Тара и ее производство - Ефремов Н.Ф.
ISBN 5-8122-0274-5
Скачать (прямая ссылка):
Технологические параметры нагрева и сварки упаковки (время нагрева и выдержки, давление, температура и напряженность электрического поля) практически устанавливаются экспериментально для каждого вида материала и конструкции тары и упаковки. Кроме перечисленных выше технологических параметров на прочность сварного шва большое влияние оказывает конечная толщина сварного шва. Утонение материала в процессе сварки связано с усилием сжатия и другими параметрами сварки соотношением [43]
P =
.2
S1J
Ф2
tb
2' (5.28)
о
182
ще P— давление. Па; б0-толщина пленок до сварки, см: S1 — толщина материала в зоне сварного шва, см; т\ — коэффициент динамической вязкости. Пас; t — продолжительность сварки, с.
Поскольку значения t, Ь, г] можно считать постоянными для данного типа свариваемого материала и выбранного технологического процесса, то утонение в первую очередь зависит от давления.
5.2.1.4. Ультразвуковая сварка
Сварка ультразвуком основана на нагреве контактирующих поверхностей полимеров до вязкотекучего состояния в результате превращения энергии колебаний ультразвуковой частоты (16-50 кЩ) в тепловую энергию. Схема ульразвуковой сварки приведена на рис. 5.34. Соединяемые детали 3 зажимают с усилием P между концом инструмента 2 и пассивным 4 или настроенным 5 отражателем. При подаче тока высокой частоты на обмотку вибратора I в нем возникают продольные высокочастотные механические колебания, которые передаются через концентратор с инструментом 2 к свариваемым материалам 3. Давление на свариваемые детали осуществляют инструментом или пассивным отражателем, В качестве пассивного отражателя используют материал, гасящий ультразвуковые колебания, — резину, древесину их п.
Для уменьшения потерь энергии за счет перехода колебаний в станину применяют настроенный отражатель 5. Его выполняют из стального стержня, закрепленного на резиновой подложке 6. Высоту отражателя определяют экспериментально. Она составляет приблизительно четверть длины волны колебаний. Длина вибратора составляет полволны, длина инструмента — две полуволны.
Приведенным способом можно выполнять точечные, прямолинейные и замкнутые кольцевые швы диаметром до 100 мм за один рабочий цикл. Форма шва определяется формой и площадью рабочей поверхности инструмента.
Непрерывные швы получают при помощи роликовой сварки, схема которой приведена на рис. 5.35. В этом случае давление
183
Рис. 5.34. Схема ультразвуковой сварки с пассивным (ненастроенным) отражателем (а) и с активным отражателем (б): 1 — излучатель; 2 — концентратор с инструментом; 3 — свариваемые материалы; 4 — пассивный отражатель; 5 — настроенный отражатель; 6 — подложка
сварки невелико и нельзя применять активный отражатель. Поэтому толщина свариваемых пленок ограничена до 50 мкм.
Ультразвуковые колебания представляют собой упругие волны, распространяющиеся в любой материальной среде- В иде-альной среде, в которой отсутствует внутреннее трение, бегущая волна описывается выражением
l7 = Asln(u>t + toc). (5.29)
где (У— смещение вдоль оси X произвольной точки в любой момент времени t: со = 2nf — круговая частота; /= 1/Т— частота колебаний (число колебаний в единицу времени); T— период
184
колебаний; А — амплитуда смещения; /с = 2п/Х = to/ с— волновое число; Я = с T= с/J- длина волны; с — скорость перемещения фазы, или фазовая скорость.
Фазовая скорость звука для продольной волны в неограниченной твердой среде
е= \ (5.30)
где E — модуль Юнга; ^ — коэффициент Пуассона; р — плотность среды; К— модуль объемного сжатия: G — модуль сдвига.
При распространении упругой волны происходит перенос энергии, причем в процессе колебаний энергия периодически переходит из потенциальной в кинетическую и наоборот. Полная средняя энергия в бегущей волне [5)
Ё = 05рш2 А2 =2т? J2A2Q. (5.31)
В сварочном аппарате электрические колебания ультразвуковой частоты, вырабатываемые генератором» излучателем преобразуются в механические продольные колебания. Эти колебания передаются к свариваемым деталям волноводом. Волновод представляет собой металлический стержень переменного сечения, уменьшающегося в направлении свариваемых деталей. Волновод иначе называют концентратором. Масса верхней широкой части волновода mt больше массы его нижней узкой части т2. Поскольку волновод является жестким, усилия в верхнем и нижнем его сечениях одинаковы:
Рис. 5.35. Схема роликовой ультразвуковой сварки: 1 - излучатель: 2 — концентратор; 3 — пружина; 4 — прижимный полоз; 5 — свариваемые материалы; 6 - ролик
185
Cl2Ux dt2
d2U
(5.32}
где d2 Ux/d t2 и d2 U2/d t2 — ускорения, с которыми движутся массы ITi1 и FiT2-
Так как Hi1 > Tn2* а волновод колеблется с одинаковой частотой (о = O)1 = W2. то с учетом выражения (5.29)
ще Ai и A2 — амплитуды смещений масс Tn1 и тщ соответственно.
Таким образом, амплитуда смещения тонкого конца волновода больше амплитуды смещения его толстого конца. Из уравнения (5.31} видно, что в этом случае энергия, подводимая к свариваемым деталям, значительно превышает энергию излучателя.
Вопрос о характере преобразования энергии механических колебаний в тепловую энергию и разогреве вследствие этого свариваемых деталей является одним из самых важных. С ним связано не только познание физических основ ультразвуковой сварки, но и разработка методов практического расчета параметров режимов сварки. Эти методы должны позволить получить уравнение, связывающее параметры режима сварки, например, в виде
