Сварка пластмасс ультразвуком

Для ультразвуковой сварки электрические колебания ультразвуковой частоты 20...50 кГц, вырабатываемые генератором, преобразовываются в механические колебания сварочного инструмента - волновода.

Преобразование электрических колебаний в механические осуществляется магнитострикционным преобразователем и основано на магнитострикционном эффекте, который состоит в том, что при пропускании тока высокой частоты через обмотку, намотанную на ферромагнитный стержень, происходит изменение размеров стержня с удвоенной частотой. Величина амплитуды смешения при этом невелика 3..-5 мкм. Для увеличения амплитуды колебаний к преобразователю присоединяют трансформатор упругих колебаний, а к последнему - волновод, что позволяет увеличить амплитуду в 10...20 раз. На рис. 1 представлена схема ультразвуковой сварки (а) и амплитуды смещения колебательной системы (б).

Рис. 1. Схема ультразвуковой сварки с нормальным вводом колебаний:
1 - волновод; 2 - свариваемые детали; 3-опора

Волновод служит для введения ультразвуковых колебаний в сварное изделие. Для создания тесного контакта между соединяемыми поверхностями деталей, а значит, для надежного ввода ультразвуковых колебаний, детали сдавливаются определенным усилием.

Отличительной особенностью этого вида сварки является то, что ультразвуковые колебания вводятся преимущественно перпендикулярно к свариваемым поверхностям и совпадают с действием давления. Такой ввод ультразвуковых колебаний называется «пластмассовым» в отличие от «металлической» схемы, когда механические колебания действуют в плоскости соединяемых поверхностей, а давление прикладывается перпендикулярно к ним.

Наиболее интенсивное поглощение энергии колебании и превращение ее в теплоту происходит в отдельных несплошностях материала, а так как максимальное количество таких несплошностей находится на границе свариваемых деталей, то скорость нарастания температуры на этой границе значительно выше, чем в объеме материалов.

Роль ультразвуковых колебаний состоит также и в том, что под действием мощных импульсов ультразвуковой частоты происходит выравнивание микронеровностей, разрушение и удаление разных пленок и загрязнений с границы раздела, что способствует улучшению качества сварки.

Количество теплоты, выделяющейся в контакте, в первую очередь зависит от количества механической энергии, подведенной к этой зоне. Разумеется, к зоне сварки подводится только часть энергии волновода. Потери ее тем больше, чем меньше упругие свойства материала. Поэтому характеризовать свариваемость пластмасс ультразвуковой сваркой можно модулем упругости материала.

Жесткие термопласты (Е > 2·10³ МПа) способны пропускать значительную долю вводимой энергии, не теряя упругих свойств, и поэтому могут свариваться на большом удалении от границы ввода колебаний. Такая сварка называется дистанционной или передаточной ультразвуковой сваркой (рис, 2) в отличие от относительно мягких пластмасс (Е < 2·10³ МПа), которые можно соединять ультразвуковой сваркой только на малом расстоянии от волновода. Такая сварка называется контактной (см. рис. 1).

При дистанционной сварке жестких пластмасс качество сварных соединений в значительной степени зависит от подготовки кромок сопрягаемых поверхностей. Разделка кромок может отличаться по форме, однако, для обеспечения качественной сварки одна из стыкуемых деталей должна иметь выступ, опирающийся на плоскую поверхность или входящий в паз другой детали. Острие выступа должно контактировать с соединяемой поверхностью на очень небольшой площади. Это способствует концентрации механической энергии и ускоряет процесс нагрева и сварки пластмасс. Наиболее целесообразна У-образная разделка свариваемых кромок (рис. 2). При этом верхняя деталь имеет У-образный выступ, а нижняя деталь - либо У-образный желобок, либо плоскую поверхность. Высота выступа должно быть больше, чем глубина желоба на 0,03...0,05 мм.

Рис. 2. Схемы дистанционной ультразвуковой сварки пластмасс:
1 - волновод; 2 - свариваемые детали; 3 - опора

Важная проблема решена с помощью ультразвуковой сварки при соединении ориентированных полимерных пленок, обладающих повышенной прочностью и другими ценными качествами. При сварке другими способами эти качества в значительной степени теряются, так как разрушается указанная ориентация. В этом случае применяется ультразвуковая сварка скользящим волноводом, который внедряется в материал и перемешается по его поверхности. Волновод имеет клинообразную форму, контактирует с небольшим объемом полимера и поэтому требуются небольшие давления на инструмент и маломощные ультразвуковые излучатели (рис. 3).

Рис. 3. Схема ультразвуковой сварки скользящим волноводом:
1 - волновод, 2 - свариваемые детали, 3 - сварной шов

Разработана автоматизированная ультразвуковая сварка с дополнительной присадкой (рис. 4). Присадочный материал (пруток) укладывается в разделку под сварку деталей, волновод доводит присадку и поверхностные слои деталей до температуры сварки вязкотекучего состояния и под действием давления волновода образуется прочный сварной шов. Аналогичный эффект получается при заполнении разделки гранулами или стружкой соответствующего полимерного материала.

Рис. 4. Схема ультразвуковых сварки пластмасс с дополнительной присадкой:
1 - ультразвуковой преобразователь; 2 - волновод; 3 - присадка; 4 ~ свариваемые детали; 5 - сварной шов

Независимо от способа сварки основными параметрами ультразвуковой сварки являются:

1. амплитуда колебаний рабочего торца волновода;

2. частота колебаний;

3. продолжительность ультразвукового импульса или скорость сварки (в случае непрерывной сварки);

4. величина сварочного давления или усилие прижатия волновода к материалу.

Указанные параметры обуславливают то количество механической энергии, которое подводится к свариваемым поверхностям и превращается в тепловую энергию.

Основные параметры режима сварки взаимосвязаны. Так. например, время, необходимое для сварки, зависит от амплитуды колебаний и сварочного давления. При более высоких амплитудах необходимые свойства сварного соединения могут быть достигнуты при меньшем времени сварки и наоборот.

Зависимость прочности сварного соединения от амплитуды колебаний (при постоянных значениях давления к времени сварки) выражается кривой с максимумом, соответствующим ее оптимальному значению. При амплитудах меньших, чем оптимальная, механической энергии недостаточно для образования качественного шва. Увеличение ее значения выше оптимального приводит к разогреву материала под волноводом, что может сопровождаться выдавливанием расплава и деструкцией. Обычно оптимальное значение амплитуды колебаний конца волновода находится в пределах 30...40 мм.

Зависимость прочности сварных соединений от давления волновода при постоянных значениях амплитуда колебаний и времени сварки имеет также экстремальный характер.

Свойства соединений при ультразвуковой сварке зависят не только от параметров ее режима, но и от последовательности и продолжительности действия, каждого параметра так называемого рабочего цикла. Наибольшее распространение получил рабочий цикл ультразвуковой, сварки, при котором давление прикладывается до включения ультразвуковых колебаний и снимается после их выключения, то есть охлаждение материала шва начинается под давлением.

Оптимальные значения параметров ультразвуковой сварки зависят от материала, размеров и формы сварных изделий, площади и формы контактирующих поверхностей, наличия на них загрязнений, требований к сварным соединениям и др. Поэтому конкретные значения режимов ультразвуковой сварки обычно определяют экспериментально, применительно к реальным условиям.