Automatycznie sterowany ultradźwiękowy generator mocy

Generator przeznaczony jest do zastosowania w zgrzewarkach ultradźwiękowych oraz systemach zgrzewania/wycinania ultradźwiękowego służących do spajania i/lub wycinania materiałów z tworzyw sztucznych oraz zgrzewania metali. Technologia ta jest znacznie bardziej ekologiczna i energooszczędna oraz daje w wyniku spoiny o znacznie większej jakości niż przy dotychczas stosowanych tradycyjnych metodach spajania. Dlatego też metody ultradźwiękowego spajania/wycinania stają się coraz powszechniej stosowane.

Instytut Tele- i Radiotechniczny od lat zajmuje się opracowywaniem i wdrażaniem systemów zgrzewania ultradźwiękowego. Na rysunku 1 przedstawiono przykład zgrzewarki ultradźwiękowej, służącej do spajania materiałów z włókniny, natomiast na rysunku 2 przedstawiono system zgrzewania ultradźwiękowego do łączenia siatki z włókien szklanych z profilami kątowymi PCV [6]- produkowanych w ITR.

Rys. 1. Przykład zgrzewarki ultradźwiękowej	Rys. 2. Przykład systemu zgrzewania ultradźwiękowego

Jednym z głównych elementów systemu zgrzewania ultradźwiękowego jest układ drgający składający się z przetwornika elektromechanicznego dużej mocy, falowodu – służącego do zwiększenia amplitudy drgań mechanicznych oraz narzędzia zwanego sonotrodą. Na rysunku 3 przedstawiono przykład układu drgającego z sonotrodą prostopadłościenną, na rysunku 4 układ z sonotrodą w kształcie walca.

Rys. 3. Przykład układu drgającego z sonotrodą w kształcie prostopadłościanu	Rys. 4. Przykład układu drgającego  z sonotrodą w kształcie walca

Przetwornik elektromechaniczny o mocy kilku kilowatów wykonywany jest w postaci stosu przetworników z ceramiki piezoelektrycznej [1, 2]. Na rysunku 5 przedstawiono przykład przetwornika ultradźwiękowego dużej mocy.

Rys. 5. Przykład przetwornika ultradźwiękowego o mocy 3 kW

Główne problemy z zasilaniem przetwornika w procesie zgrzewania ultradźwiękowego

Głównym problemem występującym w czasie procesu zgrzewania jest zapewnienie właściwej stabilizacji mocy dostarczanej do elementu wykonawczego-sonotrody, a co za tym idzie regulacji parametrów zasilania w czasie rzeczywistym. Charakterystyki częstotliwościowe impedancji przetwornika ultradźwiękowego podczas procesu zgrzewania ulegają ciągłym zmianom pod wpływem zmian takich wielkości, jak: siła docisku sonotrody do materiału zgrzewanego, temperatura układu drgającego oraz zmiany w samym materiale zgrzewanym.

Materiał w czasie procesu zgrzewania zaczyna płynąć, zmieniając tym samym wypadkową impedancję obciążenia, widzianą na zaciskach generatora. Podobny wpływ mają niejednorodności w materiale zgrzewanym. Na rysunku 6 przedstawiono wpływ zmiany charakterystyk częstotliwościowych impedancji przetwornika wskutek zmiany siły docisku sonotrody do materiału zgrzewanego. Zwiększenie siły docisku sonotrody powoduje zwiększenie obciążenia przetwornika, co reprezentowane jest zwiększeniem wartości rezystancji R w jego elektrycznym układzie zastępczym [1, 2] przedstawionym na rys. 7.

Rys. 6. Zmiana charakterystyk częstotliwościowych impedancji przetwornika pod wpływem zmian obciążenia.

Są to stosunkowo duże poziomy amplitud i mocy w tym zakresie częstotliwości, co narzuca wysokie wymagania na stopień mocy [3] i układ sterowania generatora. Dodatkowym problemem jest tu bezwładność układu drgającego, charakteryzująca się stałą czasową wynoszącą od 1 do 3 ms.