Высокочастотная сварка деталей из пластмасс в изделиях сложной формы

Высокочастотная (ВЧ) сварка термопластов хорошо зарекомендовала себя в промышленной практике. Основным преимуществом метода является быстрый и локальный (в зоне свариваемого шва) нагрев соединяемых поверхностей без проплавления всего объема материала. При этом качество сварных соединений (прочность, герметичность), как правило, превышает качество соединений при других методах сварки [1,2]. Вместе с тем технология ВЧ-сварки разработана в основном для соединения деталей в изделиях простой формы. Однако, в производственной практике весьма распространены изделия из пластмасс сложной пространственной формы, в которых сварке подлежат не только внешние (доступные для приложения электрического поля), но одновременно и внутренние поверхности соединяемых деталей. Реализация высокочастотной, как, впрочем, и других методов сварки, в подобных случаях встречает большие затруднения как в части создания технологической оснастки для организации единовременного сварочного цикла, так и в отношении управления режимом процесса. В настоящей работе рассматривается способ ВЧ-сварки деталей из термопластов в изделиях сложной формы.

Для определенности обратимся к конкретному примеру: в изделии из полиамида (рис.1) сварке (за один сварочный цикл) подлежат соединения «крышка 1 – корпус 2» (по периметру) и «крышка 1 – перегородка 3». Здесь перегородкой 3 корпус 1 делится на два отсека, которые должны быть герметично изолированы друг от друга. До настоящего времени соединение «крышка – корпус» получают методом ВЧ-сварки, а соединение «крышка – перегородка» – склеиванием, что не обеспечивает надежной герметизации отсеков.

На рис.2 показано устройство технологической оснастки для реализации процесса ВЧ-сварки деталей заданной конфигурации одновременно в двух соединениях.

Сварка крышки 1 с корпусом 2 производится в электрическом поле двух внешних электродов, установленных по обе стороны свариваемых деталей – высокопотенциального 3 и заземленного 4, между которыми заключен вкладыш 5 из изоляционного материала – микалекса. В отсеках корпуса, образованных перегородкой 6, размещены два внутренних электрода 7, выполненные в виде отрезков тонкостенных труб прямоугольного сечения, плотно прилегающих к стенкам корпуса и перегородки. С наружной стороны корпуса установлен третий внешний электрод 8, соединенный с заземленным электродом 4 через конденсатор переменной емкости С_v. Для концентрации напряженности поля вблизи соединения «перегородка - крышка» электроды 7 выполнены разновысотными – высота стенок электродов, прилегающих к перегородке, меньше высоты корпуса на толщину корпуса, а противоположные стенки электродов ниже корпуса не менее, чем на пятикратную его толщину. Напряжение U_p1 от ВЧ-генератора приложено к электродам 3 и 4, образующим рабочий конденсатор C_p1. Напряжение U_p2 между внутренними электродами 7 и высокопотенциальным электродом 3, образующими рабочий конденсатор C_p2, наводится полем электродов 8 и 3. Таким образом конденсаторы C_p2 и С_v оказываются включенными последовательно – рис.3.

Тангенс угла диэлектрических потерь термопластов, как правило, незначителен: tgδ ≤ 0,3 [2]. В таком случае можно считать, что напряжения U_p2 и U_v на конденсаторах C_p2 и С_v распределяются обратно пропорционально их емкостям [3]:

1)

откуда c учетом

2)

Необходимым условием качественной сварки деталей корпуса и крышки, особенно существенным для полиамидов – термопластов с очень узким температурным интервалом вязкотекучего состояния и одновременно высокой температурой этого перехода [2,4], является равенство времен сварки в соединениях – времен достижения в каждом сварном шве температуры текучести термопласта (для полиамида – 610: Т_тек = 225 °С). Исследуем, каким образом можно добиться требуемого результата.

Удельная мощность внутренних источников тепла по определению равна [5]:

3)

где

Будем считать, что условия теплоотвода в обеих электродных системах (рис.2) приблизительно одинаковы. Тогда, чтобы добиться равенства времен сварки в каждом из соединений, достаточно обеспечить равенство удельных мощностей p₀₁ и p₀₂ в объемах V₁ и V₂, занимаемых материалом соответственно в рабочих конденсаторах C_p1 и C_p2. Однако, электроды этих рабочих конденсаторов различны по форме, распределение электрического поля в каждом из них существенно неоднородно. Расчет средней напряженности поля в материале в таких электродных системах представляет большие трудности. Покажем в связи с этим, каким образом при выбранном межэлектродном расстоянии (или иначе: фиксированной высоте электродов 7) можно задать режим ВЧ-нагрева, обеспечивающий необходимое равенство времен сварки в соединениях: τ_св1 = τ_св2.

Технологическое устройство (рис.2) включает в себя конденсатор переменной емкости С_v, с помощью которого, как следует из выражения (2), становится возможным регулировать режим сварки во втором соединении - напряжение U_p2. Для определения величины U_p2 требуется предварительная настройка.

На первом ее этапе электроды 7 из отсеков корпуса удаляют, задают режим ВЧ-нагрева: U_p = U_p1 и при известном объеме материала V₁ производят сварку соединения «крышка – корпус» по периметру в поле электродов рабочего конденсатора C_p1, контролируя удельную мощность p₀₁(τ) – рис.4.

Формула для определения мгновенной мощности внутренних источников тепла по текущим параметрам ВЧ-генератора с нагрузкой имеет вид [6]:

4)

где

Вычислительный блок (рис.4) на основе поступающей из объекта информации (анодного тока I_а0 и напряжения U_v) рассчитывает по уравнению (4) мгновенную мощность p(τ).

Момент окончания цикла сварки τ_св1 определяется экспериментальным или расчетным путем. В первом случае за величину τ_св1 принимают момент времени, при котором прекращается нарастание анодного тока генератора I_а0 [7]. Во втором случае величина τ_св1 определяется более точно – на основании решения уравнения нестационарной теплопроводности, описывающего температурное поле в термопласте, нагреваемом внутренними источниками тепла [8, 9]. Для условий рассматриваемой задачи (рис.2) уравнение теплопроводности в каждом из контактирующих друг с другом слоев записывается следующим образом:

5)

с начальным условием

6)

На внешних границах электродов теплообмен с окружающей средой пренебрежимо мал:

7)

На границах слоев температуры и тепловые потоки равны (граничные условия четвертого рода):

8)

Удельная мощность p_i внутренних источников тепла отлична от нуля только для термопласта:

9)

Величина p₃ = p₁ определяется из соотношения (3).

Здесь T, T_н – соответственно начальная и локальная температура материала слоя; x – текущая координата (текущая толщина слоя); λ, c_р, ρ – соответственно коэффициент теплопроводности, удельная теплоемкость и плотность материала слоя; i – номер слоя; x_i – координата границы слоя. Индексами обозначены: 1 – латунь (высокопотенциальный электрод); 2 – микалекс (изоляционный вкладыш); 3 – термопласт (полиамид); 4 – латунь (заземленный электрод).

В целом уравнения (3), (5)–(9) описывают тепловые процессы при ВЧ-сварке термопласта в рабочем конденсаторе C_p1, представленном в виде многослойной пластины металл – микалекс – термопласт – металл.

Для нахождения τ_св1 уравнения (5)–(9) и (3) решаются численно при заданном значении температуры в сварном шве: [9].

На втором этапе настройки сварку осуществляют одновременно в обоих соединениях при новом значении объема, занятого материалом: V = V₁ + V₂. Для этого используют второй комплект деталей.

Электроды 7 устанавливают в корпус, выдерживая определенное межэлектродное расстояние (например, так, чтобы высота стенок электродов, прилегающих к перегородке, отличалась от высоты корпуса на его толщину). Включают ВЧ-нагрев и, контролируя напряжения U_p1 и U_v, подбирают, а затем фиксируют величину C_v таким образом, чтобы выполнилось условие: p₀₁(τ) = p₀₂(τ) = p(τ). После чего вычисляют напряжение U_p2 : U_p2 = U_p1 - U_v . Полученное значение U_p2 устанавливает режим ВЧ-нагрева, обеспечивающий равенство времен сварки в обоих соединениях: τ_св1 = τ_св2 = τ_св. В дальнейшем (при практической эксплуатации технологической оснастки) достаточно один раз установить величину C_v по шкале отсчета емкости – она автоматически задает напряжение U_p2. Задание напряжения U_p1 предусмотрено схемой питающего генератора.

Из-за резкой зависимости фактора диэлектрических потерь ε'tgδ полиамида от температуры удельная мощность не остается постоянной в течение сварочного цикла [6,8]. Однако в рамках рассматриваемой методики настройки достаточно добиться равенства удельных мощностей уже в начальный момент сварки и в этот момент произвести отсчет напряжения U_v.

Качество готовой продукции оценивалось по результатам контроля герметичности сварных соединений, который осуществляли путем подачи в отсеки изделия сжатого воздуха избыточным давлением 0,1 МПа. Экспериментальная проверка показала, что ВЧ-сварка за один цикл деталей из полиамида толщиной 2 мм в рассмотренном технологическом устройстве (при толщине перегородки, равной 2 мм, толщине высокопотенциального и заземленного электродов 6 мм, толщине изоляционного вкладыша из микалекса 4 мм, толщине внутренних электродов 0,2 мм) обеспечивает герметичность каждого из соединений в режимах средней и высокой интенсивности (при U_p1 = 1300 ÷ 900 В, U_p2 = 940 ÷ 650 В, τ_св = 11 ÷ 25 с). В менее интенсивных режимах (U_p1 = 800 ÷ 700 В, U_p2 = 580 ÷ 510 В, τ_св = 33 ÷ 127 с) герметичность соединения «крышка – перегородка» нарушается, что, по всей вероятности, обусловлено опережающей по темпу сваркой этого соединения из-за сравнительно меньшего отвода тепла от полиамида в электроды рабочего конденсатора C_p2. Следствием завышенного времени сварки является перегрев сварного шва и околошовной зоны, температура которых достигает температуры деструкции термопласта. Таким образом при реализации рассмотренного способа сварки необходимо использовать режимы высокой интенсивности.

Литература

1. Волков С.С. Сварка и склеивание полимерных материалов. – М.: Химия, 2001. – 376 с.
2. Федорова И.Г., Безменов Ф.В. Высокочастотная сварка пластмасс. – Л.: Машиностроение, 1990. – 80 с.
3. Атабеков Г.И. Основы теории цепей. – М.: Энергия, 1969. – 424 с.
4. Сварка полимерных материалов / Под ред. К.И.Зайцева, Л.Н.Мацюк. – М.: Машиностроение, 1988. – 310 с.
5. Высокочастотный нагрев диэлектриков и полупроводников / А.В.Нетушил, Б.Я.Жуховицкий, В.Н.Кудин, В.П.Парини. – М.-Л.: Госэнергоиздат, 1959. – 480 с.
6. Марков А.В., Юленец Ю.П. Многофункциональный контроль параметров технологического процесса в электротермической установке высокочастотного диэлектрического нагрева // Электротехника, 2007. – № 7. – С.60-64.
7. Тростянская Е.Б., Комаров Г.В., Шишкин В.А. Сварка пластмасс. – М.: Машиностроение, 1967. – 251 с.
8. Марков А.В., Румынский С.Н., Юленец Ю.П. Автоматический контроль температуры в процессе высокочастотной сварки пластмасс // Сварочное производство, 2005. – № 4. – С.45-47.
9. Марков А.В. Метод прогнозирования качества сварки термопластов // Пластические массы, 2006. – № 5. – С.44-46.