RU2322551C1

RU2322551C1 - Cellular ground surface consolidation grid production method

Info

Publication number: RU2322551C1
Application number: RU2006143096/04A
Authority: RU
Inventors: Владимир Николаевич Хмелев (RU); Владимир Николаевич Хмелев; Сергей Николаевич Цыганок (RU); Сергей Николаевич Цыганок; Алексей Николаевич Сливин (RU); Алексей Николаевич Сливин; Роман Владиславович Барсуков (RU); Роман Владиславович Барсуков; Сергей Викторович Левин (RU); Сергей Викторович Левин; Алексей Дмитриевич Абрамов (RU); Алексей Дмитриевич Абрамов
Priority date: 2006-12-05
Filing date: 2006-12-05
Publication date: 2008-04-20

Abstract

FIELD: construction and welding, particularly to produce ground consolidation grid having cellular structure with the use of ultrasonic thermoplastic polymeric material welding.

SUBSTANCE: method involves connecting thermoplastic polymeric material strips with linear weld seams arranged in staggered order by ultrasonic welding, wherein ultrasonic action is applied on 22-24 kHz working frequency with oscillation amplitude not less than 30 μm with the use of piezoelectric oscillation system having end with working blade; continuously controlling electric piezoelectric oscillation system parameters to set optimal ultrasonic welding duration on the base of said parameter change. To create staggered weld seams strips are serially laid on two independent stepped supports having reversible weld backing plates in seam creation areas. Then weld seams are formed to connect the first two strips. After the first two strips connection lower support is placed on upper strip surface, the next strip is laid on the support and weld seams are made between the third and the second strips. After weld seam forming in two following strips the support is placed on welded strip surface and the next strip is laid thereon to connect predetermined number of strips with each other.

EFFECT: elimination of prior art defects, possibility to avoid simultaneous connection of more than two strips with welding parameter control, provision of staggered weld seam pattern and increased weld connection strength.

3 dwg

Description

Изобретение относится к областям строительства и сварочных технологий, а именно к способам изготовления с использованием метода ультразвуковой сварки решетки с ячеистой структурой для укрепления грунтовых поверхностей, выполняемой из гибких полос полимерных термопластичных материалов, изготавливаемых из составов, содержащих полиэтилен высокого давления и (или) полиэтилен низкого давления.The invention relates to the fields of construction and welding technologies, and in particular to methods of manufacturing using a method of ultrasonic welding of a lattice with a cellular structure to strengthen soil surfaces made of flexible strips of polymeric thermoplastic materials made from compositions containing high-pressure polyethylene and (or) low-density polyethylene pressure.

Известны способы изготовления решетки с ячеистой структурой для укрепления грунтовых поверхностей, включающие послойную укладку друг на друга лент из плоского термопластичного полимерного материала, соединение их в шахматном порядке сварными швами, прижимаемыми к одной или двум поверхностям лент нагретыми сварочными элементами (см. патенты РФ №2153417, 2000, США №4797026, 1989).Known methods of manufacturing a lattice with a cellular structure for strengthening soil surfaces, including layer-by-layer laying on top of each other tapes of a flat thermoplastic polymer material, staggering them with welds pressed to one or two surfaces of the tapes by heated welding elements (see RF patents No. 2153417 , 2000, USA No. 4797026, 1989).

Основным недостатком существующих способов является недостаточная эксплуатационная прочность сварных швов, выполненных термическим способом путем внедрения в свариваемые материалы сварочных наконечников, нагретых до температуры, превышающей температуру плавления соединяемых материалов.The main disadvantage of existing methods is the insufficient operational strength of welds made by the thermal method by introducing welding tips into the materials being welded, heated to a temperature higher than the melting temperature of the materials being joined.

Наиболее близким решением из известных является способ изготовления решетки с ячеистой структурой по патенту РФ №2129189, 1999 [прототип]. В известном способе ленты термопластичного полимерного материала устанавливаются на ребра и формирование сварных соединений осуществляется ультразвуковой сваркой на частоте 18-25 кГц в вертикальном или наклонном направлении по отношению к ребрам лент.The closest solution from the known is a method of manufacturing a lattice with a cellular structure according to the patent of the Russian Federation No. 2129189, 1999 [prototype]. In the known method, ribbons of thermoplastic polymeric material are mounted on the ribs and the formation of welded joints is carried out by ultrasonic welding at a frequency of 18-25 kHz in the vertical or inclined direction with respect to the ribs of the ribbons.

Прототип за счет применения ультразвуковой сварки позволил повысить эксплуатационную прочность сварных швов, обеспечив повышение способности укрепляемых грунтовых поверхностей, повышение прочности и увеличение срока службы возводимых сооружений.The prototype through the use of ultrasonic welding made it possible to increase the operational strength of welds, providing an increase in the ability of reinforced soil surfaces, an increase in strength and an increase in the service life of the structures being constructed.

При этом ультразвуковой способ должен был бы увеличить прочность сварного соединения до 70% от прочности основного материала. На отдельных швах при толщине материала более 2 мм это было достигнуто. Однако в случае толщины материала менее 1,7 мм эксплуатационная прочность сварных швов осталась недостаточной. Это обусловлено следующими причинами:In this case, the ultrasonic method would have to increase the strength of the welded joint to 70% of the strength of the base material. On individual seams with a material thickness of more than 2 mm, this was achieved. However, in the case of a material thickness of less than 1.7 mm, the operational strength of the welds remained insufficient. This is due to the following reasons:

1. отсутствием контроля за состоянием материала в процессе формирования шва (определения момента перехода материала в вязкопластичное состояние и формирования шва с максимальной прочностью) и автоматического установления оптимального времени ультразвукового воздействия для каждой сварки (вместо установления некоторого времени, определяемого экспериментально в процессе отработки технологии на каждом материале). Установление постоянного времени УЗ воздействия приводит к тому, что при незначительных изменениях толщины материала, усилия сжатия, свойств материала возникают непровары, прогары, неравномерности, ухудшающие качество шва и всей решетки;1. the lack of control over the state of the material during the formation of the weld (determining the moment of transition of the material to a viscoplastic state and the formation of the weld with maximum strength) and the automatic establishment of the optimal ultrasonic exposure time for each welding (instead of establishing some time determined experimentally during the development of the technology at each material). The establishment of a constant time of ultrasonic treatment leads to the fact that with minor changes in the thickness of the material, compressive forces, material properties, lack of penetration, burnout, unevenness, worsening the quality of the seam and the entire lattice;

2. невозможностью обеспечения в процессе сварки стабильного акустического контакта между рабочей поверхностью ультразвуковой колебательной системы, сварочной подложкой и свариваемыми лентами, установленными вертикально на ребра;2. the impossibility of ensuring during the welding process a stable acoustic contact between the working surface of the ultrasonic vibrating system, the welding substrate and the welded tapes mounted vertically on the ribs;

3. формированием недопустимых сварочных швов между тремя и более лентами одновременно из-за отсутствия гарантированного зазора между двумя свариваемыми лентами и уже соединенными;3. the formation of unacceptable welds between three or more tapes at the same time due to the lack of a guaranteed gap between the two welded tapes and already connected;

4. использованием недостаточного для сварки тонких лент частотного диапазона ультразвукового воздействия (слишком низкочастотный), поскольку известно, что УЗ колебания низких частот практически не поглощаются тонкими слоями материалов. Поэтому применение УЗ колебаний частотного диапазона 18...25 кГц не обеспечивает качественных колебаний частотного диапазона 18...25 кГц, не обеспечивает качественной сварки тонких лент (толщиной менее 1,5 мм), а при сварке толстых лент (более 1,5 мм) требует длительного УЗ воздействия (более 5...10 с), что снижает производительность производства решеток.4. the use of an ultrasonic exposure frequency range insufficient for welding thin tapes (too low frequency), since it is known that ultrasonic vibrations of low frequencies are practically not absorbed by thin layers of materials. Therefore, the use of ultrasonic vibrations of the frequency range 18 ... 25 kHz does not provide qualitative fluctuations in the frequency range 18 ... 25 kHz, does not provide high-quality welding of thin strips (thickness less than 1.5 mm), and when welding thick strips (more than 1.5 mm) requires a long ultrasonic treatment (more than 5 ... 10 s), which reduces the productivity of the production of gratings.

Перечисленные недостатки снижают эффективность способа и не обеспечивают требуемой производительности производства.These disadvantages reduce the efficiency of the method and do not provide the required production performance.

Предлагаемое техническое решение направлено на устранение недостатков и создание способа изготовления решетки, в котором укладка лент исключает одновременное соединение более чем двух лент, при котором осуществляется контроль параметров и управления процессом сварки и обеспечивается формирование сварных соединений в шахматном порядке с необходимой прочностью.The proposed technical solution is aimed at eliminating the shortcomings and creating a method of manufacturing a lattice in which the laying of tapes eliminates the simultaneous connection of more than two tapes, which controls the parameters and controls the welding process and ensures the formation of welded joints in a checkerboard pattern with the necessary strength.

Предлагаемое техническое решение заключается в соединении линейными сварными швами, расположенными в шахматном порядке, лент, изготавливаемых из составов, содержащих полиэтилен высокого давления и (или) полиэтилен низкого давления, ультразвуковой сваркой на рабочей частоте 22-44 кГц при амплитуде колебаний не менее 30 мкм пьезоэлектрической колебательной системой с ножевым рабочим окончанием, непрерывно контролируя ее электрические параметры и устанавливая оптимальное время УЗ воздействия на основании данных об их изменении. Для формирования сварных швов в шахматном порядке последовательно укладывают ленты на две независимые опоры лестничного типа со сварочными подложками в виде перекладин на участках для формирования швов, формируют швы, соединяющие две первые ленты. После соединения двух первых лент нижнюю опору перемещают на поверхность верхней ленты, накладывают следующую ленту, производят формирование швов между третьей и второй лентами. Затем, перемещая после сварки двух очередных лент нижнюю опору на поверхность присоединенной сварными швами ленты и накладывая на нее очередную присоединяемую ленту, обеспечивают соединение заданного числа лент.The proposed technical solution consists in stitching together linear welds arranged in staples made of compositions containing high pressure polyethylene and (or) low pressure polyethylene, by ultrasonic welding at an operating frequency of 22-44 kHz with an oscillation amplitude of at least 30 μm piezoelectric oscillating system with a knife working end, continuously monitoring its electrical parameters and setting the optimal time for ultrasonic exposure based on data on their change. To form welds in a checkerboard pattern, tapes are sequentially stacked on two independent ladder-type supports with welding substrates in the form of crossbeams in the areas for forming welds, and seams are formed connecting the first two tapes. After connecting the first two tapes, the lower support is moved to the surface of the upper tape, the next tape is applied, the seams are formed between the third and second tapes. Then, after moving two successive tapes, moving the lower support onto the surface of the tape connected by welded seams and applying another attached tape to it, they ensure the connection of a given number of tapes.

Фиг.1. схематично показывает реализацию предлагаемого способа изготовления решетки - процесс укладки лент и опор с последующей сваркой. На фиг.1 приняты следующие обозначения: 1 - первая лента термопластичного материала для формируемого пакета лент при изготовлении решетки; 2 - первая из двух независимых опор лестничного типа со сварочными подложками 6 в виде перекладин на участках для формирования швов; 3 - вторая опора; 4 - вторая лента термопластичного материала для формируемого пакета лент; 5 - ультразвуковая колебательная система; 7 - участки формирования линейных сварных соединений.Figure 1. schematically shows the implementation of the proposed method of manufacturing the lattice - the process of laying tapes and supports with subsequent welding. In Fig.1, the following notation is adopted: 1 - the first tape of thermoplastic material for the formed tape package in the manufacture of the lattice; 2 - the first of two independent supports of the ladder type with welding substrates 6 in the form of crossbeams in areas for the formation of seams; 3 - second support; 4 - the second tape of thermoplastic material for the formed tape package; 5 - ultrasonic oscillatory system; 7 - sections of the formation of linear welded joints.

На фиг.2. представлена зависимость контролируемой в процессе ультразвуковой сварки термопластичных материалов величины тока, протекающего через пьезокерамические элементы ультразвуковой колебательной системы в процессе формирования сварного шва.In figure 2. The dependence of the current flowing through the piezoceramic elements of the ultrasonic vibrating system during the formation of the weld is shown as a function of the thermoplastic materials controlled during ultrasonic welding.

Точка А на графике соответствует началу ультразвукового воздействия. Точка В - моменту максимального демпфирования ультразвуковой колебательной системы. Точка А' - максимальной прочности сварного соединения. Участок A'C соответствует вязкотекучему состоянию полимерного термопластичного материала.Point A on the graph corresponds to the beginning of the ultrasound exposure. Point B - the moment of maximum damping of the ultrasonic oscillatory system. Point A 'is the maximum strength of the welded joint. Section A'C corresponds to the viscous flow state of the polymer thermoplastic material.

Зависимость была получена в ходе сварки двух лент полимерного термопластичного материала при постоянном статическом давлении на колебательную систему. Зависимость, представленная пунктирной кривой, соответствует отсутствию в зоне ультразвукового воздействия свариваемых материалов (излучение в воздух). Из представленных на фиг.2 зависимостей видно, что при отсутствии процесса сварки значение тока I, равное Ixc, сохраняется на протяжении всего времени ультразвукового воздействия t₃. Сплошные кривые иллюстрируют изменение величины тока (и соответственно амплитуды механических колебаний), протекающего через пьезокерамические элементы излучателя во время сварки двух лент полимерных материалов между собой. Такое изменение тока в процессе формирования шва связано с изменяющимися свойствами материала в зоне сварки (размягчение материала, переход в вязкопластичное и далее в вязкотекучее состояние). Точка А (см. кривую 1) соответствует началу ультразвукового воздействия. Величина тока I₁ в точке А меньше величины тока Ixc, что связано с начальным демпфированием ультразвуковой колебательной системы прижатым к ней материалом. Чем больше сила начального статического давления на свариваемый материал, тем меньше начальный ток сварки. Уменьшение тока на участке АВ обусловлено размягчением полимерного материала, улучшением акустического контакта излучающей поверхности колебательной системы с ним и, как следствие, снижением добротности ультразвуковой системы. Уменьшение тока продолжается до значения I₂ (точка В), что соответствует моменту максимального демпфирования излучателя. Участок ВС соответствует переходу материала из вязкопластичного в вязкотекучее состояние. Излишки расплавленного материала начинают выдавливаться из зоны сварки, что изменяет (уменьшает) статическое давление на колебательную систему и увеличивает его добротность. Именно на этом участке лежит точка, соответствующая оптимальному качеству шва. Многочисленные исследования и тестирования качества сварных соединений показали, что прочность материала шва в точке А' соответствует максимальной прочности сварного соединения свариваемых лент.The dependence was obtained during welding of two tapes of a polymer thermoplastic material with constant static pressure on the oscillating system. The dependence represented by the dashed curve corresponds to the absence of welded materials in the zone of ultrasonic action (radiation into the air). From the dependences shown in FIG. 2, it can be seen that in the absence of a welding process, the current value I, equal to Ixc, is maintained throughout the entire time of ultrasonic action t ₃ . The solid curves illustrate the change in the magnitude of the current (and, accordingly, the amplitude of mechanical vibrations) flowing through the piezoceramic elements of the emitter during welding of two tapes of polymer materials with each other. Such a change in current during the formation of the weld is associated with the changing properties of the material in the weld zone (softening of the material, transition to a viscoplastic and then to a viscous flow state). Point A (see curve 1) corresponds to the onset of ultrasonic exposure. The magnitude of the current I ₁ at point A is less than the magnitude of the current Ixc, which is associated with the initial damping of the ultrasonic vibrating system by the material pressed to it. The greater the initial static pressure on the material being welded, the lower the initial welding current. The decrease in current in the AB region is due to softening of the polymeric material, an improvement in the acoustic contact of the emitting surface of the oscillating system with it, and, as a result, a decrease in the quality factor of the ultrasound system. The decrease in current continues to the value of I ₂ (point B), which corresponds to the moment of maximum damping of the emitter. Section BC corresponds to the transition of the material from a viscoplastic to a viscous flow state. Excess molten material begins to be squeezed out of the weld zone, which changes (decreases) the static pressure on the oscillating system and increases its quality factor. It is in this area that the point corresponding to the optimal quality of the seam lies. Numerous studies and testing of the quality of welded joints showed that the strength of the weld material at point A 'corresponds to the maximum strength of the welded joint of the welded tapes.

На фиг.3. представлено ультразвуковое оборудование для формирования сварных соединений линейными швами длиной до 360 мм (патент РФ №2284228).In figure 3. ultrasonic equipment for forming welded joints by linear seams up to 360 mm long is presented (RF patent No. 2284228).

Способ изготовления решетки с ячеистой структурой для укрепления грунтовых поверхностей осуществляется следующим образом. (Фиг.1.) Первую ленту 1 укладывают на опору 2 (нижнюю). На ленту 1 сверху укладывают вторую опору 3. Затем на опору 3 укладывают вторую ленту 4. Обеспечивают акустический контакт между рабочей поверхностью ультразвуковой колебательной системы 5 и свариваемыми лентами, то есть прижим рабочей поверхности ультразвуковой колебательной системы с усилием не менее 2000 Н к свариваемым лентам из термопластичного материала и сварочной подложке 6. Производят ультразвуковое воздействие с рабочей частотой 22-44 кГц при амплитуде колебаний не менее 30 мкм на свариваемые материалы, и формируют сварные соединения. В процессе ультразвуковой сварки и формирования сварного соединения производят непрерывный контроль ее электрических параметров, на основании которого определяют оптимальное время УЗ воздействия (период времени t₂-t₁ от момента включения ультразвука А до А'), после чего производят автоматическое отключение ультразвуковых колебаний. Так производят ультразвуковую сварку лент в местах получения сварных соединений 7 по сварочным подложкам 6 первой опоры. Затем нижнюю опору вынимают и перемещают на поверхность верхней (второй) ленты. Накладывают следующую ленту, производят формирование швов между третьей и второй лентами по сварочным подложкам второй опоры 3. Таким образом, последовательно перемещая нижнюю опору на поверхность присоединенной сварными швами ленты и накладывая на нее очередную присоединяемую ленту, обеспечивают соединение заданного числа лент.A method of manufacturing a lattice with a cellular structure for strengthening soil surfaces is as follows. (Fig. 1.) The first tape 1 is laid on a support 2 (lower). The second support 3 is laid on top of the tape 1 from above. Then, the second tape 4 is laid on the support 3. The acoustic contact between the working surface of the ultrasonic vibrating system 5 and the welded tapes is provided, that is, the working surface of the ultrasonic vibrating system is pressed at least 2000 N to the welded tapes from thermoplastic material and the welding substrate 6. Produce ultrasonic action with an operating frequency of 22-44 kHz with an oscillation amplitude of at least 30 μm on the materials being welded, and form welded joints I am. In the process of ultrasonic welding and the formation of a welded joint, its electrical parameters are continuously monitored, based on which the optimal ultrasonic exposure time is determined (time period t ₂ -t ₁ from the moment the ultrasound A is turned on to A '), after which the ultrasonic vibrations are automatically turned off. So produce ultrasonic welding of tapes in the places of receiving welded joints 7 on the welding substrates 6 of the first support. Then the lower support is removed and moved to the surface of the upper (second) tape. The next tape is applied, seams are formed between the third and second tapes along the welding substrates of the second support 3. Thus, sequentially moving the lower support to the surface of the tape joined by welded seams and applying another attached tape to it, ensure the connection of a given number of tapes.

Исследования прочности и герметичности сварных соединений, проведенные в лаборатории акустических процессов и аппаратов Бийского технологического института, позволили установить, что прочность сварного соединения составила не менее 150 кг/см², что составляет не менее 70% от прочности основного материала. Применение способа позволило использовать его при изготовлении решеток фактически любой длины и ширины с максимально возможной шириной лент до 360 мм.Studies of the strength and tightness of welded joints, conducted in the laboratory of acoustic processes and apparatus of the Biysk Technological Institute, made it possible to establish that the strength of the welded joint was at least 150 kg / cm ² , which is at least 70% of the strength of the base material. The application of the method allowed its use in the manufacture of gratings of virtually any length and width with the maximum possible width of tapes up to 360 mm.

Для получения сварных соединений длиной до 360 мм и шириной от 3 до 10 мм была разработана и изготовлена специализированная ультразвуковая колебательная система [4], представленная на фиг.3.To obtain welded joints with a length of up to 360 mm and a width of 3 to 10 mm, a specialized ultrasonic vibrating system [4] was developed and manufactured, as shown in FIG. 3.

Использование предлагаемого способа повысит качество решеток с ячеистой структурой за счет увеличения эксплуатационной прочности сварных швов, обеспечит повышение несущей способности укрепляемых грунтовых поверхностей, повышение прочности и увеличение срока службы возводимых сооружений.Using the proposed method will improve the quality of grids with a cellular structure by increasing the operational strength of welds, will increase the bearing capacity of reinforced soil surfaces, increase strength and increase the service life of structures being constructed.

Технический результат изобретения выражается не только в повышении качества, исключении брака, но и в увеличении производительности производства решетки в несколько раз по сравнению с прототипом.The technical result of the invention is expressed not only in improving quality, eliminating defects, but also in increasing the productivity of the production of the lattice several times in comparison with the prototype.

Мелкосерийное производство ультразвукового оборудования для практической реализации разработанного способа планируется в 2007 году.Small-scale production of ultrasonic equipment for the practical implementation of the developed method is planned in 2007.

Список литературы, используемой при составлении заявки:List of literature used in the preparation of the application:

1. Патент РФ №2153417.1. RF patent №2153417.

2. Патент США №4797026.2. US patent No. 4797026.

3. Патент РФ №2129189, 1999 - прототип.3. RF patent No. 2129189, 1999 - prototype.

4. Патент РФ №2284228.4. RF patent No. 2284228.

Claims

A method of manufacturing a lattice with a honeycomb structure for strengthening soil surfaces, which consists in the connection of linear stitches, staggered, tapes of thermoplastic polymer material by ultrasonic welding, characterized in that the ultrasonic effect is carried out at an operating frequency of 22-44 kHz with an oscillation amplitude of at least 30 μm piezoelectric oscillatory system with a knife working end, continuously monitoring its electrical parameters and setting the optimal ultrasound time in Based on the data on their change, in order to form welds in a checkerboard pattern, tapes are sequentially stacked on two independent ladder-type supports with welding substrates in the form of shifts on the sections for forming welds, form seams connecting the first two tapes, after they are connected, the lower support is moved the next tape is applied to the surface of the upper tape, seams are formed between the third and second tapes, the lower support is moved after welding two successive tapes to the surface of the joining welded tape and, imposing on it another joinable tape, provide the connection of a given number of tapes.