НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Агапов Антон Викторович,

гимназия № 21, город Электросталь, 11 класс

Научный руководитель:

Волков Станислав Степанович,

кандидат технических наук,

профессор кафедры «Технологии сварки и диагностики»,

МГТУ им. Н.Э.Баумана

Введение

Неуклонный ежегодный рост жестких пластмасс и отдельных пластмассовых деталей, являющихся частями различного рода конструкций, ставит перед промышленностью вопросы выбора высокопроизводительного, надежного и экономичного способа сварки изделий. Способ сварки должен быть в определенной стпени универсальным, оборудование должно быстро перенастраиваться на соединение деталей, размеры которых могут колебаться в заданном интервале. Одним из хорошо зарекомендовавших себя способов соединения является ультразвуковая сварка.

Большое количество схем ультразвуковой сварки позволяет применять его при соединении «мягких» и «жестких» пластмасс. Трудности возникают в случае необходимости сварки деталей по большой площади. Поэтому актуальной является задача дальнейшего расширения возможностей ультразвуковой сварки путем усиления концентрации энергии на стыкуемых поверхностях разработки новых технологических процессов с применением энергии ультразвука.

Цель работы - исследовать возможности концентрации энергии ультразвуковых колебаний, выделяющейся в виде тепла, на свариваемых поверхностях; определить коэффициенты концентрации энергии для различных типов разделок кромок; систематизировать разделки кромок в зависимости от требований, предъявляемых к готовым изделиям.

Вопросы, влияющие на качественное сварное соединение

Основное влияние на процесс теплообразования, которое происходит в результате гистерезисных потерь при циклическом деформировании полимера, оказывает амплитуда динамических напряжений и коэффициент механических потерь. Введение в зону сварки акустических сопротивлений, которые, повышают уровень динамических напряжений,  приводит к ее преимущественному разогреву. Дальнейшее повышение температуры зоны сварки происходит в результате поглощения энергии ультразвуковых колебаний размягченной прослойкой полимера, которая обладает повышенным  значением коэффициента механических потерь.

Правильно выбранный угол при вершине V-образного выступа должен обеспечить минимальную площадь предварительного контакта в зоне сварки, а разделка кромок в целом – технические или эстетические требования (чаще всего требуется выполнение, как первого, так и второго требования).

Несоответствие готового изделия эстетическим требованиям, которые к ним предъявляются, может возникнуть не только из-за выплесков гранта из зоны сварки, но и в результате подплавления полимера под волноводом и внедрения последнего в изделие.

Правильный выбор размеров разделки или последующей механической обработки изделия, позволяют не только избежать повреждения материала под волноводом, но и существенно увеличить прочность сварного соединения.

В данной работе исследовалось влияние размеров и форм разделок на усиление концентрации энергии в зоне контакта полимер-полимер.

Используемые методики

Работа выполнялась путем анализа усиления концентрации энергии ультразвуковых колебаний на стыкуемых поверхностях и экспериментального исследования с использованием специального лабораторного оборудования, разработанного на кафедре «Технологии сварки и диагностики» МГТУ им. Баумана, зависимости площади контакта V-образного выступа с плоскостью и температуры размягчения полимера от статического давления. Регистрация параметров сварки проводилась с использованием шлейфового осциллографа, цифрового частотомера, пьезокерамического и индуктивного датчиков, хромель-копелевых термопар. Для исследования температуры полимера до вязкотекучего состояния от уровня статического давления был применен метод термомеханических кривых. В литературе [1, 2, 3] описана сущность термомеханических кривых.

·         Для аморфных полимеров известны три физических состояния, обусловленных гибкостью длинных цепных молекул: стеклообразное, высокоэластическое и вязкотекучее.

·         Стеклообразное состояние, наблюдаемое при пониженных температурах, характеризуется отсутствием сегментальной подвижности в аморфном полимере, так как количество тепловой энергии недостаточно, чтобы обеспечить перемещение сегмента из одного положения в другое. В таком состоянии полимер может пребывать практически неограниченно долго.

·         По мере повышения температуры «размораживаются» сегментальная подвижность, и полимер переходит в высокоэластическое состояние. Это выражается в том, что макромолекулы стремятся принять самые разнообразные конструкции, соответствующие различным положениям звеньев в пространстве. Наряду с двумя крайними конфирмациями – полностью и полностью свернутой – существует множество конфирмаций, обусловленных разной степенью свернутости макромолекул. Этим объясняется тот факт, что полимер в высокоэластическом состоянии может претерпевать при деформации значительные относительные удлинения, а после снятия нагрузки сокращаться до исходных размеров.

Дальнейший нагрев аморфного полимера приводит к переходу его в вязкотекучее состояние, когда полимер приобретает способность необратимо течь под воздействием даже сравнительно небольших внешних воздействий. Это обусловлено интенсивным тепловым движением отдельных звеньев, сегментов и перемещением молекул как единого целого.

Переход полимера из одного физического состояния в другое обычно происходит в некотором интервале температур, поэтому за температуру перехода принимают среднее значение этого интервала. Эти переходы хорошо обнаруживаются при регистрации зависимостей деформации полимера от температуры, которые называют термомеханическими кривыми.

В общем случае на термомеханической кривой можно выделить три участка, соответствующие указанным физическим состояниям полимера (рис. 1) Участок I, соответствующий стеклообразному состоянию, характеризуется большими значениями модуля упругости и небольшими упругими деформациями. Концу участка соответствует температура стеклования Т_с, при которой полимер переходит из стеклообразного состояния в высоко эластическое и обратно. Высокоэластическому состоянию (участок II) отвечают значительные обратимые деформации и небольшие значения модуля упругости. Участок III соответствует вязкотекучем состоянию, сопровождающемуся падением модуля упругости практически до нуля и резким увеличением деформации с ростом температуры. Вязкое течение начинает осуществляться при температуре текучести Т_т и продолжается вплоть до температуры разложения Т_р, за счет возникновения необратимой деформации (вязкого течения). Полимеры перерабатываются в вязкотекучем состоянии, поэтому интервал между температурой текучести и температурой разложения полимера определяет температурный интервал его переработки и в частности, сварки.

Сваркой пластмасс называется технологический процесс образования неразъемного соединения путем доведения соединяемых поверхностей до вязкотекучего состояния с приложением давления. В результате сварки частично или полностью исчезает граница раздела между соединяемыми поверхностями, а прочность сварного соединения - шва, а также другие физические свойства приближаются, а иногда становятся  равными прочности основного материала.

По сравнению с другими способами соединения (клепкой, склейкой) сварка имеет существенные преимущества: высокую производительность, низкую трудоемкость, большую прочность и плотность сварных соединений, экономичность, возможность улучшить условия труда и уменьшить производственную площадь.

Модель упругости деформации

Рис. 1. Термомеханическая кривая для аморфного полимера - 1

и изменения модуля его упругости от температуры - 2

Технологии передачи энергии к зоне сварки

Жесткие термопластичные полимеры, полистиролы, сополимеры СНП и СН-28, полиметилметакрилат, капрон, поликарбонаты и др., имеющие большой модуль упругости E=3100 МПа и небольшой коэффициент затуханий δ = 0.1 с^-1, можно соединить как  передаточной, так и ультразвуковой сваркой.

При передаточной сварке, сварное соединение можно получить на большом удалении от поверхности ввода ультразвуковых колебаний независимо от того, вводятся они в отдельной точке, или на небольшом участке поверхности верхней детали.

Благодаря хорошим акустическим свойствам полимерного материала, энергия ультразвуковой волны незначительно ослабляется при переходе через деталь, контактирующую с волноводом, к границе раздела свариваемых деталей. Такой способ сварки, называемый придаточной ультразвуковой сваркой (рис. 2), рекомендуется для соединения объемных деталей из жестких пластмасс.

Рис 2. Схема придаточной ультразвуковой сварки:

1 - волновод инструмент, 2 - свариваемые детали

Наиболее рациональным при этом являются стыковые и тавровые соединения деталей. Удаление поверхности ввода ультразвуковых колебаний от плоскости  раздела свариваемых деталей может составлять от 10 до 250 мм и зависти от упругих свойств полимерных материалов. В этом случае волновод желательно располагать по оси симметрии свариваемого изделия.

Если полимерный материал обладает низким модулем упругости (Е = 100 ÷ 200 МПа) и большим коэффициентом затуханий (δ = 0.35 с^-1), то сварное соединение можно получить только на малом удалении от плоскости ввода ультразвуковых колебаний. Для равномерного распределения  энергии  по всей площади контакта свариваемых деталей необходимо, чтобы форма и площадь рабочего торца волновода- инструмента, соприкасающегося с верхней деталью, и плоскости контакта свариваемых деталей были идентичны.

Такой способ сварки, называемый контактной ультразвуковой сваркой (рис. 3), обычно применяют для соединения мягких пластмасс, таких как полиэтилен, поливинилхлорид, а также пленок и синтетических тканей небольших толщин от 0.002 до 5 мм. При этом наиболее распространены нахлесточные соединения.

Передаточная сварка пластмасс часто вызывает ряд трудностей, связанных с потерей энергии ультразвуковых колебаний, в результате чего на границе раздела деталей не выделяется достаточно энергий для получения прочного соединения. Сварной шов получают в результате расплавления полимера в зоне контакта деталей. Нет никакой надобности разогревать весь объем материала при передаточной сварке. Ясно, что в процессе сварки необходимо стремиться к концентрации энергии ультразвуковых колебаний непосредственно на стыкуемых поверхностях.

Рис 3. Схема контактной ультразвуковой сварки:

а) прессовая, б) шовная, в) возможные формы конца волновода

1 - волновод инструмент, 2 - свариваемые детали, 3 - опора

Влияние площади контакта на концентрацию энергии

в сварочном шве

Для аналитического определения степени влияния площади контакта соединяемых деталей на концентрацию энергии рассмотрим случай сварки стержне высоты L << λ. Как известно [3], за счет потерь внутреннего трения в объеме полимера выделяется энергия, часть которой превращается в теплоту:

(1)

где W – часть выделяемой энергии в единице объема, которая переходит в теплоту, e – амплитуда динамических деформаций материала, ω – круговая частота, r – тангенс угла наклона механических потерь, E’ – динамический модуль упругости, t – время пропускания ультразвуковых колебаний. Удельная мощность P,  вводимая волноводом в единицу объема деталей составит:

(2)

Эта мощность постоянна, и не зависит от координаты сечения, так как S(x) = const.  Следовательно:

(3)

где S – площадь поперечного сечения, F – амплитуда динамической силы, A – амплитуда смещения. Максимальное значение A₀ можно определить из выражения

(4)

Для деталей постоянного сечения (рис. 4 а)

(5)

Если между свариваемыми деталями высотой l₀ = l₁+l₂  ввести зону с площадью S₂<S₁ высотой l₃ (рис 4 б), то

(6)

В этом случае F₂<F₁

Найдем отношение K=F₂/F₁. Решая совместно (5) и (6) получим:

(7)

Отсюда F₂ = KF_1. (8)

Для однородного образца

(9)

Решим совместно уравнения (3), (8) и (9)

(10)

Из формулы (2) следует

(11)

Сравним удельную мощность в образце с концентратором с удельной мощностью однородного образца:

(12)

Зависимость H от величины S(х) по высоте свариваемого изделия показана на рис. 4. Как видно из этого рисунка, удельная мощность возрастает при уменьшении площади поперечного сечения детали под волноводом. Следовательно, изменением формы и размеров свариваемых деталей можно концентрировать энергию ультразвуковых колебаний в том или ином сечении, что позволит ускорить процесс. Возможность концентрации энергии на свариваемых стыках путем уменьшения площади контакта подтверждена теоретически.

Рис 4. Качественная зависимость перераспределения удельной мощности по высоте свариваемых деталей от геометрии стыков:

а - без разделки, б - с разделкой (S₂/S₁ = 0.14), в - со ступенчатой разделкой

(S₃/S₁ = 0.5  S₄/S₁ = 0.08)

Уменьшение площади контакта деталей значительно повышает статические и динамические напряжения на стыках, что в свою очередь, ведет к понижению температуры перехода полимера в вязкотекучее состояние и что также способствует сокращению времени сварки.

Для определения контактной площади использовались 2 методики:

·         основанная на переносе фиксирующего вещества с плоскости на поверхность клина,

·         основанная на регистрации лучей свободно проходящих через пятно контакта между прозрачными материалами.

Первая методика применялась в основном при определении площади контакта между непрозрачными пластмассами.

Для определения площади контакта между V – образным выступом и плоским образцом из прозрачных материалов, нами было сконструировано специальное приспособление (рис. 5). Исследования проводились при различных температурах, что позволяло менять физико-механические свойства полимеров.

Приспособление состоит из стеклянной призмы (1), осветителя (2) и камеры нагрева (3), в которую помещаются образцы (4). Давление на V-образный выступ (клин) передается через толстое стекло (5) осветителя. В процессе проведения эксперимента при комнатной температуре (20о) часть света, попадающая на боковую поверхность клина, отражается  внутрь образца, а другая часть преломляется и рассеивается. Лучи, падающие на пятно контакта, свободно проходят через нижний образец, отражаются наклонной гранью стеклянной призмы и попадают в объектив фотоаппарата (6) или микроскопа.

Рис 5. Приспособление для определения площади контакта между образцами (клин - плоскость) из жестких и прозрачных пластмасс:

1 - стеклянная призма; 2 - осветитель; 3 - камера нагрева; 4 - свариваемые образцы;

5 - стекло осветителя; 6 - объектив фотоаппарата.

В настоящее время рекомендуются весьма разнообразные формы и размеры стыков деталей под ультразвуковую сварку, в зависимости от конкретных изделий и материалов. Но преобладающей является V – образная разделка кромок, которая проста в изготовлении и дает хорошие показатели прочности сварных соединений. Данные о величине угла при вершине V – образного выступа, приводимые в литературе [4, 5], часто разноречивы и не подтверждены экспериментально.

В результате проведенной работы с использованием описанных выше методик, мы пришли к выводу, что наиболее эффективным углом при вершине V - образного выступа является угол, равный 90⁰С, при котором обеспечивается максимальная площадь контакта деталей перед сваркой.

6. Систематизация разделок стыкующих кромок

Подача ультразвуковых колебания ведет к увеличению динамических напряжений в выступе, который под их воздействием быстро разогревается. Расплавляясь, материал выступа растекается меду свариваемыми кромками, что ведет к интенсивному поглощению энергии ультразвуковых колебаний, что ведет к интенсивному поглощению ультразвуковых колебаний, преимущественному разогреву и оплавлению материала деталей в сечении шва за счет резкого возрастания тангенса угла механических потерь. С момента начала размягчения вершина выступа, на продолжительность сварки будет оказывать значительное влияние индекс расплава, тем быстрее растекается материал выступа между свариваемыми кромками, тем быстрее заполняет он зазоры.

В связи с необходимостью сварки пластмассовых изделий весьма разнообразных форм и размеров, представляет интерес систематизация разделок стыкуемых кромок в зависимости от требований к готовой продукции и теплофизических характеристик свариваемого материала.

Требования к готовой продукции в зависимости от ее назначения можно разбить на 3 основные группы: 1) прочность, 2) герметичность, 3) эстетические требования.

Разделка кромок (рис. 6а) обеспечивает значительное повышение прочности сварного шва. Такая разделка требует точной подгонки углубления на одной из стыкуемых деталей к выступу на другой, что вызывает ряд производственных трудностей. Конструкция сварного шва (рис. 6б) не требует никакой тщательной подгонки, как шов на рис. 6а. При сварке изделий, к которым предъявляют повышенные эстетические требования, можно использовать разделки стыков, изображенных на рисунке 6 в, г.

Рис. 6. Конструкция кромок стыкуемых деталей:

(a = 0.1 мм, b - ширина контакта)

Разделки стыкуемых кромок, применяемые при сварке емкостей или контейнеров, изображенных на рис. 7 разделки а, в, г склонны к образованию видимого валика за счет выплесков расплавленной пластмассы. Использование раздело б, д, ж, з, и исключает видимый валик или его малозаметным

При изготовлении газо– и водонепроницаемых баллонов, предпочтение следует отдать разделкам б, д, ж, в, з, которые обладают достаточной прочностью и отвечают эстетическим требованиям. Конструкцию разделки, изображенную на рис. 7 и, рекомендуется использовать при сварке изделий из полиацетатной смолы, которая обладает малым интервалом температур вязкотекучего состояния.

Как видно из рис. 6 и 7, прочность достигается увеличением площади шва, герметичность – конструированием шва в виде ломаной линии, герметичность - конструированием шва в виде ломаной линии, эстетичность – принудительным выдавливанием гранта на невидимую сторону шва. Вид разделки кромок следует выбирать, руководствуясь требованиями, приведенными выше, учитывая серийность, технологию изготовления деталей и необходимую точность выдерживания размеров готовых изделий.

В некоторых случаях конструкция разделки проектируется с углами, отличными от 90⁰С. На рис. 7г изображена разделка кромок с углом при вершине выступа в 60⁰С, а на рисунке 7 д – 45⁰С. Между сопрягаемыми по вертикали деталями необходимо предусматривать зазор примерно 0,1 мм.

Рис. 7. Технологическая подгонка кромок для ультразвуковой сварки

Расчет высоты – V образного выступа зависит как от физико-механических свойств термопластов, так и от конструктивных особенностей свариваемого изделия. После заполнения полости часть расплава выдавливается в грант. Появление равномерного гранта по длине сварного шва свидетельствуют о хорошем качестве соединения [5].

Практическим путем была установлена взаимосвязь между толщиной стенки свариваемых деталей и размерами V – образного выступа, что показано на рис. 6, 7.

При соединении деталей большой площади рекомендуется делать несколькоV – образных выступов. В случае сварки плат с внутренними каналами, параллельно линиям каналов с двух сторон выполняют симметрично по два треугольных рельефа с каждой стороны. Наружный рельеф должен быть острее и выше внутреннего. При сдавливании поверхностей и подаче ультразвуковых колебаний, плавление материала и сварка происходит в первую очередь в месте контакта выступов и между ними. Для получения качественного соединения необходима строгая параллельность элементов сборки изделия рабочих поверхностей машины. [6, 7]

Малогабаритные детали несложной симметричной формы - цилиндры, конические изделия и изделия прямоугольной формы - сваривают за один контакт волновода с изделием, причем волновод устанавливают перпендикулярно к свариваемым поверхностям по оси симметрии соединения, а точка приложения волновода должна совпадать с центром симметрии изделия (см. рис. 2).

Сварку точечным волноводом с контактом в центре изделия применяют обычно для круглых изделий с V-образной разделкой кромок диаметром до 50 мм. С увеличением диаметра изделий до 120-150 мм применяют контурные волноводы, копирующие всю поверхность изделия. Это необходимо для получения герметичного шва.

Однако даже для изделий сложной формы следует отдавать предпочтение точечным, а не контурным волноводам. Для различных случаев следует иметь набор волноводов. В зависимости от формы литого изделия можно использовать волноводы с плоской или фигурной рабочей поверхностью.

При сварке изделий сложной формы с неровной контактной поверхностью (в виде гофр, сеток, решеток или какого-либо рисунка) установка рабочего торца волновода в центре изделия невозможна, поэтому следует использовать волноводы с наконечниками специальной формы.

Для сварки изделий сложной формы, когда одноконтактная сварка невозможна, следует использовать метод многоконтактной сварки (рис. 8). Если деталь сложная и длина сварного шва значительна, то количество точек и место ультразвуковых колебаний определяют экспериментально. Для косметических сосудов и сосудов, состоящих из корпуса и плотно входящей в него крышки, размещение волновода на поверхности изделия зависит от размера поперечного сечения и толщины стенки корпуса и крышки. В этом случае свариваемые поверхности должны быть увеличены, чтобы исключить проминание и растрескивание изделий при сварке. [8, 9]

Рис. 8.

Часто возникает необходимость жесткой посадки одной детали в другую. Эту операцию можно качественно выполнить ультразвуковой сваркой. Для этого на ввариваемой детали делаются выступы (бурки), которые выполняют роль концентратов напряжений и присадочного материала. Оптимальные размеры получаются при расположении буртика посередине ввариваемой детали. Если ввариваемая деталь имеет большую высоту, то необходимо предусмотреть несколько буртиков.

При сварке пластмассовой детали квадратного сечения с тонкостенной камерой достигается экономичное использование энергии ультразвуковых колебаний за счет формы детали. На двух сторонах квадратной детали делаются выступы. Внешний размер ввариваемой детали должен быть подобран так, чтобы после сварки он был равен размеру камеры в свету.

Деталь жестко выставляется в камеру, стенки которой незначительны (0.3 – 0.5 мм) выдавливают нагрузку (рис. 9б). Волновод устанавливается с одной стороны камеры над V – образным выступом. После включения ультразвука осуществляется одновременная контактная и передаточная сварка выступов детали со стенками камеры.

V – образные выступы расплавляются, и камера принимает свои истинные размеры. Одновременно сварка нескольких слоев термопластичных материалов сопровождается как большой деформацией  верхнего слоя, так и неравнопрочностью соединения между слоями.

Качество сварки можно существенно улучшить соответствующей подготовкой стыкующей поверхностей (рис. 9в): площадь контакта между отдельными слоями должна быть рассчитана из условий равномерного распределения энергии в зоне контакта. Изменить площадь контакта можно, варьируя величину угла при вершине V – образного выступа или конструируя выступы в форме трапеции с различной площадью основания.

Концентрировать энергию ультразвуковых колебаний в зоне сварки можно также и применением порошка или стружки того же состава, что и соединяемые детали, либо совместимых с ними в расплавленном состоянии. Порошок или стружка, наряду с выполнением функций концентраторов энергии, являются также и присадочным материалом. Диаметр зерен присадочных порошков рекомендуется выбирать в пределах 0.05÷0.1мм.

Рис 9. Технологическая подгонка кромок при ультразвуковом прессовании (а),

сварке в двух плоскостях (б) и многоэлементной сварке (в)

(a=0.1÷0.25мм, b=0.25÷1.25мм, c=0.25÷1.25мм)

Выводы

1.      Удельная мощность, выделяемая в единице объема деталей при ультразвуковой сварке, существенным образом зависит от площади контакта между ними.

2.      При конструировании стыков свариваемых деталей необходимо предусмотреть разделку кромок для уменьшения площади контакта и увеличении динамических напряжений в зоне сварки.

3.      В случае применения в конструкции треугольного выступа, необходимо угол при вершине последнего брать близким к 90⁰С.

4.      Установлено, что при сварке крупногабаритных изделий, имеющих сложную конфигурацию и габариты, превышающие 300×60×20 мм, получить сварное соединение можно только за несколько операций

Список литературы

1.      Волков С.С. Сварка и склеивание полимерных материалов: Учебное пособие для вузов. – М.: Химия,. 2001. – 376 с.

2.      Волков С.С., Орлов Ю.Н., Черняк Б.Я. Сварка пластмасс ультразвуком. – М.: Химия, 1974. – 267 с.

3.      Волков С.С., Черняк Б.Я. Сварка пластмасс ультразвуком. – М.: Химия, 1986. – 254 с.

4.      Сварка полимерных материалов: справочник / К.И.Зайцев, Л.Н.Мацюк, А.В.Богдашевский и др.; Под общ. ред. К.И.Зайцева, Л.Н.Мацюк. – М.: Машиностроение, 1988. – 312 с.

5.      Волков С.С., Черняк Б.Я. Сварка пластических масс: Учебное пособие. – М.: Химия, 1987. – 168 с.

6.      Гуль В.Е., Акутин М.С. Основы переработки пластмасс. – М.: Химия, 1985. – 168 с.

7.      Переработка пластмасс: справочник / Под редакцией А.В.Богдашевского. – М.: Машиностроение, 1985. – 296 с.

8.      Технология и оборудование для соединения изделий из полимерных материалов / Под редакцией Г.Н.Кораба. – Киев: ИЭС им. Е.О.Патона, 1983. – 144 с.

9.      Шадер В. Обработка и сварка полуфабрикатов из пластмасс. – М.: Машиностроение, 1980. – 593 с.