Рекомендации по выбору технологических режимов и параметров для сварки изделия из полимерных термопластических материалов
Задача: Исследование и выбор оптимальных параметров для сварки двух полукруглых деталей встык.
1. Рекомендуются использовать два варианта реализации технологического процесса ультразвуковой сварки изделия из полимерных термопластичных материалов, представленные на рисунке 1 и рисунке 2. На рисунке 1 представлен способ реализации процесса сварки, в котором обеспечивается жесткая фиксация свариваемых друг с другом элементов изделия. Затем осуществляется перемещение сварочного узла, параллельно, по месту стыка элементов изделия с постоянной скоростью и постоянным усилием прижима, обеспечивая тем самым формирование сварного шва.
Рисунок 1 – Ультразвуковая сварка с вращением ультразвуковой колебательной системы
Для практической реализации первого способа ультразвуковой сварки необходимо разработать и изготовить устройство подачи и прижима ультразвукового сварочного узла, обеспечивающее стабильный прижим сварочного рабочего инструмента с усилием в диапазоне 5-10 кг к месту получения сварного шва и его перемещение вдоль поверхности с постоянной скоростью. Кроме того, рекомендуется разработать и изготовить устройство прижима друг к другу элементов изделия, обеспечивающее жесткую фиксацию. (рисунок 4.). Вся конструкция должна обеспечивать возможность перемещения сварочного узла вдоль стыка свариваемых элементов. При этом производится ввод ультразвуковых колебаний в свариваемые поверхности и формирование сварного шва.
2. На рисунке 2 представлен способ реализации процесса сварки, в котором обеспечивается жесткая фиксация ультразвукового сварочного узла с постоянным усилием прижима. При этом обеспечивается жесткая фиксация свариваемых друг с другом элементов изделия. Для реализации сварки обеспечивается перемещение свариваемых элементов из полимерных термопластичных материалов по рабочей поверхности инструмента ультразвукового сварочного узла, как показано на рисунке 3, обеспечивая формирование сварного шва.
Рисунок 2 – Ультразвуковая сварка с вращением детали
Для практической реализации второго технологического процесса ультразвуковой сварки необходимо разработать и изготовить устройство подачи и прижима ультразвукового сварочного узла, обеспечивающее стабильный прижим сварочного рабочего инструмента с усилием в диапазоне 5-10 кг к месту получения сварного шва.
Рисунок 3 – Ультразвуковая сварка встык
Крепление ультразвукового сварочного узла в устройстве подачи и прижима должно осуществляться при помощи резьбы (М40х1,5) в нижней части корпуса сварочного узла. Крепление не должно касаться колебательной системы.
Кроме того, рекомендуется разработать и изготовить устройство прижима друг к другу элементов изделия (рисунок 4). Устройство должно обеспечивать прижим с постоянным усилием и вращение элементов вокруг своей оси, обеспечивая перемещение стыка под поверхностью рабочего инструмента как показано на рисунке 3 в месте формирования сварного шва. При этом, должен осуществляться ввод ультразвуковых колебаний в свариваемые поверхности и формирование сварного шва.
Рисунок 4 – Сварка встык с устройством прижима
3. Общая схема процесса сварки такова:
Свариваемые элементы изделия устанавливаются в прижимное устройство (рисунок 4), которое обеспечивает сжатие. Затем ультразвуковые колебания рабочего сварочного инструмента передаются в свариваемый полимерный термопластический материал (рисунок 3).
Такой материал характеризуется очень высоким поглощением энергии ультразвуковых колебаний, что обеспечивает быстрое размягчение свариваемых материалов. Диффузионные процессы, протекающие под действием ультразвуковых колебаний высокой интенсивности, обеспечивают взаимное проникновение материалов друг в друга при температурах меньших температуры плавления полимерного материала.
Так как в процессе ультразвуковой сварки температура сварного шва ниже температуры плавления материала, свариваемые материалы не подвергаются термическому разложению с выделением вредных веществ.
Рабочий сварочный или режущий инструмент является элементом, посредством которого осуществляется отбор мощности, поглощаемой в зоне сварки. Так как сварочный инструмент внедряется в свариваемые полимерные материалы, то он является согласующим элементом между нагрузкой и колебательной системой. Рабочая поверхность сварочного инструмента может иметь уклон для снижения трения и равномерного постепенного размягчения полимерного материала во время сварки. Кроме того, если есть необходимость изменения формы сварного шва возможно использование рабочего сварочного инструмента нестандартной формы. При этом, он должен иметь те же присоединяемые размеры входного диаметра, резьб и лыски под ключ, а также вес, равный или близкий по значению к стандартным рабочим инструментам, поставляемым с оборудованием.
4. Для решения ряда специализированных задачи мы рекомендуем использовать специальную конструкцию сварочного инструмента (рисунок 5)
Рисунок 5 – Специализированная УЗКС с центральной проточкой
Такой инструмент имеет на излучающей поверхности два выступа и проточку между ними. Рабочая поверхность выступов имеет уклон для снижения трения и равномерного постепенного размягчения полимерного материала во время сварки. При переходе термопластического материала в вязкотекучее состояние, проточка обеспечивает формирование и утолщение сварного шва за счет вязкотекучего материала в месте стыка свариваемых элементов изделия. Проточка выполнена на глубину не более половины толщины свариваемых материалов и необходимую для формирования сварного шва. Если возникает необходимость в придании сварному шву эстетического вида, то рекомендуется сразу после рабочего сварочного инструмента установить прокаточный ролик, который будет сглаживать шов, предварительно находящийся в вязкопластическом состоянии.
Для увеличения прочности сварного шва может быть использован присадочный материал, предварительно вносимый в проточку на поверхности рабочего инструмента.
Оптимальные размеры ширины выступов, ширины и глубины проточки, угла наклона рабочей поверхности следует установить в ходе предварительных испытаний и отработки технологии на изделии (материал, толщина) .
5. При выборе технологических режимов и параметров сварки нужно учитывать, что при работе, на максимальной мощности происходит наибольший нагрев и возможно разложение полимерного материала, сопровождающийся и наиболее интенсивным нагревом сварочного узла. При этом, интенсивность нагрева и возможного разложения свариваемого материала зависит от скорости перемещения свариваемых элементов, усилия прижима и уровня установленной мощности. Поэтому для лучшей стабилизации сварного шва рекомендуется дополнительное воздушное охлаждение рабочей экспоненциальной части ультразвуковой колебательной системы и сварочного узла в области получения сварного шва (дополнительный вентилятор) производительностью не менее 2-3 м3/мин.
6. При выборе технологических режимов первоначально рекомендуется выставить регулятором уровень мощности 50% от максимальной мощности, обеспечить прижим 7 кг, и затем в диапазоне от 3 до 50 мм/сек выбрать такую скорость перемещения свариваемых элементов изделия, при которой обеспечивается необходимое качество шва и необходимая герметичность.
Рекомендуется выбрать оптимальные параметры прижима и скорости из указанных диапазонов при работе генератора на мощности 50%. В случае невозможности обеспечения качественного шва при минимальной скорости перемещения и мощности генератора, равной 50% от максимальной, рекомендуется увеличивать уровень выходной мощности на 10 % и более до обеспечения необходимой герметичности или уменьшать скорость перемещения сварочного наконечника вдоль формируемого шва.
7. В комплекте с ультразвуковым технологическим аппаратом по согласованию с заказчиком может, поставляется сменный рабочий сварочный инструмент. Подробные рекомендации по демонтажу, а также эскизы рабочих сварочных инструментов описаны в инструкции по эксплуатации.
8. Если не удовлетворяет прочность и качество сварного соединения при сварке полимерных термопластических элементов встык, то рекомендуется провести повторный выбор технологических параметров усилия прижима, скорости перемещения, уровня выходной мощности, угла наклона сварочного узла, а также формы и конфигурации сварочного инструмента.
Если возникнут затруднения при выборе технологических параметров ультразвуковой сварки термопластических материалов мы готовы сотрудничать с Вами и предоставить Вам дополнительные рекомендации.