литература / Konstruirovanie_plastmassovykh_izdeliy_dlya_litya_pod_davleniem
.pdf
СБОРКА ИЗДЕЛИЙ, ИЗГОТОВЛЕННЫХ ЛИТЬЕМ ПОД ДАВЛЕНИЕМ |
463 |
позволяют сваривать их как в ближнем, так и дальнем полях [64,65J. Свариваемость ультразвуком аморфных термопластов ухудшается по мере возрастания их гибкости. Например, для сварки ударопрочного ПС требуется большая амплитуда колебаний, чем при сварке ПС общего назначения [51]. Эластичные термопласты вообще нельзя сваривать ультразвуком из-за избыточного демпфирования колебаний [54]. Сварка ультразвуком разнородных полимерных материалов возможна, если они имеют сход ные химическую структуру, текучесть и Г„. Значения 7^ двух свариваемых материа лов не должны отличаться более, чем на 14-22 °С [54, 55,61].
Изменения в составе пластмасс могут приводить к небольшим отличиям в результатах. ** В некоторых случаях.
С помощью ультразвука можно сваривать детали из вспененного термопласта, но сначала нужно сделать экспериментальную проверку. Свариваемость деталей из вспе ненных материалов ухудшается с уменьшением плотности пенистой структуры. В зо не сварного шва может происходить дополнительное вспенивание из-за непрореагировавших пенобразующих добавок [56].
464 КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИИ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ
Частично кристаллические термопласты
Частично кристаллические термопласты сложнее сваривать с помощью ультра звука, чем жесткие или полужесткие аморфные термопласты. Между тем детали из частично кристаллических термопластов, могут быть сварены с деталями из иден тичного материала при соблюдении требований технологического процесса и пра вильного конструирования мест соединения [58]. Частично кристаллизующиеся по лимеры больше демпфируют ультразвук, чем стеклообразные аморфные полимеры.
При сварке частично кристаллических термопластов необходимо: 1) повышение энергии, подаваемой от сварочной установки (то есть увеличение амплитуды колеба ний) и 2) сокращение расстояния между зоной контакта инструмента с деталью и со единяемой поверхностью [63]. Для сварки частично кристаллических термопластов почти исключительно используется технология ближнего ультразвукового поля. Ис пользование дальнего поля нежелательно, поскольку оно требует большего количе ства энергии и может привести к ускоренному плавлению на границе инструмент/ деталь, нежели в месте соединения [66]. Детали, соединяемые с помощью сварки, должны быть надежно закреплены. Отсутствие дополнительных опор у консольных участков может стать причиной растрескивания или даже разрушения деталей в про цессе сварки из-за высокой амплитуды колебаний. Ультразвуковые колебания, обес печивающие сварку, рассеиваются на отверстиях, выступах и изгибах, которые на рушают прямолинейное распространение ультразвука [63]. Амплитуда колебаний инструмента при сварке рассматриваемых термопластов должна быть в пределах 0,05-0,15 мм. Чтобы обеспечить такие высокие амплитуды колебаний при сварке, требуется использовать титановые инструменты. Подобно аморфным термопластам частично кристаллические материалы требуют подведения большей энергии для сварки с повышением их температуры плавления Тт и уменьшение модуля упругости и жесткости. Материалы типа ПТФЭ с очень высокой Тт, низким коэффициентом трения и низкой текучестью с трудом поддаются сварке ультразвуком.
В большинстве источников указывается, что концентраторы энергии не годятся при сварке частично кристаллических термопластов, когда требуется высокая проч ность и герметичность соединения. Это объясняется узким диапазоном температу ры плавления и затвердевания материала, не позволяющего получить прочный свар ной шов [58,66]. Расплав полимера затвердевает раньше, чем разовьется диффузия в зоне контакта образующейся (под действием концентратора энергии) пленки рас плава и примыкающих к ней поверхностей. В особых случаях могут использоваться концентраторы энергии больших размеров, обеспечивающие получение большей массы расплава [59]. Соединения со сдвигом материала и соединения «на ус» впол не пригодны для частично кристаллических термопластов. Они имеют высокую прочность и герметичность.
Сварка гигроскопичных пластмасс
Детали перед процессом литья под давлением теряют воду (из-за предваритель ной сушки перед процессом литья), но потом набирают ее со временем. Скорость абсорбции воды определяется типом материала, начальным содержанием влаги и ус ловиями окружающей среды. Такие гигроскопичные полимеры, как ПА 66 имеют настолько высокое содержание влаги на поверхности, что это оказывает влияние на
466 КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИЙ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ
Смазки-добавки
Внешние и внутренние смазки затрудняют сварку за счет уменьшения молеку лярного трения. Наружные смазки, кроме того, загрязняют поверхность детали. Вли яние на свариваемость внутренней смазки минимально, если ее содержание незначи тельное или она хорошо диспергирована. Рекомендуется провести эксперименты, чтобы достичь оптимальных результатов [63].
Антипирены
Влияние антипиреновых добавок на свариваемость зависит от типа добавок, их концентрации и степени распределения в объеме. Добавка антипиренов требует при сварке повышенной амплитуды колебаний.
Пластификаторы/повышающие ударную прочность модификаторы
Любые добавки, повышающие вязкость разрушения термопласта, увеличивают по глощающую способность материала и требуют подведения повышенной энергии для проведения сварки [63]. В экстренном случае детали их высокопластифицированпых эластичных термопластов вообще не удается сварить ультразвуком [56]. Иногда ми грация пластификатора может создать проблемы в связи с загрязнением поверхностей.
Пигменты
Пигменты в малых количествах мало влияют па свариваемость материалов. Су хие красители действуют так же, как и наполнители, но красители на масляной осно ве могут создавать трудности, если они выходят на поверхность [63].
Шлифовка
Шлифовка поверхностей не решает проблем, пока уровень загрязнения материа ла и степень деструкции материала не слишком высоки [63].
6.5.3. Вибрационная сварка трением
При этой сварке для нагрева используется трение деталей под давлением. Теплота выделяется как за счет трения, так и сдвиговых деформаций на контактной поверхно сти. Как только пленка расплава распространится на достаточную глубртну в зоне свар ки, сварной шов охлаждается и затвердевает под давлением [62]. Обычно под терми ном «вибрационная сварка» понимают процесс прямолинейной сварки трением. Кроме этого существует угловая вибрационная сварка [67]. Вибрационная сварка может быть использована для соединения почти всех термопластов и пригодна для деталей, сварные швы которых допускают неограниченное перемещение в противо положных направлениях. С помощью вибрационной сварки изготавливаются изде лия средних и больших размеров, например, бамперов транспортных средств [68,69].
Материалы
С помощью вибрационной сварки можно соединять детали из большинства тер мопластов. Даже такие материалы, как ПЭИ (полиэфиримид), РФС (полифепиленсульфид), ПЭЭК (полиэфирэфиркетон) и термопласты с высокой степенью крис талличности, которые трудно соединить, используя другие сварочные технологии поддаются вибрационной сварке [43, 70]. Необходимые параметры материала для вибрационной сварки аналогичны тем, которые важны для ультразвуковой сварки
СБОРКА ИЗДЕЛИЙ, ИЗГОТОВЛЕННЫХ ЛИТЬЕМ ПОД ДАВЛЕНИЕМ |
467 |
[54,69,71]. Аморфные материалы свариваются легче, чем частично кристаллические. Из-за несовместимости нельзя сваривать разнородные материалы. Метод неприго ден для очень гибких материалов, таких как термопластичные эластомеры. Вибраци онная сварка гигроскопичных материалов требует дополнительного учета реального содержания влаги в пластмассе, но здесь требования минимального содержания вла ги не столь жесткие, как при ультразвуковой сварке или сварке нагретым инструмен том [70]. Процесс вибрационной сварки менее чувствителен к загрязнению поверх ности, по сравнению с другими процессами сварки. Природа процесса такова, что эти загрязнения во время сварки удаляются [62].
Угловая вибрационная сварка
Угловая вибрационная сварка (криволинейная сварка вибротрением) использу ется для соединения деталей, где зона сварки находится приблизительно на одинако вом расстоянии от оси вращения. Соотношение длины к ширине в этом случае долж но быть меньше 1,5, чтобы избежать разницы скоростей вращения свариваемых поверхностей.
Прямолинейная вибрационная сварка трением
Прямолинейная вибрационная сварка может использоваться для соединения любых деталей, допускающих линейную вибрацию в одном направлении. Возвратнопоступательное перемещение на сварочной установке обеспечивается с помощью электромагнитов или гидравлического механизма. Механизм возвратно-поступа тельного перемещения заставляет вибрировать плиту или одну из деталей, в то время как другая остается неподвижной. Вибрирующая плита поддерживается с помощью набора плоских пружин. Давление сварки перпендикулярно направлению горизон тального перемещения, пружины возвращают вибрирующий элемент (и деталь) в ис ходное состояние после отключения механизма линейного перемещения [69]. Часто та колебаний при вибрационной сварке находится в пределах от 120 до 300 Гц. Линейное смещение детали в этом процессе составляет от 0,8 до 5,0 мм. Более высо кие частоты колебаний вибрационной сварки могут быть использованы с более низ кими амплитудами, и поэтому более пригодны для сварки деталей малых размеров, амплитуда перемещений которых ограничена, а также в тех случаях, когда необходимо ограничить образование наплывов [43]. Использование более высоких частот при сварке способствует улучшению качества швов у материалов с очень низким коэффициен том трения [70]. Продолжительность сварки находится в пределах от 1 до 10 с (обыч ные значения 2-4 с), а общая продолжительность цикла сварки от 6 до 15 с [54,62,64]. При вибрационной сварке не удается использовать центрирующие элементы, отли тые вместе с деталью. Окончательное совмещение деталей достигается в конце цикла вибрации, когда вибрирующий элемент возвращается в исходное состояние. Важно чтобы механизм фиксации детали, имеющей форму фитинга и обычно изготавливае мый из алюминия, был способен удерживать и центрировать деталь без перемещения.
Соединения
Процесс вибрационной сварки идеально подходит для деталей, имеющих плоскую или с небольшой кривизной соединяемую поверхность [54]. Одновременная сварка в нескольких плоскостях возможна при условии, что эти плоскости не мешают
468 КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИЙ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ
линейному перемещению. Соединение деталей вибрационной сваркой преимуще ственно осуществляется встык (рис. 6.118) [62]. Конструкция места соединения де талей, выполняемого вибрационной сваркой, должна обеспечивать их относительное перемещение и фиксацию положения их стенок. Применение соединения встык по фланцам (обычно их ширина в два раза превышает толщину стенки детали) увеличи вает жесткость стенки, облегчает фиксацию детали, гарантирует равномерное распре деление давления, создает большую площадь контакта и этим повышает прочность сварного шва [69]. Вибрационная сварка может привести к образованию большого количества наплыва материала. Чтобы замаскировать наплыв, могут быть оформле ны специальные ловушки (рис. 6.118).
Внутренние ребра и перегородки могут быть соединены сваркой одновременно с периметром изделия, если они по высоте достигают плоскости основного сварного шва. Внутренние ребра и стенки, расположенные перпендикулярно направлению виб рации, должны быть усилены косынками, так как оформление фланцев у них в про цессе литья под давлением невозможно из-за проблем с извлечением детали из фор мы. Внутренние стенки, параллельные направлению вибрации, должны перемещаться в канавке сопрягаемой детали, чтобы предотвратить изгиб [43].
Рис. 6.118. Типичная конструкция соединения деталей вибрационной сваркой. Соединение встык и видоизмененное соединения встык с ловушками для наплыва материала
Механизм процесса вибрационной сварки аналогичен механизму ротационной сварки и включает несколько последовательных этапов [54,62,71,72]. В начале проис ходит выделение тепла в результате трения поверхностей двух деталей. Поверхности размягчаются, и происходит вязкостная диссипация. Образующийся расплав пласт массы перемещается в горизонтальном направлении (что приводит к образованию на плыва, увеличивая глубину шва линейно продолжительности установившейся стадии). Когда вибрация прекращается, остаточная теплота и действие давления способствуют продолжению пенетрации и осадке материала, пока не произойдет вновь его затверде ние. Прочность соединения, достигаемая с помощью вибрационной сварки, не уступает прочности основного материала, если достигается нужная глубина сварного шва [54].
472 КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИЙ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ
достигается стационарная третья фаза, в течение которой фазы генерирование теп лоты балансируют с образованием буртика наплыва в результате горизонтального течения расплава под влиянием осевого давления. Во время последней литьевой фазы сварки вращательное движение резко или плавно прекращается прежде чем шов затвердеет.
Прочность соединения, полученного таким методом, определяется прочностью материала, конструкцией соединения и параметрами процесса. Прочные герметич ные сварные швы могут быть получены у изделий из большинства термопластов. Ро тационная сварка трением особенно эффективна при образовании соединения мате риалов, которые обладают низкой теплопроводностью, например, полиамидов или полиолефинов [43]. Продолжительность сварки короткая, обычно менее 1,0 с, плюс одна секунда, которая необходима для охлаждения. Частота вращения изменяется в диапазоне от 1000 об/мин для деталей большого размера до 18 000 об/мин для дета лей меньшего размера [75]. Линейная скорость на свариваемых поверхностях находит ся в пределах от 3 до 15 м/с. Давление сварки находится в диапазоне от 20 до 50 бар. Когда важным является обеспечение заданного углового смещения деталей, может быть применена орбитальная сварка трением (сварка вибротрением) [54].
6.5.5. Электромагнитная (индукционная) сварка
Электромагнитную сварку (ее еще называют индукционной) представляет собой метод образования соединения деталей из термопластов, при котором температура плавления в области сварного шва достигается с помощью индукционного нагрева. Этот гибкий и эффективный сварочный процесс может быть использован для соеди нения большинства термопластов. Во время индукционной сварки магнитоактивный пластмассовый имплантант нагревается в высокочастотном электромагнитном поле [43,54,62,77-83]. Оснащение для электромагнитной сварки состоит из генератора, охлаждаемой водой катушки, фиксаторов для выравнивания деталей, таблетки из магнитоактивного материала или электромагнитного присадочного материала. Генера тор вырабатывает ток высокой частоты (обычно в диапазоне от 2 до 8 МГц), проходящий в рабочей катушке, внутри которой размещены фиксирующие и направляющие эле менты для неподвижного и подвижного держателей.
Витки катушки расположены очень близко к области соединения деталей, кото рые находятся в фиксаторах, изготовленных из материалов, не абсорбирующих и не искажающих радиочастотное поле [54]. Перед сваркой электромагнитный присадоч ный материал в форме таблетки или прокладки укладывается в канавку одной из деталей (рис. 6.123).
Присадочным материалом обычно является полимерный материал с магнитоактивным наполнителем [82, 83]. Этот присадочный материал содержит мелкие диспергированные частицы размером порядка нескольких микрон из железа, оксида железа, коррозионностойкой стали или другого ферромагнитного материала, погло щающего электромагнитную энергию. Количество электромагнитного порошка обыч но бывает меньше 15 % от объема [77]. Уложенная в канавку прокладка подвергается индукционному нагреву, который возникает за счет гистерезиса и вихревых токов. Когда свариваются детали, изготовленные из разнородных пластмасс, «матрица»