Конструкция сонотрода — ключ к успеху ультразвуковой сварки автомобильных агрегатов

Херрманну было поручено сварить изоляционные панели с алюминиевым покрытием для моторного отсека. Фото любезно предоставлено Herrmann Ultrasonics Inc.

Шестиосный робот использует ультразвуковой инструмент для точечной сварки для сборки пластиковых изоляционных панелей моторного отсека. Фото любезно предоставлено Herrmann Ultrasonics Inc.

Ультразвуковая сварка используется для крепления прозрачной пластиковой линзы к пластиковому корпусу с помощью герметичного уплотнения. Сложная трехмерная форма детали и поверхность класса А представляют собой сложную задачу для сварки. Фото любезно предоставлено Herrmann Ultrasonics Inc.

Для сборки вариантов модели дневных ходовых огней все части этого ультразвукового сварочного аппарата образуют «быстросменную инструментальную раму», которую можно отсоединить от основной машины и заменить на другую раму. Фото любезно предоставлено Herrmann Ultrasonics Inc.

Компания Herrmann представила новый ультразвуковой сварочный аппарат, который одновременно вырубает полиэфирную мембрану из рулона материала и приваривает ее к пластиковому корпусу. Фото любезно предоставлено Herrmann Ultrasonics Inc.

Этот ультразвуковой сварочный аппарат предлагает пять режимов работы: время, энергия, мощность, абсолютное расстояние (конечная точка расстояния сварки) и расстояние RPN (привязка глубины сварки к начальной точке). Фото любезно предоставлено Herrmann Ultrasonics Inc.

Ультразвуковая сварка широко применяется в автомобильной промышленности. Область применения варьируется от компонентов интерьера (обшивка боковых дверей, центральная консоль) до компонентов моторного отсека (крышка головки блока цилиндров, крышки двигателя), освещения, фильтров и акустических пенопластов. Сварочные аппараты можно приступать к работе сразу же, без времени на разогрев. Время цикла короткое, а потребление энергии низкое.

Чтобы процесс был эффективным, сварочный инструмент, называемый рупором или сонотродом, должен быть спроектирован так, чтобы соответствовать форме детали и при этом эффективно вибрировать. Это особенно актуально в автомобильной промышленности, где сочетание материалов и асимметричные формы могут затруднить сварку пластиковых деталей.

Имея более чем пятидесятилетний опыт соединения пластмасс, компания Herrmann Ultrasonics кое-что узнала о конструкции сонотрода.

Все технологии соединения достигают предела своих возможностей, когда приходится склеивать разные или сложные материалы, особенно если детали имеют асимметричную форму. Например, при сварке горячей пластиной эта проблема может привести к неравномерному распределению температуры. Некоторые области могут стать слишком горячими и образовать нити; другие области могут оставаться холодными и не будут иметь однородного соединения. При вибрационной сварке необходим дополнительный пластик в зоне стыка. В результате во время сварки образуется большое количество расплавленного материала. Этот материал может вытолкнуться из шва, создавая неприглядную линию соединения.

Ультразвуковая сварка также подвержена таким физическим ограничениям при соединении деталей сложной трехмерной формы. Однако, если сонотрод правильно подобран с помощью анализа методом конечных элементов (FEA), ультразвуковая сварка дает множество преимуществ:

В одном случае компании Herrmann было поручено сварить изоляционные панели с алюминиевым покрытием для моторного отсека. Комбинация материалов была убийственной: акустические маты из полиуретана (ПУ) с алюминиевым покрытием пришлось приклеивать к панелям из полипропилена (ПП), армированного стекловолокном. Если и этого было недостаточно, пришлось сварить шесть разных деталей.

Это приложение представляло собой настоящую проблему для постоянного и безопасного соединения компонентов. Клеи не подойдут из-за соображений стоимости и сочетания материалов. Зажимные элементы или винты были слишком рискованными, поскольку они могли ослабнуть во время работы двигателя. Ни один из других методов термического соединения, таких как лазерная сварка, инфракрасная сварка или вибрационная сварка, не подходил.

Первоначальные испытания с использованием ручного ультразвукового сварочного аппарата оказались положительными. Между матом из полиуретана и отлитой под давлением деталью из полипропилена может быть создано плотное соединение, несмотря на промежуточный слой алюминия. Ультразвуковые колебания смогли проникнуть через алюминиевое покрытие и подать энергию на молекулы в полипропиленовой детали.

Затем задача заключалась в том, как получить повторяемые результаты сварки и обеспечить требования заказчика к прочности на разрыв не менее 50 ньютонов на точку сварки. Износостойкая закаленная сталь оказалась подходящим материалом для сонотродов. Инженеры Herrmann определили места сварки и спроектировали сложные приспособления, включая систему зажима и датчики сканирования детали.