В музыкальной комедии 1982 года «Виктор Виктория» Джули Эндрюс поет высокую ноту в конце выступления своего персонажа в парижском кабаре. Она поддерживает записку, и бокалы с шампанским разлетаются по комнате. Это блестяще продемонстрировало, как высокие или высокочастотные звуки могут разрушать материалы. Но знаете ли вы, что высокочастотные звуки можно использовать для соединения материалов? Технология, называемая ультразвуковой сваркой, используется для сборки изделий из многих отраслей - от медицинских устройств до спортивной обуви и автомобилей.
Обычно материалы можно скреплять с помощью таких крепежных элементов, как гвозди, шурупы или резьба. Это подходит для металлов, дерева, тканей и пластмасс. Для многих пластмасс используются клеи; клеи образуют химические связи между самим клеем и поверхностями склеиваемых пластиковых материалов. Металлы можно скреплять, нагревая другие металлы в качестве связующего вещества, например свинцового припоя в электрических соединениях. В качестве альтернативы металлы могут быть непосредственно сплавлены друг с другом (сварка); как только поверхности расплавленного металла остывают, металлы соединяются друг с другом. Для сварки обычно требуется открытое пламя или горелка для достижения высоких температур, необходимых для расплавления металлических поверхностей. Таким образом, это может быть дорогостоящим процессом для некоторых производственных работ.
В 1940-х годах появился новый, более экономичный метод сварки. Этот метод, ультразвуковая сварка, использовал высокочастотные звуковые волны и давление для соединения металлов вместе и требовал меньше энергии, чем обычная сварка. Ультразвуковая сварка металлов развивалась в период с 1950-х по 1990-е годы, когда электроника, используемая в оборудовании, стала более сложной, и компьютеры могли контролировать процесс. С этого времени техника стала применяться в пластике, где действительно стала популярной.
В этой статье мы рассмотрим оборудование и физический процесс ультразвуковой сварки, как компания New Balance использовала его для изготовления спортивной обуви, а также преимущества и недостатки этого метода. Во-первых, давайте подробнее рассмотрим, как звуковые волны связывают материалы, как металл, так и пластик.
Особая благодарность
Мы хотели бы поблагодарить Кеннета Страка, старшего разработчика продуктов New Balance, за помощь в написании этой статьи.
Ультразвуковая сварка и трение
Быстро потрите руки. Заметили что-нибудь? Они согрелись, да? Если вы возьмете молоток и будете быстро и многократно стучать по металлической поверхности, вы обнаружите, что место, где молоток ударяет по металлу, тоже нагревается. В обоих этих примерах тепло возникает из-за трения. А теперь представьте, что вы потираете руки или бьете молотком тысячи раз в секунду. Возникающее при трении тепло может значительно поднять температуру за очень короткое время. По сути, высокочастотный звук (ультразвук) вызывает быстрые вибрации в свариваемых материалах. Вибрации заставляют материалы тереться друг о друга, а трение повышает температуру на контактирующих поверхностях. Это быстрое тепло трения создает условия для соединения материалов.
Ультразвуковое сварочное оборудование состоит из четырех основных частей. Блок питания преобразует электричество низкой частоты (50-60 Гц) в электричество высокой частоты (20-40 кГц; 1 кГц=1000 Гц). Затем преобразователь или преобразователь преобразует высокочастотное электричество в высокочастотный звук (ультразвук). Усилитель усиливает ультразвуковые колебания. Наконец, рожок илисонотрод фокусирует ультразвуковые колебания и передает их на свариваемые материалы. Помимо этих частей, есть наковальня, на которой укладываются и удерживаются свариваемые материалы. Существует также метод приложения силы (обычно давление воздуха, создаваемое пневматическим поршнем), чтобы удерживать материалы вместе во время сварки.
Итак, какие материалы и отрасли промышленности используют преимущества этого умного процесса? Ультразвуковая сварка пластмасс широко используется в производстве электроники, медицинских приборов и деталей автомобилей. Например, ультразвуковая сварка используется для электрических соединений на платах компьютеров и сборки электронных компонентов, таких как трансформаторы, электродвигатели и конденсаторы. Медицинские устройства, такие как катетеры, клапаны, фильтры и лицевые маски, также собираются с помощью ультразвуковой сварки. Упаковочная промышленность использует эту технику для изготовления пленок, сборки туб и блистерных упаковок. Даже Ford Motor Company изучала использование ультразвуковой сварки для изготовления алюминиевых шасси автомобилей.
Теперь, когда вы знаете основы ультразвуковой сварки, давайте рассмотрим сам процесс сварки.
Ультразвуковая сварка шаг за шагом
Основной процесс ультразвуковой сварки можно описать следующими этапами:
- Свариваемые детали помещаются в наковальню или приспособление.
- Рупор контактирует со свариваемыми деталями.
- Давление прикладывается, чтобы удерживать рупор в контакте со свариваемыми материалами и удерживать их вместе.
- Ропор излучает ультразвуковые колебания для нагрева материалов. Вибрации перемещаются менее чем на миллиметр вверх-вниз или из стороны в сторону.
- Материалы сварены вместе.
- Ропор втягивается, и сваренные материалы могут быть удалены с наковальни.
Время сварки, прилагаемое давление и температура контролируются компьютером или микропроцессором внутри сварочного аппарата. И то, что на самом деле происходит в процессе сварки, зависит от природы материалов. В металлах ультразвуковые колебания распространяются параллельно плоскости материалов. Теплота трения повышает температуру металлических поверхностей примерно до одной трети температуры плавления, но не плавит металлы. Вместо этого тепло удаляет оксиды металлов и пленки с поверхностей. Это позволяет атомам металла перемещаться между двумя поверхностями и образовывать связи, удерживающие металлы вместе.
В случае пластмасс колебания перпендикулярны плоскости материалов, а тепло трения увеличивает температуру, достаточную для расплавления пластмасс. Молекулы пластика смешиваются и образуют связи. После остывания пластиковые поверхности свариваются между собой. Время сварки может варьироваться, но сварные швы могут образовываться всего за 0,25 секунды.
Факторами, которые различаются при ультразвуковой сварке, являются частота звуковых волн (обычно 20, 30 или 40 кГц), давление, прикладываемое для удержания материалов вместе, и время, в течение которого применяется ультразвук (доли от секунды до более чем одной секунды).
Описанные выше методы ультразвуковой сварки хороши для материалов (металлов, пластмасс). А как быть с материалами, которые не похожи. Давайте ответим на этот вопрос, взглянув на то, как компания New Balance использовала ультразвуковую сварку для сборки спортивной обуви.
Ультразвуковая сварка в действии
Посмотрите на пару кроссовок. В то время как традиционная обувь может быть изготовлена из одного материала, такого как холст или замша, многие спортивные туфли состоят из нескольких материалов, таких как легкие пластиковые полимеры, замша или синтетическая замша и сетка. Эти композитные материалы делают обувь легкой, гибкой, прочной и дышащей. Например, одна модель спортивной обуви New Balance имеет верхнюю часть, состоящую из трех частей.
- Выкройка из синтетической замши, называемая союзкой - союзка составляет большую часть верха обуви, включая носок, язычок и проушины для шнурков.
- Узор из синтетической замши, называемый седловидным рядом - седловидный ряд содержит две самые верхние петли для усиления шнуровки и уменьшения износа.
- Слой сетки - Сетка окружает пяточную часть союзки и верхнюю часть отверстия вокруг лодыжки.
Но как собрать эти материалы вместе? Чаще всего обувные компании сшивают материалы вместе. Однако около двух-трех лет назад компания New Balance решила сделать верхнюю часть обуви без швов. После экспериментов с полимерными клейкими пленками и утюгами они придумали способ изготовления этой части обуви с помощью ультразвуковой сварки.
Чтобы собрать верхнюю часть обуви, рабочие начинают с куска синтетического замшевого материала. Они используют железный пресс для приклеивания тонкого листа термоплавкой пленки к обратной стороне материала. Затем узел ультразвуковой сварки вдавливает союзку с рисунком в замшевый материал. Точно так же аналогичный ультразвуковой сварочный аппарат прижимает седельный ряд из другого куска синтетической замши. Форма союзки вырезается из замши. Ряд седельных проушин и сетчатый материал привариваются к союзке ультразвуком. В этих процессах тепло трения ультразвукового сварочного аппарата плавит пленку горячего расплава, которая соединяет ряд седловидных проушин и материал сетки с союзкой. Затем готовой союзке придают форму и приклеивают ее к подошве и пятке с помощью растворителей на водной основе.
По словам Кеннета Страка, старшего разработчика продукции New Balance, методы ультразвуковой сварки повысили производительность за счет экономии времени. Ультразвуковые сварочные аппараты не только распределяют тепло более равномерно, чем прессы для железа, они также быстрее нагреваются и остывают. Таким образом, процесс сборки требует меньше шагов и выполняется быстрее, чем традиционные методы шитья.
Теперь, когда мы увидели, как ультразвуковая сварка используется для соединения различных материалов, давайте рассмотрим преимущества и недостатки этой техники.
Зачем использовать методы ультразвуковой сварки?
Ультразвуковая сварка имеет много преимуществ перед традиционными методами. Во-первых, сварка происходит при более низких температурах по сравнению с другими методами. Таким образом, производителю не нужно расходовать огромное количество топлива или другой энергии для достижения высоких температур. Это удешевляет процесс. Это также быстрее и безопаснее.
Процесс происходит за доли секунды до секунд. Таким образом, это может быть сделано быстрее, чем другие методы. Фактически, он может склеивать пластмассы лучше и быстрее, чем клей. Например, новые смарт-ключи в автомобилях имеют чип-транспондер. Автомобиль может завестись только тогда, когда он обнаружит чип. Чтобы сделать ключ, один конец металлической заготовки ключа и чип помещаются в одну половину пластиковой крышки. Другая половина помещается поверх них и приклеивается к основной половине. Это склеивание обычно выполняется с помощью клея, для отверждения которого требуется время. Та же задача может быть выполнена с помощью ультразвуковой сварки менее чем за секунду.
Ультразвуковая сварка не требует легковоспламеняющихся видов топлива и открытого пламени, поэтому по сравнению с другими методами сварки это более безопасный процесс. Рабочие не подвергаются воздействию легковоспламеняющихся газов или вредных растворителей. В электронике медные провода обычно соединяются с электрическими контактами на печатных платах с помощью припоя. Та же задача может быть выполнена с помощью ультразвуковой сварки за короткое время и без воздействия на рабочих паров тлеющего свинцового припоя. Хотя слух рабочих может быть поврежден воздействием высокочастотного звука, эту потенциальную опасность легко уменьшить, поместив ультразвуковой сварочный аппарат в защитный бокс или клетку и/или используя средства защиты органов слуха..
Наконец, ультразвуковая сварка такая же прочная и долговечная, как и обычная сварка тех же материалов, что является лишь одной из причин, по которой этот метод используется в автомобилестроении. Чтобы сделать автомобили легче и экономичнее, автопроизводители обращаются к алюминию как основному металлу в кузовах автомобилей. Ультразвуковая сварка может использоваться для соединения металла за меньшее время и при более низких температурах, чем традиционная сварка.
Ультразвуковая сварка имеет свои ограничения. Во-первых, глубина сварных швов составляет менее миллиметра, поэтому этот процесс лучше всего работает на тонких материалах, таких как пластик, проволока или тонкие листы металла. Ультразвуковая сварка стальной балки для здания нецелесообразна. Во-вторых, он лучше всего работает при сварке подобных материалов, таких как аналогичные пластмассы или аналогичные металлы. Как вы видели на примере обуви New Balance, для ультразвуковой сварки разнородных материалов требуется дополнительный материал - в случае обуви New Balance это пленка, которую можно приклеить между синтетической замшей и сеткой.
Несмотря на эти ограничения, популярность и потенциал ультразвуковой сварки продолжают расти.
Часто задаваемые вопросы
Для чего используется ультразвуковая сварка?
Ультразвуковая сварка используется для соединения двух кусков материала вместе. В процессе используются высокочастотные звуковые волны для создания трения между двумя кусками материала, которое расплавляет материал и образует связь.