Ultradźwięki są falami dźwiękowymi o częstotliwości między 16 kHz i 1 GHz. Człowiek ich nie słyszy, ale są namacalne podczas dotykania narzędzia spawalniczego i mają szerokie zastosowanie w warunkach przemysłowych. Wibracje ultradźwięków występują pod postacią fal podłużnych zmieniających się w ciepło i są w stanie zmienić kształt tworzyw sztucznych oraz spowodować tarcie między cząsteczkami. Te procesy umożliwiają precyzyjne cięcie, lutowanie, oczyszczanie i łączenie elementów o różnych kształtach i fakturach. Warto zaznaczyć, że częstotliwości ultradźwiękowe między 20 a 35 kHz nie są szkodliwe dla ludzi oraz zwierząt.
W wyniku rozpowszechnienia się zastosowań tworzyw sztucznych w ostatnich trzech dekadach, zgrzewanie za pomocą ultradźwięków stało się jednym najważniejszych procesów ich łączenia.
Zgrzewanie i nitowanie ultradźwiękami znalazło szerokie zastosowanie w przemyśle motoryzacyjnym, tekstylnym, elektrotechnicznym, opakowaniowym itp.
W praktyce używa się zgrzewarek na częstotliwościach od 20 kHz do 40 kHz. Zgrzewarki ultradźwiękowe możemy podzielić na dwa typy: do zgrzewania plastików oraz do zgrzewania metali.
Zasada działania zgrzewarek ultradźwiękowych
Zgrzewarki do łączenia tworzyw sztucznych działają na zasadzie dostarczenia dużej dawki energii mechanicznej do materiałów umieszczonych między drgającym narzędziem (sonotroda) a kowadłem. Energia ultradźwiękowa wydzielana na styku łączonych materiałów wywołuje szereg zjawisk jednocześnie: punktowe podgrzanie, ruch (drgania) cząsteczek, wywarcie dużego ciśnienia itp. W wyniku tych zjawisk następuje połączenie materiałów. Charakter połączenia zależny jest od spajanych materiałów. Najczęściej zachodzi miejscowe przetopienie i zmieszanie łączonych materiałów, ale również mamy doczynienia ze zjawiskiem adhezji i mikropołączeń mechanicznych polegających na wtłoczeniu cząstek materiału bardziej podatnego w pory materiału twardszego.
Elementy w zgrzewarce ultradźwiękowej
W typowej zgrzewarce ultradźwiękowej możemy wyodrębnić część mechaniczną - stół, kolumna, pneumatyka oraz część ultradźwiękową: generator, przetwornik (konwerter), falowód (booster), narzędzie (sonotroda).
Generator jest najważniejszą częścią urządzenia. Zamienia napięcie zasilania 230V 50Hz na znacznie wyższe napięcie (powyżej 1000 V) i częstotliwości 20, 30 lub 35 kHz (zależnie od technologii).
Przetwornik zasilany jest z generatora i ma za zadanie zmianę energii elektrycznej w mechaniczną. Następnie energia mechaniczna z przetwornika przekazywana jest do boostera i dalej do sonotrody.
W trakcie zgrzewania sonotroda wywiera nacisk na zgrzewany detal i wprowadza go w drgania w wyniku czego następuje połączenie zgrzewanych elementów.
Booster ma dwojakie zastosowanie: może zwiększać (najczęściej) lub zmniejszać amplitudę oraz jest elementem, za który najczęściej się mocuje w zgrzewarce.
Ostatni element układu drgającego - sonotroda - jest elementem wyspecyfikowanym dla potrzeb klienta. Możemy sonotrody również podzielić na te ze wzmocnieniem lub bez.
Zalety zgrzewania ultradźwiękowego
- energooszczędne,
- nieszkodliwe dla środowiska, eliminacja trujących klejów i rozpuszczalników,
- krótki czas łączenia (ułamek sekundy),
- duża wydajność,
- wygodny i czysty sposób łączenia,
- łączone elementy nie muszą być bardzo czyste,
- możliwość łączenia różnych materiałów.
