Сварка термопластов током высокой частоты и ультразвуком

В настоящие время значительное распространение получили способы сварки, при которых теплота генерируется в объеме свариваемых термопластов: сварка в электрическом поле высокой частоты (ТВ4)и ультразвуком (УЗ). Указанные способы обеспечивают быстрый и локальный нагрев соединяемых поверхностей без проплавления всего объема материала, поэтому могут быть использованы для соединения материалов с узким температурным интервалом, вязкотекучего состояния, высокой степенью ориентации, высокой вязкостью расплава.

Сварка в электрическом поле высокой частоты.



Нагрев термопластов в высокочастотном поле происходит вследсвии способности звеньев макромолекул, имеющее дипольное строение, поляризоваться при напряжение внешнего электрического поля.
При высокочастотном изменении направленности электрического поля изменяется поляризация макромолекул, но с некоторым запаздывание, связанным с преодолением внутренних сил, препятствующих смещению зарядов и переориентации диполей- звеньев макромолекул. Энергия, затрачиваемая на преодоление внутреннего сопротивления при поляризации макромолекул, преобразуется в тепловую энергию, вследствие чего температура термопласта быстро повышается. По мере нагрева термопласта его вязкость уменьшается, при достижении вязкотекучего состояния условия переориентации диполей облегчаются и интенсивность тепловыделения за счет внутреннего “трения” уменьшается. Аналогичным образом действует добавка в полимер пластификатора.

Методы сварки. Выбор или иного метода сварки зависит от конструктивных особенностей изделий. Технологически различают три метода высокочастотной сварки термопластов: прессовой шовный и точечный.
При прессовом методе сварки свариваемые детали помещают между обкладками рабочего конденсатора-электродами, один из некоторых либо оба повторяют конфигурацию шва. При подаче напряжения на электроды одновременно с нагревом они обеспечивают тем же необходимое давление.

При шовной сварке протяженные швы получают перемещением заготовок, т.е. непрерывным методом. Одновременно с нагревом инструмент создает давление.

Точечная сварка является разновидностью прессовой, отличается тем, что свариваемая площадь очень мала, и применяется в основном для сборки изделий и прихватки заготовок под прессовую и шовную сварку.
При прессовой сварке свариваемый материал по всему шву нагревается одновременно и равномерно, что обеспечивает стабильность его механических свойств. Прессовая сварка - наиболее универсальный распространенный способ и применяется не только для сварки, но одновременно и для клеймения изделий, декоративной отделки и нанесений аппликаций.

Шовная высокочастотная сварка осуществляется двумя вращающимися в противоположные стороны. При кажущейся простоте этому способу свойственен один серьезный недостаток: для обеспечения необходимой производительности при малой площади сварки требуется повышать напряжение и частоту тока, т.е. удельную мощность, передаваемую в нагреваемый материал. Однако напряженность электрического поля в материале ограничена прибивной напряженностью материала, а частота тока разрушенным диапазонам частот. Поэтому производительность невелика (около 5м/мин). Практически этот вид сварки применяют очень резко только для соединения тонких пленок.

Сварка термопластов ультразвуком.


Для ультразвуковой сварки электрические колебания ультразвуковой частоты (20-50кГц), вырабатываемое генератором, преобразовываются в механические колебания сварочного инструмента.
Технология сварки. Большое разнообразие полимерных материалов, а также разнообразие требований к сворным соединениям и сварным конструкциям привело к разработке различных способов ультразвуковой сварки, различающихся по вводу энергии механических колебаний в материал и передаче ее к зоне сварки, способу дозирования энергии, способу концентрации динамических напряжений в зоне сварки, взаимному перемещению сварочного инструмента и изделия и другим характеристикам.

В зависимости от свойств материала и конструкций ввод механических колебаний, осуществляемый за счет контакта излучающей поверхности инструмента—волновода одной или несколькими свариваемыми деталями, может достигаться при расположении волновода нормально к плоскости детали или под некоторым углом.

Первый вариант наиболее распространен и получил широкое применение при сварке конструкций из материалов больших толщин; второй-при сверке пленок скользящим инструментом.

Сварка может производиться в ближнем поле (контактная) или в дальнем поле (дистанционная или передаточная)
Контактная сварка получила применение для соединения мягких термопластов (ПЭ) малой толщины (до 5мм). Для равномерного распределения колебаний по всей площади контакта рабочая поверхность волновода по форме и площади должна соответствовать плоскости свариваемых деталей. Передаточную сварку рекомендуется применять для изготовления швов стыковых и тавровых соединений при сборке объемных деталей из жестких термопластов (ПС, полиметилметакрилаты, поликарбоната)

В случае необходимости передаточной сваркой можно соединять и мягкие термопласты. Для этого верхняя деталь, контактирующая с волноводом, должна находиться в жестком застеклованном состоянии, что может быть достигнуто путем охлаждения ее до температуры стеклования.
Оптимальное значение основных параметров режима сварки зависит от материала, размеров и формы свариваемых изделий, площади и формы контактируемых поверхностей, наличия на контактируемых поверхностях посторонних веществ, требование к сварным соединениям и целого ряда других факторов. Поэтому режимы сварки определяют обычно экспериментально применительно к реальным изделиям с учетом их технологических приемов, которые в каждом отдельном случае необходимо использовать.

Среди полимеров, изделия из которых изготавливают с помощью ультразвуковой сварки, определенное место занимает НЭВД. Ультразвуковую сварку применяют для упаковки пищевых продуктов в емкости (банки контейнера).

Так как соединения происходит по поверхностям, загрязненный различными продуктами, другие способы сварки для этих целей не пригодны. Загрязнение свариваемых поверхностей полиэтилена различными продуктами оказывают влияние на качество соединения и оптимальный режим сварки. Снижение прочности зависит от свойств продуктов и особенно существенно в случае загрязнения, поверхностей маловязкими жидкостями: молоком, водными растворами солей и т.д.
При ультразвуковой сварке ПЭ труб, наполненных плавленым сыром, прочность сварных соединений, полученных в интервале давлений 1-3мпа, составляет 65-70% увеличение давления в этом диапазоне позволяет сократить оптимальное время сварки с10 до2с.

Достаточное широкое применение получила ультразвуковая сварка для соединения ориентированных пленок из полиамида(ПК-4), ПП, и особенно ПЭТФ.

Для соединения ориентированных полимерных пленок используют ультразвуковую сварку скользящим инструментом. Наиболее существенное влияние на прочность сварных соединений при рассматриваемом способе сварки оказывает амплитуда колебаний рабочего торца волновода (инструмента).

Сварка полимерных пленок скользящим инструментом обеспечивается лишь при определенных условиях процесса. Во-первых, сварное соединение можно получить при клинообразной заточке рабочей части инструмента. Наиболее эффективна заточка инструмента под углом 350 с закруглением на конце радиусом 1мм.

Влияние оказывают чистота обработки поверхности и твердость материала применяемого в качестве подложки. Наиболее хорошие результаты показала стальная подложка толщинной8-10мм с обработанной поверхностью.

Режимы сварки изделий из ПС зависят от формы и толщины стенки свариваемых деталей . оптимальным для тонкостенных деталей можно считать режим: время сварки1,2с, амплитуда колебаний рабочего торца волновода 25-30 мин, усилие прижима 50-100Н. при изготовлений изделий и ПС наряду с передаточной сваркой можно использовать и контактную сварку.

Ультразвуковую сварку широко используют в промышленности при изготовлении из ПС самых разнообразных изделий- игрушек, кассет для магнитофонов, кинокамер, косметических сосудов и емкостей канцелярских принадлежностей.

Ультразвуковая сварка оказалась надежным и производительным способом соединения термопластичных полимерных материалов с различными металлическими и не металлическими материалами: посредством запрессовки металлических деталей в пластмассу; при помощи термопластичных заклепок, винтов, устанавливаемых в отверстии с резьбой, полученной с помощью ультразвукового формования; сваркой металлических деталей через предварительно нанесенную на них пластмассу; сварной через промежуточную пластмассовую вставку. Возможно, применение ультразвука для интенсификации процесса сварки такого трудно свариваемого материала, чем фторопласт-4, путем наложения на зону соединения ультразвуковых колебаний.