7.2 Ультразвуковая сварка пластмасс

Мощные ультразвуковые колебания находят широкое применение в промышленности, а также в науке для исследования некоторых физических явлений и свойств веществ. В технике ультразвук используют для обработки металлов и в дефектоскопии. Широко применяется в медицине. В сварочной технике ультразвук может быть использован в различных целях. Воздействуя им на сварочную ванну в процессе кристаллизации, можно улучшить механические свойства сварного соединения, благодаря измельчению структуры металла шва и удалению газов. Ультразвук снижает или снимает собственные напряжения и деформации, возникающие при сварке. Одним из наиболее перспективных применений ультразвука является ультразвуковая сварка (УЗС)

Основными отличительными чертами УЗС пластмасс является:

1) возможность сварки по поверхностям, загрязненным различными продуктами;

2) локальное выделение теплоты в зоне сварки, что исключает перегрев пластмассы, как это имеет место при сварке нагретым инструментом, нагретыми газами и т.д.;

3) возможность получения неразъемного соединения при сварке жестких пластмасс на большом удалении от точки ввода УЗ энергии;

4) возможность выполнения соединений в труднодоступных местах;

5) при УЗС нагрев материала до температуры сварки осуществляется быстро; время нагрева исчисляется секундами и долями секунды.

Способ УЗС пластмасс заключается в том, что электрические колебания УЗ частоты (18-50 Кгц), вырабатываемые генератором, преобразуются в механические колебания сварочного инструмента - волновода и вводится в свариваемый материал. Здесь часть энергии механических колебаний переходит в тепловую, что приводит к нагреву зоны контакта соединяемых деталей до температур вязкотекучего состояния. Для обеспечения надлежащих условий ввода механических колебаний и создание тесного контакта свариваемых поверхностей прикладывается давление между волноводом и опорой. Такой контакт обеспечивается статическим давлением Рст. рабочего торца волновода на свариваемые детали. Это давление способствует также концентрации энергии в зоне соединений. Динамическое усилие F, возникающее в результате колеблющегося волновода, приводит к нагрузу свариваемого материала, а действие статического давления Рст. обеспечивает получение прочного сварного соединения. Механические колебания и давление в этом случае действуют по одной линии перпендикулярно к свариваемым поверхностям. Такая схема ввода энергии применяется для УЗС пластмасс в отличие от "металлической схемы, когда механические колебания действуют в плоскости соединяемых поверхностей, а давление перпендикулярно к ним. Подвод энергии от волновода может быть односторонним и двусторонним.

По характеру передачи энергии и распределению ее по свариваемым поверхностям УЗС делится на контактную и передаточную.

Возможность передачи механической энергии к зоне сварки зависит от упругих свойств и коэффициента затухания колебаний и свариваемых материалах. Если полимер характеризуется низким модулем упругости и большим коэффициентом затухания, то сварное соединение можно получить лишь на малом удалении от плоскости ввода колебаний. Сварка по такой схеме называется контактной УЗС. Контактная УЗС обычно применяется для соединения изделий из мягких пластмасс, таких как полиэтилен полипропилен ПВХ, а также пленок и синтетических тканей небольшой толщины - от 0,02 мм до 5 мм. При этом способе сварки наиболее распространены соединения внахлестку.

Если полимер обладает высоким модулем упругости и низким коэффициентом затухания, то сварное соединение можно получать на большом удалении от ввода механических колебаний. сварка по такой схеме называется передаточной УЗС. Передаточную сварку рекомендуется применять для соединения объемных деталей из жестких пластмасс, таких как полистирол, полиметилметакрилат, капрон и др. Здесь соединения получают встык, втавр. Удаление поверхности ввода механических колебаний от плоскости раздела свариваемых деталей зависит от упругих свойств материала и может составлять от 10 до 250 мм (рис.3).

Установлено, что развитие и образование сварного соединения зависит от степени концентрации напряжений в зоне сварки и может быть интенсифицировано за счет создания искусственных концентраторов напряжения. Наиболее распространенным способом сварки с использованием искусственных концентраторов является сварка с разделкой кромок, причем наилучшие результаты получаются, когда одна из деталей имеет V-образный выступ. Концентрация напряжений может быть создана также при увеличении шероховатости поверхностей, или когда на свариваемые поверхности насыпают крошку из того же материала (рис.4).

В зависимости от перемещения волновода относительно изделия УЗС разделяется на прессовую и непрерывную.

Прессовая сварка выполняется за одно движение волновода и применяется как для контактной, так и передаточной сварки.

Непрерывная сварка обеспечивает получение непрерывных протяженных сварных швов за счет относительного перемещения волновода и свариваемых изделий и применяется для сварки изделий из полимерных пленок из синтетических тканей, мешков, фильтров и т.д. Здесь применяется как ручная, так и механизированная сварка. Для непрерывной сварки используются схемы с фиксированной осадкой и фиксированным зазором.

Возможность получения сварных соединений определяется количеством тепловой энергии, выделяющейся в зоне соединения и теплоотводом из этой зоны. Так как количество выделяющейся в зоне сварки энергии определяется количеством энергии, вводимой в свариваемое изделие, то возникает необходимость дозирования последней.

По принципу дозирования вводимой механической энергии ультразвуковая сварка подразделяется на сварку:

с фиксированным временем протекания ультразвукового импульса;

с фиксированной осадкой;

с фиксированным зазором;

с дозированием энергии по кинетической характеристике

(по изменению амплитуды смещения опоры).

Основными параметрами ультразвуковой сварки, характеризующими выделение энергии в зоне соединения, является: амплитуда колебаний рабочего торца волновода А (мкм; частота колебаний f (кГц); продолжительность ультразвукового импульса t св/с/ или в случае непрерывной сварки - скорость сварки V св. /м/с/; сварочное статическое давление Рст. /Па/ или усиление прижатия F /н/ волновода к материалу.

Дополнительные параметры режима сварки - размеры, форма и материал опоры и волновода, материал теплоизоляционных прокладок; температура предварительного подогрева волновода и т.д.

Основные параметры режима взаимосвязаны. Время, необходимое для сварки, зависит от амплитуды колебаний и сварочного давления. При более высоких амплитудах необходимые свойства сварных соединений могут быть достигнуты при меньшем времени сварки, и наоборот. Определяющим параметром режима ультразвуковой сварки является амплитуда колебаний рабочего торма волновода, которая выбирается в пределах 30-70 мкм. Оптимальному значению амплитуды соответствует максимальная прочность и наилучшее качество сварного соединения.

Амплитуда колебаний, необходимая для обеспечения качественной сварки, связана с величиной сварочного давления и, кроме того, зависит от геометрических размеров свариваемых деталей, типа свариваемых полимеров и опоры, определяющих распределение характеристик звукового поля.

Оптимальные параметры режима сварки зависят от свойств свариваемого материала, толщины и формы изделий и других факторов и устанавливаются в каждом конкретном случае экспериментально к реальным изделиям. Оценка режима обычно проводится по показателям прочности сварного соединения. Кроме того, проверяют его на герметичность, деформацию и другие характеристики.

Свойства сварных соединений зависит не только от параметров режима сварки, но и от рабочего цикла. Рабочий цикл определяется последовательностью приложения давления, включения, прохождения и выключения ультразвукового импульса, выдержки изделия под давлением и снятия давления. Цикл сварки закладывается в основу выбора схемы механизма давления и включения ультразвуковых колебаний сварочных машин.

Наиболее распространенный рабочий цикл ультразвуковой сварки - статистическое давление - ультразвук. Статистическое давление Рст. прикладывается до включения ультразвуковых колебаний, остается постоянным в течение всего цикла и снимается с запаздыванием, после окончания формирования сварного соединения. Охлаждение материала сварного шва начинается, когда детали еще сжаты между волноводом и опорой. В течение всей операции сварки ультразвуковые колебания вводятся без перерыва в виде одного импульса. Такой цикл сварки используется на ультразвуковых установках МТУ-1,5, УПК-15, УПМ-21 и др.

При цикле ультразвук - статистическое давление ультразвуковые колебания включаются до приложения давления. Первоначальное включение ультразвука позволяет очистить свариваемые поверхности от загрязнений.

При сварке изделий из жестких полимеров, с целью уплотнения и повышения прочности сварного шва непосредственно после выключения ультразвуковых колебаний, увеличивается давление на волновод. Повышенное давление (ковочное усилие) должно следовать за выключением ультразвуковых колебаний через небольшой, строго контролируемый интервал времени. При относительно большом времени применение проковки не дает результатов, так как свариваемый материал успевает остыть до ее начала. При очень малом времени возможно выдавливание расплавленного материала из места сварки под действием значительного ковочного усилия. В этом случае возможны выплески и прожоги полимера. Такой рабочий цикл целесообразно использовать при необходимости получить герметичный шов на объемных деталях, выполненных из ударопрочного полистирола. При этом применяются специальные разделки шва в виде замковых и клиновидных канавок.

Возможна сварка синтетических тканей на основе капрона, нитрона, лавсана, полипропилена, хлорина и т.д. широко применяется для изготовления изделий технического назначения: фильтров, одежды, брезентов, палаток, а также клапанов, воротничков, петель, швов рукавов и т.п. Здесь происходит одновременная сварка и резка ткани. При этом производительность по сравнению с ниточными соединениями увеличена в 5-6 раз.

Соединение тканей нитками имеет ряд недостатков: отсутствие герметичности, образование гофров на шве, обрыв нитей при больших скоростях сшивания и т.д.

УЗС синтетических тканей выполняют двумя способами: 1) ткань неподвижна, двигается УЗ инструмент-пистолет; 2) ткань подвижна, сварочная головка закреплена на стационарной установке. В этом случае сварка может быть шовной, шовно-шаговой и профильно-прессовой. Свариваются ткани как полностью натуральные, так и с добавкой до 50% хлопка (толщина ткани - 40 мкм до 4000 мкм).

8. ОСОБЕННОСТИ СВАРКИ МЕДИ И ЕЕ СПЛАВОВ.

Особенности сварки цветных металлов и их сплавов обусловлены их физико-химическими и механическими свойствами: температурами плавления и кипения, теплоемкостью, теплопроводностью, способностями к окислению, поглощению газов и т. д. Температуры плавления и кипения цветных металлов относительно невысокие, поэтому при сварке легко получить перегрев и даже испарение металла. Если сваривают сплав металлов, то перегрев и испарение его составляющих может привести к образованию пор и изменению состава сплава. Способность цветных металлов и их сплавов легко окисляться с образованием тугоплавких окислов значительно затрудняет процесс сварки, загрязняет сварочную ванну окислами, снижает физико-механические свойства сварного шва. Ухудшению качества сварного соединения способствует также повышенная способность расплавленного металла (сплава) поглощать газы (кислород, азот, водород), что приводит к пористосtdти металла шва. Большая теплоемкость и высокая теплопроводность цветных металлов и их сплавов вызывают необходимость повышения теплового режима сварки и предварительного нагрева изделия перед сваркой. Сравнительно большие коэффициенты линейного расширения и большая литейная усадка приводят к возникновению значительных внутренних напряжении, деформаций и к образованию трещин в металле шва и околошовной зоне. Резкое уменьшение механической прочности и возрастание хрупкости металлов при нагреве могут привести к непредвиденному разрушению изделия. Для выполнения качественного сварного соединения применяют различные технологическе меры, учитывающие особенности каждого металла (сплава) и обеспечивающие получение шва с требуемыми физико-механическими свойствами.

Сварка меди и ее сплавов Медь получила большое применение в технике благодаря высокой электропроводности и теплопроводности, а также хорошей химической стойкости. При дуговой сварке меди следует учесть, что теплопроводность меди примерно в шесть раз больше теплопроводности железа. При температуре 500...600°С медь приобретает хрупкость, а при 700...800° С прочность меди настолько снижается, что уже при легких ударах образуются трещины. Плавится медь при температуре 1083° С. Свариваемость меди в значительной степени зависит от наличия в металле различных примесей: висмута, свинца, сурьмы, мышьяка. Чистая электролитическая медь обладает наилучшей свариваемостью. Расплавленная медь легко окисляется, образуя закись меди Cu₂О, и легко поглощает водород и окись углерода. При охлаждении в объеме металла выделяются пузырьки паров воды и углекислого газа, которые не растворяются в меди. Эти газы, расширяясь, создают большое внутреннее давление и приводят к образованию мелких межкристаллитных трещин. Это явление получило название водородной болезни меди. Сварку меди и ее сплавов производят только в нижнем положении или при очень малых углах наклона. Ручная дуговая сварка меди выполняется угольным или металлическим электродом. При сварке угольным или графитовым электродом в качестве присадочного материала применяют прутки из меди Ml, прутки из бронзы Бр.(ЭФ6,5-0,15 или медные прутки MCpl, содержащие до 1% серебра. Применяют также прутки из латуни ЛК62-0Д Для предохранения меди от окисления и улучшения процесса сварки применяют флюсы, которые наносят на разделку шва и на присадочные прутки. Флюсы применяют следующих составов: 1) буры прокаленной-68%, кислого фосфорнокислого натрия - 15%, кремниевой кислоты-15%, древесного угля - 2%; 2) буры прокаленной-50%, кислого фосфорнокислого натрия - 15%, кремниевой кислоты-15%, древесного угля - 20%. Можно также применять только буру, но лучше с присадкой 4...6% металлического магния. Листы толщиной до 4 мм можно сваривать с отбортовкой без присадочного металла, а более 4 мм - со скосом кромок под углом 35... ...45°. Сборка под сварку должна обеспечить минимальные зазоры (до 0,5 мм), чтобы предупредить протекание расплавленного металла шва. Рекомендуется также использовать подкладки из графита, асбеста или керамики. По концам шва следует сделать формовку. Сварку производят постоянным током прямой полярности. Длина дуги должна составлять 10... 13 мм, напряжение тока 45...60 В. Сварку ведут со скоростью не менее 0,2...0,3 ад/мин и при возможности за один проход. Режимы сварки угольным электродом зависят от толщины свариваемых кромок. При толщине листов до 4 мм используют угольные электроды диаметром 4...6 мм, а величину сварочного тока выбирают в пределах 140...320 А. При толщине листов более 4 мм применяют электроды диаметром 8... 10 мм при сварочном токе 350...550 А. После сварки металл шва проковывают (тонкие листы - в холодном состоянии, а толстые - в нагретом до температуры 200...350° С). Для повышения вязкости металла шов подвергают отжигу о нагревом до температуры 500...550° С и быстрым охлаждением в воде. При сварке металлическим электродом подготовка кромок и обработка шва производится так же, как и при угольном электроде. Металлические электроды изготовляют из меди Ml. Покрытие, рекомендуемое заводом «Комсомолец», имеет следующий состав: ферромарганца - 50%, ферросилиция (75%-ного) - 8%, полевого шпата - 12%, плавикового шпата - 10%, жидкого стекла - 20%. Толщина покрытия составляет 0,4 мм. Применяют также электроды марки ЭТ Балтийского завода со стержнем из бронзы Бр. КМц-3-1 и покрытием следующего содержания: марганцевой руды - 17,5%, ферросилиция (75%-ного) - 32%, плавикового шпата -32%, графита серебристого - 16% и алюминия - 2,5%. Связующим веществом является жидкое стекло. Покрытие наносят на стержень диаметром 4...6 мм слоем толщиной 0,2...0,3 мм. Сварку выполняют возможно короткой дугой на постоянном токе обратной полярности. Величину сварочного тока определяют из расчета 50...60 А на 1 мм диаметра электрода. Сварку меди в защитном газе выполняют угольным или вольфрамовым электродом на постоянном токе прямой полярности. Защитными газами служат аргон, гелий или азот. Присадочную проволоку применяют марки Ml или Бр.КМц-3-1. Автоматическую сварку меди производят под флюсом ОСЦ-45, АН-348-А или АН-20 проволокой диаметром 1,6...4 мм марки Ml или Бр. КМц-3-1. Напряжение тока составляет 38...40 В, величину сварочного тока принимают из расчета 100 А на 1 мм диаметра проволоки. Ток постоянный обратной полярности. Скорость сварки 15...25 м/ч. Листы толщиной более 8 мм требуют предварительного подогрева. После сварки производится обычная обработка шва.

Латунь - сплав меди с цинком - сваривают всеми способами, указанными выше для меди. Основное затруднение при сварке латуни связано с кипением и интенсивным испарением цинка, пары которого в воздухе образуют ядовитые окислы. При сварке латуни угольным электродом применяют присадочные прутки из латуни ЛМц-58-2 и флюс из молотого борного шлака или буры. Применяют также прутки из латуни типа Л К, содержащие кроме меди и цинка еще и кремний. При сварке плавящимся электродом применяют проволоку из латуни, содержащей цинка 38,5...42,5%, марганца 4...5%, алюминия 9,5%, железа 0,5...1,5% (остальное медь). Покрытие наносят в два слоя. Первый слой толщиной 0,2...0,3 мм состоит из марганцевой руды (30%), титанового концентрата (30%), ферромарганца (15%), мела (20%) и сернокислого калия (5%). Связующим веществом является жидкое стекло. Второй слой толщиной 0,8... 1,1 мм состоит из борного шлака, замешанного на жидком стекле. Автоматическая сварка латунных изделий производится электродной проволокой марки Ml под флюсом АН-348-А или ОСЦ-45 с добавкой 10 массовых частей борной кислоты и 20 массовых частей кальцинированной соды на 100 массовых частей флюса. Сварка ведется постоянным током прямой полярности. Напряжение тока 38...42 В. Величина сварочного тока при диаметре проволоки 2 мм составляет 300... ...480 А.

Бронза - сплав меди с оловом, алюминием, кремнием, марганцем, цинком и свинцом. При сварке угольным электродом оловянистых бронз в качестве присадочного материала применяют прутки из сплава, содержащего 95...96% меди, 3...4% кремния, 0,25% фосфора. Флюс - прокаленная бура или борный шлак. При сварке специальных бронз применяют прутки, изготовленные из бронз свариваемых марок или близких им по химическому составу. Ток постоянный прямой полярности. Сварку металлическим электродом фосфористой бронзы выполняют прутками следующего состава: 10... 12% олова, 0,15...0,45% фосфора, остальное - медь. Для свинцовых бронз применяют прутки из сплава, содержащего 21% свинца, 8% олова, 1,5% цинка, остальное - медь. Прутки покрывают различными защитными покрытиями. Ток постоянный прямой полярности. При диаметре прутка 6...8 мм величина сварочного тока составляет 200...300 А. Рекомендуется предварительный подогрев свариваемых деталей до температуры 250...300 С. Допускается легкая проковка сварного шва для улучшения качества наплавленного металла.