Сварка пластмасс ультразвуком

Листать книгу

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

скачать книгу Сварка пластмасс ультразвуком

кнх циклах динамического нагружения произойдет смятие микро-неровностей, что приведет к исчезновению пустот и нссплошностей. Но тогда непонятно, за счет чего происходит дальнейший нагрев границы раздела.
...
Предлагаемое объяснение процесса теплообразования при ультразвуковой сварке [65] не может считаться удовлетворительным и в случае сварки жестких пластмасс. Известно [16, 24, 66
...
Были высказаны предположения [70], что механизм превращения энергии при ультразвуковой сварке полимерных материалов идентичен механизму поглощения энергии при прямом центральном ударе стального шара по полимерной пленке. Авторы считают, что и обоих случаях деформация полимера представляет собой комбинацию сдвига и сжатия. Рассеянная за одни цикл изменения напряжения энергия равна при этом
...
циями материала в этой зоне. Предположив, что сила трения пропорциональна нормальному динамическому давлению, смещение поверхностей относительно друг друга пропорционально абсолютной деформации материала в этом направлении, напряжения и деформации связаны законом Гука, а напряжения в материале близки к I
...
талях и находятся в противофазах. Поперечные колебания вызы-иают поверхностное трение, приводящее к быстрому разогреву полимеров в зоне контакта и переходу их в размягченное состояние. Образовавшаяся при этом мягкая прослойка интенсивно поглощает энергию механических ультразвуковых колебаний, что приводит к
...
В работах [71, 74, 75] отсутствуют доказательства возможности существования трения на границе раздела свариваемых деталей. I Гредположение о том, что трение обусловлено сдвигом фазы поперечных колебаний граничных поверхностей [75], не было доказано пи теоретически, ни экспериментально. Между тем экспериментальная проверка этих предположений не вызывает трудноеîeif, если \ честь следующее.
...
Пусть точка, лежащая на границе раздела сваривамых деталей, совершает как продольные, так п поперечные колебания. Тогда ее движение может быть описано следующей системой параметрических
...
Предполагается, что периоды взаимно перпендикулярных колебаний равны. Исключив из уравнения (П.9) время t, получим уравнение эллипса-
...
совершают поперечные колебания в противофазе, то их эллиптические траектории должны быть взаимно перпендикулярными. Однако, как показали исследования границы раздела при отключенном и включенном ультразвуке [65], при распространении ультразвуковых колебаний в полиэтиленовых образцах поперечные колеба-
...
Рис. 11.2. Траектории точки, совершающей продольное и поперечное колебания:
...
Проведено систематическое исследование разогрева, возникающего при динамических нагрузках [79—81]. При исследовании разогрева ряда изотропных пластмасс при симметричном консольном изгибе [79] было установлено, что в режиме постоянной амплитуды нагрузки температура разогрева быстро стабилизируется, причем разогрев материала зависит от величины амплитуды нагрузки, размеров и формы шейки образца, а также от условий теплоотвода. Такие же выводы получены в работах [80, 81], в которых испытания проводились с частотой нагружения 10— 50 Гц. Интенсивное разрушение всех испытанных пластмасс (всего 16 видов) происходило после достижения критической температуры Тк, не зависящей от условий испытаний. Существование критической температуры, по достижении которой начинается интенсивное теплообразование в полимере, отмечается и в других работах [82—85].
...
Исследовался [83] разогрев пластмасс в режиме циклического растяжения — сжатия с различной асимметрией цикла при частоте нагружения 15 Гц. Было установлено, что значение критической температуры, как и физпко-механических показателей материала, определяется видом папряженио-деформироваппого состояния, масштабным фактором и условиями теплоотвода. При испытании образцов из оргстекла и капролона в режиме циклического сжатия было обнаружено, что усталостное разрушение этих материалов является тепловым разрушением и сопровождается пластическим течением.
...
Интересны результаты исследования [86] изменения надмолекулярной структуры аморфно-кристаллических полимеров (капрона) в условиях циклического нагружения. Структура полимеров изучалась хметодом малоуглового рассеивания рентгеновских лучей непосредственно во время приложения нагрузки. Было показано, что при циклическом нагружепин деформируются практически лишь одни аморфные области. Предполагается, что именно в этих областях развиваются релаксационные процессы, приводящие, в частности, к разогреву полимера. Аморфные межкристаллитные прослойки занимают лишь малую долю общего объема полимера— 20-^25%. Поскольку в них сосредоточивается практически вся деформация полимера, то их относительное удлинение превышает относительное удлинение образца в 4—5 раз, т. е. при растяжении образца па 5—10% растяжение прослоек достигает 20—50%. Из этого следует заключение о значительной роли релаксационных процессов при достаточной деформации аморфных прослоек для любого вида нагружения.
...
С этими результатами хорошо согласуются выводы, полученные [60] при исследовании изменений в тонкой структуре полимера под действием ультразвуковых колебаний. Было установлено, что расплавление полимера в процессе воздействия па пего ультразвука происходит крайне неравномерно. Оно начинается по границам сферолитов, а затем фронт оплавления распространяется
...
в глубь сферолитов, причем полного расплавления сферолитов не удавалось зафиксировать даже при очень больших временах озвучивания.
...
Наиболее интересное теоретическое объяснение разогрева пластмасс при циклическом деформировании и существования критической температуры дано в работах С. Б. Ратнера и сотрудников [87—89]. Разогрев рассматривается в этих работах как результат превышения гистсрезисиого тенлоприхода Q+ над теплопотерями в окружающую среду Q~.
...
кинетических единиц (блоков кристаллитов), происходящим в процессе дальнейшего плавления кристаллической фазы полимера.
...
Схематически зависимость от температуры модуля упругости и тангенса угла механических потерь в области температур перехода в размягченное состояние 7'п, справедливые для большинства полимеров, представлены на рис. 11.4, а. Очевидно, что уменьшение Е при повышении температуры приводит к увеличению интенсивности роста фао-сотя
...
Рис. ІІ.4. Зависимость динамического модуля и тангенса угла механических потерь от температуры (а)
...
Qe0=const. На ход температурной зависимости Qw'0=cont s изменение модуля не влияет, т. е. режим постоянной работы нагружения является промежуточным между режимами
...
В случае ао=const такой скачок происходит вследствие падения динамического модуля упругости и возрастания механических потерь.
...
При режиме №0=const, часто реализуемом при ударном нагру-жении, теплоприход пропорционален энергии удара W
...
Поскольку у полимеров 0 резко возрастает при повышении температуры в области ТПу
...
СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ПРОЦЕССЕ ТЕПЛООБРАЗОВАНИЯ ПРИ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СВАРКЕ ПЛАСТМАСС
...
Рис. 11.6. Термический цикл на границе раздела деталей при сварке тавровых образцов из капролона В; /—/ — момент отключения ультразвука.
...
Время достижения критической температуры в различных сечениях по высоте образца не одинаково. Это, очевидно, связано, с одной стороны, с неравномерностью распределения амплитуд напряжений и деформаций по высоте образца вследствие волнового процесса и затухания механической энергии, а с другой стороны, с температурными условиями на границах волновод—деталь и деталь—опора.
...
Рис. 11.5. Термические циклы при сварке полиэтилена низкой плотности
...
Интересно сравнить термические циклы нагрева на границе раздела свариваемых детален из полиэтилена низкой плотности с кинетической характеристикой [78, 95, 96] (см. рис. V.7). Последняя, как известно, является функцией релаксационных характеристик и определяется по изменению амплитуды смещения датчика-опоры. Характерно, что момент перехода к интенсивному разогреву соответствует моменту уменьшения кинетической характеристики, т. е. моменту уменьшения амплитуды смещения датчика-опоры вследствие сильного затухания механической энергии ь полимерс. Это хорошо согласуется с выводами работ [87, 88].
...
Соответствие точек перелома на кривых термических циклов переходу полимерного материала из одного состояния в другое подтверждается также данными, приведенными на рис. II.6. При сварке тавровых образцов из каиролона В (режим сварки: .1=45 мкм, /)гт=9МПа) угол скоса стенки 45°; размеры деталей: полка — 15X15X6 мм, стенка — 60X15X6 мм) первая критическая температура (463—473 К) соответствует переходу полимера и вязкотекучее состояние, а вторая критическая температура (698—723 К) соответствует разложению полимера. При сварке образцов из полистирола также хорошо обозначаются области критических температур: 333—353 К, соответствующая переходу в иысокоэластичсское состояние, 423 К, отвечающая началу текучести, и 498 К, соответствующая деструкции полимера. Первый излом на кривой термического цикла для поливннилхлорида наблюдался [92] при 343 К, т. е. при температуре стеклования, второй излом—при 433 К, т. е. при переходе полимера из высокоэластического в вязкотекучее состояние, после чего скорость нарастания температуры значительно увеличивалась.
...
Основываясь на аналогии характера термических циклов при ультразвуковой сварке и при различных видах циклического деформирования полимеров, а также на рассуждениях, проведенных в предыдущем разделе, можно сформулировать следующие выводы о процессе теплообразования при ультразвуковой сварке пластмасс [93, 94].
...
этом сечении происходит наибольший разогрев. Оптимальным является случай, когда граница раздела свариваемых деталей совпадает с сечением, в котором 7\ф достигается раньше, чем в других сечениях.
...
4. В том случае, когда наибольший разогрев происходит не на границе раздела свариваемых полимеров, сварка все же осуществляется благодаря тому, что разогрев и действие статического давления приводят к возникновению процесса ползучести, который сопровождается утонением полимера. Это вызывает постоянное изменение теплоотвода в холодные волновод и опору и сдвиг зоны максимальных температур к границе раздела. Следовательно, при больших толщинах деталей получение сварного соединения возможно только после определенной деформации полимера под волноводом.
...
Для подтверждения этого вывода следует рассмотреть задачу о разогреве полимеров при циклическом деформировании. Подобные задачи решались многими исследователями [97—104]. Однако результаты, полученные Л. А. Га-линым [97, 98], Р. А. Шейпери [99, 101], Г. И. Баренблаттом и др. [100], справедливы при условии пренебрежения силами инерции, поэтому применение их ограничивается более низкими частотами, чем те, которые используются при ультразвуковой сварке.
...
Наиболее близкую к нашему случаю задачу решали Н. Хуань и Е. Ли [104]. Они исследовали продольные колебания вязкоупругого стержня конечной длины. Одним торцом стержень жестко скреплялся с осциллятором механических колебаний, а второй торец оставался свободным. На возбужденном торце температура была постоянной, а па свободном торце было задано условие теплопередачи излучением. Цилиндрическая поверхность стержня считалась теплоизолированной. Для квази-установившихся колебаний, накладываемых на медленно меняющееся поле температур, была сформулирована граничная задача, решенная численно итерационным методом и методом конечных разностей.
...
Будем рассматривать зону под волноводом, в которой на полимер действует статическое сварочное давление, как стержень, по которому распространяются продольные колебания. Эпюры продольных и поперечных смещений в зоне сварки, приведенные на рис. П.З, подтверждают возможность такого предположения. Считая, что податливость материала опоры много ниже податливости полимера, примем, что стержень закреплен на конце. Совместим начало координат х
...
Для подтверждения этого вывода следует рассмотреть задачу о разогреве полимеров при циклическом деформировании. Подобные задачи решались многими исследователями [97—104]. Однако результаты, полученные Л. А. Га-линым [97, 98], Р. А. Шейпери [99, 101], Г. И. Баренблаттом и др. [100], справедливы при условии пренебрежения силами инерции, поэтому применение их ограничивается более низкими частотами, чем те, которые используются при ультразвуковой сварке.
...
Введение комплексного модуля позволяет значительно упростить решение задач о распространении колебаний в вязкоупругой среде. Действительно, связь между изменяющимися во времени деформацией и напряжением в линейной вязкоупругой среде будет выражаться следующим уравнением [105]:
...
терь. Это эквивалентно представлению модуля как комплексной величины:
...
ня равна о-^-. Часть этой энергии^переходит в тепло со^скоростью £>,[а оставшаяся часть вызывает увеличение потенциальной энергии: й
...
Решение уравнения (11.21) позволяет найти распределение температур подлине стержня, а также построить термические циклы для любой точки стержня. При этом предполагается, что боковая поверхность стержня теплоизолирована. Это предположение основано на]Гнизкой теплопроводности большинства полимерных материалов.
...
Было принято, что теплофизические характеристики не зависят от температуры. Кроме того, ограничивались рассмотрением разогрева до момента достижения критической температуры Гкр, так как до этой температуры релаксационные характеристики можно считать постоянными.
...
Суммарная скорость притока механической энергии к единице длины стерж
...
Сх и С2 — постоянные интегрирования, которые находятся из условия на границе
...
Для решения системы (11.26) имеем следующие граничные условия:
...
Подставив выражения (11.34) и (11.34') в (11.29) и (11.30), получим:
...
Сравнение теоретических и экспериментальных данных проводилось для полиэтилена низкой плотности. Релаксационные характеристики брались из работы [106], в которой изучалась зависимость модуля сдвига С и тангенса
...
Решая уравнение (11.41) при начальных и граничных условиях (11.42) методом Фурье, получим решение поставленной задачи:
...
Как уже отмечалось, при передаточной сварке жестких пластмасс с малым коэффициентом затухания разогрев происходит преимущественно на границе раздела свариваемых деталей. Распространяя приведенные выше выводы на этот случай, можно предположить, что при сварке жестких пластмасс свариваемые детали контактируют по мнкроперовностям, которые не сминаются при приложении статического давления вследствие большого модуля упругости этих материалов. Так как реальная площадь контакта мала, на границе раздела деталей возникают значительные динамические напряжения. Поскольку скорость достижения Т1ф
...
ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛООБРАЗОВАНИЯ ПРИ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СВАРКЕ ЖЕСТКИХ ПЛАСТМАСС
...
водом, в то время как в области границы раздела наблюдалось низкотемпературное равновесие. Применение У-образной разделки кромок торца стенки, соприкасающегося с границей раздела, поз-
...
тавра вплоть до температуры вязкотекучего состояния, что сопровождается внедрением стенки в полку под действием статического давления. Затем преимущественный разогрев происходит в У-образпом выступе, что приводит к его оплавлению и осадке.
...
рения У-образиого выступа в нижнюю деталь без заметного его оплавления (рис. НЛО). Величина внедрения может составлять от I до 3 мм и определяется в ос
...
Рис. 11.9. Термические циклы при сварке тавровых соединений из капролопа В с плоским торцом
...
разцов преимущественное внедрение наблюдалось при углах разделки менее 30°. Величина внедрения может быть значительно увеличена за счет предварительного подогрева нижней детали, так как при этом уменьшается сопротивление ее пластическим деформациям.
...
При сварке по схеме «с преимущественным оплавлением» в течение первых 0,3—1 с видимых превращений в полимере не происходит, а затем начинается интенсивное расплавление У-образно-го выступа, что сопровождается образованием грата, равномерно выдавливаемого по обе стороны верхней детали (рис. 11.11, а).
...
Уменьшение грата, улучшение внешнего вида изделия и повышение прочности соединения может быть достигнуто за счет принудительного затекания размягченной массы полимера в специальные отверстия или полости нижней детали (рис. 11.11, б).
...
с — без принудительного затекания расплавленного материала; б — с принудительным затеканием расплавленного материала; / — свариваемые детали; 2
...
микронеровностей или вершины У-образпого выступа, что снижает концентрацию динамических напряжений на границе раздела. Поэтому начиная с некоторого достаточно
...
высокого статического давления следует ожидать увеличение времени озвучивания до момента достижения вязкотекучего состояния или плавления кристаллитов.
...
Другой точки зрения по этому вопросу придерживается Потен-те [72]. Он изучал механизм превращения энергии при сварке цилиндрических стержней диаметром 12 мм и длиной Х/2
...
С уменьшением давления растет вероятность сдвига деталей друг относительно друга. Влияние сдвига начинает проявляться мри давлениях, меньших соответствующего точке перелома. Последнее давление названо критическим — Ркр. Критическое давление составляет для полиметилметакрилата и поливинилхлорида ()—7 МПа, для полистирола — 5—6 МПа, для полипропилена — 3 МПа, для полиамида —■ 3,5 МПа. Меньшее значение Ркр
...
ров обусловлено тем, что у этих полимеров эластические свойства заметно изменяются при относительно небольшом повышении температуры.
...
могла происходить. В остальных зонах сварного шва температура достигала необходимого для сварки значения (для полистирола 472
...
Рис. 11.13. Влияние статического давления па процесс образования сварного соединения полиэтилена; статическое давление равно:
...
пня. Та.к, если при сварке точечным волноводом диаметром 8 мм при Рст = 4 МПа наибольшая температура 643 К достигалась па оси волновода, а на расстоянии 5 и 10 мм от оси волновода она составляла 543 и 498 К соответственно, то уже при РСт
...
Рис. 11.14. Влияние статического давления и вида опоры на процесс образования сварного соединения полиметилметакрилата. Верхний ряд — сварка на резиновой подложке, нижний ряд — сварка на стальной четвертьволновой опоре. Статическое давление равно:
...
лата па подкладке из резины с использованием тех же статических игвлений соединение всегда образовывалось непосредственно под волноводом (см. рис. 11.14). Очевидно, что последнее нельзя объяснить наличием внешнего трения на границе раздела деталей.
...
Возможность получения качественного соединения при сварке тсталей с У-образной разделкой кромок будет определяться конкуренцией двух процессов: а) процессов, связанных с затуханием колебаний в объеме верхней детали; б) процессов, связанных с разогревом У-образного выступа. Первые процессы определяются коэффициентом затухания а
...
Поскольку размеры выступа гораздо меньше длины волны, можно пренебречь волновыми процессами в нем. Тогда переменная реформация выступа будет определяться выражением:
...
где е — амплитуда деформации; сдвиг фазы л/2 учитывает возникновение деформации в момент 1=0.
...
где _е — амплитуда деформации; сдвиг фазы л/2 учитывает возникновение деформации в момент
...
Рис. III.I. Зависимость амплитуды колебаний волновода под нагрузкой (/) и амплитуды колебаний образца
...
Рис. 111.7. Рабочие циклы при ультразвуковой сварке. Пояснения в тексте.
...

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