Free Student HQ / FSHQ / "Штаб-Квартира свободного Студента"

Ультразвуковая сварка винипласта и капролона

Винипласт относится к материалам, хорошо сваривающимся ультразвуком. Температура в зоне сварки должна составлять 473—533 К, а время пребывания при этой температуре не должно быть слишком большим, так как при температурах свыше 413 К может происходить разложение материала.

Ультразвуковая сварка винипласта может применяться для получения нахлесточных соединений листов толщиной до 10 мм, стыковых соединений отрезков стержней и труб небольшого диаметра длиной до 60 мм, угловых и тавровых соединений. Наилучшие результаты получаются при сварке листов внахлестку точечными швами. При диаметре точки 15 мм максимальная прочность сварных соединений листов толщиной 10+10 мм на сдвиг (до 80—90% от прочности основного материала) достигается в широком диапазоне режимов: А = 40/70 мкм; Fст = = 1,2/1,3 кН; tсв=1,3/2 с. Длина нахлестки при этом не должна значительно превышать диаметр точки сварного шва, так как это не приводит к повышению прочности сварного соединения на сдвиг:

Длина нахлестки, мм 15  30  45
Прочность сварной точки на сдвиг, кН 2,3 2,2 1,в

Примечание. Диаметр рабочего торца волновода 15 мм; ширина нахлестки
15 мм; материал — винипласт толщиной 5 мм; продолжительность сварки 1,4 с, усилие 1,3 кН.

Стыковая сварка листов из винипласта может осуществляться по схеме, показанной на рис. 1, причем используются различные конструкции стыкового соединения. При сварке образцов с «замковой» конструкцией соединений (см. рис. 1,б) шов образуется в основном на верхней вертикальной (1—2) и горизонтальной (2—3) поверхностях стыка. На нижней вертикальной поверхности (3—4) наблюдается лишь схватывание на отдельных участках. При В = 0,7 q появляются непровары в нижней части поверхности 1—2. Изменение величины нахлестки от L = 2 мм до L = В приводит к повышению прочности стыка, которое продолжается до тех пор, пока сохраняется условие D ≥ L. При D < L прочность стыка снижается. Создание на поверхности 1—2 и 3—4 концентраторов напряжения (см. рис. 1, г) не приводит к заметному изменению прочности стыка. Разрушение образцов чаще всего происходит на участке X при В = 0,5 q.

Прочность стыков с «замковой» конструкцией соединения изменяется в широких пределах в зависимости от параметров режима сварки и размеров элементов конструкции стыка, однако она не превышает 23,0 — 25,0 МПа.

Прочность образцов с «плоским» стыком не превышает 13,0 МПа, причем на участках стыка, прилегающих к опоре, оплавления материала не наблюдается.

Наибольшая прочность достигается при соединении «в ус», причем она зависит от отношения проекции С к диаметру инструмента D и угла разделки Y. Снижение прочности соединения наблюдается при C/D = 1,2. В этом случае зона соединения выходит за пределы инструмента, что приводит к снижению удельной энергии ультразвуковых колебаний на соединяемых поверхностях и к неравномерному ее распределению. При C/D = l заметного изменения прочности соединений не наблюдается. При Y = 30° сварка стыка затруднена из-за смещения (в результате действия Рсж свариваемых деталей относительно друг друга и относительно опоры и инструмента. Оптимальным следует считать угол Y, равный 40—50°, при котором прочность швов соответствует прочности основного материала.

При ультразвуковой сварке стыковых соединений определяющим фактором является величина Рсж. При малых ее значениях «прочность соединений остается невысокой при любых изменениях параметров режима сварки. С увеличением усилия сжатия возрастает и прочность соединений. Экспериментальным путем установлено, что наибольшая прочность стыковых соединений достигается при Рсж = (0,5/0,7) Рст.

Сварка капролона

Капролон В является конструкционным материалом, имеющим высокие прочностные характеристики. Тавровые или стыковые соединения стержней из капролона В могут быть получены с помощью передаточной сварки по схеме «с преимущественным внедрением» или «с преимущественным оплавлением» V-образного выступа, который имеется на одном из свариваемых стержней. Так как в обоих случаях для получения сварного соединения необходимо осаживание деталей относительно друг друга на величину 50—100% от высоты выступа, то наиболее приемлемой схемой сварки в данном случае является схема сварки с фиксированной осадкой. В этом случае предотвращается возможная нестабильность результатов, связанная с неоднородностью материала свариваемых деталей. При ограничений подводимой энергии по продолжительности протекания ультразвукового импульса имелись сварные образцы, прочность которых колебалась от 20 до 50% от прочности основного материала, а в некоторых случаях соединение вообще не образовывалось, хотя режим сварки во всех случаях был одним и тем же.

Угол скоса кромок V-образного выступа оказывает большое влияние на свариваемость и прочность сварного соединения. Это обусловлено тем, что от остроты выступа зависит его пластическая деформация под действием статического давления, а следовательно, и значения L2 и S2 в выражениях II.26’) и II.27’), определяющих критическую и оптимальную длины свариваемых стержней. Острота выступа определяет также концентрацию динамических напряжений в нем, а следовательно, и возможность разогрева выступа до температуры вязкотекучего состояния.

На рис. 2 показано влияние угла скоса кромок на время разогрева материала V-образного выступа до вязкотекучега состояния, которое оценивалось по наступлению необратимой деформации, а также на прочность сварного соединения и величину эффективной площади. Под эффективной площадью понимается та часть площади выступа, которая участвовала в образовании сварного соединения за счет оплавления или за счет внедрения выступа в нижнюю деталь. Эти данные относятся к случаю сварки тавровых соединений, имевших следующие размеры: полка — 20X15ХХ6 мм, стенка — 60X15X6 мм. Значения прочности, отложенные по оси ординат на рис. 2, соответствуют разрывному усилию, отнесенному к площади поперечного сечения стенки таврового соединения.

Из рис. 2 следует, что оптимальный угол скоса V-образного выступа составляет 45°. В этом случае обеспечивается наибольшая прочность сварного соединения, поскольку в его образовании участвует наибольшее количество материала.

Основное влияние на прочность таврового соединения при сварке капролона оказывает амплитуда смещения рабочего торца волновода. Это можно объяснить следующим образом. При пропускании ультразвука происходит разогрев не только V-образного выступа, но и зоны, прилегающей непосредственно к волноводу. Если амплитуда смещения мала, то интенсивность разогрева выступа также незначительна. При этом происходит некоторое оплавление и осадка выступа, что приводит к началу схватывания полки и стенки таврового соединения, но наибольший разогрев имеет место в зоне, прилегающей к волноводу. Вследствие этого волновод начинает вдавливаться в стенку таврового соединения, а так как сварка ведется с фиксированной осадкой, это приводит к отключению ультразвука. Прочность сварного соединения получается незначительной. Увеличение амплитуды смещения приводит к более интенсивному и полному разогреву V-образного выступа без размягчения зоны, прилегающей к волноводу, что способствует повышению прочности.

Варьирование статического давления в широком Диапазоне от 4 до 9 МПа практически не приводит к изменению прочности. Поскольку в исследованном диапазоне обеспечивается достаточно хороший акустический контакт, то повышение давления не приводит к увеличению подводимой энергии. Кроме того, при тех значениях статического давления, которые применялись в экспериментах, в V-образном выступе возникали пластические деформации, поэтому релаксационные характеристики выступа, ответственные за величину энергии, выделяющейся вследствие гистерезисных потерь, были приблизительно одинаковыми как при больших, так и при малых давлениях.

Применение разработанной технологии передаточной сварки тавровых и стыковых соединений из капролона становится затруднительным в случаях большой протяженности и сложной конфигурации сварных швов, так как при этом необходимо применять широкозахватные волноводы. При этом весьма рациональным представляется использование заклепочных соединений с применением точечных или ножевых волноводов.

Образование заклепочного соединения с помощью ультразвука можно условно разделить на две стадии.

На первой стадии происходит разогрев полимерного стержня заклепки до температуры вязкотекучего состояния, обусловленный конкуренцией между гистерезисными потерями от циклического деформирования и теплоотводом в окружающую среду. На второй стадии полимерный материал осаживается, заполняя раззенкованный объем. На этой стадии протекают процессы термовиброползучести, уплотнения и перемешивания материала в заполненном объеме, диффузии микрообъемов.

Соединение с высокой прочностью (до 1,3 кН на одну заклепку) можно получить в достаточно широком диапазоне амплитуд смещений — 40—65 мкм. В отличие от амплитуды давление оказывает наибольшее влияние на прочность. С изменением его в пределах от 40 до 80 МПа разрывная нагрузка на одну заклепку меняется от 0,9 до 1,3 кН. Это, по-видимому, объясняется уплотнением размягченного полимера в объеме зенковки, что исключает появление несплошностей и пор.

Применение заклепочных соединений оказалось весьма эффективным при изготовлении колес центробежных насосов из капролона В.

С.С. Волков, Б.Я.Черняк СВАРКА ПЛАСТМАСС УЛЬТРАЗВУКОМ

 

Сайт создан в 2012 г. © Все права на материалы сайта принадлежат его автору!
Копирование любых материалов сайта возможно только с разрешения автора и при указании ссылки на первоисточник.
Яндекс.Метрика