Ultradźwięki, wibracja i rotacja: zrastanie bez użycia nagrzewnicy

Cechy wspólne metod

Podczas zgrzewania rur ciepło dostarczane jest z zewnątrz za pomocą płyty grzejnej lub dyszy gorącego powietrza. Ultradźwięki, wibracja i rotacja działają odwrotnie: energia dostarczana jest mechanicznie, a ciepło powstaje na styku obu elementów w wyniku ruchu materiału względem siebie pod ciśnieniem. Topnienie zachodzi więc wyłącznie tam, gdzie jest to wymagane.

Zapewnia to krótkie cykle robocze, minimalny wpływ ciepła na otoczenie oraz możliwość zgrzewania elementów, do których nie ma dostępu za pomocą narzędzia. Z drugiej strony metody te wymagają stabilnych maszyn, precyzyjnie dopasowanych elementów oraz geometrii zaprojektowanych specjalnie dla danej metody. Stosuje się je zatem przede wszystkim w produkcji seryjnej oraz do wyprasek wtryskowych, a nie do rur montowanych w terenie.

Zgrzewanie ultradźwiękowe

Sonotroda wprawia jeden z elementów w drgania o częstotliwości typowo 20-40 kHz i amplitudzie rzędu kilku setnych części milimetra. Drgania generują ciepło tarcia w specjalnie zaprojektowanej spoinie, często w postaci żebra energetycznego, które topi się jako pierwsze i tworzy złącze między elementami.

Metoda ta nadaje się do małych i średnich elementów o dobrze zdefiniowanej spoinie: opakowań, obudów, kształtek oraz złączy, w przypadku których na zewnętrznej stronie nie mogą pojawić się ślady termiczne. Wykorzystuje się ją również do zgrzewania folii oraz do osadzania wkładek metalowych w tworzywach sztucznych.

Wymagania obejmują spoinę zaprojektowaną pod kątem danej metody, materiał o jednorodnej strukturze oraz podparcie zapobiegające przemieszczaniu się elementu. Materiały o wysokiej lepkości stopu oraz materiały miękkie, takie jak miękki PP i PE, wymagają większej ilości energii, a materiały wzmocnione włóknem mogą stanowić wyzwanie.

Zgrzewanie wibracyjne

W zgrzewaniu wibracyjnym jeden element porusza się ruchem posuwisto-zwrotnym względem drugiego z częstotliwością typowo w zakresie ok. 100-240 Hz i amplitudzie poniżej kilku milimetrów. Tarcie powoduje stopienie powierzchni, po czym ruch zostaje zatrzymany, podczas gdy elementy są dociskane do siebie aż do ostygnięcia spoiny.

Metoda ta stosowana jest do większych elementów o płaskich złączach, np. zbiorników, kanałów oraz komponentów motoryzacyjnych, gdzie ultradźwięki nie są w stanie objąć całego złącza. Wymaga ona możliwości sztywnego zamocowania elementów oraz odporności złącza na ruch względny.

Zgrzewanie rotacyjne

Zgrzewanie rotacyjne jest najstarszą z tych trzech metod: jeden element obróca się względem drugiego pod ciśnieniem, aż ciepło tarcia stopi powierzchnię, po czym rotacja zostaje zatrzymana, a elementy są utrzymywane pod dociskiem do momentu ostygnięcia spoiny.

Metoda ta wymaga okrągłych elementów osiowosymetrycznych, takich jak pływaki, zbiorniki i części cylindryczne, a przy dużych seriach jest szybka i powtarzalna. Prędkość tarcia dla PE mieści się zazwyczaj w zakresie 100-300 m/min, jednak konkretna wartość zależy od geometrii elementu oraz maszyny.

Metoda ta nie jest stosowana do rur i płyt w terenie. W takim przypadku właściwym wyborem są zgrzewanie doczołowe, zgrzewanie mufowe / mufowo-trzpieniowe oraz zgrzewanie wytłaczarkowe – zobacz przegląd metod zgrzewania.

W przypadku pracy z PVC-U obowiązują inne zasady: niższa temperatura elementu grzejnego, krótki czas przełączenia oraz odciąg oparów. Przeczytaj, jak to zrobić, w sekcji zgrzewanie doczołowe PVC.

Kiedy dana metoda jest właściwym rozwiązaniem

Wybierz ultradźwięki, gdy element jest mały, spoina może zostać odpowiednio zaprojektowana, a czas cyklu ma znaczenie. Wybierz wibrację, gdy złącze jest długie i płaskie, a element może zostać zamocowany. Wybierz rotację, gdy element jest okrągły i produkowany w dużych ilościach.

Cechą wspólną wszystkich trzech metod jest to, że błędy najczęściej wynikają z błędu konstrukcyjnego, a nie z winy maszyny. Niewystarczające podparcie, nieprawidłowa geometria spoiny lub zbyt duże tolerancje prowadzą do powstania słabych złączy, niezależnie od precyzji pracy maszyny. Z tego względu należy zawsze przeprowadzać próby na elementach z bieżącej produkcji i dokumentować je za pomocą prób rozciągania lub zginania zgodnie z normą DVS 2203.