Контактно-тепловую сварку нагретым ин< трументом осуществ­ляют с односторонним или л, вусторонним нагревом (рис. 4.41).

Рис. 4.41. Схема контактно-тепловой сварки с од] юсторонним (а) и двусторонним (6) нагревом: 1 — нагретый инструмент; 2 — прокладки; 3 — свариваемые материалы; 4—холодный инструмент, мгн — температура нагретого инструмента; t2 — температура внешней поверхности изделия; Т —температура свариваемых поверхностей; T4 — температура холодного инструмента

Учитывая, что при сварке мягкой тары толщина материала значи­тельно меньше ширины и длины шва, можно считать тепловой поток от на1ревателя 1 направленным в одну сторону вдоль оси у. Тогда все плоскости, параллельные плоскости шва и рабочей плоскости на­гревателя, будут изотермическими поверхностями. Температура./тих поверхностей является функцией расстояния от нагревателя у, за­висящей от времени i.

Решение задачи определения температур изотермических повер­хностей должно удовлетворять основному’ уравнению теплопровод­ности Фурье для одномерного теплового потока и некоторым усло­виям, характеризую] цим эту задачу:

DT d2T

A, f <42>

Где T—температура, К; T — время; a — коэффициент температуро­проводности, м?/с; у— расстояние от верхней поверхности пленки, находящейся в контакте с нагревателем, м.

Время, необходимое для достижения какой-либо званной темпе­ратуры при нестационарных тепловых процессах, обратно пропор­ционально температуропроводш >сти материала. Коэффициент тем­пературопроводности а зависит от удельной теплоемкости с, плотно­сти р и коэффициента теплопров< >дност и X:

A -—. (4,3)

Ср

Чем больше коэффициент темпера гуропроводности, тем меньше разность температур в различных местах вн утри материала при оди­наковых внешних условиях его нагревания

Теплофизические свойства термопластичных полимеров

Геплофизические свойства термопластичных полимеров, необ­ходимые для расчета их коэффициента температуропроводности, приведены в табл 4.2.

= u-

Таблица 4.2 Термо­пластичный полимер Температура текучести Т. "С Коэффициент теплопровод­ности X, Вч/(м К) Удельная теплоемкость С, к,ж/ {кг К) Коэффициент Линейного термического расширения a, !0"4 ПЭНП 110 29.2 Ю-2 2.10-3,84 2,2 (от -50 до 4 50 °С) ПЭВП 140 40,ОЮ-2 2 10-381 5,2 (от 50 до 100 °С) ПП 170 13,85-Ю"2 1,92 1,4-2,0 ПС 150 12,5 Ю-2 — 0,6 ПММА 160 -180 16 7-Ю"2 1,50 1.2 ПВХ 180 16,7-Ю-2 1,17 1.0 ПА 225-260 25,1 10"2 1,67 1.1

Окончание табл. 4.2

Термо­пластичным полимер	Температ ура текучести Г, ЬС	Коэффициент теплопровод­ности К Вт/(м К)	Удельная теплоемкость с, кДж/ (кг-К)	Коэффициент Линейного термического расширения а, 10"4
ПУ	190	34-10"*	—	Ь4
ПЭТФ	280	13,8 10’2	1,04	—
ФП-4	> 360	25, МО’2	1,04	1,8
ФП-3	> 270	5,8 10 "2	0,92	—

При заданном начальном распределении температуры в матери­але, известных условиях теплообмена на его границах, а также при условии, что теплофизические свойства материала в процессе свар­ки остаются постоянными, можно рассчитать процесс распростра­нения тепла. Решая уравнение (4.2), получаем выражение

Где Гн — тем] lepai ура нагревателя, Т0 — начальная температура ма­териала; Т — температура в искомой точке толщины материала с координатой у.

Правая часть выражения (4.4) представляет собой интеграл веро — Ят1 юсти

Ф(гм) = -;!= J e-^dp. (45)

V 2л: _уМ

Его числовое значение может быть найдено из таблицтеплофизи — ческих справочников.

Из-за низкой теплопроводности термопластов температура по толщине свариваемых деталей распределяется неравномерно. На поверхности материала температура выше, чем в зоне сварки. Для достаточного разогрева зоны сварки температура нагревательных элементов должна быть вы ше температу ры сварки. Скорость разо­грева зависит от температуры инструмента, теплофизических св< )йств и толщины свариваемого материала.

3 начшельно улучшает услови я сварки двусторонний нагрев ма­териала (рис. 4.41, б]. Он позволяет уменьшить время разогрева и понизит! температуру инструмента

Основное уравнение теплопроводности (4.2) при двустороннем нагреве принимает вид

_яа/ 9nat 25nut >

Е"52 -—Е~ б2 + —Е — К , (4.6) 3 5

Ч /

Где t — продолжител ыюсть нагрева, с; 5 — гумма рная толики на мате­риала в зоне сварки, м.

Числовое значение ряда в правой части уравнения (4 6) можно определит ь по справочникам.

Способы получения сварных соединении разделяют на непре­рывные и периодические.

При непрерывной кинтактно-тсъювои сварке скорость пере­мещения материала относительно инструмента v определяется про — должительностью разогрева зоны сварки до требуемой температу­ры t:

V = 7> (4 7)

Где I — рабочая длина нагревателя.

В процессе непрерывной сварки температура по длине нагрева­теля распределяется неравномерно. Передняя его часть, постоянно w тупающая в конгак г с холодным материалом имеет более низкую температуру Поэтому для нагрева свариваемого материала требу­ется больше времени, чем при шаговой сварке нагревателем, имею­щим такую же, но равномерно распределенную температуру.

По конструктивному исполнению сварочного узла непрерывнук > контактно-тепловук > сварку подразделяют на роликовую и ленточ­ную При роликовой сварке соединяемый материа л пропускают че­рез пару вращающихся нагретых роликов, один из которых прижи­мается с усилием обеспечивающим требуемое контактное давление сварки (рис. 4.42)

Ширина получаемого сварного шва задается ширинои рабочей части роликов. Рабочая поверхность роликов может быть гладкой или рифленой с различным профилем. Ролики могут быть достаточно широкими в виде валков, с углублениями различной конфигурации под упаковы ваемыи штучны й материал.

Ленточная сварка позволяет производить охлаждение сваривае­мого шва перед снятием давления. Схема ленточной сварки приве­дена на рис. 4.43 Зона сварки расположена между двумя парами

И палков (б): 1 — свариваемый материал; 2 — нагретый ролик, 3— прижимныи ролик, 4 — сварной шов

Соосно установленных вращающихся валов, на которые надеты две непрерывные кольцевые металлические ленты 2 Между ними пода­ется свариваемый материал 1. Сварка осуществляется между нагре­вательными губками 3, передающими через лет у определенное дав­ление сварки. Затем между охлаждающими губками 4 под давлени­ем происходит охлаждение сварного шва 5.

Рис. 4 43. Схема ленточной двусторонней контакт! ю-тепловой сварки

2 3 4

2 з 4 5

Периодическая контактно-тепловая сварка включает операции подачи соединяемых материалов в зону сварки, прижим нагретым инструментом, нагрев, выдержку, охлаждение, отвод инструмента, удаление сваренных материалов.

Период рабочего цикла машины Г, осуществляющей периоди — ческун)сварку, составляет

7ц=’св+’х> (4.8)

Где T^ — время, затраченное на сварку; Tx — время, затраченное на холостые ходы в течение периода рабочего цикла.

Время, затраченное непосредственно на сварку, включает время нагрева Tt, время выдержки 6 и время охлаждения T

Время, затраченное на холостые ходы, содержит время подачи материала в зону сварки к, время прижима и время отвода горя­чего инструмента t^, время удаления сваренных материалов t

‘х=’п+’пр+’от+’у — (4.10)

Оценить степень совершенства технологии позволяют соотноше­ния технологической производительности к и цикловои производи­тельности О :

1

= гк,

T

*н

Св

(4.11)

Где q— коэффициент производительности,

T

Св

(4.12)

П =

1

Ktv +1

Очевидно, что 0 < г] < 1, причем rj = 1 при отсутствии холостых ходов, т е при предельном совершенстве технологии и машины

Сварочным инструменто м для получения прямолинейных швов обычно являются бруски из нерж авеющей стали с тщательно поли­рованной поверхно< тью Их п»лщина равна ширине сварочш >го шва. Они нагреваются чаше всего элекг рическим устройством.

Для получения швов различной конфигурации исш >льзуют плос­кий сварочный инструмент в виде плит (рис 4.44) с выступающим профилем шириной Ь, равной ширине сварочного шва. Профиль может иметь гладкую или рифленую рабочую поверхность

А Отверстия для

Рис 4.44. Плоские плиты ,ля контактно-тепловой сварки с гладкой {а} и рифленой (б) поверхностями сварочного шва

Для уменьшения нагрева материала в околошовной зоне, значи­тельно понижающего прочность сварочного соединения, ширину инструме>гга увеличивав >т и снабжают его специальными охлажда­ющими элементами или изоляционными пластинами (рис 4 45).

Рис. 4.45 Схема контактно-тепловой сварки с теплоизолирующим (о) и охлаждающим (о) инструментами: / — нагреватель: 2—теплоизоляционная пластинка;

3 — разделительная прокладка 4 — с вариваемым материал 5 — охлаждаемый элемент

С целью исключения прилипания свариваемого материала к на­гревателю сварку осуществляют через раздел ительные прокладки Их обычно изготавливают из фторопласта-4, армированного стек — ляннои тканью, а Также из полиэтилентерефталата, целлофана, крем — нииорганическои резины Вместо разделительных прокладок мож­но наносить на 1>абочие поверхности нагревателя тонкий слой анти­адгезионного состава па силиконовой основе. Однако этот слой не­обходимо часто восстанавливать, поскольку после каждого цикла сварки небольшое количество антиадгезионного состава переходит в сварной шов.

Выбор технологических параметров сварки (температуры, давле­ния и продолжительности) зависит в первую очередь от типа свари­ваемого материала, его толщины, а также отт ипа и конструктивных особенностей сварочного инструмента.

Мягкая тара изготавливается преимущественно из полимерных однослойных или многослойных материалов. Особенностью сварки тонких пленок является возможность их быстрого прогрева. Поэто­му инструмент при контактно-тепловой сварке можно нагреват ь до
температур» начала деструкции материала. Однако это не сказывает­ся на качестве сварки, поскольку скорость де< трукции ниже скорос­ти сварки при малых толщинах пле нок

С варку пленок толщиной до 100— 150 мкм можно проводить с од­носторонним нагревом, Более толстые пленки следует сваривать с двусторонним нагревом. С увеличением толщины пленок возраста­ет температура нагревательного элемента, но до известного преде­ла, поскольку одновременно возрастает и время прогрева материа­ла, что может привести к его деструкции (табл. 4.3).

Таблица 4.3 Режимы контактно-тепловой сварки пленок на машине МСП-1 Материал Толщина п енки, мкм Температура наг ревателыюго инструмента,"С Давление на свариваемый материал. МН/м2 Скорость сварки, м/мин 30 160- 180 0,05-0.20 10-15 Полиэтилен. 45 1У0 — 200 К 8-12 Полипропилен 60 210-220 •1 8-12 100 220-250 6-8 Фт< )рлон 110 260 0 15-0,25 1-2

Скорость контактно-тепловой сварки возрастает с повышением температуры нагревательных элементов На рис. 4 46 приведена за­висимость скороп и po. vHK( >вои сварки полиэтиленовой пленки оттем — перату ры нагревающего ролика За) птрихованная область па графи­ке соответствует оптимальным значениям температур и скоростей сварки, при которых получают качественные сварные соединения

Прочность получаемых сварных соединений пленок при испыта­нии на расслаивание составляет в среднем 60 — 70% от прочности основного материала Одной из причин понижения прочности ш ва является перегрев зоны материала, непосредственно соприкасаю­щейся с нагретым инструментом. В результате термодеструкции прочность материала в этой зоне значительно уменьшается. Кроме того, перегрев приводит к повышенной деформации материала при его сдавливании сварочным инструментом. Возникающие наплывы являются концентраторами напряжений, снижак щими прочность. При сварке ориентированных пленок основной причиной сниже­ния прочности сварного шва является дезориентация полимера в зоне нагрева.

16

12

8

80 120 160 200 240’С Рис. 4.46. Зависимость скорости контактно-тепловой сварки пленок ПЭ толщиной 60 мкм от температуры нагрева ролика (усилие прижима ролика 40 Н, ширина шва 4 мм)

0

В результате определения температуры поверхности полиэтиле­новых пленок, контактирующей с нагревательным сварочным инст­рументом, установлено, что за время сварки успевает прогреться лишь узкая полоска материала возле сварного шва (рис. 4.47).

О 0.5 1,0

Рис.4 47 Зависимость температуры

Расстояние от нагретого инструмента, мм

Околошовной зоны пленок ПЭНП

Толщиной 100 мкм от расстояния

До нагретого инструмента и времени сварки

Производство тары из полимерных пленок и листов

Особенности механических свойсть полимеров в высокоэластическом состоянии

Интервал температур, в котором можно наблюдать высокоэлас­тические свойства полимеров, равен разности температур (Т — Т) Для сетчатых полимеров верхним пределом эластических свойств является температура начала термического разложения Т, так как из-за межцепных химических связей полимер течь не может и при высоких температурах начинает разлагаться, деструктироваться, не переходя в текучее состояние Эластические свойства целесообразно рассмотреть на […]

Производство мягкой потребительской тары на фасовочно-упаковочных автоматах термоформовочного типа

Термоформовочные автоматы позволяют упаковывать любые виды продукции с использованием всех возможных методов ее по­дачи в отформованную часть тары. 11ижняятермоформованная часть из однослойного или многослойного полимерного материала являет­ся жесткой или полужесткой. Верхняя крышка отличается гибкос­тью, минимальной жесткостью. Она выполнена, как правило, из мно­гослойного материала, поэтому обладает хорошими барьерными свойствами, способностью к сварке ил и склеиванию, пригодна […]