25. Свариваемость пластмасс ультразвуком

Примечание. I - очень \ороиая свариваемость, 2 - хорошая, 3 - удовлетворительная, 4 - низкая.

материале, применяют сварку ультразвуком в дальнем поле с разделкой кромок 6, 31).

При сварке деолей с V-образной разделкой кромок их оптимальные размеры по высоте рассчитываются исходя из условий

h= (2т + \)Х1А + Xoi; а/2;

Х„,= (Л/2я)агс1о (~2nlSJXS.),

где /]- длина верхней детали (без V-образного клина); 1- длина V-образного клина верхней детали; 5]- плошадь поперечного сечения верхней детали; i- площадь контакта V-образного клина с нижней деталью; m = О, 1, 2, ...; fe = О, !, К.., Хп- смещение максимума силы относительно верхней детали.

Наличие разделки кромок оказывает существенное влияние на кинетику образования соединений. рн V-образной разделке кромок сварка ведется по схеме с «преимущественным внедрением» или «преимущественным оплавлением».

На рис. 56 и 57 рассмотрена кинетика образования соединений капролона В по схеме с «преимущественным внедрением» и «оплавлением» с оптимальными углами разделки верхней детали. Соединения, Сваренные по схеме «оплавлением», характеризуются высокой прочностью и могут использоваться при изготовлении деталей, подвергающихся значительным нагрузкам в процессе эксплуатации. Эти схемы сварки дают возможность соединять разнородные пластмассы. Применение схемы «внедрением» дает возможность образовывать соединения несовместимых по своим теплофизическим свойствам полил!ерных материалов за счет чисто механического сцепления (капролон В с полистиролом, капролон В с полиметилметакрплатом и др.). Прн атом обязательно должен внедряться образец с большим модулем упругости,

Сварка деталей из жестких пластмасс малых толщин, у которых отсутствует разделка кромок, осуществляется путем введения мягкой прокладки мелчду соединяемыми деталями. Прокладкой может служить как материал самого изделия после предварительного подогрева, так н др;гой полимер. Мерой концентрации энергии на прокладке служит безразмерный коэффициент = E{c\jE\r\\, где Е{ и £2-модули упругости соответственно верхней двтвли и прокладки; rii и -коэффициенты механических потерь соответственно верхней детали и прокладки (т] =- £"/£, £"- модуль потерь) [4]. Концентрацию энер-гин на прокл.тдке можно увеличить, уменьшая отношение £2/tlj.

ш зво

200 100

I I

1 2 3 5 t,C

I 2 3 4 S t.c

Рис. 56. Кинетика образования соединений по схеме «с преимущественным внедрением». Материал - капролон В (Л = 45 мкм; Р = 220 Н/см; а, б, в - места расположения термопар)

Рис. 57. Кинетика образования соединений по схеме с «преимущественным оплавлением» (Л = 45 мкм; Р = 900 Н/см; а, б, в - места расположения термопар)

Дополнительные требования к прокладке; температура плавления или перехода в вяйкотекучее состояние материала прокладки должна быть ниже, а ин.хекс текучести расплава выше, чем свариваемого материала; материал прокладки должен быть кимически совместимым со свариваемым материалом; оптимальная толщина прокладки должна составлять 0,05-0,1 мм.

Сварку ультразвуком ориентированных пленок осуществляют скользящим инструментом, имеющим клинообразную форму. При использовании обычных методов сварки ориентированная структура пленок в зоне шва разупорядочивается и прочностные характеристики шва сильно ухудшаются. Отличительной особенностью ультразвуковой сварки скользящим инструментом является то, что нагрузки на инструмент требуются небольшие, так как при внедрении и перемещении в материале он контактирует с .небольшим объемом полимера. Это дает возможность устойчиво поддерживать резонансную частоту системы и позволяет легко осуществлять взаимное перемещение материала и инструмента. Ультразвуковая сварка пленок скользящим инструментом характеризуется большими значениями удельной мощности механических колебаний, вводимых в материал, большим давле-

нием инструмента на материал и значительной деформацией материала [6. 10, 32]. *

При сварке ультразвуком пленок и синтетических тканей время сварки рассчитывается по формуле

где / - частота ультразвука; То и Т - температура соответственно исходная и сварки; А- амплитуда колебаний инструмента-волновода; б, с, р, £, Т1 - соответственио толщина, теплоемкость, плотность, модуль упругости и фактор потерь свариваемых материалов [10].

В табл, 26 приведены основные параметры сварки некоторых синтетических тканей [32}.

26. Сварка ультразвуком синтетических тканей

СВАРОЧНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

Ультразвуковые сварочные установки состоят из сварочной машины и источника питания электроакустического преобразователя машины,

В табл. 27-29 приведены основные параметры отечественных и широко используемых в нашей стране зарубежных ультразвуковых установок для сварки пластмасс [10, 26, 30].

Важнейшими частями сварочной машины являются сварочная головка и опора. Сварочная головка состоит из электроакустического преобразователя, трансформатора упругих колебаний и нпструмента-волиовода.

В качестве электроакустических преобразователей используются магнитострикционные и электрострикционные преобразователи. В табл. 30 приведены характеристики ряда серийно выпускаемых отечественных магиитострикциониых преобразователей.

В качестве трансформаторов упругих колебаний используются волноводы различной формы. Различают ступенчатые, катеноидаль-ные, экспоненциальные и конические волноводы, Наиболее простым

но методике расчета и изготовлению, к тому же имеющим 11аиболь-шее увеличение по амплитуде колебаний, является ступенчатый волновод. Однако он обладает существенным недостатком - очень большими напряжениями в переходной по диаметру волновода зоне, что резко снижает его эксплуатационные характеристики [6, 12].

Трансформаторы упругих колебаний и волноводы изготовляют нз упругих материалов с малыми акустическими потерями, обладающих высокой усталостной прочностью к циклическим нагрузкам - из алюминиевых а титановых сплавов сталей 45, ЗОХГСА и 40Х и др.

Опоры могут быть активными и пассивными. Первые отражают ультразвуковые колебания, вторые поглощают. Активные опоры могут быть полуволновыми h четвертьволновыми. В качестве материала для активной опоры используются различные стали, сплавы титана а для пассивной опоры - резина, дерево, текстолит. Нз рнс.58 приведены два типа полуволновых активных опор {6J: симметричная (с отражающим торцом) н несимметричная (с отражающей массой). Симметричная опора состоит кз полуволнового стержня /, который по- 2 яском-2 крепится к стойкам 3 (рис. 58, а). Поясок проходит через узловую плоскость, расположенную на расстоянии, равном четверти волны, от обоих торцов. Длина опоры определяется по формуле I = у/2/, где V - скорость распространения ультразвука в материале опоры; / - резонансная частота.

Толщина пояска выбирается из условия бд< 0,05/.

Для уменьшения длины опор они применяются с отражающей массой (рис. 58,6). При этом должны выполняться условия (0,1 ... 0,125)Я, £ 0= 1.2-

Для элемента отражающей массы выбирают материал с наибольшей, а для стержня - с наименьшей плотностью. Длина стержня определяется уравнением li = 1/arctg (WJX„ я/2) о/и, где Го-волновое-сопротивление стержня; - инерционное сопротивление присоединенной массы, Х„ = со/И; со = 2л/. Положение узловой плоскости, в которой находится опорный поясок, определяется из выражения

4\S\\\\\\\4

Рис. 58. Полуволновые активные опоры с отражающим концом (а) и отражающей массой (б)

з = 1--агс1§(Го/озМ).

Четвертьволновая опора представляет собой стержень длиной / = X/i, закрепленный на резиновой основе (опора с упругим закрепителем).

Для питания электроакустических преобразователей сварочных машин служат ультразвуковые генераторы. Основными электрическими характеристиками ультразвуковых генераторов являются рабочий диапазон частот, выходная и потребляемая мощности, напряжение питания преобразователей, режим работы [3, 6, 10].

Рабочие диапазоны частот, кГц, разрешенные для промышленного использования и широко применяемые в ультразвуковых генераторах, следующие: 18 ± 1,35; 22 ± 1,65; 44 ± 4,4 и 66 ± 6,6.

Для сварки пластмасс находят применение ультразвуковые генераторы, выходная мощность которых регламентируется следующим

g 27. Стационарные установгсн для прессовой сварки ультразвуком

Марка иашинв

Разработчик

Назначение

Характеристика преобразователя

Материал

a> s

Габаритные размеры, мм (без генератора)

МТУ-0,4

МТУ-1,53У4 АУС-1,5

УПК-15М1

УЗСРФ-02-М

уем-19

УВД.1

UZB-600T

US001A8

US003A9

Всесоюзный научно-исследовательский институт электросварочного оборудования (ВНИИЭСО) То же

Московское высшее техническое училище им. Н. Э. Баумана (МВТУ) Ташкентский автомобильно-дорожный институт (ТАДИ)

Омский политехнический институт (ОПИ)

Институт механизации швейной промышленности ЧССР (УМОВ)

УМОВ (ЧССР)

Исследовательский институт механизации и автоматизации машиностроения ЧССР (ВУМА) В УМ А (ЧССР)

Универсальная

Сварка и резка трикотажно-лавсанового рукава при изготовлении фильтров Сварка наполненных емкостей

Контурная сварка и одновременная резка синтетических тканей Сварка материалов толщиной до 4 мм по замкнутому контуру длиной до 400 мм

Многослойная сварка и вырубка синтетических материалов толщиной 0,4-2 мм Сварка текстильных материалов (не менее 60 % синтетики) толщиной 0,1-3,0 мм Универсальная

Никель

Пермендюр

Пермендюр (ПМС-15А)

Пермендюр (ПМС-15А-18)

Пермендюр

Пьезокерампка

Пьезокерамика

То же

0,63

0,63

21,0

20,0

20,0

20,0

392 450

2000

1500

2000

1330x620x1430

470 x 626x1500 1640x990x540

655x945x1400

620x1025x1340

800x600x1800

1060x670x1450

1990x800x700

1010x800x2100

28. Стационарные установки для непрерывной сварки ультразвуком