Сварка пластмасс ультразвуком

Листать книгу

Страницы: ... ... ... ... ... ... ... ...

скачать книгу Сварка пластмасс ультразвуком

а — обычные сварочные головки; С — головки с гибкой акустической связью преобразователя
...
сварки, устраняя при этом деформацию и выплески размягченного материала и улучшая внешний вид сварного соединения. При многослойной сварке полимерных пленок иногда применяется дополнительный подогрев волновода или опоры [37]. Часто для изменения тсплоотвода применяются теплоизоляционные прокладки, которые юмещают между волноводом н изделием или между опорой и изделием. В качестве прокладок используют бумагу, целлофан, фторопласт, а также полимерные пленки с температурой плавления более высокой, чем у свариваемого материала.
...
По характеру передачи энергии к границе раздела и распределению ее по свариваемым поверхностям ультразвуковая сварка может быть разделена на контактную и передаточную.
...
Возможность передачи механической энергии к зоне сварки итппепт ог упругих свойств и коэффициента затухания колебаний и свариваемых материалах. Если полимерный материал характеризуется низким модулем упругости и большим коэффициентом затухания, то сварное соединение можно получить лишь па малом удалении от плоскости ввода колебаний. Для равномерного распределения энергии по всей площади контакта свариваемых детален необходимо, чтобы рабочий торец волновода, соприкасающийся с верхней деталью, имен площадь и форму, идентичную площади и форме плоскости контакта свариваемых деталей. Сварка по такой схеме называется контактной ультразвуковой сваркой (рис. 1.9). Контактная ультразвуковая сварка обычно применяется для соединения и делий из мягких пластмасс, таких как поли-лилеп, полипропилен, а также пленок и синтетических тканей небольшой толщины — от 0,02 до 5 мм. При этом способе сварки наиболее распространены соединения внахлестку. Так как плоскость ввода механических колебаний (плоскость контакта волио-иод — полимер) располагается на незначительном расстоянии от плоскости раздела свариваемых материалов, определяемом толщиной верхней детали, контактную ультразвуковую сварку иногда называют [16—24 «ближней», или «сваркой в ближнем поле».
...
Если полимерный материал обладает высоким модулем упругости и низким коэффициентом затухания, то сварное соединение можно получить на большом удалении от поверхности ввода механических колебаний. В этом случае ввод механических колебаний может осуществляться в точке или на небольшом участке поверх-юсти верхней детали. Благодаря хорошим акустическим свойствам материала изделия энергия ультразвуковой волны незначительно ослабляется при проходе через деталь, контактирующую с волноводом, к границе раздела свариваемых деталей. Тепловыделение на границе раздела в этом случае зависит от конфигурации издечня, а площадь сварки значительно отличается от площади рабочего торца волновода. Сварка по такой схеме называется пере-
...
даточной ультразвуковой сваркой. Передаточную сварку рекомендуется применять для соединения объемных деталей из жестких пластмасс, таких как полистирол, полимстплметакрилат и др. Наиболее рационально выполнять таким способом соединения встык или втавр (рис. 1.10).
...
При передаточной сварке волновод желательно располагать но оси симметрии свариваемого изделия. Удаление поверхности ввода механических колебаний от плоскости раздела свариваемых
...
Выбор температуры охлаждения зависит от типа полимерного-материала и составляет для полиэтилена 203 К, полипропилена 243 К, пластифицированного поливинилхлорида 263 К, ударопрочного поливинилхлорнда 253 К. Охлаждение ниже указанных температур недопустимо, так как повышенная хрупкость материала при механическом воздействии волновода может привести к появлению трещин в свариваемом материале. Охлаждение свариваемых деталей целесообразно лишь в области, лежащей между зоной сварки и рабочим торцом волновода. Охлаждение позволяет в отдельных случаях осуществлять передаточную сварку таких материалов как полипропилен, полиэтилен и др., уменьшать потребляемую мощность сварочного оборудования и устранять дефекты, вызываемые перегревом деталей вне зоны сварки.
...
Введение энергии механических колебаний и передача ее к зоне сварки является необходимым, но не достаточным условием обра-юпапия сварного соединения. Эксперименты показывают, что при ультразвуковой сварке образцов из материалов с хорошими акустическими свойствами (полистирол, полиметилметакрилат), но с плоской поверхностью контакта и при равномерном распределении статического давления получить сварное соединение оказывается трудно, а порой и просто невозможно. Сварка в этом слу-чае осуществляется не по всей поверхности, а лишь в отдельных точках или небольших зонах поверхности.
...
Установлено, что развитие и образование сварного соединения зависит от степени концентрации напряжений в зоне сварки и может быть интенсифицировано за счет создания искусственных концентраторов напряжений. Наиболее распространенным способом сварки с использованием искусственных концентраторов является варка с разделкой кромок, причем наилучшие результаты получаются, когда одна из деталей имеет У-образный выступ. В зависимости от режима процесса и угла разделки сварка может протекать с преимущественным оплавлением выступа или с преимущественным внедрением его в другую деталь.
...
Концентрация напряжений может быть создана также при увеличении шероховатости контактирующих поверхностен. Так, для повышения качества соединения деталей с плоскими контактирующими поверхностями между последними равномерно насыпают крошку из того же полимерного материала. Частицы полимера, создавая микрозоны повышенного механического напряжения, способствуют возникновению равномерно распределенных очагов повышенной температуры и обеспечивают высококачественное соединение [40]. Для достижения необходимого технологического
...
Зоны с повышенной концентрацией напряжений могут быть получены при действии на детали дополнительных сжимающих усилий Р,
...
.Рис. 1.11. Создание зон с повышенной концентрацией механических напряжений за счет специального механизма давления: а
...
.Рис. 1.11. Создание зон с повышенной концентрацией механических напряжений за счет специального механизма давления:
...
выделения и увеличивает производительность процесса сварки Оптимальная температура подогрева зависит от материала свариваемых деталей и составляет примерно 323—373 К.
...
Комбинированный способ сварки — с нагревом соединяемых поверхностей и охлаждением свариваемых деталей (рис. 1.12) также может быть весьма полезен в ряде случаев. Для комбинированного нагрева — охлаждения свариваемых деталей несложной формы авторами была применена термобатарея типа ТБ-3 с перепадом температур между горячим и холодным слоями, равным 40 °С. Понижение температуры изделия в области контакта с волноводом и повышение в области образования сварного соединения существенно перестраивает температурный режим сварки, повышая производительность процесса, фиксируя зону максимального разогрева в области образования сварного соединения и устраняя под-плавление и перегрев материала в зоне контакта с волноводом.
...
Возможность получения сварных соединений определяется количеством тепловой энергии, выделяющейся в зоне сварки, и тепло-отводом из этой зоны. Так как количество энергии, выделяющейся в зоне сварки, связано с количеством энергии, подводимой к свариваемому изделию, то возникает необходимость дозирования последней. По принципу дозирования вводимой механической энергии ультразвуковая сварка подразделяется на сварку с фиксированным временем протекания ультразвукового импульса, сварку с фиксированной осадкой, сварку с фиксированным зазором и сварку с дозированием энергии по кинетической характеристике.
...
При сварке с фиксированным временем протекания ультразвукового импульса продолжительность сварки одинакова для всех изделий и задается обычно с помощью реле времени. Статическое усилие действует до окончания сварочного цикла.
...
Схема сварки с фиксированной осадкой предложена Н. В. Дружининым [42]. При использовании этой схемы (рис. 1.13, а)
...
При сварке изделий из мягких пластмасс (пластифицированного поливинилхлорида, полиэтилена) толщиной от 0,7 до 1,2 мм неконтролируемая деформация зоны сварки после выключения ультразвука может привести к существенному ухудшению внеш-
...
него вида и прочностных характеристик соединения. С целью предотвращения такой деформации целесообразно обеспечить ограничение перемещения сварочной головки после выключения ультразвука за счет установки специального фиксатора [43—46].
...
Отличительным признаком схемы сварки с фиксированным зазором [13] является то, что статическое давление отсутствует, и сварка происходит только за счет действия динамических усилий, возникающих при воздействии волновода на свариваемый материал. При этой схеме (рис. 1.13,6) зазор между рабочим торцом
...
волновода и опорой устанавливается таким, чтобы свариваемый материал деформировался только за счет смещения рабочего торца волновода. В результате воздействие волновода материал утоняется, 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 прекра
...
щается. Величина деформации свариваемого материала при схеме сварки с фиксированным зазором не превышает удвоенной амплитуды смешения вол
...
Рассмотренные способы дозирования подводимой механической энергии не связаны с изменением физического состояния полимерного материала при повышении температуры, характеризующего его способность подводить к зоне сварки необходимую механическую энергию. Известно (см. гл. V), что при температуре текучести или плавления кристаллической фазы затухание колебаний будет максимальным. Если измерять амплитуду смещения поверхности опоры, соприкасающейся со свариваемым материалом, то указанным температурам будет соответствовать минимум этой амплитуды. Следовательно, между амплитудой смещения опоры и температурой в сварочной зоне существует взаимосвязь. Эта взаимосвязь, названная кинетической характеристикой процесса ультразвуковой сварки [8], была использована для дозирования механической энергии, подводимой к свариваемым материалам.
...
Сущность способа дозирования подводимой энергии по кинетической характеристике состоит в том, что опора выполняется в виде
...
Рис. 1.13. Сварка по схеме с фиксированной осадкой
...
датчика амплитуды, и отключение ультразвуковых колебаний осуществляется вручную оператором или автоматически при соответствии электрического сигнала датчика-опоры минимуму амплитуды смещения. Применение схем дозирования подводимой энергии по кинетической характеристике позволяет существенно повысить технологическую надежность процесса ультразвуковое сварки и улучшить внешний вид сварных соединений.
...
В зависимости от перемещения волновода относительно изделия ультразвуковая сварка разделяется на прессовую и непрерывную.
...
Прессовая сварка выполняется за одно рабочее движение волновода. По этой схеме может осуществляться как контактная, так п передаточная ультразвуковая сварка. С помощью контактной прессовой сварки (см. рпс. 1.9, а) получают точечные, прямолинейные и замкнутые швы различного контура, например, в виде окружности, квадрата, прямоугольника, треугольника, эллипса п т. д. (в зависимости от формы рабочего торца волновода). При использовании в сварочной головке одного преобразователя с потребляемой мощностью 2—4 кВт, развернутая длина сварного шва в виде квадрата, прямоугольника и треугольника составляет 200— 240 мм, длина прямолинейных швов — 300 мм [47]; при свайке круглым волноводом максимальный диаметр контура шва составляет 120 мм [43—46], при точечной сварке диаметр точки не должен превышать 15 мм. Этим способом хорошо свариваются такие материалы, как винипласт, полиэтилен, полиметилметакрилат, полистирол, а также ткани из синтетических волокон (капрон, лавсан).
...
Прессовая сварка может быть одно- и многопозиционной. Мно-гопозишюпная сварка, в частности, может осуществляться с
...
Аналогичный принцип используется при прессовой сварке протяженных швов широкозахватными волноводами со щелевыми отверстиями, располагающимися в пучностях изгибпой волны [47]. Для увеличения мощности излучения такая волповодная система может соединяться с несколькими электроакустическими преобра-«ователями (рис. 1.14.). Щелевые отверстия в волноводе выполняют
...
для равномерного распределения амплитуды по длине рабочей части волновода. Наличие нескольких преобразователен и соответствующая геометрия сварочного инструмента позволяют обеспечить равномерную амплитуду колебаний волновода и хорошее качество соединения по всей длине шва. Длина такого составного инструмента ограничивается суммарной потребляемой от генератора мощностью.
...
Конструкция такого инструмента позволяет получать как прямолинейные швы, так и швы по заданному криволинейному контуру [49]. Использование нескольких одновременно работающих преобразователей, объединенных в одной сварочной головке, помимо увеличения мощности дает возможность выполнять фигурные сварные швы, что достигается соответствующим расположением сварочных инструментов и подбором последовательных сварочных операций [50].
...
Непрерывная сварка обеспечивает получение непрерывных протяженных сварных швов за счет относительного перемещения волновода и свариваемого изделия. Она используется для сварки из-
...
Рис. 1.14. Сварочные головки с увеличенной акустической мощностью:
...
делий из полимерных пленок и синтетических тканей: мешков, непромокаемой одежды, фильтров и т. п. Для непрерывной сварки используют схемы с фиксированной осадкой и с фиксированным зазором.
...
По степени механизации непрерывная сварка делится на ручную и механизированную. В первом случае для получения непрерывных швов любой протяженности оператор вручную перемещает сварочную головку, а изделие остается неподвижным. При этом за счет клинообразной заточки и незначительной толщины свариваемых материалов инструмент контактирует с небольшим объемом полимера. Таким способом можно соединять многослойные
...
пакеты из полиэтилентерефталатпой пленки, а также полипропиленовые и полиамидные пленки типа ПК-4, имеющие металлизированное, фотоэмульси-ошюс пли ферролаковое покрытие, без предварительного удаления последнего и т. п. Такую разновидность сварки называют также сваркой скользящим инструментом [14]. Ручная сварка полиэтиленовых пленок затруднена из-за периодического налипания размягченного полимера на инструмент, что в
...
свариваемого материала. Для устранения этого недостатка можно применять при сварке технологические прокладки из полимерных материалов (фторо
...
пласт и др.К металлической фольги, чертежной кальки и др. Ручную сварку можно использовать для соединения в труднодоступных местах (рис. 1.15), а также для прихватки деталей перед механизированной сваркой. В последнее время ручные ультразвуковые пистолеты нашли применение для сварки, наплавки и резки костных и других биологических тканей.
...
Механизированная непрерывная сварка, как правило, осуществляется при перемещении свариваемого изделия, а сварочный волновод остается неподвижным. В зависимости от способа перемещения свариваемого материала механизированная сварка делится на шовно-шаговую и шовную [51].
...
Шовно-шаговая сварка является разновидностью прессовой сварки. Сущность этого способа заключается в том, что после сварки шва материал освобождается из-под волновода и передви-гается на шаг сварки, причем каждый последующий шов перекрывает предыдущий. В момент перемещения свариваемого материала давление снимается. Этот способ сварки применяется для изготовления одежды из синтетических тканей и соединения различных пластмасс толщиной от 0,1 до 3 мм.
...
Рис. 1.15. Ультразвуковая сварка в труднодоступном месте:
...
Шовная сварка может осуществляться по схеме «на протяг», когда изделие протягивается между колеблющимся торцом волновода и опорой (см. рис. 1.13) и на вращающемся ролике (см. рис. 1.9). В обоих случаях для ограничения подводимой механической энергии можно применять схему с фиксированным зазором или комбинированную схему с фиксированной осадкой и фиксированным зазором. Сварка «на протяг» может быть также осуществлена при протягивании свариваемого материала через зазор.
...
зращающиеся преобразователи. Одна из таких конструкций приведена на рис. 1.16; в ней использован многоэлементный вращающийся преобразователь. Наличие нескольких активных элементов преобразователя и соответствующая его конструкция обеспечивает равномерную амплитуду смещения рабочей поверхности. Особенностью конструкции является возможность нанесения на материал периодического рисунка при высокой скорости процесса без остановки рабочего элемента. Возможности такой конструкции весьма широки: изготовление пакетов и рукавов из пленочных материалов, непрерывная сварка отдельных изделий, изготовление нетканых материалов из волокнистых холстов с фигурным сварным швом и т. д. [521.
...
В схеме, изображенной на рис. 1.17, используется преобразователь обычной конструкции, а волновод выполнен таким образом, чтобы обеспечить при вращении устройства подвод энергии по основному способу. Вращение волновода приводит к тому, что при сварке не происходит «задира» материала, так как линейные скорости волновода и свариваемого материала в зоне сварки равны. Регулирование скорости вращения сварочной головки является одновременно и регулированием скорости сварки. Достоинства /гого сварочного устройства — простота конструкции и высокое качество непрерывного сварного шва.
...
Согласно современным представлениям [I, 53, 54], процесс сварки следует рассматривать как топонимическую реакцию, т. е. химическую реакцию, протекающую на поверхности твердого тела. В основе любой химической реакции лежит процесс разрыва связей в исходных веществах и возникновения новых связей, приводящий к образованию нового вещества. Таким образом, механизм образования соединения не должен меняться при переходе от одного способа сварки к другому и от одного материала к другому. Изменяется только совокупность явлений на контактных поверхностях, приводящая их в состояние взаимодействия. Эти явления могут быть различными и определяются природой материала и способом сварки.
...
пузырьков, неорганических загрязнений и т. д.). В процессе термической активации повышается подвижность отдельных атомов, боковых групп п сегментов молекулярных цепей и подготавливается третья стадия процесса — объемное взаимодействие. Последнее протекает наиболее интенсивно при температуре, равной или несколько выше температуры текучести.
...
Некоторые исследователи [3, 55—59] считают, что решающую роль при сварке пластмасс играют диффузионные процессы. Для получения соединения необходимо, чтобы при соприкосновении двух поверхностей вещества происходила достаточно полная их
...
коалесцеицня (слияние). Полная коалесцешшя двух слоев жидкости происходит при непосредственном контакте их и сопровождается исчезновением границы раздела между ними. В случае соединения полимеров одного контакта для коалесцеицни недостаточно, так как должно еще произойти структурообразование в зоне контакта, которое может
...
быть достигнуто за счет диффузии макромолекул в целом или отдельных сегментов. Перемещению сегментов препятствуют их связи с остальной макромолекулой, поэтому диффузия сегментов
...
Рис. 11.1. Характер изменения прочности соединения в зависимости от длительности сварки при быстром (1)
...
вызывает некоторое изменение конфигурации цепной молекулы. В результате этого большое число последовательных перемещений сегментов будет приводить не только к изменению формы макромолекул, но и к смещению их центров тяжести, т. е. к «блужданию» макромолекул в массе полимера. Перемещение сегментов макромолекул в целом получило название «микроброуновского» и «макроброуновского» движения, соответственно.
...
Перемещение макромолекул в целом особенно легко может происходить в том случае, если контакт слоев полимера осуществляется при температуре выше температуры течения. В этом случае в зоне контакта сравнительно легко возникает структура, характерная для полимера. Диффузия отдельных сегментов макромолекул может происходить и при температурах, отвечающих высокоэластнческому состоянию полимера, при этом перемещение молекулы в целом затруднено. При таких температурах степень коалесценции меньше единицы (максимальная степень коалесцен-цип равна единице и наблюдается только у жидкостей) Уменьшение степени коалесценции объясняется тем, что после того, как сегменты, переместились на определенную глубину, диффузия прекращается из-за напряжений, возникающих в молекулярных цепях.
...
Рис. 11.1. Характер изменения прочности соединения в зависимости от длительности сварки при быстром
...
Доказательством диффузионного характера процесса сварки может служить то обстоятельство, что все меры, способствующие тепловому движению (повышение давления и температуры, введение пластификаторов и т. д.), вызывают и увеличение прочности сварного соединения и, наоборот, факторы, замедляющие диффузию, снижают прочность. Подсчеты по уравнению Эйнштейна [25] показали, что скорость диффузии для различных материалов различна и составляет около 3—4 нм/с. Согласно расчетам, проведенным авторами, достаточно взаимного проникновения молекул на глубину всего лишь 10—30 А, чтобы площадь молекулярного контакта, а следовательно, и прочность соединения достигли значительной величины. Это подтверждается исследованиями, проведенными различными методами (метод меченых атомов, метод микроскопии в ультрафиолетовых лучах и электронная микроскопия) [58, 59]. Эти методы позволили сделать вывод, что возможен такой подбор пар материалов (так называемых совместимых полимеров), при котором диффузия проходит до полного растворения компонентов. Существуют, однако, и другие точки зрения на процессы, протекающие на стадии объемного взаимодействия. Так, показано [60], что в случае частично кристаллических полимеров, таких, как например, полиэтилен, определяющим является не процесс диффузии, а процесс интенсивного перемешивания расплавленного материала под действием ультразвуковых колебаний.
...
Высказывается предположение [61], что перемешивание материала, находящегося в вязкотскучем состоянии, при ультразвуковой сварке может быть вызвано «насосным» действием поверхности движущегося излучателя — волновода. При движении вперед излучатель отталкивает полимер, а при движении назад не полностью увлекает его за собой. Благодаря этому в область разрежения, образующуюся на границе раздела деталей, притекают новые частицы полимера, которые вовлекаются в движение при следующем ходе поверхности излучателя вперед. Это приводит к перемешиванию тем более интенсивному, чем меньше вязкость размягченного полимерного материала, т. е. чем выше температура.
...
Явление перемешивания вязкотекучего материала в зоне сварки подтверждено экспериментально в работах К. И. Зайцева, изучавшего процесс термоконтактной сварки полимеров. По-видимому, для макрообъемов вязкотекучего материала при сварке характерен процесс перемешивания, а для микрообъемов — процесс диффузии. При исследовании сварных образцов из полистирола и полистирола с оргстеклом было установлено [62], что по границам раздела протекают химические превращения. Сварные образцы исследовались до и после экстрагирования методами ИК-стектро-метрии, полярографии и турбидиметрического титрования.
...
При исследовании сварных образцов из полистирола в ИК-спектрах наблюдалось увеличение интенсивности полосы поглощения в области 1720 см-1, характеризующей валентные колебания карбонильных групп, образующихся через перекисные соедине-
...
ния при термоокислитслыюй деструкции, сопровождающей плавление полимера. Образование перекнсных соединений при сварке подтверждается результатами полярографического исследования растворов полистирола. Увеличение максимума па дифференциальной полярографической кривой [62] при потенциале полуволны £1/з = 1,5 В объясняется увеличением в процессе плавления количества остаточных перекнсных соединений. Образование перекисных соединений связано с появлением макрорадикалов, что способствует течению химических реакций на границе раздела.
...
При сварке разных полимеров рекомбинация таких радикалов сопровождается соиолимеризацией. Так, при ультразвуковой сварке образцов полистирола и полиметилметакрилата наблюдалось образование блок-привитого сополимера, для обнаружения которого использовались методы избирательной экстракции и турбидиметри-ческого титрования. После трехсуточного экстрагирования при комнатной температуре четыреххлористым углеродом (растворитель полистирола) из образцов обоих полимеров, сваренных ультразвуком, в ПК-спектрах наблюдалось увеличение интенсивности полос поглощения, характеризующих колебание групп, которые присутствуют в полиметилметакрилате (1720, 1250, 1150, 1190 см-1 и Др.). Мосле восьмичасового экстрагирования ледяной уксусной кислотой (растворитель полиметилметакрилата) в ИК-спектрах наблюдалось увеличение интенсивности полосы поглощения, характеризующей колебания бензольного' кольца (1580 см-1). Экстрагирование полиметилметакрилата ледяной уксусной кислотой из сваренных ультразвуком образцов полистирола с полиметилметакрилатом происходит неполно, и методами ИК-спектроскогши, турбндимитр'и-ческого титрования и полярографического исследования продуктов пиролиза остатка после экстракции удается обнаружить пеотфрак-ционнрованный поли метил мета кри лат. О прошедшей при сварке сополимеризации свидетельствует также появление на кривой гурбидиметрического титрования механической смеси обоих полимеров дополнительной горизонтальной площадки.
...
На основании полученных результатов авторы работы [62] делают вывод о том, что при ультразвуковой сварке термопластов наряду с диффузионными процессами происходит химическое превращение материала, а также образование блок- и привитого сополимера — при сварке разных термопластов с близкими температурами плавления. Химические превращения, протекающие вследствие высоких температур в зоне контакта, способствуют повышению прочности сварных соединений.
...
Максимальное выделение ультразвуковой энергии отвечает резонансному режиму работы колебательной системы [63], а следовательно, и явления диффузии, перемешивания и т. д. наиболее активно протекают при этом режиме.
...
Из сказанного следует, что процессы механического перемешивания, диффузии и прочих взаимодействий на контактных поверхностях определяются в первую очередь температурой в этой зоне.
...
При температурах, соответствующих вязкотекучему состоянию (для аморфных полимеров) или плавлению кристаллитов (для частично кристаллических полимеров), эти процессы протекают наиболее полно, а при более низких температурах они проходят лишь частично, и прочность сварного соединения при этом заметно понижается. В связи с первостепенной ролью температуры контактных поверхностей в процессе образования сварного соединения ниже дается анализ процесса теплообразования при ультразвуковой сварке.
...
Для решения задач, связанных с теплообразованием при ультразвуковой сварке, необходимо знать интенсивность источников тепла и их распределение в объеме нагреваемого тела. В настоящее время пет единого мнения не только по этим вопросам, ио также и по вопросам о физической природе самих источников теплоты при ультразвуковой сварке.
...
В одной из первых работ но этому вопросу [64] Л. Н. Скоро-ходовым было высказано предположение о том, что выделение теплоты в контакте между свариваемыми элементами обусловлено отличием акустических импедансов контакта и сплошного материала из-за наличия в контакте воздушной прослойки и шероховатостей. Для подтверждения этого Л. Н. Скороходов приводит следующее выражение для удельного потока энергии в изделии:
...
Из выражения (II.1) следует, что увеличение акустического импеданса контакта, которое может быть достигнуто, например, увеличением шероховатости поверхности, приводит к уменьшению механической энергии, проходящей через контакт. Если считать, что на границе одинаковых сред отражение энергии отсутствует, то «задержанная» у контакта механическая энергия должна переходить в тепловую. Количество теплоты, выделяющейся вследствие этого в контакте, будет зависеть от количества механической энергии, подведенной к этой зоне. Последнее определяется разностью вводимой механической энергии и энергии, безвозвратно теряющейся в виде теплоты в объеме полимера, заключенном между рабочим торцом волновода и границей раздела полимер — полимер.
...
Максимальная энергия, подводимая к контакту полимеров, зависит от предела текучести полимера от, так как чем выше От,
...
геризоваться модулем улругости Е, то последний предлагается принять в качестве критерия свариваемости полимеров. Мягкие пластмассы с Е < 2 Па свариваются плохо, а жесткие с Е > 2 Па — хорошо.
...
Рассуждения Л. Н. Окороходова, основанные на анализе выражения (11.1), неточны, так как зависимость удельного потока энергии от напряжения сжатия и импеданса не однозначна и представляет собой сложную функцию. Дело в том, что акустический импеданс сам является функцией давления и изменяется с изменением температуры. Статическое давление и упругие свойства полимера также меняются с изменением температуры, поэтому удельный поток энергии определяется не только Ост,
...
Л. П. Скороходов считает, что получение качественного сварного соединения существенно зависит от толщины детали, непосредственно прилегающей к рабочему торцу волновода, так как от лтого зависит номер гармоники, узел которой совпадает с границей раздела свариваемых деталей. Если толщина детали меньше длины волны в полимерном материале, то нагрев вызывается преимущественно высшими гармониками, и поэтому протекает неустойчиво. Увеличение толщины приводит к увеличению интенсивности тепловыделения на границе раздела за счет уменьшения номера гармоники. Однако при этом возрастает поглощение энергии в верхней детали, вследствие чего свариваемость ухудшается. Необходимо отметить, что эти рассуждения также не совсем точны, так как распределение характеристик звукового поля зависит, как это показано ниже, не только от толщины верхней детали, но и от соотношения толщин верхней и нижней деталей, геометрии границы раздела свариваемых деталей и характера опоры.
...
И. В. Мозговой [65], как и Л. Н. Скороходов [64], считает, что свариваемость полимерных материалов ультразвуком определяется возможностью подвести к границе раздела деталей необходимое количество механической энергии.
...
Коэффициент затухания р характеризует интенсивность поглощения энергии механических колебаний, распространяющихся в среде, и описывается выражением
...
Обычно коэффициент затухания определяют экспериментально, измеряя амплитуды смещения в двух сечениях образца полимерного материала. Тогда
...
Так как энергия механических колебаний, распространяющаяся в полимерном материале, пропорциональна, согласно формуле (1.11), квадрату амплитуды, которая, в свою очередь, зависит от коэффициента затухания, то последний определяет долю энергии, подводимой к границе раздела свариваемых деталей. Чем больше коэффициент затухания, тем меньше энергии будет- подведено к границе, тем, следовательно, больше будет затруднена сварка и тем меньшую толщину должны иметь детали для получения надежного соединения. Аналогичных взглядов придерживается и Р. Солофф [18].
...
К первой группе относятся полимеры с |3<С35 м-1 (полистирол, полиметилметакрилат). Эти полимеры хорошо свариваются как контактной, так и передаточной сваркой, причем наиболее высокие температуры развиваются на границе раздела свариваемых деталей. Ко второй группе относятся полимеры с 35 м-1<р<С55 м-1 (полипропилен, непластифицированный поливинилхлорид, поликарбонат, полиэтилентерефталат и др.). Эти полимеры хорошо свариваются контактной сваркой, однако передаточная сварка нх затруднительна вследствие большой потери энергии и разогрева верхней детали. К третьей группе относятся полимеры с р>55 м 1 (полиэтилен низкой и высокой плотности, полиамиды и др.). Эти полимеры свариваются только контактной сваркой, причем толщина верхней детали должна быть не более 1—£ мм. В этом случае, как правило, происходит разогрев верхней детали и ее деформация под действием статического давления, передаваемого через рабочий торец волновода.
...
Переход механической энергии, подведенной к границе раздела полимеров, в тепловую и преимущественный рост температуры в этой зоне объясняется, по мнению И. В. Мозгового, тем, что граница является областью максимального скопления пустот и не-сплошностей, которые захлопываются при движении волновода в направлении к свариваемым деталям. Это приводит к появлению ударов и, как следствие к локальному нагреву границы раздела свариваемых деталей. Однако расчеты показывают, что при действии усилия 150 Н на участок диаметром 8 мм [65] напряжения в микронеровностях составляют около 13 МПа, т. е. равны разрушающему напряжению при сжатии полиэтилена низкой плотности, который применялся в экспериментах. Значит уже при статическом давлении или уже во всяком случае при несколь-
...

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

"Сварка-ЛИБ" - Техническая библиотека сварщика | Сварка, термообработка, материалы, металлы и сплавы

admin

Сварка пластмасс ультразвуком