Математическая модель оптимального режима высокочастотной сварки пластмасс

Основное преимущество высокочастотной (ВЧ) сварки пластмасс заключается в возможности быстрого и локального (в зоне свариваемого шва) нагрева соединяемых поверхностей без проплавления всего объема материала. При этом качество сварных соединений, прежде всего механическая прочность, превышает качество соединений при других методах сварки. Однако, до настоящего времени режимные параметры процесса определяют экспериментальным путем [1]. Принимая во внимание отсутствие технических средств контроля температуры в области сварного соединения, можно утверждать, что основное преимущество ВЧ-сварки не реализуется на практике в полной мере. В самом деле, экспериментально подобрать оптимальный режим ВЧ-нагрева (напряженность электрического поля в материале или напряжение на рабочем конденсаторе, время сварки) с учетом тепловых процессов, протекающих в термопласте и в сварочной оснастке, не представляется возможным. В настоящей работе предложена математическая модель ВЧ-сварки пластмасс, позволяющая определять оптимальные параметры процесса с учетом конструкции технологической оснастки и изменения электрофизических свойств термопласта.

Сварка листовых термопластов и объемных деталей производится в электрическом поле рабочего конденсатора с электродами различной формы. Для уменьшения тепловых потерь в электроды, т.е. для увеличения КПД сварочных установок, в практической конструкции технологической оснастки между электродами рабочего конденсатора размещают вкладыш из термостойкого нетермопластичного диэлектрика. Описанная конструкция является типовой конструкцией технологической оснастки для процесса ВЧ-сварки пластмасс.

Рассмотрим рабочий конденсатор для ВЧ-сварки пластмасс как многослойную пластину металл (высокопотенциальный электрод) — изолятор (вкладыш из диэлектрика) — свариваемый термопласт — металл (заземленный электрод). Распределение температуры в каждом слое описывается уравнением нестационарной теплопроводности с внутренними источниками тепла:

1)

с начальным условием

2)

при

В уравнениях (1), (2):

Т, Тн	—	соответственно локальная и начальная температура;
x	—	текущая толщина;
xi	—	координата границы слоя;
λ	—	коэффициент теплопроводности;
ср	—	удельная теплоемкость;
ρ	—	плотность материала слоя;
р	—	удельная мощность;
i	—	номер слоя; 1 - металл, 2 - изолятор, 3 - термопласт, 4 - 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)

при ,
при .

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

На внешних границах электродов теплообмен с окружающей средой пренебрежимо мал:

5)

где

ε0	—	абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума;
f	—	частота ЭМ-поля;
ε″	—	фактор диэлектрических потерь;
Е	—	средняя напряженность электрического поля в термопласте.

Для определения оптимального времени сварки τ_св и оптимальной напряженности поля Е уравнения (1)-(5) решаются численно при заданном значении температуры в сварном шве и дополнительном условии:

6)

Здесь

l	—	толщина свариваемой детали;
Ттек	—	температура текучести термопласта;
Тр	—	температура размягчения термопласта

Условие (6) означает, что температура на половине толщины свариваемой детали не должна превышать Т_р. Тем самым задается оптимальная глубина прогрева околошовной зоны, обеспечивающая сварку без изменения формы соединяемых деталей [2].

На рис.1 представлена зависимость τ_св от толщины свариваемых деталей, рассчитанная при следующих значениях параметров: Т_н=20 °С, Т_р=200 °С, Т_тек=225 °С; материалы слоев технологической оснастки: латунь — микалекс — полиамид-610 — латунь; толщина электродов 6 мм, толщина вкладыша из микалекса 4 мм.

Напряженность поля Е в цикле сварки не остается постоянной, так как с ростом температуры диэлектрическая проницаемость ε′ термопласта возрастает. В подписи к рисунку интервал изменения Е для каждой из толщин свариваемого термопласта указан под нумерацией, соответствующей цифрам на графике.

1. Федорова И.Г., Безменов Ф.В. Высокочастотная сварка пластмасс. Л.: Машиностроение, 1990.
2. Марков А.В. Метод прогнозирования качества сварки термопластов. Пластические массы. 2006. №5.