Бокарев Д.И. Сварка пластмасс и склеивание металлов - файл n1.doc

приобрести
Бокарев Д.И. Сварка пластмасс и склеивание металлов
скачать (1277.7 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc5900kb.13.03.2006 20:57скачать

n1.doc

1   2   3   4   5   6   7

Оборудование для УЗС пластмасс. Технологическое оборудование для ультразвуковой сварки пластмасс состоит из следующих узлов: источника питания, аппаратуры управления сварочным циклом, механической колебательной системы и привода давления.

В
73

Ультразвуковая сварка
ажнейшим узлом оборудования для УЗС пластмасс является ультразвуковая колебательная система. Эта система служит для преобразования электрической энергии в механическую, ее концентрирования и передачи в зону сварки, согласования геометрических размеров зоны ввода энергии с размерами излучателя.

Для преобразования электрической энергии в энергию механических колебаний используются явления магнитострикции и пьезоэлектрического эффекта. Сущность этих явлений заключается в том, что некоторые материалы (никель, пермендюр, титанат бария и др.) при воздействии электромагнитного поля меняют свои линейные размеры (табл.11). Под воздействием переменного электромагнитного поля в преобразователе возникают механические напряжения, которые вызывают упругие деформации материала. Таким образом, преобразователь является источником механических колебаний. Амплитуда колебаний составляет примерно 3 – 5 мкм.

Трансформатор упругих колебаний является промежуточным звеном между преобразователем и волноводом и служит для согласования параметров преобразователя с нагрузкой и увеличения амплитуды колебаний. Трансформатор присоединяется к преобразователю пайкой или склеиванием, а с концентратором резьбовыми шпильками, что позволяет производить замену волноводов.

Таблица 11

Сведения о магнитострикционных материалах

Материал

Химический

состав, %

Магнитострикционное удлинение, см/см

Никель

100 - Ni

35·10-6

Альфер

13,8 – Al,

остальное Fe

40·10-6

Пермендюр К50Ф2

49 – Co, 1,5 – 1,8 V,

остальное Fe

70·10-6

К65

65 – Co,

остальное Fe

90·10-6

Гиперник

50 % Ni,

остальное Fe

25·10-6


Основное назначение опоры – фиксация изделия при сварке. Опоры также могут выполнять функцию механического давления для обеспечения акустического контакта между рабочим торцом волновода и изделием.

Концентратор должен обеспечивать передачу энергии в зону сварки и необходимое увеличение амплитуды колебаний. Концентратор выполняется в виде стержня специальной формы, площадь поперечного сечения которого изменяется вдоль направления распространения колебаний по определенному закону. Схема изменения амплитуды колебаний в УЗ - колебательной системе представлена на рис.46.

В ультразвуковой технике известно большое количество типов концентраторов. Наибольшее распространение получили следующие: ступенчатый, экспоненциальный, конический, катеноидальный и концентратор типа "цилиндр-катеноида" (рис.47). Волновод ступенчатой формы имеет максимально возможный коэффициент усиления, прост в изготовлении, но резонирует в узком диапазоне частот. Такие концентраторы применяются в системах, где требуется большая амплитуда сварочного наконечника и рекомендуется для сварки полимеров. Волновод экспоненциальной формы резонирует в более широкой полосе частот, имеет достаточно большой коэффициент усиления, но более сложен в изготовлении. Конический волновод наиболее прочен и прост в изготовлении, резонирует в достаточно широкой полосе частот, но имеет ограниченный Ку (для полуволнового концентратора Ку < 4,6), большие потери из-за внутреннего трения, рассеивает наибольшую мощность, а следовательно, больше нагревается.





Наилучшей устойчивостью обладают концентраторы с наименьшим значением отношения входного и выходного диаметров для одинакового коэффициента усиления Ky. Желательно также, чтобы "полуволновая" длина его была наименьшей.

Материал концентратора должен обладать высокой усталостной прочностью, малыми потерями, хорошо паяться твердыми припоями, легко обрабатываться и быть сравнительно недорогим (табл.12).

Расчет ультразвукового концентратора сводится к определению его длины, входного и выходного сечений, формы профиля его боковой поверхности. При расчете вводят следующие допущения: а) вдоль концентратора распространяется плоская волна; б) колебания носят гармонический характер; в) концентратор колеблется только вдоль осевой линии; г) механические потери в концентраторе невелики и линейно зависят от амплитуды колебаний (деформации).

Формулы для расчета параметров УЗ - концентраторов представлены в табл. 13. Структурная схема алгоритма расчета концентраторов приведена в приложении.

Для ультразвуковой сварки корпусных деталей из термопластов при производстве изделий в электротехнической, радиотехнической, приборостроительной отраслях промышленности желательно снизить воздействие ультразвуковых колебаний на компоненты, размещенные внутри корпуса. Для этого в жестком основании выполняют отверстие, расположенное вне зоны сварки соосно волноводу. Отверстие заполнено материалом с высоким коэффициентом затухания. Высота слоя материала, размещенного в отверстии основания, больше высоты основания в зоне сварки на 1 - 5 мм.

С помощью УЗС осуществляют постановку заклепок, запрессовку металлических деталей в пластмассовый массив, нарезку резьб в пластмассовых деталях.

Таблица 12

Свойства материала концентраторов

Материал

АМг

Д16

Сталь 45

Сталь 30ХГСА

Титан ВТ1

Титан ВТ4

Титан ВТ3-1

Титан ВТ5

Скорость продольных волн, х106 мм/с

5,2

5,15

5,17

5,2

5,72

5,14

5,18

5,16


Пример расчета. Рассчитать параметры полуволнового экспоненциального концентратора, если заданы: рабочая частота f = 66 кГц; диаметр входного сечения D0 = 18 мм, выходного D1 = 6 мм; материал концентратора сталь 30ХГСА (скорость ультразвука в материале с = 5,2·106 мм/с).

Теоретический коэффициент усиления Ку амплитуды колебаний экспоненциального концентратора определяется из выражения

(1)

где D0 и D1 - соответственно диаметры входного и выходного сечений концентратора, мм; N - отношение диаметра входного сечения концентратора к выходному.








Длина концентратора рассчитывается по формуле

(2)

где с - скорость распространения ультразвуковых колебаний в материале концентратора, мм/с; f - рабочая частота, Гц.

Положение узловой плоскости х0 (места крепления волновода) выражается соотношением

(3)

Форма образующей профиля катеноидальной части концентратора рассчитывается по уравнению

(4)

где - коэффициент формы образующей; х - текущая координата по длине концентратора, мм.

По формуле (1) определяем коэффициент усиления концентратора .

В соответствии с выражениями (2) и (3) длина концентратора , положение узловой плоскости

Таблица 14

Данные расчета профиля концентратора

х, мм

0

5

10

15

20

25

30

35

40

41,733

Dх, мм

18

15,7

13,834

12,128

10,632

9,321

8,171

7,164

6,28

6


У
78

Способы сварки пластмасс
равнение (4) для расчета формы профиля концентратора приобретает после подстановок следующий вид

По данному уравнению рассчитываем координаты образующей концентратора (табл.14, рис.48).




5.5. Сварка токами высокой частоты
Метод сварки основан на способности некоторых пластмасс нагреваться в высокочастотном электрическом поле, возникающем между электродами, которые одновременно сжимают свариваемые поверхности. Электроды и помещенный между ними материал образуют конденсатор.

Тепловыделение в свариваемой зоне обусловлено в основном током поляризации, возникающим за счет смещения в ограниченных пределах звеньев макромолекул вследствие дипольного эффекта4. Поэтому в поле токов высокой частоты (ТВЧ) нагревают только полярные пластмассы (ПВХ, винипласт, полиамид). Так как многие пластмассы являются несовершенными диэлектриками, элементарные заряды при внесении их в высокочастотное электрическое поле смещаются, и небольшое количество имеющихся в диэлектрике свободных зарядов образует ток проводимости. Большинство реальных диэлектриков имеют некоторую проводимость, поэтому нагрев пластмасс ТВЧ определяется суммой тока проводимости и тока поляризации.




4 ДИПОЛЬ - (от ди... и греч. polos - полюс) - совокупность двух точечных электрических зарядов, равных по величине и противоположных по знаку, находящихся на некотором расстоянии друг от друга

При наложении электрического поля на пластмассу в результате поляризации происходит ориентация диполей по направлению электрического поля (рис.49). На смещение зараженных частиц затрачивается работа, которая превращается в тепло благодаря наличию трения между частицами. Препятствовать ориентации будут соседние звенья той же молекулы и соседние молекулы. Каждое изменение направления электрического поля влечет за собой выделение некоторого количества тепла.

Способность пластмасс к нагреву в поле ТВЧ характеризуется фактором диэлектрических потерь: чем он выше, тем интенсивнее нагрев. Интенсивность теплообразования при высокочастотной сварке может быть повышена увеличением частоты или напряжения. Однако, для исключения пробоя свариваемого пакета, напряжение на конденсаторе не должно превышать 60 – 70 % пробивного напряжения материала. Частота тока определяется характеристикой генератора и физическими характеристиками свариваемого материала. Чем меньше фактор диэлектрических потерь пластмассы, тем выше должна быть частота тока.



Сварка пластмасс происходит непосредственно под электродами, тепловая энергия выделяется в массе нагреваемого материала, расположенного между электродами, по всей толщине равномерно, вследствие чего процесс значительно ускоряется и наружная поверхность материала не перегревается. В большинстве случаев сварку ТВЧ ведут без присадочного материала. Метод легко автоматизируется, позволяет точно регулировать заданный температурный режим сварки, обеспечивает герметичность и высокую прочность сварных швов.

Образующаяся при сварке теплота расходуется не только на нагрев деталей для образования соединения, но и на теплоотдачу в электроды. Для уменьшения интенсивности теплоотвода в электроды применяют прокладки из термоизоляционного материала. Чем толще свариваемый материал и чем меньше время его нагрева, тем больше должна быть мощность. На практике скорость нагрева материала и характер распределения температуры по его толщине изменяют с помощью активных или пассивных прокладок.

В первом случае для прокладок применяют материал, имеющий большое значение фактора диэлектрических потерь; такие прокладки, нагреваясь, сами повышают температуру свариваемого материала. Использование активных прокладок целесообразно при сварке полимеров плохо нагревающихся в поле ТВЧ. Пассивные прокладки сами не нагреваются от поля ТВЧ, а выполняют роль теплоизоляции.

Для повышения температуры нагрева и ускорения диффузии молекул, свариваемые поверхности смазывают растворителем.

Сварка ТВЧ полимеров подразделяется на прессовую, точечную и роликовую. Прессовая сварка обеспечивает получение за один сварочный цикл соединений, повторяющих размеры и конфигурацию рабочей поверхности электродов. Точечная сварка применяется для прихватки деталей. С помощью роликовой сварки получают непрерывные швы различной конфигурации. Роликовую сварку выполняют двумя вращающими роликами, которые служат электродами и одновременно перемещают свариваемые материалы. Большое рассеяние энергии при роликовой сварке требует повышенного напряжения на электродах, которое может быть близким к предельному для данного материала. Это вызывает пробои полимера и создает трудности по экранизации оборудования (использование ТВЧ связано с радиопомехами).

Электроды для сварки полимерных материалов могут быть гладкими или иметь на поверхности рисунок (рельеф), выполняемый, например накаткой, и соответствующий заданной форме шва, а также острую кромку для одновременной сварки и резки материала (обрезка по контуру, вырезка отверстий). Материал электродов – медные сплавы. Для предотвращения коррозии и прилипания к изделию поверхность электродов хромируют.

Пересекающиеся швы при сварке материалов, имеющих высокую вязкость расплава, можно выполнять электродами с мягкой рабочей поверхностью. При этом в канавку на рабочем торце электрода укладывают термостойкую резину, на которой закрепляют полоску из мелкой сетки или медной ленты (? = 0,3 ч 0,5 мм). Такой электрод за счет эластичности резины позволит равномерно распределить давление при переходе толщин материала и обеспечить полный провар соединения и надежную его герметичность.

Для поддержания стабильной температуры электроды охлаждают водой, проходящей через внутреннюю полость. При сварке материалов, имеющих малый фактор диэлектрических потерь, применяют электроды, нагреваемые током промышленной частоты. При включении ТВЧ электрод от сети промышленной частоты отключают.

Схемы конструкций электродов и виды сварных соединений приведены на рис.50.

Основные параметры сварки ТВЧ: напряженность электрического поля в материале, давление электродов, время сварки.

Напряженность в материале пропорциональна напряжению на электродах. При сварке напряжение на электродах не имеет постоянного значения вследствие изменения емкости материал – электрод в результате нагрева и утончения материала. Характер изменения напряжения на электродах в процессе сварки для данного материала и оснастки при соблюдении постоянства других основных параметров – давления и времени, имеет вполне определенную закономерность, регистрация которой позволяет контролировать режим сварки.




Изменение давления оказывает меньшее влияние на качество соединения, чем остальные параметры. Давление при сварке пленочных материалов составляет 0,5 – 5 МПа. Материалы, обладающие малой вязкостью расплава, рекомендуется сваривать, применяя фиксированный зазор. При этом сближение электродов ограничивают специальным устройством до определенного значения (меньше суммарной толщины деталей); давление на электроды прикладывают лишь в начальный период сварки, а затем по мере разогрева и уплотнения материала его практически снимают.

Важным параметром, обеспечивающим качество сварных соединений, является также продолжительность выдержки после сварки для охлаждения материала до температуры, исключающей деформацию шва и обеспечивающей его легкое отделение от электродов. Продолжительность выдержки зависит от толщины материала, его теплофизических свойств и теплоемкости сварочной оснастки.

Этим способом сваривают детали из мягкого и твердого ПВХ, полиамидов. Сваркой ТВЧ осуществляют приварку трубок к плоским поверхностям, днищ к цилиндрическим деталям из жестких полимеров и пленочных материалов, сварку сильфонов. Сварка ТВЧ дает высокое качество сварных соединений, если детали будут удовлетворять требованиям однородности материала и его равнотолщинности.

Продолжительность сварки зависит от длины свариваемого шва и толщины пакета. При сварке пленки из пластифицированного ПВХ (толщина 0,1; 0,3; 1,0 мм; площадь шва 20, 25 и 50 см2) время сварки 3 – 12 с, давление 1 – 5 МПа. Сварку пленки совмещают с обрезкой готовых деталей с помощью электродов, имеющих режущую кромку специальной формы.

Поперечные стыки труб из винипласта при толщине стенок не более 6 – 8 мм сваривают ТВЧ на частотах 40 – 75 МГц путем нагрева кольцевыми индукторами (разъемные электроды в виде медных или латунных полуколец, изолированных друг от друга). Продольные стыки труб сваривают линейным электродом. Длинномерные трубы из материалов малой толщины можно сваривать шаговым методом. При соединении враструб один электрод изготовлен из тонкой металлической ленты и располагается на внешней поверхности трубы, второй имеет вид стрежня и помещен внутри трубы.

При сварке ТВЧ полиамидов термомеханический режим необходимо выдерживать в узких пределах. Интервал вязкотекучего состояния полиамидов 3 – 5 0С. Расширение температурного диапазона сварки достигается добавкой в зону шва пластификатора.

Пластмассы, обладающие высокими диэлектрическими свойствами (тефлон, полиэтилен, полистирол, полипропилен, политетрафторэтилен) ТВЧ не свариваются. Для сварки полиэтилена в соединение необходимо ввести полоску полихлорвинила, который, являясь худшим диэлектриком, нагревается ТВЧ и передает теплоту полиэтилену.

С помощью ТВЧ сложно осуществить сварку угловых, стыковых и тавровых соединений из-за трудности обеспечения равномерного нагрева.

Для сварки ТВЧ используют прессы с ручным, пневматическим или гидравлическим приводом. Устройства для сварки ТВЧ обеспечивают работу с ограничителем по зазору между электродами к концу цикла сварки, постоянное давление на протяжении всего цикла или изменяющееся по определенной программе давление в зависимости от термического цикла.

О
85

Сварка трением
бласть применения высокочастотной сварки можно расширить путем повышения частоты электрического поля до сверхвысоких частот (СВЧ около 2000 – 3000 МГц). С помощью СВЧ можно сваривать пленки из фторопласта.
5.6. Сварка трением
Различают три схемы процесса сварки пластмасс трением: вращением свариваемых деталей или вставки между ними, вибрацией свариваемых деталей или промежуточного элемента и комбинацией этих двух схем (рис.51).

Сварку пластмасс трением осуществляют по тому же принципу, что и сварку металлов. Нагревание происходит за счет теплоты, получаемой в процессе трения свариваемых поверхностей при приложении к ним давления. При этом механическая энергия преобразуется в тепловую непосредственно на свариваемых поверхностях. Поскольку пластмассы обладают низкой теплопроводностью, нагрев происходит быстро. Режим соединения подбирают так, чтобы в течение нескольких секунд концы деталей нагрелись до необходимой температуры. Когда температура достигнута и термопластичный материал переходит в вязкотекучее состояние, относительное движение трущихся поверхностей прекращают и прикладывают давление, обеспечивающее сварку. Процесс сварки заканчивается естественным охлаждением деталей под давлением.




Соединение длинных или коротких массивных деталей с помощью сварки трением осложнено трудностями приведения во вращение и быстрого торможения таких деталей. В этом случае может быть успешно применена схема процесса сварки трением, позволяющая осуществить сварку двух неподвижных деталей с помощью вращения зажатого между ними третьего тела. В качестве третьего тела может быть использован тонкий диск с диаметром большим, нежели диаметр свариваемых заготовок (рис.51, б) или относительно длинная в осевом направлении вставка, диаметром равным диаметру свариваемых заготовок (рис.51, г). В последнем случае вставка может быть остающейся и представлять собой элемент конструкции. При этом она должна быть изготовлена из того же материала, что и свариваемые детали, а конструкция будет иметь два сварных шва. Недостатком способа нагрева деталей элементом, удаляемым из зоны сварки перед осадкой, является то, что после удаления вставки, расплавленные поверхности контактируют с воздухом.

Одновременная сварка трех заготовок (рис.51, д) позволяет повысить производительность процесса. При этом средняя деталь при сварке остается неподвижной, а обе крайние приводятся во вращение с помощью двух отдельных шпинделей. Вращение крайних заготовок может быть синхронизировано и синфазировано, если требуется взаимная ориентация деталей по углу поворота, или вращение обоих шпинделей осуществляется без применения синхронизаторов.

Возможно соединение стержней и труб большой длины без вращения. При этом вращению или вибрации подвергают вставку между свариваемыми деталями (рис.51, в).

Наибольшее практическое применение имеет схема сварки вращением, при которой одна из свариваемых деталей неподвижна (рис.51, а). В этом случае выделяющаяся тепловая мощность (Вт/см2) может быть определена по формуле
N ? 2/3?PfnR10-2,
где Р – давление, МПа; f – коэффициент трения; n – относительная скорость вращения, об/мин; R – радиус поверхности трения, см.

Способ сварки пластмасс трением имеет следующие преимущества: простота процесса (возможность выполнения на токарном станке); высокая производительность; широкие возможности автоматизации; концентрированный нагрев поверхностей, в результате обеспечивается высокий КПД процесса, сварные соединения имеют высокие механические свойства; возможность сварки разнородных пластмасс.

Однако сварка трением имеет определенные недостатки: ограниченная форма свариваемого изделия (для обеспечения высокого качества хотя бы одна из деталей должна быть телом вращения); при сжатии свариваемых деталей в месте соединения образуется утолщение, что в ряде случаев нежелательно; необходимость припусков на осадку при образовании соединения.

Применение: сварка термопластов, вязкость которых при температурах перехода в вязкотекучее состояние меняется плавно (полиэтилена, полипропилена, поливинилхлорида, акрилового стекла, полиацетала, полиамида), и детали из которых не теряют формы при зажиме в патронах и оправках устройств при трении и осадке; приварка фланцев, втулок; упаковка.

Некоторые типы соединений выполненных сваркой трением представлены на рис.52.

Особым случаем сварки трением является вибрационная сварка с угловым или линейным относительным движением (рис.53). Детали совершают не непрерывное вращательное движение, а угловое или линейное движение низкой частоты, в результате чего в месте соединения выделяется теплота. Сварка осуществляется после оплавления и приложения давления.

В отличии от обычной сварки трением, вибрационной сваркой можно соединять не только осесимметричные детали, но и детали произвольной формы при условии, что сварной шов лежит в плоскости.

При орбитальной сварке трением (рис.54) обе заготовки вращают с одинаковой угловой скоростью в одну и ту же сторону (синхронно и синфазно). При этом даже если торцы заготовок прижаты друг к другу, силы трения между ними не возникают до тех пор, пока оси вращения заготовок совпадают. При смещении оси вращения одной из деталей параллельно на некоторую величину эксцентриситета возникает трение и, как следствие – тепловыделение.





Процесс тепловыделения завершается в результате принудительного совмещения осей вращающихся заготовок.

Схема процесса орбитальной сварки отличается от других разновидностей сварки трением тем, что каждая точка на торце одной из свариваемых заготовок описывает окружности относительно соответствующей точки на торце второй заготовки с угловой скоростью, равной угловой скорости заготовок. Следовательно, мощность тепловыделения по всей поверхности трения постоянна.

При орбитальной сварке возможно соединение деталей некруглого сечения, нет необходимости оси свариваемых деталей совмещать с осью вращения, и, следовательно, вместо одной пары заготовок, на планшайбах, смонтированных на шпинделях машины на разном удалении от оси вращения, могут быть закреплены и одновременно свариваться не одна пара заготовок, а несколько таких пар; при этом мощность машины и величина осевого усилия должны быть соответственно увеличены.

Орбитальной сваркой благодаря синхронности вращения заготовок можно осуществлять соединение таких заготовок, которые после сварки должны быть строго ориентированы по углу поворота.

Инерционная сварка отличается от обычного способа сварки трением тем, что потребляемая из электрической сети энергия, преобразованная двигателем в механическую энергию, поступает к месту сварки не непосредственно, а предварительно (в промежутках между сварками) аккумулируется в маховике машины. Маховик машины с помощью электродвигателя приводится во вращение. По мере нарастания угловой скорости маховика возрастает запас его кинетической энергии и, по достижении заданной величины специальное устройство подключает шпиндель машины к маховику и отключает последний от электродвигателя. Одна из свариваемых деталей при этом приводится во вращение.

Принципиальная кинематическая схема машины для сварки трением представлена на рис. 55.



Конструкция сварных соединений. Перед сваркой вращением массивных деталей сплошного сечения соединяемые поверхности должны иметь сферическую или коническую форму с выпуклостью по оси и уклоном 1 – 1,50 к кромкам. Это связано с необходимостью более равномерного разогрева по площади контакта, так как в центре эффект трения и, следовательно, интенсивность нагрева минимальны. Выпуклость и конусность на стыкуемых поверхностях позволяет начать оплавление с центральной части детали.

Форма соединений при сварке трением представлена на рис.56 - 58.







Рис. 57. Конструкция разделок и выточек в кромках тонкостенных тел вращения для сварки трением: l1 – глубина выточек; l2 высота выступов; ? – толщина стенки; ?1 – угол наклона выточек; ?2 – угол наклона выступа





В процессе сварки трением необходимо обеспечить центровку свариваемых деталей, избежать потери формы стыкуемых кромок под действием продольных усилий в процессе оплавления, избежать вытекания в грат плавящегося полимера. Это особенно важно при соединении тонкостенных сосудов.

С этой целью кромки соединяемых деталей должны иметь специальную форму: одна из деталей должна иметь паз или выточку, в который входит кромка другой детали (рис.57, а - в). В процессе трения расплав течет вдоль стенок паза, обеспечивая сдвиговые напряжения в расплаве. При конструировании и подготовке к сварке деталей желательно, чтобы соединению подвергались равные толщины. Во избежании концентрации напряжений в шве при работе сваренных деталей, а также необходимости получения симметричных тепловых полей, следует предусматривать соответствующие выступы в более массивных деталях. Высота выступа должна быть равной 0,5 – 1 сечения тонкой детали.

При конструировании сопряжения деталей необходимо предусматривать также специальные компенсационные пазы и зазоры, в которые собирается эвакуируемый расплав (рис.57, г - е). Размеры этих технологически необходимых элементов определяют исходя из объема вытекающего расплава, равного произведению величины осадки на площадь поперечного сечения деталей в месте сварки.

Форма соединяемых кромок для сварки вибротрением должна иметь простую конфигурацию, для обеспечения взаимного смещения при угловом, продольном или поперечном движении. Иногда на поверхности деталей также выполняют выступы и пазы для интенсификации нагрева и ограничения смещения деталей в каком-либо направлении (рис.56).
1   2   3   4   5   6   7


Оборудование для УЗС пластмасс
Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации