Вы здесь

Оптимизация режима сварки пластмасс в высокочастотном электрическом поле

Авторы: 
А.В. Марков, Н.В. Трофимов, Ю.П. Юленец

A problem to define an optimum regime of HF welding process in plastics is considered. According to mathematical model derived welding process equipment is presented as multilayer plate “metal (high potential electrode) – insulator – thermoplast – insulator – metal (grounded electrode)”. Temperature distribution in each layer is calculated under the action of additional condition, i.e. to assign softening point to variable circumseam depth.

As a result there’re determined the optimal parameters of HF welding process in plastics of various thickness th at true provide a maximum strength in seam joint and at the same time do not distort the shape of connectable pieces.


Сварка пластмасс в высокочастотном (ВЧ) электрическом поле находит широкое применение в промышленной практике. Основное преимущество метода заключается в возможности быстрого и локального (в зоне свариваемого шва) нагрева соединяемых поверхностей без проплавления всего объема материала [1, 2]. Тем самым ВЧ-сварка позволяет получить механически прочные соединения (близкие по прочности к целому материалу) без искажения формы свариваемых деталей (например, без нарушения их плоскостности). Однако для достижения такого результата требуется тщательный экспериментальный подбор режимных параметров процесса. Действительно, согласно [2] оптимальные режимы сварки до сих пор рекомендуется находить экспериментальным путем, причем индивидуально для каждой конкретной конструкции технологической оснастки. Учитывая отсутствие технической возможности контроля температуры в области сварного соединения, неудивительно, что подобрать экспериментально режимные параметры процесса (напряженность электрического поля в материале или напряжение на рабочем конденсаторе, время сварки) удается лишь в простейших случаях (сварка полимерных пленок и тонких листовых материалов), для которых искажение формы соединяемых деталей не имеет особого значения. В настоящей работе предпринята попытка определения оптимальных параметров режима сварки на основе теоретического анализа тепловых процессов, протекающих в термопласте под воздействием ВЧ-электрического поля с учетом конструктивных особенностей технологической оснастки.

Типовой конструкцией технологической оснастки для ВЧ-сварки листовых термопластов и объемных деталей является рабочий конденсатор с электродами различной формы с размещенными между ними изоляционными вкладышами. Наличие вкладышей из термостойкого нетермопластичного диэлектрика способствует уменьшению тепловых потерь в электроды и увеличивает КПД сварочной установки. Представим сварочный рабочий конденсатор как многослойную пластину металл (высокопотенциальный электрод) – изолятор (вкладыш) – свариваемый термопласт – изолятор (вкладыш) – металл (заземленный электрод) – рис.1. Распределение температуры в каждом слое описывается уравнением нестационарной теплопроводности с внутренними источниками тепла:

1)

с начальным условием

2)

В уравнениях (1), (2):

T, Tн локальная и начальная температура;
x текущая толщина слоя;
xi координата границы слоя;
λ коэффициент теплопроводности материала слоя;
сp удельная теплоемкость материала слоя;
ρ плотность материала слоя;
p удельная мощность внутренних источников тепла;
i номер слоя: 1 – металл, 2 – изолятор, 3 – термопласт, 4 – изолятор, 5 – металл.

На внешних границах электродов теплообмен с окружающей средой пренебрежимо мал:

3)

На границах слоев имеет место равенство температур и тепловых потоков – граничные условия четвертого рода:

4)

Удельная мощность внутренних источников тепла отлична от нуля только для третьего слоя (свариваемого термопласта):

5)

где

ε0 абсолютная диэлектрическая проницаемость воздуха (вакуума);
ε3"=ε3'tgδ3 фактор диэлектрических потерь термопласта;
ε3' относительная диэлектрическая проницаемость термопласта;
tgδ3 тангенс угла диэлектрических потерь термопласта;
E средняя напряженность электрического поля в термопласте;
f частота ЭМ-поля.

Для определения временной продолжительности сварки уравнения (1)-(5) решаются численно при заданном значении температуры в сварном шве, равном температуре текучести термопласта: , и заданной напряженности электрического поля (или заданном значении напряжения на рабочем конденсаторе). В простейшем случае сварки в электрическом поле плоскопараллельного рабочего конденсатора соотношение, связывающее напряженность E и напряжение Up на рабочем конденсаторе, имеет вид [3]:

6)

где

di толщина слоев.

Экспериментально установлено [1, 4], что оптимальное время сварки, обеспечивающее наибольшую механическую прочность сварного шва без искажения формы соединяемых деталей, определяется глубиной прогрева околошовной зоны. Введем дополнительное условие

7)

и будем искать оптимальное время ВЧ-сварки τсв при y = var.

где

xs шов;
(xs ± y) расстояние от сварного шва (рис.1);
Tp температура размягчения термопласта.

Уравнение (1) с условиями (2)-(7) решалось численно методом конечных разностей [5].

Рис.1

Литература

  1. Федорова И.Г., Безменов Ф.В. Высокочастотная сварка пластмасс. – Л.: Машиностроение, 1990.
  2. Волков С.С. Сварка и склеивание полимерных материалов. – М.: Химия, 2001.
  3. Княжевская Г.С., Фирсова М.Г. Высокочастотный нагрев диэлектрических материалов. – Л.: Машиностроение, 1980.
  4. Коробова В.В., Федорова И.Г. Выбор критериальных характеристик при высокочастотной сварке термопластов. Технология и оборудование для сварки и склеивания пластмассовых труб в системах газо- и водоснабжения. – Киев: ИЭС им.Е.О.Патона, 1985. – С.87 – 91.
  5. Самарский А.А. Теория разностных схем. – М.: Наука, 1977.
Категория: 
Сварка ТВЧ

Добавить комментарий