Sonda a ultrasuoni
La saldatura della plastica è l'applicazione più comune dell'assemblaggio a ultrasuoni. Per eseguire la saldatura plastica a ultrasuoni, una punta vibrante viene portata a contatto con uno dei pezzi da lavorare, come mostrato nella Figura 1-1. Viene applicata una pressione e l'energia ultrasonica attraversa il materiale, aumentando l'energia cinetica (o il calore) nel punto di contatto delle due parti. Il calore fonde una cresta di plastica stampata su uno dei pezzi e il materiale fuso scorre tra le due superfici. Quando la vibrazione cessa, il materiale si solidifica formando un legame permanente.
Configurazione della sonda a ultrasuoni
Una sonda a ultrasuoni di base è composta da:
- Un alloggiamento che contiene il trasduttore che converte l'energia elettrica in vibrazioni meccaniche.
- Un corno per trasferire le vibrazioni meccaniche dal trasduttore alle parti da saldare. La Figura 1-2 mostra una sonda a ultrasuoni di base. Come indicato, il corno è fissato al trasduttore con un perno filettato. L'alloggiamento del trasduttore presenta anche un connettore per il collegamento del cavo coassiale ad alta tensione che fornisce il segnale elettrico ad alta frequenza per eccitare il trasduttore. Questo segnale viene fornito da un generatore di ultrasuoni separato.
Trasduttore
Il trasduttore fornisce le vibrazioni ultrasoniche per mezzo di convertitori piezoelettrici che trasformano l'energia elettrica in movimento meccanico. La potenza applicata al trasduttore a 20kHz può variare da meno di 50 Watt a 3000 Watt.
Il trasduttore è costituito da una serie di elementi ceramici policristallini separati da sottili piastre metalliche, fissati tra loro ad alta pressione. Quando ai convertitori (o alle ceramiche) viene applicata una tensione alternata (dV/dt), si produce un campo elettrico corrispondente (dE/dt) che determina una variazione dello spessore (dL/dt) degli elementi ceramici. Questa variazione di spessore induce un'onda di pressione (dP/dt). Poiché le molecole o gli atomi di un solido sono legati elasticamente tra loro, l'onda di pressione provoca un'onda che si propaga attraverso il materiale e che viene riflessa dalle estremità della massa metallica del convertitore.
Si veda la Figura 1-8 per una rappresentazione grafica di questo fenomeno. Quando la lunghezza del gruppo è sintonizzata sulla frequenza di eccitazione, risuona e diventa una sorgente di onde stazionarie. La Figura 1-3 mostra un tipico trasduttore senza il suo alloggiamento. L'ampiezza di uscita di un trasduttore a 20 kHz è solo di circa 20 micron (0,0008 pollici), quindi questa ampiezza deve essere amplificata dalla tromba (ed eventualmente da un amplificatore) per svolgere un lavoro utile.
Corno a ultrasuoni
La tromba agisce come una guida d'onda acustica o un trasformatore per amplificare e focalizzare le vibrazioni ultrasoniche sul pezzo da lavorare. La tromba a ultrasuoni ha tre funzioni principali:
- trasferisce l'energia vibrazionale meccanica ultrasonica (proveniente dal trasduttore) alle parti in plastica attraverso un contatto fisico diretto e localizza l'energia nell'area in cui deve avvenire la fusione.
- Amplifica l'ampiezza delle vibrazioni per fornire l'ampiezza della punta desiderata per i requisiti del processo termoplastico e di saldatura.
- Applica la pressione necessaria per formare la saldatura una volta che le superfici del giunto sono fuse.
La tromba a ultrasuoni è lavorata con precisione e progettata per vibrare a 15kHz, 20kHz, 30kHz, 40kHz, 50kHz o 70kHz. La Figura 1-4 mostra cinque corni in lega di alluminio che vanno da 15kHz a 50kHz. Più alta è la frequenza, più corta è la lunghezza d'onda acustica e di conseguenza più piccola è la tromba. Si noti che la tromba da 30 kHz è lunga solo la metà di quella da 15 kHz. La sintonizzazione di un corno a ultrasuoni si ottiene con la misurazione elettronica della frequenza. Le variazioni intrinseche nella composizione dei materiali impediscono la sintonizzazione mediante la sola lavorazione dimensionale. Le trombe sono solitamente realizzate in leghe di alluminio o titanio ad alta resistenza. Entrambi i metalli hanno eccellenti proprietà acustiche per trasmettere l'energia ultrasonica con un'attenuazione minima.
Esistono diverse forme e stili di trombe a ultrasuoni, a seconda dei requisiti del processo. I fattori che influenzano il design del corno sono i materiali da saldare e il metodo di assemblaggio. Il guadagno della tromba a ultrasuoni è determinato dal suo profilo. La Figura 1-5 mostra quattro diversi profili di guadagno. L'ampiezza della vibrazione in ingresso a un corno da un trasduttore a 20 kHz è di soli 20 micron. Questo non è sufficiente per generare un attrito sufficiente a raggiungere la temperatura di fusione per la maggior parte dei materiali termoplastici. Pertanto, il corno deve amplificare la vibrazione meccanica in modo che l'ampiezza sia sufficiente a fondere il termoplastico. L'ampiezza sulla punta del corno varia in genere da 30 a 125 micron (da 1,2 a 5,0 millesimi di pollice) a 20 kHz.
Una punta filettata opzionale può essere utilizzata anche quando l'applicazione richiede una picchettatura, un profilo a sbalzo o una saldatura a punti appuntita. Nella Figura 1-1, una delle parti in plastica aveva una piccola cresta utilizzata per avviare il processo di fusione. Nella Figura 1-6, la punta fornisce il direttore dell'energia, poiché in un'operazione di picchettamento è presente un solo pezzo da fondere. Le punte sostituibili non sono comunemente utilizzate in ambienti di produzione ad alto volume. Per la produzione a lungo termine o ad alta usura, un corno con una punta lavorata su misura e rivestita di cromo, carburo o nitruro di titanio garantirà un'eccellente resistenza all'usura.
All'aumentare della frequenza, l'ampiezza della vibrazione in genere diminuisce. Le frequenze più elevate sono utilizzate per l'aggraffatura di materiali sottili e parti delicate che non richiedono un'ampiezza elevata. Poiché le trombe diventano più piccole a frequenze più elevate, è possibile ottenere spazi più ravvicinati. Qui di seguito sono elencati alcuni fattori da considerare per la saldatura a ultrasuoni ad alta frequenza (ad es. 40 kHz) rispetto a quella a bassa frequenza (ad es. 20 kHz).
- Per una data ampiezza, le sollecitazioni nel corno aumentano a frequenze più elevate.
- L'usura del corno è maggiore alle alte frequenze.
- Le superfici di accoppiamento pulite e piane tra corno, booster e trasduttore sono più critiche all'aumentare della frequenza. A 40 kHz, le specifiche di planarità della superficie sono comprese tra 0,0005″ e 0,001″ (da 13 a 25 micron).
Booster
La funzione principale di un amplificatore è quella di modificare il guadagno (cioè l'ampiezza di uscita) della sonda. Un booster amplifica se il suo guadagno è maggiore di uno e riduce se il suo guadagno è minore di uno. I guadagni a 20 kHz variano in genere da meno della metà a circa tre. Nella Figura 1-7 è illustrato un amplificatore progettato per essere montato in un dispositivo tra il trasduttore e la tromba. Questo è comunemente chiamato "probe stack". Poiché l'antenna non può essere bloccata, è possibile fissare solo il trasduttore e il booster. Pertanto, una funzione secondaria (e talvolta l'unico scopo) di un booster è quella di fornire una posizione di montaggio aggiuntiva senza alterare il guadagno quando la pila di sonde è fissata in una pressa. Il booster neutro (1:1) o di accoppiamento viene aggiunto tra il trasduttore e il corno e montato nella pressa tramite il suo anello di montaggio che viene posizionato nel punto nodale (dove l'onda stazionaria ha un'ampiezza minima). Si veda la Figura 1-8 per una rappresentazione grafica. Si noti che la sollecitazione massima si verifica nei punti nodali.
CONTATTO