Сварка ультразвуком основана на нагреве контактирующих поверхностей полимеров до вязкотекучего состояния в резуль­тате превращения энергии колебаний ультразвуковой частоты (16-50 кГЦ) в тепловую энергию. Схема ульразвуковой сварки приведена на рис. 5.34. Соединяемые детали 3 зажимают с усилием Р между концом инструмента 2 и пассивным 4 или настроенным 5 отражателем. При 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. Его вы­полняют из стального стержня, закрепленного на резиновой подложке 6. Высоту отражателя определяют эксперименталь­но. Она составляет приблизительно четверть длины волны ко­лебаний. Длина вибратора составляет полволны, длина инст­румента — две полуволны.

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

Непрерывные швы получают при помощи роликовой сварки, схема которой приведена на рис. 5.35. В этом случае давление

Сварки невелико и нельзя применять активный отражатель. Поэтому толщина свариваемых пленок ограничена до 50 мкм.

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

U = Asin(a>t + kx), (5.29)

Где U — смещение вдоль оси х произвольной точки в любой мо­мент времени £; со = 2Nf — круговая частота;/= 1/Т— частота колебаний (число колебаний в единицу времени); Т— период
колебаний; А — амплитуда смеще­ния; к= 2п/Х = со/с— волновое чис­ло; X = с Т = с//— длина волны; с — скорость перемещения фазы, или фазовая скорость.

Фазовая скорость звука для про­дольной волны в неограниченной твердой среде

I Е( 1-ц) (530)

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

При распространении упругой волны происходит перенос энер­гии, причем в процессе колебаний энергия периодически переходит из потенциальной в кинетическую и наоборот. Полная средняя энер­гия в бегущей волне [5]

Ё = 0,5рсо2А2 =2л2/2Л2р. (5.31)

В сварочном аппарате электрические колебания ультра­звуковой частоты, вырабатываемые генератором, излуча­телем преобразуются в механические продольные колеба­ния. Эти колебания передаются к свариваемым деталям волноводом. Волновод представляет собой металлический стержень переменного сечения, уменьшающегося в на­правлении свариваемых деталей. Волновод иначе называ­ют концентратором. Масса верхней широкой части волно­вода т{ больше массы его нижней узкой части т2. Посколь­ку волновод является жестким, усилия в верхнем и нижнем его сечениях одинаковы:

(5.32)

Где d2 L/j/d T2 и d2 l72/d t2 — ускорения, с которыми движутся массы тх и гг^.

Так как mi > п^, а волновод колеблется с одинаковой часто­той со = (Oj = (о2, то с учетом выражения (5.29)

A2>Alf

Где Ai и А2 — амплитуды смещений масс нц и гг^ соответствен­но.

Таким образом, амплитуда смещения тонкого конца волно­вода больше амплитуды смещения его толстого конца. Из урав­нения (5.31) видно, что в этом случае энергия, подводимая к свариваемым деталям, значительно превышает энергию из­лучателя.

Вопрос о характере преобразования энергии механических колебаний в тепловую энергию и разогреве вследствие этого свариваемых деталей является одним из самых важных. С ним связано не только познание физических основ ультра­звуковой сварки, но и разработка методов практического рас­чета параметров режимов сварки. Эти методы должны позво­лить получить уравнение, связывающее параметры режима сварки, например, в виде

*Св = Ф( А. /. Per• Тсв* 9. 92……. 9i• J1»J2…. Ji )•

ГДе ^св — время сварки; рст — статическое давление сварки;

Тсв — температура сварки; Gv д2……. fif( — свойства материала;

Ji*J2′ — Jt— геометрические размеры сварочных швов.

Все явления, протекающие при ультразвуковой сварке, обусловлены процессом деформации полимерных материа­лов, преимущественно термопластов, с ультразвуковой час­тотой. Поэтому определение функций (5.33) 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, интенсивность и рас­пределение которого в объеме нагреваемого тела известны. Однако до настоящего времени не сложилось единого мне­ния по вопросу о физической природе источников теплоты при ультразвуковой сварке термопластов. Подробный ана­лиз существующих по этому поводу точек зрения проведен в специальной литературе [5]. В общем виде задача о разогре­ве деталей при ультразвуковой сварке может быть решена только в рамках задач термовязкоу пру гости, в которых тем­пературное поле определяется в зависимости от поля напря­жений и деформаций вследствие нагревания материала за счет диссипации энергии.

Для ультразвуковой сварки тонких полимеров, толщина кото­рых гораздо меньше четверти длины волны, а теплоотводом из зоны сварки можно пренебречь, справедливо соотношение [5]

DT К/А2 Е2

DT~25^’ (534)

Где Ег — модуль потерь; с—удельная теплоемкость.

Из уравнения (5.34) следует, что скорость разогрева и харак­тер термического цикла сварки зависят от комплексной ха­рактеристики материала FM:

ГДе Tin = 1 —тангенс утла механических потерь.

При условии, что п F А2/{2 52) = 1, комплексная характерис­тика материала FM равна скорости роста температуры за счет рассеивания механической энергии (см. уравнение (5.34)). В числитель комплексной характеристики FM входит модуль потерь Е2, характеризующий количество рассеиваемой энер­гии, а в знаменатель — количество энергии, необходимое для разогрева единицы массы на один градус. Таким образом, FM Характеризует соотношение между рассеиваемой и требуемой для нагрева энергиями.

К основным параметрам ультразвуковой сварки относят те, которые непосредственно влияют на количество механи­ческой энергии, подводимой к свариваемым материалам и превращаемой в тепловую энергию. Такими параметрами являются амплитуда колебаний рабочего торца волновода А (мкм), частота колебаний/(кГЦ), продолжительность ульт­развукового импульса TCB (с) или скорость сварки V (м/с) и сварочное давление рст (Па) или усилие прижатия волновода к материалу F(H).

Из уравнения (5.34) следует, что время разогрева полимера до вязкотекучего состояния обратно пропорционально квадра­ту амплитуды А: при увеличении амплитуды возрастает энер­гия, подводимая к свариваемым материалам.

Обширный экспериментальный материал свидетельствует о том, что можно подобрать достаточно большое количество со­четаний А, рст и/, при которых достигается высококачествен­ное сварное соединение [5]. При этом изменяется только вре­мя сварки. Если А, р^ и/малы, то время сварки велико, и на­оборот.

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

Цикл сварки во многом определяет прочность сварного со­единения, поэтому закладывается в основу при разработке технологии и машин, влияет на выбор принципиальной схемы механизма давления и управления ультразвуковыми колеба­ниями. Основные виды циклов ультразвуковой сварки пласт­масс показаны на рис. 5.36.

При наиболее распространенном цикле (рис. 5.36, а) стати­ческое давление р^ прикладывают до включения ультразвуко­вых колебаний, а снимают после их выключения с запаздыва­нием на время Полное время цикла ^ при этом составляет

<ц = <п + *УЗ + <з. (5.36)

Где £п — время предварительного сжатия давлением р^; tуз — время включения ультразвуковых колебаний; T3 — время вы­держки под давлением без ультразвуковых колебаний.

Во время выдержки под давлением рст после выключения ультразвуковых колебаний происходит охлаждение сварного шва. Это повышает качество и прочность сварного соедине­ния на 40-50%.

Цикл с предварительным включением ультразвуковых коле­баний и последующим приложением статического давления приведен на рис. 5.36, б. Первоначальное включение ультразву­ка дает возможность производить 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 перед сваркой. По оконча­нии воздействия ультразвуковых колебаний выдерживают из­делие под давлением и после времени t^ давление снимают.

Такой цикл используют при сварке мягкой тары для жидкой, порошкообразной и гранулированной продукции. Наибольшего эффекта достигают при сварке полиэтиленовых коробок, паке­тов и туб, заполненных жидкостями с большой вязкостью.

Цикл, предусматривающий повышение сварочного давле­ния после выключения ультразвуковых колебаний (рис. 5.36, в), позволяет получать сварные соединения повышенной прочно­сти. Повышение давления до значения рк должно следовать
через небольшой, строго контролируемый интервал времени *зК после выключения ультразвуковых колебаний.

Ультразвуковая сварка может быть рекомендована для из­готовления мягкой тары из поликарбонатных, полипропиле­новых, полиамидных и полиэтилентерефталатных пленок, для которых прочность сварных соединений на сдвиг состав­ляет не менее 60% от прочности 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 прочности.

ТАРА И ЕЕ ПРОИЗВОДСТВО

Типы сварных соединений и швов

Основными типами сварных соединений полимерных пленочных материалов являются стыковое, нахлесточное, Т-образное и угловое. Помимо геометрической характерис­тики способа сопряжения поверхностей тип сварного соеди­нения характеризует и форма кромок соединяемых деталей. Кромки могут быть прямыми, с односторонним или двусто­ронним скосом. Сварные швы характеризуют способом выполнения сварки, технологическими и конструктивными особенностями: одно­сторонняя или двусторонняя сварка, наличие одной или двух […]

ТАРА И ЕЕ ПРОИЗВОДСТВО

Ефремовы. Ф. Двадцатый век характерен бурным развитием науки и тех­ники. Как следствие, во многих отраслях промышленности пе­риодически возникают новые профессии, о которых раньше было трудно даже предполагать. По уровню производства ко­нец XX столетия несопоставим с началом и даже с серединой столетия. Поэтому совершенно естественным являются требо­вания к подготовке инженеров новых специальностей. По сво­ей сути инженеры […]

Биговка

Биговкой называют предварительное нанесение на мате­риал линий сгибов (бигов) в виде выдавленных канавок опре­деленного профиля. Биговка предназначена для снижения жесткости листовых заготовок по линии сгиба. Она значительно облегчает условия образования сгибов и является эффективным средством повы­шения качества складных коробок, особенно в условиях авто­матизированной сборки. Биговка представляет собой процесс местной вытяжки ма­териала и осуществляется по следующей […]