Автоматизированная система управления процессом высокочастотной сварки изделий из полиамида

Предложена структурная схема автоматизированной системы управления процессом высокочастотной сварки изделий из полиамида. Система, построенная на базе микропроцессорного контроллера, определяет мгновенную температуру в сварном соединении по непрерывно контролируемым параметрам объекта и реализует режим, обеспечивающий оптимальную в смысле качества сварки глубину прогрева материала в соединяемых деталях.

The structure scheme of an automatic control system of HF welding process in polyamides is proposed. The system built up on the base of microprocessor controller determines the running temperature in welding joint using plant uninterrupted parameters and realizes an optimal in welding quality meaning material heating in depth.


Высокочастотная (ВЧ) сварка пластмасс обеспечивает быстрый и локальный (в зоне свариваемого шва) нагрев соединяемых поверхностей без проплавления всего объема материала. Качество сварных соединений (прочность, герметичность), полученных ВЧ-методом, как правило, превышает качество соединений при других методах сварки [1, 2]. Однако, технология ВЧ-сварки термопластов, отличающихся узким диапазоном перехода в жидкотекучее состояние и одновременно высокой температурой этого перехода, остается недостаточно совершенной. Для таких материалов (к их числу относятся полиамиды) требуется точное соблюдение теплового режима в области сварного соединения, что практически невыполнимо в условиях изменения параметров процесса – температуры электродов рабочего конденсатора (возрастающей по мере увеличения числа сварок) и электрофизических свойств термопласта, зависимость которых от температуры для полиамидов резко нелинейна, а вблизи температуры плавления не поддается точному определению [3, 4]. Необходимо добавить, что непосредственное измерение температуры в сварном соединении не представляется возможным. В настоящей работе рассматривается решение задачи управления тепловым режимом ВЧ-сварки изделий из полиамида на основе применения АСУ.

Математическая модель процесса сварки термопластов (наложенных друг на друга листов материала) в однородном электрическом поле высокой частоты получена в работе [5] и имеет вид:

1)

2)

3)

Здесь

T (τ, x)	—	локальная температура материала;
Tш(τ) = T(τ, 0)	—	температура шва;
Tн	—	начальная температура материала;
Tэ	—	температура электродов рабочего конденсатора (предполагается, что в течение одного цикла сварки значение Tэ не изменяется, а изменяется лишь при переходе от цикла к циклу);
l	—	полутолщина материала между электродами (толщина свариваемой детали);
x	—	текущая координата (текущая толщина);
x = 0	—	координата свариваемой поверхности (шва);
τ	—	время;
cр	—	удельная теплоемкость материала;
ρ	—	плотность материала;
λ	—	коэффициент теплопроводности материала;
p = ωε0ε"E2	—	удельная мощность внутренних источников тепла;
ω = 2πf	—	угловая частота ЭМ-поля;
f	—	частота ЭМ-поля;
ε0	—	абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума;
ε"	—	фактор диэлектрических потерь материала;
	—	напряженность электрического поля в материале;
Up	—	напряжение на рабочем конденсаторе.

Основная задача управления процессом состоит в определении продолжительности цикла сварки. Из уравнения (1) следует, что интенсивность сварки, т.е. время достижения в шве температуры текучести термопласта T_тек (для полиамида-610 T_тек = 225 °С), в числе других параметров зависит от мгновенного значения мощности, являющейся функцией от фактора диэлектрических потерь. В связи с трудностью точного измерения температурной зависимости фактора диэлектрических потерь полиамидов в настоящей работе используется метод непосредственного определения мгновенной мощности внутренних источников тепла по мгновенным параметрам объекта (ВЧ-генератора с нагрузкой) [5, 6]:

4)

Здесь

xсв	—	реактивное сопротивление элемента связи между контурами двухконтурного генератора;
r1	—	собственное активное сопротивление первичного (анодного) контура;
γ = α1/α0; α0, α1	—	коэффициенты разложения импульса анодного тока;
Iа0	—	постоянная составляющая анодного тока генератора;
Сэ	—	эквивалентная емкость генераторной лампы;
Ср	—	емкость рабочего конденсатора;
Сдоб	—	емкость добавочного конденсатора, включенного последовательно с рабочим (причем Сдоб >> Ср);
V	—	объем, занимаемый материалом в рабочем конденсаторе;
Uдоб	—	ВЧ-напряжение на конденсаторе Сдоб.

Согласно [7, 8] существенное влияние на интенсивность сварки оказывает не только напряженность электрического поля, но и температура электродов. Однако сокращение времени сварки, наблюдаемое с ростом этих параметров, не является самоцелью, так как может отрицательно сказаться на качестве сварного соединения. Так, при увеличении T_э глубина прогрева околошовной зоны увеличивается. Следствием чрезмерного прогрева материала в глубину является деформация свариваемой детали. В табл.1 приведены рассчитанные на основании численного решения уравнения (1) с условиями (2) значения глубин x_д прогрева материала до опасной температуры T_р – температуры размягчения полиамида (T_р = 200 °С) в различных режимах.

Таблица 1 — Влияние температуры электродов на глубину прогрева полиамида–610 до температуры T_р в различных режимах сварки (2l = 3,5 мм)

Tэ, °С	Расстояние xд от шва, на котором T = Tр, мм
	E = 1,14 кВ/см (Uр = 400 В)	E = 1,71 кВ/см (Uр = 600 В)
20	0,625	0,75
40	0,7	0,85
45	0,72	0,9
60	0,75	0,95
80	0,8	1,11

Экспериментально установлено, что деформация (нарушение плоскостности) свариваемой детали происходит, если прогрев ее до T = T_р осуществляется на глубину более половины толщины (в табл.1 при x_д > l = 0,875 мм). Таким образом второй задачей управления процессом является автоматическое задание режима ВЧ-нагрева при переменной температуре электродов исходя из условия обеспечения требуемого качества сварки.

В начальный момент времени выбирается форсированный режим ВЧ-нагрева – устанавливается максимально-допустимое значение напряжения на рабочем конденсаторе: U_р = U_р1 – рис.1. Наиболее высокий темп ВЧ-нагрева полиамида развивается вблизи первого максимума диэлектрических потерь (при T_кр1 = 144 °C [3]). Вместе с тем критической в отношении качества сварки является температура электродов = 40 °C (табл.1). Таким образом, в момент времени τ₁, когда температура шва T_ш(τ₁) = T(τ₁, 0) достигнет значения = T_кр1, в случае, если T_э ≤ , режим ВЧ-нагрева не изменяется (U_р = U_р1); если же T_э > , то режим ВЧ-нагрева ослабляется – устанавливается пониженное значение напряжения на рабочем конденсаторе U_р = U_р2 (рис.1). В момент времени τ_св, когда температура в сварном шве достигнет заданного значения T_тек, ВЧ-нагрев прекращается.

На операцию загрузки свариваемых деталей в оснастку затрачивается некоторое время τ_згр, в течение которого ВЧ-нагрев отсутствует. Возможный предварительный подогрев деталей от горячих электродов, нагревшихся в течение предыдущих циклов сварки, учитывается аналитическим решением уравнения (1) с условиями (2), (3) при p(τ) = 0, c_р = const:

5)

Структурная схема АСУ процессом ВЧ-сварки изделий из полиамида разработана в соответствии с описанным алгоритмом и представлена на рис.2.

Объект управления включает в себя пресс, между плитами которого размещается технологическая оснастка, ВЧ-генератор, соединенный с высокопотенциальной подвижной плитой пресса посредством ВЧ-фидера, регулируемый выпрямитель анодного питания генератора. Температура T_э высокопотенциального электрода измеряется дистанционно с помощью ИК-термометра.

Напряжение U_доб снимается с ВЧ-пресса. Связь между высокочастотным напряжением на выходе генератора U_общ (U_общ ≈ U_p), напряжением анодного питания генератора E_a и напряжением на входе регулируемого выпрямителя E_упр выражается соотношениями: E_a = k₁E_упр, U_p ≈ U_общ = k₂E_a, где k₁, k₂ – коэффициенты.

Оператор вводит исходные данные в микропроцессорный контроллер, осуществляет загрузку ВЧ-пресса технологической оснасткой с установленными деталями изделия, производит подачу давления в блок привода прижимной плиты пресса.

При подаче оператором давления на пресс блок 2 микропроцессорного контроллера получает сигнал «Запуск расчета T(τ_згр, x)». Производится опрос ИК-термометра. По измеренному значению T_э производится расчет температурного поля в материале по уравнению (5), по окончании которого выдается сигнал «Конец расчета T(τ_згр, x)» и устанавливается управляющее напряжение E_упр1, соответствующее ВЧ-нагреву при напряжении на рабочем конденсаторе U_p1. При появлении сигнала E_упр1 автоматически включается режим НАГРЕВ ВЧ-генератора с одновременным запуском таймера. Начиная с этого момента по поступающей из объекта информации о текущих параметрах I_а0(τ) и U_доб(τ) в режиме реального времени рассчитываются мгновенная мощность p(τ) (по уравнению (4)) и мгновенная температура в сварном соединении T_ш(τ) = T(τ, 0) (уравнение (1) с граничным условием (3) и начальным условием: T₀(x) при 0 ≤ x ≤ l решается методом сеток с шагами Δτ, Δx). Если T_э > (с заданной точностью Ψ₁), то на первом входе элемента И появляется сигнал логическая «1». В момент времени, когда с заданной точностью Ψ₂ удовлетворяется равенство: T_ш = , на втором входе элемента И появляется сигнал логическая «1». Тогда управляющее напряжение E_упр ступенчато изменяется до значения E_упр2, соответствующего напряжению на рабочем конденсаторе U_p2 (рис.1). В случае невыполнения первого условия, т.е. когда T_э ≤ , управляющее напряжение не изменяется и переключение не происходит. При равенстве (с заданной точностью Ψ₃) температур T_ш и T_тек по сигналу от компаратора 3 с помощью переключателя управляющих напряжений устанавливается E_упр = E_упр0, и НАГРЕВ ВЧ-генератора отключается. Тогда включается таймер и запускается реле РВ на время выдержки τ_выд свариваемых деталей под давлением. По истечении времени τ_выд по сигналу от РВ давление с прижимной плиты снимается, и оператор извлекает из пресса технологическую оснастку с готовым изделием.

Для технической реализации всех функций АСУ, в том числе вычисления мгновенной мощности p(τ) и решения дифференциального уравнения (1) в частных производных в режиме реального времени, целесообразно использовать микропроцессор сигнального типа, содержащий АЦП и сочетающий в себе функции интеллектуального контроллера.

Рассмотренная АСУ опробована в процессе высокочастотной сварки изделий из полиамида-610. На рис.3 показано распределение температур в материале в различных режимах сварки, реализуемых с помощью АСУ. Видно, что вне зависимости от температуры электрода прогрев материала до опасной температуры T_р = 200 °С происходит на глубину менее, чем половина толщины свариваемой детали. Таким образом, благодаря применению АСУ сварка протекает без деформации (изменения плоскостности) соединяемых деталей; одновременно обеспечиваются заданные прочность и герметичность сварного соединения.

Литература

1. Сварка полимерных материалов / Под ред. К.И.Зайцева, Л.Н.Мацюк. – М.: Машиностроение, 1988. – 312 с.
2. Федорова И.Г., Безменов Ф.В. Высокочастотная сварка пластмасс. – Л.: Машиностроение, 1990. – 80 с.
3. Boyd R.H., Porter C.H. Effects of melting on dielectric relaxation in poly (hexamethylene sebacamide)//Journal of Polymer Science, 1972. – Part A 2. – Vol.10. - № 4. – Р. – 647 – 656.
4. Электрические свойства полимеров /Б.И.Сажин, А.М.Лобанов, О.С.Романовская и др. / Под ред. Б.И.Сажина. – Л.: Химия, 1986. – 224 с.
5. Марков А.В., Юленец Ю.П., Румынский С.Н. Автоматический контроль температуры в процессе высокочастотной сварки пластмасс // Сварочное производство, 2005. – № 4. – С.45-47.
6. Юленец Ю.П., Марков А.В. Определение тангенса угла диэлектрических потерь и влагосодержания по параметрам установки высокочастотного нагрева //Известия вузов. Приборостроение, 1997. – Т.40. – № 5. – С.60-65.
7. Глуханов Н.П., Федорова И.Г. Высокочастотный нагрев диэлектрических материалов. – Л.: Машиностроение, 1972. – 160 с.
8. Волков С.С. Сварка и склеивание полимерных материалов. – М.: Химия, 2001. – 376 с.