Transcript SAMMANFOGNING: Ultraljudsvetsning, del 2

BEARBETNING FRÅN A TILL Ö
FOGNINGSMETODER DEL 2
DEL 1 PUBLICERADES I NUMMER 4 2005
ULTRALJUDSVETSNING
A
Ö
Konstruktion av ytor som ska fogas
■ Ytor som ska fogas kan förses Vformiga energiriktare (svetsledare)
eller svetsas ihop genom kantberöring (kläm och skjuvfogning). Som
påpekats används V-formiga svetsledare vid fogning av amorfa plaster
men även för vissa delkristallina
plaster vid mindre krav på täthet
i fogen. Svetsledarens toppvinkel är
vanligen 90 grader och anpassas
fogens bredd och materialet som
fogas.
Med hjälp av en trapputformning undviker man skägg (svetsnäsa). Vid påsvetsning av ett lock
på en cylindrisk behållare kan skäg-
get i svetsfogen bli synligt eller
osynligt beroende på om trappan
i locket är placerad på ut- eller insidan. Skäggbildning kan också undvikas genom att införa fickor (flash
traps) för överflödig plast. Sådana
fickor kan konstrueras både för
stumfogar med energiriktare och
klämfogar.
En speciell typ av trappfog är
”spont i ränna”. Vid stora krav på
tätt förband införs en gummitätning.
Klämfogar (skjuvfogar) föredras
då man vill åstadkomma täta svetsar
i hårda delkristallina material som
acetalplast och polyamider. Metoden kallas ibland för skalsvetsning
och parternas ytor kan konstrueras
på flera sätt. Parterna precisionssprutas med hyggliga toleranser och
spelet mellan dem ska vara snävt
(glidpassning). Dessutom är en god
passning till fixturen nödvändig och
vid behov behöver den undre parten ett extra stöd för att ej deformeras.
Speciella klämfogar (pinch joints)
är ett alternativ till standardfogen.
Fogutformningen innehåller en
fälla för smält plast så att skäggbildningen hålls under kontroll.
Undvikande av svetsnäsa (med ”step joint”)
Gömd svets på in- och utsida
Fickor för överflödig plast (flash trap)
Spont i ränna och trappfog
Extra tätning med gummilist
Typisk klämfog
Klämfogar
Speciella klämfogar (pinch weld joint)
PLASTFORUM Nr 7 2005
41
BEARBETNING FRÅN A TILL Ö
Tappsvetsning
(bultsvetsning)
Plastnitning
med ultraljud
■ Ultraljudssvetsning med tapp är en
variant på klämsvetsning och är således
lämplig när de gäller delkristallina plaster. Tappen och hålet kan utformas på
olika sätt. Effektåtgången är liten och
svetsningen kan utföras på mindre än en
halv sekund. Styrkanten kan vara placerad i tappen eller hålet. Lämplig bredd är
0,25–0,4 mm då tappen har en diameter
av 10 mm. Om tappen ska fylla ett öppet
hål bör hålet vara djupare än tappens
längd för att undvika utpressning av
material.
Tappsvetsning förekommer även
i blindhål så att fogen blir osynlig. Hålet
ska vara så djupt att det bildas en ficka
för luft och en del av den smälta plasten.
Är tappen ihålig sker avluftning automatiskt.
Men hjälp av tappsvetsning kan man
låsa fast ett annat material mellan parterna till exempel rakbladet i en engångshyvel av plast.
■ Vanligen utformas hornet så att nithuvudets diameter blir dubbelt så stor
som nitstolpens diameter, vilket är standard. Vid lågprofilutformning erhålls ett
klenare nithuvud. Nitroten konstrueras
alltid med en väl tilltagen radie även om
den inte framgår av vidstående figurer.
Volymen hos kaviteten i hornet ska vara
lika med den volym hos plastniten, som
ska klämmas ihop till ett nithuvud enligt
vidstående beräkningar.
Ett horn med en spets i mitten används för nitar med en tappdiameter av
större än 2 mm. Den spetsiga formen är
emellertid känslig för nötning och bör
undvikas vid nitning av abrasiva plaster
med till exempel hög glasfiberhalt. Hornet kan hårdbeläggas för att klara nötning.
Om nithuvudet har en liten diameter
kan hornet konstrueras med en halvsfärisk
kavitet. Formen lämpar sig för glasfiberförstärkta och delkristallina material. Nitning förekommer även med ihålig tapp.
Trappsvetsning
Högfrekvensnitning
Nitning med halvsfärisk kavitet
och ihålig nittapp
Skjuvning av tapp i hylsa (bultsvetsning)
Smidning av kant
■ Genom att med ultraljud smida en
kant inåt kan man exempelvis fästa en
metallskiva i ett plasthus.
Om skivan består av glas får inte hornet komma i kontakt med glaset eftersom glaset kan spricka.
Genom att smida utåt kan man fästa
en plaststos i den öppna gaveln av en behållare, som består av ett annat
material.
Smidning av kant för att fästa en skiv
Punktsvetsning
■ Punktsvetsning med ultraljud används
för att sammansvetsa detaljer av samma
eller kompatibla material.
Processen fungerar utan energiriktare.
Vid fogning av två plastskivor tränger
hornet först genom den övre skivan och
tränger in i den undre. Värme alstras i
kontaktytan mellan plasten och hornet
på grund av det friktionsvärme som uppkommer då hornet vibrerar.
Metoden används ofta vid fogning av
stora otympliga detaljer av extruderade
och vakuumformade skivor.
Punktsvetsning
Tapptillämpningar
42
Lågprofilutformning
PLASTFORUM Nr 7 2005
BEARBETNING FRÅN A TILL Ö
Införande
av metalldelar i plasten
■ Gängbussningar, lager och andra
metallkomponenter kan pressas in i hål
i plasten med hjälp av en ultraljudsutrustning.
Fördelen är att risken för sprickbildning på grund av inbyggda spänningar
i plasten är betydligt mindre än om
man driver in en bussning, som är upphettad.
Hornet står i kontakt med metalldelen, som trycks in i avsett hål i arbetsstycket. Friktionen mellan metalldelen
och plasten ger värme som får plasten
att smälta in i insatsens lettringar och
urfräsningar.
Insättning av bussning
R > 0,2
Fogning av plast
till laminat
■ Plast svetsas även mot laminat och
fibermaterial (non-wowen), som är
vanliga inom bilindustrin i form av fotlådor, golvmattor, hatthyllor etc.
Materialen kan innehålla textilfibrer, träfibrer polyuratan och så vidare.
Olika laminat kan även svetsas ihop.
I dessa tillämpningar är ”svetsen” rent
mekanisk och materialen hålls ihop
med en laxfena.
Processen innebär att en nitstolpe
av plast genom ultraljudet mjuknar och
trycks in i ett hål med underskärning.
Mekaniskt förband
PLASTFORUM Nr 7 2005
Ultraljudssvetsning med hänsyn till material
■ Ultraljudssvetsning kan utföras med
de flesta termoplaster om man tar hänsyn till materialens smältkaraktäristik,
viskoelasticitet, vattenabsorption och
tillsatser.
Amorfa polymerer är lätta att ultraljudsvetsa. De har en oordnad struktur
som lätt kommer i rörelse under inverkan av ultraljudet. De är styva under sin
glastemperatur vilket är en fördel under
processens inledning. Därefter mjuknar
materialet vid högre temperatur (Tg)
och övergår eventuellt i smälta.
Vid avkylning är övergången omvänd
och den amorfa polymeren fortsätter att
diffundera utan att den stelnar i förtid.
Det termiska förloppet tillåter flexibilitet i konstruktion av fogar och fogningen
sker under låga processenergier. Övergången gör att amorfa polymer både
fungerar vid svetsning i närfält som fjärrfält.
Ultraljudsvetsning av amorfa polymer
blir emellertid ett problem om elasticiteten är hög. Som exempel åtgår det mer
energi och högre amplituder att svetsa
slagseg polystyren PS(B) än ren polystyren. Och det är omöjligt att svetsa termoelaster eftersom de dämpar vibrationerna. Bästa resultat fås om parterna består
av samma amorfa och styva material. Det
är möjligt att svetsa två material om de
har liknande kemiska struktur, flytegenskaper och deras glastemperaturer skiljer
sig med högst 15–20˚C.
är svårare
att ultraljudsvetsa än amorfa termoplaster. Goda svetsar kan åstadkommas om
samma material ingår i parterna, att fogytorna är rätt utformade och processparametrarna är de rekommenderade.
Delkristallina material dämpar svängningarna mer än de amorfa eftersom de
ger en sämre överföring av vibrationerna.
Därför måste man höja energinivån och
förkorta avståndet mellan hornet och fogen och arbeta i det så kallade närfältet.
Skulle man använda ett fjärrfält måste
man öka signalens anergi så mycket att
det finns risk för att plasten börjar smälta
vid hornets yta i stället för i fogen.
Då vibrationens amplitud är hög måste parterna ha gott stöd i hornet och fixturen eftersom de kan spricka i känsliga
områden till exempel där radier är för
snävt tilltagna. Vibrationerna dämpas av
hål och variationer i väggtjocklek hos den
övre parten, vilket stör överföringen av
den högfrekventa energin.
Delkristallina material behöver en betydande ingångseffekt och amplituderna
är höga (0,05–0,15 mm). Vid dessa höga
amplituder måste hornet tillverkas av ti-
DELKRISTALLINA TERMOPLASTER
tan. Det är viktigt att hornet har kontakt
med den aktuella parten i alla svetställen.
Vid svetsning krävs högre energier då
materialets smältpunkt ökar, vilket gäller
både amorfa och delkristallina material.
Däremot behövs lägre energier vid högre
styvhet på grund av en effektivare effektöverföring. Ett material som PTFE med
sin mycket höga smältpunkt och låg friktionskoefficient är ytterst svårt att ultraljudsvetsa.
är att smältningen ska påbörjas i dess spets och att
smältningen sedan sprids i en zon mellan
parterna. Eftersom det delkristallina materialet har en relativt skarp smältpunkt
kombinerat med att smältvärmet kräver
extra energi erhåller man en svag fog då
man använder sig av energiriktare.
Polymeren stelnar för tidigt innan molekylerna trängt in i den motsatta partens
yta. Energiriktare rekommenderas därför
ej för delkristallina material men de används om de är väl tilltagna. Skjuvfogar
med en kant som skalar materialet är det
rätta för delkristallina material och ger
starka och täta fogar.
Skjuvfogar kan utformas på många
sätt till exempel som ”pinch joint” som
tar hand om överflödig plast så att synligt
skägg undviks.
Hygroskopiska material som PA 66
har om de inte torkas en fuktighet som
påverkar svetssömmen. Fuktigt material
leder till cellbildning (mikroporer) och
dämpar dessutom vibrationsenergin.
Man kan eliminera fuktens inverkan genom att svetsa komponenter som kommer varma direkt från formsprutan, vilket inte är att rekommendera eftersom
plasten behöver tid på sig att efterkrympa. Delkristallina detaljer som både upptar fukt och efterkrymper bör förvaras i
en sluten polyetenpåse, som innehåller
ett fuktupptagande medel under minst
24 timmar.
MENINGEN MED ENERGIRIKTAREN
mer eller mindre
mängder av olika tillsatser. Oorganiska
fyll- och förstärkningsmedel som talk,
glas, kalciumkarbonat etc har både en negativ och positiv inverkan på svetsbarheten hos ett material.
När fyllmedelhalten överstiger 35
procent blir det svårt att åstadkomma en
tät fog. Vid koncentrationer över 40 procent kan det var svårt att svetsa men efter
visst experimenterande kan det till och
med vara möjligt att svetsa polypropen,
som innehåller 40 procent talk. Används
abrasiva fyllmedel bör titanhornet hårdbeläggas med karbid eller bestå av härdat
stål.
ALLA PLASTER INNEHÅLLER
43