Современные представления о механизме образования соединений при ультразвуковой сварке пластмасс

Весь процесс образования соединения пластмасс при ультразвуковой сварке условно можно разделить на две стадии. На первой стадии происходит нагрев соединяемых материалов. При этом температура в месте выполнения сварки должна быть ниже той, при которой происходит разложение (деструкция) пластмассы, и выше минимальной температуры, при которой в данных условиях можно обеспечить надежное сварное соединение. На второй стадии между нагретыми до температуры вязкотекучего состояния контактирующими поверхностями возникают связи, обусловливающие получение неразъемного соединения.

Одни исследователи считают, что основным источником теплоты при ультразвуковой сварке пластмасс является энергия механических колебаний, поглощаемая на границе раздела деталей

250

вследствие различных акустических импедансов свариваемого материала и контакта. Исходя из этого все пластмассы делятся па мягкие с модулем упругости Е < 2 - 103 МПа (полиэтилен и др.) и жесткие с модулем упругости Е > 2 - 103 МПа (оргстекло, полистирол и др.). Трудности, возникающие при сварке мягких пластмасс, объясняются малой механической энергией, подводимой к границе свариваемых поверхностей, так как материал быстро теряет свои упругие свойства.

Местами, в которых происходит интенсивное поглощение энергии ультразвуковых колебаний и превращение ее в теплоту, являются отдельные песплошпости в пластмассе, что приводит к нагреванию всего ее объема, находящегося под концентратором. Преимущественный рост температуры на границе раздела пластмасс объясняется тем, что она является областью максимального скопления пустот и несплошностей, которые захлопываются в периоды положительного давления механических колебаний. Захлопывание пустот приводит к появлению ударов и, как следствие, локализованному нагреву границы раздела свариваемых образцов.

Свариваемость пластмасс ультразвуком определяется его способностью при данной толщине подвести к границе раздела деталей необходимое количество механической энергии. В качестве критерия такой способности используется не модуль упругости Е, а коэффициент затухания амплитуды смещения а. В зависимости от значения этого коэффициента все пластмассы по свариваемости ультразвуком можно разделить па три группы.

К первой группе относятся пластмассы с незначительным коэффициентом затухания а < 0,35 см-1: полистирол различных марок, оргстекло и др. Они обладают высоким модулем упругости > 3 • 103 МПа), поэтому могут быть отнесены к классу жестких пластмасс. Благодаря достаточно высоким упругим свойствам и малому коэффициенту затухания пластмассы этой группы хорошо проводят ультразвуковые колебания и свариваются за короткое время.

Вторая группа включает пластмассы, имеющие коэффициент затухания 0,35 < а < 0,55 см-1: полипропилен, винипласт, лавсан и т.д. Пластмассы этой группы обладают худшими упругими свойствами по сравнению с жесткими (2 • 103 < Е < 3 • 103 МПа), поэтому могут быть отнесены к классу полужестких. Увеличение

251

коэффициента затухания и понижение упругих свойств обусловливает увеличение времени сварки этих пластмасс и уменьшение толщины свариваемых деталей до 10 мм. На границе раздела инструмент — свариваемая деталь выделяется некоторое количество теплоты, приводящее к размягчению пластмассы и облегчению ее деформирования под действием сварочного давления. В результате на поверхности детали в месте контакта с инструментом остается хорошо заметный след.

К третьей группе относятся пластмассы, имеющие значительный коэффициент затухания а > 0,55 см-1: полиэтилен высокой и низкой плотности, капрон, фторопласт и др. Они характеризуются малым модулем упругости (Е < 1,5 • 103 МПа), поэтому могут быть отнесены к классу мягких пластмасс. Благодаря значительному поглощению механической энергии в объеме пластмассы максимальная свариваемая толщина ее не превышает 1...2 мм. Получение соединений па изделиях из этих пластмасс с помощью ультразвука весьма сложно, а прочность таких соединений оказывается незначительной из-за большого вдавливания волновода- инструмента в изделие в процессе сварки.

Сторонники другой точки зрения считают, что теплота при ультразвуковой сварке пластмасс выделяется в результате внутреннего трения, приводящего к разогреву всего объема материала, внешнего трения в контакте пластмасса — пластмасса и внешнего трения в контакте пластмасса — волновод. При этом доминирующую роль играет внешнее трение в контакте пластмасса — пластмасса, которое обусловлено поперечными деформациями материала в этой зоне. Угол падения волны па границу раздела пластмассы отличается от прямого, в результате чего в этом месте возникают продольные и поперечные волны, причем как те, так и другие образуются и в первой, и во второй среде, однако находятся в противофазе. Возникающие продольные колебания вызывают интенсивное поверхностное трение па границе раздела свариваемых деталей, что приводит к быстрому разогреву пластмассы в этом месте и переходу ее в размягченное состояние. Образовавшаяся мягкая прослойка снижает коэффициент механического трения, однако сама является средой, интенсивно поглощающей ультразвуковые механические колебания, что приводит к еще большему разогреву границы раздела пластмасс.

252

Превращение механической энергии колебаний в теплоту объясняется трением, возникающим при взаимодействии микронеровностей контактных поверхностей под влиянием высокочастотных ударов конца концентратора-инструмента о свариваемый материал. Это приводит к выравниванию микронеровностей, оплавлению и проникновению расплавленного материала в полости между впадинами.

Авторы данной гипотезы также разделяют пластмассы на хорошо и плохо сваривающиеся по условному показателю свариваемости, который определяется коэффициентом трения и модулем упругости.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >