Контактно-тепловая сварка
Контактно-тепловую сварку нагретым инструментом осуществляют с односторонним или с двусторонним нагревом (рис. 5.19). Учитывая, что при сварке мягкой тары толщина материа-
Рис. 5.19. Схема контактно-тепловой сварки с односторонним (а) и двусторонним (б) нагревом: 1 — нагретый инструмент; 2 — прокладки; 3 — свариваемые материалы; 4 — холодный инструмент; Ти — температура нагретого инструмента; T2 — температура внешней поверхности изделия; Тс — температура свариваемых поверхностей; TA — температура холодного инструмента |
Л а значительно меньше ширины и длины шва, можно считать тепловой поток от нагревателя 1 направленным в одну сторону вдоль оси у. Тогда все плоскости, параллельные плоскости шва и рабочей плоскости нагревателя, будут изотермическими поверхностями. Температура этих поверхностей является функцией расстояния от нагревателя у, зависящей от времени T.
= а |
Решение задачи определения температур изотермических поверхностей должно удовлетворять основному уравнению теплопроводности Фурье для одномерного теплового потока и некоторым условиям, характеризующим эту задачу [40]:
DT d2T
2- (5-2)
Dt dy
Где Т—температура, К; t—время; а—коэффициент температуропроводности, м2/с; у — расстояние от верхней поверхности пленки, находящейся в контакте с нагревателем, м.
Время, необходимое для достижения какой-либо заданной температуры при нестационарных тепловых процессах, обратно пропорционально температуропроводности материала. Коэффициент температуропроводности а зависит от удельной теплоемкости с, плотности р и коэффициента теплопроводности X:
А = (5-3)
Чем больше коэффициент температуропроводности, тем меньше разность температур в различных местах внутри материала при одинаковых внешних условиях его нагревания.
Теплофизические свойства термопластичных полимеров, необходимые для расчета их коэффициента температуропроводности, приведены в табл. 5.2.
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 (5.2), получаем выражение
Теплофизическив свойства термопластичных полимеров
Термопластичный полимер |
Температура текучести Гт, "С |
Коэффициент теплопроводности А., Вт/(м — град) |
Удельная теплоемкость с, кД)^/(кг-фадГ |
Коэффициент линейного термического расширения а, 10~4 |
ПЭНП |
110 |
29,2-Ю-2 |
2,10-3,84 |
2,2 (от 0 до 50 вС) |
ПЭВП |
140 |
40,0-10"2 |
2,10-3,84 |
5,2 (от 50 до 100-С) |
ПП |
170 |
13,8-Ю-2 |
1,92 |
1.4-2,0 |
ПС |
150 |
12,5-Ю-2 |
—- |
0,6 |
ПММА |
160-180 |
16,7-10"2 |
1,50 |
1.2 |
ПВХ |
180 |
16,7-Ю-2 |
1,17 |
1,0 |
ПА |
225-260 |
25,1-Ю-2 |
1,67 |
1.1 |
ПУ |
190 |
31,4-Ю-2 |
— |
1.4 |
ПЭТФ |
280 |
13,8-10"2 |
1,04 |
— |
ФП-4 |
>360 |
25,1-10"2 |
1,04 |
1,8 |
ФП-3 |
>270 |
5,8-10"2 |
0,92 |
— |
Тн"тс _ 2 Г e-P’dfi
^ <5-4)
Правая часть выражения (5.4) представляет собой интеграл вероятности
Его числовое значение может быть найдено из таблиц теп — лофизических справочников.
Из-за низкой теплопроводности термопластов температура по толщине свариваемых деталей распределяется неравно
мерно. На поверхности материала температура выше, чем в зоне сварки. Для достаточного разогрева зоны сварки температура нагревательных элементов должна быть выше температуры сварки. Скорость разогрева зависит от температуры инструмента, теплофизических свойств и толщины свариваемого материала.
Значительно улучшает условия сварки двусторонний нагрев материала (рис. 5.19, б). Он позволяет уменьшить время разогрева и понизить температуру инструмента.
Основное уравнение теплопроводности (5.2) при двустороннем нагреве принимает вид
Тн-Тс_ 4 ТИ~Т0 п |
Пей 9 Ncd 25nat >
(5.6) |
2 1 с2 1
Е 5 —е s +—е — 3 5
Где T — продолжительность нагрева, с: 5 — суммарная толщина материала в зоне сварки, м.
Числовое значение ряда в правой части уравнения (5.6) можно определить по справочникам.
Способы получения сварных соединений разделяют на непрерывные и периодические.
При непрерывной контактно-тепловой сварке скорость перемещения материала относительно инструмента v определяется продолжительностью разогрева зоны сварки до требуемой температуры t
V = ~T> (5/7)
Где I — рабочая длина нагревателя.
В процессе непрерывной сварки температура по длине нагревателя распределяется неравномерно. Передняя его часть, постоянно вступающая в контакт 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 непрерывную контактно-тепловую сварку подразделяют на роликовую и ленточную. При роликовой сварке соединяемый материал пропускают через пару вращающихся нагретых роликов, один из которых прижимается с усилием, обеспечивающим требуемое контактное давление сварки (рис. 5.20). Ширина получаемого сварного шва задается шириной рабочей части роликов. Рабочая поверхность роликов может быть гладкой или рифленой с различным профилем. Ролики могут быть достаточно широкими в виде валиков, с углублениями различной конфигурации под упаковываемый штучный материал.
Ленточная сварка позволяет производить охлаждение свариваемого шва перед снятием давления. Схема ленточной сварки приведена на рис. 5.21. Зона сварки расположена между двумя парами 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 ленту определенное давление сварки. Затем между охлаждающими губками 4 под давлением происходит охлаждение сварного шва.
Периодическая контактно-тепловая сварка включает операции подачи соединяемых материалов в зону сварки, прижим нагретым инструментом, нагрев, выдержку, охлаждение, отвод инструмента, удаление сваренных материалов.
Рис. 5.20. Схемы роликовой контактно-тепловой сварки (а) и валков (б): 1 — свариваемый материал; 2 — нагретый ролик; 3 — прижимный ролик; 4 — сварной шов |
Рис. 5.21. Схема ленточной двусторонней контактно-тепловой сварки: 1 — свариваемый материал; 2 — стальная лента; 3 — нагревательные губки; 4 — охлаждающие губки; 5 — сварной шов |
Период рабочего цикла машины Тц, осуществляющей периодическую сварку, составляет
Где — время, затраченное на сварку; ^ — время, затраченное на холостые ходы в течение периода рабочего цикла.
Время, затраченное непосредственно на сварку, включает время нагрева t^, время выдержки ^ и время охлаждения £0ХЛ:
^св = ^н + + ^охл • (5-9)
Время, затраченное на холостые ходы, содержит время подачи материала в зону сварки Tn, время прижима и время отвода горячего инструмента время удаления сваренных материалов tyi
Tx=tn+tnp + TvT+ty (5.10)
Оценить степень совершенства технологии позволяют соотношения технологической производительности к и цикловой производительности Qu:
Jc = —; = —-— = Т)fc,
(5.12) |
T т T +T
Ц ^cb
Где r — коэффициент производительности.
Л = —=———
(5.11) |
Т ktv+l
Очевидно, что 0 < r < 1, причем У] = 1 при отсутствии холостых ходов, т. е. при предельном совершенстве технологии и машины.
Сварочным инструментом для получения прямолинейных швов обычно являются бруски из нержавеющей стали с тщательно полированной поверхностью. Их толщина равна ширине сварочного шва. Они нагреваются чаще всего электрическим устройством.
Для получения швов различной конфигурации используют плоский сварочный инструмент в виде плит (рис. 5.22) с выступающим профилем шириной Ь, равной ширине сварочного шва. Профиль может иметь гладкую или рифленую рабочую поверхность.
Для уменьшения нагрева материала в околошовной зоне, значительно понижающего прочность сварочного соединения, ширину инструмента увеличивают и снабжают его специаль-
А |
Отверстия для нагревателей
Рис. 5.22. Плоские плиты для контактно-тепловой сварки с гладкой (а) и рифленой (б) поверхностями сварочного шва
Ными охлаждающими элементами или изоляционными пластинками (рис. 5.23).
С целью исключения прилипания свариваемого материала к нагревателю, сварку часто осуществляют через разделительные прокладки. Их обычно изготавливают из фтороплас — та-4, армированного стеклянной тканью, а также из поли — этилентерефталата, целлофана, кремнийорганической резины. Вместо разделительных прокладок можно наносить на рабочие поверхности нагревателя тонкий слой антиадгезионного состава на 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 от типа и конструктивных особенностей сварочного инструмента.
Мягкая тара изготавливается преимущественно из полимерных однослойных или многослойных материалов. Особен-
Рис. 5.23. Схема контактно-тепловой сварки с теплоизолирующим (а) и охлаждающим (б) инструментами: 1 — нагреватель; 2 — теплоизоляционная пластинка; 3 — разделительная прокладка; 4 — свариваемый материал; 5 — охлаждаемый элемент |
Ностью сварки тонких пленок является возможность их быстрого прогрева. Поэтому инструмент при контактно-тепловой сварке можно нагревать до температур начала деструкции материала. Однако это не сказывается на качестве сварки, поскольку скорость деструкции ниже скорости сварки при малых толщинах пленок.
Сварку 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. 5.3) [40].
Скорость контактно- тепловой сварки возрастает с повышением температуры нагревательных элементов. На рис. 5.24 показана зависимость скорости роликовой сварки полиэтиленовой пленки от температуры нагревающего ролика. Заштрихованная область на графике соответствует оптимальным значениям температур и скоростей сварки, при которых получают качественные сварные соединения.
Скорость сварки, м/мин 20 |
Рис. 5.24. Зависимость скорости контактно-тепловой сварки пленок ПЭ толщиной 60 Мкм От температуры нагрева ролика (усилие прижима ролика 40 Н, ширина шва 4 Мм) |
16 |
12 |
8 |
О |
160 |
200 |
240 °С |
80 |
120 |
Прочность получаемых сварных соединений пленок при испытании на расслаивание составляет в среднем 60-70% от прочнос-
Режимы контактно-тепловой сварки пленок на машине МСП-1
Материал |
Толщина пленки, мкм |
Температура нагревательного инструмента, ‘С |
Давление на свариваемый материал, МН/м2 |
Скорость сварки, м/мин |
30 |
160-180 |
0,05-0,20 |
10-15 |
|
Полиэтилен, |
45 |
190-200 |
// |
8-12 |
Полипропилен |
60 |
210-220 |
// |
8-12 |
100 |
220-250 |
// |
6-8 |
|
Фторлон |
110 |
260 |
0,15-0,25 |
1-2 |
Ти основного материала. Одной из причин понижения прочности шва 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, снижающими прочность. При сварке ориентированных пленок основной причиной снижения прочности сварного шва является дезориентация полимера в зоне нагрева.
Расстояние от нагретого инструмента, мм |
Рис. 5.25. Зависимость |
Таблица 5.3 |
В результате определения температуры поверхности полиэтиленовых пленок, контактирующей с нагревательным сварочным инструментом, установлено, что за время сварки температуры околошовной зоны Успевает прогреться лишь уз- пленок ПЭНП толщиной 100 мкм Кая полоска материала возле от расстояния до нагретого Сварного шва (рис. 5.25) [40]. инструмента и времени сварки
ТАРА И ЕЕ ПРОИЗВОДСТВО29 ноября, 2012