Сварка пластмасс в электрическом поле высокой частоты

Сварка пластмасс в электрическом поле - сварка током высокой частоты (ТВЧ), производится за счет разогрева материала в результате поглощения им энергии электрического поля.

Сварка ТВЧ, так же как и ультразвуковая сварка (см. ниже), обеспечивает быстрый и локальный нагрев соединяемых поверхностей без проплавления всего объема материала и поэтому может быть использована для соединения материалов с узким температурным интервалом вязкотекучего состояния, с высокой степенью ориентации и высокой вязкостью расплава .

При сварке ТВЧ материал находится между металлическими электродами, что с подключением этой системы к источнику высокочастотной электроэнергии образует конденсатор. Под действием электрического поля материал-диэлектрик поляризуется. В случае переменного электрического поля в диэлектрике образуется переменная поляризация, сопровождающаяся смещением заряженных частиц, входящих в атомы и молекулы. Большинство реальных диэлектриков (в том числе и термопласты), помещенных в переменное поле, имеют некоторую проводимость.

Предпосылкой для нагрева полимера в высокочастотном электрическом поле является наличие в его молекулах звеньев, имеющих дипольное строение и способных поляризоваться при наложении внешнего поля. При внесении полимера в переменное электрическое поле микродиполи будут ориентироваться в направлении электрического поля, то есть положительные заряды потянутся к отрицательно заряженной пластине конденсатора, отрицательно заряженные - к положительной пластине. При смене знака заряда на обкладках конденсатора будет меняться ориентация участков молекул. Препятствовать смене ориентации будут соседние звенья той же молекулы и соседние молекулы. Энергия, затрачиваемая на преодоление этих препятствий, будет превращаться в тепловую. При нагреве вязкость полимера уменьшается и условия ориентации улучшаются.

При малой частоте изменения электрического поля диполи диэлектрика ориентируются без запаздывания, а с возрастанием частоты поля увеличивается скорость поворота диполей, и растет трение частиц. При очень большой частоте частицы не успевают совершить полную ориентацию и поляризация ослабевает.

Исследования показывают, что процесс теплообразования в высокочастотном электрополе характеризуется параметрами этого поля (частотой и напряженностью), а также диэлектрическими свойствами полимера. Скорость нагрева не зависит от теплопроводимости материала, которая только определяет потери теплоты в околошовную зону и в массу электродов. В связи с этим максимальная температура при сварке, как правило, сосредоточена на контакте деталей, а минимальная - на границе изделия и электродов. Такое распределение температуры -преимущество сварки ТВЧ, так как не происходит наружного перегрева материала. Изменяя напряженность и частоту электрического поля, увеличивают скорость нагрева, но увеличение напряженности возможно лишь до определенного предела, выше которого происходит электрический пробой свариваемого пакета, находящегося между электродами. При этом получается брак в шве и нарушается режим работы генератора ВЧ.

Частота электрического поля также ограничивается размерами конденсатора. При нарушении определенных соотношений возможно возникновение неравномерного нагрева пластмасс.

Методы сварки токами высокой частоты. Технологически различают три метода сварки ТВЧ пластмасс: прессовый, шовный и точечный. Выбор того или иного метода сварки во многом зависит от конструктивных особенностей изделий.

При прессовом методе (рис. 1, а) свариваемые детали помещают между обкладками рабочего конденсатора - электродами, один из которых, а может быть и оба, повторяют конфигурацию шва. Эти электроды сменные, то есть можно назначить любую форму шва.

Рис. 1 Схемы сварки пластмасс в электрическом поле высокой частоты:
1-электроды, 2-свариваемые детали, 3-генератор, 4-диски

При подаче напряжения от генератора на электроды одновременно дается необходимое давление на свариваемые детали. При этом место сварки по всей длине нагревается одновременно и равномерно, что обеспечивает высокое качество и стабильность механических свойств сварного шва. Но этим методом сварки можно соединять детали толщиной не более 5 мм.

Прессовая сварка - наиболее универсальный и распространенный способ. Он применяется не только для сварки деталей, но и для клеймения изделий, декоративной отделки и нанесения аппликаций.

Шовная сварка ТВЧ (рис. 1, б) осуществляется двумя вращающимися в противоположные стороны дисками, которые одновременно с нагревом создают давление на свариваемые детали. При кажущейся простоте этому методу сварки свойственен один серьезный недостаток: для обеспечения высокой производительности и при малой площади сварки требуется повышать напряжение и частоту тока, то есть удельную мощность, которые, как показано выше, ограничены. Поэтому производительность этого метода относительно невелика. Практически этот метод сварки применяется относительно редко и только для сварки тонких пленок.

Точечная сварка ТВЧ (рис. 1, б) является разновидностью шовной, отличающаяся от нее тем, что шов не сплошной по длине, а прерывистый (отдельные точки). Применяется такая сварка, в основном, для прихватки собранных под прессовую или шовную сварку изделий.

В высокочастотном поле можно сваривать поперечные стыки труб. Однако достижение равномерного разогрева по всему периметру стыка связано с определенными трудностями. Для сварки труб используют кольцевые разъемные или неразъемные электроды.

Важным параметром сварки здесь является расстояние от стыка до электрода, с уменьшением которого напряженность поля в стыке возрастает и поэтому надо выбирать его оптимальным.

Основные технологические параметры сварки ТВЧ:

1. напряженность электрического поля;

2. величина давления:

3. продолжительность нагрева.

Большинство полимерных материалов эффективно нагревается при частоте 10...150 МГц. С целью обеспечения стабильности работы и отсутствия пробоев целесообразно использовать верхний предел частот, хотя на нижнем пределе обеспечивается максимальное КПД генератора. Частота электрического поля нормирована и определяется полосами частот, разрешенных для использования в технических целях. Во избежание создания помех радиовещанию, телевидению и другим службам в Российской Федерации разрешенными для сварки ТВЧ являются частоты 27, 12; 40, 62; 81, 36; 152 МГц.

Следует отметить, что, к сожалению, такие широко применяемые термопласты, как полиэтилен, полистирол, фторопласт-4 и некоторые другие непосредственно сваркой ТВЧ соединяться не могут, так как они являются наиболее совершенными диэлектриками и не могут генерировать достаточно тепла для сварки.