УЛЬТРАЗВУКОВАЯ СВАРКА ПЛАСТМАСС

Мощные ультразвуковые колебания находят широкое применение в промышленности, а также в науке для исследования некоторых физических явлений и свойств веществ. В технике ультразвук используют для обработки металлов и в дефектоскопии. Широко применяется в медицине. В сварочной технике ультразвук может быть использован в различных целях. Воздействуя им на сварочную ванну в процессе кристаллизации, можно улучшить механические свойства сварного соединения, благодаря измельчению структуры металла шва и удалению газов. Ультразвук снижает или снимает собственные напряжения и деформации, возникающие при сварке. Одним из наиболее перспективных применений ультразвука является ультразвуковая сварка (УЗС)

Основными отличительными чертами УЗС пластмасс является:

1) возможность сварки по поверхностям, загрязненным различными продуктами;

2) локальное выделение теплоты в зоне сварки, что исключает перегрев пластмассы, как это имеет место при сварке нагретым инструментом, нагретыми газами и т.д.;

3) возможность получения неразъемного соединения при сварке жестких пластмасс на большом удалении от точки ввода УЗ энергии;

4) возможность выполнения соединений в труднодоступных местах;

5) при УЗС нагрев материала до температуры сварки осуществляется быстро; время нагрева исчисляется секундами и долями секунды.

Способ УЗС пластмасс заключается в том, что электрические колебания УЗ частоты (18-50 Кгц), вырабатываемые генератором, преобразуются в механические колебания сварочного инструмента - волновода и вводится в свариваемый материал. Здесь часть энергии механических колебаний переходит в тепловую, что приводит к нагреву зоны контакта соединяемых деталей до температур вязкотекучего состояния. Для обеспечения надлежащих условий ввода механических колебаний и создание тесного контакта свариваемых поверхностей прикладывается давление между волноводом и опорой. Такой контакт обеспечивается статическим давлением Рст. рабочего торца волновода на свариваемые детали. Это давление способствует также концентрации энергии в зоне соединений. Динамическое усилие F, возникающее в результате колеблющегося волновода, приводит к нагрузу свариваемого материала, а действие статического давления Рст. обеспечивает получение прочного сварного соединения. Механические колебания и давление в этом случае действуют по одной линии перпендикулярно к свариваемым поверхностям. Такая схема ввода энергии применяется для УЗС пластмасс в отличие от "металлической схемы, когда механические колебания действуют в плоскости соединяемых поверхностей, а давление перпендикулярно к ним. Подвод энергии от волновода может быть односторонним и двусторонним.

По характеру передачи энергии и распределению ее по свариваемым поверхностям УЗС делится на контактную и передаточную.

Возможность передачи механической энергии к зоне сварки зависит от упругих свойств и коэффициента затухания колебаний и свариваемых материалах. Если полимер характеризуется низким модулем упругости и большим коэффициентом затухания, то сварное соединение можно получить лишь на малом удалении от плоскости ввода колебаний. Сварка по такой схеме называется контактной УЗС. Контактная УЗС обычно применяется для соединения изделий из мягких пластмасс, таких как полиэтилен полипропилен ПВХ, а также пленок и синтетических тканей небольшой толщины - от 0,02 мм до 5 мм. При этом способе сварки наиболее распространены соединения внахлестку.

Если полимер обладает высоким модулем упругости и низким коэффициентом затухания, то сварное соединение можно получать на большом удалении от ввода механических колебаний. сварка по такой схеме называется передаточной УЗС. Передаточную сварку рекомендуется применять для соединения объемных деталей из жестких пластмасс, таких как полистирол, полиметилметакрилат, капрон и др. Здесь соединения получают встык, втавр. Удаление поверхности ввода механических колебаний от плоскости раздела свариваемых деталей зависит от упругих свойств материала и может составлять от 10 до 250 мм (рис.3).

Установлено, что развитие и образование сварного соединения зависит от степени концентрации напряжений в зоне сварки и может быть интенсифицировано за счет создания искусственных концентраторов напряжения. Наиболее распространенным способом сварки с использованием искусственных концентраторов является сварка с разделкой кромок, причем наилучшие результаты получаются, когда одна из деталей имеет V-образный выступ. Концентрация напряжений может быть создана также при увеличении шероховатости поверхностей, или когда на свариваемые поверхности насыпают крошку из того же материала (рис.4).

В зависимости от перемещения волновода относительно изделия УЗС разделяется на прессовую и непрерывную.

Прессовая сварка выполняется за одно движение волновода и применяется как для контактной, так и передаточной сварки.

Непрерывная сварка обеспечивает получение непрерывных протяженных сварных швов за счет относительного перемещения волновода и свариваемых изделий и применяется для сварки изделий из полимерных пленок из синтетических тканей, мешков, фильтров и т.д. Здесь применяется как ручная, так и механизированная сварка. Для непрерывной сварки используются схемы с фиксированной осадкой и фиксированным зазором.

Возможность получения сварных соединений определяется количеством тепловой энергии, выделяющейся в зоне соединения и теплоотводом из этой зоны. Так как количество выделяющейся в зоне сварки энергии определяется количеством энергии, вводимой в свариваемое изделие, то возникает необходимость дозирования последней.

По принципу дозирования вводимой механической энергии ультразвуковая сварка подразделяется на сварку:

с фиксированным временем протекания ультразвукового импульса;

с фиксированной осадкой;

с фиксированным зазором;

с дозированием энергии по кинетической характеристике

(по изменению амплитуды смещения опоры).

Основными параметрами ультразвуковой сварки, характеризующими выделение энергии в зоне соединения, является: амплитуда колебаний рабочего торца волновода А (мкм; частота колебаний f (кГц); продолжительность ультразвукового импульса t св/с/ или в случае непрерывной сварки - скорость сварки V св. /м/с/; сварочное статическое давление Рст. /Па/ или усиление прижатия F /н/ волновода к материалу.

Дополнительные параметры режима сварки - размеры, форма и материал опоры и волновода, материал теплоизоляционных прокладок; температура предварительного подогрева волновода и т.д.

Основные параметры режима взаимосвязаны. Время, необходимое для сварки, зависит от амплитуды колебаний и сварочного давления. При более высоких амплитудах необходимые свойства сварных соединений могут быть достигнуты при меньшем времени сварки, и наоборот. Определяющим параметром режима ультразвуковой сварки является амплитуда колебаний рабочего торма волновода, которая выбирается в пределах 30-70 мкм. Оптимальному значению амплитуды соответствует максимальная прочность и наилучшее качество сварного соединения.

Амплитуда колебаний, необходимая для обеспечения качественной сварки, связана с величиной сварочного давления и, кроме того, зависит от геометрических размеров свариваемых деталей, типа свариваемых полимеров и опоры, определяющих распределение характеристик звукового поля.

Оптимальные параметры режима сварки зависят от свойств свариваемого материала, толщины и формы изделий и других факторов и устанавливаются в каждом конкретном случае экспериментально к реальным изделиям. Оценка режима обычно проводится по показателям прочности сварного соединения. Кроме того, проверяют его на герметичность, деформацию и другие характеристики.

Свойства сварных соединений зависит не только от параметров режима сварки, но и от рабочего цикла. Рабочий цикл определяется последовательностью приложения давления, включения, прохождения и выключения ультразвукового импульса, выдержки изделия под давлением и снятия давления. Цикл сварки закладывается в основу выбора схемы механизма давления и включения ультразвуковых колебаний сварочных машин.

Наиболее распространенный рабочий цикл ультразвуковой сварки - статистическое давление - ультразвук. Статистическое давление Рст. прикладывается до включения ультразвуковых колебаний, остается постоянным в течение всего цикла и снимается с запаздыванием, после окончания формирования сварного соединения. Охлаждение материала сварного шва начинается, когда детали еще сжаты между волноводом и опорой. В течение всей операции сварки ультразвуковые колебания вводятся без перерыва в виде одного импульса. Такой цикл сварки используется на ультразвуковых установках МТУ-1,5, УПК-15, УПМ-21 и др.

При цикле ультразвук - статистическое давление ультразвуковые колебания включаются до приложения давления. Первоначальное включение ультразвука позволяет очистить свариваемые поверхности от загрязнений.

При сварке изделий из жестких полимеров, с целью уплотнения и повышения прочности сварного шва непосредственно после выключения ультразвуковых колебаний, увеличивается давление на волновод. Повышенное давление (ковочное усилие) должно следовать за выключением ультразвуковых колебаний через небольшой, строго контролируемый интервал времени. При относительно большом времени применение проковки не дает результатов, так как свариваемый материал успевает остыть до ее начала. При очень малом времени возможно выдавливание расплавленного материала из места сварки под действием значительного ковочного усилия. В этом случае возможны выплески и прожоги полимера. Такой рабочий цикл целесообразно использовать при необходимости получить герметичный шов на объемных деталях, выполненных из ударопрочного полистирола. При этом применяются специальные разделки шва в виде замковых и клиновидных канавок.

Возможна сварка синтетических тканей на основе капрона, нитрона, лавсана, полипропилена, хлорина и т.д. широко применяется для изготовления изделий технического назначения: фильтров, одежды, брезентов, палаток, а также клапанов, воротничков, петель, швов рукавов и т.п. Здесь происходит одновременная сварка и резка ткани. При этом производительность по сравнению с ниточными соединениями увеличена в 5-6 раз.

Соединение тканей нитками имеет ряд недостатков: отсутствие герметичности, образование гофров на шве, обрыв нитей при больших скоростях сшивания и т.д.

УЗС синтетических тканей выполняют двумя способами: 1) ткань неподвижна, двигается УЗ инструмент-пистолет; 2) ткань подвижна, сварочная головка закреплена на стационарной установке. В этом случае сварка может быть шовной, шовно-шаговой и профильно-прессовой. Свариваются ткани как полностью натуральные, так и с добавкой до 50% хлопка (толщина ткани - 40 мкм до 4000 мкм).