Тара и ее производство - Ефремов Н.Ф.
ISBN 5-8122-0274-5
Скачать (прямая ссылка):
где ^Б — время сварки; — статическое давление сварки; Тсв — температура сварки; gv д2* .... — свойства материала;
J1J2.....Ji — геометрические размеры сварочных швов.
Все явления, протекающие при ультразвуковой сварке, обусловлены процессом деформации полимерных материалов, преимущественно термопластов, с ультразвуковой частотой. Поэтому определение функций (5.33) в явном виде связано с решением задач, содержащих уравнение движения сплошной среды, уравнения материального и энергетического балансов, а также уравнения состояния, описывающие взаимосвязь внешних воздействий и сопротивляемости
Аа>Л1>
(5.33)
186
среды. Уравнения энергетического баланса должны содержать внутренний источник энергии, интенсивность и распределение которого в объеме нагреваемого тела известны. Однако до настоящего времени не сложилось единого мнения по вопросу о физической природе источников теплоты при ультразвуковой сварке термопластов. Подробный анализ существующих по этому поводу точек зрения проведен в специальной литературе [5]. В общем виде задача о разогреве деталей при ультразвуковой сварке может быть решена только в рамках задач термовязкоупругости, в которых температурное поле определяется в зависимости от поля напряжений и деформаций вследствие нагревания материала за счет диссипации энергии.
Для ультразвуковой сварки тонких полимеров, толщина которых гораздо меньше четверти длины волны, а теплоотводом из зоны сварки можно пренебречь, справедливо соотношение |5)
dT nf A2 E2
где E2 — модуль потерь: с — удельная теплоемкость.
Из уравнения (5.34) следует, что скорость разогрева и характер термического цикла сварки зависят от комплексной характеристики материала FM:
гДе Ли = — тангенс угла механических потерь.
При условии, что л/Л2/(2 б2) = 1, комплексная характеристика материала FM равна скорости роста температуры за счет рассеивания механической энергии (см, уравнение (5.34}). В числитель комплексной характеристики FM входит модуль потерь E2, характеризующий количество рассеиваемой энергии, а в знаменатель — количество энергии, необходимое для разогрева единицы массы на один градус. Таким образом. FM характеризует соотношение между рассеиваемой и требуемой для нагрева энергиями.
187
К основным параметрам ультразвуковой сварки относят те. которые непосредственно влияют на количество механической энергии, подводимой к свариваемым материалам и превращаемой в тепловую энергию. Такими параметрами являются амплитуда колебаний рабочего торца волновода А(мкм), частота колебаний/(кГЦ), продолжительность ультразвукового импульса tCB (с) или скорость сварки v (м/с) и сварочное давление P0x (Па) или усилие прижатия волновода к материалу F(H).
Из уравнения (5.34) следует что время разогрева полимера до вязкотекучего состояния обратно пропорционально квадрату амплитуды А: при увеличении амплитуды возрастает энергия, подводимая к свариваемым материалам.
Обширный экспериментальный материал свидетельствует о том, что можно подобрать достаточно большое количество сочетаний А, Рст и/, при которых достигается высококачественное сварное соединение (5). При этом изменяется только время сварки. Если At P01. и/малы, то время сварки велико, и наоборот
Время рабочего цикла сварки определяется последовательностью приложения сварочного давления, включения, прохождения и выключения ультразвукового импульса, выдержки изделия под давлением и снятия давления.
Цикл сварки во многом определяет прочность сварного соединения, поэтому закладывается в основу при разработке технологии и машин, влияет на выбор принципиальной схемы механизма давления и управления ультразвуковыми колебаниями. Основные виды циклов ультразвуковой сварки пластмасс показаны на рис. 5.36.
При наиболее распространенном цикле (рис. 5.36, а) статическое давление Pc1. прикладывают до включения ультразвуковых колебаний, а снимают после их выключения с запаздыванием на время t,. Полное время цикла I11 при этом составляет
їц = *п + 'уз + ^ (5-36)
где — время предварительного сжатия давлением р^; Uy3 — время включения ультразвуковых колебаний; ?3 — время выдержки под давлением без ультразвуковых колебаний.
186
а
А УЗ УЗ
4 уз
CT
er
CT
t с
УЗ
d
+ УЗ
CT
CT
Cb
t с
УЗ
A
CT
t,c
t
CB
-4
Рис. 5.36. Основные виды рабочих циклов ультразвуковой сварки тары и упаковки из пластмасс
Во время выдержки под давлением рст после выключения ультразвуковых колебаний происходит охлаждение сварного шва. Это повышает качество и прочность сварного соединения на 40-50%.
Цикл с предварительным включением ультразвуковых колебаний и последующим приложением статического давления приведен на рис. 5.36. б. Первоначальное включение ультразвука дает возможность производить очистку свариваемых поверхностей, загрязненных различными веществами. В этом случае сварочное давление прикладывают к изделию постепенно. Касаясь изделия, волновод сообщает ему механические колебания, тем самым очищая поверхность перед сваркой. По окончании воздействия ультразвуковых колебаний выдерживают изделие под давлением и после времени t, давление снимают.
