Сварка ультразвуком основана на нагреве контактирующих по­верхностей полимеров до вязкотекучего состояния в результате пре­вращения энергии колебаний ультразвуковой частоты (lb — 50 кГц) в тепловую энергию Схема ульразвуковой сварки приведена на рис. 4.5Н. Соединяемые детали 3 зажимают с уси лилм Р между кон­цом инструмента 2 и пассивным 4 иль настроенным 5 отражателем. Г [ри подаче тока высокой частоты на обмотку вибратора 1 в нем воз­никают продольные высокочастотные механические колебания, ко­торые передаются через концентратор с инструментом 2 к сварива­емым материалам 3. Давление на свариваемые детали осуществля­ют инструментом или пассивным отражателем. В качестве пассив­ного отражателя используют материал, гасящий ультразвуковые ко­лебания, — резину, древесину и т, п.

Для уменьшения потерь энергии за счет перехода колебаний в станину применяют настроенный отражатель 5. Иго выполняют из стального стержня, закрепленного на резиновой подложке 6. Высоту отражателя определяют экспериментально Она составляет прибли зит< :лыю четверть длины волны колебаний. Длина вибратора состав­ляет полв< хлны, длина инструмента—две полуволны.

Рис. 4 56 Схема ультразвуковой сварки с пассивным (ненастроенным) отражателем (aj и с активным отражателем (б)

Приведенным способом можно выполнять точечные, прямолиней­ные и замкнутые кольцевые ш вы диаметром до 100 мм за один рабо­чие цикл Форма шва определяется формой и площадью рабочей поверхности инструмента.

Непрерывные швы получают при помощи роликовой сварки, схе­ма которой приведена на рис. 4.57 В этом случае давление сварки невелико и нельзя применять активный отражатель. Поэтому тол­щина свариваемых пленок ограничена до 50 мкм

Рис. 4.57 Схема роликовой ультразвуковой сварки 1 — излучатель; 2 — концентратор; 3 — пружина; 4 — прижимный полоз; 5—свариваемые материалы; 6 — ролик

Ультразвуковые колебания представляют собой упругие волны, распространяющиеся в любой материальной среде В идеальной среде, в которой отсутствует внутреннее трение, бегущая в< >лна опи­сывается выражением

U = Asin(a>t + Kx)1 (4.29)

Где V — смещение вдоль оси х произвольной точки в любой момент времени T, со == 2Nl — круговая частота: F — 1 /Т— частота колебаний (число колебаний в еди ницу времени); Т— период колебаний, А—ам плитуда смещения; к = 2п/Х = (о/с — волновое число; X = сТ = C/F— длина волны; с — скорость перемещения фазы, и ли фазовая скорость

Фазова я скорость звука для продольной вилны в неограниченной твердой среде

С= |- pj——— =М

Где Е — модуль Юнга; р — коэффициент Пуассона; р — плотность среды; К— модуль объемного сжатия; С — модуль сдвига.

При pacnjюстранении упругой волн ы происх< >дит перенос энер­гии, причем в процессе колебаний энергия периодически переходит из потенциальной в кинетическую и наоборот. Полная средняя энер­гия в бегущей волне (5]

В = 0,5рго1 А1 — 2я2/2 А2р. (4.31)

В сварочном аппарате элект рические колебания ультразвуковой частоты, вырабатываемые генератором, преобразуются излучателем в механические продольные колебания. Эти колебания передаются к свариваемым деталям волноводом. Волновод представляет собой металлический стержень переменного сечения, уменьшающегося в nai гравленик свариваемых деталей. Волновод иначе называют кон­центратором Масса верхней широкой части волновода mi больше массы его нижнеи узкой части тг Поскольку волновод является же­стким, усилия в верхнем и нижнем его сечениях одинаковы:

D2U, D2U2 In,—Т^Ш ~ у ‘ И-32)

Dt2 dt2 1 1

Где D2Ux/Dt2 и D2U/Dt2 — ускорения, с которыми движутся массы тх и mz.

Так как т > т2, а волновод колеблется с одинаковое частотой со = оj = W,. то с учетом выражения (4 29) А > А2, где А. и А2 — Амплш уды смещении масс тх и т соответственно.

Таким образом, амплитуда смещения тонкого конца волновода больше амплитуды смещения его толстого конца. Из уравнения (4.31) видно, что в этом случае энергия, подводимая к свариваемым дета­лям, значительно превышает энергию излучателя

К+4

—I Г4.30)

Вопрос о характере преобразования энергии механических коле­баний в тепловую энергию и разогреве вследствие этого сваривае­мых деталей ягляется одним из самых важных. С ним связано не только познание физических основ ультразвуковой сварки, но и раз­работка методов практического расчета параметров режимов свар-

Ки. Эти метпды должны позволить получить уравнение, связываю­щее параметры режима сварки, например, в виде

TCB =v{AJ,pcvJCB,gbg1,K.gl,jx,j2,K,ji)) (4.33)

Где tCB — время сварки; р. — статическое давление сварки, Г — температура сварки; аЛ д2,…, д — свойства материала; J,J2, — геометрические размеры сварочных швов.

Все явления, протекающие при ультразвуковой сварке, обуслов­лены процессом деформации полимерных материалов, преимуще­ственно термопластов, с ультразвуковой частотой Поэтому oi 1реде — лепие функций (4 33) в явном виде связано с решением задач, содер­жащих уравнение движения сплошной среды, уравнения матери­ального и энергетического балансов, а также уравнения состояния, описывающие взаимосвязь внешних воздействий и сопротивляемо­сти среды. Уравнения энергетического баланса должны содержать внутренний источник энергии, ишенсивностьи распределение ко­торого в объеме нагреваемого тела известны.

Однако до настоящего времени не сложилось единого мнения о физической природе источников теплоты при ультразвуковой свар­ке термоплас гов. Под] юбный анализ существующих по эгому поводу точек зрения проведен в специа лыюй литературе. В общем виде за­дача о разогреве деталей при улът развуковой сварке может быть решена только в рамках задач термовязь оуп ру гост и, в которых тем­пературное поле определяется в зависимости от по. ля напряжений и деформаций вследствие нагревания материала за счет диссипации энергии.

(4.34)

Для ультразвуковой сварки тон ких полимеров, толщина которых гораздо меньше четверти длины волны, а теплоотводом из зоны свар — зщ можно пренебречь, справедливо соотношение

DT m_nfA2Eg dt 252Ср ‘

Где £., — модуль потерь; с — удельная теплоемкость.

Из уравнения (4 34) следует, что скорость разогрева и характер термического цикла сварки зависят от комплексной характеристики материала F :

Г Ег Eirin

Fm= =———— > (4.35)

Ср ср v ‘

Где Т1п = Е/EJ — тангенс угла механических потерь.

При условии, что Tit А 7(262) = 1, комплексная характеристика ма — териала FM равна скорост и роста температуры за счет рассеивания механической энергии (см уравнение (4.34).

В числитель комплексной характеристики Г4 входит модуль по­терь Е7, характеризующий количество рассеиваемой энергии, а в знаменатель—кол ичество эн ергии, необходимое для разогрева еди­ницы массы Hd один градус. Таким образом, F характеризует соот­ношение между рассеиваемой и требуемой для на грева энергиями.

К основным пара мет рам ультразвуковой сварки относят те, кото­рые непосредственно влияют на количество механической энергии, подводимой к свариваемым материалам и превращаемой в тепло­вую энергию Такими параметрами являются ам плитуда колебаний рабочего торца волновода А (мкм), частота колебаний / (кГц), про­должительность ультразвукового импульса t (с) или скорость свар­ки v (м/с) и сварочное давление р г (Па) или усилие прижатия волно­вода к материалу F (Н).

Из уравнения (4.34) следует, что время разогрева полимера до вяз — котекучего состояния обратно пропорционально квадрату амп литу­ды Л: при увеличении амплитуды возрастает энергия, подводимая к свариваемым материалам.

Обширный экспериментальный материал свидетельствует о том, что можно подобрать достаточно большое количество сочетаний А, рс и /, при которых достигается высококачественное сварное соеди­нение. При этом изменяется только время сьпрки. Если А. рст и /малы, то время сварки велико, и наобор» >т.

Время рабочего цикла сварки определяется последовательностью приложения сварочного давления, включения, прохождения и вык­лючения ультразвукового импульса, выдержки изделия под давле­нием и снятия давления,

I ^икл сва[ ж и во многом определяет прочность сварного соедине — ния, поэтому закладывается в основу при разработ ке технологии и машин, влияет на выбор принципиалыюи схемы механизма давле­ния и управления ультразвуковыми колебаниями Основные виды циклов ультразвуковой сварки пластмасс показаны на рис. 4.58.

При наиболее распространенном цикле (рис. 4.58, а) статическое давление р т прикладывают до включения ультразвуковых колеба­ний, а снимают после их выключения с запаздыванием на время Полное время цикла f при этом с остав ляет

(4-36)

Б АУЗ

О

УЗ

Уз

Рс т

Рст

Рст

Per

—► FK f, c

— <3 t, c

5

L

Уз

Уз уз Рк

Рст

/

Рст

F3 Чо

Рис. 4 58 Основные виды рабочих цик лов ультразвуковой сварки тары и упаковки из пластмасс

Где t — время предварительного сжатия давлением рет; t — время включения ультразвуковых колебаний: t — время выдержки под дав­лением без ультра звуковг.IX колебаний

Во время выдержки под давлением р(, после выключения ультра­звуковых колебаний происходит охлаждение сварного шва. Это по вышает качество и прочность сварного соединения на 40 — 50%.

Цикле предварительным включением ультразвуке >вых колебаний и последующим приложением статического давления приведен на рис 4.58, б. Первоначальное включение ультразвука дает возмож­ность про изводить очистку свариваемых поверхностей, загрязнен­ных различными веществами. В этом случае сварочное давление прикладывают к изделию постепенно Касаясь изделия, волновод сообщает ему механические колебания, тем самым очищая поверх­ность перрд сваркой. По окончании воздействия улы развуковых ко — лебаний выдерживают изделие под давлением и после времени I давление снимают.

1 а кой цикл используют при сварке мягкой тары для жид кои. по­рошкообразной и гранулированной продукции. Наибольшего эффек­та достигают при сварке полиэтиленовых коробок, пакетов и туб, за­полненных жидкостями с болыи ой ьязкостью.

Цикл, предусматривающий повышение сварочного давления пос­ле выключения ультразвуковых колебаний (рис. 4 58, в), позволяет получать сварные сч >единени я повышенной прочности Повы шение давления до значения рк должно следовать через неб< >льшой, строго контролируемый интервал времени t после выключения ультра­звуковых к< >лебании.

Ультразвук овая сварка может быть рекомендована для изготов­ления мягкой тары из поликарбонатных, полипропиленовых поли­амидных и полиэтилентерег{)талатиь1Х п.енок, для которых прочность сварных соединений на сдвиг составляет не менее 60% от прочн< >сти основного материала Хуже свариваются пленки из полиэтилена низкого и высокого давления. Прочность их соединений на сдвиг составляет 25 — 30% от прочности основного материала

Ультразвуковая сварка обладает преимуществами перед други­ми видами сварки при изготовлении мягкой тары из многослойных композиционных материалов, поскольку позволяет получать свар­ные соединения наибольшей причн< >сти

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 […]

Контакт но-тепловая сварка

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; […]