Оптимизация режима высокочастотной сварки пластмасс по глубине прогрева околошовной зоны

На основе анализа температурного поля в термопласте, размещаемом в соответствующей технологической оснастке, рассмотрена задача определения оптимальных режимных параметров высокочастотной сварки пластмасс.

Показано, что оптимальным являются параметры процесса, обеспечивающие сравнительно узкую глубину прогрева околошовной зоны. Оптимальная глубина прогрева околошовной зоны определена на примерах высокочастотной сварки образцов из полиамида и поливинилхлорида.

With the help of analysis the distribution of temperature in thermal ethylic plastics included the system of electrodes forming a suitable technological equipment there’s considered a problem of optimal parameters definition in high frequency welding process of plastics. As it is shown, The optimal regime parameters are that to provide a relatively narrow near the seam zone depth of heating, the latter being defined on the examples of polyamide and polyvinyl chloride.


Технология сварки пластмасс в высокочастотном (ВЧ) электрическом поле находит широкое распространение 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 соединяемых деталей (например, без нарушения их плосткостности). Однако, для достижения такого результата требуется тщательный и весьма трудоемкий экспериментальный подбор параметров процесса. Так, согласно [2], оптимальные режимы ВЧ-сварки пластмасс до сих пор определяют индивидуально для каждой конкретной конструкции технологической оснастки.

В работе [3] предпринята попытка определения оптимального режима сварки деталей из полиамида на основе теоретического анализа температурного поля в толще термопласта. Показано, в частности, что наилучшие показатели (в частности, наибольшая механическая прочность соединений) обеспечиваются при вполне определенной глубине прогрева околошовной зоны. Однако, при решении этой задачи сварочная технологическая оснастка представлялась в идеализированном виде – электроды рабочего конденсатора контактировали непосредственно со свариваемыми деталями (симметричная тепловая задача). На практике для уменьшения теплоотвода в электроды и увеличения КПД сварочной установки между электродами и соединяемыми деталями как правило всегда размещают один или два вкладыша из термостойкого диэлектрика.

Определим оптимальные параметры режима ВЧ-сварки пластмасс для типовой конструкции технологической оснастки, когда изоляционный вкладыш заключен между одной из свариваемых деталей и электродом рабочего конденсатора (несимметричная тепловая задача).

Представим рабочий конденсатор как многослойную пластину металл (высокопотенциальный электрод) – изолятор (вкладыш) – свариваемый термопласт – 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)

5)

Удельная мощность p_i отлична от нуля только для третьего слоя (свариваемого термопласта):

6)

7)

Здесь

ε0	—	абсолютная диэлектрическая проницаемость воздуха (вакуума);
ε"3=ε3'tgδ3	—	фактор диэлектрических потерь термопласта;
ε'3	—	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 уравнение (1) с условиями (2)-(7) решается численно при заданном значении температуры в сварном шве, равном температуре текучести (или плавления) термопласта: , и заданной напряженности электрического поля (или заданном напряжении на рабочем конденсаторе). В простейшем случае сварки в электрическом поле плоскопараллельного рабочего конденсатора соотношение, связывающее напряженность E и напряжение U_p на рабочем конденсаторе, имеет вид [3]:

8)

где

di

—

толщина слоев.

Учитывая, что качество готовой продукции (механическая прочность соединения и показатель, характеризующий сохранение формы соединяемых деталей) зависит от глубины прогрева околошовной зоны, введем дополнительное условие

9)

и будем искать оптимальное время сварки τ_св как время, при котором обеспечиваются наилучшие качественные показатели готовой продукции.

В условии (9):

y	—	расстояние от сварного шва;
(xs ± y)	—	глубина прогрева околошовной зоны;
Tp	—	температура размягчения термопласта.

В таблицах 1-4 представлены результаты численного расчета (методом конечных разностей [4]) времен сварки τ_св деталей плоской формы из полиамида-610 и поливинилхлорида фиксированной толщины l при различной глубине прогрева околошовной зоны (y = var). Там же приведены результаты оценки качества изделий, изготовленных методом ВЧ-сварки. Качество сварки оценивалось испытаниями соединений на растяжение, а также путем инструментального контроля плоскостности сваренных изделий.

Из представленных данных видно, что оптимальная глубина прогрева оказывается различной для полиамида и поливинилхлорида. В первом случае (табл.1, табл.2) заданный температурный градиент (25°) достигается при довольно значительной глубине прогрева околошовной зоны, которая немного уменьшается при использовании вкладыша из ультрафарфора – табл.2. Во втором случае заданный температурный градиент не столь велик (15°), и качественная сварка может быть осуществлена даже при использовании вкладыша с низкой теплопроводностью (табл.3). При сварке поливинилхлорида с вкладышем из ультрафарфора зона оптимального режима кажется значительной (табл.4, режимы 1-3). Однако, уже при y > 0,4l требуемая режимом сварки напряженность электрического поля в материале резко возрастает, что делает работу сварочной установки неустойчивой из-за опасности пробоя воздушной прослойки между неизолированным электродом и деталью.

Оптимальным для ВЧ-сварки термопластов следует считать параметры процесса, обеспечивающие сравнительно узкую зону прогрева сварного шва. Этому условию отвечают: в случае сварки поливинилхлорида – режимы 1 и 2 (табл.3, табл.4), для которых y = (0,3 – 0,4)l; в случае сварки полиамида – режимы 2-4 (табл.2), для которых y = (0,45-0,55)l. При использовании в технологической оснастке вкладыша из микалекса качественная сварка оказывается возможной лишь при строго фиксированных значениях параметров U_p и E (табл.1, режим 2).

В целом, как общее правило, можно заключить, что в конструкции технологической оснастки для ВЧ-сварки пластмасс следует применять вкладыш из термостойкого диэлектрика с высокой теплопроводностью. Режимы сварки полиамида и поливинилхлорида (напряжение U_p, напряженность поля E, время сварки τ_св), соответствующие оптимальной глубине прогрева околошовной зоны, определяются данными табл.2 и табл.4. Режимы ВЧ-сварки других термопластов можно найти расчетом по математической модели (1)-(7), (9) при заданной оптимальной глубине прогрева околошовной зоны: E = (0,3-0,55)l.

Литература

1. Федорова И.Г., Безменов Ф.В. Высокочастотная сварка пластмасс. – Л.: Машиностроение, 1990. – 80 с.
2. Волков С.С. Сварка и склеивание полимерных материалов. – М.: Химия, 2001. – 376 с.
3. Марков А.В. Метод прогнозирования качества сварки термопластов // Пластические массы, 2006. – № 5. – С.44-46.
4. Самарский А.А. Теория разностных схем. – М.: Наука, 1977. – 656 с.
5. Балкевич В.Л. Техническая керамика. – М.: Стройиздат, 1984. – 256 с.