EA031962B1 - Способ ультразвуковой сварки полимеров - Google Patents

Способ ультразвуковой сварки полимеров Download PDF

Info

Publication number
EA031962B1
EA031962B1 EA201700064A EA201700064A EA031962B1 EA 031962 B1 EA031962 B1 EA 031962B1 EA 201700064 A EA201700064 A EA 201700064A EA 201700064 A EA201700064 A EA 201700064A EA 031962 B1 EA031962 B1 EA 031962B1
Authority
EA
Eurasian Patent Office
Prior art keywords
ultrasonic
welding
waveguide
punch
zone
Prior art date
Application number
EA201700064A
Other languages
English (en)
Other versions
EA201700064A1 (ru
Inventor
Владимир Владимирович Клубович
Валерий Александрович Клушин
Евгений Викторович Хрущев
Original Assignee
Белорусский Национальный Технический Университет
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Белорусский Национальный Технический Университет filed Critical Белорусский Национальный Технический Университет
Priority to EA201700064A priority Critical patent/EA031962B1/ru
Publication of EA201700064A1 publication Critical patent/EA201700064A1/ru
Publication of EA031962B1 publication Critical patent/EA031962B1/ru

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/10—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating making use of vibrations, e.g. ultrasonic welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C65/00—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor
    • B29C65/02—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor by heating, with or without pressure
    • B29C65/08—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor by heating, with or without pressure using ultrasonic vibrations

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Lining Or Joining Of Plastics Or The Like (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области ультразвуковой сварки термопластических полимерных материалов и может быть использовано при разработке технологии и оборудования получения неразъемных соединений с использованием ультразвуковых колебаний, преимущественно для оптимизации технологических режимов и повышения качества сварки. Способ ультразвуковой сварки полимеров включает приложение к свариваемым заготовкам статического давления в зоне их соединения между пуансоном-волноводом и матрицей, возбуждение ультразвуковых колебаний в зоне контакта соединяемых деталей, обеспечивая при этом разогрев зоны контакта до температур повышенной пластичности, и последующее формирование сварного соединения. Ультразвуковые колебания возбуждают через пуансон-волновод в замкнутой резонансной колебательной системе с полуволновой матрицей-отражателем колебаний. Формирование сварного соединения осуществляют в заданном интервале температуры очага деформации с контролем фактической температуры зоны сварки, которую сравнивают с заданным температурным интервалом, и в зависимости от величины изменения температурного интервала изменяют амплитуду колебаний пуансона-волновода ультразвуковой колебательной системы путем изменения мощности выходного сигнала генератора электрических колебаний, и/или увеличивают или уменьшают продолжительность ультразвукового импульса, и/или увеличивают или уменьшают статическое давление на свариваемые заготовки.

Description

Изобретение относится к области ультразвуковой сварки термопластических полимерных материалов и может быть использовано при разработке технологии и оборудования для получения неразъемных соединений с использованием ультразвуковых колебаний, преимущественно для оптимизации технологических режимов и повышения качества сварки.
Известен способ ультразвуковой сварки полимеров [1], при котором электрические колебания ультразвуковой частоты 18-50 кГц, вырабатываемые генератором, преобразуются разомкнутой колебательной системой в механические колебания волновода (пуансона-волновода). Пуансон-волновод прижимает свариваемые заготовки к жестко закрепленной опоре (матрице) и передает колебания в зону ультразвуковой сварки. В результате свариваемые полимеры деформируются и диффузируют между собой: аморфные материалы переходят в вязкотекучее состояние, а кристаллические нагреваются до температуры плавления кристаллов.
Недостаток указанного способа заключается в ограниченных технологических возможностях, обусловленных разомкнутой колебательной системой, которая не позволяет исключить затухание колебаний при повышенных статических нагрузках.
В качестве прототипа выбран способ ультразвуковой сварки полимеров, при котором свариваемые заготовки сжимают статическим давлением в зоне их соединения между пуансоном-волноводом и матрицей, возбуждают ультразвуковые колебания в зоне контакта соединяемых деталей, обеспечивая разогрев зоны контакта до температур повышенной пластичности, и осуществляют последующее формирование сварного соединения [2].
Недостаток способа, выбранного в качестве прототипа, заключается в том, что основные параметры ультразвуковой сварки (амплитуда колебаний рабочего торца волновода, частота колебаний, продолжительность ультразвукового импульса и сварочное статическое давление) устанавливаются в каждом конкретном случае экспериментально, что не может гарантировать оптимальность выбранных режимов и качество сварки при серийном производстве неразъемных соединений. Выбор основных параметров зависит также от геометрических размеров свариваемых деталей и их отклонений от номинальных значений, типа свариваемых полимеров, характеристик звукового поля и др.
Принципиальные кинематические схемы машин для ультразвуковой сварки пластмасс по известному способу [2, стр. 144, рис. 83] используют разомкнутые колебательные системы, которые целесообразно использовать только при небольших (ограниченных) статических нагрузках, что уменьшает технологические возможности сварки. По мере увеличения статической нагрузки частота собственных колебаний системы изменяется, так как происходит присоединение нагрузки к резонансной части системы и увеличение ее длины. При определенных повышенных нагрузках происходит полное демпфирование колебаний.
В основу изобретения положена задача расширения технологических возможностей и повышения качества сварки полимерных материалов путем оптимизации режимов сварки за счет исключения затухания колебаний при повышенных статических нагрузках и формирования сварного соединения в заданном контролируемом температурном интервале значений.
Поставленная задача достигается тем, что в способе ультразвуковой сварки полимеров, при котором свариваемые заготовки сжимают статическим давлением в зоне их соединения между пуансономволноводом и матрицей, возбуждают ультразвуковые колебания в зоне контакта соединяемых деталей, обеспечивая разогрев зоны контакта до температур повышенной пластичности, и осуществляют последующее формирование сварного соединения, ультразвуковые колебания возбуждают через пуансонволновод в замкнутой резонансной колебательной системе с полуволновой матрицей-отражателем колебаний, формирование сварного соединения осуществляют в заданном интервале температуры очага деформации с контролем фактической температуры зоны сварки, которую сравнивают с заданным температурным интервалом, и в зависимости от величины изменения температурного интервала изменяют амплитуду колебаний волновода-пуансона ультразвуковой колебательной системы путем изменения мощности выходного сигнала генератора электрических колебаний, и/или увеличивают или уменьшают продолжительность ультразвукового импульса, и/или увеличивают или уменьшают статическое давление на свариваемые заготовки.
Технический результат нового способа ультразвуковой сварки полимеров проявляется в расширении технологических возможностей и качества сварки за счет оптимизации режимов сварки путем исключения затухания ультразвуковых колебаний при повышенных статических нагрузках и формирования сварного соединения в заданном контролируемом интервале температуры очага деформации.
Для лучшего понимания изобретения его поясняют чертежом, где показана схема установки ультразвуковой сварки полимеров Способ осуществляют по чертежу на примере работы установки ультразвуковой сварки полимеров, которая содержит следующие основные устройства: генератор ультразвуковых колебаний 1, ползун пресса 2 с пневматическим приводом, ультразвуковая колебательная система 3, система автоматического управления 4.
Ультразвуковая колебательная система 3 включает преобразователь колебаний 5, волновод 6, пуансон-волновод 7, матрицу 8, отражатель 9, свариваемые заготовки 10 и 11.
Система автоматического управления 4 включает датчик 12 температуры нагрева зоны сварки, уст- 1 031962 ройство 13 сравнения (контроля изменения температурного интервала нагрева зоны сварки), программатор 14 заданного температурного интервала нагрева зоны сварки и алгоритм взаимозависимости основных параметров ультразвуковой сварки, пульт 15 управления ультразвуковой сваркой полимеров.
Преобразователь колебаний 5, волновод 6, пуансон-волновод 7 установлены в составных частях 16 и 17 волноводного звена с акустической развязкой колебательной системы от корпуса установки. Составные части 16 и 17 жестко закрепляются на ползуне пресса 2.
Ультразвуковая колебательная система 3 составлена из резонансных, кратных полуволне звеньев с расположением очага деформаций в пучности смещений (эпюра смещений 18).
Установка ультразвуковой сварки полимеров работает следующим образом.
В исходном положении, когда ползун пресса 2 находится в крайнем верхнем положении, производят укладку свариваемых заготовок 10, 11 в матрицу 8, после чего включают рабочий цикл ультразвуковой сварки.
Рабочий цикл определяется последовательностью приложения статического давления Рст, включения и прохождения ультразвукового импульса, контроля фактической температуры зоны сварки, корректировки одного и нескольких параметров ультразвуковой сварки (амплитуда колебаний пуансонаволновода ультразвуковой колебательной системы, продолжительность импульса, статическое давление на свариваемые заготовки), выключения ультразвукового импульса, выдержки изделия под давлением и снятия давления с последующим удалением сварного соединения из матрицы.
Статическое давление Рст на свариваемые заготовки 10, 11 осуществляют при рабочем ходе ползуна пресса 2 до включения ультразвуковых колебаний. Давление снимается с запаздыванием, после окончания формирования сварного соединения.
Затем включают генератор ультразвуковых колебаний 1, который вырабатывает электрические колебания ультразвуковой частоты 20-50кГц, преобразуемые ультразвуковой колебательной системой 3 в механические колебания пуансона-волновода, и вводит в свариваемый материал. Часть энергии механических колебаний переходит в тепловую энергию, что приводит к нагреву зоны контакта соединяемых деталей до температур повышенной пластичности.
Конструктивно ультразвуковая колебательная система 3 выполнена замкнутой резонансной с полуволновым отражателем 9 и с расположением пучности смещений (эпюра 18) в плоскость контакта свариваемых заготовок 10, 11, что позволяет исключить затухание ультразвуковых колебаний при повышенных статических нагрузках и максимально использовать акустическую энергию для нагрева зоны сварки.
Контроль фактической температуры зоны сварки осуществляют датчиком 12 температуры нагрева зоны сварки (например, пирометром с лазерным целеуказателем), электрический сигнал которого поступает в устройство 13 сравнения с заданным интервалом значений температур, заданным программатором 14 системы автоматического управления 4.
В зависимости от величины изменения температурного интервала система автоматического управления 4 изменяет амплитуду колебаний пуансона-волновода ультразвуковой колебательной системы 3 путем изменения мощности выходного сигнала генератора электрических колебаний 1, и/или увеличивает или уменьшает продолжительность ультразвукового импульса, и/или увеличивает или уменьшает статическое давление на свариваемые заготовки.
По результатам исследований, представленных в литературе [1-6 и др.], установлено, что температура в зоне сварки зависит от основных параметров режима сварки: амплитуды колебаний рабочего торца волновода, частоты ультразвуковых колебаний, продолжительности ультразвукового импульса и сварочного статического давления Рст
Основные параметры режима взаимосвязаны. Так время, необходимое для сварки, зависит от амплитуды колебаний и сварочного давления. При более высоких амплитудах необходимые свойства сварных соединений могут быть достигнуты при меньшем времени сварки, и наоборот.
Определяющим параметром режима ультразвуковой сварки является амплитуда колебаний рабочего торца волновода, которая выбирается в пределах 30-70 мкм. Оптимальному значению амплитуды соответствует максимальная прочность и наилучшее качество сварного соединения. Амплитуда колебаний, необходимая для обеспечения качественной сварки, связана с величиной сварочного давления и, кроме того, зависит от геометрических размеров свариваемых деталей, типа свариваемых полимеров и опоры (матрицы), определяющих распределение характеристик звукового поля.
Главной отличительной особенностью предлагаемого способа сварки является контроль фактической температуры зоны сварки и удержание теплового режима сварки в заданном интервале температур за счет оптимизации режимов сварки, что позволяет существенным образом влиять на качественное образование сварного соединения.
Механизм образования соединений при ультразвуковой сварке термопластичных полимерных композитов зависит от температуры в зоне сварки. Если сварка проводится в интервале температур высокой эластичности, преимущественным является диффузионный механизм. При этом необходим длительный контакт свариваемых поверхностей друг с другом, сварные швы сохраняют границу раздела, а материал в зоне соединения не отличается от исходного материала по надмолекулярной структуре.
Если сварка проводится в интервале температур вязкой текучести (сварка плавлением), преимуще- 2 031962 ственным является механизм течения расплава и связанного с этим перемешивания его. При этом в сварных швах практически отсутствует граница раздела соединяемых поверхностей, они не разрушаются по первоначальной плоскости контакта, а надмолекулярная структура может изменяться в зависимости от условий охлаждения расплава. В микрообъемах протекает взаимная диффузия участков молекулярных цепей и целых макромолекул, возможна также рекомбинация молекулярных цепей.
Проводили экспериментальные исследования способа ультразвуковой сварки полимеров, при котором ультразвуковые колебания возбуждают через пуансон-волновод в замкнутой резонансной колебательной системе с полуволновой матрицей-отражателем колебаний.
В качестве образцов были выбраны бруски размером 10 ммх4,25 ммх80 мм, изготовленные из следующих композитов:
образец №1 - ПП+30СВ;
образец №2 - ПП+30СВ+1МФ 07ПИЦ;
образец №3 - АБС+30ПА+5Exceed.
Сварка образцов проводилась внахлест на длине 50 мм, что было связано с размерами пуансонаволновода.
Усилие прижима Рст задавалось вертикальным перемещением преобразователя колебаний 5 при помощи пневматического привода ползуна пресса 2 в пределах 500-4000 Н (50-400 кг). Статическое давление изменяли в пределах 10-80 кг/см2.
Амплитуду ультразвуковых колебаний А на торце пуансон-волновод в резонансном режиме после приложения статического давления Рст изменяли в пределах 20-50 мкм.
Частоту ультразвуковых колебаний f настраивали на резонансный режим в пределах 20 кГ ц.
С целью подбора оптимальных режимов ультразвуковой сварки по аналогии с известным способом сварку осуществляли при различных значениях параметров режима сварки (амплитуда А, продолжительность t ультразвукового импульса и сварочное статическое давление Рст).
В процессе сварки на различных режимах фиксировали фактическую температуру Т очага деформации зоны сварки.
Полученные сварные соединения были испытаны на разрывной машине ZD 10/90, которая позволяет построить кривые нагружения и зафиксировать усилие в момент разрыва.
Анализ полученных результатов исследований показал, что наилучшее качество сварки было получено на режимах ультразвуковой сварки, при которых температура очага деформации зоны сварки находилась в интервале температур, соответствующих температурам размягчения и плавления свариваемых полимеров.
Так, например, оптимальные режимы сварки для образца №1 11П+30СВ получены при температуре очага сварки Т=152-170 °С, что соответствует указанному интервалу температур размягчения и плавления свариваемых полимеров, и составляют: А=35-40 мкм; f=20 кГц; Рст = 1000 Н; t=0,7 с.
Испытания образцов на разрыв показали, что прочность сварных соединений, полученных при оптимальных режимах ультразвуковой сварки, определяется прочностью материала образцов. Ни один из испытанных образцов не порвался по сварке.
Проведенные исследования позволили также установить зависимости температуры очага деформации от основных параметров режима сварки, что позволяет осуществлять формирование сварного соединения в заданном контролируемом интервале температуры очага деформации.
Так для повышения температуры очага деформации необходимо увеличить статическое давление, с увеличением давления до определенного предела увеличивается не только прочность соединения, но и скорость сварки;
увеличить амплитуду колебаний, увеличение амплитуды смещения приводит к возрастанию энергии, подводимой к свариваемым материалам.
Таким образом, предлагаемый способ ультразвуковой сварки полимеров расширяет технологические возможности и качество сварки за счет оптимизации режимов сварки путем исключения затухания ультразвуковых колебаний при повышенных статических нагрузках и осуществления формирования сварного соединения в заданном контролируемом интервале температуры очага деформации.
Источники информации.
[1] Волков С.С., Черняк Б.Я. Сварка пластмасс ультразвуком. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Химия, 1986. - 256 с.
[2] Холопов Ю.В. Ультразвуковая сварка. - Л., Машиностроение, 1972. - 152 с.
[3] Амосов Б.В. Тепловые явления при ультразвуковой сварке. - Сварка цветных сплавов и некоторых легированных сталей. Под ред. Г.А. Николаева. М., Оборонгиз, 1962.
[4] Клубович В.В. Технологии изготовления и обработки специальных периодических профилей: монография / В.В. Клубович, В.А. Томило. - Минск: БИТУ, 2007.
[5] Клубович В.В., Степаненко А.В. Ультразвуковая обработка материалов. - Мн.: Наука и техника, 1981.
[6] Артемьев, В.В. Ультразвук и обработка материалов: Монография/ В.В. Артемьев, В.В. Клубович, В.В. Рубаник. - Мн.: Экоперспектива, 2003. - 335 с.

Claims (1)

  1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
    Способ ультразвуковой сварки полимеров, при котором свариваемые заготовки сжимают статическим давлением в зоне их соединения между пуансоном-волноводом и матрицей, возбуждают ультразвуковые колебания в зоне контакта соединяемых деталей, обеспечивая разогрев зоны контакта до температур повышенной пластичности, и осуществляют последующее формирование сварного соединения, отличающийся тем, что ультразвуковые колебания возбуждают через пуансон-волновод в замкнутой резонансной колебательной системе с полуволновой матрицей-отражателем колебаний, формирование сварного соединения осуществляют в заданном интервале температуры очага деформации с контролем фактической температуры зоны сварки, которую сравнивают с заданным температурным интервалом, и в зависимости от величины изменения температурного интервала изменяют амплитуду колебаний пуансона-волновода ультразвуковой колебательной системы путем изменения мощности выходного сигнала генератора электрических колебаний, и/или увеличивают или уменьшают продолжительность ультразвукового импульса, и/или увеличивают или уменьшают статическое давление на свариваемые заготовки.
EA201700064A 2016-12-29 2016-12-29 Способ ультразвуковой сварки полимеров EA031962B1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EA201700064A EA031962B1 (ru) 2016-12-29 2016-12-29 Способ ультразвуковой сварки полимеров

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EA201700064A EA031962B1 (ru) 2016-12-29 2016-12-29 Способ ультразвуковой сварки полимеров

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EA201700064A1 EA201700064A1 (ru) 2018-07-31
EA031962B1 true EA031962B1 (ru) 2019-03-29

Family

ID=62974871

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EA201700064A EA031962B1 (ru) 2016-12-29 2016-12-29 Способ ультразвуковой сварки полимеров

Country Status (1)

Country Link
EA (1) EA031962B1 (ru)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1455957A1 (en) * 2001-12-18 2004-09-15 Kimberly-Clark Worldwide, Inc. Rotary ultrasonic bonder or processor capable of high speed intermittent processing
RU2282525C1 (ru) * 2004-12-31 2006-08-27 Юрий Васильевич Холопов Устройство для ультразвуковой обработки материалов
RU2013152032A (ru) * 2013-11-21 2015-05-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" Способ термообработки сварных соединений, полученных линейной сваркой трением

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1455957A1 (en) * 2001-12-18 2004-09-15 Kimberly-Clark Worldwide, Inc. Rotary ultrasonic bonder or processor capable of high speed intermittent processing
RU2282525C1 (ru) * 2004-12-31 2006-08-27 Юрий Васильевич Холопов Устройство для ультразвуковой обработки материалов
RU2013152032A (ru) * 2013-11-21 2015-05-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" Способ термообработки сварных соединений, полученных линейной сваркой трением

Also Published As

Publication number Publication date
EA201700064A1 (ru) 2018-07-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Benatar et al. Ultrasonic welding of plastics and polymeric composites
US10105788B2 (en) Systems and methods for ultrasonic welding
US10399274B2 (en) Method for using transverse sonotrode in ultrasonic welding
CN101952108B (zh) 带有u形空隙的超声波焊极
EP3099468B1 (en) Ultrasonic sonotrode for transversely aligned transducer
JP6644047B2 (ja) 超音波溶接機の溶接パラメータの動的調整
KR101313363B1 (ko) 초음파 혼의 진폭 조정
JP5053175B2 (ja) 金属の鍛造方法及び金属の鍛造装置
US9505169B2 (en) Ultrasound welding device comprising vibration-decoupled counter tool
CN107252966B (zh) 一种超声波金属焊接装置
US11633920B2 (en) Methods for determining a melt layer thickness associated with a predetermined weld strength based on a correlation therebetween
EA031962B1 (ru) Способ ультразвуковой сварки полимеров
JP2004527407A (ja) 加工品の加工、例えば溶接又は変形のための方法
CN115058585A (zh) 复杂曲面构件残余应力超声空化冲击消减和均化方法
US20180036832A1 (en) Vibration welding system and method
US10766098B2 (en) Ultrasonic welding apparatus and method
US11938555B2 (en) Mechanical vibration machining apparatus and mechanical vibration machining method
JP2005119303A (ja) 減衰時間を短縮した振動溶着法
SU1155462A1 (ru) Устройство дл ультразвуковой сварки деталей из полимерных материалов
RU2794511C1 (ru) Способ обработки сварных швов металлических плоских деталей с использованием ультразвуковых колебаний
RU2719673C1 (ru) Способ ультразвуковой обработки изделий из стеклокерамики
US12070815B2 (en) Rotary acoustic horn
Khmelev et al. The ultrasonic device and the positioning system of the welding tool for welding of automobile bumpers
GR20170100030A (el) Μεθοδος ελεγχου κατεργασιων συγκολλησης με τριβη
CN102294823A (zh) 熔接条件的确定方法

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s)

Designated state(s): AM AZ BY KZ KG TJ TM RU