Способ ультразвуковой сварки полимерных материалов

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) (д) 4 В 29 С 65/08

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМ .Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3759204/23 — 05 (22) 22.05.84 (46) 23.02.86. Бюл. 9 7 (71) МВТУ им. Н.Э.Баумана (72) В.А.Поваляев, А.Н..Смирнов, С.С.Волков и В.А.Поваляева (53) 678.029.438 (088.8) (56) Волков С.С. и др. Сварка пластмасс ультразвуком. М.: Химия, 1974, с,68-76.

Авторское свидетельство СССР

11 304139, кл. В 29 С 27/08, 1970.

ll (54)(57) СПОСОБ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ

СВАРКИ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ, включающий сдавливание соединяемых материалов и введение в них ульт раэяуковых колебаний, о т л и ч а юm и и с я тем, что, с целью повьппения прочности и долговечности сварного соединения, при достижении температуры текучести материала уменьшают частоту ультраэвуковых колебаний на 20-50Х а амплитуду ультразвуковых колебаний увеличивают в

1,5 — 2 раза.

12 I 2837

Изобретение относится к сварке пластмасс, а именно к способам сварки ультразвуком термопластичных материалов.

Целью изобретения является повышение прочности и долговечности сварного соединения, Способ ультразвуковой сварки полимерных материалов заключается в следующем.

Свариваемые детали иэ полимерных материалов сдавливают волноводом и вводят в них ультразвуковые колебания. После достижения температуры текучести материала уменьшают частоту ультразвуковых колебаний:на ?О507 и увеличивают амплитуду ультразвуковых колебаний в 1,5-2 раза.

Для всех исследуемых термопластов при ультразвуковой сварке до достижения ими температуры текучести скорость изменения температуры нарастает, а по достижении ее начинает снижаться. Это объясняется тем, что после досиижения вязкотекучего состояния по всему сварному соединению вследствие увеличения подвижности макромолекул интенсивность тепловыделения уменьшается. Ультразвуковые колебания на участке после температуры текучести, в основном направлены на перемешивание расплавленных объемов полимера в зоне сварного шва, поэтому прирост темйературы выше температуры текучести является вынужденным. Отключить ультразвуковые колебания по достижении температуры текучести материала нельзя иэ-за необходимости перешивания расплавленных масс полимера и формирования шва. Поэтому необходимо, обеспечив перемешивание расплавленных масс, максимально снизить прирост температуры выше температуры текучести материала.

Для этого, кроме основного режима,на котором происходит сварка,необходимо выбрать режим работы преобразователя и волновода, который, обеспечивая формирование сварного шва, снижал бы тепловыделение в полимере по сравнению с исходным режимом. Наиболее оптимальным для формирования сварного шва является режим с более низким значением частоты и более высоким значением амплитуды, так как полимер в зоне сварного шва после температуры текучести ведет себя, как высоковяэкая жидкость, его легче перемешать колебаниями большей амплитуды, а снижение частоты колебаний уменьшает тепловыделение из-эа гистерезисных потерь, а значит снижает прирост температуры.

Пример. Производят ультразвуковую сварку цилиндрического корI пуся с крышкой диаметр иэделия

55 мм,изготовленных иэ полиамида-б, на сварочной установке УПМ-21 которая служит для контактной и пере,цаточной ультразвуковой сварки изделий иэ различных марок пластмасс.

В машине использованы магнитострикционный преобразователь ПИС-lM (материал пакета — пермендюр, частота

17,6 кГц, мощность 1,6 кВт) с водяным охлаждением, ультразвуковой генератор УЗГ 5 — 1,6 мощностью 1,6 кВт и контурный экспоненциальный волновод с площадью выхода диаметром 55 мм.

Основной режим; амплитуда колебаний рабочего торца волновода на частоте

l9,6 кГц составляет 30 мкм. Для регистрации температур используют термопары группы хромель — копель диаметром спая 0,3 мм. Температура текучести 600 К достигается через 0,7 с после начала сварки. В этот момент генератор переключается на режим формирования сварного шва, в качестве которого принимают режим с частотой колебаний рабочего торца

35 волновода 14 кГц и амплитудой 47 мкм.

Переключение генератора при достижении температуры 600 К производится с. помощью милливольтметра типа

Ш4501 с двухпозиционным регулирую40 щим устройством магнитоэлектричес— кой системы, который используется для измерения и двухпозиционного регулирования температуры,в комплекте с термоэлектрическим преобразователем градуировочных характеристик

ПР 30/6« . Общее время сварки

0,9 с (0,7 с производят сварку на старом режиме и 0,2 с — на режиме формирования сварного шва).

Старение образцов производится в о термошкафу при 120 С и времени выдержки 240 ч. Прочность образцов по известному способу после старения в термошкафу в 4 раза меньше прочности образцов по предлагаемому способу (500 Н против 2000 Н).

Образцы по известному способу теря- ют герметичность через 150 ч старе12) 2837

1 50

2 54

3 57

4 60

5 65

ll 547

1),5 521

Полистирол

50

61,2

12 554

73 48

Полиметил— метакрилат

12

565 70

540 74

2 50

3 55

59

13,5 531

64 ния, .а образцы, сваренные пс предлагаемому способу, через 220 ч.

Осуществляют сварку наиболее распространенных термопластичных материалов.

Полистирол. Основной режим (без изменения амплитуды и частоты):

А = 30 мкм, = 21,4 кГц. Температура, соответствующая отключению

УЗ- колебаний Т = 560 К. Относитель.Ъ ная прочность сварного соединения до старения 3 = 72 % от прочности основного образца, после старения о, = 487.

Полиметилметакрилат. Основной режим: А = 35 мкм, 1 20,9 кГц, Т = 580 К, 5 = 697 в = 477..

Полиэтилен. Основной режим:

А = 25 мкм; 3 = 19,6 кГц, Т

450 К, 3 = 707> Ec = 52

Полиамид. Основной режим: А =

30 мкм; 1 = )9 6 кГц, Т = 600 К.

S = 677., (= 457.

Винипласт ЛВХ. Основной режим:

А = 25 мкм; 3 = 20,9 кГц, Т = 420 К;

60% fc = 407.

В таблице приведены результаты серий опытов по ультразвуковой ,сварке перечисленных термопластов с переключением на новые режимы при достижении материалами температур вязкотекучего состояния (А, — амплитуда после переключения, !

1, — частота после переключения, Т, — температура, соответствующая отключению ультразвуковых колебаний, 3, — относительная прочность сварного соединения от прочнос.ти основного материала до старения; g — то же, поспе старения.

Из приведенных результатов видно> что увеличение прочности сварного соединения после старения по сравнению с известным способом сварки происходит при изменении параметров на следующие значения.

Полистирол: увеличение амплитуды в 1,8-2 раза и уменьшение частоты на 40-507., при этом оптимальным вариантом является увеличение амплитуды в 1,9 раза и уменьшение частоты на 43,97.

Полиметилметакрнлат:увеличение амплитуды в 1,5 — 1,7 раза и уменьшение частоты на 35-407, при этом оптимальным является увеличение амплитуды, в 1,58 раза и уменьшение частоты на

35,47.

Полиэтилен: увеличение амплитуды в 1,5-1,9 раза и уменьшение частоты на 35-45%, при этом оптимальным является увеличение амплитуды

1,72 раза.и уменьшение частоты на

39,17.

Полиамид: увеличение амплитуды в 1,5-),6 раза и уменьшение частоты на 25-357, при этом оптимальным является увеличение амплитуды в 1,58 раза и уменьшение частоты на 29,8Х.

Винипласт IIBX: увеличение амплитуды в 1,7-2 раза и уменьшение частоты на 20-307, при этом оптимальным является увеличение амплитулы в

1,84 раза и уменьшение частоты на

28,27.

12 509 75 65

12,5 518 74,5 60,7!

212837 б

1(родолжение таблицы

I. Г

6 7!

4 539 73

15 575 71

10 430 69

11 400 71

51

Полиэтилен

73

70

72

53

l2 580 67 46

13 534 67,5 61,6

Пол иамид

47

14 530 69

15 536

68 63,2

565

45,5

67,5

400

Винипл ас т ПВХ

2 42

385

3 46

380

4 50

390

405

Составитель, H.Åëèñååâà

Редактор О.Юрковецкая Техред Л,Мнкеш Корректор С.Шекмар

Заказ .708/26 Тираж 640 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская нао., д.4/5

Филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул. Проектная, 4

4 60

5 65

1 33

2 37

12 390 !

3 405

14 425

60,5 41,5

60,5 56

61 57,5

60,5 55

61 43