Hitrejše ohlajevanje skrajšuje cikle v proizvodnji
22.12.2020
Varjenje z ultrazvokom se je uveljavilo v avtomobilski industriji kot ekonomičen in za obdelovance neškodljiv postopek spajanja, ki omogoča zveze in montažo plastičnih in kovinskih delov. Njegova bistvena prednost je v tem, da ne zahteva nobenih lepil, povezovalnih elementov ali topil, postopek pa je zato zelo učinkovit in prijazen do okolja. To velja tudi za aplikacije, ki zahtevajo kratke cikle, kot je npr. delo z roboti. Inovativni hladilni koncepti danes omogočajo cikle ultrazvočnega varjenja, krajše od dveh sekund, tudi na hitrih proizvodnih linijah.
Ultrazvočno kovičenje je običajno prva izbira avtomobilske industrije za sestavljanje komponent v večje module. Pri njem na mestu stika prihaja do plastifikacije umetne mase z usmerjeno pretvorbo energije ultrazvoka v toploto, temu pa sledi preoblikovanje in stiskanje pod tlakom. Ko se mesto zvara ohladi, nastane zveza z visoko trdnostjo ob minimalni toplotni obremenitvi izdelka in okolice. Za pospešitev procesa in skrajšanje ciklov se običajno uporablja hlajenje sonotrod oziroma orodij za kovičenje. Na voljo so različni načini hlajenja sonotrod, ki se precej razlikujejo po učinkovitosti.
Večja učinkovitost hlajenja
Eden od načinov hlajenja sonotrod je prepihovanje s stisnjenim zrakom. Postopek je počasen in zaradi velike porabe stisnjenega zraka nikakor ni učinkovit, zato so bile razvite sonotrode z vgrajenimi votlinami, ki stisnjen zrak vodijo proti konici. Hladilni zrak je tako usmerjen točno na mesto, kjer zagotavlja hitrejše ohlajevanje in manjšo porabo stisnjenega zraka. Tovrstne rešitve so konstrukcijsko zahtevne, predvsem ko sonotrodo nosi robot. Priključek za stisnjeni zrak mora biti vgrajen neposredno v sonotrodi, rešitev pa je zato manj prilagodljiva, saj zamenjava sonotrode ni več preprosta. Ob spremembi izdelka na liniji je namreč vsakič treba odklopiti cev za dovod stisnjenega zraka in jo priključiti na novo orodje. Sonotrode pa so kljub svoji dolgi življenjski dobi še vedno le obrabni deli, ki jih je treba po določenem času zamenjati.
Vortex Booster
Strokovnjaki za ultrazvok iz podjetja Telsonic AG so zato razvili drugačen koncept hlajenja sonotrod, ki je postal tudi predmet patentne prijave. Pri novi rešitvi je priključek za stisnjen zrak s sonotrode prestavljen na ojačevalnik (angl. booster).
Vsak ultrazvočni varilni sistem je sestavljen iz več komponent: generatorja ultrazvoka, pretvornika, ki pretvarja ultrazvok v mehanske vibracije s pomočjo piezokeramike, in ojačevalnika, ki vibracije ojači in jih prenaša na sonotrodo.
Uporaba ojačevalnika za hlajenje ima dve prednosti: pri menjavi sonotrode odpade odklapljanje priključka za stisnjen zrak in hlajenje je bolj učinkovito. Ojačevalnik Vortex deluje tako, da se v booster dovaja stisnjen zrak s tlakom največ 10 bar in ga vnaprej ohladi. Zrak nato ekspandira, pri čemer se še dodatno ohladi zaradi Joule-Thompsonovega pojava. Več primerov tega pojava najdemo tudi v vsakdanjem življenju, denimo padec temperature vode z mehurčki, točenega sladoleda ali sladke smetane ob izstopu iz »tlačne posode«, ali pa priprava umetnega snega s snežnimi topovi. K ojačevalniku spadajo sonotrode z votlinami, ki so oblikovane kot Ranque-Hilscheve vrtične cevi. V nizkotlačnih predelih cevi s hitrejšo vrtinčno cirkulacijo se hladen zrak na sredini loči od toplejšega zraku ob stenah sonotrode. Hladen zračni curek iz osrednjega dela sonotrode se nato dovaja neposredno na konico sonotrode za hitrejše ohlajevanje spoja in izboljšanje učinkovitosti hlajenja. V praksi se je izkazalo, da je s patentiranim postopkom ohlajevanja mogoče skrajšati cikle robotskega ultrazvočnega kovičenja skoraj za polovico, včasih tudi pod dve sekundi.