ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Сварка ультразвуком из "Сварка пластмасс " Сварка ультразвуком — один из новых промышленных способов соединения полимерных материалов, основанный на нагреве контактирующих поверхностей до температуры размягчения в результате превращения энергии колебаний ультразвуковой частоты (более 20 ООО гц) в тепловую энергию. Механические колебания ультразвуковой частоты и давление на контактируемые поверхности действуют по одной линии, перпендикулярно соединяемым поверхностям (рис. 179, а) [41, 44, 45]. Соединяемые детали 3 зажимаются усилием Р между концом инструмента 2 и пассивным (ненастроенным) отражателем 4. Сварка происходит в момент подачи тока высокой частоты на обмотку вибратора / возникающие в последнем продольные высокочастотные механические колебания передаются через конец инструмента материалу. [c.209] Давление на свариваемые детали оказывается со стороны акустического узла или пассивного отражателя, имеющего произвольные геометрические размеры, не согласованные с длиной волны, распространяющейся в системе. В качестве пассивного отражателя используется материал, гасящий ультразвуковые колебания (резина, древесина). [c.209] В схему может быть введен настроенный отражатель (рис. 179, б) [38]. Роль отражателя выполняет стальной стержень 4, закрепленный на резиновой подложке 5. Назначение настроенного отражателя состоит в уменьшении потерь энергии, которые возникают при переходе колебаний в станину. Длина вибратора составляет полволны, длина инструмента — две полуволны. Высота отражателя определяется экспериментально и составляет приблизительно четверть длины волны, распространяющейся в стали. [c.209] Описанные способы сварки позволяют создавать точечные, прямолинейные и замкнутые кольцевые швы диаметром до 100 мм за одно рабочее движение в зависимости от формы и площади рабочей поверхности концентратора. Непрерывное перемещение материала при получении протяженных швов на пленках может вызвать повреждение разогретой поверхности инструментом, со стороны которого прикладывается давление. Если требуемое для сварки давление невелико, перемещение свариваемых. [c.209] Полимерные материалы значительной толщины соединяют протяженным швом при помощи концентратора ножевого типа, применяя шаговую подачу материала с перекрытием в местах стыка. Последний способ заключается в периодическом продвижении материала под инструментом на шаг сварки. В момент движения материала давление снимается. [c.210] Во время сварки в системе вибратор — концентратор — пластик — отражатель устанавливается стоячая волна, пучность которой должна по возможности совпадать с зоной контакта соединяемых деталей. При падении ультразвуковой волны на границу раздела двух сред, образуемых с одной стороны металлическим концентратором, с другой — пластмассой, обладающей иными акустическими свойствами, только часть колебательной энергии переходит в материал, остальная часть отражается -обычно с изменением фазы. [c.212] Сх и Са — скорости распространения ультразвука в этих средах. [c.212] Произведение рс называют акустическим сопротивлением среды. Акустические сопротивления стали и пластмасс относятся приблизительно как 10 I. Следовательно, коэффициент отражения энергии ультразвуковой волны при сварке пластмасс составляет - 0,8. [c.212] Подставляя в это уравнение ко 0,8, можно установить, что около 60% энергии при ультразвуковой сварке пластмасс отражается в концентратор, расходуясь на нагрев стали. По мере размягчения материала (при сварке термопластов) его акустическое сопротивление уменьшается, энергия отраженной волны увеличивается, а к. п. д. акустической системы падает. [c.212] При введении ультразвука в свариваемый материал в нем возникают продольные и поперечные волны. Выделение тепла в зоне сварки происходит только в результате поглощения колебательной энергии продольных волн энергия поперечных волн нерационально расходуется на нагрев всего свариваемого материала. Таким образом, применяемые схемы ультразвуковой сварки обладают недостаточно высокой экономической эффективностью. [c.212] Ао — амплитуда упругих колебаний в точке л = 0 а —коэффициент поглощения а = а ( а — постоянная материала, / — частота колебаний). [c.213] На границе раздела двух одинаковых сред (пластмасса — пластмасса) отражение энергии отсутствует, но акустический импеданс контакта из-за наличия незначительной воздушной прослойки и шероховатости свариваемых поверхностей отличается от акустического импеданца сплошного материала. С уменьшением величины акустического импеданца контакта поток, удельной энергии растет и увеличивается тепловыделение в контакте. [c.213] При правильно выбранном режиме сварки происходит наиболее сильный нагрев контактируемых поверхностей. Избирательность нагрева места сварки достигается в случае совпадения пучности амплитуды колебаний с плоскостью контакта соединяемых поверхностей. Большинство исследователей предполагает, что дополнительное тепловыделение в месте контакта является следствием трения, возникающего на соединяемых поверхностях [22, 92, 106]. Появление трения может быть обусловлено ударным действием продольных волн, вызывающим сглаживание микронеровностей, сдвиговыми колебаниями в плоскости контакта в результате наличия поперечных волн. При больших сдвиговых колебаниях часть термопластичного размягченного полимера выдавливается из зоны соединения. Отвержденный полимер может выскользнуть из-под инструмента, если усилие прижатия не будет достаточно велико. [c.213] Режимы сварки термопластов. Основными технологическими параметрами процесса ультразвуковой сварки являются амплитуда смещения конца рабочего инструмента, частота колебаний, давление на материал и продолжительность сваривания. Режимы сварки устанавливаются в зависимости от типа материала, конструкции изделия и применяемой схемы сварки. [c.214] Отличительной особенностью ультразвуковой сварки является высокая скорость нарастания температуры в зоне соединения. Так, ультразвуковые колебания с частотой 20 000 гц и амплитудой 24 мкм в течение 4—5 сек на материал толщиной 5 + 5 мм по схеме с пассивным отражателем развивают в зоне сварки полиметилметакрилата температуру 400° С, поливинилхлорида 500° С, полиэтилена 180—200° С и политетрафторэтилена 460— 500° С 38]. Такой интенсивный нагрев обеспечивает высокую скорость сварки, но одновременно может вызвать и деструкцию материала особенно при длительном действии ультразвукового поля. Например, если фторопласт-4 нагреть ультразвуком до температуры сварки, а затем выдерживать для обеспечения прочного соединения, температура повысится и начнется деструкция. [c.214] С уменьшением амллитуды ультразвуковых колебаний скорость нарастания температуры в свариваемом материале снижается, а следовательно, возрастает продолжительность необходимой выдержки. Рекомендуемые величины амплитуды колебаний 20—50 мкм продолжительность точечной сварки при этом 1— 5 сек. При шовной прессовой сварке оптимальные выдержки несколько выше, чем при точечной. При сварке внахлестку оптимальная продолжительность практически не зависит от толщины свариваемого материала и несколько повышается с увеличением площади нахлестки. [c.214] Давление при ультразвуковой сварке необходимо для достижения акустического контакта, обеспечивающего ввод колебаний в материал, и для сближения размягченных поверхностей свариваемого материала. С увеличением давления до определенного предела улучшается акустический контакт и температура, развивающаяся в зоне сварки, заметно возрастает (рис. 182). Дальнейшее увеличение давления приводит к снижению темпе-ратуры в результате выхода системы из резонанса и уменьшения амплитуды. При ультразвуковой сварке жестких термопластов (органическое стекло, винипласт, полистирол) давление выбирают в пределах 6,0—10,0 Мн/м (60—100 кГ/см ). [c.214] При сварке по схеме с пассивным отражателем (рис. 183, а) максимальная температура развивается в зоне сварки. Лист материала, расположенный непосредственно под концентратором, разогревается сильнее, чем нижний (рис. 183, а) в этом случае может произойти продавливание верхнего листа. При сварке по схеме с настроенным отражателем (рис. 183, б) эти недостатки устраняются. Максимальный нагрев свариваемого материала происходит в зоне сварки под концентратором и на отражателе 250 материал нагревается значительно слабее (рис. 183,6). [c.215] Оптимальная прочность соединения и максимальная скорость процесса достигаются, как правило, при работе акустической системы на резонансной частоте. [c.215] Выход системы из резонанса (на 100 гц) значительно ухудшает, а в некоторых случаях полностью исключает свариваемость. Использование схемы с настроенным отражателем делает систему более стабильной. Подстройкой частоты в очень небольших пределах ( 100 21 ) обычно пользуются для получения различной амплитуды колебаний. Соединения, сваренные при оптимальных режимах на установках с различными резонансными частотами, имеют одинаковые показатели прочности. Прочность точечных соединений внахлестку при испытании на сдвиг достигает 80—90% прочности материала. Прочность одноточечных сварных соединений не отличается от прочности многоточечных соединений. [c.215] Вернуться к основной статье