Введение
Ультразвуковая сварка и вибрационная сварка – два широко применяемых метода неразъёмного соединения пластиков. Каждый из них имеет свои физические особенности, требования к деталям и области оптимального применения. Как инженеру или технологу выбрать между ультразвуком и вибрацией для конкретной задачи сварки пластиков?
В этой статье проведём детальное техническое сравнение этих технологий по ключевым параметрам (частота и амплитуда колебаний, качество шва, тепловое воздействие, энергопотребление, скорость, габариты деталей и т.д.), рассмотрим, какие материалы лучше подходят для каждого метода, и проанализируем типовые отраслевые примеры применения.
Также уделим внимание реальным кейсам компании МетКомМаш (МКМ) – ведущего российского системного интегратора, работающего с оборудованием Branson и MP Sonic и робототехникой KUKA.
Покажем, как на практике выбирается и внедряется оптимальная технология соединения пластиков.
Напомним и об отраслевых стандартах (ISO 21307, IATF 16949, ISO 13485 и др.), регламентирующих требования к процессам сварки пластмасс в различных сферах.
Принцип и особенности ультразвуковой сварки пластика
Ультразвуковая сварка пластиков основана на высокочастотных механических колебаниях (ультразвук с частотой порядка 20–40 кГц). В процессе сварки ультразвук генерируется электрическим генератором и преобразуется пьезоэлектрическим трансдьюсером в колебания сонотрода (инструмента).
Сонотрод передаёт вибрацию на деталь – обычно перпендикулярно плоскости соединения, подобно миниатюрному отбойному молотку. Две пластиковые детали прижаты друг к другу под определённым усилием; локальные высокочастотные колебания вызывают молекулярное трение и разогрев материала на контакте.
В зоне шва пластик быстро плавится, и после прекращения ультразвукового воздействия расплавленные кромки застывают под давлением, образуя прочное сварное соединение.
Ключевые характеристики ультразвуковой сварки:
- Частота колебаний: стандартно 20 кГц (а также 30 кГц, 35-40 кГц для мелких деталей; бывают системы и на 15 кГц). Ультразвук находится за пределами слышимости человека, поэтому процесс относительно тихий (хотя иногда слышен высокий писк из-за резонансов деталей).
- Амплитуда колебаний: очень мала – порядка 10-150 мкм (0,01–0,15 мм). Высокая частота позволяет обходиться микроскопическими колебаниями, достаточными для плавления пластика на контакте. Для более твёрдых материалов применяют пониженную частоту (например, 20 кГц) с повышенной амплитудой ~50–100 мкм; для хрупких и мелких деталей – ультразвук 30–40 кГц с амплитудой ~20–40 мкм.
- Время сварочного цикла: измеряется долями секунды. Обычно ультразвуковое сваривание одной точки или шва занимает порядка 0,5–2 сек (не считая времени на позиционирование деталей). Метод чрезвычайно быстрый – энергия подводится интенсивно, и материал плавится почти мгновенно.
- Тепловое воздействие: локализовано в основном на зоне контакта деталей. Окружающие области пластика нагреваются минимально (вследствие теплопроводности материала), что снижает риск деформаций всей детали. Температура плавления достигается только в узкой области шва; после сварки шов быстро остывает под усилием прижима.
- Качество шва и форма соединения: при грамотной конструкции соединения ультразвуковой шов получается чистым и точным, без значимых наплывов пластика. Обычно в конструкцию деталей закладывают энергодиректоры – небольшие треугольные ребра или выступы на стыке, которые первыми расплавляются от ультразвука и образуют расплавленный материал шва. Благодаря энергодиректорам сварной шов заполняется расплавом без образования наружного облоя (лишнего выступающего материала). Шов часто получается практически незаметным внешне и не требует постобработки, что важно для эстетических или функциональных поверхностей.
- Необходимость подготовки кромок: для ультразвука критично предусмотреть в дизайне детали специальные сварочные элементы – энергодиректоры или шаговые (многоступенчатые) соединения, которые фокусируют ультразвуковую энергию. Плоские гладкие поверхности из некоторых материалов могут не свариться ультразвуком без таких концентраторов энергии.
- Оборудование и оснастка: установки для ультразвуковой сварки обычно компактные. Существуют как автономные ультразвуковые станки-прессы, так и встроенные ультразвуковые модули для автоматических линий. Оснастка (гнёзда, удерживающие нижнюю деталь, и форма сонотрода под контур детали) изготавливается под конкретное изделие. Сонотрод должен быть спроектирован под форму детали и настроен на резонансную частоту. Компания Branson (бренд Emerson), один из лидеров в производстве ультразвуковых систем, накопила большой опыт в разработке сонотродов любой сложности, вплоть до длины 650 мм и специальных покрытий. Правильно изготовленный инструмент обеспечивает равномерную передачу ультразвука и высокое качество шва.
- Ограничения по габаритам деталей: ультразвук эффективен для относительно небольших и средних по размеру соединений. Как правило, площадь сварного шва ультразвуком редко превышает 150×200 мм (примерно 6×8 дюймов) – это может быть, к примеру, периметр корпуса небольшого прибора. Современные ультразвуковые прессы способны сваривать и более крупные детали, но по периметру приходится делать несколько поэтапных проварок или использовать несколько ультразвуковых головок одновременно. В больших конструкциях это усложняет оборудование. По этой причине для очень габаритных изделий (более ~0,5 м) ультразвуковая технология обычно не применяется.
Преимущества ультразвуковой сварки:
- исключительно высокая скорость процесса;
- чистота и точность соединения;
- отсутствие расходных материалов (клея, крепежа);
- лёгкость автоматизации (ультразвуковые модули компактны и без проблем встраиваются в линии);
- метод универсален – подходит для большинства термопластов и даже некоторых композитов, обеспечивает прочное молекулярное сцепление без ухудшения свойств материала;
- процесс экологичен и безопасен: нет открытого пламени, дымов или химических испарений;
- на производстве ультразвуковые системы обычно не требуют специального вентиляционного оборудования, а энергопотребление у них невысокое.
Недостатки и ограничения:
- Ультразвуковая сварка требует тщательного инженерного подхода к геометрии соединения (не во всех изделиях можно разместить энергодиректор или стыковый выступ).неэффективность на очень больших и толстостенных соединениях;
- Не каждая форма деталей позволяет подвести сонотрод – например, труднодоступные глубокие швы или сложные 3D-контуры могут потребовать нестандартных многороговых сонотродов или не подойти вовсе.
- Если соединяемые поверхности велики, ультразвуковая энергия может рассеиваться и не обеспечивать проплавление по всему шву (особенно для вязких полукристаллических материалов вроде полиолефинов).
- Для очень крупных или толстостенных деталей требуемая ультразвуковая мощность и усилие прижима возрастают, делая метод неэффективным.
- Кроме того, ультразвуковая сварка может вызывать небольшие внутренние напряжения в материале из-за высокочастотной вибрации; для некоторых чувствительных электронных компонентов это нужно учитывать.
- Что касается шума: хотя ультразвуковая частота неслышимая, сам пластик и оборудование могут издавать высокочастотный писк (особенно установки на 15–20 кГц могут частично попадать в слышимый диапазон). Поэтому рабочие места с ультразвуковой сваркой также часто оборудуют звукоизолирующими кожухами.
Принцип и особенности вибрационной сварки пластика
Вибрационная сварка пластмасс (её ещё называют линейной сваркой трением) использует низкочастотные колебания деталей для разогрева их контактирующих поверхностей.
Один из сварочных компонентов зафиксирован, а другой прижимается к нему и быстро осциллирует в плоскости стыка – то есть детали трутся друг о друга в горизонтальном направлении. Этот процесс можно сравнить с энергичным растиранием ладоней: за счёт трения поверхность быстро нагревается.
Вибрация обычно происходит по линейной траектории (взад-вперед) с амплитудой в несколько миллиметров. Когда пластик в зоне контакта разогревается выше температуры плавления, колебания останавливают и детали удерживаются под давлением до остывания. В результате образуется прочный сварной шов по всей площади соприкосновения.
Один из сварочных компонентов зафиксирован, а другой прижимается к нему и быстро осциллирует в плоскости стыка – то есть детали трутся друг о друга в горизонтальном направлении. Этот процесс можно сравнить с энергичным растиранием ладоней: за счёт трения поверхность быстро нагревается.
Вибрация обычно происходит по линейной траектории (взад-вперед) с амплитудой в несколько миллиметров. Когда пластик в зоне контакта разогревается выше температуры плавления, колебания останавливают и детали удерживаются под давлением до остывания. В результате образуется прочный сварной шов по всей площади соприкосновения.
Ключевые характеристики вибрационной сварки:
- Частота колебаний: как правило, 120–240 Гц . Вибрационные сварочные машины делятся на низкочастотные (~100–120 Гц) для очень крупных изделий и высокочастотные (~240 Гц) для средних и мелких деталей. Разработки последнего времени подняли частоту вибросварки ещё выше – например, компания MP Sonic в 2020 г. успешно испытала вибрационный сварочный станок с частотой до 285 Гц (и максимально 385 Гц). Тем не менее даже 240-300 Гц – это звуковой диапазон, хорошо различимый на слух. Звук работающей вибросварки громкий (напоминает рёв сирены или гудок), поэтому оборудование эксплуатируется с обязательными шумоизолирующими кожухами или кабинками. Высокая частота позволяет снизить амплитуду и уменьшить вибрационные нагрузки на оснастку.
- Амплитуда колебаний: заметно больше, чем у ультразвука. Вибрационные системы низкой частоты (~120 Гц) обычно имеют размах колебаний порядка 1,8–4 мм, а высокочастотные (~240 Гц) работают с амплитудами 0,4–1,8 мм. Для сравнения, новейшие чистые вибросварочные машины MP Sonic на частоте ~300 Гц достигают амплитуды всего 0,2 мм (по 0,1 мм в каждую сторону), что позволяет сваривать деликатные детали с минимальным облоем. В общем же, вибрация – это колебание на порядки более крупное, чем ультразвук, поэтому она требует прочной фиксации деталей и массивной оснастки, способной выдерживать такие перемещения под нагрузкой.
- Усилие прижима: для вибрационной сварки обычно используются значительные усилия и жёсткие системы зажима. При сварке крупных деталей в автомобильной индустрии усилия могут достигать десятков килоньютонов. Это необходимо, чтобы при трении создать достаточное давление и обеспечить плавление по всей площади шва, а также удерживать расплав в фазе осаждения. Пресс-модули вибростанков крупногабаритных серий оснащаются гидравликой или мощными сервоприводами, способными поддерживать ровный прижим на протяжении всего цикла сварки.
- Время сварочного цикла: вибрационная сварка – процесс быстрый для своих масштабов, но всё же более длительный, чем ультразвук. Типичное время цикла составляет 3–10 секунд в зависимости от размера детали и термопластичного материала. Например, для небольших компонентов из аморфного пластика (ABS, ПК) проварка может занять ~2–3 сек, а для больших полукристаллических деталей (PP, PA) – до 8–10 сек. Плюс требуется 1–3 сек на фазу удержания под давлением для прочного схватывания расплава. Современные вибростанки позволяют гибко настраивать время и профили давления, чтобы оптимизировать цикл под требуемую прочность шва. В любом случае вибросварка намного быстрее альтернативных методов для крупных деталей (таких, как сварка горячей плитой, где циклы измеряются десятками секунд).
- Размер и форма деталей: вибрационная сварка подходит для средних и крупных изделий, недоступных для ультразвука. Её применяют как для относительно небольших компонентов (например, автомобильный бардачок, корпус электроинструмента), так и для очень крупных узлов – вплоть до баков объёмом в сотни литров или длинных изделий более метра. Вибростанок ограничен лишь размерами своей рабочей оснастки и мощностью привода. Например, линейные вибромашины Branson моделей серии VW подходят для деталей шириной до одного метра. При необходимости сварки очень крупных площадей иногда применяют секционную вибросварку (поэтапно, переставляя деталь), но чаще выбирают более габаритные модели оборудования. Вибрационная сварка хорошо работает для плоских или слегка криволинейных стыков с достаточной шириной прилегания.
- Конструкция соединения и шва: в отличие от ультразвука, вибросварке не требуются энергодиректоры или острые кромки – детали могут иметь ровный торец. Фрикционное тепло возникает на всей поверхности соприкосновения. Это упрощает дизайн стыка: например, две половинки бака или панели можно сваривать по плоскому фланцу без дополнительных элементов. Однако вибрация обычно приводит к образованию облоев – излишков расплава, выдавленного по краям шва. Расплавленный материал вытекает из стыка под давлением, формируя вокруг шва характерный валик. Если требуется герметичность, обычно конструируют специальный ловитель расплава (канавку) за линией шва, куда этот валик заполняется, не влияя на герметичность. В узлах, где внешний вид критичен, облой может представлять эстетическую проблему – иногда его удаляют механической обработкой или маскируют конструктивно (располагая шов в невидимом месте). Новые методы, такие как сочетание инфракрасного прогрева с вибрацией (так называемая чистая вибросварка), позволяют значительно снизить образование пыли и стружки пластика при трении и уменьшить облой за счёт предварительного плавления кромок.
- Оборудование и автоматизация: вибрационные сварочные установки обычно крупнее ультразвуковых. Станок состоит из массивной рамы; вибрационного привода (электромеханического или гидравлического) с системой направляющих; стола, на котором закрепляется нижняя часть изделия; и верхнего удерживающего инструмента. Верхний инструмент (оснастка) повторяет форму детали и часто весит десятки килограммов (в промышленных машинах вес подвижной оснастки может быть 50–100 кг). Система должна быть точно настроена и сбалансирована, чтобы вибрация происходила в нужной плоскости. Для разных изделий изготавливается индивидуальная оснастка – сменные приспособления, соответствующие геометрии деталей. Вибромашины требуют прочного основания и пространства на производстве. Тем не менее они хорошо поддаются автоматизации: загрузка/выгрузка деталей может выполняться роботом (например, робот KUKA интегрированный в ячейку сварки), а контроль параметров – через PLC или связь с SCADA-системой. Компания МКМ имеет опыт создания таких автоматизированных комплексов, где вибрационный сварочный пресс MP Sonic оснащён роботизированной подачей и датчиками, обеспечивая высокую повторяемость цикла.
- Прочность и герметичность соединения: вибрационная сварка обеспечивает очень высокую прочность шва за счёт большой площади провара и глубокого проплавления. Сварные швы выдерживают существенные нагрузки и вибрации, поэтому метод востребован в автопроме и производстве прочих технических изделий. При правильном подборе параметров вибросварочный шов получается герметичным (например, в бачках, насосах, фильтрах и т.д. пластик сплавляется без пор). В сравнении с ультразвуком, виброшвы на крупных деталях обычно более массивные и устойчивые к длительным нагрузкам. Однако при плохой настройке процесса возможны дефекты: непровар отдельных зон, пористость (особенно если материал содержит влагу, как полиамид, – её нужно сушить перед сваркой), или внутренние напряжения от слишком резкого охлаждения. В целом же технология вибрационной сварки славится высокой прочностью и герметичностью соединений.
Преимущества вибрационной сварки:
- Возможность сваривать крупногабаритные и сложные по форме пластиковые детали, недоступные другим методам (кроме разве что громоздкой сварки нагретой плитой).
- Метод универсален для любых термопластичных материалов – соединяет и аморфные, и полукристаллические пластики разных толщин.
- Можно одновременно проваривать большие площади соединения за один цикл, что обеспечивает высокую производительность в массовом производстве крупных изделий.
- Вибросварка не требует никаких дополнительных материалов (клеёв, присадок), процесс полностью экологичен (нет испарений, дымов).
- Оборудование достаточно надёжно и рассчитано на длительную эксплуатацию в промышленной среде; современные системы оснащены точным контролем параметров (амплитуды, частоты, силы, перемещения), что позволяет добиваться стабильного качества шва.
- Вибрационная технология допускает сварку изделий со вставками и неидентичными материалами – расплав одного пластика может механически обтекать другой материал, формируя своего рода замок (например, приварка пластиковой детали к другой, отличающейся по составу, при условии совместимости по температуре плавления).
Недостатки и ограничения:
- Главный недостаток – вибрационную сварку применить сложнее для очень мелких деталей или тонкостенных изделий, чувствительных к большим амплитудам. Маленькие хрупкие детали могут просто не выдержать механического воздействия в несколько миллиметров.
- Также метод не подходит для геометрий, где отсутствует достаточная плоская поверхность для трения – например, очень мелкие точечные контакты или сложные объемные стыки (для них лучше ультразвук или лазер).
- Облой (всплеск расплава) является неизбежным явлением вибросварки, что накладывает ограничения на изделия, требующие идеальной чистоты шва без последующей доработки – в таких случаях применяют ультразвук или лазер, либо разрабатывают конструкцию с приемниками расплава.
- Сам процесс вибрационного трения может создавать частицы пластика и пыль, что критично для некоторых применений (медицинские или электронные устройства, где посторонние частицы недопустимы внутри корпуса). Для минимизации этого эффекта, как отмечалось, применяются высокочастотные модуляции и/или предварительный разогрев, но это усложняет оборудование.
- Кроме того, шум и вибрация от оборудования – фактор, требующий защиты операторов и установки машин на виброизолирующие основания. Вибросварочные прессы также обычно дороже ультразвуковых установок и занимают больше места.
- Настройка оснастки и поддержание её в требуемом состоянии (балансировка, износ направляющих) – ещё один момент, требующий внимания в эксплуатации.
Сравнение ультразвуковой и вибрационной сварки: ключевые параметры
Оба рассматриваемых метода основаны на превращении вибрационной энергии в тепло трения и плавлении пластика без внешнего нагревателя. Но их рабочие характеристики существенно различаются. Ниже сведём основные технические параметры в таблицу для наглядного сравнения:
Примечание: как видно, ультразвуковая сварка выигрывает, когда нужно быстро сварить небольшие или средние детали с высокими требованиями к чистоте и точности шва. Вибрационная сварка незаменима для крупногабаритных изделий и обеспечивает максимальную прочность соединения, хотя и ценой большего оборудования и наличия флеша (облоев).
Далее рассмотрим, когда и почему предпочтительна та или иная технология применительно к типам материалов и продуктов.
Далее рассмотрим, когда и почему предпочтительна та или иная технология применительно к типам материалов и продуктов.