Общие методические начала технологии УЗС пблимеров не отличаются от принятых при сварке металлов. По-видимому, только этим и можно объяснить существующее в настоящий момент положение, что разработкой процесса сварки занимаются свар­щики, а не химики-переработчики.

В работах [8 и др. J изложены основные достижения ученых — исследователей в области технологии УЗС полимеров. В насто­ящее время показано, что при выполнении определенных условий, исключающих влияние дестабилизирующих факторов, процесс УЗС становится надежным, а внедрение его в промышленность обеспечивает значительный технико-экономический эффект.

Комплект технологического оборудования для УЗС как метал­лов, так и пластмасс практически однороден.* Типовые схемы ввода энергии при УЗС полимеров приведены на рис. 2.3, б,

4.1, а, 5.1, а, 5.5; типы сварных соединений — на рис. 6.1 и 6.5.

УЗС полимеров характеризуется следующими особенностями.

Сварное соединение образуется при температуре, близкой к температуре расплава. Энергия выделяется локально, непосред­ственно под сварочным наконечником. Сваривается большинство из широко известных термопластичных материалов. Основной тип соединения «в замок» (рис. 6.5, а). Возможна сварка вна-

слойных сочетаний и разнотолщинных материалов. Приведенные на рис. 6.1 примеры аналогичны и для сварки полимеров. В ряде случаев возможна сварка с передачей энергии ультразвука через свариваемый материал — это передаточная сварка (рис. 6.5, б), с разделением усилия сжатия от сварочного давления (рис. 6.5, в). Установлено, что ультразвуком можно сваривать детали, поверх­ности которых покрыты высокодисперсными фракциями сыпучих веществ, жидкими вязкими и жировыми пленками (риС. 6.5, 2).

В ряде случаев требования к сварному соединению, как пра­вило, достаточно велики. Это относится к его механической проч­ности, герметичности, эстетическим, а в ряде случаев к специаль­ным требованиям. С целью решения этих проблем исполь­
зуются различные приемы. Например, при сварке жестких полимеров для концентрации напряжений в зоне сварки и обес­печения герметичности предложено использование V-образных выступов. Размеры таких выступов находятся в зависимости от свойств свариваемых материалов, конструктивных форм и требо­ваний к сварным соединениям изделий. Практически для сварки, например, ударопрочного, блочного полистиролов, полиметил­метакрилата и других материалов высота такого выступа должна быть на уровне 0,5—1,5 мм, а угол при вершине примерно 45—60°.

Иногда для повышения прочности сварных соединений исполь­зуются промежуточные прокладки, особенно при сварке разно­родных материалов. Свойства материала прокладки, например температура его плавления, интервала вязкотекучего состояния, вязкости расплава и другие свойства, должны быть ближе к сред­нему значению свариваемых полимеров. Применение промежу­точных прокладок позволяет дифференцировать перепад темпе­ратур плавления, снизить теплообмен между свариваемыми дета­лями, т. е. обеспечить условия лучшей температурной совместимости разнородных пластмасс.

С целью снижения вязкости при сварке полимеров с разными показателями вязкости, например полистирола с полиамидом, полистирола с ПВХ и др., возможно использование раствори­телей.

Возможна сварка пластмасс ультразвуком с последующей выдержкой полимера в заданной температуре от другого источ­ника теплоты. Возможен предварительный подогрев полимеров с последующим вводом ультразвука, односторонний подогрев деталей при необходимости и т. п.

Способ УЗС не исключает проведения технологического про­цесса, когда в силу тех или иных причин свариваемые поверх­ности перед сваркой предварительно очищаются или обрабаты­ваются активизаторами. Возможна УЗС полимеров, когда перед сваркой производится разупрочнение надмолекулярной струк­туры полимера растворителями.

Для расширения технологических возможностей процесса УЗС возможно использование нормальных составляющих изгибных колебаний системы резонирующих стержней. Сдвиг пучности колебательного смещения обеспечивается частотной модуля­цией от ИП.

Найдена возможность использования в качестве опор или упорных элементов резонансных звеньев, которые существенно расширяют технологические возможности процесса. При этом опора (упор) может иметь практически необходимые размеры, но кратные полуволне.

С помощью ультразвука можно запрессовывать металлическую арматуру в полимер (рис. 6.6, а), развальцовку полимера под заклепку при соединении различных материалов, особенно метал­лов с полимерами (рис. 6.6, б).

Рис. 6.6. Варианты использования энергии
мощного ультразвука

Основными параметрами ре­жима сварки являются ампли­туда колебаний сварочного на­конечника, сварочное усилие и время сварки. Приемы уп­равления этими параметрами при сварке полимеров в основ­ном аналогичны используемым при сварке металлов (см. рис.

6.2 и 6.3).

Кроме того, разработан ряд конструктивно-технологических мер по управлению качеством сварки посредством, например, установления фиксированного зазора между свариваемыми дета­лями и сварочным наконечником; фиксированной деформации свариваемого материала; использования памяти ЭВМ; окончания сварки по заданной кинетической характеристике; количества введений в зону сварки энергии; деформации заданной величины рельефа и т. п. (рис. 6.7).

Для процесса УЗС полимеров характерна малая энергоем­кость, возможность группового питания, выноса сварочных голо­вок от источников питания, а также сравнительная простота автоматизации и гигиеничность процесса.

Типовая схема технологического процесса УЗС полимеров аналогична процессу УЗС металлов.

Разработка конкретных технологий с учетом изложенных положений (см. гл. 2—4) и разработанного оборудования (см. гл. 5) практически затруднений не вызывает. Примеры техноло­гических режимов сварки некоторых изделий из термопластмасс приведены в табл. 6.10.

Приведем примеры практической реализации УЗС полимеров при использовании сварочных машин типов МТУ-0,4-4У4 и МТУ-1,5-ЗУ4.

Разработана технология ультразвуковой сварки осветительной арматуры для автотракторной промышленности (световращатели, велофары, боковые передние и задние указатели габаритов, эмблемы и т. п.). Материалы — сополимеры стирола. Общий объем выпуска достигает нескольких миллионов штук в год.

Таблица 6.10

Режим сварки некоторых изделий из термопластмасс

Режим сварки

No.

пп.

Изделие

Свариваемый

материал

£св»

мкм

F

г СВ*

Н

^св* с

1

Рассеиватель к автомобилю ВАЗ-2105

Полистирол

40

250

3,6

2

Рассеиватель к автомобилю ВАЗ-2106

»

40

250

2,8

3

Планка декоративная к ВАЗ-2106

»

40

300

1,8

4

Фонарь-подсветка к ВАЗ-2106

АБС-3 с ПММА

50

200

0,3

5

Воздуховод к автомобилю КамАЗ

Насос струйный

Полипропилен

55

300

0,4

6

АБС-3

50

400

1,5

7

Воздухофильтр

ПЭВД

45

400

2,2

8

Катафот

Полистирол

50

300

0,6

9

Рассеиватели светильников

ПВХ-пленка с де­коративным ри­сунком *

55

200

10

Крышка воздухозаборника с корпусом пылесоса

АБС с полисти­ролом

50

250

0,3

11

Крышка подсветки

То же

50

250

0,2

12

Корпус с днищем магнитофона

Ударопрочный

полистирол

30

300

0,6

13

Датчик и индикатор для маг­нитофона

40

350

5,0

14

Теплицы для сельского хозяй­ства, гелиобани и др.

ПЭТФ-пленка **

40

300

15

* Ско ** Ско;

Игрушка «Автомобиль»

рость сварки до 0,5 м/мин. рость сварки до 2 м/мин.

Ударопрочный

полистирол

40

250

0,3

Разработана технология герметизации различных типов акку­муляторов из полиамида; микроминиатюрных радиотехнических разъемов из полиамида и полистирола; различных типов пере­ключателей из полиамидов.

Разработана технология ультразвуковой сварки изделий ра­диотехнической промышленности типа колодок, перемычек, разъ­емов из сополимеров стирола; корпусов электроизмерительных при­боров из полистирола. До сих пор сборка этих изделий произ­водилась при помощи винтов, заклепок, склеивания смолами и клеями различных марок.

Разработана технология ультразвуковой сварки деталей фото­аппаратов из полистирола, а также крыльчатки из АБС-пластика для воздуходувок.

Разработана технология ультразвуковой сварки различных деталей из полистирола бытовой радиоаппаратуры (корпусов

Рис. 6.8. Сварка пленки при изготовлении клемм-ташей

магнитофонов, приемников, кассет различного типа). Свариваемые материалы — полистирол, сополимеры типа МСН, АВС.

Разработана технология ультразвуковой сварки деталей кор­пусов фотоэкспонометров (сополимер МС и полистирол), а также различных товаров народного потребления (массажных щеток, труб, шариковых ручек и т. д.). Материалы, из которых изго­тавливаются изделия, — полистирол, сополимеры типа МСН, АВС.

Разработана технология сварки ультразвуковой изделий быто­вой светотехники (соединение деталей рассеивателей из ПВХ — пленки, ПЭ-пленки). Разработана технология ультразвуковой сварки кашированных пленочных материалов в процессе изгото­вления рассеивателей бытовых светильников, а также клемм- гашей (рис. 6.8).

Разработана технология ультразвуковой сварки различных типов детских игрушек из полистирола взамен склеивания то­ксичными клеями (например, дихлорэтаном) — производство игрушек составляет несколько миллионов штук в год.

Разработана технология ультразвуковой сварки теплостой­кого поливинилхлорида в процессе изготовления диафрагм, ис­пользуемых при электролизе никеля, а также фильтров из трико­тажно-лавсанового полотна для систем переливания крови. Сварка производилась на специально разработанном автомате типа АУС-1,5.

На одну из поверхностей пленки наносится фотоэмульсионный слой, а на вторую — восковое покрытие или лаковый контрслой.’

При УЗС ракорда с пленкой на триацетатной основе и рас­положении эмульсионного слоя между контактирующими поверх­ностями выявлена закономерность изменения качества сварного соединения от толщины такого слоя. Например, при относитель­ной толщине фотоэмульсионного слоя 0,0; 0,06; 0,08; 0,12; 0,14, 0,15 прочность составила соответственно 0,85; 0,82; 0,78; 0,7; 0,6; 0,5 (прочность относительная — испытания на сдвиг).

Наибольшей прочностью обладают сварные соединения, полу­ченные при сварке ракорда с ракордом, т. е. основы, имеющей чистые контактирующие поверхности. С появлением в зоне сварки фотоэмульсионного слоя прочность соединения падает: чем больше толщина слоя, тем меньше прочность. Изложенное еще раз под­тверждает особенности УЗС различных материалов без снятия поверхностных пленок. Вместе с тем прочность сварных швов выше прочности соединений, получаемых при скреплении концов кинопленки металлическими скрепками.

Испытания сварных соединений на многократный изгиб, аде­кватных нагрузкам кинопленки в лентопротяжном механизме, показали, что с увеличением толщины эмульсионного слоя число перегибов, выдерживаемых сварным соединением, снижается. Если при относительной толщине фотоэмульсионного слоя, равной 0,06, число перегибов до разрушения сварного соединения со­ставляет 1500, то при толщине 0,15 — только 700.

Испытания сварных соединений на стойкость к воздействию химически активных сред — типовых проявителей, закрепителей фотопленки — показали, что прочность сварных соединений изме­няется — крайне мало.

Разработана технология сварных’ поликарбонатных, полипро­пиленовых пленок. Прочность сварных соединений при испытании сварных соединений на сдвиг составляет не менее 60 % от проч­ности основного материала. Хуже свариваются пленки из поли­этилена низкого и высокого давления. При этом прочность свар­ных соединений составляет не более 25—30 % от прочности основного материала.

Весьма перспективным представляется применение УЗС пленок из фтор лона Ф-4, сварка которого затруднена. Разработана тех­нология сварки таких. пленок на вращающемся ролике при усло­вии предварительного подогрева ролика и волновода до темпера­туры 650—675 К.

Разработана технология УЗС полиэтилентерефталатных пле­нок, чистых и металлизированных, гладких и гофрированных. Другими методами эти пленки практически не соединяются. Установлено, что сварку можно проводить с использованием сва^ рочных «пистолетов» типов РУСУ-28, РУСУ-50, СЗПИ-1 и др. Сварка проводится, как правило, на стальной плите-опоре. Ам­плитуда смещения сварочного наконечника выбирается в зависи­

мости от толщины пленки. При уменьшении толщины свариваемой пленки должна уменьшаться и амплитуда колебаний сварочного наконечника. Сварочное усилие при толщинах ПЭТФ пленки 12—40 мкм может быть на уровне 3—5 МПа.

Большое значение для сварки имеет материал опоры: тексто­лит, гетинакс, сталь и т. п. Наилучшие результаты при сварке ПЭТФ пленки получены при использовании стальных плит или роликов. При этом прочность сварных соединений может соста­вить др 65 % от прочности основного материала (испытания на сдвиг); Разработана технология сварки тонких ПЭТФ пленок — толщиной ~5 мкм и менее. Сварка таких пленок крайне затруд­нена.

Предложено [6 и др.] проводить сварку тонких пленок с по­мощью технологических накладок. Эти накладки могут привари­ваться или не привариваться к основному материалу. Для этого можно использовать накладки, изготовленные из свариваемого материала — из другого материала с более высокой температурой текучести. Накладки при этом располагают между сварочным наконечником и свариваемым изделием либо между пленкой и опорой; сварка возможна и при размещении двойных накладок, т. е. под сварочным наконечником и на опоре. Таким образом, сварка тонких и особо тонких пленок сводится к технологии сварки пакета, сварки композиции из разнородных пленок. Ре­жимы сварки при этом меняются в сторону увеличения сварочных усилий. Увеличение амплитуд колебаний сварочного наконечника нецелесообразно (проще убрать лишний слой пленки).

Исследования показали, что при использовании односторонней накладки — снизу или сверху относительно свариваемого мате­риала — позволяет повысить прочность сварных соединений примерно в два раза. Швы при этом имеют гладкую поверхность, прозрачны. Материал накладки существенно влияет на прочность сварного соединения. В работе [6] показано, что при сварке ПЭТФ пленки толщиной 5 + 5 мкм и использовании накладок из фторопласта-4, целлофана, бумаги конденсаторной снижение прочности составило соответственно 25, 35 и 50 %. Накладки при этом размещались между волноводом и свариваемой пленкой. Толщина технологической накладки 60 мкм.

Прочность сварных соединений зависит от толщины материала накладки. Так, например, при использовании в качестве накладки конденсаторной бумаги при сварке ПЭТФ пленки толщиной 5 + + 5 мкм и размещении ее под сварочным наконечником установ­лена следующая прочность (%):

При толщине конденсаторной бумаги 12 мкм……………………………. 0,8

» » » » 60 мкм 50

» » » » 70 мкм 46

» » » » 80 мкм 38

» » » » 150 мкм……………………… 37

(испытания на сдвиг; прочность в % от прочности основного материала). 208

Таким образом, можно утверждать, что существует понятие и оптимальной толщины технологической накладки. Приведенные данные нельзя признать в полной мере правомерными. Варьируя толщинами и материалами накладок, их размещением относи­тельно свариваемых материалов, выходными параметрами колеба­тельной системы, нужно искать возможно более рациональные технологии.

В тех случаях, когда нежелательно применять накладки, которые привариваются к основному материалу, нужно применять такие из них, которые легко отделяются от сварного шва после сварки. Этим требованиям отвечают технологические накладки из бумаги равномерной плотности толщиной 70—75 мкм. При сварке ПЭТФ пленок достаточно большого диапазона толщин они обеспечивают прочность сварных соединений до 60 % от проч­ности основного материала.

Применение калек, парафинированных оберточных бумаг не­желательно: они обладают достаточно большой адгезионной спо­собностью к свариваемой пленке и при их удалении возможно повреждение изделия. Наилучшие результаты при сварке метал­лизированной ПЭТФ пленки с прослойкой из стекловуали полу­чены при использовании технологических накладок из бумаги без пропитки.

Приведенные технологические приемы при сварке пленок позволяют получать сварные соединения достаточно высокой механической прочности с комплексом качеств, в целом ряде примеров удовлетворяющих требованиям потребителей. Так, например, разработана технология ультразвуковой сварки по­лотна и канала световодов-светильников из светорассеивающей и металлизированной полиэтилентерефталатной пленки. Техно­логический процесс сварки производится на специально раз­работанной сварочной машине типа УСУ-0,1У4.

. Испытания образцов сварных соединений показали возмож­ность получения изделий, обладающих кратковременной длитель­ной прочностью при повышенных температурах, герметичностью, газонепроницаемостью и т. п.

Оптимальные режимы сварки пленок, как следует из изложен­ного, зависят от достаточно большого числа факторов. Отметим еще одно немаловажное обстоятельство: зависимость качества сварки от изнашивания волновода и сварочного наконечника, непосредственно контактирующего со свариваемой пленкой. При изнашивании волновода меняется его резонансная частота. Реше­ние этой проблемы просматривается в двух направлениях: пер­вое — поиск материалов, обладающих максимальной износоустой­чивостью с целью сохранения заданных геометрических размеров волновода и сварочного наконечника; второе — обеспечение аку­стических систем надежными средствами поддержания ее резонанс­ных свойств и энергетики процесса сварки в целом.

Изнашивание волновода особенно интенсивно при сварке металлизированных пленок с подслойкой стекловуали. Волноводы из алюминиевых сплавов, например Д16Т, В95 и др., несмотря на хорошие акустические свойства и минимальные потери не могут быть рекомендованы к эксплуатации, так как сильно изна­шиваются. Сварка через технологические прокладки, например бумагу, снижает изнашивание волновода, но не решает проблемы.

В качестве наиболее рациональных материалов для изготовле­ния выходных ступеней волноводов могут быть рекомендованы титановые сплавы, например ВТ5, ВТ6 и др. Они обладают до­статочно высокой износоустойчивостью: по сравнению с алюмини­евыми сплавами она примерно в 200 раз выше. Волноводы из сплава, например, ВТ5 работают без переточки сварочного нако­нечника 15—20 рабочих смен. Общая продолжительность исполь­зования такого волновода составляет более года при двухсменной работе [6].

При условии использования средств автоматической под­стройки частоты колебательной системы (АПЧ), автоматической стабилизации амплитуды колебаний сварочного наконечника (АСА, типаж РУСУ) или системы автоматического поддержания резонанса (САПРа, разработки СЗПИ-1) технология сварки пленок существенно упрощается. Основное внимание технолога-сварщика должно быть обращено на соблюдение форм сварочного наконеч­ника. Стабилизация формы сварочного наконечника в значитель­ной степени обеспечивает стабилизацию удельного сварочного усилия и качество сварки. Число переточек сварочного наконеч­ника и связанное с этим изменение размеров волновода опреде­ляются конкретными «способностями» систем АПЧ, АСА, САПР к глубине стабилизации того или иного параметра. При отсутствии таких средств стабилизации колебательной системы при каждой переточке волновода необходима подстройка генератора вручную. Целесообразно допустимое изменение длины волновода, связанное с переточкой сварочного наконечника, составляет до 5 % от его длины. Максимально допустимое изменение волновода длины волновода по работе [6] составляет до 10 %.

Примеры изделий, свариваемых ультразвуком, в настоящее время составляют несколько сот наименований. Некоторые из них приведены на р. ис* S. O".

Разработана технология ультразвуковой сварки черно-бе­лых и цветных кинопленок шириной 16, 32, 35 мм на различной основе (триацетатной и лавсановой) на входе проявочных машиш Примеры изделий, свариваемых ультразвуком, приведены на рис. 6.9.

Технико-экономическая эффективность — ТЭЭ — внедрения УЗС предопределяется следующими основными факторами.

1. Исключением необходимости тщательной подготовки свариваемых материалов перед сваркой. Это в равной степени относится к УЗС и пластмасс, и металлов, УЗС можно сваривать материалы не только в состоянии поставки (с элементами жировых,

Рис. в.9. Образцы изделий из пластмасс, свариваемых ультразвуком

масляных, водных, пылегрязевидных наслоений), но в ряде случаев и без снятия специально нанесенных покрытий.

2. Возможностью получения сварных соединений, которые можно получить другими методами сварки, но трудно, с большими затратами.

3. Технологической необходимостью использования УЗС, т. е. в тех случаях, когда применение других методов сварки практи­чески невозможно, а механические методы соединения и склеива­ния противопоказаны по условиям эксплуатации.