Главная → Применение ультразвука в промышленности → Применение ультразвуковых колебаний для ускорения процессов в полимерных термопластичных материалах → Процессы сварки

Процессы сварки - применение ультразвука в промышленности

В настоящее время используются разнообразные способы соединения полимерных материалов, такие как клеевой, тепловой, токами высокой частоты [41]. Каждый из этих методов имеет свои достоинства и 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 материалом энергии токов высокой частоты, вызывающей внутренний разогрев материала. Поэтому высокочастотный способ не пригоден для множества широко распространенных материалов. В частности, большой проблемой является 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 УЗ способ, обеспечивающий прочный, долговечный и эластичный шов, высокую производительность процесса, безопасность и возможность автоматизации. В настоящее время УЗ сварка является одним из наиболее эффективных и наиболее широко используемых для соединения полимерных материалов способов полимерных материалов, такие как клеевой, тепловой, токами высокой частоты [41]. Без ультразвука невозможно дальнейшее совершенствование технологии сварки таких полимеров, как полистирол, полиметилметакрилат, полиэтилентерефталат и т.д. Технико-экономическая целесообразность использования УЗ сварки не вызывает сомнений.
Анализ технических возможностей УЗ способа соединения полимерных материалов (сварки) позволил выявить его несомненные достоинства, к основным из которых относятся:

возможность получения надежного шва при температуре, меньшей температуры плавления материала [42], что позволяет избежать термического разложения материалов в воздухе;
возможность повышения качества герметизирующего шва за счет увеличения (в миллионы раз) диффузионного взаимопроникновения свариваемых материалов, обусловленного знакопеременными механическими напряжениями в УЗ поле высокой интенсивности [41, 42];
возможность снижения сварочного усилия до значений, значительно меньших предела текучести свариваемого материала [42], что позволяет снизить массогабаритные и стоимостные характеристики устройств сжатия полимерных материалов и обеспечить соединение полимерных материалов вручную с помощью многофункциональных УЗ аппаратов;
возможность сварки материалов, на поверхности которых имеются загрязнения или нанесены жидкие и жировые пленки [41, 42];
УЗ сварка осуществляется односторонним способом, и УЗ энергию можно вводить на расстоянии от места соединения;
при ультразвуковой сварке полимерных материалов максимальный разогрев происходит на соединяемых поверхностях, что исключает перегрев материала по толщине.

С помощью УЗ качественно соединяются любые термопластичные материалы, к которым относятся: полипропилен, полистирол, поливинилхлорид, полиамид, полиакрилат, поликарбонат и др.
УЗ сварка пластмасс основана на использовании энергии механических колебаний сварочного наконечника. Колебания совершаются с частотой свыше 20 кГц и амплитудой колебаний на уровне 100 мкм. Энергия в зону сварки вводится посредством сварочного усилия, (рисунок 5.1). Согласно современным представлениям [43], процесс сварки рассматривают как топохимическую реакцию, т.е. химическую реакцию, протекающую на поверхности твердого тела. В основе любой химической реакции лежит процесс разрыва связей в исходных веществах и возникновения новых связей, приводящий к образованию нового вещества. Таким образом, механизм образования соединения не меняется при переходе от одного способа сварки к другому и от одного материала к другому. Изменяется только совокупность явлений на контактных поверхностях, приводящая их в состояние взаимодействия. Эти явления могут быть различными и определяются материалом и способом сварки. Для топохимических реакций характерно протекание в три стадии:

образование физического контакта;
активация контактных поверхностей;
объемное развитие взаимодействия.

Рисунок 5.1 – Ультразвуковая сварка с нормальным вводом колебаний

а) – схема установки (1 – корпус преобразователя, 2 – пьезоэлектрический
преобразователь, 3 – концентратор ультразвуковых колебаний, 4 – свариваемые детали, 5 – подложка);
б) – эпюра амплитуды смещения колебательной системы
Рисунок 5.1 – Ультразвуковая сварка с нормальным вводом колебаний
При УЗ сварке отдельные стадии могут протекать одновременно, так что четкое разделение их не представляется возможным. Например, имеются экспериментальные данные о том, что стадия образования физического контакта сопровождается термической активацией контактных поверхностей. На определенном этапе термическая активация протекает совместно с объемным развитием взаимодействия. Указанным стадиям может сопутствовать ряд процессов, которые также следует учитывать при анализе механизма образования сварных соединений при УЗ сварке пластмасс. Так, стадия образования физического контакта связана со статическим и вибрационным уплотнением материала, механизм протекания которого зависит от физической формы свариваемых полимеров. Термической активации предшествует ввод и распространение колебаний в свариваемых деталях, а также концентрация и преобразование энергии механических колебаний в тепловую энергию. При этом могут интенсивно протекать ускоряемые влиянием ультразвука структурные превращения на молекулярном и надмолекулярном уровнях, различные химические реакции, вплоть до разложения (деструкции) полимеров, накопление повреждений от силовых нагрузок. Стадия объемного развития взаимодействия тесно связана с такими процессами, как течение и перемешивание материала в сварочной зоне, взаимная диффузия материалов в микрообъемах, а также кристаллизация расплава на заключительном этапе процесса сварки. Все указанные процессы находятся в тесной взаимосвязи друг с другом и влияют на конечный результат сварки – качество соединения, оцениваемого тем или иным критерием (статической, динамической или длительной прочностью; внешним видом; стойкостью к воздействию различных факторов).
В настоящее время на практике реализуются различные схемы, по которым может осуществляться УЗ сварка полимерных материалов. Это обусловлено разнообразием свойств и структуры свариваемых материалов, конфигурации и размеров деталей, требований, предъявляемых к сварным швам и свариваемому изделию в целом. Классификация схем УЗ сварки пластмасс должна производиться с учетом всех основных признаков. К этим признакам относятся:

подвод энергии УЗ колебаний к свариваемому изделию;
передача механической энергии к зоне сварки;
концентрация энергии в зоне сварки;
дозирование вводимой энергии;
взаимное перемещение сварочного инструмента и свариваемых деталей для получения швов необходимой конфигурации и протяженности.

Наиболее полная классификация схем ультразвуковой сварки с учетом этих признаков, разработанная коллективом авторов под руководством C.C. Волкова [44] приведена на рисунке 5.2. Показанное на рисунке 5.2 многообразие схем УЗ сварки термопластичных материалов является следствием в первую очередь различных схем подвода энергии колебаний к свариваемым деталям, различных способов передачи энергии к зоне сварки и различных видов перемещения УЗ колебательной системы относительно изделия.

Рисунок 5.2 – Классификация схем ультразвуковой сварки пластмасс

По характеру передачи энергии к границе раздела и распределения ее по свариваемым поверхностям УЗ сварка может быть разделена на контактную и передаточную [43,44]. Возможность передачи механической энергии к зоне сварки зависит от упругих свойств и коэффициента затухания колебаний в свариваемых материалах. Если полимерный материал характеризуется низким модулем упругости и большим коэффициентом затухания, то сварное соединение можно получить лишь на малом удалении от плоскости ввода колебаний. Для равномерного распределения энергии по всей площади контакта свариваемых деталей необходимо, чтобы рабочий торец волновода, соприкасающийся с верхней деталью, имел площадь и форму, идентичную площади и форме плоскости контакта свариваемых деталей. Сварка по такой схеме называется контактной ультразвуковой сваркой.
Если полимерный материал обладает высоким модулем упругости и низким коэффициентом затухания, то сварное соединение можно получить на большом удалении от поверхности ввода УЗ колебаний. Тепловыделение на границе раздела в этом случае зависит от конфигурации изделия, а площадь сварки значительно отличается от площади рабочего торца волновода. Сварка по такой схеме называется передаточной УЗ сваркой.
В зависимости от перемещения колебательной системы относительно изделия, сварку можно разделить на непрерывную и прессовую. Непрерывная сварка позволяет получать протяженные швы за счет относительного перемещения УЗ колебательной системы и свариваемого изделия. Она используется для сварки изделий из пленок и синтетических тканей: мешков, фильтров и т.п. Прессовая сварка выполняется за одно рабочее движение колебательной системы. С помощью такой сварки получают точечные, прямолинейные и замкнутые швы различного контура, например, в виде квадрата, прямоугольника, эллипса и т.д.