Как работает ультразвуковая сварка

В музыкальной комедии 1982 года «Виктор Виктория» Джули Эндрюс поет высокую ноту в конце выступления своего персонажа в парижском кабаре. Она удерживает записку, и бокалы с шампанским по комнате разбиваются. 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 во многих отраслях промышленности — от медицинских приборов до спортивной обуви и автомобилей.

Обычно скрепить материалы можно с помощью таких крепежных элементов, как гвозди, шурупы или нить. Подходит для металлов, дерева, тканей и пластмасс. Для многих пластмасс используются клеи; клеи образуют химические связи между самим клеем и поверхностями склеиваемых пластмассовых материалов. Металлы можно скрепить вместе, нагревая другие металлы в качестве связующего вещества, например, свинцовый припой в электрических соединениях. Альтернативно, металлы можно непосредственно расплавить (сварка); Как только расплавленные металлические поверхности остынут, металлы сцепятся друг с другом. Для сварки обычно требуется открытое пламя или горелка для достижения высоких температур, необходимых для плавления металлических поверхностей. Таким образом, для некоторых производственных работ это может быть дорогостоящим процессом.

Новый, более экономичный метод сварки был внедрен в 1940-х годах. Этот метод ультразвуковой сварки использует высокочастотные звуковые волны и давление для соединения металлов и требует 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 управлять процессом. С этого времени эту технику стали применять и к пластмассам, где она действительно стала популярной.

В этой статье мы рассмотрим оборудование и физический процесс ультразвуковой сварки, то, 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.

Мы хотели бы поблагодарить Кеннета Страку, старшего разработчика продуктов New Balance, за помощь в написании этой статьи.

Быстро потрите руки. Заметили что-нибудь? Они согрелись, да? Если вы возьмете молоток и будете быстро и многократно ударять по металлической поверхности, вы обнаружите, что место удара молотка по металлу тоже нагревается. В обоих этих примерах тепло возникает из-за трения. А теперь представьте, что вы потираете руки или стучите молотком тысячи раз в секунду. Выделяемое при трении тепло может значительно повысить температуру за очень короткое время. По сути, высокочастотный звук (ультразвук) вызывает быстрые вибрации свариваемых материалов. Вибрации заставляют материалы тереться друг о друга, а трение повышает температуру соприкасающихся поверхностей. Это быстрое тепло от трения создает условия для соединения материалов.

Ультразвуковое сварочное оборудование состоит из четырех основных частей. Источник питания преобразует низкочастотное электричество (50–60 Гц) в высокочастотное электричество (20–40 кГц; 1 кГц = 1000 Гц). Затем преобразователь или преобразователь преобразует высокочастотное электричество в высокочастотный звук (ультразвук). Усилитель усиливает ультразвуковые колебания. Наконец, рупор или сонотрод фокусирует ультразвуковые колебания и доставляет их к свариваемым материалам. Помимо этих деталей, есть наковальня, на которой складывают и удерживают свариваемые материалы. Существует также метод применения силы (обычно давления воздуха, подаваемого пневматическим поршнем) для удержания материалов вместе во время сварки.

Так какие же материалы и отрасли используют этот умный процесс? Ультразвуковая сварка пластмасс широко используется при изготовлении электроники, медицинских приборов и автомобильных деталей. Например, ультразвуковая сварка используется для выполнения электрических соединений на компьютерных платах и сборки электронных компонентов, таких как трансформаторы, электродвигатели и конденсаторы. Медицинские устройства, такие как катетеры, клапаны, фильтры и маски для лица, также собираются с помощью ультразвуковой сварки. Упаковочная промышленность использует эту технику для изготовления пленок, туб и блистерных упаковок. Даже компания Ford Motor исследовала возможность использования ультразвуковой сварки для изготовления алюминиевых шасси автомобилей.

Блог