La saldatura a rotazione è un processo semplice che esiste (si fa per dire) da più tempo rispetto ai materiali termoplastici. La saldatura a rotazione dei metalli è conosciuta e praticata da almeno un centinaio di anni. Non sorprende quindi che sia uno dei metodi più antichi per unire parti termoplastiche. È un metodo rapido per unire parti con un giunto circolare ed è molto affidabile per garantire una tenuta ermetica nei prodotti che lo richiedono.
L'idea fondamentale è quella di far ruotare una parte contro un'altra sotto la forza di un morsetto, l'attrito superficiale crea calore che fonde l'interfaccia, per poi interrompere la rotazione e permettere alle parti di fondersi insieme. Si tratta di un processo ingannevolmente difficile mentre in realtà, come per molti materiali, è molto semplice.
Le fasi della saldatura a rotazione
Le fasi di una saldatura a rotazione sono l'avvicinamento, la saldatura, la tenuta e la ritrazione. Esistono diversi modi per iniziare la rotazione. Se il pezzo deve essere ruotato per attrito con l'utensile di saldatura a rotazione (invece di agganciarsi a un particolare come i cani di trasmissione o le barre del tubo flessibile), l'utensile può ruotare prima del contatto. In alternativa, l'utensile può avvicinarsi senza girare, prendere il pezzo con l'attrito o il vuoto, ritirarsi leggermente, iniziare a girare e poi estendersi di nuovo; oppure l'utensile può applicare una pressione prima della rotazione. Naturalmente, il pezzo può anche essere caricato direttamente nell'utensile di filatura e tenuto in posizione mediante attrito o vuoto.
Durante la parte di filatura del ciclo, la prima cosa che accade è un piccolo accumulo di calore che ammorbidisce ma non fonde la superficie. In questo caso, il materiale si stacca dalla superficie e si arrotola in piccole sfere. Questo è il motivo per cui la saldatura a rotazione produce particolato. Man mano che la filatura prosegue, il calore continua ad accumularsi. Una volta accumulato un calore sufficiente, si verifica la vera e propria fusione del materiale. A questo punto, lo spessore della linea di legame è stabilito; in altre parole, un'ulteriore filatura non aumenterà lo spessore della linea di legame o la resistenza del pezzo. Un'ulteriore filatura, tuttavia, farà sì che le parti si spostino l'una verso l'altra, con il materiale fuso in eccesso proiettato fuori dal giunto sotto forma di bava e particolato. Nascondere queste scintille e il particolato è una parte importante della progettazione del giunto.
Una volta stabilita la vera fusione, la rotazione può essere interrotta. È importante mantenere la forza di serraggio sui pezzi e arrestare la rotazione il più bruscamente possibile. Se la rotazione avviene in modo graduale, il materiale può iniziare a solidificare prima dell'arresto della rotazione e l'interfaccia del giunto può essere gravemente indebolita dalle forze di taglio applicate durante questo periodo di raffreddamento.
Praticamente tutti i materiali termoplastici possono essere sottoposti a spin weld se hanno un rapporto sufficientemente alto tra il coefficiente di attrito e la conducibilità termica. In parole povere, il calore deve essere creato più velocemente di quanto possa essere dissipato. Di solito, solo i materiali con una lubrificazione molto elevata sono esclusi dalla considerazione. Occorre assicurarsi che i materiali su entrambi i lati del giunto non solo siano chimicamente compatibili, ma abbiano temperature di fusione simili e indici di fluidità simili. Se i materiali sono rinforzati (ad esempio con il vetro), non ci sarà alcun beneficio del rinforzo nel giunto stesso; il processo di spin welding non favorisce l'attraversamento della linea di giunzione da parte delle fibre, ma le incoraggia a disporsi parallelamente ad essa./p>
Il giunto stesso deve essere un cerchio, ma la geometria del resto del pezzo è libera, purché non interferisca con la rotazione o crei una condizione di grave squilibrio per il pezzo in rotazione. Questo aspetto è particolarmente importante per i pezzi piccoli, poiché le velocità di rotazione possono essere elevate.
La velocità di rotazione si basa sulla velocità della superficie del giunto, quindi i pezzi più piccoli ruotano a una velocità maggiore rispetto a quelli più grandi. Una regola empirica è che la velocità di rotazione target, espressa in giri al minuto, dovrebbe essere di circa 8.000 diviso il diametro del giunto in pollici, o 200.000 diviso il diametro del giunto in millimetri. Si tratta di una velocità indicativa, con applicazioni di successo che funzionano a velocità che si discostano da questa regola del 50% o più sia in alto che in basso.
Tre classi principali di saldatrici a rotazione
Le saldatrici a rotazione inerziali utilizzano in genere un motore pneumatico per far girare un volano, che può essere agganciato, ma più comunemente è fissato all'utensile in modo fisso e aggancia il pezzo per attrito. Il pezzo funge da freno per il volano; quindi l'energia cinetica immagazzinata (massa del volano moltiplicata per la velocità di rotazione) è l'energia impartita al giunto. Grazie alle alte velocità che i motori pneumatici possono generare, queste macchine funzionano bene per pezzi molto piccoli e sono semplici e affidabili. Tuttavia, possono essere difficili da regolare e da convertire da un lavoro all'altro. Inoltre, queste macchine non possono controllare l'orientamento radiale del pezzo finito.
Le tradizionali saldatrici a rotazione elettriche ad azionamento diretto o ad ingranaggi utilizzano motori a induzione CA per azionare l'utensile di rotazione. In genere utilizzano controllori digitali del motore per regolare la velocità di rotazione. Molte sono dotate anche di frenatura dinamica elettronica. Nelle situazioni in cui la frenatura dinamica non è sufficiente, è possibile installare un freno fisico. Queste macchine possono essere costruite in base a qualsiasi velocità o coppia richiesta, ma i motori a coppia elevata tendono ad avere armature pesanti, per cui non si fermano rapidamente se girano ad alta velocità. Inoltre, i motori a induzione erogano la loro coppia massima solo ad alta velocità; pertanto, nelle applicazioni ad alta coppia (parti di grandi dimensioni, basse velocità di rotazione) si ricorre spesso agli ingranaggi per mantenere la velocità dell'albero del motore nella parte della curva di potenza ad alta coppia. Sebbene alcune di queste macchine siano dotate di controlli sofisticati, molte sono piuttosto semplici. Inoltre, questi sistemi non sono in grado di controllare l'orientamento radiale del pezzo finito.
Le centrifughe servoassistite, sia ad ingranaggi che ad azionamento diretto, sono in genere in grado di controllare l'orientamento radiale del pezzo finito con una precisione di un grado o più, una specifica che di solito dipende più dall'utensile che dalla macchina. I servomotori hanno curve di coppia relativamente piatte da quasi fermo alla massima velocità nominale, quindi sono generalmente più versatili degli altri tipi di macchine. A parità di coppia nominale, un servomotore è in genere più compatto di un motore a induzione e mantiene meglio la velocità sotto carico. Le macchine che utilizzano i servomotori sono solitamente dotate di controlli più sofisticati e di una varietà di metodi di saldatura. I servomotori possono anche fornire un feedback al controllo, in modo da monitorare la coppia e l'energia durante il processo. Gli ingranaggi, se utilizzati, hanno quasi esclusivamente lo scopo di moltiplicare la coppia piuttosto che modificare semplicemente la velocità di uscita. Questi sistemi sono in genere strumenti di produzione molto precisi e ripetibili.
La saldatura per asportazione di truciolo è un processo semplice che, abbinato alla moderna tecnologia dei servomotori, offre una precisione e una ripetibilità al di là di quanto si potesse sognare quando fu sperimentato per la prima volta ai tempi dell'industria delle materie plastiche. Il processo è veloce e stabile e continuerà a essere utilizzato finché la produzione di prodotti in termoplastica continuerà a essere popolare.
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