูปแบบและความเป็นไปได้ในการรวมเข้ากับกระบวนการผลิตอื่น ๆ ได้ง่าย

7. ความเป็นไปได้ของการเชื่อมวัสดุที่มีลักษณะแตกต่างกัน รวมถึงวัสดุที่ไวต่ออุณหภูมิสูง เนื่องจากความร้อนจำนวนเล็กน้อยถูกสร้างขึ้นระหว่างการเชื่อม

8. เชื่อมรายละเอียดทุกชนิด

9. รอยเชื่อมที่เกิดจากกระบวนการนี้ดูสวยงามและเรียบร้อย

10. การเชื่อมด้วยอัลตราโซนิกไม่ใช้สารเคมีที่มีฤทธิ์กัดกร่อนและก่อให้เกิดควันเล็กน้อยซึ่งแตกต่างจากวิธีอื่นๆ

ข้อ จำกัด ของการเชื่อมด้วยคลื่นเสียง:

1. ข้อจำกัดที่ร้ายแรงที่สุดในการใช้การเชื่อมแบบอัลตราโซนิกคือขนาดของชิ้นส่วนที่เชื่อม — ไม่เกิน 250 มม. นี่เป็นเพราะข้อจำกัดด้านกำลังเอาต์พุตของทรานสดิวเซอร์ การไร้ความสามารถของโซโนโทรดในการส่งคลื่นอัลตราซาวนด์กำลังสูงมากๆ และความยากลำบากในการควบคุมแอมพลิจูด

2. การเชื่อมด้วยคลื่นเสียงยังต้องการความชื้นที่ต่ำกว่าในวัสดุที่เข้าร่วมมิฉะนั้นควรใช้การเชื่อมแบบสั่นสะเทือน

3. การเชื่อมด้วยอัลตราโซนิกไม่มีประสิทธิภาพสำหรับการเชื่อมวัสดุที่มีผนังหนา ชิ้นส่วนที่จะเชื่อมต่ออย่างน้อยหนึ่งชิ้นต้องมีน้ำหนักเบา เนื่องจากมัน «ดูดซับ» พลังงานจำนวนมาก