Основы расчета Сварных соединений на прочность
11ри проектировании сварной конструкции мягкой тары из полимерных пленочных материалов встречаются два принципиальных решения:
1) прочность сварного соединения не ниже прочности основных материалов;
2) прочность сварного соединения ниже прочности свариваемых элементов, поэтому несущую способность конструкции мягкой тары определяет сварное соединение.
Расчет сварных соединений на прочность выполняют с учетом только рабочих напряжений в швах. Напряжения, возникающие вследствие совместных деформаций основного материала и шва, а также остаточные напряжения в расчете не учитывают, хотя при разработке технологии изготовления сварных конструкций мягкой тары влияние их следует иметь в виду.
Прочность сварных соединений полимерных пленок, полученных при использовании оптимальных методов и режимов сварки, определяется главным образом свойствами полимерного материала и характером распределения напряжений при работе соединения. Исследования напряжений в наиболее часто применяемых при производстве мягкой тары нахлесточных и Т-образных сварных соединениях [33] показали следующее.
В нахлесточном соединении (рис. 5.37, а) в сечении J-J по основному материалу при растяжении возникают равномерно распределенные напряжения ар. В сечении Я-Я по сварочному шву напряжения аш также распределены равномерно: аш 2а = = ош 2б. но напряжения в шве меньше, чем напряжения в основном материале: аш < ар. В сечении Я/-Я/ по околошовной зоне напряжения в точках За и 36 различаются между собой по величине. Максимальное напряжение характерно для точки За в месте резкого изменения размера поперечного сечения при переходе от околошовной зоны к шву. Поэтому разрушение нахлесточных сварных соединений в основном происходит на околошовной зоне и начинается у точки За, а их прочность всегда несколько уступает прочности основного материала.
Рис. 5.37. Нахлесточное (а) и Т-образное (б) соединения полимерных пленочных материалов мягкой тары и характер распределения напряжений в сварных швах |
В Т-образных сварных соединениях (рис. 5.37, б) в сечении 1-1 по основному материалу также возникают равномерно распределенные растягивающие напряжения ор. В сечении //-// по плоскости сварки напряжения распределены неравномерно. Максимальное напряжение, значительно превосходящее ар, наблюдается в точке 2а, расположенной в устье шва. Это место является концентратором напряжения типа надреза. Напряжение в точке 26 равно нулю. Напряжения в точках За и 36 сечения IH—III меньше, чем в точке 2а. но больше, чем в точках 1а и 16 сечения 1-1. Поэтому разрушение Т-образных сварных соединений происходит преимущественно по линии устья шва.
Значения коэффициентов концентрации напряжений Кк в различных точках сварных соединений приведены в табл. 5.8.
Таблица 5.8
Значения коэффициентов концентрации напряжений Кк в различных точках сварных соединений полимерных пленочных материалов [22]
Тип соединения |
1а |
16 |
2а |
26 |
За |
36 |
Нахлесточное |
1.0 |
1.0 |
0.4 |
0,4 |
1.3 |
1.0 |
Т-образное |
1,0 |
1.0 |
1.8 |
0,0 |
1.2 |
1.3 |
Величину Кк определяли как отношение напряжения в различных точках сварного шва к напряжению в основном материале:
W —
Кк-—■ (5.37)
Значительное влияние на прочность сварного соединения оказывает утонение свариваемого материала в зоне шва (рис. 5.38, а). Утонение материала в нахлесточных соединениях, работающих на сдвиг, значительно снижает прочность, поскольку нагрузку воспринимает сильно ослабленное сечение а-а (рис. 5.38, б). Кроме того, в месте перехода от утолщения 2 к тонкому шву создается дополнительная концентрация напряжений, что также приводит к ослаблению сварного соединения. Утонение в Т-образных соединениях, работающих на раз — дир, повышает прочность, так как нагрузку воспринимает утолщенная часть соединения 2 (рис. 5.38, в).
Для нахлесточных сварных соединений расчетную (эксплуатационную) нагрузку (усилие) Рэ определяют из соотношения [33]
^[Фс*]. (5.38)
Где Ь и I — ширина и длина шва соответственно; [хсд] — допустимое напряжение сдвига (среза),
Рис. 5.38. Схема утонения шва и образования наплывов в околошовной зоне в процессе сварки (а) и влияния наплывов на испытания нахлесточных (б) и Т-образных (в) сварных соединений |
(5.39)
П
Где тсд — нормальное разрушающее напряжение сдвига (среза) для основного материала; К^ — относительная прочность сварного соединения; п— коэффициент запаса прочности.
Относительную прочность сварного соединения определяют как отношение разрушающего напряжения сварного шва тсд. ш к разрушающему напряжению основного материала:
Тт тсд. ш
— ■— (5.40)
Экспериментально установлено [5, 33], что при контактно-тепловой сварке нахлесточных соединений ПЭВД, ПЭНД и ПП К<: > 0,9. Для некоторых видов сварки значения Кс приведены в табл. 5.9.
Коэффициент запаса прочности п зависит от вида прикладываемой к упаковке нагрузки, изменений рабочей температуры, агрессивности внешней и внутренней среды, климатических и других условий эксплуатации. Значения коэффициента гг для сварных соединений некоторых термопластов приведены в табл. 5.10 и 5.11.
Максимальная деформация сварных соединений есв не должна превышать допустимую деформацию едоп:
< _еФ
8св-едоп~ • (5.41)
ГЧ
Где егр — граничная деформация; г — коэффициент запаса допустимой деформации.
Значения егр и т для некоторых термопластов приведены в табл. 5.11.
Условия эксплуатации в табл. 5.11 классифицируются следующим образом.
[Тсд] = — |
I. Окружающая среда — воздух; статическая нагрузка при нормальной температуре и небольшом давлении; конструкция простой формы; в случае отказа конструкции опасность для окружающего персонала и оборудования отсутствует.
Относительная прочность сварного соединения Кс В зависимости от способа сварки и температуры
Способ сварки |
Материал |
Относительная прочность |
|||
Кратковр еменная |
Длительная |
||||
20 ‘С |
60 ‘С |
20 ‘С |
60 ‘С |
||
Газовым теплоносителем с присадкой |
ПВХ |
0,6 |
0,4 |
0,4 |
— |
ПЭНД |
0,6 |
— |
0,4 |
0,4 |
|
ПП |
0,6 |
— |
0,4 |
0,4 |
|
Контактная тепловая |
ПВХ |
0,8 |
— |
0,6 |
— |
ПЭНД |
0,8-1,0 |
— |
0,8 |
0.8 |
|
ПП |
0,8-1,0 |
— |
0,8 |
0,8 |
|
Экструдируемой присадкой |
ПВХ |
— |
— |
— |
— |
ПЭНД |
0,7 |
— |
0.5 |
0,5 |
|
ПП |
— |
— |
— |
— |
Таблица 5.10
Коэффициенты запаса прочности п сварных соединений для конструкций из винипласта
Условия эксплуатации |
Л = 1-Й,4 |
Л = 1,5+2,2 |
Л = 2,3+3 |
Механическая нагрузка Рабочая температура Среда Климатические условия |
Статическая постоянная неагрессивная в помещении |
Статическая постоянная неагрессивная на открытом воздухе |
Динамическая переменная агрессивная на открытом воздухе |
Таблица 5.11
Условия |
ПВХ, л |
ПВХ, л |
ПЭВД, л |
ПП, л |
Эксплуатации |
(£гр = 0’8> |
(егр = 2,5) |
||
I |
2,5 |
0,7-1 |
1,3-1,5 |
1,5-1,7 |
II |
3,4 |
1-1.1 |
1.5-1,8 |
1,8-2 |
III |
5 |
1,3 |
2-2,2 |
2,2-3 |
II. Статическая нагрузка при переменной температуре и среднем давлении; конструкция простой формы; в случае отказа конструкции опасность отсутствует.
III. Изменяющаяся нагрузка при переменной температуре и высоком давлении; наличие сред, не оказывающих химического воздействия; конструкция сложной формы; в случае отказа конструкции имеется опасность для персонала, окружающих устройств.
Разрушающее напряжение сдвига нахлесточного соединения определяют по результатам испытаний на растяжение по формуле
Где Рр — разрушающее усилие.
Процесс изготовления мягкой тары совмещен с процессом заполнения ее продукцией. Поэтому на сварные швы могут попадать частицы заполняемого продукта. Особенно часто это встречается при заполнении тары жидкой и порошкообразной продукцией. На рис. 5.39 показаны стадии получения упакованной порошкообразной продукции в мягкую тару типа «пакет» с одним продольным и двумя поперечными швами. Заполненная дозой продукта цилиндрическая пленочная заготовка с продольным и нижним сварными швами подается вниз на расчетное расстояние (рис. 5.39, а). После этого встречным движением сварочных электродов горизонтального шва приводятся в соприкосновение противоположные стороны цилиндрической пленочной заготовки (рис. 5.39, б). Из-за негерметичности дозирующего устройства в зону сварного шва могут попадать частицы заполняемого продукта. При сварке продольного шва происходит укупоривание заполненного нижнего пакета и оформление нижнего шва верхней заготовки пакета. ГЪрячие прилегающие к свариваемым швам участки полимерной пленки контактируют с продуктом (рис. 5.39, в), поэтому швы и околошовная зона могут содержать вплавления продукта, являющиеся концентратором напряжений и снижаю
щие прочность упаковки. После завершения сварки горизонтальный шов разрезается (рис. 5.39, г), упакованная продукция отделяется, а верхняя цилиндрическая заготовка заполняется дозой продукта и процесс повторяется.
А б в г |
Рис. 5.39. Схема совмещенных процессов изготовления мягкой тары и заполнения ее продукцией |
Существует и другой механизм снижения качества и уменьшения прочности сварного шва под влиянием упаковываемой продукции. После завершения процесса сварки нижний шов заготовки мягкой тары имеет расчетную ширину Ь1 (рис. 5.40). Под действием веса упакованной продукции горячий сварной шов деформируется и в некоторых местах может иметь меньшую ширину fc^: bx > Ъ^.
Оба механизма снижения качества и уменьшения прочности сварных швов зависят от свойств материала мягкой тары и упаковываемого продукта. Интенсивность их взаимодействия можно оценить коэффициентом снижения прочности сварного шва под действием упаковываемого продукта
(5.43)
Ш
Рис. 5.40. Влияние упаковываемой продукции на качество сварных соединений: а — сварка шва и одновременное заполнение продукцией; б — качественный сварной шов; в — влияние продукции на качество шва
Где ауп — прочность шва под воздействием упаковываемого продукта; ош — прочность чистого сварного шва.
О влиянии различных упаковываемых продуктов на прочность сварных швов мягкой тары из некоторых полиолефинов можно судить по табл. 5.12.
С учетом коэффициента снижения прочности сварного шва КуП под действием упаковываемого продукта уравнение (5.39) будет иметь вид
(5.44)
В случаях, когда прочность сварного шва соизмерима с прочностью основного материала, мягкую тару испытывают на разрушение избыточным давлением сжатого воздуха (рис. 5.41). Мягкую тару 8 помещают на неподвижную опору стенда 1, с помощью подвижного кронштейна 2 к ней подводят прибор для испытаний 5. Заостренным наконечником штуцера 6 протыкают стенку мягкой тары и с помощью линии 3 подают сжатый воздух. Герметизацию между штуцером 6 и мягкой тарой осуществляют с помощью уп-
Влияние упаковываемой продукции на прочность сварных швов мягкой тары из некоторых полиолефинов [27]
Материал мягкой тары |
||||||
Упаковываемая продукция |
Ламинат Ор/у exact |
EXACT |
LLDPE |
|||
Прочность, мбар |
*уп |
Прочность, мбар |
*УП |
Прочность, мбар |
«УЛ |
|
Без продукта Смазочное масло Кофе Растительное масло Вода Мыльный раствор Спирт Лимонный сок Апельсиновый сок Молоко Воздух Оливковое масло Томатный сок |
920 955 925 900 890 875 720 650 610 590 |
1,00 1,04 1,01 0,98 0,97 0,95 0,78 0,71 0,66 0,64 |
125 121 120 120 113 125 |
1,00 0,97 0,96 0,96 0,90 1,00 |
156 162 0 143 147 152 |
1,0 1,04 0 0,92 0,94 0,97 |
1 — стенд для испытаний; 2 — подвижный кронштейн; 3 — линия подачи сжатого воздуха; 4 — регистратор давления в мягкой таре; 5 — прибор для испытаний; 6 — игла; 7 — уплотнительные прокладки; 8 — мягкая тара
Лотнительных прокладок 7. Регистратор 4 фиксирует давление в мягкой таре.
Давление разрушения может служить критерием оценки качества сварных соединений, определять влияние процесса сварки на околошовную зону, а также производить оптимизацию технологических режимов изготовления мягкой тары (рис. 5.42).
ТАРА И ЕЕ ПРОИЗВОДСТВО29 ноября, 2012