หลักการตัดและเชื่อมสายรัดด้วยคลื่นอัลตราโซนิค (Ultrasonic webbing and welding principle application)

หลักการของการตัดและเชื่อมด้วยคลื่นอัลตราโซนิค

การตัดและเชื่อมด้วยคลื่นอัลตราโซนิคเป็นสาขาย่อยของการประยุกต์ใช้คลื่นอัลตราโซนิคในอุตสาหกรรม และมีการใช้งานอย่างแพร่หลายมากขึ้นเรื่อยๆ เนื่องจากมีคุณสมบัติที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม มีประสิทธิภาพ และให้ผลลัพธ์ที่สวยงาม

หลักการตัดและเชื่อมด้วยคลื่นอัลตราโซนิค

การตัดและเชื่อมสายรัดด้วยคลื่นอัลตราโซนิคใช้การสั่นสะเทือนเชิงกลความถี่สูง 20-40 kHz ถ่ายทอดพลังงานไปยังพื้นผิวสัมผัสของสายรัดผ่านหัวเชื่อม 1. การแปลงพลังงาน: เครื่องกำเนิดคลื่นอัลตราโซนิคแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นการสั่นสะเทือนเชิงกลความถี่สูง ซึ่งจะถูกขยายโดยตัวแปลงแอมพลิจูดแล้วส่งไปยังหัวเชื่อม 2. การสร้างความร้อนจากแรงเสียดทาน: หัวเชื่อมกดลงบนสายรัด ทำให้เกิดแรงเสียดทานความถี่สูงระหว่างเส้นใยภายในสายรัด ทำให้เกิดอุณหภูมิสูงเฉพาะจุดทันทีที่ 500-1000℃ 3. การเชื่อมและการตัดพร้อมกัน: อุณหภูมิสูงทำให้เส้นใยของสายรัด (เช่น ไนลอนและโพลีเอสเตอร์) ละลาย ในขณะที่แรงกดของหัวเชื่อมอัดส่วนที่ละลายแล้ว ทำให้เกิดชั้นเชื่อมที่แข็งแรง หากใช้ร่วมกับหัวเชื่อมที่มีคมตัดเฉพาะ อุณหภูมิสูงสามารถตัดสายรัดได้พร้อมกัน ทำให้ได้ผลลัพธ์ "การตัด + การเชื่อม" แบบครบวงจร 4. การระบายความร้อนและการขึ้นรูป: หลังจากการสั่นสะเทือนหยุดลง แรงดันจะคงอยู่เป็นเวลา 0.1-0.5 วินาที เพื่อให้บริเวณที่เชื่อมเย็นตัวและแข็งตัวอย่างรวดเร็ว ทำให้กระบวนการตัดและเชื่อมเสร็จสมบูรณ์ (ระบบลมช่วยลดแรงกระแทก และยังช่วยให้เกิดการระบายความร้อนและการขึ้นรูปในระหว่างกระบวนการตัดและเชื่อมด้วย)

องค์ประกอบของระบบตัดและเชื่อมด้วยคลื่นอัลตราโซนิค

ระบบเชื่อมพลาสติกด้วยคลื่นอัลตราโซนิคที่ใช้กันทั่วไปประกอบด้วยส่วนประกอบหลักสามส่วน ได้แก่ เครื่องกำเนิดคลื่นอัลตราโซนิค (กล่องไฟฟ้า) ตัวแปลงสัญญาณอัลตราโซนิก (ตัวสั่น) และแม่พิมพ์อัลตราโซนิก (หัวแม่พิมพ์ หัวเชื่อม ฮอร์น)

เครื่องกำเนิดคลื่นอัลตราโซนิค (กล่องไฟฟ้า) ตัวแปลงสัญญาณอัลตราโซนิค (ตัวสั่น) แม่พิมพ์อัลตราโซนิค (หัวแม่พิมพ์ หัวเชื่อม ฮอร์น)

1. เครื่องกำเนิดคลื่นอัลตราโซนิค (กล่องไฟฟ้า): แปลงไฟบ้านให้เป็นเอาต์พุตความถี่สูงและแรงดันสูงที่เสถียร

2. ตัวแปลงสัญญาณอัลตราโซนิก (ออสซิเลเตอร์): อุปกรณ์อะคูสติกที่แปลงพลังงาน โดยเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานกล

3. เครื่องขยายเสียง: ความแรงของการสั่นสะเทือนเชิงกลของตัวแปลงสัญญาณจะถูกเปลี่ยนแปลงผ่านอัตราส่วนการขยายที่ออกแบบไว้ล่วงหน้า

4. แม่พิมพ์ (หัวเชื่อม, เขา): ออกแบบมาให้มีขนาดเฉพาะตามความต้องการของการเชื่อมและการตัด และออกแบบโดยคำนึงถึงคุณลักษณะทางเสียงเพื่อให้ตรงตามข้อกำหนดด้านการสั่นพ้องของระบบอัลตราโซนิก ด้านล่างนี้ ผมจะใช้สูตรต่างๆ เพื่ออธิบายปรากฏการณ์การปรับพารามิเตอร์ในการใช้งาน

พลังงาน = แอมพลิจูด * ความดัน * เวลา * ค่าคงที่ K = กำลัง * เวลา

สูตรข้างต้นแสดงให้เห็นว่าในการเชื่อมและการตัดนั้น แอมพลิจูดของคลื่นอัลตราโซนิก (ซึ่งสามารถตั้งค่าได้ที่เครื่องกำเนิดคลื่น) แรงดัน (แรงดันอากาศหรือแรงบิดของกระบอกสูบไฟฟ้า รวมถึงความแข็งแกร่งและความแข็งของโครงสร้าง) และเวลาในการปล่อยคลื่นมีความสัมพันธ์เชิงบวกกับผลลัพธ์ของการเชื่อมและการตัด กล่าวอีกนัยหนึ่ง หากชิ้นงานตัดไม่ดี สามารถปรับพารามิเตอร์เหล่านี้ให้เหมาะสมได้ นี่หมายความว่ายิ่งค่าพารามิเตอร์เหล่านี้สูงเท่าไหร่ก็ยิ่งดีเท่านั้นหรือ? แน่นอนว่าไม่ใช่!

พี = K∗A∗f∗δ โดยที่ P แทนกำลังการเชื่อมในหน่วยวัตต์

เค เป็นค่าคงที่ที่มีขนาดสัมพันธ์กับการนำเสียงและการกระจายพลังงานของวัสดุ นั่นหมายความว่าโดยทั่วไปแล้วเราจะกล่าวว่าวัสดุที่แตกต่างกันต้องการการปรับแต่งพารามิเตอร์ที่แตกต่างกันเพื่อให้ตรงตามความต้องการ

เอ แสดงถึงพื้นที่ของรอยเชื่อม ซึ่งวัดเป็นตารางเมตร (㎡) นี่คือพื้นผิวสัมผัสของรอยเชื่อม ดังนั้นความยาวและมุมของคมตัดมักจะเป็นตัวกำหนดพื้นที่นี้

เอฟ Hz คือความถี่อัลตราโซนิก ซึ่งหมายความว่าในทางทฤษฎีแล้ว ความถี่สูงจะทำให้การเชื่อมง่ายขึ้น อย่างไรก็ตาม ในทางอะคูสติก ยิ่งความถี่สูงเท่าไร การสร้างแอมพลิจูดขนาดใหญ่ก็ยิ่งยากขึ้นเท่านั้น หน่วยเป็นเฮิร์ตซ์ (Hz)

ง แสดงถึงแอมพลิจูด ซึ่งวัดเป็นเมตร (m) ตามทฤษฎีแล้ว แอมพลิจูดที่มากขึ้นจะส่งผลให้การเชื่อมและการตัดดีขึ้น อย่างไรก็ตาม อายุการใช้งานของวัสดุโลหะขึ้นอยู่กับความถี่ คุณสมบัติของวัสดุ ความเค้น เวลา ความดัน และความแข็ง และจึงได้รับผลกระทบจากพารามิเตอร์อื่นๆ ด้วย

ปัจจัย 6 ประการที่มีผลต่อผลลัพธ์ของการตัดและเชื่อมด้วยคลื่นอัลตราโซนิค:

แรงดัน + เวลา + โครงสร้างเชิงกล + วัสดุของผลิตภัณฑ์ + การแก้ไขข้อผิดพลาด

1. แรงดันการเชื่อมด้วยคลื่นอัลตราโซนิค

การใช้แรงกดที่เหมาะสมกับพื้นผิวการเชื่อมจะทำให้วัสดุเชื่อมเปลี่ยนสถานะจากยืดหยุ่นเป็นพลาสติก ส่งเสริมการแพร่กระจายของโมเลกุล และขับไล่อากาศที่เหลืออยู่ในการเชื่อม ทำให้ประสิทธิภาพการปิดผนึกของพื้นผิวการเชื่อมดีขึ้น โดยทั่วไปแรงกดจะไม่เกิน 0.5 MPa

2. เวลาในการเชื่อม/ตัดด้วยคลื่นอัลตราโซนิค (เวลาในการปล่อยคลื่น)

เวลาในการหลอมเหลวที่เหมาะสมและเวลาในการเย็นตัวที่เพียงพอเป็นสิ่งสำคัญ หากใช้ความร้อนคงที่ เวลาที่ไม่เพียงพอจะทำให้การเชื่อมไม่สมบูรณ์ ในขณะที่เวลาที่มากเกินไปจะทำให้รอยเชื่อมเสียรูป เกิดตะกรันล้น และบางครั้งอาจเกิดจุดร้อน (การเปลี่ยนสี) ในบริเวณที่ไม่ได้รับการเชื่อม จึงจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องแน่ใจว่าพื้นผิวรอยเชื่อมดูดซับความร้อนได้เพียงพอจนถึงสถานะหลอมเหลวอย่างสมบูรณ์ เพื่อรับประกันการแพร่กระจายและการหลอมรวมของโมเลกุลอย่างเพียงพอ ในขณะเดียวกัน เวลาในการเย็นตัวที่เพียงพอก็จำเป็นเพื่อให้รอยเชื่อมมีความแข็งแรงที่เพียงพอ

3. แอมพลิจูดอัลตราโซนิก

4. โครงสร้างเชิงกล

ความแม่นยำและความเสถียรของการผลิตโครงสร้างส่งผลโดยตรงต่อผลลัพธ์ของการเชื่อม โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับผลิตภัณฑ์ที่มีความแม่นยำสูง ซึ่งโครงสร้างทางกลต้องสอดคล้องกับความแม่นยำของผลิตภัณฑ์

5. วัสดุของผลิตภัณฑ์

ปัจจัยต่างๆ เช่น วัสดุของชิ้นส่วนที่เชื่อม โครงสร้าง ความหนา และความต้านทานแรงดัน ล้วนส่งผลโดยตรงต่อผลลัพธ์ของการเชื่อม

6. การแก้ไขข้อบกพร่องของอุปกรณ์

โดยสรุปแล้ว เพื่อให้ผลิตภัณฑ์สามารถตัดและเชื่อมด้วยคลื่นอัลตราโซนิคได้ผลลัพธ์ที่ดีที่สุด การปรับแต่งอุปกรณ์ก็เป็นสิ่งสำคัญเช่นกัน การจับคู่และการปรับพารามิเตอร์ต่างๆ อย่างยืดหยุ่น และการปรับแต่งอุปกรณ์หน้างานโดยวิศวกรมีบทบาทสำคัญอย่างยิ่ง