Способ ультрозвуковой сварки полимерных пленок

 

1. СПОСОБ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СВАРКИ ПОЛИМЕРШХ ПЛЕНОК, включащий введение ультразвуковых колебаний и одновременное сдавливание соединяемы поверхностей пленок, отличаюfpuz .f щ и и с я тем, что, с целью повышения прочности сварного соединения, одновременно с введением ультразвуковых колебаний и сдавливанием соединяемых поверхностей сжимают пленки в околршовной зоне на участках, равных ширине шва, причем напряжение сжатия в околошовной зоне сначала уменьшают от величины сварочного давления до нуля, затем резко поднимают до величины , равной 1,05-1,15 величины сварочного давления, и сохраняют его до конца сварки. 2. Способ по п. 1,отличающ и и с я тем, что напряжение сжатия S в околошовной зоне снимают с величины сварочного давления до нуля в течение периода, равного половине времени сварки.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (19) (11) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCH0MY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

/И

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPbITHA (21) 3673325/23-05 (22) 16. 12.83 (46) 07.05.85. Бюл. В 17 (72) С.С.Волков, И.В.Мозговой, Л.А.Шестель и В.А.Соколов (71) Омский политехнический институт (53) 678.029.4(088.8) (56) 1. Тростянская Е.Б. и др. Сварка пластмасс.. М., "Машиностроение", 1967, с.73-74.

2. Тынный А.Н. и Тарноруцкий В.К.

Соединение пластмассовых деталей с помощью ультразвука. Львов, "Вища школа", 1979, с. 83-84 (прототип). (54)(57) 1. СПОСОБ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ

СВАРКИ ПОЛИМЕР1ЫХ ПЛЕНОК, включащий введение ультразвуковых колебаний и .одновременное сдавливание соединяемых поверхностей пленок, о т л и ч а ю4151) В 29 С 65/08 // В 29 Ь 7:00;

В 29 К 101:00 шийся тем, что, с целью повышения прочности сварного соединения, одновременно с введением ультразвуковых колебаний и сдавливанием соединяемых поверхностей сжимают пленки в околошовной зоне на участках, равных ширине шва, причем напряжение сжатия в околошовной зоне сначала уменьшают от величины сварочного давления до нуля, затем резко поднимают до величины, равной 1,05-1,15 величины сварочного давления, и сохраняют его до конца сварки.

2. Способ по п. 1, о т л и ч а юшийся тем, что напряжение сжатия в околошовной зоне снимают с величины сварочного давления до нуля в течение периода, равного половине времени сварки.

1154104

Изобретение относится к сварке пластмасс, а именно к ультразвуковой сварке полимерных пленок, например полиэтиленовой, полипропиленовой, полиэтилентерефталатной, а также комби- S нированных пленок, и может найти применение в машиностроительной, легкой, химической и др. отраслях промьппленности.

Известен способ контактно-тепловои

" 1О сварки термопластичных материалов, включающий нагрев соединяемых поверхностей и приложение давления не только в месте сварки, но и в близлежащей зоне охладительными элементами или изоляционньпчи пластинами, предотвращая нагрев околошовной зоны j1) .

Недостатком способа является то, что давление в околошовной зоне приложено одновременно и равно значению сварочного давления в течение всего периода сварки, вследствие чего поверхностные дефекты, загрязнения, газовые пузыри не вытесняются из зоны сварки, а остаются в шве. Это при- 5 водит к снижению прочностных показателей сварочного соединения.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является способ ультразвуковой 30 сварки полимерных пленок, включающий введение ультразвуковых колебаний и одновременное сдавливание соединяемых поверхностей пленок j2$ .

Недостатком известного способа является то, что отсутствие давления в зоне вокруг шва нри сварке тонких мягких эластичных моно- и многослойных полимерных пленок приводит к черезмерному и неуправляемому течению 4р расплавленного полимера в околошовную зону, что отрицательно сказывается на прочности сварных соединений.

Цель изобретения — повышенно прочности сварного соединения. 45

Указанная цель достигается тем, что согласно способу ультразвуковой сварки полимерных пленок, включающему введение ультразвуковых колебаний и одновременное сдавливание сое- gO диняемых поверхностей пленок, одновременно с введением ультразвуковых колебаний и сдавливанием соединяемых поверхностей сжимают пленки в околошовной зоне, на участках, равных ши- рине шва, причем напряжение сжатия в околошовной зоне сначала уменьшают от величины сварочного давления до нуля, затем резко поднимают до величины, равной 1,05-1,15 величины сварочного давления, и сохраняют его до конца сварки.

Напряжение сжатия в околошовной зоне снижают с величины сварочного давления до нуля в течение периода . равного половине времени сварки.

Изменение напряжений сжатия в зоне вокруг шва обеспечивает оптимальные условия теплообразования и регулируемого течения полимера из рабочей (сварочной) зоны эа ее пределы.

При этом в первый рабочий цикл с происходит подогрев контактирующих между собой приграничных слоев полимера, в которые входят и поверхностные дефекты — инородные включения, жировые пленки, воздушные прослойки и т.д.

При постепенном снятии напряжений сжатия в. зоне вокруг шва доведенные до вязкотекучего состояния граничные контактирующие между собой слои-объемы полимера под действием сварочного давления начинают вытесняться из рабочей в околошовную зону, транспортируя вместе с собой и поверхностные дефекты. Вследствие малой дозы энергии ультразвуковых колебаний объемы полимера, вытесненные из сварочной

{рабочей) зоны, не перегреты и не деструцированы. и

Во втором цикле с процесса сварки вокруг сварного шва создаются напряжения сжатия, значения которых составляют 1,05-1,15 от сварочного давления (P ) . Этим самым течение расплава полимера из рабочей зоны исключается и обеспечиваются условия протекания процессов взанмодиффузии и перемешивании микрообъемов расплава полимера между очищенными свариваемыми поверхностями полимерных пленок под действием ультразвуковых колебаний.

Все это приводит к повьппению прочности сварных соединений, во-первых, путем устранения в процессе сварки черезмерной и неуправляемой деформации сварного.шва и, во-вторых, путем обеспечения оптимальных условий протекания диффузионных процессов и перемешивания микрообъемов расплава полимера в зоне сварки.

На фиг. 1 — 3 изображена постадийно схема процесса ультразвуковой сварки полимерных пленок; на фиг. 4 — циклограмма процесса сварки.

1154104

Способ ультразвуковой сварки полимерных пленок осуществляется следующим образом.

Свариваемые моно- или многослойные пленки 1 располагают между опорой

2 и сварочным устройством — инсгрументом 3 и парой прижимов 4, находящихся с обеих сторон рабочего инструмента и обеспечивающих напряжения сжатия в околошовной зоне. 10

При этом ультразвуковой сварочный инструмент 3 и прижимы 4 создают равное по величине сварочное давление в околошовной зоне, т.е. Р =Р„ . Одновременно со сдавливанием включают 15 ультразвуковые колебания, и на первой ., стадии происходит процесс разогрева контактирующих между собой поверхностных слоев свариваемых пленок. Постеценное снижение напряжения сжатия в 20 зоне вокруг шва со значения Phyll до

0 с длительностью ь 1 обеспечивает условия локального разогрева объемов полимера в сварочной зоне до вязкотекучего состояния в начальный момент 25 стадии и упорядоченного, управляемого транспортирования (вытеснения) этих объемов полимера из рабочей сварочной зоны за ее пределы,при этом вместе с расплавленным полимером вытесняются ЗО и различные дефекты. Времени достаточно для разогрева. и вытеснения мак рообъемов полимера и образования двух валиков вытесненного полимера в периферийной зоне. На второй стадии в зо-. 35 не около шва создается напряжение сжатия в полимере, значение которого составляет 1,05-1,15 от сварочного давления (Р ) ° Это необходимо для того, чтобы устранять возможность те — 4р .чения полимера из рабочей (сварочной) зоны и обеспечить условия для активного протекания диффузионных процессов и перемешивания макрообъемов расплава, протекающих в сварочной зоне 4 под действием ультразвуковых колебании, Такое значение напряжения в зоне вокруг шва сохраняется до конца процесса сварки, причем сварочное давление неизменно.в течение всех стадий процесса сварки.

По окончании процесса сварки отключают ультразвуковые колебания, сварочное давление и в зоне вокруг шва снимают и производят подъем сва55 рочного устройства.

Ширина зоны с напряжениями сжатия полимера вокруг IllBB K o cTopoHbl рабочего инструмента имеет величину, необходимую и достаточную для обеспечения надежного "замыкания" объема полимера в сварочной зоне, доведенного до вяэкотекучего состояния, и имеют значение, равное ширине шва.

Пределы значений давления в околошовной зоне (Рд ) выбираются следующим образом.

При значениях давления P меньпр ше 1,05 Р, на второй стадии сжатия околошовной эоны не обеспечиваются условия удержания объема полимера в рабочей (сварочной) зоне, вследствие чего полимер, доведенный в процессе обработки ультразвуковыми колебаниями до вязкотекучего состояния, начинает под воздействием сварочного давления вытесняться из зоны сварки, что приводит к черезмерной деформации сварного шва и снижению его прочности.

Значения давления Р„г больше

1,15 Р приводит к черезмерной деформации в околошовной зоне и вытеснению "холодного" полимера в боковые области сварочной зоны, приводящие к деформации свариваемых поверхностей в сварочной зоне, вследствие чего ухудшается акустический контакт между свариваемыми поверхностями, что ухудшает условия сварки и снижает прочность сварного соединения.

Одновременно сваривают контрольные образцы по известной схеме, при этом прочность сварных соединений составляет 60-65Х от основного материала.

Пример 1. Производят ультразвуковую сварку полимерной плевки— .сополимера полиэтилена с полипропи-. деном (СЭП), толщиной Я"100-.150 мкм по схеме прессовой сварки со следующими технологическими параметрами: частота ультразвуковых колебаний

f=40 кГц; амплитуда колебаний рабочего торца инструмента А 25 мкм; сварочное давление Pe =const=1,0 МПа; общее время сварки С,в =0,5 с, при этом: время первой стадии i, =0,25 с; время второй стадии <> =0,25 c давление в околошовной зоне Р„> в первой стадии изменяется от P =1,0 МПа до 0; давление в околошовной зоне Р„г во второй стадии постоянно и составляет:

1 05 Р, 1 15 Р т е 1,051,15 KIa, при этом

PllP GSв

1154104 где d — напряжение сжатия в материале;

S — - площадь прижима.

Прочность сварных соединений составляет 80-857 от основного материа- 5 ла. управление стадиями процесса сварки осуществляется электронным блоком, рабочее давление в сварочной и околошовной зоне обеспечивается комбиниро- 1О ванной пружинно-электромагнитной системой (не показана).

Пример 2. Производят ультразвуковую сварку многослойной полимерной пленки — полиэтилен+полиэтилентерефталат+полиэтилен, с суммарной толщиной б =80 мкм (20ПЭ+40ПЭТФ+20ПЭ) по полиэтилентерефталатному слою с параметрами процесса сварки: частота ультразвуковых колебаний f=40 кГц; 0 амплитуда колебаний рабочего торца инструмента A=25-30 мкм; сварочное давление Р =const=2,0-2,2 MIIa; время сварки (суммарное) ь,п =0,7 с, при этом: время первой стадии ь, =0,35 с; время второй стадии =0,35 с; давление в околошовной зоне Р„р в первой стадии изменяется с 2,2 МПа до 0; давление в околошовной зоне Р„ во второй стадии постоянно и составляет 30

1,05-1 15 Рсв т е P„„ =2,3-2,4 МПа.

Прочность сварных соединений, полученных предлагаемым способом, находится в пределах 70-757. от основного материала. 35

Длительность стадии процесса сварки определяется из условий максимальной прочности сварных соединений и объясняется следующим. образом: при значениях времени по примеру 1 не щ обеспечивается полное очищение свари- . ваемых плоскостей от поверхностных дефектов, которые, оставаясь в шве, приводят к снижению его прочности.

При значениях времени меньше 0,35 с 43 (в примере 2) не происходит полного удаления полиэтиленовых слоев из зоны сварки. В результате этого в процессе сварки по полиэтилентерефталатному слою, температура вязкотекучего о состояния которого вьппе (260 С), чем о полиэтилена (140 .С), последний, оставаясь в сварочной зоне, деструцирует, что приводит к снижению прочности сварного соединения.

Длительность первого периода, вьш)е указанных значений приводит к повышению деформации и в зоне шва.

Длительность второй стадии, при которой протекают диффузионные процессы и перемешивание объемов расплава полимера, также необходима в оптимальных пределах. ЕсЛи величии на меньше половины времени сварки, то в этом случае не достаточно полно протекают диффузионные процессы, и прочность сварного соединения остается низкой, а если превышает, то имеет место перегрев и деструкция полимеров в зоне сварки; что также приводит к снижению прочности сварного соединения. Равенство стадий процесса 2, = объясняется тем, что при этих условиях обеспечивается максимальная прочностЬ сварных соединений.

Прочность полученных сварных соединений составляет 80-857 от основного материала, что íà 10Х выше прочности швов, полученных по известной схеме. Кроме того, значительно повышается стабильность качества сварных соединений, при этом шов имеет удовлетворительный внешний вид — без утолщения в зоне шва и беспорядочных выплесков в околошовной зоне.

Предлагаемый способ позволяет также увеличить срок службы иэделий за счет повьппения прочности сварных соединений.

11" 4104

P ñâ

Рсв

Рпр

Рпр

ВНИИПИ Заказ 2591/13 Тираж 645 Hopmacaoe

Филнал ШШ "Патаит", и .Ужгород, уа.Проекткм, 4