Сварка полимеров в поле токов высокой частоты (ТВЧ) осно­вана на диэлектрическом нагреве приведенных в контакт по­верхностей в результате преобразования электрической энер­гии в тепловую непосредственно внутри самих материалов.

Основным условием для нагрева в поле ТВЧ является нали­чие в молекулах полимера звеньев, имеющих дипольное строе­ние и способных поляризоваться под действием внешнего поля. Диполями называются связанные пары равных по вели­чине и противоположных по знаку зарядов. Произведение ве­личин этих зарядов на расстояние между ними называется дипольным моментом. Смещение диполей под действием внешнего электрического поля называется поляризацией.

В находящемся в переменном электрическом поле полиме­ре происходит ориентация диполей: положительные заряды притягиваются к отрицательно заряженному электроду, а от­рицательные — к положительно заряженному. При изменении направления электрического поля, т. е. при смене знака заря­да на электродах, изменяется и ориентация диполей, а следо­вательно. и ориентация участков молекул полимера. Препят­ствовать ориентации будут соседние звенья той же молекулы и другие молекулы. Энергия, затрачиваемая на преодоление этих препятствий, превращается в тепло. В процессе нагрева вязкость полимера уменьшается и условия ориентации улуч­шаются.

Преобразование электрической энергии в тепловую проис­ходит по всей длине материала, поэтому потери энергии и температурные перепады минимальны.

Различные пластмассы в переменном электрическом поле нагреваются не одинаково интенсивно. Способность к нагреву в ТВЧ определяется величиной потерь энергии. Ее оценивают фактором диэлектрических потерь кдп, равным произведению диэлектрической проницаемости е на тангенс угла диэлектри­ческих потерь tg 5:

Km=stg&. (5.14)

Высокочастотной сварке подвергаются полимеры, у кото­рых Jc^ > 0,01. Это прежде всего поливинлхлорид, поливинили — денхлорид, поливинилацетат, полиамиды, эфиры целлюлозы, полиметилметакрилаты, полиацетали (табл. 5.4). Следует от-

Таблица 5.4

Диэлектрические показатели пластмасс при частоте 106 и температуре 493 К [40]

Материал	Диэлектрическая Л ад AAA ^^ а а ^ ^^ _g-|_ «м ^	Тангенс ута диэлектрических	Фактор
	Проницаемость е	Потерь tg 5	Потерь /сдп
П ол иви ни лхл ори д:
Жесткий	2.8-3,4	0,015-0,04	0,042-0,136
Пластифицированный	3,3-4,5	0.04-0.09	0,132-0,405
Пол иви ни ли денхлор ид	3,0-5,0	0,05-0,08	0,150-0,400
Поливинилбугираль	3,3-3,9	0,06	0,198-0.234
Поливинилацеталь	2.7	0,016	0,042
Полиамид	3.8-4.2	0J025-0,03	0,090-0,128
Ацетил целлюлоза	3.2-7.0	0,01-0.10	0,032-0.70
Ацетобутират целлюлозы	3.2-6.2	0,01-0.04	0,032-0,248
Пол им ет ил метакри лат	2,9-3.2	0.02-0,03	0,058-0,096
Поликарбонат	3.0	0,01	0,03
Пол итрифто рхло рэтил ен	2,5-3.0	0,01	0,025-0,030
Политетрафто рэтилен	1.9-2.2	0,00025	0,000475-0,00055
П олиэти лентерефталат	3,0	0,002	0,006
Полиэтилен	2.2-2.4	0,0001-0,0004	0,00022-0,00096
Полипропилен	2.0	0,0001	0,0002
Полистирол	2,4-2.7	0,0001-0,002	0,00024-0,0054
Полиизобутилен	2.4-2.9	0,0005	0,0012-0,0015

1

Г

V

Рис. 5.31. Расположение свариваемого в ТВЧ материала 1 между электродами 2 рабочего конденсатора

Решение уравнения (5.

Метить, что /сдп сильно зависит от температуры и частоты колебаний.

Под воздействием ТВЧ тепловая энергия выделяется в массе поли­мера. С ростом температуры свари­ваемого материала поток тепла уст­ремляется к сварочным электро­дам, имеющим температуру окру­жающего воздуха (рис. 5.31). Урав­нение тепловых процессов такой системы имеет вид [43]

DT a2d2T р

— =———- о — + — •

Dt dxz ср

Где Т — температура свариваемого материала на расстоянии х от сва­риваемой поверхности; р — удель­ная тепловая мощность, выделяе­мая в виде тепла при нахождении полимера в ТВЧ; T — время; р — плотность материала.

(5.15)

15) может быть представлено в виде

32р§2 ЕНУ

/

2 t

(2п-1)ях 28

Сос(2г1 + 1)**

(5.16)

Т =

1-е

2Хп3

25

П=1

Где 5 — толщина свариваемого материала; X — коэффициент теплопроводности.

Формула (5.16) позволяет рассчитать распределение темпе­ратуры по толщине свариваемых материалов. В начале нагре­ва, при T = О, все члены суммы обращаются в ноль и Т = О. При T = о© формула (5.16) приобретает вид

Т =

COS

(5.17)

ZA71 п—

(2n-l)nx 25

Распределение температуры в этом случае происходит по параболе. При малом времени нагрева распределение темпе­ратур близко к равномерному. На свариваемых поверхностях (х = О) выражение по знаком суммы приобретает вид

71

I

.3

N

1 1 1 1

(5.18)

32

1 + — ТГ + —+ —+ .

/

Подставляя (5.18) в (5.17), получаем

El 2Х

Тх=о — £= ОО

(5.19)

Формулы (5.16)-(5.19) позволяют решать и обратную задачу. Задаваясь температурой сварки материала (значением Т при Х = О), можно определить удельную тепловую мощность р при различном времени сварки. Из формулы (5.16) при х= 0 следует

2

Зла 26

5лА

Л а 25

2 ТХ

32

1 — re

1

1-

.(5.20)

Р =

+

1С

V

Объем нагреваемого материала может быть определен по формуле

V = 25 Ь1

Где 25 — общая толщина шва; Ь — фактическая ширина зоны нагрева; I — фактическая длина зоны нагрева.

(5.22)

Общая мощность или скорость преобразования электромаг­нитной энергии в тепловую во всем объеме сварного шва со­ставляет

P = pV = p25bi = p-25S,

Где S — фактическая площадь зоны нагрева.

(5.21)

Мощность Ракк, аккумулированная в объеме шва, будет меньше общей мощности Р, поскольку часть энергии перешла к холодным элементам:

X=+S

(5.23)

Ракк =cpS J Tdx.

X=-5

Подводя под знак интеграла значение Т из выражения (5.23) и интегрируя, получаем

_ 2pS5′ АКК" За2

{

3 па 25

Ла 26

T

< 1 + —;

1 + —те З4

1 96 V

(5.24)

4 Xе

Я

Уравнение (5.24) позволяет рассчитать Ракк и определить термический коэффициент полезного действия нагрева т]т, равный отношению аккумулированной в шве энергии к энер­гии, выделенной в шве высокочастотным полем:

(5.25)

Зависимость гт от тол­щины пластифицированно­го ПВХ приведена на рис. 5.32. Из рисунка видно, что для увеличения гт процесс нагрева следует вести с максимально возможной скоростью. Оказывает вли­яние на Т1т и тепловой ре­жим электродов рабочего конденсатора. При холод­ных электродах потери энергии в них от нагретого материала за счет тепло­проводности будут макси­мальными.

Р = гакк Чт- р •

Рис. 5.32. Зависимость коэффициента полезного действия нагрева ТВЧ от толщины пластифицированного ПВХ при различном времени нагрева: 1-0,1;2- 0,2; 3 — 0,5; 4- 1,0 с

ТЬлщина шва. мм

По известным электро­физическим параметрам термопластов можно опре­делить диапазон частот.

При котором осуществляется быстрый нагрев зоны сварного шва до температуры вязкотекучего состояния:

FrrAn

(5.26)

Доп

Р с AT

At tg5 е е0 Е*

Где/ — частота тока, ГЦ; AT/Ai — скорость нагрева, град/с; £0 — диэлектрическая постоянная, равная 1/(4п • 9 • 109), Ф/м: доп — напряженность электрического поля в материале, В/м. Расчеты показывают, что для сварки термопластов этот ди­апазон частот составляет

/ = (30-150) 106 Гц.

Удельную тепловую мощность р можно определить по следу­ющему соотношению [40]:

(5.27)

ДОП-

P=0,55-10~8etgS/E^

Сварку полимерных пленок в поле ТВЧ осуществляют преиму­щественно по двум схемам: прессовой и роликовой (рис. 5.33).

А

Рис. 5.33. Прессовая (а) и роликовая (б) высокочастотная сварка полимерных пленок: 1 — свариваемые материалы; 2 — высокопотенциальный ролик; 3 — заземленный ролик; 4 — генератор высокой частоты; 5 — рабочий инструмент; 6 и 7 — обкладки рабочего конденсатора (6 — высокопотенциальная,

7 — заземленная); 8 — сварной шов

При прессовом способе свариваемый материал помещают между обкладками рабочего конденсатора и нагрев места со­единения осуществляют с помощью инструмента (электродов), повторяющего внешнюю форму шва. Кроме подвода энергии к месту сварки электроды передают на материал необходимое давление и охлаждают его поверхности. Преимуществом прес­сового способа является равномерный нагрев свариваемого материала за один прием и при одном режиме, что обеспечи­вает высокое качество сварки швов.

Роликовый способ служит для получения протяженных непрерывных швов. Сварка материалов производится двумя вращающимися в противоположном направлении электрода­ми — роликами, один из которых соединен с высокопотенци­альным выводом генератора, а другой заземлен.

При всей простоте способ имеет ряд существенных недо­статков, которые ограничивают его применение. При непре­рывной высокочастотной сварке особые трудности возникают во время охлаждения шва: материал не успевает охладиться под давлением. Шов выходит из-под роликов в еще нагретом состоянии, поэтому в процессе охлаждения может произойти его деформирование. Кроме того, материал может захваты­ваться роликами в зоне разогрева, поэтому его толщина уменьшается, изменяется электрический режим, а следова­тельно, и качество шва. Для устранения этого недостатка огра­ничивают скорость сварки, длину сварочных швов, а также применяют подающий механизм более сложной конструкции.

Технологические параметры нагрева и сварки упаковки (время нагрева и выдержки, давление, температура и напря­женность электрического поля) практически устанавливаются экспериментально для каждого вида материала и конструк­ции тары и упаковки. Кроме перечисленных выше технологи­ческих параметров на прочность сварного шва большое влия­ние оказывает конечная толщина сварного шва. Утонение ма­териала в процессе сварки связано с усилием сжатия и други­ми параметрами сварки соотношением [43]

/о 2 1

Р= ЁО ] ЛЬ

/

Где Р— давление. Па; 80 — толщина пленок до сварки, см; 5j — толщина материала в зоне сварного шва. см; т| — коэффици­ент динамической вязкости. Па с; L — продолжительность сварки, с.

Поскольку значения t, b, т] можно считать постоянными для данного типа свариваемого материала и выбранного тех­нологического процесса, то утонение в первую очередь зави­сит от давления.

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 […]