Общие сведения о сварке пластмасс

Удельную мощность, выделяемую в единице объема диэлектрика, помещенного  в переменное электрическое поле, определяют по формуле:

P_уд=0,555ε·tgδ·f·E²·10^-12 Вт/см²  ,

где ε – диэлектрическая  проницаемость материала;

tgδ – тангенс угла диэлектрических потерь;

f – частота изменения направления поля, Гц;

Е – напряженность  поля в материале, Вт/см².

Коэффициенты ε, tgδ у различных материалов различны; чем больше их значение, тем лучше нагревается материал. В связи с этим ТВЧ свариваются только те пластмассы, у которых при температуре +20˚С  tgδ составляет не менее 0,01.

Согласно ГОСТ 21139 – 82 для сварки ТВЧ полимерных материалов можно использовать следующие частоты: 13,56 МГц ±0,05%; 27,12 МГц ± 0,6%; 40,68 МГц ± 0,05%; 81,36 МГц ± 1%.

Из формулы видно, что  ε, tgδ для данного материала при определенных условиях постоянны, частота электрического поля имеет фиксированное значение, следовательно, единственной возможностью управлять интенсивностью нагрева материала при сварке остается изменение напряжения на электродах. Однако напряжение можно увеличивать до определенных пределов, выше которых происходит электрический пробой материала.

Допустимая величина напряжения, подводимого к электродам при сварке различных материалов:

U_доп=U_проб/(1,5÷2),

где U_проб – пробивное напряжение материала, В.

С повышением температуры  материала его пробивное напряжение уменьшается. Скорость нагрева материала при сварке ТВЧ мало зависит от теплопроводности полимера. Теплопроводность определяет лишь потери теплоты в околошовную зону материала и металл электродов. При сварке тонких пленок максимальная температура сосредоточена на соединяемых поверхностях, а минимальная – на внешних поверхностях, контактирующих с электродами.

Удельная тепловая мощность (Вт/м²), потребляемая от источника нагрева с учетом тепловых потерь:

P=9,9·10⁷(ρc/η_т)(ΔТ/Δt),

где  ρ – плотность материала, кг/м3;

с – удельная теплоемкость, Дж/(кг·К);

ΔТ/Δt – скорость нагрева материала;

η_т – термический КПД процесса нагрева, учитывающий потери теплоты в окружающую среду.

 

7.3. Способы  сварки пластмасс токами высокой частоты

В промышленности применяют  прессовую, роликовую и точечную сварку. Выбор того или иного способа сварки зависит от конструктивных особенностей изделия.

1) При прессовой сварке  материал помещают между обкладками  рабочего конденсатора и нагрев  места соединения осуществляется  с помощью инструмента (электродов), повторяющего внешнюю форму шва.

Рис. 7.2. Схема прессовой  сварки:

1 – высокочастотный  генератор; 2 – электроды; 3 – свариваемые  детали.

Сварка изделия производится в прессе, контактные поверхности  которого являются электродами, подключенными к высокочастотному генератору. Электроды, кроме подвода энергии к месту сварки, выполняют роль элементов, передающих на материал необходимое давление, и охлаждают его поверхность.

При этом способе сварки нагревается либо одновременно весь шов, либо последовательно отдельные его участки.   

Преимуществом прессовой  сварки пластмасс по сравнению с  другими способами сварки токами высокой частоты является то, что  свариваемый материал в месте  соединения нагревается одновременно, равномерно и по всей длине шва.

2) Роликовая сварка, так  же как и прессовая шаговая,  служит для получения протяженных  непрерывных швов. В отличие от  прессовой, при роликовой сварке  соединение материалов производится  двумя вращающимися роликами, выполненными  в виде дисков, из которых нижний, ведущий, изолирован от корпуса сварочной машины, а верхний, ведомый, заземлен. Обычно рабочая ширина нижнего электрода берется в 5 – 10 раз больше верхнего, что обеспечивает лучшую подачу свариваемых деталей. Сварка пластмасс происходит по линии, расположенной непосредственно под электродами.

Рис. 7.3. Схема роликовой  сварки пластмасс токами высокой  частоты.

Под воздействием тока высокой  частоты пластмассы нагреваются  до температуры вязкотекучего состояния, а давление, приложенное к электродам, создает тесный контакт между свариваемыми поверхностями. Несмотря на свою простоту, способ роликовой сварки токами высокой частоты имеет ряд существенных недостатков. Шов не успевает охладиться под давлением, выходит из-под электродов нагретым, и при охлаждении может произойти его деформация.

 

Контрольные вопросы:

1. В чем состоит  сущность сварки пластмасс токами  высокой частоты?

2. Каковы преимущества  сварки пластмасс токами высокой  частоты?

3. Назовите виды сварки  пластмасс экструдируемой присадкой.

4. Какое оборудование  применяется при сварке пластмасс  токами высокой частоты?

 

Лекция № 8

Ультразвуковая  сварка

 

План:

8.1. Сущность ультразвуковой сварки

8.2. Классификация способов ультразвуковой сварки

 

8.1. Сущность ультразвуковой сварки

Способ ультразвуковой сварки пластмасс заключается в  том, что электрические колебания  ультразвуковой частоты (20-50 кГц), вырабатываемые генератором, преобразуются в механические продольные колебания магнитострикционного преобразователя и вводятся в свариваемый материал с помощью продольно–колеблющегося инструмента – волновода, расположенного перпендикулярно к свариваемым поверхностям. Подвод механической энергии ультразвуковых колебаний осуществляется за счет контакта излучающей поверхности сварочного инструмента – волновода  с одной или несколькими свариваемыми деталями. Такой контакт обеспечивается статическим давлением Р_ст рабочего торца волновода на свариваемые детали. Это давление способствует также концентрации энергии в зоне соединения.

Рис 8.1. Схема ультразвуковой сварки:

а – схема установки: 1 – корпус преобразователя; 2 – преобразователь  с обмоткой; 3 – трансформатор  упругих колебаний; 4 – волновод; 5 – свариваемые детали; 6 – опора;

б – эпюра амплитуды смещения колебательной системы; в – расположение векторов статического давления Р_ст и динамического усилия F.

Динамическое усилие  F, возникающее в результате воздействия колеблющегося волновода, приводит к нагреву свариваемого материала, а действие статического давления Р_ст обеспечивает получение прочного сварного соединения. Силы Р_ст и F воздействуют на дополнительный присадочный материал (пруток, уложенный в V – образный зазор между свариваемыми деталями). Воздействие ультразвуковых колебаний на пруток приводит к его пластификации, а под действием статического давления пластифицированный материал заполняет зазор, образуя прочное соединение.

Рис. 8.2.Схема сварки с  дополнительной присадкой:

1 – преобразователь  с волноводом-инструментом; 2 – присадочный материал; 3 – свариваемые детали; 4 – шов.

Отличительная особенность  сварки пластмасс ультразвуком состоит  в том, что механические колебания  вводятся преимущественно перпендикулярно  к свариваемым поверхностям и  совпадают с направлением действия давления. Такая схема ввода механических  колебаний в материал  называется  «пластмассовой» в отличие от «металлической» схемы, когда механические колебания действуют в плоскости соединяемых поверхностей, а давление прикладывается перпендикулярно к ним.

Исследование тепловых процессов, протекающих при ультразвуковой сварки полимерных материалов, показало, что введение механических колебаний  ультразвуковой частоты в контактируемые материалы приводит к быстрому их нагреву с преимущественным ростом температуры на контактируемых поверхностях. Нагрев обусловлен поглощением энергии механических колебаний в объеме материала, находящегося под волноводом, а также поглощением энергии в свариваемом контакте и в контакте полимерный материал – волновод. Поглощенная в полимере механическая энергия переходит в теплоту, за счет чего происходит так называемый гистерезисный разогрев полимеров. Выделение теплоты в объеме полимера обусловлено потерями на внутреннее трение. Наиболее интенсивное поглощение энергии и превращение ее в теплоту происходит в отдельных несплошностях материала и на границе раздела.

Возникающие при сварке поперечные ультразвуковые колебания  могут вызвать поверхностное  трение на границе раздела, что также  способствует быстрому разогреву материала  в этой зоне и переходу его в размягченное состояние. Образовавшаяся мягкая прослойка снижает коэффициент механического трения, однако сама является средой, интенсивно поглощающей механические колебания.

Роль механических ультразвуковых колебаний состоит также в том, что под действием мощных импульсов ультразвуковой частоты происходит выравнивание микронеровностей, разрушение и удаление различных поверхностных пленок и загрязнений.

В значительной степени  ультразвуковая сварка отличается от других способов  также и в отношении физико-химических процессов, протекающих на границе раздела. Во-первых, воздействие механических колебаний на расплав полимера значительно ускоряет процесс диффузии макромолекул. Во-вторых, при ультразвуковой сварке происходит интенсивное перемешивание расплава, вызванное «насосным» действием поверхности движущегося волновода, при движении вперед волновод отталкивает полимер, а при движении назад не полностью увлекает его за собой, благодаря этому в область разряжения, образующуюся на границе раздела деталей, притекают новые частицы полимера. Это ускоряет процесс образования сварных соединений и обеспечивает возможность качественной сварки при температурах более низких, чем в случае других известных способов сварки. 

8.2. Классификация способов ультразвуковой сварки

Классификация процессов ультразвуковой сварки приведена с учетом следующих  основных признаков:

1) ввод энергии механических  колебаний в свариваемое изделие;

2) передача колебаний  к зоне сварки;

3) концентрация энергии  в зоне сварки;

4) дозирование вводимой  энергии;

5) взаимное перемещение  сварочного инструмента и свариваемых  деталей для получения швов  необходимой конфигурации и протяженности.

Ввод механической энергии  ультразвуковых колебаний осуществляется за счет контакта рабочего торца волновода с одной или несколькими свариваемыми деталями. Для интенсификации процесса сварки можно применять двусторонний (от двух преобразователей) подвод энергии к свариваемым поверхностям, что позволяет увеличить выделяющуюся на границе раздела деталей энергию почти в 4 раза.

Характер передачи энергии  к границе раздела и распределение  ее относительно свариваемых поверхностей при ультразвуковой сварке может  быть различным и в зависимости  от этого сварка разделена на контактную и передаточную – дистанционную.

При контактной ультразвуковой сварке для равномерного распределения  энергии по всей площади контакта свариваемых деталей необходимо, чтобы рабочий торец волновода, соприкасающийся с верхней деталью, имел форму и площадь, идентичную площади и форме плоскости контакта свариваемых поверхностей. Такую схему применяют для сварки полимерных материалов, обладающих низким модулем упругости и большим коэффициентом затухания, как полиэтилен, полипропилен, пленок и синтетических тканей небольшой толщины (0,002-5мм).

Рис. 8.3. Схема контактной ультразвуковой сварки:

а – прессовая; б –  шовная; В – волновод; СД – свариваемые  детали; РО – ролик опора.

При передаточной ультразвуковой сварке, применяемой при сварке полимерных материалов, обладающих большим модулем упругости и малым коэффициентом затухания, ввод механических колебаний возможен в отдельной точке или на небольшом участке поверхности верхней детали. Благодаря хорошим акустическим свойствам материала изделия энергия ультразвуковой волны незначительно ослабляется при прохождении через деталь, контактирующую с волноводом, и почти полностью транспортируется к границе раздела свариваемых деталей. Передаточную сварку рекомендуют для соединения объемных деталей из жестких пластмасс, как полистирол, полиметилметакрилат и др.

Рис 8.4. Схема передаточной ультразвуковой сварки:

В – волновод; СД –  свариваемые детали.

По принципу дозирования  вводимой механической энергии ультразвуковую сварку подразделяют на сварку:

а) с фиксированным временем протекания ультразвукового импульса. Продолжительность сварки задается с помощью реле времени, а статическое усилие действует до окончания сварочного цикла.

б) с фиксированной  осадкой. Задается осадка δ, т.е. глубина  вдавливания волновода в свариваемую деталь под воздействием статического усилия и ультразвука.

в) с фиксированным  зазором. Сущность процесса состоит  в том, что сварка происходит только в результате динамических усилий, возникающих при воздействии  волновода на свариваемый материал. При этой схеме сварки зазор между рабочим торцом волновода и опорой устанавливается таким, чтобы свариваемый материал деформировался только за счет смещения рабочего торца волновода. В результате воздействия волновода материал утоньшается, а так как сварочная головка зафиксирована и не имеет возможности перемещаться в вертикальном направлении, то контакт волновода с материалом после деформации последнего нарушается и воздействие ультразвука на материал прекращается. Деформация свариваемого материала не превышает удвоенной амплитуды смещения волновода и зависит от исходной толщины материала.