7.2. Соединение полимерных материалов под действием ультразвука

В связи с широким применением полимерных материалов в домашнем хозяйстве и различных отраслях промышленности, возникает необходимость в соединении однородных и разнородных полимерных деталей, пленок, текстильных материалов на основе химических волокон.

В настоящее время используется большое количество разнообразных способов соединения полимерных материалов, таких как: клеевой, тепловой токами высокой частоты. Каждый из этих методов имеет существенные недостатки. Так, тепловой способ, не обеспечивает необходимой прочности, а формируемый им шов является хрупким. Высокочастотный способ соединения может использоваться только для полимеров с высокими диэлектрическими потерями, так как основан на поглощении полимерным материалом энергии токов высокой частоты, вызывающей внутренний разогрев материала. Поэтому, высокочастотный способ не пригоден для множества широко распространенных материалов, например, для полиэтиленовых пленок.

Большой проблемой является также соединение тканей на основе синтетических волокон. Использование обычных способов соединения в этом случае не всегда приемлемо из-за высокой упругости синтетических волокон.

Наиболее перспективным способом решения проблем соединения полимерных материалов является ультразвуковой способ, обеспечивающий прочный, долговечный и эластичный шов, высокую производительность процесса, безопасность и возможность легко автоматизировать процесс. В настоящее время ультразвуковая сварка является одним из наиболее эффективных, малоэнергоемких и наиболее широко используемых для соединения полимерных материалов способов [13].

Анализ технических возможностей ультразвукового способа соединения полимерных материалов (сварки) применительно к решению перечисленных проблем позволил выявить его несомненные достоинства, к основным из которых относятся:

1. Возможность получения надежного шва при температуре, меньшей температуры плавления материала [13], что позволяет избежать термического разложения материалов в воздухе (т.е. исключить выделение хлора и содержащих его продуктов в атмосферу.

2. Возможность повышения качества герметизирующего шва за счет увеличения (в миллионы раз) диффузионного взаимопроникновения свариваемых материалов, обусловленного знакопеременными механическими напряжениями в ультразвуковом поле высокой интенсивности [14].

3. Возможность снижения, по сравнения с тепловым способом, формирующего шов сварочного усилия до значений, значительно меньших предела текучести свариваемого материала [72], что позволяет значительно снизить массогабаритные и стоимостные характеристики устройства сжатия полимерных материалов и обеспечить соединение полимерных материалов вручную с помощью колебательных систем многофункциональных ультразвуковых аппаратов.

4. Возможность сварки материала, на поверхности которого имеются механические загрязнения или нанесены жидкие, вязкие и жировые пленки [13].

5. Ультразвуковая сварка осуществляется односторонним способом и ультразвуковую энергию можно вводить на значительном расстоянии от места соединения.

6. При ультразвуковой сварке полимерных материалов максимальный разогрев происходит на соединяемых поверхностях, что исключает перегрев материала по толщине.

7. При сварке ультразвуком на соединяемых выступах нет напряжений и отсутствуют радиопомехи.

С помощью ультразвука легко и качественно соединяются любые термопластичные материалы, к которым относятся: полиэтилен, полипропилен, полистирол, поливинилхлорид, полиамид, полиакрилат, поликарбонат и др.

В процессе действия ультразвуковых колебаний такие пластмассы, разогреваясь, переходят за сравнительно короткий промежуток времени в высокоэластичное состояние, а при дальнейшем повышении температуры в вязкопластичное состояние. Термопластичные материалы способны к многократному нагреву, не теряют исходных свойств и сохраняют свою структуру.

Основным недостатком ультразвукового способа сварки является невозможность соединения термореактивных пластмасс (их невозможно соединять и любыми другими способами, связанными с нагреванием).

Наибольший экспериментальный материал накоплен по соединению изделий из органического стекла, полихлорвинила, полиизобутилена, полистирола и полиамида.

Легче всего с помощью многофункциональных ультразвуковых аппаратов выполнить нахлесточные и тавровые точечные соединения с помощью рабочих инструментов показанных на рис. 3.7.в и рис. 3.7.г. С помощью этих же инструментов можно выполнять шовные соединения и соединения по контуру.

Технология сварки заключается в следующем. На опору, (желательно массивную), в качестве подкладки укладывается резина, которая отражает часть энергии в свариваемые материалы. Применение подкладки из эластичного материала обеспечивает высокое качество швов при малом давлении и времени сварки. На подкладку, при выполнении нахлесточного соединения укладываются в два или более слоев свариваемые материалы. При выполнении точечной сварки, рабочий инструмент прижимается к свариваемым материалам с усилием, меньшем предела текучести, генератор многофункционального аппарата включается на время, необходимое для перевода материалов в вязкопластичное состояние (0,5......5 сек), затем генератор автоматически (с помощью таймера) или принудительно выключается. После выключения генератора статическое усилие на рабочий инструмент удерживается в течении 1...2 сек для стабилизации сварного шва.

В качестве примера рассмотрим режимы ультразвуковой сварки винипласта и полиэтилена.

При ультразвуковой сварке винипласта толщиной от 5 до 10 мм с помощью крестообразного соединения или соединения встык при амплитуде колебаний рабочего инструмента колебательной системы около 35 мкм и усилии зажатия в пределах от 50 до 70 кг (усилие создавалось вручную) качественное соединение получалось при времени ультразвукового воздействия 2...3 сек. Полученные таким образом швы разрушались лишь при усилиях 230...240 кг (разрушение происходило вблизи шва). Использовался резиновый отражатель толщиной 5 мм.

При ультразвуковой сварке, без применения резинового отражателя, полиэтилена толщиной 2....3 мм ультразвуковыми колебаниями с амплитудой 35 мкм и усилии сжатия всего 5 кг время воздействия было от 0,5 до 2 сек. Для разрушения таких соединений достаточно усилий порядка 50 кг.

Приведенные результаты показывают, что прочность сварного шва практически равна прочности основного материала. Кроме того, при сварке вдоль направления ориентации, прочность, близкая к прочности основного материала достигается в три раза быстрее, чем при сварке поперек волокон.

Следует отметить еще одну особенность (и преимущество перед другими способами сварки) ультразвуковой сварки. Для жестких пластмасс, таких как: полистирол, полипропилен, жесткий ПВХ, полиакрилат, поликарбонат и др., характеризуемых малым коэффициентом поглощения УЗ колебаний, допускается вводить ультразвуковые колебания на значительных расстояниях от места соединения. Подобная методика сварки позволяет располагать рабочий инструмент для ввода ультразвуковых колебаний на расстоянии до 20 мм от сварного шва, обеспечивая тем самым возможность осуществлять сварку в труднодоступных местах.

Кроме пластмасс, с помощью многофункциональных ультразвуковых аппаратов можно соединять полимерные пленки полиэтилена, полипропилена, полистирола, полиамидов, а также различные ткани, содержащие синтетические волокна, нетканые материалы с поливинилхлоридным, полистирольным и полипропиленовым покрытием.

Достаточно легко осуществляется соединение пленок с бумагой (ламинирование) и хлопчатобумажной тканью.

Многофункциональные аппараты могут быть использованы для сварки различных оболочек, используемых в качестве тары для хранения жидкостей и сыпучих тел, а также для упаковки изделий. Для соединения оболочек из полиэтиленовых пленок применяется рабочий инструмент, показанный на рис. 3.7.г.

Многофункциональные ультразвуковые аппараты могут быть с успехом использованы в автоматических установках для соединения пленок и листов толщиной от 50 мкм до 3 мм. При этом может быть обеспечена скорость сварки в пределах от 1 до 10 м/мин.

При использовании многофункциональных аппаратов в автоматизированных сварочных установках для выполнения непрерывной полосовой сварки, вместо рассмотренной колебательной системы с рабочими инструментами N 3 и N 4 могут быть использованы катящиеся ультразвуковые колебательные системы [73]. В таких колебательных системах используется кольцевой (трубчатый) пьезоэлектрический элемент. Для излучения ультразвуковых колебаний используется цилиндрическая поверхность пьезоэлемента, перекатывающегося по поверхности свариваемых материалов.

Передача высокочастотной электрической энергии на электроды вращающегося пьезоэлемента осуществляется через индуктивный токосъемник, выполненный в виде двух катушек индуктивности, расположенных на общем замкнутом сердечнике магнитопровода.

Один из участков магнитопровода проходит внутри трубчатого пьезоэлемента и механически связанной с ним катушки индуктивности

Эта катушка индуктивности электрически подключена к электродам пьезоэлемента и вращается вместе с ним.

Вторая катушка, расположена на другом (противоположном) участке магнитопровода, электрически соединяется с генератором электрических колебаний, и во время вращения пьезоэлемента остается неподвижной.