Главная


Сварка пластмасс ультразвуком




Листать книгу
Листать
Страницы: 1 ... 20 ... 60 ... 100 ... 140 ... 180 ... 220 ... 260 ... 274
160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199


скачать книгу Сварка пластмасс ультразвуком




давления расплавленный полимер вдавливается во внутренние слои волокнистого холста. При малой поверхностной плотности мате­риала вязкая масса проходит насквозь, оказывая подогревающее действие по всей толщине, что значительно сокращает время свар­ки. Когда толщина волокнистого материала сравнима с расстояни­ем, проходимым вязкой массой под действием заданного давления,, время сварки должно изменяться незначительно. Дальнейшее уве­личение поверхностной плотности материала приведет к резкому возрастанию времени сварки.
...
Рассмотрим прежде всего те факторы, от которых зависит проч­ность нетканых полотен. Для этого выделим элементарную ячейку, представляющую собой два шва шириной, равной единице, между которыми закреплено п
...
Следовательно, прочность элементарной ячейки в первую очередь зависит от рас­стояния между швами, так как с его измене­нием меняется число и соответственно сум­марная прочность закрепленных волокон. Если суммарная прочность волокон, закреп­ленных между двумя соседними швами, окажется выше прочности самого шва или зоны перехода от волокон к шву, то разрыв при приложении растягивающей нагрузки произойдет по одной из этих зон. Так как прочность шва и переходной зоны опреде­ляется сварочным циклом и режимом свар­ки, то последние также являются парамет­рами процесса изготовления нетканых по­лотен. Для нахождения оптимальных режи­мов сварки использовался метод Бокса и Уильсона [134, 135]. Параметром оптими­зации была прочность сварного шва, кото­
...
Варьируемыми факторами были следующие основные параметры режима сварки: ам­плитуда смещения рабочего торца волновода Л,
...
выше, находится в пределах 25—40 мкм. Для изготовления нетка­ных полотен желательно применять волноводы с достаточно боль­шой длиной рабочего торца, что позволяет уменьшить число сва­рочных головок, необходимых для получения материала заданной ширины. В разработанной авторами установке используются вол­новоды с длиной рабочего торца 240—280 мм. Такие волноводы имеют небольшой коэффициент усиления и обеспечивают амплиту­ду смещения на выходе не более 30 мкм. Поэтому в качестве верх­него и нижнего уровней варьирования амплитуды на первом этапе были выбраны значения 30 и 20 мкм. Волокнистые холсты в сво­бодном состоянии имеют рыхлую структуру, поэтому для обеспече­ния акустического контакта при их сварке необходимо применять большие сварочные давления, чем при сварке сплошных полимер­ных материалов. Поэтому первоначально уровни варьирования давления были выбраны равными 3,5 и 4,5 МПа.
...
Время пропускания ультразвукового импульса при сварке во­локнистых материалов существенно зависит от поверхностной плот­ности холста. Из данных, представленных на рис. 111.64, следует, что увеличение поверхностной плотности волокнистого холста свы­ше 0,4 кг/м2 нецелесообразно с точки зрения производительности. Поэтому эксперименты проводились па образцах с указанной по­верхностной плотностью. При этом уровни варьирования времени пропускания ультразвукового импульса были приняты равными 0,2 и 0,3 с. Шаги варьирования для всех вышеперечисленных факторов выбирались из того расчета, чтобы они несколько превышали ошибки измерения, которые составляли: для амплитуды смещения ±2,5 мкм, для давления ±0,1 МПа и для времени ±0,01 с.
...
Все опыты проводились на лабораторной установке УЗП-1 с ис­пользованием магпитострнкциоиного преобразователя мощностью 2,5 кВт и резонансной частотой 19,5 кГц. Сварка проводилась но циклу сварочное давление — ультразвук с помощью ножевых экс­поненциальных волноводов. В качестве опоры использовалась стальная плита толщиной 30 мм. Реализация планов второго по­рядка при указанных выше условиях позволила найти следующие оптимальные режимы сварки холстов: для холстов, сформирован­ных из полипропиленовых волокон, Л =27 мкм; Рст=3,5 МПа; /(;в = 0,26 с; для холстов, сформированных из полиэтилентерефта-латных волокон, Л = 30 мкм; Рст = 3,5 МПа; /сз = 0,3 с.
...
На рис. 111.66 показаны результаты экспериментов по изучению влияния отклонения времени сварки от оптимального значения на разрывное усилие сварных швов, полученных при сварке холстов, сформированных из полипропиленовых (рис. 111.66, а) н полиэти-лептерефталатиых (рис. 111.66,6) волокон. Расчетные и экспери­ментальные кривые хорошо совпадают в указанной выше области варьирования факторов.
...
Все кривые, представленные на рис. 111.66, имеют четко выра­женный максимум, соответствующий оптимальному режиму. От­клонение параметра от оптимального значения как в сторону уве-
...
личепия, так и в сторону уменьшения приводит к снижению раз­рывного усилия шва. Это особенно заметно в случае сварки хол­стов, выполненных из полипропиленовых волокон, для которых отклонение параметра на ±10%
...
Такой характер рассматриваемых кривых связан, очевидно, со структурными изменениями, происходящими в волокнистом мате­риале под действием ультразвуковых колебаний. Это подтверж­дается результатами рентгеиоструктуриого анализа сварных швов.
...
Структура сварных швов изучалась на приборах УРС-70 и ДРОМ-1 на медном излучении с никелевым фильтром. Степень ориентации кристаллитов определялась но кривой азимутального распределе­ния интенсивности рефлекса 110. Для определения степени упоря­доченности кристаллитов проводилось быстрое вращение образцов вокруг первичного рентгеновского луча при медленном вращении счетчика.
...
Рентгенограмма исходного волокна полипропилена свидетельст­вует о высокой степени ориентации кристаллитов в волокне (рис. 111.67,а). Угол разориентации ср оси с
...
цепи), определенный по азимуту экваториального рефлекса 110, равен 27°. При воздействии ультразвуком в зоне шва происходит локальный перегрев, температура при этом достигает температуры плавления, что приводит к образованию пленки, в которой просмат­риваются отдельные волокна при времени воздействия 0,2 и 0,3 с, и к образованию полностью прозрачной пленки при времени воз­действия 0,4 с.
...
При воздействии ультразвуком в течение 0,2 и 0,3 с происходит значительная разориентация кристаллитов (рис. 111.67, б). Угол <р
...
становится равным 40° и 42° для об­разцов с временем воздействия ультра­звукового импульса, равным 0,2 и 0,3 с соответственно. Дальнейшая выдержка приводит к полной переориентации кристаллитов. На рентгенограмме про­исходит смещение максимума рефлек­са ПО с экватора на меридиан. В пленке появляется я-текстура (рис. 111.67,0),
...
граммы исходного волокна, подвергав­шегося воздействию ультразвука в те­чение 0,3 и 0,4 с. Сели при времени 0,3 с сильных изменений в дифракто-
...
грамме не наблюдается, то при време­ни 0,4 с происходит резкое уширение рефлексов вплоть до того, что они сливаются. Полуширина рефлекса 110 растет в 2 раза, что свидетельствует об увеличении дефектности кристаллитов. Степень кристалличности образцов практически не меняется.
...
По-видимому, переориентация кристаллитов и образование а-текстуры сопровождаются релаксацией полимерных цепей и воз­никновением внутренних напряжений. Эти процессы приводят к росту дефектности кристаллитов, о чем свидетельствует уширение рефлексов на дифрактограммах, п к образованию микротрещин, что в конечном счете и обусловливает падение разрывного усилия сварных швов.
...
Рентгеновские съемки зоны шва для полиэтилентерефталатных волокон показали, что при выдержке в течение 0,2—0,5 с значи­тельных изменений в структуре не происходит. Этим и объясняется незначительное изменение разрывного усилия с увеличением време­ни воздействия ультразвуком. Чтобы уменьшить теплоотвод в вол­новод и опору, проводилась сварка этих материалов через бумаж­ные прокладки. В результате разрывное усилие сварного шва по­низилось со ПО до 40 II. При этом в структуре шва наблюдается некоторая аморфизация и полная разориентация кристаллитов.
...
С целью обнаружения микротрещин и других дефектов проводи­лось электронно-микроскопическое исследование сварных швов. Предварительные эксперименты по отработке методики испытаний показали, что для получения качественных срезов необходима фиксация волокон. В качестве химического фиксатора поверхности волокон использовали 2%-ный раствор четырехокиси осмия. Фик­сация проводилась при 277 К в течение 24 ч, а также 7, 21 и 30 су­ток. После фиксации волокна промывались дистиллированной во­дой, обрабатывались 96е и 100п спиртами и заливались смесью эпоксидных смол эпон-812. Полимеризацию проводили в термоста­те при Г=333 К в течение 24 ч. Полученные блоки разрезали на ультрамикротоме фирмы Рейхерт, а срезы просматривали па све­товом (МБР-1А и МБС-1) и электронном (4ЭМВ-100В и УЕМ-7) микроскопах.
...
Оказалось, что только при фиксации в течение 30 суток в сре­зах удерживается довольно прочно более 90% волокон. В электрон­ном микроскопе срезы волокон полипропилена выглядели в виде овалов или кругов с неравномерным по толщине темным контуром. При очень больших увеличениях (50 80 тыс.) на поверхности во­локон четко видны частицы металла, располагающиеся неравно­мерным по толщине слоем.
...
Для исследования сварных швов проводили предварительную фиксацию волокон указанным выше способом. После фиксации во­локна были сварены на различных режимах и залиты смесью эпоксидных смол эион-812; полученные блоки резались на микро­томе. На рис. 111.69 представлена типичная картина взаимодейст­вия между двумя соседними волокнами. Видно, что в отдельных участках происходит полное слияние волокон до исчезновения гра­ницы раздела. Однако имеются участки, где такого слияния не происходит, и между волокнами сохраняются пустоты; по-видимо­му, последние и приводят к понижению прочности сварного шва.
...
Дополнительные параметры режима сварки оказывают меньшее по сравнению с основными параметрами влияние на разрывное усилие сварных швов.
...
При изучении влияния материала волновода на разрывное уси­лие сварного шва для исключения влияния временного фактора сварка образцов производилась спустя 1 ч после работы акустиче­ской системы на холостом ходу с перерывами между ультразвуко­выми импульсами 0,3—0,5 с. При этом были отмечены следующие температуры разогрева волноводов (при температуре окружающей
...
При испытании сварных швов оказалось, что разрывное усилие швов, выполненных волноводами, изготовленными из стали 45, почти на 10% ниже, чем разрывное усилие швов, выполненных ти­тановыми волноводами.
...
Форма опоры практически не влияет на величину разрывного усилия. В то же время материал опоры оказывает существенное
...
влияние на этот показатель. Так, сварка на текстолитовой опоре приводит к понижению разрывного усилия шва почти на 15% по
...
Эти результаты согласуются с результатами, полученными при сварке синтетических тканей. Очевидно, падение разрывного уси­лия швов при использовании стальных волноводов и опор из мате­риалов с малой теплопроводностью объясняется ухудшением тсп-
...
Как отмечалось, могут встре­титься два случая разрыва нетка­ных полотей при действии на них растягивающей нагрузки. Первый случай, когда разрыв полотна происходит по шву, не
...
говорит о справедливости найденных закономерностей для всех участков волокнистого холста. Такие же закономерности были об­наружены и для других волокнистых холстов.
...
Используя подход, изложенный в работе [137], а также стати­ческие данные по ориентации волокон в холсте, можно показать,
...
среднее квадратичное отклонение разрывной нагрузки одиночного волокна; /(■) — функции, которые находятся путем интегрирования трапецеидального распределения остаточных длин волокон (см. рис. 111.70).
...
До сих пор рассматривались особенности сварки холстов, со­стоящих только из термопластичных волокон. Однако возможно получение нетканых полотей посредством ультразвуковой сварки холстов, состоящих из смеси терме пластичных волокон с хлопко­выми, вискозными, шерстяными и другими нетермопластичными волокнами. В этом случае расплавленная термопластичная состав­ляющая обволакивает нетермопластичпые волокна, тем самым об­разуя прочное соединение.
...
Эксперименты показали [157}, что с увеличением содержания вискозных волокон прочность падает практически линейно. Пре­дельно допустимое содержание вискозных волокон — 65%. При большем содержании вискозных волокон практически не удается получить сколько-нибудь прочные сварные швы.
...
Разработанные нетканые материалы по своей структуре близки к нашедший, широкое применение фильтровальным материалам из ультратонких волокон (стеклянная ткань из ультратонкого стек­лянного волокна', материала фП и др.), поэтому они могут бытьис-пользованы, в частности, для фильтрации газовых сред от аэрозо­лей [159].
...
Сопоставления этих материалов с другими фильтрующими ма­териалами показало [157], что фильтрующие свойства образцов, состоящих на 100% из полипропиленовых волокон и имеющих мас­су 200 г/м2, при скоростях фильтрации 10, 50 и 200 мм/с лучше, чем у большинства сравниваемых материалов. По этим свойствам нетканые материалы несколько уступают ткани из ультратонкого стеклянного волокна, 'имеющей массу 150—160 г/м2, по они более долговечны. Не следует забывать и о том, что при работе со стек­лянным волокном необходимо выполнять специальные санитарно-гигиенические мероприятия [160]. Полученные материалы также превосходят применяемые в настоящее время в качестве пред-фильтров некоторые сетки, тканые материалы, фильтр-сукно, ру­кавные ткани и др.
...
среднее квадратичное отклонение разрывной нагрузки одиночного волокна; /(■) — функции, которые находятся путем интегрирования трапецеидального распределения остаточных длин волокон (см. рис.
...
При всем разнообразии конструкторских решений все ультра­звуковые сварочные машины состоят из четырех основных элемен­тов: сварочная головка, опора, механизм давления (механизм пе­ремещения подвижных элементов) и станина (корпус).
...
Сварочная головка включает в себя преобразователь энергии (магнитострикционный или пьезоэлектрический), волновод-инстру­мент, через рабочий торец которого ультразвук вводится в свари­ваемое изделие, и трансформатор упругих колебаний, являющийся согласующим акустическим элементом между волноводом и пре­образователем.
...
Как правило, в конструкцию сварочной головки входит устрой­ство для охлаждения нагревающегося в процессе работы преобра­зователя. Таким устройством может быть бачок с проточной водой, в которой помещают магнитостриктор с частью трансформатора упругих колебаний. Иногда проточной водой охлаждается и волно­вод-инструмент. При использовании преобразователей с малыми потерями (ффрритовых, пьезоэлектрических) может применяться принудительное или даже естественное воздушное охлаждение.
...
Основное назначение рассмотренных элементов сварочной го ловки (преобразователя, трансформатора колебаний н волновода) состоит в создании механических ультразвуковых колебаний и вве­дении их в изделие. Кроме того, сварочная головка может исполь­зоваться в качестве элемента механизма давления.
...
Основное назначение опоры — фиксация изделия при сварке. Как будет показано ниже, в некоторых случаях опора может рас­сматриваться как активный элемент волиоводно-акустического тракта. В этом случае опора способствует обеспечению оптималь­ного энергетического режима сварки. При использовании пассивной опоры ее конструкция и материал выбираются из соображений оп­тимального теплового режима сварки. Опора может использовать­ся для подогрева или охлаждения. Поскольку опора (пассивная или активная) участвует в распределении энергии среди элементов колебательной системы, ее можно использовать для получения ин­формации о ходе процесса сварки. В этом случае опора выполняет­ся в виде датчика. В некоторых случаях опора выполняет еще и дополнительную функцию, являясь элементом механизма дав­лен! я.
...
Механизм давления предназначен для того, чтобы обеспечить необходимый акустический контакт между рабочим торцом волно­вода, изделием и опорой, а также между частями свариваемого изделия. Сварочная головка или опора должны иметь возможность перемещения. Подвижному элементу сообщается движение от ме­ханизма перемещения при помощи мускульной силы оператора или при помощи автоматического привода. Иногда подвижными выпол­няют и сварочную головку, и опору. Тогда оба эти элемента могут быть элементами механизма давления. В некоторых случаях при подвижной сварочной головке подвижная опора выполняет иную функцию, транспортируя свариваемые детали под сварочной го­ловкой.
...
Станина ультразвуковых сварочных машин предназначена прежде всего для размещения грех основных элементов: сварочной головки, опоры и механизма давления. Иногда на станине уста­навливают различные подающие и приемные устройства, часто ча станине помещается источник энергии — ультразвуковой генератор. Конструкция станины определяется типом сварки, принятой кине­матической схемой механизма давления и технологической схемой сварки, режимами сварки и другими многочисленными факторами. Поэтому, если в конструировании первых трех основных элементов сварочных машин имеется некоторое единообразие, то конструкции корпусов и станин сварочных машин крайне разнообразны.
...
Механические колебания получают в ультразвуковых сварочных машинах при помощи электроакустических преобразователей. По­скольку при использовании достаточно мощных преобразователен свариваемый материал (полимерные листы, пленки, ткани и т. п.) представляет собой пренебрежимо малую нагрузку, акустическая мощность излучения преобразователей, используемых для сварки пластмасс, составляет незначительную часть от общей мощности потерь и не характеризует эффективность технологического про­цесса сварки. Основная задача при использовании таких преобра­зователей состоит в получении достаточно большой амплитуды смещения ультразвукового инструмента, поэтому их условно отно­сят к группе «преобразователей амплитуды» [161].
...
Преобразование электрической энергии в энергию механических упругих колебаний основано па использовании магпитострикцнон-ного или пьезоэлектрического эффекта. Не останавливаясь на фи­зической сущности этих явлений, подробно освещенной в специаль­ной литературе [162—164], укажем только, что они характерны для ферромагнитных (в случае магпитострикции) и пьезокерами-ческих (в случае злектрострикшш) веществ. Если эти вещества претерпевают некоторую механическую деформацию, то их магнит­ные или электрические свойства меняются (прямой магнитострик-
...
ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ СВАРОЧНЫХ МАШИН
...
ционпый эффект). И наоборот, если эти вещества поместить в маг­нитное или электрическое поле, то в них возникает механическая реформация, вызывающая изменение размеров тела (обратный магнитострикционный эффект).
...
Магнитострикциопным эффектом обладают многие ферромаг­нитные материалы. Эти материалы состоят из магнитооднородных кристаллов, объединенных в домены. Б непамагниченном материа­ле отсутствует ориентация магнитных моментов доменов. Под дей­ствием магнитного поля большинство доменов ориентируется в на­правлении легчайшего намагничивания. В результате поворота до­менов происходит деформация кристаллической решетки и измене­ние размеров ферромагнитного тела в целом.
...
Магнитострикционный эффект — четный, т. е. направление де­формации не меняется при перемене напряженности магнитного поля. Для увеличения амплитуды смещения рабочих торнов пре­образователя последний помещают в зону действия постоянного и переменного магнитных полей. При оценке и расчетах различных металлических магнитострикциопных преобразователей использу­ют основные характеристики мапштострнкционных материалов, к которым относятся: модуль упругости Е,
...
В табл. IV. 1 приведены основные константы некоторых метал­лических магнитострикционных материалов. Наилучшим материа­лом для изготовления преобразователей являются железо-кобаль-говые сплавы. Так, пермендюр обладает наибольшим магнитострик­ционным удлинением и наивысшей точкой Кюри. Однако техноло­гия обработки и пайки его достаточно сложна. Хорошими магнито-стрикционпыми свойствами обладают сплавы железа с алюминием (альфер). Магнитострикциоиное удлинение у них такое же, как у никеля, но удельное электрическое сопротивление на порядок вы­ше, благодаря чему потери энергии в преобразователях из альфера значительно меньше, чем в преобразователях из никеля. Но аль­фер практически не поддается пайке со сталью, поэтому7 для соеди­нения преобразователя с трансформатором упругих колебаний приходится применять контактную стыковую сварку, что усложняет и удорожает изготовление акустического узла. Наибольшее приме-
...
Таблица IV.!. Основные константы некоторых металлических магнитострикционных материалов
...
няіотся кривые намагничивания, что свидетельствует об ухудшении м а г н ито ст р и к и и о і і
...
при нагревании не покры­ваются окиспой пленкой, поэтому для их изоляции используют обычные ла-<п, применяемые при •борке трапсформатор-іьіх пакетов, а также шоксидные смолы и син­тетические клеи.
...
В ультразвуковых сварочных машинах используются в основ­ном стандартные преобразователи типа ПМС. В случае индивиду­ального изготовления магнитострикционного преобразователя сле­дует производить его геометрический и электрический расчет. Дан­ные для таких расчетов можно найти в специальной литературе [11, 31, 166].
...
Ферритами называют материалы, получаемые смешением в оп­ределенной пропорции порошкообразных окислов железа и других металлов (Г\П,
...
По химическому составу ферриты для акустических преобразо­вателей, разработанные в нашей стране [48,
...
Все они построены па базе феррита никеля, имеющего достаточно большую величину магнитострикционной деформации — (25-т
...
По статическим и динамическим характеристикам магнито-стрикции ферриты не уступают металлическим материалам, а в ряде случаев превосходят их [48,
...
стигать 363 К.Такой разогрев может привести [48] к нестабильно­сти работы ферритового преобразователя за счет изменения магни-тострикционных характеристик и резонансной частоты. Эта неста­бильность особенно свойственна преобразователям с ферритом ко­бальта (Ф-41, Ф-42), поэтому последний не рекомендуется приме­нять при работе в широком диапазоне температур. В этом случае лучше использовать феррит Ф-21, обладающий стабильными маг-нитострикпиопными характеристиками в диапазоне температур от 273 до 373 К.
...
меняют, например, феррит бария марки БА-2, так как благодаря его высокой магнитной проницаемости и коэрцитивной силе, пре­вышающей 80 кА/м, подмагпичивание можно создать при помощи магнитов в виде тонких пластин.
...
Амплитуда колебаний и интенсивность излучения ферритовых преобразователей ограничиваются как нелинейностью свойств, так и недостаточно высокой механической прочностью ферритов. Вели­чина амплитуды при резонансной частоте 23—27 кГц и пределе прочности массивных ферритовых стержней 15—20 МПа в отсутст­вие нагрузки [25, 48] должна составлять 3—4 мкм, а интенсивность колебаний 130-—140 кВт/м2. Экспериментально было установлено, что в указанном диапазоне резонансных частот ферритовые сердеч­ники стержневой формы могут устойчиво работать с амплитудой Л = 3 мкм, а при Л =4 мкм наступает их разрушение. При этом мак­симальная интенсивность составляет 70 кВт/м2. Последнее указы­вает на то, что применение ферритовых преобразователей наиболее целесообразно в маломощных ультразвуковых сварочных машинах, предназначенных для сварки полимерных пленок, синтетических тканей и сеток из моноволокна.
...
В ультразвуковых сварочных машинах применяются керамиче­ские пьезоэлектрические преобразователи. Наибольшее распростра­нение получил ньезокерамическнй материал ЦТС (циркопат — ти-таиат свинца). По сравнению с другими пьезокерамическими мате­риалами ЦТС обладает большим пьезомодулем (величина, анало­гичная модулю магиитострнкпиоииой активности), высокой точкой Кюри, что позволяет ему устойчиво работать при температурах до 493—510 К с акустической мощностью излучения 50—100 кВт/м2, а также значительной механической прочностью [170].
...
Пьсзоактивпыс элементы преобразователей выполняют в виде круглых или прямоугольных пластин. Для этого вначале нз измель­ченной смеси сырьевых материалов прессуют заготовки нужного размера и формы, которые отжигаются при температуре 1600-1800 К. Затем полученные заготовки шлифуют и подвергают поля­ризации в постоянном электрическом поле. Средняя продолжитель­ность поляризации при напряженности электрического поля 2 МВ/м составляет около 1 ч.
...
Так как наибольший пьезоэлектрический эффект наблюдается, когда частота изменения электрического поля совпадает с собствен­ной частотой упругих колебаний, то геометрические размеры пре­образователей рассчитываются из условия резонанса. Для свобод­ного па концах стержня резонансная длина при продольных коле­баниях определяется из выражения:
...
Из этой формулы следует, что из-за большой скорости звука в пьезокерамическом материале ЦТС, сравнимой со скоростью звука в металлах, резонансная длина в области частот 20—25 кГц со­ставляет 60—70 мм. Для поляризации таких стержней, а также для создания оптимальной напряженности по длине в процессе работы необходимо слишком высокое напряжение. Поэтому использовать пьезокерамику на низких ультразвуковых частотах, применяемых для сварки пластмасс, практически невозможно. В связи с этим со­временные преобразователи с . пьезокерамическими элементами строятся по принципу «пакета Лаижевена» (рис. 11.2,6).
...
Толщина накладок выбирается так, чтобы на заданной частоте высота пакета в целом была равна половине длины волны. Основ­ными преимуществами такою пакетного преобразователя являют­ся конструктивная простота, отсутствие необходимости в высоком напряжении поляризации, сравнительно малый объем пьезоактив-пого материала. Максимальный к. п. д. при достижении одной и той же акустической мощности излучения у пьезокерамических преоб­разователей выше, чем у магиитострикциониых металлических, а система охлаждения гораздо экономичнее или вообще не требует­ся. Недостатки указанной конструкции преобразователя связаны, в основном, с размещением пьезоэлемеита в зоне максимальных амплитуд механического напряжения, т. е. наибольших потерь. Кроме того, в режиме больших амплитуд наблюдается нестабиль­ность получении, нагрев иьезоэлемеитов, деполяризация и выход преобразователей их из строя [1/0].
...
С точки зрення получения высоких к. п. д. пьезоэлсмент в паке­те Лаижевена размещается в невыгодной зоне. Теоретическое и экспериментальное исследование этого вопроса показало, что оп­тимальные зоны размещения пьезоэлемеита в стержневом однород­ном резонансном преобразователе располагаются между средним и обоими крайними его сечениями. На основании этого исследования был сконструирован преобразователь, в котором использовались две пьезопластины (по одной в каждой оптимальной зоне), распо­ложенные одинаковыми знаками предварительной поляризации навстречу друг другу; наружные накладки были заземлены, а к среднему вкладышу подводилось переменное напряжение. К. п. д. таких преобразователей, измеренный при излучении в воду в ли­нейном режиме по круговым диаграммам, составил 45—60%. При этом преобразователь работал без принудительного охлаждения в течение 1—2 ч.
...
Для увеличения к. п. д. преобразователя предложена другая схе­ма [170], содержащая следующие основные узлы: две плоские пьезопластины; разделяющий их средний вкладыш, состоящий для
...
увеличения податливости из многих отдельных стержневых систем; две крайние накладки, дополняющие систему до резонансного раз­мера. Такая схема позволила увеличить эффективность преобразо­вателя (к. п. д. возрос до 90—94%) за счет улучшения согласова­ния с нагрузкой и уменьшить его габариты в 2—2,5 раза по срав­нению со сплошными преобразователями, работающими на той же резонансной частоте.
...
Еще одним направлением повышения эффективности резонанс­ного пакетного преобразователя является совмещение в одной стержневой системе функций пакетного преобразователя и транс­форматора упругих колебаний с распределенными постоянными [170]. В этом случае средний вкладыш выполняется в виде пла­стины с пересекающимися цилиндрическими сквозными каналами, оси которых расположены в среднем сечении пластины. Узкая часть ступенчатого трансформатора выполнена в виде стержня (то­го же диаметра, что и широкая часть трансформатора), в котором многочисленные отверстия, просверленные параллельно оси преоб­разователя, образуют в целом сотовую конструкцию. Поршневое возбуждение тонкой излучающей пластины, соединенной со стерж­нем, сочетается с высокой изгибной жесткостью последнего (т. с. отсутствует опасность возбуждения в колебательной системе вред­ных типов колебаний).
...
Расчетные формулы для определения геометрических размеров элементов колебательной системы ультразвуковых сварочных машин выводятся из реше­ния дифференциального уравнения распространения продольных волн в стерж­нях переменного сечения. Наибольшее значение амплитуды смещения соответ­ствует резонансному режиму работы колебательной системы, когда частота свободных колебаний равна частоте вынужденных колебаний. Поэтому ре­шение заключается в нахождении частотного уравнения, связывающего гео­метрические размеры стержня и физические характеристики материала, из ко­торого он изготовлен, с частотой свободных колебаний.
...
Для количественного описания процесса продольных колебаний стержней переменного сечения принимают ряд допущений, позволяющих значительно упростить вывод расчетных зависимостей fil,
...
стержня и что волновой фронт остается плоским, т. е. поперечные сечения в про­цессе движения не искажаются. Такое предположение не дает существенной ошибки, если поперечные размеры стержня не превышают 1/я длины волны в ма­териале стержня. В толстых стержнях поперечное движение приводит к нерав­номерному распределению напряжений по поперечному сечению, что вызывает искажение плоских поперечных сечений. Вследствие этого уменьшается ско­рость распространения продольных волн в стержне.
...
Для стержня переменного сечения, в котором возбуждены гармонические продольные колебания, уравнение собственных форм колебаний имеет следую­щий вид:
...
стержня и что волновой фронт остается плоским, т. е. поперечные сечения в про­цессе движения не искажаются. Такое предположение не дает существенной ошибки, если поперечные размеры стержня не превышают 1/я длины волны в ма­териале стержня. В толстых стержнях поперечное движение приводит к нерав­номерному распределению напряжений по поперечному сечению, что вызывает искажение плоских поперечных сечений. Вследствие этого уменьшается ско­рость распространения продольных волн в стержне.
...
постоянное поперечное сечение 5Х и 52. Для каждого участка будет справедливо уравнение (IV.3). С учетом того, что сме­щение и силы на конце одного участка будут начальными для второго участка, можно получить следующее уравнение частот цилиндрического ступенчатого стер­жня:
...
пая система крепится па сварочной установке. Толщина диафрагмы обычно принимается не более 5 мм. Для уменьшения влияния диафрагмы на колебатель­ный режим на стержне делается кольцевая проточка таким образом, чтобы внутренний торец проточки (рис. IV.5) находился на расстоянии Л/4 от обоих концов стержня.
...
В процессе работы в поперечных сечениях стержня действуют попере­менно силы растяжения и сжатия, что приводит к возникновению переменных напряжений. Это является причиной разрушения стержня, причем разрушение происходит в тех сечениях, где величина амплитуды динамических напряже­ний максимальна. Поэтому кроме расчета резонансных геометрических размеров стержня следует проводить и расчет па прочность. Опасное сечение расположено в узле смещения, т. е. в месте перехода от большего сечения к меньшему.
...
пая система крепится па сварочной установке. Толщина диафрагмы обычно принимается не более 5 мм. Для уменьшения влияния диафрагмы на колебатель­ный режим на стержне делается кольцевая проточка таким образом, чтобы внутренний торец проточки (рис. IV.5) находился на расстоянии Л/4 от обоих концов стержня.
...
Ступенчатые стержни при ультразвуковой сварке полимерных материалов могут использоваться как в качестве трансформаторов упругих колебаний, так и в качестве инструментов-волноводов. В первом случае входная площадь стержня ^ назначается, исходя из величины площади магнитострикционного преобразователя. Обычно она равна площади окружности, описанной вокруг прямоугольного или квадратного контура пакета преобразователя, т. с. диа­метр входного поперечного сечения принимается равным диагонали пакета (см. рис. 1У.5).
...
то она не должна быть слишком малой, несмотря на то, что коэффициент усиления амплитуды смещения при этом увеличивается. Это объясняется тем, что при большом отношении (1хм2
...
Опыт эксплуатации цилиндрических ступенчатых стержней в установках для сварки полимерных ма­териалов показывает, что во избежание быстрого вы­хода из строя трансформаторов и волноводов необхо димо, чтобы коэффициент усиления амплитуды смеще­ния был не более 10 (£у ^
...
Ступенчатые стержни при ультразвуковой сварке полимерных материалов могут использоваться как в качестве трансформаторов упругих колебаний, так и в качестве инструментов-волноводов. В первом случае входная площадь стержня ^ назначается, исходя из величины площади магнитострикционного преобразователя. Обычно она равна площади окружности, описанной вокруг прямоугольного или квадратного контура пакета преобразователя, т. с. диа­метр входного поперечного сечения принимается равным диагонали пакета (см. рис. 1У
...
В противном случае скорость окажется мнимой величиной. Условие (IV. 15) позволяет составить выражение для критической частоты:
...
Физический смысл этой величины связан с тем, что скорость звука
...
Сравнивая последние выражения, видим, что в экспоненциальном стержне узел смещения и опасное сечение располагаются симметрично относительно геометрического центра стержня.
...
Если подкоренное выражение заметно отличается от единицы, то входное со­противление будет существенно зависеть от показателя сужения Ь.
...
Напряжения в произвольном сечении можно найти, разделив выражение для колебательной силы на площадь:
...
При изготовлении ножевых экспоненциальных волноводов из цилиндриче­ской заготовки путем удаления сегментов 5сег, величина стрелки которых равна Л, для нахождения последней можно пользоваться номограммой, приведенной на рис. IV.7. Для этого на левой вертикальной оси нужно найти заданное зна-
...
чение коэффициента усиления £у и через него провести горизонтальную линию так, чтобы она пересекла все сплошные линии, соответствующие отношению I = хЦр.
...
Пример. Рассчитать ножевой экспоненциальный волновод при следующих данных: резонансная частота
...
выбранной величине |. Например, для волновода с /р = 120 мм,
...
■а площадь входа •Следовательно
...
В последнее время применяются волноводы-инструменты новых форм, позволяющих сваривать изделия по замкнутому контуру различных размеров, волноводы с изменяемым направлением колебаний, а также ножевые волноводы с большой протяженностью ножа. Возможность преобразования продольных колебаний сужающейся составной стержневой системы в изгибные колебания замыкающего конуса или пластины большого диаметра была использована 143—46] для разработки контурных волноводов с диаметром рабочего торца до 100—120 мм (рис. IV.9). Такой волновод состоит из конического стержня 2,
...
волновода, изображенного на рис. IV.9, равна 19,6 кГц. Таким волноводом сваривались байки из полиэтилена и поливинилхлорида, наполненные пище­выми продуктами.
...
В ЧССР разработана конструкция контурного волновода диаметром 87 мм (рис. IV. 10). Таким волноводом сваривают задние фонари для автомобиля «Шкода-100», изготовленные из блочного и ударопрочного полистирола. При этом достигается высокая механическая прочность и водонепроницаемость сварного шва.
...
Для получения длинных швов применяются волноводы-инструменты, конст­рукция которых показана на рис. IV. 11. Длина рабочей части таких волново­дов доходит до 350 мм, причем по всей длине зафиксированы одинаково высокие значения амплитуды колебаний — от 30 до 40 мкм при частоте 18 кГц, что поз­воляет сваривать изделия за один цикл и получать соединение высокого ка чества по всей длине шва.
...
Волноводы и трансформаторы упругих колебаний следует изготавливать из упругих и легких материалов, так как потери механической энергии тем меньше, чем меньше масса волновода и трансформатора и чем лучше упругие свойства материала. Хорошо зарекомендовали себя при сварке пластмасс вол­новоды из алюминиевых и титановых сплавов. Волноводы можно изготавливать также из стали 45, стали ЗОХГСА и стали 40Х, имеющих малый коэффициент потерь (отношение мощности потерь к колебательной мощности) и хорошие проч-лостные характеристики по сравнению с другими сталями [28, 177, 178].
...
Самым распространенным способом соединения трансформатора упругих колебаний с преобразователем является пайка твердыми припоями. Поэтому входной торец трансформатора упругих колебаний должен иметь буртик
...
В последнее время применяются волноводы-инструменты новых форм, позволяющих сваривать изделия по замкнутому контуру различных размеров, волноводы с изменяемым направлением колебаний, а также ножевые волноводы с большой протяженностью ножа. Возможность преобразования продольных колебаний сужающейся составной стержневой системы в изгибные колебания замыкающего конуса или пластины большого диаметра была использована 143—46] для разработки контурных волноводов с диаметром рабочего торца до 100—120 мм (рис. IV.9). Такой волновод состоит из конического стержня
...
\рис. IV. 12), предотвращающий стекание припоя во время пайки. В центре горца выполняется посадочное отверстие диаметром 4—6 мм для установки штифта, фиксирующего положение пакета при пайке по отношению к трансфор­матору упругих колебаний. Материалом для изготовления трансформаторсв служит сталь 45, сталь ЗОХГСА, алюминиевые и титановые сплавы. Последние приклеиваются к пакету преобразователя эпоксидными клеями.
...
Трансформаторы упругих колебаний, соединяемые с преобразователем пайкой, на выходном торце имеют, как правило, резьбовое отверстие для при­соединения сменного волновода. Иногда волновод с трансформатором соеди­няют с помощью шпилек или накидных гаек. В последнем случае резьбу вы­полняют на наружной части трансформатора упругих колебаний. Для обеопе-
...
\рис. IV. 12), предотвращающий стекание припоя во время пайки. В центре горца выполняется посадочное отверстие диаметром 4—6 мм для установки штифта, фиксирующего положение пакета при пайке по отношению к трансфор­матору упругих колебаний. Материалом для изготовления трансформаторсв служит сталь 45, сталь ЗОХГСА, алюминиевые и титановые сплавы. Последние приклеиваются к пакету преобразователя эпоксидными клеями.
...
припои ПМЦ-36, ПМЦ-48, ПМЦ-42, ПМЦ-54. Они имеют предел прочности, равный 210—350 МПа, относительное удлинение — до 26%. Серебряные при­пои имеют температуру плавления 413—1103 К. Согласно ГОСТ 8190—56, марки припоев различаются содержанием в сплавах серебра, которое изменяет­ся от 10% (ПСрЮ) до 72% (ПСр72). Низкотемпературные припои имеют тем­пературу плавления ниже 723—673 К и невысокую прочность. В большинстве случаев низкотемпературные припои содержат значительный процент олова. Низкотемпературные оловянно-свинцовистые припои ПОС-90, ПОС-61, ПОС-50, ПОС-33, ПОС-25 и др. имеют верхнюю критическую точку плавления 482—
...
В процессе пайки важно не допустить перекоса преобразователя по отно­шение к трансформатору упругих колебаний; перекос и несоосность системы не должны превышать 0,2 мм. Для предотвращения этого целесообразно прово­дить пайку в специальных приспособлениях. Одна из конструкций такого приспособления приведена на рис. IV. 13. Оно состоит из основания, двух труб — стоек и пяти болтов. Заготовка трансформатора 4
...
Проверка собственной частоты преобразователя-пакета, а также преобра­зователя с подсоединенными к нему одним или двумя трансформаторами упру­гих колебаний осуществляется с помощью частотомера (например. 43-22) и измерителя амплитуды колебаний (см. стр. 214). Перед измерением на преобра­зователь наматывается провод соответствующего сечения и на него подается напряжение от ультразвукового генератора. Если частота системы соответствует собственной частоте преобразователя-пакета, то дополнительной подгонки не требуется. Однако чаще всего акустические системы требуют подгонки по ча­стоте, заключающейся в срезании части припуска со стороны выходного торца трансформатора. Припуск срезают на токарном станке до тех пор, пока частота всей системы не будет соответствовать собственной частоте пакета. Обычно сре­зают 1—2 мм и вновь измеряют частоту. В двусторонних колебательных систе­мах подгонку производят поочередно для обоих трансформаторов упругих колебаний.
...
При срезании припуска необходимо остерегаться «скручивания» пакета. Для предотвращения «скручивания» работу ведут в патроне токарного станка, закрепляя систему за трансформатор упругих колебаний, торец которого подре­зают. При этом биение торца по отношению к образующей трансформатора не должно превышать 0,05 мм. После подгонки системы промеряют величину ам­плитуды на выходном торце трансформатора упругих колебаний (105].
...
При отсутствии приборов контроля (микроскопа, виброметра) можно ис­пользовать простой способ, позволяющий получать качественную оценку рабо­ты колебательной системы. Способ состоит в том, что колеблющийся рабочий торец трансформатора смачивают водой и по интенсивности распыления (во­дяному фонтану) определяют качество работы системы. Распыление воды при таком испытании колебательной системы сопровождается характерным шипе­нием. По тонам последнего можно определить качество подгонки колебатель­ной системы в резонанс. Если обнаруживается, что изготовленная система ра­ботает плохо, то трансформатор отпаивают, пакет проверяют и шлифуют, про­веряют материал трансформатора упругих колебаний, затем систему вновь собирают и паяют, производя после этого контрольные замеры амплитуды и частоты.
...
припои ПМЦ-36, ПМЦ-48, ПМЦ-42, ПМЦ-54. Они имеют предел прочности, равный 210—350 МПа, относительное удлинение — до 26%. Серебряные при­пои имеют температуру плавления 413—1103 К. Согласно ГОСТ 8190—56, марки припоев различаются содержанием в сплавах серебра, которое изменяет­ся от 10% (ПСрЮ) до 72% (ПСр72). Низкотемпературные припои имеют тем­пературу плавления ниже 723—673 К и невысокую прочность. В большинстве случаев низкотемпературные припои содержат значительный процент олова. Низкотемпературные оловянно-свинцовистые припои ПОС-90, ПОС-61, ПОС-50, ПОС-33, ПОС-25 и др. имеют верхнюю критическую точку плавления 482—
...
На рис. IV. 14 показаны два типа полуволновых активных опор: симметрич­ная (с отражающим торцом) и несимметричная (с отражающей массой). Симмет­ричная опора (рис. IV. 14, а)
...
на активной опоре. Активные опоры могут быть полуволновыми и четверть­волновыми
...
Для изготовления активных опор обычно используют материалы, обла­дающие хорошими прочностными и акустическими свойствами (сталь 45, ХГСЛ, титан и др.). Четвертьволновая опора с упругим закреплением пред­ставляет собой стержень длиной / — Я/4, закрепленный на резиновой подложке.
...
Для сварки изделий с геометрически сложной поверхностью часто приме­няются пассивные опоры. Рабочая поверхность пассивных пор должна точно соответствовать поверхности свариваемой детали. Действие таких опор основа­но на поглощении излучаемой энергии, поэтому для их изготовления исполь­зуются материалы, гасящие ультразвуковые колебания (резина, древесина, текстолит и т. д.). В конструкцию пассивных опор часто входят приспособле­ния, удерживающие детали в гнезде опоры во время сварки.
...
Некоторые пленочные материалы, например нолнэтилентерефталатные пленки, свариваются на стекле. При сварке таких материалов на дереве, ре­зине или текстолите могут происходить перегрев и даже прожоги в зоне соеди­нения, что объясняется малым теплоотводом в опору.
...
под прямым углом к стенке. Основные геометрические размеры такой опоры определяются по следующим формулам:
...
Рис. 1V.16. Принципиальная схема сварочного узла с опорой
...
Рис. IV. 17. Общий вид сварочной машины модели РЗО/40 (фирма «Pico», ФРГ)
...




Оборудование для контактной сварки постоянным током
Справочник конструктора металлических конструкций
Сварные конструкции. Механика разрушения и критерии работоспособности
Сварка пластмасс ультразвуком
Основы сварочного дела
Газовая сварка и резка металлов
Специальные стали