С.С. ВОЛКОВ, Б.ЯЯЕРНЯК
СВАРКА
ПЛАСТМАСС
УЛЬТРАЗВУКОМ
ИЗДАНИЕ ВТОРОЕ,
ПЕРЕРАБОТАННОЕ И ДОПОЛНЕННОЕ
МОСКВА
«ХИМИЯ»
1986

6П7.55
В67
УДК 678.029.4:66.084
Рецензент: проф., докт. техн. наук Ю. В. Холопов.
УДК 678.029.4:66.084
Волков С. С, Черняк Б. Я. Сварка пластмасс
ультразвуком. 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Химия,
1986. —256 с.
Во втором издании A-е изд. вышло в 1974 г.) содержится обширный:
материал по ультразвуковой сварке пластмасс, накопленный за последние
10 лет как в СССР, так и за рубежом. Рассмотрены различные схемы
сварки, дан анализ механизма образования сварных соединений. Описаны
технология и режимы сварки различных полимерных материалов, показано
их влияние на прочность и структуру сварных соединений. Приведены
конструкции современных ультразвуковых сварочных машин и методы
контроля качества сварных соединений.
Предназначена для инженерно-технических и научных работников,
занимающихся вопросами переработки и сварки пластмасс, а также для?
преподавателей, аспирантов и студентов, специализирующихся в этой
области.
Табл. 4. Ил. 132. Библиогр. список: 71 назв.
2803090100-126
В050@1)-86 126"86
© Издательство «Химия», 1986 г.

СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие 5
Введение 6
ГЛАВА I. ОСНОВЫ ПРИМЕНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКА ДЛЯ СВАРКИ
ПЛАСТМАСС 12
Общие сведения об ультразвуковых колебаниях 12
Классификация схем ультразвуковой сварки пластмасс 15
Подвод механической энергии 15
Передача энергии к зоне сварки 25
Концентрация энергии в зоне сварки 27
Дозирование подводимой энергии 30
Взаимное перемещение сварочного инструмента и изделия • * 33
ГЛАВА II. МЕХАНИЗМ ОБРАЗОВАНИЯ СОЕДИНЕНИИ ПРИ
УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СВАРКЕ ПЛАСТМАСС 36
Общие сведения о пластмассах и их свойствах 36
Стадии образования сварных соединений 43
Образование физического контакта между свариваемыми поверхностями 44
Ввод ультразвуковых колебаний в свариваемые детали;
распространение колебаний ..... 46
Преобразование энергии механических колебаний в тепловую энергию 49
Концентрация энергии на границе раздела свариваемых деталей . . 58
Связь процессов теплообразования и деформирования в зоне сварки с
прочностью сварных соединений 70
Объемное развитие взаимодействия 75
ГЛАВА III. ТЕХНОЛОГИЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СВАРКИ
ПЛАСТМАСС 80
Параметры режима ультразвуковой сварки полимерных материалов 80
Амплитуда смещения 81
Статическое давление 84
Коэффициент режима и время сварки 85
Рабочие циклы при ультразвуковой сварке 91
Сварка полимерных пленок 95
Общие закономерности и рекомендации 95
Сварка однослойных пленок 103
Сварка полиэтилентерефталатных пленок большой и средней
толщины 106
Сварка тонких полиэтилентерефталатных пленок 107
Сварка комбинированных пленок 109
Способы повышения производительности ультразвуковой сварки
полимерных пленок ИЗ
Сварка мягких пластмасс 117
Общие закономерности и рекомендации 117
Контурная сварка емкостей из полиэтилена 121
Сварка полиэтиленовых туб и шприц-тюбиков 123
Сварка деталей большой толщины 125
Сварка жестких пластмасс 126
Общие закономерности и рекомендации ........ 126
Сварка полистирола 133
Сварка полиметилметакрилата 142
Сварка винипласта 145
Сварка капролона 147
Соединение термопластичных полимерных материалов с
металлическими и неметаллическими материалами 150
3

Изготовление нетканых полотен 153
Изготовление щеточных элементов 157
Сварка искусственных кож 162
Сварка синтетических тканей 165
Сварка тканей технического назначения 167
Сварка тканей при изготовлении одежды 174
ГЛАВА IV. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ СВАРКИ ПЛАСТМАСС
УЛЬТРАЗВУКОМ 176-
Основные элементы машин для ультразвуковой сварки 178
Электроакустические преобразователи 178
Металлические магнитострикционные преобразователи . . . . 178
Ферритовые магнитострикционные преобразователи . . . . 184
Пьезоэлектрические преобразователи 186
Трансформаторы упругих колебаний и волноводы 187
Методика расчета волноводов . 190
Присоединение преобразователей к трансформаторам упругих
колебаний 191
Опоры, используемые при ультразвуковой сварке ,..*.. 195
Конструкции ультразвуковых сварочных машин 197
Классификация ультразвуковых сварочных машин 197
Однопозиционные сварочные машины 198
Многопозиционные сварочные машины 204
Специализированные сварочные машины * * , * . s e » 205
Шовные сварочные машины 207
Переносные установки 212
Источники питания преобразователей 216
Измерение параметров работы акустической системы 220
Принципы автоматизированного' управления процессом ультразвуковой
сварки 227
ГЛАВА V. КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИИ И
ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ . 245
Предварительный контроль материалов и изделий 245
Заключительный контроль сварных соединений . 246
Техника безопасности при работе на ультразвуковых сварочных
машинах 4*49&*?3*4ШШ9ШаШ*%* /л)?
Библиографический список »»*»•*•*••••« 253

ПРЕДИСЛОВИЕ
Более двадцати пяти лет тому назад в МВТУ им. Н. Э.
Баумана были впервые разработаны методы ультразвуковой сварки
полимерных материалов (А. В. Мордвинцева, Н. А.
Ольшанский), впоследствии развитые авторами настоящей книги,
а также рядом коллективов страны (ВНИИЭСО, НИАТ, ТАДИ,
ОмПИ, ВНИИЛТЕКМАШ и т. д.). За эти годы созданы
отечественные ультразвуковые сварочные установки, принципиально
новые технологические процессы сварки пластмасс и
синтетических волокнистых материалов, разработаны оригинальные
способы сопутствующего и окончательного контроля качества
сварных соединений. Большая часть работы выполнялась в рамках
национальных программ и сотрудничества со странами —
членами Совета Экономической Взаимопомощи.
Расширение областей применения этого прогрессивного
метода соединения полимеров невозможно без создания научных
основ процесса, оборудования для сварки и
автоматизированного управления процессом с использованием последних
достижений электроники, а также без разработки четких
рекомендаций по технологии ультразвуковой сварки,всей номенклатуры
термопластов, используемых в различных отраслях
промышленности. В некоторой степени пробел по указанным вопросам
ликвидирован авторами настоящей книги. Ряд вопросов
теоретического плана (тепловые процессы, объемное развитие
взаимодействий на границе раздела деталей, совершенствование
расчетных методов определения параметров режима сварки) и
практического характера (создание экономичных источников
питания, сварочных машин, средств измерения и контроля) ждут
своих исследователей. Это и неудивительно, так как предмет
ультразвуковой сварки, как, впрочем, и ряда других методов
сварки металлов и пластмасс, стоит на стыке наук, таких, как
механика вязкоупругих сред, реология, акустика, электроника
и др.
Думаю, что книга послужит дальнейшему развитию работ в
области ультразвуковой сварки пластмасс и синтетических
волокнистых материалов. Она несомненно будет полезной для
инженерно-технических и научных работников, занимающихся
исследованием и внедрением этого процесса в промышленность,
а также для аспирантов и студентов сварочных специальностей.
Академик Г. А. Николаев
5

ВВЕДЕНИЕ
В «Основных направлениях экономического и социального
развития СССР на 1986—1990 годы и на период до 2000 года»
намечено довести выпуск синтетических смол и пластических
масс до 6,8—7,1 млн. т, а химических волокон и нитей — до
1,85 млн. т. Особое внимание будет уделяться ускоренному
развитию производства современных конструкционных
пластических масс и других полимерных материалов.
Такое бурное развитие производства пластмасс обусловлено
как экономическими факторами, так и рядом ценных, а порой и
уникальных свойств этих материалов. Для производства и
переработки пластмасс требуется меньше затрат энергии, чем для
цроизводства и переработки металлов; удельная стоимость их
также ниже [1]. Пластмассы хорошо формуются, окрашиваются
практически в любой цвет, имеют небольшую плотность,
высокую химическую стойкость, эластичность, низкую
теплопроводность, хорошие диэлектрические и антифрикционные свойства.
Технологический процесс изготовления даже самых простых
изделий из пластмасс, как правило, включает в себя операции
соединения отдельных деталей или узлов изделий друг с другом.
Так, например, в производстве товаров народного потребления
в настоящее время наметилась тенденция усложнения формы
изделий для придания им наибольшей художественной
выразительности. Технологически выполнение изделий подобного
рода за одно целое зачастую практически невозможно. Эта
задача успешно решается при расчленении изделия на отдельные
технологические простые детали и последующем их
соединении. Для этого применяются сварные, резьбовые, заклепочные,
клеевые и другие виды соединений. Наиболее перспективным из
названных способов является сварка, так как при ее
использовании можно механизировать и автоматизировать процесс
соединения деталей, повысить качество соединений и культуру
производства, снизить трудоемкость операций.
Для анализа процессов сварки пластмасс следует привлечь
хорошо разработанные термодинамические представления о
сварке металлов. Согласно этим представлениям [2], в
сварочной зоне протекают два основных процесса: 1) подвод и
преобразование энергии и 2) движение (или превращение) вещества.
Интенсивность процесса преобразования энергии и его
характер определяют вид сварки.
Для осуществления процесса сварки необходима активация
свариваемых поверхностей Это достигается за счет подвода и
в некоторых случаях — преобразования энергии. Введение
вещества необходимо только при некоторых видах сварки
пластмасс, например при сварке нагретым газом с применением
присадочного материала, а также при сварке экструдируемой
присадкой (расплавом). В последнем случае с присадочным
материалом подводится и энергия.
6

Движение вещества при 'различных видах сварки пластмасс
может быть значительным. Оно обусловлено перемешиванием и
диффузией, протекающими в материале, нагретом до вязкотеку-
чего состояния. Особым видом движения следует считать
химическую .реакцию активных групп, расположенных на
свариваемых поверхностях, между собой или с активными группами
промежуточного вещества, которая также может протекать при
подводе энергии того или иного вида (химическая сварка)
А 4].
Как следует из термодинамических представлений о сварке,
способы сварки пластмасс следует классифицировать в первую
очередь по виду энергии, подводимой к свариваемым деталям,
а затем уже по наличию или отсутствию статического давления,
прикладываемого к ним. Такой подход был впервые предложен
А. В. Мордвинцевой и Н. А. Ольшанским и развит в
последующих работах [5—7]. Энергетический анализ показывает, что все
известные в -настоящее время процессы сварки термопластов
осуществляются путем введения трех видов энергии: тепловой,
механической и электромагнитной (рис. 0.1). В свою очередь,
способы сварки с подводом тепловой энергии следует разделить
на термические и термомеханические.
К термическим относятся виды сварки, при которых
статическое давление не играет существенной роли в образовании
сварного соединения, например сварка экструдируемой црисадкой
или газовыми теплоносителями. Образование сварного
соединения в этом случае определяется исключительно количеством
подводимой тепловой энергии.
К термомеханическим относятся виды сварки, при которых
неразъемное соединение образуется вследствие подвода
тепловой 'энергии и приложения статического давления. При термо-
Сварка термопластов
Тепловая
т
Термическая
? •
-о с»
«*> ч» :
?? ;
Термомеханическая
I
-3 «ь
с ^ «) и
I §«? S
^ «to45» ^
Механическая
Электромагнитная
Токами
высокой
частоты
Излучением
Рис. 0.1. Классификация способов сварки термопластов

механических видах сварки тепловая энергия может
подводиться к границе раздела свариваемых деталей следующими путями:
а) за счет теплопроводности свариваемых деталей (контактно-
тепловая сварка проплавлением); б) за счет теплопередачи от
источника теплоты к свариваемым поверхностям (контактно-
тепловая сварка оплавлением) [7].
При механических видах сварки тепловая энергия
генерируется внутри свариваемых деталей за счет превращения
механической энергии, подведенной извне, в тепловую. Это может быть:
механическая энергия трения или вибротрения свариваемых
поверхностей, превращающаяся в теплоту, котдрая вследствие
малой теплопроводности пластмасс локализуется в сварочной
зоне; механическая энергия упругих колебаний (ультразвуковая
сварка).
При подводе электромагнитной энергии к свариваемым
деталям тепловая энергия также генерируется в них либо за счет
способности звеньев макромолекул полимеров поляризоваться
при наложении внешнего электрического поля (сварка токами
высокой частоты)у либо за счет поглощения энергии
электромагнитных колебаний (сварка инфракрасным излучением,
сварка лазером).
Из всех существующих способов сварки пластмасс
невозможно выделить единственный, который бы удовлетворял всем
экономическим, технологическим и эксплуатационным
требованиям. Вид применяемых источников нагрева, технологические
принципы, положенные в основу процесса сварки, степень
механизации и автоматизации в немалой степени зависят от той
физической формы, в которой используются пластмассы как
конструкционные материалы. По этому признаку можно
выделить: монолитные изделия (условно трехмерные)—детали
машин, емкости, трубы, профили, плиты, фасонные детали;
пленочные изделия (условно двухмерные), используемые в
качестве упаковки, покрытий, подложек, изолирующих конструкций
и т. п.; волокна (условно одномерные материалы), которые
используются для получения нетканых полотен, бытовых и
технических тканей [8]. Комбинацией последних двух физических
форм являются искусственные кожи — волокнистые материалы,
имеющие полимерное покрытие. Области применения
различных способов сварки в зависимости от физической формы
полимера и вида изделия приведены в табл. 0.1 (по данным
стран — членов СЭВ) [1].
Каждый из способов соединения пластмасс имеет свои
преимущества и недостатки, и в зависимости от
физико-механических свойств материала, вида и назначения изделия, серийности
выпуска и т. д. предпочтение может быть отдано тому или
иному из перечисленных способов сварки. Например, способы
сварки нагретым газом и нагретым инструментом являются
наиболее простыми и экономичными, характеризующимися
достаточно высокими прочностными характеристиками получаемого
8

Таблица 0.1. Основные области применения сварки пластмасс
Физическая
форма
изделия
Вид изделия
Источники энергии
и технологические
принципы, положенные
в основу процесса
сварки
Степень механизации
и автоматизации
процесса
Трехмерная Трубы, плиты
Двухмерная
Одномерная

Комбинированная
Фасонные детали
Пленочная
упаковка, покрытия,
подложка
Волокнистые
нетканые материалы
Ткани из
синтетических волокон
Волокнистые
материалы с
пленочным покрытием
(искусственные
кожи)
Горячий газ,
нагретый инструмент,
трение, экструзия
Ультразвук, нагретый
инструмент, трение и
вибротрение
Токи высокой
частоты, ультразвук,
нагретый инструмент,
излучение
Нагретый
инструмент, ультразвук
Ультразвук, токи
высокой частоты,
нагретый инструмент,
излучение
То же
Преимущественно
ручной,
механизированный и частично
автоматизированный
Автоматизированный
Преимущественно
автоматизированный и
механизированный
То же
соединения. Однако значительная зона разогрева препятствует
применению этих способов для консервации
легковоспламеняющихся веществ, пищевых продуктов и лекарственных
препаратов, портящихся при повышенных температурах. Вследствие
загрязнения поверхностей свариваемых изделий значительно
уменьшается прочность сварных соединений в этих случаях.
Сварка токами высокой частоты отличается высокой
производительностью, но в чистом виде она неприменима для
пластмасс с низким фактором диэлектрических потерь (например,
полиэтилена, полипропилена и т. д.). При сварке токами
высокой частоты емкостей из поливинилхлорида, наполненных
жидкостями, может происходить электрический пробой, приводящий
к разрушению изделия.
Сварку экструдируемой присадкой целесообразно применять
для получения швов большой протяженности при соединении
материалов достаточно большой толщины и нецелесообразно —
для соединения пленочных материалов.
Как следует из табл. 0.1, одним из перспективных способов
соединения пластмасс, получившим в последние годы большое
развитие как в нашей стране, так и за рубежом, является
ультразвуковая сварка. По данным экспертных оценок
существующей структуры применения в странах — членах СЭВ разных
способов сварки пластмасс для различных видов изделий, в
период до 1995 г. ожидается значительное увеличение объема при-
9

менения современных высокопроизводительных способов
сварки, среди которых одно из ведущих мест принадлежит
ультразвуковой сварке [1]. Интерес к ней не случаен. В лите!ратуре
неоднократно отмечались преимущества ультразвуковой сварки,
благодаря которым в ряде случаев этот способ соединения
пластмасс становится незаменимым [5—7, 9—11].
Основными отличительными чертами ультразвуковой сварки
пластмасс являются: возможность сварки по поверхностям,
загрязненным различными продуктами; локальное выделение
тепла в зоне сварки, что исключает перегрев пластмассы, имеющий
место при сварке нагретыми газами, нагретым инструментом и
т. д.; возможность сварки некоторых пластмасс на большом
удалении от места подвода энергии; возможность выполнения
соединения в труднодоступных местах; возможность сварки
пластмасс с узким интервалом кристаллизации; возможность
соединения разнородных полимеров; отсутствие радиопомех и
электрического напряжения на сварочном инструменте и т. д.
Ультразвуковая сварка может заменить механические
методы соединения и склеивания целой группы полимеров,
например полистирола, лавсана, капрона, поливинилхлорида и др.
Она широко применяется при изготовлении изделий пищевой и
легкой промышленности, парфюмерии, радиоэлектроники и
электротехники, товаров широкого потребления из пластмасс.
О масштабах применения ультразвуковой сварки говорит тот
факт, что, например, фирма «Branson» (США) предлагает
82 типа различных машин для осуществления этого процесса;
производительность отдельных машин достигает 10 тыс. изделий
в час; максимальные габариты изделий, получаемых сваркой
на многоточечных машинах (до 14 акустических устройств в
одном агрегате), составляют более 700 мм |[10].
Весьма ценным является то, что оборудование,
предназначенное для ультразвуковой сварки полимеров, может
использоваться для заделки (запрессовки) металлической арматуры в
полимеры. МожЭно запрессовывать втулки ступиц, манжеты,
выводные зажимы, шарниры, крепежные детали, рукоятки,
установочные штифты, клеммы, декоративные детали и др. Возможно
также использование ультразвука для локального соединения
клепкой различных полимеров с металлами. Для резки
пластмасс используется тот же комплект оборудования, что и для
сварки, только наконечник волновода при этом выполняется
в виде ножа.
Выполненные у нас в стране работы показали, что
ультразвуковые колебания могут применяться при сварке и резке
металлов, биологических тканей [12].
Немаловажной является и экономическая эффективность
процесса ультразвуковой сварки. По расчетам экономический
эффект от внедрения одной серийной установки для
ультразвуковой сварки составляет 10—15 тыс. руб. в год, а
специализированных машин — 50—100 тыс. руб.
10

С момента выхода первого издания книги «Сварка пластмасс
ультразвуком» прошло десять лет. За это время в нашей
стране и за рубежом получены новые данные по теории и
технологии ультразвуковой сварки пластмасс, разработаны новые
схемы осуществления этого процесса, расширена номенклатура
пластмасс, свариваемых ультразвуком, созданы новые
сварочные установки и системы автоматического управления
процессом. Все это привело к необходимости переиздания и
существенной переработки книги.
В гл. I, посвященную вопросам классификации схем
ультразвуковой сварки и областям их применения, добавлены новые
схемы сварки: с тангенциальным вводом ультразвуковых
колебаний; формированием профильного сварного шва из расплава;
с управлением процессом по изменению знака ускорения
деформирования и толщине сварного (шва, а также ряд других схем,
описание которых можно найти только в специальных
изданиях. Вместе с тем авторы сочли целесообразным не приводить в
новой книге те схемы ультразвуковой сварки, которые так и не
нашли промышленного применения.
При изложении теоретических основ сварки (гл. II), помимо
обсуждавшихся ранее вопросов преобразования энергии
механических колебаний в тепловую энергию и объемного развития
взаимодействия на границе раздела деталей, рассмотрены
также вопросы концентрации энергии в этой зоне, взаимосвязи
процессов теплообразования и деформирования со
структурными превращениями и прочностью сварных соединений,
приведены критерии свариваемости пластмасс ультразвуком.
Существенно расширена гл. III, посвященная технологии
ультразвуковой сварки пластмасс и синтетических тканей. Здесь
приведены основы расчетных методов определения параметров
режима сварки, новые рекомендации по сварке широкой
номенклатуры мягких и жестких пластмасс, волокнистых
синтетических материалов и искусственных кож.
В гл. IV дано описание отечественного и зарубежного
оборудования для ультразвуковой сварки пластмасс, а © гл. V
нашли отражение различные методы контроля качества сварных
соединений.
Авторы хотели бы выразить благодарность за неоценимую
помощь, оказанную при проведении работ по исследованию и
внедрению ультразвуковой сварки пластмасс в промышленность
академику Г. А. Николаеву. Они благодарят коллективы
лабораторий ультразвуковой сварки пластмасс МВТУ им.
Н.Э.Баумана и Ташкентского автомобильно-дорожного института за
помощь в проведении экспериментов, а также Ю. В. Холопова,
К. И. Зайцева, Л. Н. Мацюк, А. В. Богдашевского, И. В.
Мозгового за ценные советы, данные авторам при подготовке
настоящего издания книги.
11

ГЛАВА I
ОСНОВЫ ПРИМЕНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКА
ДЛЯ СВАРКИ ПЛАСТМАСС
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЯХ
Ультразвуковые колебания представляют собой упругие
волны, распространяющиеся в любой материальной среде,
находящейся в твердом, жидком или газообразном состоянии.
Возникновение упругих волн обусловлено тем, что при смещении
некоторой точки упругой дреды под действием внешнего усилия
возникают упругие силы, стремящиеся возвратить точку в
положение равновесия.
Всякая гармоническая волна, т. е. волна, в которой все
изменения состояния среды происходят по синусоидальному
закону, характеризуется следующими величинами: периодом Т или
частотой колебаний /, равной числу колебаний в единицу
времени (f=l/T)\ круговой частотой ш = 2я^; скоростью
перемещения фазы, или фазовой скоростью, с; длиной волны А,, равной
расстоянию между двумя ближайшими точками,
колеблющимися в одинаковой фазе (X=cT=c/f).
Ультразвуковыми являются упругие колебания, частота
которых превышает 16 000 Гц (колебаний в секунду) [13].
В случае, когда фазовая скорость зависит от частоты,
возникает дисперсия скорости, и потому имеет смысл говорить о
групповой скорости. Значение скорости зависит от типа волн,
распространяющихся в среде. Если частицы среды в процессе
колебания перемещаются в направлении распространения
волны, то колебания называются продольными. Если же
перемещение частиц перпендикулярно направлению распространения
волны, то колебания называются поперечными. В жидкостях и
газах могут распространяться только продольные волны. В
твердых телах могут распространяться оба типа волн, а также из-
гибные, крутильные и поверхностные волны.
Фазовая скорость звука для продольной волны в
неограниченной твердой среде равна
|/ Jg(l-v) ^i//С+ 4/30
ЧВГ p(l + v)(l-2v) =У р ' <М>
где Е — модуль Юнга; v — коэффициент Пуассона; р — плотность среды;
К — модуль объемного сжатия; G — модуль сдвига.
Для тонких стержней, поперечные размеры которых много
меньше длины волны, когда можно пренебречь поперечной
деформацией (v = 0), из A.1) получим так называемую
стержневую скорость с:
с=УеТр.
12

Для толстых стержней круглого сечения, для которых 0,15<О
<d/B^)<0,7, рекомендуется [13] пользоваться следующей
формулой:
где dm — максимальный диаметр стержня.
Предположим, что в произвольной точке упругой среды
Действуют переменные силы. Это приведет к переменным
смещениям, деформациям и напряжениям, которые будут
распространяться в среде от точки приложения силы. Каждому моменту
времени будет соответствовать определенное распределение
смещений, деформаций и напряжений в упругой среде. Если это
распределение перемещается, то упругая волна,
распространяющаяся в стержне, называется бегущей; в противном случае она
называется стоячей.
В идеальной среде, в которой отсутствует внутреннее трение,
бегущая волна описывается выражением
и = A sin (со/ ± kx), (I ¦ ЗL
где и — смещение вдоль оси х произвольной точки в любой момент
времени t; А — амплитуда смещения; k — волновое число (&=2я/Я=со/с).
Дифференцируя A.3) по t и по х, получим выражения для
колебательных скоростей V, ускорения а и волны деформации г:
V =zdu/dt= А(дcos (©* ± kx) = Vmcos (art ± kx), A.4)
а = д2и/дР — Лео2 sin (art ± kx) = am sin (со* ±kx)t A.5)
8 = ди/дх = ±.kA cos (со* ± kx), A.6)
где Vm и am — амплитудные значения скорости и ускорения.
Исходя из того, что в упругой среде напряжения а и
деформации е связаны законом Гука (сг=?е), получим
a = doEkA cos (со* ± kx). A.7)
При распространении упругой волны происходит перенос
энергии, причем в процессе колебаний энергия периодически
переходит из потенциальной в кинетическую и наоборот.
Кинетическая энергия в единице объема с учетом выражения A.4)
равна
?кин = 0, 5рУ2 = 0, 5р [Лео cos (со* ± kx)]2.
Поскольку среднее значение квадрата косинуса равно 7а» то
дредняя кинетическая энергия в единице объема будет
5кин=^0,25рсоМ2. A.8)
Средняя потенциальная энергия определяется выражением,
аналогичным A.8), поэтому полная средняя энергия, или
средняя плотность энергии в бегущей волне, равна
Е = О, 5рсо2 Л2 = 2я2/2 Л2р. A.9)
13

В реальной упругой среде всегда существуют силы,
препятствующие распространению упругой волны. Это сопротивление
может носить активный или реактивный характер. В
результате активного сопротивления происходит поглощение
механической энергии и выделение ее в виде теплоты. Активное
сопротивление обусловлено внутренним трением в упругой среде.
Реактивное сопротивление обусловлено тем, что любой бесконечно
малый элемент упругой среды обладает массой и упругостью.
Сопротивление среды распространению упругой волны
характеризуется модулем комплексного сопротивления Z и
определяется как отношение амплитуды колебательной силы к амплитуде
колебательной скорости:
2 = /7т/Ут = У^2 + (совт-?)/совJ, A.10)
где Fm — амплитуда колебательной силы; Vm — амплитуда колебательной
скорости; R — активное сопротивление; <ов — круговая частота вынужденных
колебаний; т — масса; D — упругость.
Часто пользуются понятием интенсивности, или силы звука L
Это энергия, проходящая в единицу времени через единичную
площадку, qpneHTHpOBaHHyio перпендикулярно направлению
распространения волны. В плоской волне интенсивность звука
равна энергии, заключенной в параллелепипеде, площадь
основания KOTqporo равна единице, а (высота—скорости звука с:
1 = Ес=0,5ршЧ* = 2лЧ*А2рс. > (Ы1)
Величина рс, входящая в выражение A.11), называется
удельным волновым сопротивлением упругой среды. Оно носит
активный характер [13], т. е. не может запасать энергию,
подобно инерционному или упругому элементу. Однако оно и не
преобразовывает энергию упругих колебаний в теплоту
подобно элементу трения. Активный характер волнового
сопротивления заключается в том, что при перемещении энергии колебаний
от источника колебаний в каждом поперечном сечении среда
поглощает энергию за счет передачи этой энергии следующему
сечению, обладающему тем же сопротивлением.
Пр.и распространении волн в вязкоупругих средах,
каковыми являются, например, полимерные материалы, происходит
уменьшение интенсивности волны, описываемое уравнением
/ (х) = /0 ехр (—2ах),
где /о — интенсивность в начальной точке (точка ввода колебаний); а —
коэффициент затухания.
Для упругой среды с потерями выражения, описывающие
бегущие волны, могут быть получены путем использования
формулы A.3), в которую при этом следует ввести
дополнительный множитель е~ах.
Поскольку в свариваемом полимерном материале происходит
поглощение энергии, то его можно рассматривать как некоторое
сопротивление, которым нагружена колебательная система. По
аналогии с выражением A.9) активная мощность, подводимая к
14

нагрузке (свариваемому материалу), может быть определена
по формуле
PH = 2jx2/MVaK, A.12)
где гак — активная (поглощающая) составляющая сопротивления.
Отношение полной реактивной мощности колебательной
системы к мощности, расходуемой на ее эквивалентном активном
сопротивлении, определяющем собственные потери системы,
называется коэффициентом добротности или просто добротностью
Q. Добротность характеризует также увеличение амплитуды
колебательной скорости при резонансе. Она связана с
коэффициентом затухания а следующими соотношениями:
Q = я/9 = п/(аТ) = a>0m/R = \/(a>0DR), (ЫЗ)
где 0 — логарифмический декремент затухания; а — коэффициент затухания;
Г —период колебаний; со0 — собственная частота системы; т, D> R —
эквивалентная масса, упругость и активные потери системы соответственна.
КЛАССИФИКАЦИЯ СХЕМ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ
СВАРКИ ПЛАСТМАСС
В настоящее время существуют различные схемы, по
которым может осуществляться ультразвуковая .сварка полимерных
материалов. Это обусловлено разнообразием свойств и
структуры свариваемых материалов, конфигурации и размеров деталей,
требований, предъявляемых к сварным швам и свариваемому
изделию в целом. В результате классификация схем
ультразвуковой сварки пластмасс сильно осложняется. В литературе (,
7, 9—11] встречаются попытки произвести такую
классификацию, однако при этом ограничиваются, как правило, одним или
несколькими частными признаками ультразвуковой сварки.
Полная классификация схем ультразвуковой сварки пластмасс
должна производиться с учетом всех основных признаков.
К этим признакам относятся:
1) подвод энергии механических колебаний к свариваемому
изделию;
2) передача механической энергии к зоне сварки;
3) концентрация энергии в зоне сварки;
4) дозирование вводимой энергии;
5) взаимное перемещение сварочного инструмента и
свариваемых деталей для получения швов необходимой конфигурации
и протяженности.
Разработанная авторами [6] классификация схем
ультразвуковой сварки с учетом этих признаков приведена на рис. 1.1.
Подвод механической энергии
На рис. 1.2 показана основная схема ультразвуковой сварки
пластмасс, предложенная в 1958 г. Н. А. Ольшанским и
А. В. Мордвинцевой [14]. Электрические колебания ультразву-
15

С бар к а с
преимущественным внедрением
Нормальный ввод
колебании
Односторонним
ввод энергии
Двусторонний
ввод энергии
Сварка
с преимущественны*
оплавлением
Сварка
по крошке
Сварка по
шероховатым
поверхностям
На наклонной]
плоскости или
наклонным
инструментов
Крутильные
колебания
Сварка с
искусственными
концентраторами напряжения
Контактная
Местный подогрев
зоны соединения
А
Передаточная
Обдув поверхности
изделия газом
Подогрев волновода,
опоры
Использование
теплоизоляционных прокладок
Передача энергии LJSwi?
к зоне сварки Vb.'-'f:
Сварка охлажденного
изделия
Р и РС7
параллельны
Концентрация энергии]
в зоне сварки
Ж
Взаимное перемещение из-\
лучателя 'и изделия
Непрерывная
сварка
V??0
\ Точечная
/ \По заданной
U/fl линии
Прессовая
• сварка \ |—
V=0 \J/7fl замкнуто^
-1 ^ му контуру
Ручная^
Механизированная
L=^__Г>*1
I Шов но -шаговая
Р и PCJ
перпендикулярны
И
Применение дополнительных
сжимающих усилий Р (сварка
с независимым давлением)
С вращаю —
щимся инст\
рументом
На протяг
С вращающимся
роликом-опорой
Рис. 1.1. Классификация схем ультразвуковой сварки пластмасс

Рис. 1.2. Ультразвуковая сварка с нормальным вводом колебаний:
а — схема установки (/ — корпус преобразователя; 2 — преобразователь с обмоткой; 3 —
трансформатор упругих колебаний; 4 — волновод; 5 — свариваемые детали; 6 — опора);
о— эпюра амплитуды смещения колебательной системы; в — расположение векторов
статического давления Рст и динамического усилия F; г — схема ступенчатого стержня-
волновода
ковой частоты, вырабатываемые генератором, преобразуются в
механические продольные колебания электроакустического
преобразователя. Амплитуда смещения последнего невелика — 3—
5 мкм. Для увеличения амплитуды к преобразователю
присоединяется трансформатор упругих колебаний, а к последнему —
волновод. Задаваясь оптимальным законом сужения площади
поперечного сечения трансформатора и волновода, можно
увеличить амплитуду смещения торца преобразователя в 10—20 раз.
Таким образом, стержень переменного сечения можно считать
механическим усилителем, принцип действия которого состоит в
следующем. Пусть имеется ступенчатый стержень (рис. 1.2, г)*
который колеблется продольно на первой форме колебаний.
В сечении п—п при этом будет располагаться единственная
плоскость узла колебаний, где смещения отсутствуют.
Упрощенная эквивалентная схема такого стержня включает в себя
жесткость С\ и массу гп\ верхней части, большие, чем жесткость С%
и масса т2 нижней части стержня. Так как плоскость п—п
неподвижна, то усилия в этом сечении взаимно компенсируют
Друг друга, т. е.
d2ut d?u2
т1 dt2 —tn2 dt2 ,
где d2Ui[dt2 и d2ti2/dt2 — ускорения, с которыми движутся массы т\ и т2.
2—271
17

Рис. 1.3. Схема сварки с дополнительным
присадочным материалом:
/ — преобразователь с волноводом-инструментом; 2 —
присадочный материал; 3 — свариваемые детали; 4 — шов
Так как mi>m2, то d2ux/dt2<:d2U2ldt2.
Верхняя и нижняя части ч стержня
колеблются с одинаковой частотой (coi =«co2=co),
поэтому, согласно выражению A.5), А2>А\
(А\ и А2 — амплитуды смещений масс mi
и т2 соответственно). Таким образом,
амплитуды смещений концов волновода и
трансформатора упругих колебаний
различны, причем амплитуды смещения
толстого конца больше амплитуды смещения
тонкого конца. Трансформатор упругих
колебаний служит, кроме того, для согласования параметров
преобразователя и нагрузки, а волновод — для введения
ультразвуковых колебаний в свариваемое изделие.
Подвод механической энергии ультразвуковых колебаний
осуществляется за счет контакта излучающей поверхности
сварочного инструмента — волновода (которую в дальнейшем
будем называть рабочим торцом волновода) с одной или
несколькими свариваемыми деталями. Такой контакт обеспечивается
статическим давлением Рст рабочего торца волновода на
свариваемые детали. Это давление способствует также
концентрации энергии в зоне соединения. Динамическое усилие F,
возникающее в результате воздействия колеблющегося волновода на1
свариваемый материал, приводит к его нагреву, а действие
статического давления Рст обеспечивает получение прочного
сварного соединения.
Многообразие схем ультразвуковой сварки пластмасс
является следствием, в первую очередь, различных схем подвода
энергии механических колебаний к свариваемым деталям. В
настоящее время известны следующие схемы подвода:
нормальный, тангенциальный, на наклонной плоскости или наклонным
инструментом, подвод энергии крутильных колебаний. Любая из
перечисленных схем может быть применена с односторонним
или двусторонним вводом энергии.
При основном («нормальном»), наиболее распространенном,
способе подвода энергии (см. рис. 1.2) векторы РСТ и F
расположены нормально к поверхности свариваемого изделия, лежат
на одной прямой и совпадают по направлению. Так как ввод
колебаний и статическое давление в этом случае
осуществляются через один и тот же рабочий орган — волновод, то такая
схема иногда называется схемой сварки с зависимым
давлением. По основной схеме осуществляется также подвод энергии к
свариваемым деталям, изображенный на рис. 1.3. Здесь силы
Рст и F воздействуют на дополнительный присадочный матери-
18

ал ('пруток, уложенный в V-образный зазор между
свариваемыми деталями). Воздействие ультразвуковых колебаний на
пруток приводит к его пластикации, а под действием
статического давления пластицированный материал заполняет зазор,
образуя прочное соединение. Для получения протяженных швов^
производят перемещение сварочной головки вдоль присадочного
прутка. Аналогичный эффект может быть получен при
заполнении зазора между кромками свариваемых деталей гранулами
или стружкой из соответствующего полимерного материала.
Близка к описанной выше схема, приведенная на рис. 1.4
[15], разработанная применительно к сварке мягких пластмасс
типа полиэтилена. Здесь соединение образуется за счет
расплава, выдавливаемого волноводом из зоны контакта
вспомогательных технологических термопластичных деталей, играющих
роль присадочного материала (сварка вытесненным расплавом).
Последние две схемы сварки могут использоваться для
однослойной или многослойной сварки встык и рантовым швом
листовых изделий большой толщины и протяженности по
прямолинейному, криволинейному и замкнутому контурам.
При нормальном по отношению к соединяемым поверхностям
вводе энергии упругих колебаний трудно, а зачастую
невозможно получить стыковые соединения листов или деталей, имеющих
форму стержней значительной длины. В этих случаях наиболее-
благоприятным является ввод в изделие энергии колебаний в
непосредственной близости от зоны сварки. Конструкции
стыковых соединений при сварке с дополнительным усилием сжатия
^сж, перпендикулярным Рст, приведены на рис. 1.5. По одной иа
таких схем (рис. 1.5, а) ультразвуковые колебания вводятся в
изделие параллельно соединяемому стыку за счет прижатия к
нему волновода усилием РСт, необходимым только для
осуществления акустического контакта. Для создания осадки
материала в зоне сварки перпендикулярно к свариваемому стыку
прикладывается дополнительное усилие сжатия РСж. большее,,
Рис. 1.4. Схема ультразвуковой сварки вытесненным расплавом:
а — начало сварки; б —ее окончание; / — прижим; 2 — сваливаемые детали; 3 — опора;
4 — технологические детали, подвергающиеся ультразвуковому воздействию; 5 — упор;
6 — волновод; Рпр — давление прижатия; Рст — статическое сварочное давление; 6 и Ь —
толщина и ширина технологического зазора соответственно
2*
19*

3 Рис. 1.5. Конструкции стыковых соединений при
сварке с дополнительным усилием сжатия Рс»,
перпендикулярным Рст:
а — «плоский стык»; б — «замковое» соединение; в —
соединение «в ус»; г — соединение с концентраторами
напряжений в зоне сварки; / — сварочный инструмент —
волновод; 2 — свариваемые детали; 3 —опора; 4 — виды
концентраторов напряжения; 6 — толщина изделия; В —
толщина полки замкового соединения; D — ширина
свариваемого участка, равная диаметру волновода; X —
участок опасного сечения при сварке
чем Рст. Разновидностями такой схемы являются: сварка
«замкового» соединения (рис. 1.5, б), соединения «в ус» (рис. 1.5, в)
*и соединения с концентраторами напряжений в зоне стыка
(рис. 1.5, г) [16].
Другими способами ввода энергии упругих колебаний в
непосредственной близости от зоны сварки является сварка с
тангенциальным вводом колебаний и относительным перемещением
элементов в плоскости стыка (рис. 1.6, а) и сварка с
двухсторонним тангенциальным вводом колебаний (рис. 1.6,6) [17]. Суще-
Рис. 1.6. Схема стыковой ультразвуковой сварки с тангенциальным вводом
колебаний:
а —с относительным перемещением элементов (отдельно показано сварное соединение,
полученное по такой схеме); б — с двусторонним вводом колебаний и относительным
перемещением элементом; поз. /-5 —см. в тексте; 1в1 и /в2 — длины вылета образцов;
JB — расстояние от боковой поверхности волноводов до зоны сварки; f —прогиб образца
:20

ственным недостатком первой схемы является происходящее
вследствие совместного действия статических и динамических
напряжений разрушение детали в зоне закрепления ее в
зажиме сварочной машины. Кроме того, между стержнями,
сваренными по схеме рис. 1.6, а, всегда образуется некоторый угол а,
что является одной из причин снижения прочности соединения.
Вторая схема лишена этих недостатков, так как здесь в зо-не
заделки (зажим 3 на рис. 1.6, б) возникают только
динамические напряжения, действие которых может быть значительно
снижено путем использования резиновых прокладок 5.
Сварку производят следующим образом. Образцы / и 2
закрепляют в неподвижном 3 и подвижном 4 зажимах. Между
ними создается давление Рсж> В контакт с образцом 1 вступают
два волновода, которые прижимаются к нему статическим
давлением Рст. Волноводы соединены с преобразователями,
работающими в противофазе. При включении ультразвуковых
колебаний зона сварки разогревается за счет относительного
перемещения контактирующих торцов стержней. В результате
совместного действия температуры и статического давления
образуется .неразъемное соединение.
Для получения непрерывных швов применяется способ ввода
ультразвуковой энергии, при котором сила Рст и F действуют
под углом к плоскости подвода энергии (рис. 1.7). Такой
способ реализуется, например, три использовании ручного
сварочного пистолета, который в процессе сварки располагают под
углом к обрабатываемому материалу (рис. 1.7, а), при сварке
на наклонной плоскости в призме (рис. 1.7,6). В этих случаях
векторы РСт и F могут быть разложены на горизонтальные
(РСт" и F") и вертикальные (Рс/ и F') составляющие. Векторы
Рст" и F" способствуют отрезанию свариваемых пленок или
листов, производимому одновременно со сваркой.
Для соединения пластмасс с металлами с помощью заклепок,
выполненных из термопластичных материалов, сварки изделий
из жестких пластмасс, а также для резки полимерных
материалов и биологических тканей нашли применение схемы с
крутильными или продольно-крутильными колебаниями (рис. 1.8). В этом
случае статистическое давление Рст приложено нормально к
поверхности свариваемых материалов, а динамическое F имеет
Рис. 1.7. Сварка
наклонным инструментом (а) и
сварка в призме (б):
J — преобразователь; 2 —
волновод; 3 — свариваемы©
детали.
Справа показана схема
действия сил
21

две составляющие, одна из которых (F") является
тангенциальной, а другая (F') совпадает с вектором РСт (ри>с. 1.8, а).
Сварка с использованием колебаний такого типа может
осуществляться при помощи сварочных головок разнообразных
конструкций. Был предложен магнитострикционный
преобразователь, в котором на боковой поверхности излучателя по
винтовой линии выполнены окна; в них размещена обмотка
возбуждения (рис. 1.8, б). Достоинством этой конструкции являются
малые габариты при высоком коэффициенте полезного действия
преобразователя. При работе такого устройства создаются как
крутильные, так и продольные колебания.. Возбуждение кру-
тильно-продольных колебаний возможно также при
использовании конструкции, в которой вращающий момент возникает
благодаря присоединению инструмента со спиральной нарезкой
(рис. 1.8, в). Особенностью такого устройства является его
универсальность: при установке волновода без нарезки в
свариваемом материале возбуждаются нормальные колебания.
При необходимости повышения колебательной мощности для
возбуждения в инструменте крутильных колебаний могут
использоваться два или более преобразователя, соединенных с
волноводом (рис. 1.8, г, д,е). В конструкции сварочной
головки с крутильными колебаниями, приведенной на рис. 1.8, е,
используются оба торца преобразователя. Загнутые волноводы,
совершающие продольные колебания, соединяют оба торца
преобразователя с волноводом-инструментом, совершающим
крутильные колебания. Статическое давление в этом случае
Рис. 1.8. Сварка по схеме с крутильными и продольно-крутильными колеба*
ниями волновода:
а — схема сварки; б—е — конструкции узлов сварки A — преобразователь с обмоткой;
2 — волновод, совершающий продольные колебания; 3 — волновод, совершающий про*
дольно-крутильные колебания; 4 — волновод, совершающий крутильные колебания)
22

Рис. 1.9. Ультразвуковая
сварка впрессовкой в постоянный
(а) и в переменный (б) зазор:
у — угол V-образного выступа; d —
высота соединительного элемента-
вкладыша; h — высота
V-образного выступа; 1\ — толщина
соединяемых пластин
прикладывают в
центральной точке волновода-
инструмента,
совершающего крутильные
колебания.
Сварка с нормальным
вводом колебаний, а
также крутильными и продольно-крутильными колебаниями
может с успехом применяться для соединения впрессовкой в
постоянный и переменный зазор [18]. При ультразвуковой сварке
впрессовкой в постоянный зазор (рис. 1.9, а) ультразвуковые
колебания передаются в зону сварки через соединительный
элемент — вкладыш 1> размеры которого определяют расстояние
между соединяемыми пластинами 2, расположенными
параллельно друг другу в специальном кондукторе. Расстояние
между пластинами Ь равно ширине вкладыша а плюс
технологический зазор с. Сварка происходит за счет расплавления
V-образного выступа и материала пластин. Расстояние между
пластинами в процессе сварки остается постоянным, так как оно
предварительно задается установочным вкладышем 3 и
кондуктором 4.
При ультразвуковой сварке впрессовкой в переменный зазор
(рис. 1.9, 6) ультразвуковые колебания также передаются в
зону сварки через соединительный элемент — вкладыш 1, который
зажат между свариваемыми пластинами 2, сжатыми давлением
Рсж. Сварка происходит за счет расплавления прилегающих
друг к другу слоев вкладыша и пластин. В процессе сварки
расплавленный полимер выдавливается из зоны контакта
пластин с вкладышем, и свариваемые пластины сближаются, т. е.
расстояние между пластинами уменьшается.
Как видно из рис. 1.2, а и 1.8, а, для отбора энергии от
преобразователя используется один из его торцов. Другой торец
преобразователя в этом случае соединяется с экраном, которым
может служить либо герметичная коробка с воздухом, либо
специальная акустическая или губчатая резина. При одностороннем
отборе звуковые колебания, отражаясь от нерабочего торца
преобразователя, Достигают излучающей поверхности
(рабочего торца) в соответствующей фазе, при этом амллитуда
колебаний увеличивается примерно в 2 раза, а излучаемая
мощность— в 4 раза.
Отбор механической энергии от преобразователя может
осуществляться и с двух его торцов, в этом случае к ним присо-
23

единяют прямые или загнутые волноводы (рис. 1.10).
Необходимо учитывать, что системы с двусторонним отбором энергии
обеспечивают меньшую амплитуду колебаний рабочего торца
инструмента по аравнению с системами с односторонним
отбором энергии.
Подвод энергии от колеблющегося волновода к свариваемой
детали может быть односторонним или двусторонним.
Односторонний ввод энергии характеризуется простотой
кинематических схем сварочных устройств. Свариваемое .изделие
располагается между рабочим торцом волновода и опорой (см. рис..
1.2, а). При двустороннем подводе энергии используются
сварочные устройства более сложной конструкции (рис. 1.11).
При OAHocTqpoHHeM отборе энергии от преобразователя для
двустороннего подвода необходимо наличие двух сварочных
головок, располагаемых симметричео с обеих сторон
свариваемого изделия (рис. 1.11, а). При двустороннем отборе энергии,
возможен как односторонний подвод энергии, так и ABycTqpoH-
ний. Двусторонний подвод энергии в этом случае
осуществляется волноводами, соединенными с обоими торцами
преобразователя и направленными навстречу друг другу (рис. 1.11,6).
Необходимый акустический контакт между частями изделия и
волноводами обеспечивается при этом за счет того, что зазор
между торцами волноводов устанавливается несколько меньше
суммарной толщины свариваемых деталей. На рис. 1.11, в
показано устройство для сварки с двусторонним отбором энергии
от преобразователя и двусторонним подводом энергии, в
котором рабочие торцы волноводов выполнены раздвоенными и
загнутыми навстречу друг другу. Использование такого
устройства позволяет производить одновременную сварку двух
изделий с двусторонним подводом энергии, используя лишь один
преобразователь.
При сварке в отдельных случаях может осуществляться и
многосторонний подвод энергии к свариваемому изделию. При
этом могут применяться как обычные сварочные головки, так и
головки с гибкой акустической связью преобразователя с
кольцевым инструментом, предназначенные для сварки
цилиндрических деталей [6].
ZM
W
Рис. 1.10. Схема сварки с
двусторонним отбором энергии от
преобразователя:
/ — преобразователь; 2 — волновод;
3 — свариваемые детали
У/У///)/////7?777?
24

Щт^ф?
Рис. 1.11. Схема двустороннего
подвода энергии с помощью двух
сварочных головок (а), загнутых
волноводов (б) и расщепленного
волновода (в):
1 — преобразователь; 2 — волновод; 3 —
свариваемые детали
Интенсивность подвода энергии, тепловыделение и
деформация полимера в значительной степени зависят от условий
теплоотвода от нагретого изделия к волноводу. Изменение
условий теплоотвода может осуществляться различными приемами.
Известен способ ультразвуковой сварки с обдувом поверхности
контактирования волновода с изделием струей воздуха. При
этом происходит незначительное изменение температурного
режима, но.даже оно может в отдельных случаях заметно
перестроить тепловой режим сварки, устраняя одновременно
деформацию и выплески размягченного материала и улучшая
внешний вид сварного соединения. При многослойной сварке
полимерных пленок иногда применяется дополнительный подогрев
волновода или опоры. Часто для изменения теплоотвода
используются теплоизоляционные прокладки, помещаемые между
волноводом и изделием или между опорой и изделием. В
качестве прокладок используют бумагу, целлофан, фторопласт,
а также полимерные пленки с температурой плавления более
высокой, чем у свариваемого материала [19, 20].
Передача энергии к зоне сварки
По характеру передачи энергии к границе раздела и
распределения ее по свариваемым поверхностям ультразвуковая
сварка может быть разделена на контактную и
передаточную [6].
Возможность передачи механической энергии к зоне сварки
зависит от упругих свойств и коэффициента затухания
колебаний в свариваемых материалах. Если полимерный материал
характеризуется низким модулем упругости и большим
коэффициентом затухания, то сварное соединение можно получить лишь
на малом удалении от плоскости ввода колебаний. Для
равномерного распределения энергии по всей площади контакта
свариваемых деталей необходимо, чтобы рабочий торец
волновода, соприкасающийся с верхней деталью, имел площадь и
форму, идентичную площади и форме плоскости контакта
свариваемых деталей. Сварка по такой схеме называется контактной
25

1-1
Рис. 1.12. Схема контактной
ультразвуковой сварки:
а — прессовая; б — шовная; / — волновод; 2 —
1 свариваемае детали; 3 — опора
ультразвуковой сваркой (рис.
1.12). Контактная ультразвуковая
сварка обычно применяется для
соединения изделий из мягких
пластмасс, таких, как полиэтилен,
полипропилен, а также пленок и
синтетических тканей небольшой
толщины — от 0,02 до 5 мм. При
этом способе сварки наиболее
распространены соединения
внахлестку. Так как плоскость
ввода механических колебаний (плоскость контакта волновод —
полимер) располагается на незначительном расстоянии от
плоскости раздела свариваемых материалов, определяемом
толщиной (верхней детали, контактную ультразвуковую сварку
иногда называют «ближней» или «сваркой в ближнем поле».
Если полимерный материал обладает высоким модулем
упругости и низким коэффициентом затухания, то сварное
соединение можно получить на большом удалении от поверхности
ввода механических колебаний. В этом случае ввод механических
колебаний может осуществляться в точке или на небольшом
участке поверхности верхней детали. Благодаря хорошим
акустическим свойствам материала изделия энергия ультразвуковой
волны незначительно ослабляется при проходе через деталь,
контактирующую с волноводом, к границе раздела свариваемых
деталей. Тепловыделение на границе раздела в этом случае
зависит от конфигурации изделия, а площадь сварки значительно
отличается от площади рабочего торца волновода. Сварка по
такой схеме называется передаточной ультразвуковой сваркой.
Передаточную сварку рекомендуется применять для соединения
объемных деталей из жестких пластмасс, таких, как
полистирол, полиметилметакрилат и др. Наиболее рационально
выполнение таким способом соединений встык или втавр (рис. 1.13).
Рис. 1.13. Схема
передаточной ультразвуковой сварки:
1 — волновод-инструмент; 2 —
свариваемое изделие
26

При передаточной сварке волновод желательно располагать
по оси симметрии свариваемого изделия. Удаление поверхности
ввода механических колебаний от плоскости раздела
свариваемых деталей зависит от упругих свойств материала и может
составлять от 10 до 250 мм. Поэтому передаточную сварку
иногда называют «дальней», «сваркой в дальнем поле» или
«дистанционной».
Как уже отмечалось, возможность эффективной передачи
энергии определяется физико-механическими свойствами
свариваемого материала. Изменение этих свойств, в частности,
повышение модуля упругости и уменьшение коэффициента
затухания, может значительно изменить характер передачи
энергии и расширить тем самым технологические возможности
процесса. Необходимое изменение физико-механических свойств
может быть достигнуто охлаждением свариваемых деталей до
температуры стеклования полимера (оили несколько ниже).
Выбор температуры охлаждения зависит от типа
полимерного материала и составляет для полиэтилена 203 К,
полипропилена 243 К, пластифицированного поливинилхлорвда 253 К,
непластифицированного поливинилхлорвда 263 К. Охлаждение
ниже указанных температур недопустимо, так как повышенная
хрупкость материала при механическом воздействии волновода
может привести к появлению трещин в свариваемом материале.
Охлаждение свариваемых деталей целесообразно лишь в
области, лежащей между зоной сварки и рабочим торцом волновода.
Охлаждение позволяет в отдельных случаях осуществлять
передаточную сварку таких материалов, как полипропилен,
полиэтилен и др., уменьшать потребляемую мощность сварочного
оборудования и устранять дефекты, вызываемые перегревом
деталей вне зоны сварки.
Концентрация энергии в зоне сварки
Введение энергии механических колебаний и передача ее к
зоне сварки является необходимым, но не достаточным
условием образования сварного соединения. Эксперименты
показывают, что при ультразвуковой сварке образцов из материалов с
хорошими акустическими свойствами (полистирол, полиметил-
метакрилат), но с плоской поверхностью контакта и при
равномерном распределении статического давления получить сварное
соединение оказывается трудно, а порой и просто невозможно.
Сварка в этом случае осуществляется не по всей поверхности,
а лишь в отдельных точках или небольших зонах поверхности.
Установлено, что развитие и образование сварного
соединения зависит от степени концентрации напряжений в зоне свар-
жи и может быть интенсифицировано за счет создания
искусственных концентраторов напряжений. Наиболее
распространенным способом сварки с использованием искусственных
концентраторов является сварка с разделкой кромок, причем наи-
27

лучшие (результаты получаются, когда одна из деталей имеет
V-образный выступ. В зависимости от режима процесса и угла
разделки сварка может протекать с преимущественным
оплавлением выступа или с преимущественным внедрением его в
другую деталь [6].
Соединения, сваренные с преимущественным оплавлением,
нашли применение при изготовлении изделий, которые в
процессе эксплуатации подвергаются значительным нагрузкам,
таких, как бачки, шаровые емкости и т. п. Соединения,
сваренные с преимущественным внедрением V-образного выступа в
деталь, используются при изготовлении декоративных изделий,
сувениров, корпусов приборов бытовой техники и т. п., так как
они характеризуются минимальным гратообразованием. Такая
схема сварки позволяет также получить соединение
разнородных, несовместимых по своим свойствам и структуре
полимерных материалов. Пр'и этом «внедряться» должна деталь с
большим модулем упругости.
В случае сварки многослойных изделий в пакете повышение
качества сварного соединения может быть достигнуто за счет
того, что разделка кромок каждой из деталей в пакете имеет
угол, изменяющийся по высоте изделия. Выступы-концентраторы
с более острой заточкой располагаются в той части изделия,
в которой интенсивность ультразвуковых колебаний
уменьшается. За счет увеличения концентрации механических напряжений
в .выступах происходит выравнивание теплового режима на всех
контактирующих поверхностях элементов свариваемых деталей.
Другой путь повышения концентрации энергии на стыкуемых
поверхностях заключается во введении между ними мягких
прокладок с отношением динамического модуля упругости к
коэффициенту механических потерь меньшим, чем у материала
свариваемых деталей, совместимых с основным материалом.
Температура плавления или (перехода в вязкотекучее состояние
материала прокладки должна быть ниже, а 'показатель
текучести расплава — выше, чём аналогичные характеристики
основного материала.
Концентрация напряжений может быть создана также при
увеличении шероховатости контактирующих поверхностей. Так,
для 'повышения качества соединения деталей с плоскими
контактирующими поверхностями между последними равномерно
насыпают крошку из того же полимерного материала. Частицы
полимера, создавая микрозоны повышенного механического
напряжения, способствуют возникновению равномерно
распределенных очагов .повышенной температуры и обеспечивают
высококачественное соединение. Для достижения необходимого
технологического эффекта в каждом конкретном случае необходимо
выбирать оптимальные размеры крошки, ее количество и состав.
Зоны с повышенной концентрацией напряжений могут быть
получены при действии на детали дополнительных сжимающих
усилий РСж, создаваемых с помощью отдельного механизма, не
28

ае
#-л
t
ёш
4*
273 К
j*pWWWV40
313 К
Щ
^•;
/73/С
4МЛЛЛЛЛ/Ч^
LJ/J/c
777777777777777
Рис. 1.14. Создание зон с повышенной концентрацией механических
напряжений за счет специального механизма давления
Рис. 1.15. Схема сварки с нагревом зоны сварки и охлаждением зоны
детали, контактирующей с волноводом:
1 — волновод; 2 — свариваемые детали; 3 — медные радиаторы; 4 — термобатарея
связанного с волноводом. Сварка по такой схеме получила
название сварки с независимым давлением. Если при
рассмотренном выше основном способе подвода энергии усилие Рст
использовалось как для создания акустического контакта между
волноводом и изделием, так и для концентрации динамических
напряжений в зоне сварки, то .при сварке с независимым
давлением последняя функция 'возложена на специальные механизмы
давления. В этом случае усилие Рст гораздо меньше Рсж и
необходимо только для осуществления акустического контакта.
Вектор Рсж может совпадать по направлению с вектором Рст.
Так, на рис. 1.14 приведена схема сварки, при которой векторы
Рсж и РСт параллельны друг другу. Схема, изображенная на?
рис. 1.5, а, характерна тем, что векторы Рсж и Рст взаимопер-
пендикулярны, причем вектор Рст действует в плоскости
контактирования свариваемых деталей. Для усиления
концентрации энергии в этом случае могут применяться специальные
вырезы в местах приложения Рсж. Сварка с таким способом
концентрации энергии может быть шр'именена в тех случаях, когда
конструкция изделия -не (Позволяет расположить сварочный узел
перпендикулярно границе раздела свариваемых деталей.
Повышение тепловыделения в зоне сварки может быть
достигнуто с помощью локального подогрева зоны сварки. Местное
повышение температуры приводит к более четкой фиксации
зоны тепловыделения и увеличивает производительность процесса
сварки. Оптимальная температура подогрева зависит от
материала свариваемых деталей и составляет примерно 323—373 К-
Комбинированный способ сварки — с нагревом соединяемых
поверхностей и охлаждением свариваемых деталей (рис. 1.15)
также может быть весьма 'полезен в ряде случаев. Для
комбинированного нагрева — охлаждения свариваемых деталей
несложной формы авторами была применена термобатарея с пере-
29>

падом температур между горячим и холодным слоями, равным
313К. Понижение температуры изделия в области контакта
еволноводом и повышение ее в области образования сварного
соединения существенно перестраивает температурный режим
сварки, увеличивая производительность процесса, фиксируя
зону максимального разогрева в области образования сварного
соединения и устраняя подплавление и перегрев материала в
зоне контакта с волноводом.
Дозирование подводимой энергии
Возможность получения сварных соединений определяется
количеством тепловой энергии, выделяющейся в зоне сварки,
и теплоотводом из этой зоны. Так как количество энергии,
выделяющейся в зоне сварки, связано с количеством энергии,
подводимой к свариваемому изделию, то возникает необходимость
дозирования последней.
Способ дозирования подводимой к деталям механической
энергии колебаний определяет схему управления процессом
ультразвуковой сварки, состоящую из системы устройств,
осуществляющих включение и выключение ультразвуковых колебаний в
необходимый момент времени.
В зависимости от того, какой критерий закладывается в
основу Bbi6qpa момента выключения ультразвуковых колебаний,
различают следующие схемы управления процессом сварки: по
фиксированному времени, по деформационному критерию (по
фиксированной осадке) и по кинетической характеристике.
В свою очередь, схемы управления по деформационному
критерию делятся на схемы сварки по фиксированной осадке,
фиксированному зазору, изменению знака ускорения деформирования
и по заданной толщине шва.
Сварка по фиксированному времени нашла наиболее
широкое распространение и используется практически во всех
серийно выпускаемых ультразвуковых сварочных машинах как у нас
в стране, так и за рубежом. Сварка однотипных изделий в этом
случае производится с помощью реле времени, которое
отключает ультразвуковые колебания через один и тот же
промежуток времени после начала процесса. Однако небольшие
изменения параметров режима сварки, геометрии деталей и свойств
материалов могут привести к тому, что требуемое время сварки
окажется больше или меньше времени, установленного реле.
Как следствие в первом случае будут наблюдаться непровары,
во втором—пережоги. Именно этим объясняется наблюдаемая
на практике нестабильность результатов, получаемых при
сварке по фиксированному времени. Повышения качества в этом
случае стремятся достигнуть за счет поддержания постоянства
параметров режима сварки, однако это значительно усложняет
конструкцию оборудования.
30

Рис. 1.16. Сварка по схеме с
фиксированной осадкой (а) и фиксированным
зазором (б):
1 — преобразователь; 2 — волновод; 3 — свари-
ваемый материал; 4 — регулировочный винт-
опора; 5 — регулировочный винт для
отключения ультразвука
Указанных недостатков во
многом лишены схемы сварки с
управлением по
деформационному критерию. При
использовании сварки по фиксированной
осадке задается осадка
полимера 6, т. е. глубина вдавливания
волновода в свариваемую деталь
в результате воздействия стати- tt u
ческого усилия и ультразвука. Должно соблюдаться условие
6>2Л, где 2А — удвоенная амплитуда колебаний рабочего тор-
ца волновода — инструмента. В простейшем случае (рис.
1.16, а) отключение ультразвука осуществляется
размыкающимися контактом и нажимным штифтом, укрепленными на
подвижной и неподвижной части сварочной машины. Расстояние
между контактом и штифтом соответствует заданной осадке,
величина которой определяется при отработке режимов
сварки. Статическое усилие действует до окончания сварочнога
цикла.
При сварке изделий из мягких пластмасс
(пластифицированного поливинилхлорида, полиэтилена) толщиной от 0,7 до
1,2 мм неконтролируемая деформация зоны сварки после
выключения ультразвука может привести к существенному
ухудшению в'нешнего вида и прочностных характеристик соединения.
С целью предотвращения такой деформации целесообразно
обеспечить ограничение перемещения сварочной головки после
выключения ультразвука за счет установки специального
фиксатора или снятия статического давления РСт без подъема
сварочной головки.
Отличительным признаком схемы сварки с фиксированным
зазором является то, что статическое давление отсутствует,,
и сварка происходит только за счет действия динамических
усилий, возникающих при воздействии волновода на свариваемый
материал. При этой схеме (рис. 1.16,6) зазор между рабочим
торцом волновода и опорой устанавливается таким, чтобы
свариваемый материал деформировался только за счет смещения
рабочего торца волновода. В результате воздействия волновода
материал утоняется, а так как сварочная головка
зафиксирована и не имеет возможности (перемещаться в вертикальном
направлении, то контакт волновода с материалом после
деформации лоследного нарушается и воздействие ультразвука на
материал прекращается. Деформация свариваемого материала
при схеме сварки с фиксированным зазором не превышает
31

удвоенной амплитуды смещения волновода (Д^2Л) и
выбирается в зависимости от исходной толщины свариваемого
материала и его свойств.
Рассмотренные способы дозирования подводимой
механической энергии не связаны с изменением физического состояния
лолимерного материала при повышении температуры. Так, в
самом общем случае (см. гл. III) процесс деформирования
материалов при ультразвуковой сварке включает в себя стадии
уплотнения (когда скорость деформирования непрерывно
уменьшается), установившегося деформирования (когда скорость
деформирования практически постоянна) и катастрофического
деформирования (когда скорость деформирования резко
возрастает). Последняя стадия может закончиться полным разделением
материала на части, на чем основаны разработанные авторами
способы ультразвуковой резки {21, 22]. Установлено, что
максимальной прочности сварных соединений соответствует момент
перехода от второй к третьей стадии уплотнения, что учтено
при построении схемы управления процессом по изменению
знака ускорения деформирования с отрицательного через ноль на
положительный либо по появлению ускорения деформирования
положительного знака. Первая схема дает хорошие результаты
при сварке уплотняющихся, например, волокнистых материалов,
вторая — при сварке жестких пластмасс.
В отдельных случаях сварки синтетических тканей, мягких
пластмасс и искусственных кож, когда кривая деформирования
содержит только участок, характерный для третьей стадии,
хорошие результаты достигаются при управлении процессом по
фиксированной толщине сварного шва, которая, как правило,
лежит в пределах 0,7—0,9 исходной толщины полимеров.
Известно (см. гл. II), что при температуре текучести или
плавления кристаллической фазы затухание колебаний будет
максимальным. Если измерять амплитуду смещения
поверхности опоры, соприкасающейся со свариваемым материалом, то
указанным температурам будет соответствовать минимум этой
амплитуды. Следовательно, между амплитудой смещения опоры
и температурой в зоне сварки существует взаимосвязь. Эта
взаимосвязь, названная кинетической характеристикой процесса
ультразвуковой сварки [6], была использована для дозирования
механической энергии, подводимой к свариваемым материалам.
Сущность способа дозирования подводимой энергии по
кинетической характеристике состоит в том, что опора выполняется
в виде датчика амплитуды, и отключение ультразвуковых
колебаний осуществляется вручную оператором или автоматически
при соответствии электрического сигнала датчика-опоры
минимуму амплитуды смещения.

Взаимное перемещение сварочного инструмента
и изделия
В зависимости от перемещения волновода относительно
изделия ультразвуковая сварка разделяется на прессовую и
непрерывную.
Прессовая сварка выполняется за одно рабочее движение
волновода. По этой схеме может осуществляться как
контактная, так и передаточная ультразвуковая сварка. С помощью
контактной прессовой сварки (см. рис. 1.12, а) получают
точечные, прямолинейные и замкнутые швы различного контура,
например, в виде окружности, квадрата, прямоугольника,
треугольника, эллипса и т. д. (в зависимости от формы рабочего
торца волновода). При использовании в сварочной головке
одного преобразователя с потребляемой мощностью 1,5—4 кВт
развернутая длина сварного шва в виде квадрата, прямоугольника
и треугольника составляет 200—240 мм, длина прямолинейных
швов — 300 мм; при сварке круглым волноводом максимальный
диаметр контура шва составляет 120—250 мм; при точечной
сварке диаметр точки не должен превышать 15 мм. Этим
способом хорошо свариваются такие материалы, как винипласт,
полиэтилен, полиметилметакрилат, полистирол, а также ткани
из синтетических волокон (капрон, лавсан).
Прессовая сварка может быть одно- и многопозиционной.
Многопозиционная сварка, в частности, может осуществляться
с помощью схемы с загнутыми волноводами, как было показано
на рис. 1.10. Другим приемом, используемым при многопозици-
онной прессовой сварке, является применение устройств,
позволяющих преобразовать продольные колебания в изгибные и
наоборот. Например, при соединении длинной планки с
трансформатором продольных колебаний в ней возникают изгибные
колебания. Если в пучность этих колебаний поместить
волноводы продольных колебаний, то последние будут усиливать
амплитуду смещения; таким образом, каждый из них может
быть использован для сварки самостоятельного изделия.
Аналогичный принцип используется при прессовой сварке
протяженных швов широкозахватными волноводами с
щелевыми отверстиями, располагающимися в пучностях изгибной волны
,[23]. Для увеличения мощности излучения такая волноводная
система может соединяться с несколькими
электроакустическими преобразователями (рис. 1.17). Щелевые отверстия в
волноводе выполняют для равномерного распределения амплитуды
по длине рабочей части волновода. Наличие нескольких
преобразователей и соответствующая геометрия сварочного
инструмента позволяют обеспечить равномерную амплитуду
колебаний волновода и хорошее качество соединения по всей длине
шва. Длина такого составного инструмента ограничивается
суммарной потребляемой от генератора мощностью. Конструк-
3-271
33

?
2^
щ
1
?
$
0
?^Г
0
/
" S^D1
0
Рис. 1.17. Сварочные головки <г
увеличенной акустической
мощностью:
/ — преобразователь; 2 — волновод
ция инструмента позволяет
получить прямолинейные
швы и швы по заданному
криволинейному контуру.
Использование нескольких
одновременно работающих
преобразователей,
объединенных в одной сварочной
головке, помимо увеличения
. мощности дает возможность
\ выполнять фигурные свар-
—I ные швы, что достигается
соответствующим
расположением сварочных инструментов и подбором последовательных
сварочных операций.
Для получения протяженных швов могут быть использованы
нормальные составляющие изгибных колебаний системы
резонирующих стержней.
Непрерывная сварка обеспечивает получение непрерывных
протяженных сварных швов за счет относительного перемещения
волновода и свариваемого изделия. Она используется для
сварки изделий из полимерных пленок и синтетических тканей:
мешков, непроницаемой одежды, фильтров и т. д. Для непрерывной
сварки используют схемы с фиксированной осадкой и с
фиксированным зазором.
По степени механизации непрерывная сварка делится на
ручную и механизированную. При ручной сварке для получения
непрерывных швов любой 'протяженности оператор вручную
перемещает сварочную головку, а изделие остается неподвижным.
При этом за счет клинообразной заточки инструмента и
незначительной толщины свариваемых материалов инструмент
контактирует с небольшим объемом полимера. Таким способом
можно соединять многослойные пакеты из полиэтилентерефта-
латной пленки, а также полипропиленовые и полиамидные
пленки типа ПА-4, имеющие металлизированное,
фотоэмульсионное или ферролаковое покрытие, без предварительного
удаления последнего и т. п. Такую разновидность сварки называют
также сваркой скользящим инструментом [9]. Ручная сварка
полиэтиленовых пленок затруднена из-за периодического
налипания размягченного полимера на инструмент, что в конечном
счете приводит к прожогам свариваемого материала. Для
устранения этого недостатка можно применять при сварке
технологические прокладки из /полимерных материалов (фторопласт и
34

др.), металлической фольги, чертежной кальки и др. Ручную
сварку можно использовать для соединения в
труднодоступных местах, а также для прихватки деталей перед
механизированной сваркой. В последнее время ручные ультразвуковые
пистолеты нашли применение для сварки, наплавки и резки
костных и других биологических тканей [12].
Механизированная непрерывная сварка, как правило,
осуществляется при перемещении свариваемого изделия, а
сварочный волновод остается неподвижным. В зависимости от
способа .перемещения свариваемого материала механизированная
сварка делится на шовно-шаговую и шовную.
Шовно-шаговая сварка является разновидностью прессовой
сварки. Сущность этого способа заключается в том, что после
сварки шва материал освобождается из-'под волновода и
передвигается на шаг сварки, причем каждый последующий шов
перекрывает предыдущий. В момент перемещения
свариваемого материала давление снимается. Этот способ сварки
применяется для изготовления одежды из синтетических тканей и
соединения различных .пластмасс толщиной от 0,1 до 3 мм.
Шовная сварка может осуществляться по схеме «на про-
тяг», когда изделие протягивается между колеблющимся
торцом волновода и onqpoft, и на вращающемся ролике (см. рис.
1.12, б). В обоих случаях для ограничения подводимой
механической энергии можно применять схему с фиксированным
зазором или комбинированную схему с фиксированной осадкой и
фиксированным зазором. Сварка «на протяг» может быть
также осуществлена при протягивании свариваемого материала
через зазор, образованный загнутыми инструментами или
расщепленным волноводом (см. рис. 1.11,6, в). Такие схемы чаще
всего используются в специализированных установках для
сварки деталей определенной толщины, так как зазор между
волноводами не регулируется. Двусторонний лодвод энергии ори
шовной сварке мож^ет осуществляться и от двух сварочных головок,
питающихся от одного генератора (см. рис. 1.11, а).
При сварке на вращающемся ролике вращение последнего
обеспечивает перемещение свариваемого материала под
волноводом и позволяет регулировать скорость сварки. Этот способ
можно использовать для получения швов любой конфигурации
{прямолинейных, криволинейных и т. д.). Для непрерывной
шовной сварки нашли применение также конструкции, в
которых используются вращающиеся преобразователи.
з*

ГЛАВА II
МЕХАНИЗМ ОБРАЗОВАНИЯ СОЕДИНЕНИЙ
ПРИ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СВАРКЕ ПЛАСТМАСС
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПЛАСТМАССАХ И ИХ СВОЙСТВАХ
Пластмассами принято называть многокомпонентные системы, состоящие
из полимера, являющегося основным компонентом, и добавок. Полимеры —
это высокомолекулярные вещества, макромолекулы которых состоят из
большого числа повторяющихся элементарных структурных единиц — мономерных
звеньев. Число элементарных единиц в макромолекуле характеризует степень
полимеризации полимера [24].
Атомы в цепной макромолекуле соединены прочными химическими
связями, действующими на расстоянии 1—1,5 А. Силы межмолекулярного
взаимодействия (силы Ван-дер-Ваальса, водородные связи и др.) действуют на
больших расстояниях, составляющих 3—4 А.
Добавки, вводимые в пластмассы, служат в качестве стабилизаторов^
пластификаторов, красителей, наполнителей и т. д. Каждая из добавок
выполняет определенные функции. Так, стабилизаторы нужны для повышения*
стойкости пластмасс при воздействии света, солнечной радиации, тепла и т. д.»
т. е. факторов, способствующих развитию цепной реакции разложения
макромолекул полимера. Пластификаторы улучшают технологические (текучесть,,
перерабатываемость и др.) и эксплуатационные свойства. Наполнители, как:
правило, приводят к увеличению прочности, улучшению диэлектрических
свойств, химической стойкости и т. д. Их вводят также с целью экономии
полимерной основы материала.
Синтетические высокомолекулярные соединения получают из мономеров*
в результате реакций полимеризации или поликонденсации.
Полимеризация — процесс образования высокомолекулярного соединения:
из ненасыщенных низкомолекулярных соединений без образования побочных:
продуктов. Реакция состоит из стадий:
активации M + /rv >- М»
роста цепи М* + М >• М—М-
М—М« +М >¦ М—М—М- и т. д.
обрыва цепи AV^—M» +M >- Мп+1,
где М —мономер; М — активированный мономер (радикал); /tv — квант
энергии.
Под действием энергетических факторов — света, тепла, элементарных
частиц и т. д. происходит активация мономера, сопровождающаяся
раскрытием двойных связей. Первичный свободный радикал может образоваться в
результате присоединения мономера к катализатору или распада молекул?
инициатора. В первом случае реакция называется каталитической или
ионной, во втором — инициированной.
Если в реакции полимеризации участвует не один, а несколько видов
мономеров, то получаемые продукты называют сополимерами. Сополимериза-
ция позволяет значительно расширить номенклатуру полимерных
материалов, придав им самые разнообразные свойства.
Последовательное соединение сравнительно больших отрезков разных:
макромолекул позволяет получить так называемые блок-сополимеры,
которые сочетают в себе свойства как того, так и другого компонента, из
которых они получены. Близко к блок-сополимерам по характеру сочетания
свойств отдельных компонентов стоят привитые полимеры [25].
36

При поликонденсации процесс образования высокомолекулярных соеди*
нений из мономеров одинакового или различного строения сопровождается
выделением побочных низкомолекулярных веществ. Молекулярная цепь в
этом случае растет за счет последовательного присоединения одной
молекулы к другой.
По строению макромолекул полимеры делятся на линейные,
разветвленные и пространственные [24, 25].
Линейные макромолекулы типа
М—М-М—М
состоят из большого числа мономерных единиц, соединенных ковалентными"
связями. Длина цепи макромолекулы линейного типа может достигать 1,25*
• 10е А, а отношение длины к диаметру — 2,54-105. Типичными представите*
лями линейных полимеров являются полиэтилен, поликапроамид и политех*
рафторэтилен.
В разветвленных полимерах основная цепь имеет боковые ответвления
из мономерных звеньев меньшей длины, чем основная цепь:
М
М—М—М—М —М—М—М М—М—М
М М
I I
м м
I I
м м
Примером разветвленных полимеров служит полиметилметакрилат.
Разветвленность макромолекул приводит к значительному изменению
свойств полимера, в частности затрудняется правильная укладка их при
кристаллизации.
Линейные и разветвленные полимеры обычно хорошо растворяются и
плавятся. Однако, если разветвленность молекулы большая, она становится
настолько громоздкой, что теряет способность самопроизвольно переходить
в раствор.
Пространственные, или сетчатые, полимеры представляют собой
структуры, в которых макромолекулы соединены между собой посредством
поперечных связей — мостков, состоящих, в свою очередь, из атомов или групп
атомов:
R
М—М—М М—М—М
*
М—М—М М—М—М
i
—м—м—м—
Даже небольшое число поперечных связей приводит к потере
способности плавиться, растворяться и пластически деформироваться. При нагревании
такие полимеры способны к большему или меньшему размягчению, а в
растворителях лишь набухают.
37

Свойства полимеров в значительной степени зависят от способов
соединения мономерных звеньев при полимеризации. Так, в полимерах винилового
,ряда группировки
Н Н
н
(где R может представлять собой атом CI, F, фенильную группу и т. д.)
могут соединяться двумя способами:
НННННННН
I I I I I I I I
—с-с-с-с-с-с-с-с—
I I I I I I I I
HRRHHRRH
.либо
Н Н Н Н Н Н
I I I I I I
С—С—С—С—С—С
I I I I I !
Н R H R H R
Способ соединения группировок в первом случае называется «голова к
голове», а во втором случае — «голова к хвосту». Изображенные на схемах
полимеры хотя и одинаковы по химическому составу, но могут значительно
различаться по свойствам, что обусловлено различием строения.
Структуры макромолекул, а следовательно, свойства полимеров зависят
и от пространственного расположения заместителей R относительно основной
цепи макромолекулы. В большинстве полимеров отсутствует какая-либо
регулярность в их расположении. Такие полимеры называют нерегулярными или
атактическими. Полимеры, у которых заместители в элементарных звеньях
расположены в определенном порядке в пространстве, называются стерео-
регулярными (они могут быть изотактическими или синдиотактическими).
Физические свойства изо- или синдиотактических полимеров существенно
отличаются от соответствующих свойств атактических полимеров. Например,
атактический полистирол представляет собой аморфный полимер, который не
может быть закристаллизован. Изотактический полистирол является
частично кристаллическим полимером. Аналогично, атактический поливинилхлорид
является практически аморфным полимером со степенью кристалличности
10—15%. Синдиотактический поливинилхлорид представляет собой
высококристаллический полимер со степенью кристалличности до 90%.
Свойства полимеров в значительной степени определяются также
составом основной полимерной цепи. Последняя может быть построена только из
углеродных атомов (карбоцепные полимеры), содержать помимо атомов
углерода атомы кислорода, серы, азота (гетероцепные полимеры), а также
атомы кремния, титана, алюминия, никеля, бора (элементоорганические
полимеры).
До сих пор речь шла о химическом строении полимеров. Однако
существует концепция, согласно которой основные физические свойства полимеров,
в частности механические свойства, зависят не только от их химического
строения, но и от надмолекулярной организации. Так, все полимеры можно
разделить на кристаллические и аморфные.
Кристаллические полимеры характеризуются наличием дальнего
трехмерного порядка как в расположении цепей, так и в расположении
отдельных звеньев. Поэтому строение упорядоченных участков может быть
охарактеризовано параметрами элементарной ячейки, так же как и для
низкомолекулярных кристаллов. В аморфных полимерах имеются области ближнего
порядка, в которых на расстояниях в 10—15 А от любой точки сохраняется
однотипная пространственная упорядоченность.
33

В настоящее время еще не установлены окончательные формы
надмолекулярной организации в аморфных полимерах. Это могут быть глобулы,
образованные свернутыми макромолекулами, развернутые цепи, собранные в
пачки, а также более сложные образования.
Важной особенностью кристаллических полимеров является то, что они
состоят не только из кристаллических, но и из аморфных областей, между
которыми трудно установить границу. Одна и та же макромолекула может
находиться в нескольких кристаллах, проходя при этом через несколько
аморфных областей. Эти проходные цепи принимают на себя основную
нагрузку при деформации полимера, поэтому они в основном ответственны за
его прочность. Морфология полимерных цепей, образующих кристаллы,
подробно рассмотрена в работе [26].
Как отмечалось выше, сварка пластмасс сопровождается вводом
энергии, которая так или иначе превращается в тепловую энергию, и
приложением к свариваемым деталям статического давления. Таким образом,
свариваемость зависит в первую очередь от поведения пластмасс при нагревании
и сдавливании.
По реакции на нагрев пластмассы делятся на термопластичные и
термореактивные. У термопластичных пластмасс (термопластов) свойства и
строение не изменяются при нагревании и последующем охлаждении. Они могут
доводиться до размягчения без существенных химических изменений, и
поэтому свариваются между собой.
Полимеры, которые при нагревании приобретают пространственную
структуру, необратимо теряя способность плавиться, называются
термореактивными. Реактопласты могут соединяться только за счет реакции активных
групп, расположенных на соединяемых поверхностях, которая может быть
ускорена введением дополнительных веществ. Такой способ соединения
называется химической сваркой [3, 4].
Нагрев полимеров приводит к изменению их физического состояния, так
как изменение температуры связано с изменением запаса средней тепловой
энергии макромолекул, а следовательно, и с ее подвижностью. Что касается
подвижности макромолекул, то для полимеров она связана с целым рядом
особенностей.
Прежде всего макромолекулы полимера в целом не могут осуществлять
одновременные поступательные или даже колебательные движения, так как
для этого потребовалось бы оторвать соседние макромолекулы по всей их
длине друг от друга. Однако энергия такого отрыва — полная энергия коге-
зии — гораздо больше энергии химических связей в основной цепи, т. е.
отрыву макромолекул друг от друга, если бы это было возможным,
предшествовала бы деструкция химических связей. Тем не менее относительное
перемещение макромолекул возможно благодаря их гибкости.
В первую очередь гибкость обусловлена длиной макромолекулы, которая
в несколько тысяч или десятков тысяч раз превышает ее поперечник и может
быть сравнима с гибкостью длинной нити. Гибкость также обусловлена
деформацией валентных углов и изменением межчастичных расстояний.
Однако меньших энергетических затрат требует вращение отдельных частей
молекулы вокруг простых химических связей. Такое вращение без разрыва
химических связей называется конформационным.
Благодаря значительной гибкости макромолекул их относительное
перемещение происходит частями, в результате теплового движения отдельных
звеньев. Изменение относительного расположения отдельных участков
макромолекулы приводит к тому, что молекула постоянно меняет свою форму
в соответствии с тепловыми флуктуациями на разных ее участках.
Мерой гибкости макромолекул является величина сегмента, т. е. части
молекулы, которая при конкретных условиях внешнего воздействия ведет
себя как самостоятельная кинетическая единица и положение которой в
пространстве не зависит от положения других звеньев.
Гибкость цепи возрастает с увеличением молекулярной массы и
уменьшается с ростом внутри- и межмолекулярного взаимодействия. Среди
полимеров с одинаковой молекулярной массой наибольшей гибкостью будут
обладать макромолекулы с меньшей длиной сегментов.
39>

3
\ \
f
1
1
1
Is
1
1
1
I,
l/
1
Ti
И
\ 1
iA—
л
—Лт
f~\
\
>
TT тРт:к
* p. 1 1 , рИс И 1 Термомеханические кривые для
аморфного полимера большой A) и
малой Ь) молекулярной массы и
зависимость модуля упругости от
температуры C)
Для аморфных полимеров известны
три физических состояния,
обусловленных гибкостью длинных цепных
молекул: стеклообразное, высокоэластическое
и вязкотекучее. к
Стеклообразное состояние, наолю-
даемое при пониженных температурах,
характеризуется отсутствием сегментальной подвило *ш<*Ф«™=-
^е^ниТсГнТЛзСГпоЭл7ж^яТдСрТу^ В таком состоянии
теТпоГвозЯ да°Г срПа°вЛнИитееРль„Ро небольших внешних воздейсТВи
Это обусловлено интенсивным тепловым движением отдельных звеньев, сег
ментов и перемещением молекул как единого «елог°; обычно
»as,.=s.-JK.'3SSJ,Ssw
"""в™™ 2"ч"Д",,Р™Рмо„ех,ни,е™й криво» «ож„о ¦»»*;»
Йр'ед тя'б^ьшнш зяаТния., У»о„™ упругое™ н »еб°'™'JJ""
t,f ,е»п"рвде °е"у«™ Г, и тродо*».е,е, вплоть до те.пер.туры разло-
ЖеШВ|,11".ер«о-=х.»ич.ских кривых определяется «олекулярно» "!SL"
степенью кристалличности ™™'ff^ "^"ГJSeS^SS^lc
ssurassss -".р«п".' »««Е.Ги^ (=яеро2.
SepS ?,Го.»»Г="=Г;х i%,Tp™P="„X,»«„. , /е«.
пература текучести выше температуры плавления. . пячложения по-
Интеовал между температурой текучести и температурой Разложе^и* "°
лные?5ГР^е^^е2ь важно"! характеристикой их свариваемости. Очевид-
40

но, чем он шире, тем менее чувствителен процесс к изменению параметров
режима сварки и наоборот.
Рассмотрим химическое строение некоторых полимеров, сваривающихся
ультразвуком, и проследим, как оно влияет на их свойства.
Полиолефины образуются при гомо- и сополимеризации олефинов. Они
обладают сравнительно высокой степенью кристалличности. Наиболее
распространенными представителями этой группы являются полиэтилен и
полипропилен. Из них изготавливают пленки, листы, емкости, трубы, контейнеры
для упаковки различных продуктов и т. д.
Полиэтилен [—СН2—-СНг—Ц не содержащий в молекулярной цепи
полярных групп, характеризуется весьма малыми силами межмолекулярного
взаимодействия. Этим обусловлена гибкость его полимерных цепей, а также
повышенная морозостойкость и эластичность. Он обладает способностью
испытывать даже при комнатной температуре большие обратимые деформации.
В зависимости от способа производства различают полиэтилен высокого
давления, или низкой плотности (ПЭНП), и полиэтилен низкого давления,
или высокой плотности (ПЭВП). В ПЭНП могут образовываться ответвления
от главной цепи, наличие которых снижает плотность упаковки
макромолекул; поэтому степень кристалличности, прочность, плотность, теплостойкость
у него ниже, чем у линейного ПЭВП. Так, плотность ПЭНП равна
0,852 г/см3, а температура плавления 383 К, в то время как для ПЭВП эти
характеристики составляют 1 г/см3 и 413 К соответственно. Температура
стеклования полностью аморфного полиэтилена равна 193 К.
Полипропилен
Г-СН2-СН-1
L сн3 \п
также получают при низком давлении. Получаемый продукт обычно
представляет собой смесь стереорегулярного кристаллического полипропилена с
аморфным атактическим. Первый из них отличается большей прочностью,
повышенной температурой плавления и меньшей растворимостью. Наличие в
повторяющемся звене метильной группы вместо одного атома водорода по
сравнению с полиэтиленом приводит к тому, что полипропилен более прочен
и имеет более высокую температуру плавления D49 К) и стеклования
B53 К).
В последние годы полипропиленовые волокна в смеси с такими
гидрофильными волокнами, как шерсть, хлопок, вискозное волокно, используют
для изготовления тканей и трикотажа.
Поливинилхлорид (ПВХ) [—СН2—СНС1—]п является наиболее
распространенным полимером винилового ряда. Он отличается от полиэтилена тем>
что в повторяющемся звене вместо одного из атомов водорода содержится
атом хлора. Это приводит к повышению прочности и температуры
стеклования C53 К). Температура текучести ПВХ равна 453 К и лежит в области
температур его термодеструкции D53—473 К), что затрудняет сварку этого
материала. Поливинилхлорид является основой винипласта, выпускаемого в
виде листов, стержней, труб, а также пленок и искусственных кож.
Полистирол
-СН2—СН-
I
также является полимером винилового ряда. Вместо атома С1 заместителем
в повторяющемся звене полистирола является фенильная группа —СвН5.
Введение в состав элементарного звена ароматической группы увеличивает
энергию межмолекулярного сцепления, и полимер становится твердым и
хрупким. Полистирол представляет собой аморфный полимер с температурой-
стеклования 353—373 К и температурой текучести 423 К. Он легко перера-
41

батывается литьем под давлением, обладает хорошими диэлектрическими и
оптическими свойствами, но легко подвергается действию многих
растворителей, характеризуется низкой атмосферо- и теплостойкостью, а также
высокой хрупкостью. Для устранения этих недостатков разработаны новые виды
термопластов, представляющих собой сополимеры стирола с а-метилстиро-
лом, акрилонитрилом, метилметакрилатом, а также создана группа акрило-
нитрилбутадиенстирольных (АБС) пластиков.
Полистиролы нашли широкое применение для изготовления товаров
народного потребления (сувениры, детские игрушки, детали светотехнической
арматуры, холодильников, магнитофонов и т. д.).
Полиакрилаты включают полимеры и сополимеры акриловой и метакри-
ловой кислот и их производных. Наибольшее распространение среди них
имеет полиметилметакрилат (ПММА)
СН3
—сн2—с—
I
СООСНд
или оргстекло. ПММА представляет собой аморфный прозрачный полимер,
обладающий высокой проницаемостью для видимых и УФ-лучей.
Температура стеклования 382 К, текучести — 453 К, тер мо деструкции — 493 К. ПММА
применяется для изготовления стекол транспортных средств, сооружений и
-приборов.
Полиамиды — гетероцепные полимеры, содержащие в основной цепи
макромолекулы амидные группы —СО—NH—. В зависимости от вида радикалов,
связанных с этими группами, полиамиды могут быть алифатическими и
ароматическими. Последние характеризуются более высокой теплостойкостью и
рядом других ценных свойств.
Из алифатических полиамидов наиболее распространенным является по-
ликапроамид (капрон, найлон 6)
[-NH-(CH2M-CO-]rt.
Это кристаллический полимер (степень кристалличности 50—60%),
обладающий высокой прочностью. Температура стеклования и текучести 533 К,
термодеструкции — 573 К.
На свойства полиамида большое влияние оказывают водородные связи,
которые могут возникнуть между атомами кислорода карбонильных
@=СЧ ) групп и атомами водорода иминных (HN4) групп. Энергия
водородных связей значительно ниже энергии валентных связей, однако
суммарная энергия большого числа водородных связей между цепями
оказывается достаточной для существенного изменения свойств полимера.
Благодаря водородным связям увеличивается прочность полимеров, их
теплостойкость, газопроницаемость.
В отличие от валентных связей между макроцепями водородные мостики
не лишают полимер способности плавиться при нагревании, хотя температура
размягчения несколько повышается.
Алифатические полиамиды (капрон, найлон) используются в основном
для изготовления пленок, волокон и деталей машин. В СССР к 1980 г. доля
полиамидных волокон в общем объеме производства синтетических волокон
достигла 30—32%, а среди волокон технического назначения составила
примерно 90% [271. Полиамидные волокна технического назначения нашли
широкое применение для изготовления тканых лент, используемых в качестве
буксиров, строп, приводных ремней ременных передач, привязных ремней
безопасности, ячеек подборщиков овощей и бахчевых культур и ряда других
изделий.
Из ароматических полиамидов промышленное применение получил поли-
л-фениленамид (фенилон), используемый для изготовления термостойких
волокон и бумаги.
42

Полиэфиры включают в себя группу поликонденсационных полимеров^
среди которых наибольшее применение имеют поликарбонаты и полиэтилен-
терефталат (лавсан) [28].
К поликарбонатам относятся сложные эфиры угольной кислоты:
Г СН3 "I
Наличие ароматических ядер в полимерной цепи (а не в ответвлении от
нее) обусловливает высокую прочность поликарбонатов, мало изменяющуюся
в широком интервале температур, повышенные вязкость расплава и
температуру размягчения.
Несмотря на более высокую, чем у других термопластов, вязкость
расплава, поликарбонаты хорошо перерабатываются в изделия литьем под
давлением, экструзией, прессованием. Температура стеклования 403 К,
плавления— 453 К, текучести — 573—603 К, термодеструкции — 633 К. Благодаря
высокой прочности поликарбонаты используются для изготовления пленочных
покрытий электро- и радиодеталей, деталей машин, труб, кранов и т. д.
Полиэтилентерефталат
—С-^Л—С-0-СН2-СН2-0-
II W II
1-0 О X
является полиэфиром терефталевой кислоты и этиленгликоля. Это
кристаллический полимер с температурой стеклования 350 К, плавления — 537 К,
текучести— 553 К и термодеструкции — 573 К. Полиэтилентерефталат
используется для изготовления пленок и волокна (лавсан). Так, в 1980 г. мировой
выпуск полиэфирных волокон составил половину выпуска всех синтетических
волокон.
СТАДИИ ОБРАЗОВАНИЯ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
Согласно современным представлениям [2], процесс сварки
следует рассматривать как топохимическую реакцию, т. е.
химическую реакцию, протекающую на поверхности твердого тела.
В основе любой химической реакции лежит процесс разрыва
связей в исходных веществах и возникновения новых связей»
приводящий к образованию нового вещества. Таким образом,
механизм образования соединения не должен меняться при
переходе от одного способа сварки к другому и от одного
материала к другому. Изменяется только совокупность явлений на
контактных поверхностях, приводящая их в состояние
взаимодействия. Эти явления могут быть различными и определяются
природой материала и способом сварки.
Для топохимических реакций характерно протекание в три
стадии:
1) образование физического контакта;
2) активация контактных поверхностей;
3) объемное развитие взаимодействия.
При ультразвуковой сварке отдельные стадии могут
протекать одновременно, так что четкое разделение их не представ-
43,

ляется возможным. Например, имеются экспериментальные
данные о том, что стадия образования физического контакта
сопровождается термической активацией .контактных
поверхностей. На определенном этапе термическая активация протекает
совместно с объемным развитием взаимодействия.
Указанным стадиям может сопутствовать ряд процессов,
которые также следует учитывать при анализе механизма
образования сварных соединений щри ультразвуковой сварке
пластмасс. Так, стадия образования физического контакта связана
со статическим и вибрационным уплотнением материала,
механизм протекания которого зависит от физической формы
свариваемых полимеров.
Термической активации предшествует ввод и
распространение ультразвуковых колебаний в свариваемых деталях, а также
концентрация и преобразование энергии механических
колебаний в тепловую энергию. При этом могут интенсивно протекать
ускоряемые влиянием ультразвука структурные превращения на
молекулярном и надмолекулярном уровнях, различные
химические реакции вплоть до разложения (деструкции) полимеров,
накопление повреждений от силовых нагрузок. Действие на
разогретый материал статических и динамических нагрузок
приводит к развитию деформационных процессов, проявляющихся
во внедрении рабочего торца волновода в поверхность
соприкасающейся с ним детали, а также в вытеснении пластицщюван-
ного или расплавленного материала из зоны сварки.
Стадия объемного развития взаимодействия тесно связана
с такими процессами, как течение и перемешивание материала
в сварочной зоне, взаимная диффузия материалов в
микрообъемах, а также кристаллизация расплава на заключительном
этапе процесса сварки.
Все указанные процессы находятся в тесной взаимосвязи
друг с другом и влияют на конечный результат сварки —
качество сварного соединения, оцениваемого тем или иным
критерием (статической, динамической или длительной щрочностью;
внешним видом; стойкостью к воздействию различных факторов
окружающей среды и т. д.).
Рассмотрим имеющиеся данные о вкладе отдельных из
указанных процессов в механизм образования сварных соединений.
ОБРАЗОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКОГО КОНТАКТА
МЕЖДУ СВАРИВАЕМЫМИ ПОВЕРХНОСТЯМИ
Стадия образования физического контакта начинается с
момента приложения к свариваемым деталям статического
давления и продолжается еще некоторое время после включения
ультразвука.
Для жестких пластмасс эта стадия протекает
преимущественно лутем пластического деформирования макро- и
микронеровностей, за счет чего происходит сближение контактирующих
44

поверхностей на расстояния, соизмеримые с межатомными [29].
.Работа деформации затрачивается также на удаление из
контактной зоны инородных включений (газовых /пузырей,
масляных и жировых пятен и других загрязнений).
Для мягких низкокристаллических пластмасс и волокнистых
материалов на этой стадии характерно статическое и
вибрационное уплотнение, проявляющееся в уменьшении толщины
материала, которую можно «айти из выражения
в = ввA+Э. (И.1)
где б и б» — толщина волокнистого материала текущая и в предельно
уплотненном состоянии соответственно; | — коэффициент пористости, равный
отношению объема пустот к объему волокон.
Связь между толщиной материала и давлением можно найти
исходя из экспериментально установленного факта линейного
возрастания дефдрмационного модуля волокнистого материала
при сжатии:
Е = -Ъ—^ = Е0 + тРСТУ (П.2)
где Ео — значение деформационного модуля волокнистого материала при
^01=0; знак «минус» указывает на уменьшение толщины с увеличением
давления; т — коэффициент.
Интегрируя (П.2) при условии, что при РСт=0 б=б0,
получим:
In (l + -j- рЛ = m (In б0 — In б). A1.3)
Отсюда
Km \m-i
1 + -^-/>ст) • A14)
Достаточная точность может быть получена при разложении
знаменателя в (П.4) в биномиальный ряд. Удерживая при этом
два первых члена ряда, получим:
6 = б0/A+пРст), (II.4')
где я=1/?о; значение п для большого класса технических тканей может быть
принято равным 0,053.
На рис. Н.2 показано сопоставление расчетных данных,
полученных по (П.4'), с экспериментальными. Видно, что для
синтетических тканей наблюдается хдрошая сходимость.
Соотношения (II. 1) и (П.4) позволяют перейти к
эффективным характеристикам волокнистого материала, т. е.
характеристикам монолитного материала, эквивалентного по своим
свойствам волокнистому.
В первую очередь нас будет интересовать определение
эффективности динамического модуля, значения которого, как шве-
<стно, зависят от межмолекулярного взаимодействия. Очевидно,
45

Рис. 11.2. Зависимость б/б0 (/) и Ф(Рет>
B) от статического давления:
/ — расчет по формуле (II.4'); 2 — расчет по фор*
муле A1.15); 3 — расчет по формуле A1.16).
Точки—эксперимент (-—капрон марки ЛТК44-160О;
X —капрон марки ЛТК50-1500; Л — лавсан марк»
ТЛФ-4)
что неуплотненный материал
следует рассматривать как материал,
лишенный межмолекулярных
взаимодействий. Другой предельный
случай — максимальное
уплотнение, когда материал ведет себя как
монолитный.
Таким образом, в основу заме-
43 г 4 s РсъМПа ны волокнистого материала
сплошным должна быть положена
эквивалентность по межмолекулярному взаимодействию. Так, если
волокнистый материал объема V заменить сплошным того же
объема, то следует учитывать, что межмолекулярные
взаимодействия в нем будут ослаблены по сравнению с
межмолекулярными взаимодействиями в материале волокна,
следовательно, модуль упругости Е и плотность р у него будут меньше, а
теплоемкость С — больше, чем у материала волокон.
Очевидно, что по мере увеличения статического давления, т. е.
уплотнения волокнистого материала, эффективные значения
указанных характеристик будут приближаться к значениям,
соответствующим материалу волокон. Исходя из этой модели,
получим зависимость эффективных свойств волокнистого материала
от свойств материала волокон и статического давления:
! Дм 1+AZPct
где /См=6/Уд — коэффициент упаковки молекул в материале волокна F —
собственный объем молекул, VA — общий объем волокна); Р<х> — предельное
давление, при котором дальнейшее поведение волокнистого материала
приближается к поведению монолитного материала.
Значение /См в формуле (II.5) может быть принято для
большой номенклатуры синтетических тканей технического
назначения равным 0,8, что хорошо совпадает с данными,
опубликованными в работе [30].
ВВОД УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ
В СВАРИВАЕМЫЕ ДЕТАЛИ; РАСПРОСТРАНЕНИЕ КОЛЕБАНИЙ
Ввод ультразйуковых колебаний в свариваемые детали
представляет собой сложный процесс взаимодействия рабочего
торца волновода с поверхностью соприкасающейся с ним детали.
Немаловажным является ©опрос о характере перемещения гра-
46

яичной поверхности волновод — материал при ультразвуковой
кварке. Обычно принимается, что это перемещение
осуществляется по синусоидальному закону:
и= Л since/.
Однако это было бы справедливо, если бы материал был
жестко скреплен с опарой и волноводом.
Рассмотрим более детально схему ультразвуковой сварочной
машины.
Устройство для сварки включает в себя акустическую
сварочную головку, узел смещения которой жестко связан со
штоком пневмоцилиндра.
Вес головки уравновешивается противовесом Gn и силами
трения поршня о стенки цилиндра, в опорах блоков (или
звездочек) и т. д., так что при отсутствии давления Рст
акустическая головка находится в покое. При создании давления РСт
.происходит перемещение поршня со сварочной головкой за счет
уплотнения свариваемого материала, лежащего на жесткой
опорной плите.
Пусть ультразвуковые колебания включаются после того,
как процесс статического уплотнения материала закончился.
Тогда в первую четверть периода материал перемещается
совместно с рабочим торцом волновода, а в момент t=T/4 (где
Т — период колебаний) происходит отрыв торца волновода от
материала и материал разгружается. Одновременно с этим
вследствие появления зазора между торцом волновода и
поверхностью материала происходит перемещение сварочной головки.
Так как скорость движения головки зависит от статического
давления и сил сопротивления, т. е. от конструктивных
особенностей сварочной установки, а скорость разгрузки — от
физических свойств и состояния материала, его структуры,
температуры, предварительного сжатия и уплотнения, которые к тому же
сильно изменяются во времени, то задача определения времени
разгрузки представляется неразрешимой. Тогда становится
также неясной и картина дальнейшего нагружения материала.
Наиболее близко экспериментальным данным отвечает
среднее значение времени встречи материала с торцом волновода
3/47\ Тогда характер .нагружения материала при установившем-
ся процессе может быть представлен в виде импульсов
И = Л COS СО* ДЛЯ 0<©/<Я,
« = 0 для я<сог<2я. \ • )
Раскладывая (II.6) в ряд Фурье, получим закон изменения
динамического смещения на границе волновод — материал:
- / * , . 2 ^ 2л sin 2ti(ot \
u-A\-r*m*t + —? Bп-1)Bп+1) | (IL7>
47

Рис. 11.3. Распределение амплитуды
смещения по длине стержня:
1 — экспериментальное; 2 — теоретическое
Действие импульсов (Н.7)
приводит к тому, что в
деталях распространяются
продольные ультразвуковые
колебания. Поперечных волн в
зоне действия статического
давления не обнаружено [6]. Они
возникают только при
наклонном расположении границы
раздела свариваемых деталей к плоскости ввода
колебаний.
Свариваемость полимерных материалов ультразвуком
определяется возможностью подвести к границе раздела деталей
необходимое количество механической энергии, т. е.
коэффициентом затухания волн в материале. Так как энергия
механических колебаний, распространяющаяся в полимерном
материале, пропорциональна квадрату амплитуды, которая, в свою
очередь, зависит от коэффициента затухания, то последний
определяет долю энергии, подводимой к границе раздела
свариваемых деталей. Чем выше коэффициент затухания, тем меньше
энергии будет подведено к границе, тем, следовательно, больше
будет затруднена сварка и тем меньшую толщину должны
иметь детали для получения надежного соединения.
Распределение характеристик ультразвукового поля
(смещений, деформаций и напряжений) можно найти, очевидно,
решая уравнение движения вязкоупругой среды, каковой
являются свариваемые детали. Так, для простого гармонического на-
гружения и при представлении зоны сварки как стержня, по
которому распространяются продольные колебания, авторами
[6] было получено выражение для волны смещения, которая
является результатом наложения двух волн; амплитуда
смещения при этом равна
— -| /ch 2ал— cos 2kx
U=U° V ch2a6-cos2^ <"• 8>
где ыо^—амплитуда смещения на входе в зону сварки (ее можно-принять
равной амплитуде волновода); k=со/с — постоянная фазы; со=2я/ —круговая
частота; f —частота колебаний; с —скорость звука; a - fQ/c — постоянна»
затухания; в — логарифмический декремент затуханий; б —толщина деталей.
Сравнение теоретических и экспериментальных данных
проводилось для полиэтилена низкой плотности. Релаксационные
характеристики брались из работы '[31], в которой изучалась
зависимость модуля сдвига С и тангенса угла механических
потерь полимеров от частоты и температуры. Модуль упруго-
48

сти находили по приближенному соотношению ?'«3G'. В
расчетах применяли усредненные в диапазоне 293—333 К
характеристики: ?'=1,8.103 МПа, tg6=?/,/?,=0,l.
На рис. И.З сопоставлены экспериментальное и
теоретическое распределения амплитуд смещения по длине стержня для
Л = 27 мкм и /=20 кГц. Экспериментальная кривая,
построенная в безразмерных координатах (и/и0, 1—|, где 1=х/6)у
получена для стержня из полиэтилена низкой плотности длиной.
6 = 50 мм. Она хорошо согласуется с кривой, построенной по
уравнению (П.8): расхождение не превышает погрешности
измерения амплитуд оптическим методом (±2,5 мкм).
ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ МЕХАНИЧЕСКИХ
КОЛЕБАНИЙ В ТЕПЛОВУЮ ЭНЕРГИЮ
Вопрос о характере преобразования энергии механических
колебаний в тепловую энергию и разогреве вследствие этого*
свариваемых деталей является едва ли не самым важным, так
как с ним связано не только познание физических основ
ультразвуковой сварки, но и разработка методов практического
расчета параметров режима сварки. Эти методы должны
позволить получить уравнение, связывающее параметры режима
сварки, в виде
*св = Ч>И,Рст,/, gi>g2>--->gi>bi>b2>--->biyTCB), (II.9)
где /ев — время сварки; А — амплитуда колебаний; ЯСт — статическое
давление;! / — частота колебаний; giy g2, ..., gt— свойства материала; бь бг, ..•
..., di — геометрические размеры; Гсв — температура сварки.
Все явления, протекающие при ультразвуковой сварке,
обусловлены процессом деформации термопластичной среды с
ультразвуковой частотой, поэтому определение зависимости
(П.9) в явном виде связано с решением задач, содержащих
уравнение движения сплошной среды, уравнения
материального и энергетического балансов, а также уравнения состояния,
описывающие взаимосвязь внешних воздействий и
сопротивляемости среды. Кроме того, уравнения энергетического
баланса должны содержать внутренний источник (или источники^
энергии, интенсивность и распределение которого (или
которых) в объеме нагреваемого тела известны. Однако до настоя-
щего времени не сложилось единого мнения по вопросу о
физической природе источников теплоты при ультразвуковой
сварке термопластов. Подробный анализ и критика
существующих по этому поводу точек зрения были приведены в работе
[6], поэтому нет нужды останавливаться на этом вопросе.
Укажем только, что одни авторы считают, что основным
источником теплоты при ультразвуковой сварке термопластов
является внешнее трение соединяемых деталей на границе раздела.
4-271
49

Рис. 11.4. Распределение
температур по толщине образцов
при сварке капроновых лент
ЛТК44-1600. Режим сварки:
<4=45 мкм; ^ст=8 МДа; f=>
«17,8 кГц. Суммарная толщина
образцов 6=3,68 мм; 7—5 —места
расположения термопар; цифры у кри<
вых —время с начала наблюдения
300 350 400 450 500 Т,К
.Другие [32, 33] рассматривают разогрев при ультразвуковой
сварке как результат внешнего и внутреннего трения, хотя
превалирующую роль отводят все-таки внешнему трению.
Наличию внешнего трения должны были бы сопутствовать
поперечные сдвиги на границе раздела, не подтверждаемые
экспериментально. Такие сдвиги были обнаружены только для
случая сварки «в ус», когда граница раздела деталей
находилась под углом к плоскости ввода колебаний.
Кроме того, при термографировании листов термопластов,
набранных в пакет, и сплошного образца той же толщины
(термопары в обоих случаях были зачеканены на одинаковых
расстояниях) были зарегистрированы практически одинаковые
термические циклы. Замеры температур при сварке двух
полиэтиленовых пластин толщиной 3 мм каждая показали, что зона
максимальных температур расположена не на границе раздела,
а на расстоянии 1—1,5 мм от рабочего торца волновода [6].
На рис. II.4 приведено распределение температур при
сварке капроновых лент ЛТК44-1600. Из рисунка видно, что при
сварке в жестких режимах (Л=45 мкм; Рст = 8 МПа) более
половины толщины ленты разогревается до одинаковых
температур и только граничные области имеют меньшие
температуры. Это объясняется теплоотводом в холодные волновод и
опору.
Указанные факты свидетельствуют о несостоятельности
концепции внешнего трения.
Позиция авторов основана на том факте, что в случае
необратимой деформации энергия, затрачиваемая на
необратимое деформирование, не накапливается в теле, а полностью
рассеивается и затрачивается на его нагревание, переходя в
тепловую энергию, а также на необратимые изменения
структуры тела. При разгрузке же работа будет равна нулю.
Поэтому работу необратимой деформации называют работой
диссипации. Работа диссипации всегда положительна. Именно этим
объясняется хорошо известное и достаточно изученное явление
так называемого «саморазогрева» пластмасс.
Авторами была сформулирована гипотеза [6] о
теплообразовании при ультразвуковой сварке, основные положения
которой сводятся к следующему.
50

1. При УЗС мягких пластмасс и волокнистых материалов
теплота выделяется во всем объеме зоны сварки вследствие ги-
стерезисных потерь при циклическом деформировании вязко-
упругого материала. Процессы, происходящие на границе
раздела, не оказывают существенного влияния на
теплообразование.
2. Выделение теплоты в объеме свариваемого материала
происходит неравномерно вследствие неравномерного
распределения напряжений и деформаций. Преимущественное
тепловыделение происходит в местах пучности напряжений.
3. Неравномерность выделения теплоты, а также
температурные условия на границах приводят к неравномерному
распределению температур. Оптимальным является такое
распределение температур, когда сечение с максимальной
температурой совпадает с границей раздела деталей. Очевидно также,
что это сечение совпадает с сечением, в котором наблюдается
пучность динамических напряжений.
4. В том случае, когда наибольший разогрев происходит не
на границе раздела свариваемых полимеров, сварка все же
осуществляется благодаря тому, что разогрев и действие
статического давления приводят к процессу внедрения волновода
в материал. Это вызывает постоянное изменение теплоотвода
в холодные волновод и опору и сдвиг зоны максимальных
температур к границе раздела. Следовательно, при больших
толщинах деталей получение сварного соединения возможно
только после определенной деформации полимера под волноводом.
Из сказанного следует, что задача о разогреве деталей при
ультразвуковой сварке может быть решена только в рамках
задач термовязкоупругости [34, 35], в которых температурное
поле определяется в зависимости от поля напряжений и
деформаций вследствие нагревания материала за счет диссипации
энергии. Решение таких задач сопряжено со значительными
математическими трудностями.
Как правило, толщина свариваемых деталей гораздо
меньше четверти длины волны. Для этого квазистатического случая
выражение для скорости диссипации механической энергии,
усредненной за период колебаний /м , будет иметь вид
где Ег — модуль потерь.
Так как нагружение материала представляет собой сумму
возмущений (П.7), то интенсивность теплообразования будет
определяться суммой интенсивностей теплообразования от
каждого из возмущений. Кроме того, вид выражения A1.10) оста-'
ется одним и тем же как для возмущений, изменяющихся по
закону синуса, так и для возмущений, изменяющихся по зако-
4*
51

!ну косинуса. Подставляя значения амплитуд возмущений
вместо и0 в (НЛО), получим:
Jm — 2б2 \ 4 + я2 |Д ь3 j -г
(ПГ) + ' • • + Bп—1) B/г+1) J)'
+
Числовой ряд в фигурных скобках стремится к значению
Ю,5, поэтому окончательно имеем:
- (дЕА2
Так как выражение A1.11) получено путем усреднения
энергии деформирования за довольно малый промежуток
времени, каким является период колебаний, то величину /м' мож-
ло рассматривать как мгновенную скорость тепловыделения.
Тогда температурное поле можно найти из решения уравнения
теплопроводности с внутренним источником теплоты:
dT -
Cp-5r = div(Xgradr) + V, (II.12)
где С — удельная теплоемкость; р — плотность; А,— коэффициент
теплопроводности.
Следует указать, что решение уравнения A1.12) с учетом
всех особенностей, сопутствующих процессу ультразвуковой
сварки, сопряжено с большими трудностями. Это связано, во-
первых, со значительной нелинейностью зависимостей С, р, %
Е2 от температуры и анизотропией свойств. Во-вторых, при
ультразвуковой сварке, как уже отмечалось, происходит
перемещение границ, а при достижении температуры вязкотекуче-
сти и унос массы из зоны сварки. В-третьих, сами условия
теплопередачи на границах материал — волновод и материал —
опора являются переменными, поскольку тесный контакт
материала с рабочим торцом волновода чередуется с отрывами
последнего в период разгрузки. Наконец, следует указать и на
то, что в настоящее время не существует методов,
позволяющих измерять динамический модуль и коэффициент затухания
на частотах, при которых производится ультразвуковая сварка,
т. е. в диапазоне 16—40 кГц. Все литературные данные,
полученные в ходе изучения акустических свойств пластмасс,
относятся либо к диапазону частот в несколько десятков Гц, либо
К диапазону, в котором частоты измеряются в МГц.
Существенного упрощения можно достичь, если пренебречь
теплоотводом из зоны сварки. В этом случае на основании
A1.11) и A1.12) имеем:
dt — 2б2 Ср * (П. Ю)
.52

В общем случае уплотняющегося материала следует
пользоваться эффективными значениями характеристик материала.
Подставляя (II.47) и (П.5) в (И.13), получим:
dt
где
Ф(Рсх)= 1 + пРю 1П+Ыпрл "у- (Н.15)
1 + пРст I 1 + пРст
Км}
На рис. II.2 показано сопоставление расчетных значений
Ф(Рст), вычисленных по формуле A1.15) (я=0,053; /См==0,8;
Роо«=8 МПа), для различных синтетических тканей
технического назначения. Точками нанесены расчетные значения Ф(РСТ),
вычисленные по экспериментально измеренным соотношениям
б/боо. Видно, что имеется хорошая сходимость этих данных.
В области давлений, используемых на практике для сварки
синтетических тканей (Рст>3 МПа), функция Ф(РСТ) хорошо
аппроксимируется зависимостью
Ф(Рст)= рст1р°, A1-16)
где давлению Ро следует придать смысл того минимального
давления, при котором осуществляется акустический контакт,
так как при Рст = -Ро функция Ф(РСт)=0 и dT/dt=Oy т. е.
сварка не происходит.
С учетом A1.16) из A1.13) получим выражение для
времени достижения произвольной температуры:
е
26 * Г Со
' = КГ=К Ет> <"Л7>
где 9=Г—7V, Го — начальная температура.
Как следует из A1.13) и (П.17), скорость разогрева и
характер термического цикла сварки зависят от комплексной
характеристики материала:
^д (в) = Е2/Ср=Е1ц/Со, (II. 18)
где г\=Ег[Е1 — тангенс угла механических потерь.
Так как функция A1.18) равна скорости роста температуры
(в К/с) за счет рассеивания механической энергии при
равенстве Ф(Рст)!=1 и я/Л2/Bбоо2) = 1, то в дальнейшем будем
называть ее диссипативной функцией. В числитель этой
функции входит модуль потерь, характеризующий количество
рассеиваемой энергии, а в знаменатель — количество энергии,
необходимое для разогрева единицы массы на один градус. Таг
53

ким образом, диссипативная функция характеризует
соотношение между рассеиваемой и требуемой для нагрева энергиями.
Так как диссипативная функция зависит от температуры, та
характер термического цикла определяется в первую очередь
температурной зависимостью Еи г), С, р. Известно, что эти
зависимости характеризуются максимумами на кривых
механические потери — температура или минимумами на кривых модуль
упругости — температура, соответствующими процессам
молекулярной релаксации полимеров.
Схематически зависимости от температуры модуля
упругости и тангенса угла механических потерь в области температур
перехода в размягченное состояние Гп, справедливые для
большинства полимеров, представлены на рис. II.5.
Для большинства полимерных материалов к моменту
достижения вязкотекучего состояния Е2 сильно уменьшается, С —
резко растет, а р изменяется слабо в сторону уменьшения,
следовательно, при ультразвуковой сварке мы имеем убывающий
во времени источник тепловой энергии. Так как к этому же
моменту времени начинают интенсивно развиваться процессы
течения, сопровождающиеся утонением материала и уносом
массы и тепловой энергии, т. е. усиливается теплоотвод из
зоны сварки, то следует ожидать в области температур сварки
образования на термических циклах горизонтального плато,
соответствующего тепловому равновесию (dT/dt=0) (рис. П.6,а).
У частично кристаллических полимеров появление такого
плато в области температур плавления связано еще и с фазовым
превращением, на что затрачивается теплота плавления.
Повышение температуры текучести или плавления на
несколько градусов приводит для «большинства полимеров к
резкому увеличению Е2 и уменьшению С, в результате чего на
кривой термического цикла может образовываться пик (рис..
11.6,6), после которого сразу же температура начинает падать
вследствие интенсивного утонения материала и вытеснения
Рис. II.5. Схематическая зависимость модуля упругости и тангенса угла
механических потерь от температуры
Рис. II.6. Термические циклы при ультразвуковой сварке (схема):
а — тепловое равновесие; б — перегрев выше температуры текучести для аморфных или
температуры плавления для частично кристаллических полимеров
54

Рис. 11.7. Термические циклы при
сварке полиэтилена низкой плотности A—
4 — места расположения термопар)
расплава за зону сварки. С
практической точки зрения важно
уловить этот момент, который
может послужить сигналом к
окончанию процесса сварки.
Таким образом, термические
циклы при ультразвуковой
сварке носят нелинейный характер с
ярко выраженными перегибами,
соответствующими изменению
скорости разогрева в области
температур релаксационных переходов, которые будем
называть критическими температурами. Рассмотрим
экспериментальные данные, подтверждающие такой характер термических
циклов.
Для полиметилметакрилата были установлены две области
критических температур: 338—348 К, соответствующая
заторможенному вращению метоксикарбонильных групп в боковой
цепи, и 540—573 К, соответствующая разложению полимера.
При сварке полиэтилена низкой плотности критическая
температура Гкр = 333 К в области а-перехода, которую связывают
с подвижностью в кристаллических областях, выявлялась
довольно четко [6] на кривых термических циклов, снятых как
на границе раздела деталей, так и в сечениях, удаленных на
различные расстояния от рабочего торца волновода (рис. II.7).
Перегибы кривой термического цикла для полиэтилена были
обнаружены также при 388 К, когда плавилась
кристаллическая фаза, и при 453 К — вблизи температуры разложения
полимера.
Соответствие точек перегиба на кривых термических циклов
переходу полимерного материала из одного состояния в
другое подтверждается также данными, полученными при сварке
тавровых образцов из капролона В (режим сварки: Л = 45 мкм,
Рст=9 МПа, угол скоса стенки 45°; размеры деталей: полки —
15X15X6 мм, стенки —60X15X6 мм); первая критическая
температура D63—473 К) соответствует переходу полимера в
вязкотекучее состояние, а вторая критическая температура
F98—723 К) соответствует разложению полимера. При сварке
образцов из полистирола также хорошо обозначаются области
критических температур: 333—353 К, соответствующая
переходу в высокоэластическое состояние; 423 К, отвечающая- началу
текучести, и 498 К, соответствующая деструкции полимера.
Первый излом на кривой термического цикла для поливинил-
хлорида наблюдался при 343 К, т. е. при температуре стекло-
зания, второй излом —при 433 К, т. е. при переходе полимеря
55

550
500
150
100
350
0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 t,c
Рис. 11.8. Термические циклы сварки капроновой ленты ЛТК 44-1600 в ин*
тервале температур 320—575К (а) и 320—400К (б): в —схема
расположения термопар A—5 — термопары). Режим сварки:
4=45 мкм; Яст=8 МПа; /=17,8 кГц. Точки — эксперимент (? — Тх\ X — 7Y, О — Г3; Л —
Г4; V - Т5)
из высокоэластического в вязкотекучее состояние, после чего-
скорость нарастания температуры значительно увеличивалась.
На рис. II.8 приведены термические циклы сварки
капроновых лент, которые, так же как и в описанных выше случаях,
носят явно нелинейный характер. Здесь выделяются четыре
характерных участка.
Первому участку соответствуют температуры на границе
раздела лент от комнатной B93 К) до 348 К. Для лучшего
уяснения характера термических циклов в этом интервале
температур они показаны на рис. II.8 в большем масштабе. Как
видим, скорость роста температур на этом участке непрерывно'
увеличивается, достигая максимума при температуре 348 К,
соответствующей точке перегиба на кривой термического цикла^
Полученные данные хорошо согласуются с данными
исследований акустических свойств капрона. Действительно,
температура 348 К соответствует мультиплетному пику механических
потерь, связанному с переходом аморфных областей полимера
из стеклообразного в высокоэластическое состояние и с
размораживанием молекулярной подвижности в кристаллических
областях.
Второму участку соответствует интервал температур от 348
до 503—523 К. Здесь скорость роста температур непрерывно
убывает, что связано с уменьшением Е2 и увеличением С.
Конкуренция указанных факторов, а также плавление
кристаллитов приводят к тому, что при 503—523 К наблюдается
состояние, близкое к тепловому равновесию, соответствующее
третьему участку термического цикла. Протяженность этого участка
во времени зависит от режима сварки: для интенсивных
режимов она меньше, чем для мягких.
56

На четвертом участке наблюдается интенсивное увеличение
скорости роста температур, обусловленное резким
уменьшением С и увеличением Е2 при температурах, превышающих
температуру плавления.
Таким образом, зная характер изменения теплофизических
и акустических свойств материалов с изменением температуры
и используя выражение A1.13), можно дать достаточно
адекватное качественное описание характера термических циклов.
Примеры хорошей количественной сходимости
экспериментальных и расчетных [по формуле (П.17)] данных приведены в
гл. III.
Из (И.17) можно получить энергетическую характеристику
0 0 0
^9)=J-&de=J^=wJw' (ПЛ9)
0 0 0
свариваемости пластмасс ультразвуком. Эта характеристика
представляет собой постоянную безразмерную величину,
зависящую только от природы свариваемого материала. Верхняя
граница интегрирования соответствует температуре вязкотеку-
чего состояния для аморфных полимеров или температуре
плавления кристаллической составляющей для частично
кристаллических полимеров.
Из выражения A1.19) следует, что лучшая свариваемость
с наименьшими затратами энергии соответствует малым
значениям рС и большим значениям Ехц подынтегрального
выражения, а также низким значениям температур размягчения.
Модуль упругости до момента достижения температур
размягчения или плавления должен оставаться высоким и затем
резко падать, а фактор потерь должен изменяться наоборот. Это
верно для аморфных полимеров. У частично кристаллических
полимеров модуль уменьшается непрерывно с повышением
температуры, хотя фактор потерь при этом возрастает
незначительно. Кроме того, теплоемкость этих полимеров вблизи
температуры плавления возрастает. Значит, в случае сварки
частично кристаллических полимеров требуется значительно
больше энергии, чем для сварки аморфных полимеров.
При больших толщинах деталей оценка свариваемости
должна производиться по критерию i|?i с учетом коэффициента
затухания а и логарифмического декремента затухания 0.
Значения этих показателей для различных полимеров приведены
ниже [41]:
0ИО2 il>i 81-10* 4>i
при 293 К при 293 К
Полистирол
Поликарбонат
Полиметилмет-
акрилат
2,58 1,0
3,14 3,7
12,0 0,54
Поливинилхлорид
Полипропилен
Полиамид 6,6
17,15 0,34
21,99 11,24
4,02 23,43
57

Чем больше tyu тем больше энергии требуется для сварки;
чем меньше G, тем меньше энергии доходит до границы
раздела свариваемых полимеров.
При низких и средних значениях ipi и низком значении 9
(полистирол, поликарбонат) пластмассы хорошо свариваются
как контактной, так и передаточной сваркой, а при средних и
высоких значениях ifi и высоких значениях 0 (полипропилен)
может применяться только контактная сварка. При низком
значении \j?i и среднем значении 9 (поливинилхлорид и полиметил-
метакрилат) пластмассы еще хорошо соединяются
передаточной сваркой, если V-образный выступ делать как можно
тоньше. Процесс сварки в этом случае протекает достаточно
быстро, что позволяет избежать чрезмерного нагрева верхней
детали, так как низкое значение \|)i соответствует быстрому
разогреву не только выступа, но и всей детали. Для сварки
полимеров с высокими значениями \|>i и низким значением 6
(например, полиамида 6,6) требуется всегда большее количества
энергии, т. е. длительное время озвучивания, вследствие чего
не удается избежать нагрева верхней детали.
При сварке частично кристаллических полимеров следует
учитывать, что они в значительной степени теряют свои
упругие свойства еще до достижения температуры плавления
кристаллов, поэтому значение ipi для них почти на порядок выше,
чем для аморфных полимеров. При температурах, несколько
выше температуры плавления, они почти мгновенно переходят
в пластическое состояние. Под действием статического
давления расплав сразу же вытесняется за зону сварки, и снова на
границе раздела деталей соприкасаются материалы,
температура которых соответствует температуре плавления
кристаллов. Чтобы получить хорошее сварное соединение, приходится
в этом случае понижать статическое давление, а выступ
делать возможно меньшим, ибо в противном случае он
недостаточно быстро оплавляется. Однако при очень малых выступах
для получения надежного сварного соединения может не
хватить материала. В этом случае поверхности сойдутся прежде,,
чем до них дойдет пластичный материал, расплав будет
заперт и перегрет, что приведет к образованию раковин или пор.
КОНЦЕНТРАЦИЯ ЭНЕРГИИ НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА
СВАРИВАЕМЫХ ДЕТАЛЕЙ
Из проведенного выше теоретического анализа следует
важный вывод о том, что при ультразвуковой сварке зоне
максимального тепловыделения соответствует зона максимальных
динамических напряжений (деформаций). С этих позиций
преимущественный разогрев границы раздела при сварке жестких
пластмасс может быть объяснен тем, что свариваемые детали
контактируют по микронеровностям, которые не сминаются
при приложении статического давления вследствие большого*
58

Рис. П.9. Расчетная схема системы с
V-образной разделкой кромок. Пояснения
© тексте
модуля упругости этих материалов.
Так как реальная площадь
контакта мала, на границе раздела
деталей возникают значительные
динамические напряжения. Поскольку
скорость нагрева пропорциональна
-амплитуде динамических
напряжений, происходит преимущественный
разогрев микронеровностей, их
оплавление, растекание полимера под
. действием статического давления
ло поверхности раздела деталей и
образование соединения. Очевидно,
в этом случае граница раздела оказывается в благоприятных
условиях из-за естественного уменьшения реальной площади
контакта. Таким образом, прочность сварного соединения
возрастает с увеличением шероховатости [44].
Повышение уровня динамических напряжений на границе
раздела может быть достигнуто искусственным уменьшением
ллощади контакта за счет специальной разделки кромок
свариваемых деталей.
Коэффициентом концентрации Кк энергии в зоне сварки
назовем отношение удельной мощности [см. A1.10)],
выделяющейся в образце с разделкой кромок, к удельной мощности,
выделяющейся в образце без разделки. Можно показать, что
.для квазистатического случая и для образцов, изображенных
на рис. II.9, этот коэффициент равен
«"Ы = [1Щ-?J> <п-2°)
ГД6 f-[lu St + /„ S9 + /„ J S(y) J •
y=A
?n=li+h', 5n=Si — площадь поперечного сечения деталей без разделки
кромок, остальные обозначения приведены на рис. 11.9.
Следует указать, что на практике обычно разделку кромок
деталей производят на нет. После приложения статического
усилия происходит некоторое смятие выступа на величину А,
в результате чего образуется площадка контакта SK = S2 (см.
рис. II.9). Для изображенной на рис. II.9 V-образной разделки
.кромок эти величины, в свою очередь, являются функциями
угла клина 2у и статической силы сжатия FCt. Увеличение силы
приводит к увеличению площадки контакта S2=SK и уменьше-
59

нию высоты выступа /2. Так как коэффициент концентрации
энергии, как это следует из (П.20), уменьшается с ростом 52 и
к, то Кк должен быть связан с величинами статической силы
и угла клина. Эту связь можно найти из решения задачи а
сжатии жесткопластического клина жестким штампом [36]»
Площадка контакта определяется из выражения
s*= MTW- (IL21>
где os — предел текучести материала клина; параметр связан с углом у вы*
ражением
tgV = B + sin^)cosaf (IL22>
Из A1.22) следует, что параметр г|? уменьшается с
уменьшением угла клина и в конечном счете, когда tgY=0,5 или
7=26,6°, становится равным нулю. Тогда поверхности
перемещенного материала станут вертикальными, а давление Р=
= /7ct/Sk будет равно пределу текучести при сжатии в случае
плоской деформации. Вид деформации для еще более узкого
клина неизвестен.
В случае сварки цилиндрических стержней, когда разделка
представляет собой конус, для определения SK=S2 можно
использовать решение [36], структура которого аналогична
A1.21).
Для проверки пригодности выражения A1.21)
применительно к полимерным материалам были проведены эксперименты
по определению зависимости SK от у и FCt [6].
В результате установлено, что контактная площадка
линейно увеличивается с увеличением статической силы. Для углов
2y<j90° сходимость экспериментальных и расчетных данных
удовлетворительная. При больших углах модель
жесткопластического клина не соответствует эксперименту, так как из этой
модели следует, что с увеличением угла у контактная
площадка уменьшается, а в эксперименте она увеличивается.
По-видимому, при y>45° следует учитывать упругие деформации.
На рис. 11.10 приведены зависимости коэффициента
концентрации энергии в зоне сварки от угла при вершине V-об-
разного выступа и статической силы FCt, рассчитанные по
выражению A1.20) с учетом (П.21) и A1.22). Как видно из
рисунка, оптимальным для всех видов пластмасс следует считать
угол 2у = 90°, так как при этом обеспечивается минимальная
площадь контакта SK и максимальный уровень динамических
напряжений, т. е. максимальное тепловыделение в зоне сварки.
Уменьшение коэффициента К к при увеличении статической
силы Fcr связано с увеличением контактной площади между
V-образным выступом и нижней деталью.
Рассмотрим теперь случай сварки протяженных деталей,
когда уже невозможно пренебречь волновыми процессами.
60

#к
Рис. НЛО. Влияние статической силы /чт
(/) и угла клина у B) на коэффициент т
концентрации энергии в зоне сварки Кк
зоо\
zooU
В этом случае свариваемые детали
следует рассматривать как
отдельное звено единой акустической си- т\
стемы преобразователь —
волновод— детали — опора. Распреде-
ление характеристик ультразвуко- Т ^, so , ?o t 9ofct,w»*
вого поля в системе определяется ?0 80 юо т 2Г
геометрическими размерами и физическими свойствами
материала деталей.
Представим свариваемые детали как составную систему нз>
однородных стержней (см. рис. П.9). На входе в первый
стержень система соединена с рабочим торцом волновода, а на
выходе последнего звена — с опорой. Задача заключается в
том, чтобы найти такое соотношение геометрических размеров
стержней, при котором выполняются следующие условия
оптимальности:
1) пучность амплитуды смещения лежит на входе в
стержневую систему; это условие соответствует экспериментальным
данным и оговаривается почти всеми исследователями [6];
2) пучность динамических напряжений лежит в плоскости,
контакта свариваемых деталей; это условие основано на
высказанном выше предположении о том, что преимущественный
разогрев протекает в зонах максимальных динамических
напряжений.
Первое условие оптимальности наиболее просто
выполняется, если каждое звено системы преобразователь — волновод —
свариваемые детали — опора настроено в резонанс и на стыках
этих звеньев имеет место максимальное отражение
ультразвуковой энергии. При таких условиях свариваемые детали
находятся в режиме, не зависящем от предыдущих звеньев, и в
каждом звене будет иметь место чисто стоячая волна [13]. Это
справедливо при отсутствии потерь в звеньях акустической
системы. Так как даже при наличии существенных потерь в
области резонансных значений частоты входное сопротивление
системы меняется относительно медленно, определение
резонансных размеров деталей можно производить (с достаточной
для практических целей точностью) по формулам для
идеальных систем без потерь.
В дальнейшем будем рассматривать сварку на активной
опоре (толстая металлическая плита, металлический стержень
длиной Я/4). В этом случае можно полагать, что стержневая
система закреплена на конце, связанном с опорой, причем
любой промежуточный А-й стержень будет нагружен на
реактивную нагрузку, равную входному сопротивлению (&+1)-га
61

стержня. Поэтому на конце &-го стержня может не быть ни
пучности силы, ни пучности амплитуды смещения.
Обозначим сдвиг пучности силы относительно конца
верхнего стержня U через х0и Так как пучность амплитуды
смещения сдвинута относительно пучности силы на величину
Bfl+l)Xi/4 (где h — длина волны, распространяющейся в
материале стержня), то для выполнения первого условия
оптимальности необходимо, чтобы
В общем случае сварки трех стержней длиной lu /2, h (см.
-рис. П.9) величина *oi определяется из выражения
*»—&¦«* Г2Г-,— т- AЬ24)
-w0i ctg [-^ /2- arctg ^^tgl^VJgirJ
*хде w0i=Si]fEipi — волновое сопротивление i-ro стержня с площадью
поперечного сечения Srt Ей р*, fa — модуль упругости, плотность и длина волны
материала /-го стержня соответственно.
Рассмотрим несколько важных для практики частных
случаев.
Стыковая сварка двух стержней. В этом случае /3=0, и из
второго условия оптимальности #01 = 0. Учитывая это, из
выражений A1.23) и A1.24) найдем:
/1==Bn+l)V4; л = 0,1,2... A1.25)
/2 = а2/4; ?=0,1,2... A1.25')
Интересно отметить, что если стержни поменять местами,
т. е. принять /i=&A,i/2 и /2= B/z+l)W4, то сварка может не
произойти. В этом случае граница раздела деталей совпадает с
узлом силы, и, хотя система настроена в резонанс,
преимущественный разогрев будет протекать в средней зоне верхнего
стержня, где располагается пучность силы.
Стыковая сварка стержней с разделкой кромок. В этом
случае средний стержень представляет собой V-образный клин или
конус, служащий для концентрации динамических напряжений.
Так как /2<СА,2/4, можно принять, что площадь поперечного
сечения этого участка не меняется и равна площади контакта 5К
клина с нижней деталью, т. е. SK=S2. Для надежного
выполнения второго условия оптимальности необходимо, чтобы было
*02=0, где #02 — смещение пучности силы относительно конца
участка /2. Величину 13 найдем, если в выражении A1.24)
положим, что /з = 0 и индексы 1 поменяем на 2, а индексы 2 — на 3.
Учитывая сказанное, получим:
/3 = а3/2. A1.26)
<82

Подставляя выражение A1.26) в A1.23) и A1.24) для /2<
<Х2/4, найдем оптимальную длину верхнего стержня:
/1=B„+l)b. + -^arctg(-2K^r). (II.26')
Сварка тавровых соединений. Если в выражении A1.26)
&->0, т. е. толщина нижней пластины незначительна, то это •
равносильно случаю сварки тавровых соединений. При этом
второе условие оптимальности будет выполняться тем лучше,
чем меньше контактная площадь S2=SK. Так как /2<CW4 и
^3<W4, то из уравнения A1.23), принимая для простоты, что
стержни выполнены из одного материала, после упрощения
получим:
/1=B„+IL + ^-arctg[-^-/3(|^+l)]. (II.27)
Как следует из выражений A1.26) и A1.27), оптимальные
длины стержней в значительной степени зависят от контактной
площади 52 и высоты выступа после смятия /2. Эти величины,
как показано выше, являются функциями угла у и статической
силы FCT. На рис. 11.11 показаны зависимости смещения
пучности силы Xoi относительно конца верхнего стержня U от угла у
и статической силы 1Гст (материал деталей — капролон В, Я=
= 90 мм, Si = 90 мм2, ат=Ю0 МПа). Сплошной линией
показана зависимость х0\(у) для v=45, построенная по формулам
A1.26) и A1.27). Пунктирной линией эта зависимость
продолжена для больших углов на основе экспериментальных данных.
При этом учитывалось, что поскольку при у>45° общая
высота клина Л=/2+Д мала, то поворотом образующей клина
можно пренебречь.
Из этих данных следует, что основное влияние на
оптимальную длину верхнего стержня оказывает угол у. Если y^45°,
то оптимальные значения длины h\ для первого и второго
случая практически совпадают, близки к kX/2 и мало изменяются*
с изменением угла. Дальнейшее
возрастание у приводит к необ- ^
ходимости увеличивать длину U
вплоть до значения Bп-\-1)Х/4. 0,г
Очевидно, что в области у>
>45° большое значение будет
иметь точность подготовки дета-
Рис. 11.11. Зависимость величины сме- W
Щения пучности силы Хо\ относительно
конца верхнего стержня U от угла
клина у. Статическое усилие РСт,
отнесенное к площади верхней детали, равно
/, 2 — 4 МПа; 3, 4 — 9 МПа; /, 3 — сварка
тавровых соединений при /3=6 мм; 2, 4 — свар» о
ка стыковых соединений и 30 60 X
6&

-лей под сварку. Действительно, незначительная погрешность
при скашивании кромок может привести к затруднениям при
сварке из-за того, что длина детали не будет соответствовать
условиям оптимальности. Из этих соображений наиболее
приемлемыми следует считать значения углов у^45°.
Кроме того, нужно учитывать еще одно обстоятельство.
Выведенные выражения справедливы только в самом начале
процесса сварки. К концу процесса, когда V-образный клин
переходит в размягченное состояние, колебания стержня длиной 1\
по форме приближаются к колебаниям стержня, свободного на
концах. Для выполнения и в этом случае первого условия
оптимальности необходимо, чтобы
/1 = а/2, где ?=0,1,2... A1.28)
Невыполнение этого условия приведет к тому, что
амплитуда смещения на входе в систему будет уменьшаться по мере
разогрева и увеличения податливости V-образного клина, а
динамические силы увеличиваться. Это, в свою очередь, приведет
к разогреву стержня непосредственно под волноводом,
внедрению последнего в стержень под действием статического
давления. Процесс образования сварного соединения останется
незавершенным независимо от схемы дозирования
ультразвуковой энергии. Действительно, если дозирование энергии
ультразвука осуществляется по времени сварки, то основная доля
энергии будет выделяться в вязкой прослойке под волноводом,
а не на границе контакта деталей вплоть до отключения
ультразвука через заданное время. Если же сварка осуществляется
по схеме «с фиксированной осадкой», то отключение
ультразвука будет происходить за счет перемещения сварочной головки
на заданную величину при внедрении волновода в деталь, а не
за счет осадки V-образного выступа, температура которого еще
мала для протекания процесса осадки. Особенно сильно
описанный процесс проявляется при длинах 1\ = B/г+1Д/4, так как
к концу сварки пучность силы смещается к волноводу, а
пучность амплитуды смещения — к границе раздела деталей.
Согласно данным, приведенным на рис. 11.11, условие A1.28)
наиболее точно выполняется при углах y^45°, значит и с
указанной точки зрения эти углы следует считать наиболее
приемлемыми. Однако, как следует из рис. 11.11, для углов y<45p
лучность динамической силы будет максимально смещена от
конца участка /ь поэтому чем меньше у, тем меньше амплитуда
динамической силы, совпадающей с границей контакта деталей.
Тем не менее уровень динамических напряжений в зоне
контакта деталей при углах у, близких к 45°, будет оставаться
достаточно высоким, так как этим углам соответствует
максимальная контактная площадь. Следовательно, второе условие
оптимальности в этом случае также будет выполняться
наилучшим образом.
>34

15 30 45 60 Г
рис. 11.12. Зависимость прочности тавровых соеди- ^J^JJE.
«ений а от угла клина у
В рамках сказанного успешное
протекание сварки обусловлено конкуренцией 12г
двух процессов: 1) тепловыделения в
контакте деталей за счет концентрации в этой
зоне динамических напряжений,
обусловленной значительным снижением контакт- 8\-
ной площади; 2) тепловыделения в
контакте волновод — деталь за счет
увеличения в этой зоне в процессе сварки
амплитуды динамической силы, если U
значительно отклоняется от Х/2. Чем больше
второй процесс преобладает над первым, тем
меньше прочность соединения независимо
от способа дозирования ультразвуковой
энергии. Это хорошо подтверждается
данными, приведенными на рис. 11.12, где
показана зависимость прочности тавровых соединений из капро-
лона В на отрыв от угла у при /i = 60 мм @,66Я). Так как эта
длина не соответствует условиям оптимальности, то в зоне
контакта волновод — деталь развиваются динамические силы
тем большие, чем меньше угол у. Тем не менее максимальная
прочность соответствует углу y = 45°, что объясняется
преимущественным тепловыделением на границе контакта деталей за
счет концентрации динамических напряжений.
По мере отклонения угла у от 45° концентрация
динамических напряжений в контакте деталей уменьшается, начинает
превалировать тепловыделение в контакте волновод — деталь,
и прочность сварного соединения уменьшается. При углах
7<45° уровень динамических напряжений в зоне контакта
деталей меньше, чем при Y = 45°-f-70°. Это объясняется, с одной
стороны, тем, что амплитуда динамической силы в случае у<С
<45° меньше в зоне контакта деталей и больше в зоне
контакта волновод — деталь, чем в случае у>45°. Поэтому
прочность более резко падает при у<45°, чем при у>45°. При у<С
<26°30/ процесс происходит с «преимущественным
внедрением» верхней детали в нижнюю, что приводит к еще большему
изменению прочности соединения. Наконец, при у^90°, когда
концентрация напряжений на границе контакта деталей
практически отсутствует, наступает полное перераспределение
температурного поля, причем преимущественное тепловыделение на
границе волновод — деталь происходит уже в самом начале
процесса сварки.
Так, при сварке тавровых соединений из капролона В
(размеры полки—15X15X6 мм, размеры стенки — 60X15X6) на
активной опоре наблюдалось оплавление торца стенки, приле-
5-271
65

гающего к рабочему торцу волновода, без образования
сварного соединения.
Термографирование (рис. 11.13, а) показало, что в этом
случае наибольшие температуры развивались непосредственно
под волноводом, в то время как в области границы раздела
наблюдалось низкотемпературное равновесие. Применение
V-образной разделки кромок торца стенки, соприкасающегося
с границей раздела, позволило сдвинуть область
преимущественного разогрева к этой границе (рис. 11.13,б). Сначала
происходит интенсивный разогрев области границы раздела со
стороны полки тавра вплоть до температуры вязкотекущего
состояния, что сопровождается внедрением стенки в полку под
действием статического давления. Затем преимущественный
разогрев происходит в V-образном выступе, что приводит к его
оплавлению и осадке.
Из сказанного выше вытекает еще одно очень важное
преимущество сварки с разделкой кромок. При сварке без
разделки кромок в отличие от сварки с разделкой невозможно
одновременно выполнить условия A1.25) и A1.28), так как эти
условия противоположны. В этом случае, даже если в начале
процесса сварки будут обеспечены оба условия оптимальности,
к концу процесса следует ожидать разогрева верхней детали
под волноводом и вмятин, образующихся при внедрении
последнего в деталь. Это довольно часто наблюдается на
практике, особенно если процесс сварки проводится не слишком
интенсивно.
Кроме того, сварка с разделкой кромок более способствует
выполнению первого условия оптимальности за счет создания
в зоне контакта деталей максимальных динамических
напряжений при уменьшении площади контакта SK до минимума. Это
подтверждается данными, приведенными на рис. 11.14. Матери-
Рис. 11.13. Термические циклы при сварке тавровых соединений из капроло»
на В с плоским торцом (а) и с V-образным торцом (б); 1, 2, 3 — места рас*
положения термопар
66

0}5Л 0,75Л Л 1,25Л 1,5 Л
Рис. 11.14. Зависимость амплитуды смещения на входе А A), прочности на
отрыв полки от стенки а B) и температуры в V-образном выступе Т C) от
длины верхнего стержня U
ал деталей — капролон В. Соединения тавровые, /3 = 6 мм, Si =
=90 мм2. Размеры выступа 6=6 мм. Режим сварки для
кривых 2 и 3: амплитуда смещения рабочего торца волновода
45 мкм; статическое давление, отнесенное к площади верхней
детали, 9 МПа; дозирование ультразвуковой энергии — по
полной осадке выступа. Угол разделки 7=45°. Кривую 1 на этом
рисунке, иллюстрирующую зависимость амплитуды смещения
на входе в систему от длины верхнего образца, строили для
проверки выполнения первого условия оптимальности.
Измерения амплитуды смещения производили с помощью пьезокера-
мического датчика, который приклеивали в паз, выфрезерован-
ный вблизи входного сечения волновода.
Амплитуда смещения на холостом ходу составляла 35 мкм,
что было ниже значения, необходимого для сварки. Это
позволило проводить замеры без существенного разогрева образцов
и снизить разброс экспериментальных данных. Положение
максимумов и минимумов амплитуды смещения довольно точно
соответствует оптимальным и критическим (/кр = /опт+яУ4)
длинам верхнего образца, найденным по формуле A1.27). Это
свидетельствует о хорошем совпадении теоретических и
экспериментальных данных. Амплитуда смещения довольно резко
падает (приблизительно на 50%) при приближении h к
критическому значению.
Максимумы и минимумы прочности и температуры в зоне
сварки (кривые 2 и 3 соответственно) также хорошо
совпадают с оптимальными и критическими значениями 1\. Однако их
значения уменьшаются с отклонением от /опт в меньшей
степени, чем значение амплитуды смещения. Это подтверждает
предположение о превалирующей роли концентрации напряжений в
зоне сварки.
5*
67

30 I If, MM
Л/2
30 113, MM
Л/2
Рис. 11.15. Зависимость амплитуды смещения А от длины верхнего
стержня /4 при /3=Я/2. Свариваемый материал — поликарбонат. Условия экспери-
• 24 мкм; статическое усилие
мента:
активная опора; амплитуда смещения торца волновода-
Рсг равно 2 кН (О) и 1,2 кН (О)
Заштрихована область, в которой при РСт=1,2кН сварка не
происходила
Рис. 11.16. Зависимость амплитуды смещения А от длины нижнего стержня
/з при /4=Я/2; Рст=2 кН. Заштрихована область, в которой при Рт0 = 1,2 кН
сварка не происходила
На рис. 11.15 и 11.16 приведена зависимость амплитуды
смешения от длины верхнего и нижнего участков стержневой
системы. Из рисунков видно, что ход кривых в обоих случаях
почти одинаков. Минимум амплитуды смещения лежит в районе
длин Я/4.
При Рст=2 кН для стержней из поликарбоната оказалось,
что 52=13 мм2 и /2=2,2 мм. Следовательно, при Si=53=
= 135 мм2 и Я=66,6 мм критические длины верхнего и
нижнего участков будут равны 21,4 мм, что довольно точно
совпадает с положением минимальной амплитуды смещения на
рис. 11.15 и 11.16.
Исследования в поляризованном свете показали, что
пропускание при этих условиях через стержневую систему
ультразвуковых колебаний, когда /1 = /3=А,/2, не приводит к
поглощению энергии в нижнем участке (или она поглощается очень
мало).
Передача энергии в нижний участок еще сильнее
уменьшается за счет увеличения поглощения ее по мере разогрева V-об-
разного выступа. В опытах, проведенных при 1\=21,4 мм и
/з=Я/2 при статическом усилии прижима РСт=1,2 кН, сварка
не происходила (заштрихованная область на рис. 11.15), а при
остальных длинах стержней она не зависела от давления в
области 1,2 кН<Рст<2,0 кН.
68

На рис. 11.17 приведены зависимости времени сварки от
длин верхнего и нижнего участков стержневой системы при
тех же условиях, что и в экспериментах, результаты которых
показаны на рис. 11.15. При /3=А,/2 изменение h приводит
к резкому возрастанию времени сварки в области 1\кр, причем
при малых давлениях (Рст=1,2 кН) сварка вообще не
происходила. Аналогичная зависимость наблюдается и при /i = A,/2»
когда изменяется /3. Так как при /3=У4 амплитуда Л3 в зоне
контакта V-образного выступа с плоскостью нижнего участка
максимальна, то большая часть энергии передается в нижний
участок. При этом сварка не происходит, а размягчение
полимерного материала наступает в том сечении верхнего участка
стержневой системы, в котором возникают наибольшие
динамические напряжения.
Для производства сварки в этом случае делались попытки
[44] применения пассивных опор. Однако опыты оказались
неудачными, так как размягчение полимера происходило не
только в зоне сварки, но и в зоне между торцом нижнего участка
и опорой. Проще всего в этом случае использовать для
получения качественной сварки дополнительный стержень длиной
Я/4 из того же материала, устанавливаемый между активной
опорой и стержневой системой, подлежащей сварке.
Полученные выше результаты важны и для понимания
контактной ультразвуковой сварки пластмасс. Если сравнить
данные, приведенные на рис. IL15 и 11.16, то очевидно, что
амплитуда для стержневой системы /1 = /3=Я/2 совпадает с
амплитудой для системы 1\^%/4, /3=А,/2 и системы /1 = Я/2, 4<У4.
Тогда эта же амплитуда будет иметь место и для системы
/i<cV4, /3<Я/4. Последняя комбинация длин участков
соответствует случаю контактной ультразвуковой сварки. К ней же
Рис. 11.17. Зависимость времени сварки t от длины верхнего стержня h при
k=X/2 (а) и от длины нижнего стержня /3 при li=%/2 (б). Усилие прижима
равно 2 кН (О) и 1,2 кН (О). Заштрихованы области, в которых при Рст=
= 1,2 кН сварка не происходила
69

относится и сварка системы /i<CA,/4, /3=V2, так как в этом
случае волновод находится в непосредственной близости от
зоны сварки.
СВЯЗЬ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛООБРАЗОВАНИЯ
И ДЕФОРМИРОВАНИЯ В ЗОНЕ СВАРКИ
С ПРОЧНОСТЬЮ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ*
Как уже отмечалось, при ультразвуковой сварке
происходит импульсное нагружение полимерных материалов. Это
вызывает дополнительное динамическое или вибрационное
уплотнение, приводящее к тому, что скорость перемещения сварочной
головки гасится тем более интенсивно, чем больше уплотнение
материала. Это значит, что конечная скорость торможения
сварочной головки на стадии динамического деформирования
материала будет тем меньше, чем больше степень уплотнения.
Сам процесс торможения в силу малости времени
динамического воздействия в пределах одного импульса нагружения можно
представить равнозамедленным. Таким образом, при
достижении максимальной степени уплотнения конечная скорость
перемещения сварочной головки в каждом импульсе нагружения
стремится к нулю. Начиная с момента образования вязкотеку-
чих прослоек, сопротивление материала перемещению сварочной
головки уменьшается, вследствие чего конечная скорость ее
будет возрастать от цикла к циклу. Можно показать, что для
уплотняющихся материалов типа волокнистых композиций,
искусственных кож и мягких пластмасс такой процесс
деформирования описывается выражением
s=eim(l-e"Ti) + E2t + e3meXl^<^. (II.29)
Первый член выражения A1.29) описывает стадию
виброуплотнения материала, причем вц» — максимальная деформация
уплотнения, а т — константа скорости этого процесса.
Второй член описывает стадию установившегося движения с
постоянной скоростью 82, которое в основном обусловлено
перемещением сварочной головки в моменты отрыва рабочего торца
волновода от поверхности материала.
Третий член описывает стадию пластикации, а при
достижении Гпл — выдавливания расплава полимера из зоны сварки.
Исследованиями показано [21], что та или иная стадия
процесса деформирования четко коррелирует со структурными
изменениями и температурой в зоне сварки.
На рис. 11.18 приведены термодеформационные циклы при
ультразвуковом воздействии на различные синтетические ткани
для одного интенсивного режима (Л = 60 мкм, РСт = 21 МПа).
* Исследования проводились при участии Р. М. Яматова.
70

Участок / термодеформационного цикла характеризуется
неустановившейся деформацией, когда скорость деформирования
уменьшается, стремясь к некоторому постоянному значению*
Здесь происходит переход полимеров в высокоэластическое
состояние, однако эффекты, вызываемые нагревом, малы и
обратимы. Так, отмечается некоторая (в пределах 7—10°) разори-
ентация макромолекул в цепях полимеров и небольшой рост
(на 5—10 А) размеров кристаллитов. Это свидетельствует о
том, что деформация материала происходит не за счет
деформации волокон, контактирующих друг с другом, а за счет их
уплотнения в тканях под действием статической и динамической
составляющих.
Происходящие структурные изменения незначительны,
обратимы и, по-видимому, обусловлены температурным фактором,
так как температуры, развивающиеся в тканях на данном
участке, соответствуют температурам первой стадии отжига при
обычном нагреве [37], которую иногда называют областью
предплавления.
По некоторым данным [28], эти температуры также
соответствуют температурам, при которых эффективно происходят
процессы ориентации и кристаллизации. Однако для нашего
случая, когда интенсивность нагрева велика, эти процессы не
являются устойчивыми, так как продолжительность пребывания при
этих температурах мала. За такое короткое время не успевает
пройти сколько-нибудь заметная кристаллизация, в результате
которой могло бы закрепиться ориентированное состояние^.
Температура в образце продолжает расти, и процессы тепловой
разориентации макромолекул превалируют над процессами
роста упорядоченности структуры полимеров.
На участке II отмечается незначительное увеличение
температур и деформаций (в среднем на 2%) по сравнению с
температурами и деформациями, соответствующими окончанию
первых участков деформационных кривых для различных
синтетических тканей. Скорость деформирования постоянна и тем
больше, чем больше интенсивность режимов УЗ-воздействия. Одна-
Рис. 11.18.
Термодеформационные циклы при
воздействии ультразвука на ткань
из капрона толщиной 1,6 мм.
Режим - сварки:
А=60 мкм; РСт=2{ МПа;
— расчетные значения
деформации; О —
экспериментальные значения деформации;
1—3 — места расположения тер*
мопар
71

ко структурные изменения на данной стадии становятся более
заметными. Этот участок характеризуется значительной разори-
ентацией макромолекул в депях полимера и увеличением
размеров кристаллитов. Температуры разогрева к концу // участка
соответствуют температурам начала плавления
кристаллической фазы волокоц рассмотренных синтетических тканей.
На участке // термодеформационных циклов развиваемые
температуры лежат в области резко выраженных необратимых
процессов изменения структуры полимеров, обусловленных
предплавлением и плавлением элементарных структурных
единиц— ламелей и фибрилл, началом перехода полимеров из
высокоэластического состояния в вязкотекучее. При этом
начинается процесс разрушения исходной структуры полимеров,
обусловленный переходом полимерных материалов из
высокоэластического состояния в вязкотекучее и плавлением кристаллитов.
Участок /// термодеформационных циклов характеризуется
плавлением полимеров (кристаллических). Поскольку
плавление полимеров происходит в определенном температурном
интервале и в каждый момент времени структура полимеров
претерпевает значительные изменения, участок /// целесообразно
разбить на два равных по времени подучастка для оценки
происходящих изменений.
При этом на первом подучастке данной стадии довольно
быстро растут температуры в зонах материалов, прилегающих
к волноводу и опоре. Продолжают возрастать разориентация
макромолекул и размеры кристаллитов. Последнее связано с
продолжающимся процессом плавления кристаллитов, которые,
расплавляясь, рекристаллизуются на нерасплавившихся
кристаллитах в менее нагретых участках волокон тканей, где
температура пока еще не достигла значений температуры
плавления. Кроме того, как уже отмечалось, плавление представляет
собой не резкий переход, а происходит в некотором
температурном интервале, что связано с наличием совершенных
кристаллитов и метастабильных кристаллических форм, имеющих
более низкие значения температуры плавления [42, 43].
К особенностям второго подучастка данной стадии следует
отнести: выравнивание температур по толщине тканей,
увеличение скорости деформирования кристаллитов и объема
расплавленных кристаллитов материалов. Здесь осуществляется
переход в состояние вязкотекучести всего объема полимера,
находящегося в зоне сварки. Характерным является также
уменьшение размеров кристаллитов и углов разориентации к концу
участка ///, связанное с разрушением исходной структуры
полимеров в процессе их плавления. На кривых деформирования
наблюдается перегиб, юбусловленный началом процесса течения
материала. При этом под действием напряжений, вызванных
статическим давлением, а также динамическими воздействиями
ультразвуковых колебаний, происходит процесс
перегруппировки молекулярных цепей, который имеет определенную скорость
72

и направленность в сторону образования участков,
ориентированных в предпочтительном направлении. Таким направлением
является зона с наименьшим сопротивлением
(перпендикулярная линии ввода ультразвука в плоскости образца), куда и
вытесняется расплав полимера. При этом вследствие интенсивного
перемешивания расплава под действием УЗ-колебаний
увеличивается вероятность разрушения пачек, неблагоприятно
ориентированных по отношению к оси течения. На данной стадии
возможно осуществление первичного структурообразования и
улучшение упорядоченности системы в поле продольного градиента
скоростей движения.
Участок IV характеризуется резким возрастанием скорости
деформирования материалов. При этом кривые
деформирования представляют собой почти вертикальные линии,
соответствующие так называемому истиннЪму течению. Под действием
УЗ-колебаний в режиме циклического нагружения происходит
накопление разрывов в местах концентрации напряжений
(расплав полимеров), увеличиваются напряжения сдвига и
наступает предел устойчивости исходной структуры. Процесс течения
расплава из зоны ввода Ультразвука приводит к разделению
полимерных материалов на части (ультразвуковая резка). При
этом в направлении течения расплава протекают эффективные
ориентационные процессы — макромолекулы ориентируются
вдоль направления потока, происходит разрушение исходной
надмолекулярной организации и образуется новая структура,
характерная для улучшенного по сравнению с исходным
ориентированного состояния.
После выдавливания из зоны резки расплав, находящийся в
активированном состоянии, начинает затвердевать, а его
остывание приводит к кристаллизации на более холодных участках
волокон ткани, примыкающих к линии реза. В результате
образуется сварное соединение волокон по кромке реза при резке
синтетических тканей.
Как следует из приведенного анализа термодеформационных
процессов, существует четкая корреляция между температурой,
соответствующей концу участка, и температурой плавления.
Для большинства синтетических волокнистых материалов эти
соотношения имеют следующий вид:
Участок / е7«0,865епл, A1.30)
Участок Я е7/ « 1,02Эпл, A1.30')
Участок /// 9777 «1,1756пл, A1.30")
где е^==Гг— Т0.
Показано также, что для всех стадий
термодеформационного цикла независимо от режима сварки между деформацией и
температурой в зоне сварки справедливо соотношение
вв-* = с, A1.31)
где показатель степени п и постоянная С, зависят от природы
73

Рис. 11.19. Кинетика деформирования
различных материалов при
ультразвуковой сварке (а — волокнистые
материалы; б — жесткие пластмассы; в — мягкие
пластмассы, искусственные кожи) и
временное изменение прочности сг сварных
1 соединений (схема)
и структуры материала. Для большинства синтетических тканей
технического назначения п к С не зависят от природы ткани и
могут быть приняты равными: я = 0,5 для первых двух
участков и п=2 для третьего участка термодеформационных циклов;
С = B,74-2,8) ЗДшГ'МО-5 (Е—модуль упругости при сжатии в
МПа).
Так как температура сварки есть величина постоянная, то,
как следует из выражения A1.31), величина деформации,
соответствующей окончанию процесса ультразвуковой сварки,
также постоянна. На этом свойстве основан упоминавшийся ранее
способ сварки по фиксированной осадке. При этом, очевидно,
должна фиксироваться относительная деформация материала.
Поэтому устройство управления таким способом ,сварки должно
осуществлять автоматическое запоминание исходного
положения сварочной головки перед включением ультразвуковых
колебаний, а также содержать блок масштабирования для отсчета
относительной деформации.
Выражения A1.30) и A1.31) позволяют рассчитать
относительную деформацию, соответствующую окончанию процесса
сварки по «фиксированной осадке». Этот момент, очевидно,
совпадает с концом третьего участка термодеформационного цикла
(в///=1,175, я=2). Так, для капроновых тканей (?=5000 МПа)
найдем, что е/// = 0,186. Для лавсановой ткани (?=10 000 МПа)
фиксированная осадка составит в///=0,371, а следовательно,
толщина шва (при суммарной толщине ткани 1,74 мм) будет
бш=1,1 мм, что хорошо совпадает с данными,по шовной сварке
этой ткани (см. гл. III).
Следует отметить, что наличие всех трех стадий
деформирования характерно только для уплотняющихся, например
волокнистых, материалов (рис. 11.19, а). Если материал не уплотняется, то
кривая деформирования содержит только участки,
соответствующие второй и третьей стадиям (рис. 11.19,б), что справедливо
74

для жестких пластмасс. Как видно из схематического
сопоставления кривых деформирования и прочности сварных
соединений, показанного на рис. 11.19, в этих случаях моменту сварки
соответствует момент, когда ускорение деформирования меняет
знак с отрицательного на положительный или когда появляется
ускорение .положительного знака. Это легло в основу
разработанных авторами способов и устройств для УЗС с управлением
процессом по изменению знака ускорения деформирования.
В отдельных случаях при сварке материалов, имеющих
повышенную склонность к пластификации под действием
ультразвука, например при сварке искусственных кож между собой
или с подложками из поливинилхлорида и прослойками из
пенополиуретана, кривая деформирования имеет только третий
участок (рис. 11.19, в). Для таких материалов максимальной
прочности сварных соединений соответствует момент
достижения толщины шва, равной 0,7—0,9 от исходной толщины
полимеров. На этом основан способ ультразвуковой сварки с
фиксацией заданной толщины шва.
ОБЪЕМНОЕ РАЗВИТИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
Однозначных представлений о явлениях, протекающих на
этапе объемного развития взаимодействий при сварке
пластмасс, пока еще нет. Некоторые исследователи [38, 39] считают,
что решающую роль при этом играют диффузионные процессы.
Для получения соединения необходимо, чтобы при
соприкосновении двух поверхностей вещества происходила достаточно
полная их коалесценция (слияние). Полная коалесценция двух
слоев жидкости происходит при непосредственном контакте их
и сопровождается исчезновением границы раздела между ними.
В случае соединения полимеров одного контакта для коалесцен-
ции недостаточно, так как должно еще произойти структурооб-
разование в зоне контакта, которое может быть достигнуто за
счет взаимной диффузии макромолекул или отдельных
сегментов. Перемещению сегментов препятствуют их связи с
макромолекулами, поэтому диффузия сегментов вызывает некоторое
изменение конфигурации цепной молекулы. В результате этого
большое число последовательных перемещений сегментов будет
приводить не только к изменению формы .макромолекул, но и
к смещению их центров тяжести, т. е. к «блужданию»
макромолекул в массе полимера. Перемещение сегментов и
макромолекул в.целом получило название «микроброуновского» и «макро*
броуновского» движения соответственно.
Перемещение макромолекул в целом особенно легко может
происходить, если контакт слоев полимера осуществляется при
температуре выше темпера'туры течения. В этом случае в зоне
контакта сравнительно легко возникает структура, характерная
для полимера. Диффузия отдельных сегментов макромолекул
75

может происходить и при температурах, отвечающих
высокоэластическому состоянию полимера, при этом перемещение
молекулы в целом затруднено. При таких температурах степень
коалесценции меньше единицы (максимальная степень
коалесценции равна единице и наблюдается только у жидкостей).
Уменьшение степени коалесценции объясняется тем, что после
перемещения сегментов на определенную глубину диффузия
прекращается из-за напряжений, возникающих в молекулярных
цепях.
Доказательством диффузионного характера процесса сварки
может служить то обстоятельство, что все меры,
способствующие тепловому движению (повышение давления и температуры,
введение пластификаторов и т. д.), вызывают и увеличение
прочности сварного соединения и, наоборот, факторы,
замедляющие диффузию, снижают прочность. Кроме того,
зависимость прочности сварных соединений от продолжительности и
температуры сварки имеет экспоненциальный характер,
присущий обычно диффузионным процессам.
Подсчеты по уравнению Эйнштейна [39] показали, что
скорость диффузии для различных материалов различна и
составляет около 3—4 нм/с. Согласно расчетам, проведенным
авторами, достаточно взаимного проникновения молекул на глубину
всего лишь 10—30 А, чтобы площадь молекулярного контакта,
а следовательно, и прочность соединения, достигли
значительной величины. Это подтверждается исследованиями,
проведенными различными методами (метод меченых атомов, метод
микроскопии в ультрафиолетовых лучах и электронная
микроскопия) [38]. Эти методы позволили сделать вывод, что возможен
такой подбор пар материалов (так называемых совместимых
полимеров), при котором диффузия проходит до полного
растворения компонентов.
В последние годы получен ряд новых результатов в
исследованиях процессов объемного развития взаимодействий при
сварке термопластов, которые ставят под сомнение некоторые
выводы диффузионной теории [5—7]. Так, показано ?7], что
экспоненциальный характер зависимости прочности сварных
соединений от продолжительности и температуры сварки,
характерный для диффузионных процессов, наблюдается только в
интервале температур высокоэластичности. При сварке в интервале
температур, соответствующих вязкотекучему состоянию,
увеличение температуры и времени сварки не приводило к
увеличению прочности. Наоборот, наблюдалось снижение прочности из-
за механического воздействия сварочных инструментов на
расплав полимера.
Представляется также маловероятным, что высокая скорость
ультразвуковой сварки (обычно несколько секунд) может быть
обусловлена только диффузией. Коэффициенты диффузии
полимерных материалов низки и даже для совместимых полимеров
не превышают Ю-14—Ю-13 см2/с, поэтому время диффузии на
76

необходимую глубину должно исчисляться десятками минут
[7]. Кроме того, следует учитывать, что процессу диффузии
неизбежно препятствуют воздушные прослойки и загрязнения
поверхностных слоев свариваемых материалов, поэтому время
проникновения еще более увеличивается. Наконец, следует
иметь в виду, что коэффициент диффузии не остается
постоянным, а непрерывно снижается, так как по мере проникновения
участков макромолекул через границу раздела возрастает их
торможение.
В свете указанных противоречий представляет интерес
другая точка зрения, развитая в работах [5, 7], (где основная роль
на стадии развития объемных взаимодействий отводится
процессам перемешивания вязкого расплава. Высказывается
предположение, что перемешивание материала, находящегося в вяз-
котекучем состоянии, при ультразвуковой сварке может быть
вызвано «насосным» действием поверхности движущегося
излучателя— волновода. При движении вперед излучатель
отталкивает полимер, а при движении назад не полностью ^увлекает
его за собой. Благодаря этому в область разрежения,
образующуюся на границе раздела деталей, притекают новые частицы
полимера, которые вовлекаются в движение при следующем
ходе поверхности излучателя вперед. Это приводит к
перемешиванию тем более интенсивному, чем меньше вязкость
размягченного полимерного материала, т. е. чем выше температура.
Наиболее полно концепция перемешивания разработана в
работе [7]. Считается, что в первую очередь при контакте
расплавленных поверхностей напряжения, создаваемые усилием
прижима (а при ультразвуковой сварке и динамические
напряжения), вызывают сдвиг слоев расплава. При сдвиге
происходит удаление из зоны соединения воздушной прослойки и
других инородных включений, а расплав выдавливается из зоны
сварки, что свидетельствует о получении высококачественного
сварного соединения. Скорость сдвига в различных участках
контактирующих поверхностей может различаться из-за
неравномерности распределения температур и напряжений. Все это
может привести к перемешиванию расплава в контактирующих
объемах, что особенно вероятно в случаях сварки с
использованием высокочастотных механических (ультразвуковая
сварка) или электрических (сварка ТВЧ) колебаний.
Явление перемешивания вязкотекучего материала в зоне
сварки подтверждено экспериментально [7] при изучении
процесса термоконтактной сварки полимеров. По-видимому, для
макрообъемов вязкотекучего материала при сварке характерен
процесс перемешивания, а для микрообъемов — процесс
диффузии.
При исследовании сварных образцов из полистирола и
полистирола с оргстеклом было установлено, что при
ультразвуковой сварке термопластов могут происходить химические
превращения материала, а также образование блок- и привитого со-
77

полимеров — при сварке разных термопластов с близкими
температурами плавления. Химические превращения,
протекающие вследствие высоких температур в зоне контакта,
способствуют повышению прочности сварных соединений.
Таким образом, из изложенного анализа следует, что
механизм процессов развития объемного взаимодействия зависит от
температуры в зоне сварки.
Если сварка проводится в интервале температур высоко-
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 по надмолекулярной структуре.
Если сварка проводится в интервале температур вязкотеку-
чести (сварка плавлением), преимущественным 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.
В связи с тем, что сварка плавлением на заключительном:
этапе связана с течением расплава, предложено [7] оценивать
свариваемость пластмасс по таким характеристикам, как
энергия активации вязкого течения, температурный интервал вязко-
текучего состояния и вязкость расплава. В свете этих
представлений становится очевидным, что чем меньше энергия
активации вязкого течения и вязкость расплава и чем больше
температурный интервал вязкотекучести, тем более вероятно
образование высококачественного сварного соединения. По этим
реологическим свойствам пластмассы могут быть разделены
натри группы.
К первой группе можно отнести неориентированные
термопласты, характеризующиеся следующими реологическими
свойствами: энергия активации вязкого течения значительно
меньше, чем энергия химической связи, и не превышает 150 кДж/
/моль; температурный интервал вязкотекучего состояния (Гр—
Гт) превышает 50 К; вязкость расплава находится в диапазоне
105 Па-с. Такие термопласты при нагреве переходят в
вязкотекучее состояние без термодеструкции; вязкотекучее состояние
сохраняется в достаточно широком интервале температур;
вязкость расплава такова, что при незначительных усилиях может
быть обеспечена быстрая и полная его коалесценция. Эти
термопласты должны хорошо свариваться плавлением с помощью
различных методов сварки в широком интервале режимов.
Наиболее типичные представители этой группы термопластов —
полиолефины.
78

Ко второй группе можно отнести ориентированные
термопласты с указанными выше реологическими свойствами;
неориентированные и ориентированные термопласты с высокой
энергией активации вязкого течения (близкой к энергии химической
связи); термопласты с узким интервалом между температурой
текучести и температурой разложения (менее 50 К) и
сравнительно высокой вязкостью расплавов.
Для термопластов с высокой энергией активации вязкого
течения существует опасность деструкции при нагреве до вяз-
котекучего состояния; термопласты с узким температурным
интервалом между Тр и Тт могут разлагаться при
незначительном перегреве; для ориентированных термопластов при нагреве
до вязкотекучего состояния неизбежно нарушение
ориентированной структуры, обеспечивающей прочность материала; для
термопластов с высокой вязкостью расплавов трудно
обеспечить полную коалесценцию и перемешивание расплава.
Такие термопласты могут свариваться плавлением только
при некоторых обязательных условиях. Для ориентированных
материалов и материалов с узким интервалом между Тр и Тт
сварка плавлением не должна вызывать дезориентацию и
деструкцию материала, что возможно только при условии
быстрого и локального нагрева до температуры текучести
свариваемых поверхностей без проплавления материала по толщине.
Что касается термопластов с вязкостью расплавов выше
105 Па-с, то сварка их .плавлением может оказаться возможной
только при условии снижения вязкости расплава в процессе
сварки.
Следовательно, для обеспечения возможности сварки
'плавлением термопластов, принадлежащих к этой группе, необходимо
в каждом отдельном случае изыскивать оптимальные способы
и технологические приемы их сварки. Эта труппа термопластов
наиболее обширна. К ней могут быть отнесены поливинилхло-
рид, поливинилиденхлорид, пентапласт, полиэтилентерефталат,
поликарбонат, некоторые фторлокы и ряд других термопластов.
К третьей группе следует отнести термопласты, энергия
активации вязкого течения которых превышает энергию
химической связи, а также термопласты, вязкость расплава которых
составляет 1011—1012 Па-с. Эти термопласты практически не
могут быть переведены в вязкотекучее состояние,
следовательно, возможность их сварки плавлением исключена.

ГЛАВА HI
ТЕХНОЛОГИЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СВАРКИ
ПЛАСТМАСС
ПАРАМЕТРЫ РЕЖИМА УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СВАРКИ
ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Параметры режима сварки принято делить на основные и
дополнительные. Такое деление целесообразно провести и для
ультразвуковой сварки пластмасс. К основным параметрам в
этом случае следует отнести те, которые непосредственно
влияют на количество механической энергии, подводимой к
свариваемым материалам и превращаемой в тепловую энергию.
Такими параметрами являются: амплитуда колебаний рабочего
торца волновода А Aмкм), частота колебаний / (кГц),
продолжительность ультразвукового импульса tCB (с) или (в случае
шовной сварки)—скорость сварки V (м/с) и сварочное
давление РСт (Па) или усилие прижатия F (Н) волновода к
материалу.
В случаях, когда дозирование подводимой механической
энергии осуществляется по специальным схемам, например при
сварке с «фиксированным зазором» или «фиксированной
осадкой», величина зазора или допустимой осадки могут также
считаться основными параметрами. При сварке с предварительным
Л сопутствующим подогревом или охлаждением свариваемых
деталей температуру подогрева или охлаждения также следует
отнести к основным параметрам, .поскольку при этом меняются
теплофизиче'ские и релаксационные характеристики материала,
рлияющие на интенсивность преобразования механической
энергии в тепловую.
К дополнительным параметрам режима при ультразвуковой
сварке относятся параметры, с помощью которых можно
регулировать непроизводительные затраты энергии (энергию
механических колебаний, безвозвратно теряющуюся в опоре или
станине ультразвуковой сварочной машины, или теплоту,
уходящую из сварочной зоны вследствие теплоотвода в холодные
ролновод и опору). К дополнительным параметрам относятся, в
частности, размеры, форма и материал опоры и волновода,
материал теплоизоляционных прокладок, температура
предварительного подогрева волновода и т. д.
В последние годы успешно разрабатываются расчетные
методы [40] определения основных параметров режима
ультразвуковой сварки пластмасс и синтетических тканей. Однако, так
как оптимальный режим сварки зависит от ряда факторов,
таких, как свойства свариваемых материалов, толщина и форма
изделия, состояние контактирующих поверхностей и других,
80

которые порой трудно учесть, значения основных параметров?
уточняются в каждом конкретном случае экспериментально.
В процессе сварки возможны отклонения от оптимального
режима, что может быть вызвано, например, колебаниями
напряжения питающей сети, нагревом волновода, изменением
давления, ,выходом колебательной системы из резонанса и т. д.
В связи с этим важно оценить влияние изменения того или.
иного параметра на прочность сварного соединения.
Правильность выбранного режима оценивают по прочности
сварного соединения. В зависимости от требований,
предъявляемых к сварному изделию, проверяют его герметичность,
деформацию и другие показатели.
Амплитуда смещения
Из формул A1.14) и (П.17) следует, что время разогрева
полимера до температуры размягчения или плавления
кристаллитов обратно пропорционально квадрату амплитуды смещения:
при увеличении амплитуды смещения возрастает энергия, под-
зодимая к свариваемым материалам.
Следует учитывать, что амплитуда рабочего торца
волновода под нагрузкой несколько ниже, чем амплитуда на
холостом ходу. Это обусловлено тем, что при расчете резонансной
длины волновода последний рассматривается как стержень,,
свободный на концах. Неучет характера нагрузки на рабочем
торце волновода приводит к выходу акустической системы из
резонанса, особенно при больших статических давлениях.
Так, было обнаружено, что при малых значениях амплитуды
смещения рабочего торца волновода на холостом ходу разница
между его амплитудой при работе под нагрузкой и амплитудой
колебаний, вводимых в свариваемый материал, незначительна.
При линейном увеличении амплитуды смещения торца
волновода на холостом ходу практически линейно увеличивается и
его амплитуда при работе ,под нагрузкой, причем разница
между этими амплитудами возрастает. Наконец, при амплитуде на
холостом ходу, рав'ной 60—65 мкм, амплитуда при работе под
нагрузкой принимает некоторое постоянное значение (в данном
случае 36 мкм), поэтому стабилизируется и время до начала
плавления кристаллитов.
Амплитуда колебаний, вводимых в материал, а
следовательно, и подводимая механическая энергия, и их распределение
зависят от ряда факторО/В, среди которых наибольшее значение
имеют длина свариваемых деталей, характер опоры, на
которой производится сварка, и статическое давление [41].
Исследование распределения характеристик звукового поля
проводилась в поляризованном свете на стержнях с
поперечным сечением 10X15 мм2 и длиной Я</<5Х/4 или 0,6 мм<
</<А,/4, выполненных из эпоксидной смолы, для которой
Л = 81 мм. В качестве опоры использовались стальная пластина,
6-271
81

активный стержень длиной Я/4, деревянная пластина и
пластина из древесного пластика. Было показано, что при
использовании стальной пластины и стержня длиной Я/4 картины
распределения характеристик звукового поля идентичны, в то
время как при использовании опоры из древесного пластика
звуковое поле смещалось на Я/4. Следовательно, активная опора
и стальная пластина могут рассматриваться как имеющие
жесткую заделку, а пластина из древесного пластика
приближенно соответствует стержню, свободному на конце. При
использовании деревянной пластины в качестве опоры максимальные
значения смещений и напряжений лежат между значениями для
-случаев закрепленного стержня и стержня свободного на
конце. Следовательно, путем .выбора опоры можно сдвигать
максимумы напряжения по длине стержня. Однако следует
учитывать, что деревянная опора обладает малой теплопроводностью
и что на границе между полимерным стержнем и деревянной
опорой возникают значительные динамические напряжения, что
приводит к нежелательному нагреву, размягчению или даже
разрушению стержня в этом месте.
На рис. III.1 показана зависимость амплитуды смещения на
входе в стержень от длины стержня и типа опоры. Так как во
ъсех опытах амплитуда смещения волновода на холостом ходу
и статическое усилие быЛи одни и те же B0 мкм и 1,75 кН
соответственно), то речь идет только о влиянии размеров детали
и вида опоры. Максимальная амплитуда смещения при
условиях, приближенно соответствующих закрепленному на конце
стержню (стальная опора, стержень длиной Я/4), достигается
Л, мкм
Д,мкм
9S КЮ\1,мм
5/4Л
1,ММ
Рис. III.1. Зависимость амплитуды смещения на входе в стержень от его
длины и типа опоры:
/ — стальная пластина и активная опора (/=А,/4); 2 —деревянная пластина; 3 —
резиновая подложка; размеры стержня 10X15 мм; Х=81,05 мм; Рст=1,75 кН; Л0=20 мкм
Рис. II 1.2. Зависимость амплитуды смещения стержня при КК/4 от его
длины и типа опоры:
/ — стальная плита; 2 — активная опора (/=Я/4); 3 —деревянная пластина; 4 — резиновая
подложка
82

при длинах стержня, равных приблизительно 5Я/4. Этот резуль^
тат хорошо согласуется с теорией, если стержень ведет себя
как упругий материал. В экспериментах не наблюдалось
существенного спада амплитуды смещения на входе в стержень,,
если длада стержня не точно соответствовала Я/4. При
использовании опор из древесного пластика зависимость амплитуды
вводимых колебаний от длины стержня была обратной
рассмотренной выше (см. рис. III.1).
Для стержней длиной меньше Я/4 амплитуда на входе при
использовании активных опор была достаточно большой и
уменьшалась только при таких длинах, когда стержень
практически превращался в пластину (рис. III.2, кривые 1 и 2). При
использовании мягких опор из резины вводимая амплитуда
практически не зависела от длины стержня (рис. Ш.2,
кривая 4). В случае опор из дерева амплитуда на входе
значительно уменьшалась с увеличением длины стержня (рис. Ш.2, ,кри-
,вая 3). Большая амплитуда на входе и малая
теплопроводность при сварке на деревянных опорах должны приводить к.
значительному повышению производительности процесса.
Величина амплитуды смещения на входе и ее распределение-
зависят также от площади рабочего торца волновода. Для
точечных волноводов угол рассеяния колебаний может быть
определен из выражения
<р= l,26tyd,
где d — диаметр рабочего торца волновода.
При малых значениях d существенно возрастает рассеяние
ультразвуковой энергии, что приводит к увеличению времени
сварки и уменьшению предельных свариваемых толщин.
Последнее относится к случаю контактной сварки «мягких»
пластмасс. Было показано [6], что оптимальным является диаметр*
рабочего торца, равный 15 мм.
Зависимость прочности сварных соединений от амплитуды
колебаний торца волновода выражается кривой с максимумом,,
соответствующим оптимальному значению амплитуды.
Увеличение амплитуды колебаний по сравнению с оптимальным
значением приводит к сильному разогреву полимера
непосредственно под волноводом, что может сопровождаться деструкцией,,
появлением пузырьков, выпучиваний и выплесков
размягченного материала. После окончания сварки поверхность шва
оказывается неровной, пористой, имеет наплывы и другие
дефекты, в результате чего прочность сварного соединения
понижается. Это объясняется тем, что при больших амплитудах
смещения происходит отрыв торца волновода от поверхности
расположенной под ним детали в моменты отрицательного
давления и удар в момент положительного давления. Сдвиги, отрыв
"и удар были обнаружены лри изучении границы раздела
волновод — полимер с помощью оптической системы по размытости
границы и эллиптическим траекториям точек, прилегающих к ней.
6*
83

Уменьшение амплитуды колебаний по сравнению с
оптимальным значением также приводит к понижению прочности
соединения. В этом случае вводимая механическая энергия
недостаточна для образования сварного соединения или
требуется значительное время сварки, что, как и при повышенных
амплитудах, приводит к разогреву полимера под волноводом
и понижению прочности.
Оптимальная амплитуда -смещения рабочего торца
волновода на холостом ходу обычно составляет 30—50 мкм.
Статическое давление
При помощи давления осуществляется акустический контакт
между поверхностями свариваемых деталей и между деталями
и волноводом. Кроме того, давление является необходимым
условием для протекания процессов объемного взаимодействия
в зоне контакта свариваемых деталей.
Зависимость прочности сварных соединений от статического
давления носит, как правило, экстремальный характер.
Большинство исследователей считают, что низкая прочность при
сварке на небольших статических давлениях связана с
подводом к деталям малой энергии из-за недостаточного контакта.
В этом случае может наблюдаться размягчение и деформация
материала под волноводом вследствие ударного нагружения.
С увеличением давления до определенного предела
увеличивается не только прочность соединения, но и скорость сварки.
Что касается уменьшения прочности с увеличением
давления выше оптимального значения, то по этому вопросу пока
еще нет единого мнения. Было обнаружено понижение
температуры, достигаемой на границе свариваемых деталей, с
увеличением давления. В связи с этим высказано предположение,
что материал не достигает вязкотекучего состояния, поэтому
свариваемость ухудшается. Однако здесь не учитывалась
зависимость температуры перехода в вязтсотекучее состояние от
статического давления.
Большинство исследователей объясняют снижение прочности
с увеличением давления выше оптимального значения
уменьшением амплитуды смещения рабочего торца волновода
вследствие защемления системы и нарушения резонансного режима
работы. При сварке поливинилхлорида изменение усилия
прижима от 0 до ;2,5 кН привело ,[44] к падению амплитуды с 128
до 48 мкм. Аналогичные данные были получены [5, 6] для
точечного и контурного .волноводов, работающих от магнитострик-
ционного преобразователя, и для ножевого волновода,
работающего от ферритового преобразователя.
Особенно сильно амплитуда падает при работе от
ферритового преобразователя, что объясняется высокой добротностью
акустической системы, а также в случае контурных волноводов,
в которых используются изгибные колебания нижнего конуса.
84

При работе от металлического преобразователя с
использованием точечных и ножевых волноводов амплитуда снижается
заметно, а при сварке мягких -пластмасс (полиэтилен,
полипропилен) практически не изменяется. Было (высказано
.предположение, что при сварке мягких пластмасс прочность понижается
не столько за счет уменьшения амплитуды с повышением
давления, сколько за счет увеличения скорости деформации
полимера и уменьшения толщины шва. При очень больших
давлениях в этих случаях может происходить полное перерезание
полимерного материала.
Коэффициент режима и время сварки
Достаточно обширный экспериментальный материал ,[40, 41,
45] «свидетельствует о том, что можно подобрать достаточно
большое количество сочетаний Л, РСт и Д при которых
достигается высококачественное сварное соединение. При этом
изменяется только время сварки. .Если Л, РСт и / доалы, то время
сварки велико, и наоборот. Этот факт указывает на то, что
существует определенный количественный показатель интенсивности
режима ультразвуковой сварки, комплексно учитывающий
вклад Л, РСт и / ,в процесс сварки. Из выражений A1.16) и
A1.17) следует, что таким показателем может являться
произведение A2f{PCr—Л>)т. За единицу измерения интенсивности
режима сварки выберем интенсивность так называемого режима
приведения с амплитудой Лпр, давлением РПр и частотой fnp.
Причем давление РПр принимаем равным А», а ЛПр и /Пр
подбираем таким образом, чтобы /прЛПр=10 мм2с-1. Тогда
безразмерная величина
fA2(PCT — P0)m
Кр— f л 2 /р р \т • A11*1)
будет характеризовать интенсивность режима сварки. Назовем
эту величину коэффициентом режима сварки. Так как при
^ст>Лф дальнейшее изменение давления не приводит к
изменению времени сварки, то при расчете Кр в этом случае
следует ПрИНИМаТЬ Гст = гпр. Введем также приведенную толщину
свариваемого материала бПр=У5я и коэффиц'иент толщины
/Са= (бпр/бооJ. Тогда выражение A1.13) для скорости разогрева
приобретает простой вид:
dT/dt = K6KpFx(T). (III. 2)
Так как при сварке на приведенном режиме деталей с
приведенной суммарной толщиной К&=1 и Кр=1, то скорость
разогрева при этом равна диссипативной функции:
(dT/dt)np=Fz(T). (II 1.3)
85

Из (III.2) и (Ш.З) получаем:
&Т (dT\
d(tKpKb) ~[dt Jnp'
откуда
tKbKp = tnp(T).
Так как время достижения произвольной температуры Т при
произвольном режиме сварки есть величина определенная, то
//Сб/ср = с. (Ш.4>
Физический смысл постоянной С найдем из выражения
A1.17) для времени достижения произвольного значения
приращения температуры 0 = Г—Го в зоне сварки в приведенном
режиме:
о в
С d9 1 С dQ
/np==J ~?Ж=~гЖ) Т(ёГ A1Г5>
о о
Интеграл в выражении (III.5) равен приращению
температуры 0экв в зоне сварки, которая была бы достигнута, если
бы скорость разогрева была постоянной и равной скорости
разогрева в начальный момент времени. Назовем эту величину
эквивалентной температурой:
е
6Экв=|-^|-. (Ш.6)
о
Отсюда следует, что разогрев материала при
ультразвуковой сварке до 0СВ с переменным тепловыделением,
обусловленным изменением свойств материала, эквивалентен разогреву
за то же время до температуры 0ЭКв при постоянной скорости
тепловыделения, равной скорости тепловыделения в начальный
момент времени. Подставляя (III.5) и (Ш.6) в (III.4),
получим:
WP = e3KBAFA@). (Ш.7)
Найденная закономерность указывает на аналогию между
ультразвуковой сваркой .и усталостными испытаниями, если
время сварки трактовать как время усталостного разрушения.
Так как коэффициент режима Кр пропорционален амплитуде
напряжений (Кр~от)9 а время сварки — числу циклов нагру-
жения до разрушения (t~Np), то (III.4) соответствует
известному выражению для кривой усталости Веллера [25]:
omNp~ const.
Если известно время сварки /CBi на каком-либо фиксирован*
ном режиме Кр\ деталей определенной толщ'ины Кб19 то время
сварки /ев на произвольном режиме Кр деталей толщиной Кь
86

(при условии, что волновыми процессами можно пренебречь)
¦определится из выражения
*св—*cbi /C-Jf. • ни. о;
Таким образом, условия (Ш.7) и (III.8) устанавливают факт
подобия термических циклО)В при ультразвуковой сварке,
заключающийся в том, что характер их не изменяется: при
изменении режима сварки и толщины деталей они растягиваются
или сжимаются во времени.
Рассмотрим некоторые экспериментальные данные,
подтверждающие справедливость выражений (IH.7) и (III.8).
В одной из первых работ по ультразвуковой сварке
пластмасс [44] были опубликованы термические циклы сварки
пластин из полиэтилена низкой плотности толщиной 5+5 мм,
полученных при Л=48 мкм, /=20 кГц, РСт>12 МПа. Позже был
получен [6] термический цикл пластин из этого же материала
толщиной 3+3 мм при Л=40 мкм, Рст = 5 МПа и /=21 кГц.
Коэффициент режима, рассчитанный при Ро=0,5 МПа, Рпр=
= 10 МПа и т=1, составляет 4,61 и 1,6 соответственно для
первого и второго ,случая. Однако за счет разницы толщин
деталей (коэффициент толщины составляет 0,157 и 0,436
соответственно) значения произведений /СРД б оказались близкими —
0,723 и 0,697 соответственно. Поэтому следует ожидать
совпадения термических циклов для этих двух случаев, что хорошо
подтверждается их сопоставлением.
Для полиэтилена низкой плотности произведение КрКь^св
является постоянной величиной и составляет в среднем 3,6.
Учитывая, что для этого материала FA@) =25-^30 К, получим, что
эквивалентная температура равна Гэкв=3834-410 К (^экв =
= 9экв+7,о), т. е. находится в температурном интервале
текучести полиэтилена низкой плотности.
Для лавсановых тканей среднее значение /СрКб/св = 5,24.
Учитывая, что для них FA@) =45-f-50 К, получим, что ГЭКв=
= 529-^555 К, т. е. лежит в температурном интервале текучести
полиэтилентерефталата.
Аналогично, для капроновых тканей КрКб ^св = 8,29; FA@) =
= 27-^30 К, а ГЭКв = 516ч-542 К, т. е. лежит в температурном
интервале текучести полиамида 6,6.
На рис. Ш.З приведены зависимости прочности сварных
соединений искусственных кож на сдвиг и расслаивание при раз*
личной схеме укладки образцов (суммарная толщина поливи-
нилхлоридного покрытия 26=1,4 мм, Кб = 8,01). Как видно, и
в этом случае произведение KptCB (Кб—неизменно) не зависит
от режима сварки и определяется только схемой укладки
образцов. При сварке искусственных кож покрытие к покрытию
(см. рис. Ш.З) Др/Св = 0,25—0,3. Учитывая, что для поливинил-
хлорида FA@)^50 К, получим ГЭКв = 396—413 К, т. е. так же,
87

ю—
i° М\
ж
щ
1
г\
>>:
^_\
^^^
6
к
2v
1
1
^ч
%
^
Д/5" 4# 0,Д5" /7,75 0,25 0,35
0,15 0,25 0,35 Kptcft
Рис. II 1.3. Зависимость разрывной нагрузки Q сварных соединений
искусственных кож при сдвиге (У) и расслаивании B) от /СР/св при различных
схемах укладки образцов:
а — покрытие к покрытию; б — покрытие к нетермопластичной основе; в — покрытие к
поливинилхлоридной подложке; /Ср=0,315-*-0,767
Заштрихована область оптимального режима сварки
как и в рассмотренных выше случаях, Уэкв лежит в области
температур текучести.
Из приведенного анализа следует, что для инженерных
расчетов ЭЭкв в формуле (III.7) можно заменить значением
температуры текучести QT = TT—Т0. Тогда йремя сварки может быть
найдено из простого выражения
(Гт— Т0)Ср
ЕщКьКр
(III.9)
где значения теплоемкости С, плотности р, динамического модуля Ei и
тангенса угла механических потерь ц принимаются при комнатной температуре*
Выражение (Ш.9) может быть использовано для
определения параметров режима шовной ультразвуковой сварки, если
учесть зависимость РСт от скорости сварки v (м/с) и зазора Д.
(мм) между рабочим торцом волновода и роликом-опорой:
Рст (У, А) = F (у, Д)/5Т, (ШЛО)
где F(v, A)—усилие, возникающее при прохождении материала в зазоре
между волноводом и опорой; Sr=lh (I и h — длина и ширина рабочего
торца волновода соответственно).
Особенностью шовной сварки является то, что за время
перемещения /п любой точки свариваемого материала под
рабочим торцом волновода температура в этой точке должна
достигать Гсв до выхода материала из контакта с волноводом.
Минимальное значение оставшегося времени to мин контакта
материала с волноводом определяется временем, необходимым для
завершения процессов объемного взаимодействия, приводящих к.
образованию прочного сварного соединения; максимальное зна-
88

чение tо макс определяется временем, за которое могут
произойти перегрев материала, его деструкция или значительное
утонение шва, приводящее к уменьшению прочности. Следовательно,
для получения высококачественного сварного соединения при
шовной сварке должно выполняться условие
^о мин ^ *п —~ *св ^ *о максэ A11.11)
где tn=zl/v.
Подставляя (III.9) и (ШЛО) в неравенство (III.11),
получим выражение, связывающее параметры режима шовной
ультразвуковой сварки:
I (Гт-Г0)Ср
*омин ^ v — E^KbKp (у, А) ^ г°макс' (iii.i^
Экспериментальную проверку применимости полученного
выражения для расчета режимов шовной сварки проводили на
установке УПШ-12, дополнительно оборудованной контрольно-
измерительной аппаратурой.
Методику проверяли применительно к ультразвуковой
сварке технической фильтровальной ткани ТЛФ4 на основе
лавсановых волокон. Толщина ткани 1 мм, средняя толщина
нахлестки под давлением (согласно ГОСТу 12023—66) —1,74 мм.
Тарировка механизма давления и обработка полученных
данных по методу наименьших квадратов показали, что
зависимость (ШЛО) в явном виде может быть представлена
линейной моделью
Рст = 80+103-2,52у — 28,73А/6, (III. 13)
причем минимальное значение зазора составляло АМИн = 0,85 мм,
так как дальнейшее уменьшение приводило к защемлению
ткани, и перемещение ее между волноводом и опорой
прекращалось.
Подставив уравнение (III.13) в уравнение (Ш.9),
рассчитывали время разогрева tp до Гсв в зависимости от v и Д. При
этом время tPi задавали равным 0,58 с, что по данным,
приведенным выше, соответствует времени разогрева до Гсв при
прессовой сварке ткани ТЛФ4 на следующем режиме: Л = 30 мкм,
Рст1=8,0 МПа, /=19,5 кГц.
Результаты расчетов зависимости [t?=f(v, А) для шовной
сварки при Л =30 мкм и /=20,3 кГц показаны на рис. Ш.4. Там
же точками нанесены экспериментальные значения tp ,
определенные по термическим циклам границы раздела свариваемых
тканей. Как видно, наблюдается достаточно хорошая
сходимость экспериментальных и расчетных данных, причем
увеличение зазора и уменьшение скорости сварки приводят к
увеличению tp.
Расчетные значения tp использовали далее для построения,
согласно выражению (III. 12), зависимостей t0=f(v, А),
приведенных на рис. Ш.5, а. Для сопоставления на рис. III.5,6 при-
89

Рис. 111.5. Влияние зазора и скорости сварки на время /0 контакта материа*
ла с волноводом после достижения ТСв (а) и на разрывную нагрузку Q
нахлесточных соединений (б), сваренных по утку ткани; скорость сварки
равна:
7 _ 4- Ю-3 м/с; 2-В- Ю-3 м/с; 3 — 11-10—3 м/с
ведены экспериментальные зависимости разрывной нагрузки
нахлесточных соединений, сваренных по утку ткани, от
величины зазора А.
Из рис. Ш.5 видно, что расчетный диапазон зазоров, в
котором возможно получение сварного соединения, хорошо
совпадает с найденным экспериментально, причем с увеличением
скорости сварки этот диапазон уменьшается. Максимальная
разрывная нагрузка достигается при а=4-10~3 м/с, A=l,l-f-
4-1,25 мм или А» @,6—0,7) 61, чему соответствуют /омин=0,3 с
и /Омакс = 0,9 с (заштрихованная область на рис. Ш.5,а, б).
При г; = 8• 10~3 м/с условие A11.12) будет выполняться
только при А<1 мм, что подтверждается экспериментальными
данными (рис. 111.5,6, кривая 2). Некоторое уменьшение
максимальной разрывной нагрузки объясняется тем, что при г/ =
= 8-10~3 м/с величина зазора оказалась меньше оптимального*
значения, что привело к большему утонению шва, чем при
t; = 4 • 10-*3 м/с.
При повышении скорости сварки до у = 1Ь10 м/с условие
,'A11.12) перестает выполняться (см. рис. Ш.5,а). Кроме того,
величина зазора, при которой может быть достигнуто соедине-
90

ние в этом случае, еще меньше оптимального значения.
Поэтому при у = 1Ы0 м/с максимальная разрывная нагрузка еще
меньше (см. рис. III.5, б, кривая 3), чем в первых двух
случаях.
Таким образом, максимальная разрывная нагрузка
соединений достигается при выполнении условия (III.12) и зазорах,
равных Аопт» @,6^-0,7N.
Как видно из рис. Ш.5, зависимость разрывной нагрузки от
величины зазора носит экстремальный характер.
Для каждого конкретного режима сварки увеличение зазора
выше оптимального значения приводит к уменьшению
разрывной нагрузки, так как при этом не выполняется условие
/о>*омин и процессы объемного взаимодействия не успевают
завершиться. Практически в этом случае из-под волновода
выходит материал, нагретый до температуры плавления
кристаллической фазы, и при снятии статического давления часто
происходит расслаивание соединяемых материалов. Это особенно
характерно для сварки на больших скоростях, а также при
использовании амплитуд смещения рабочего торца волновода
более 30 мкм.
При to = 0 теоретически соединение вообще не должно
происходить, так как материал не успевает разогреться до
температуры сварки.
РАБОЧИЕ ЦИКЛЫ ПРИ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СВАРКЕ
При ультразвуковой сварке рабочий цикл определяется
последовательностью приложения сварочного давления,
включения, прохождения и выключения ультразвукового импульса,
выдержки изделия под давлением и снятия давления. В
процессе сварки сварочное давление может оставаться постоянным
или изменяться.
Цикл сварки во многом определяет прочность сварного
соединения, поэтому цикл сварки при разработке технологии и
машин закладывается в основу выбора принципиальной схемы
механизма давления и включения ультразвуковых колебаний.
Наиболее распространенный цикл ультразвуковой сварки
{статическое давление—ультразвук) представлен на рис. III.6, а.
Статическое давление Рст прикладывается до включения
ультразвуковых колебаний (tn — время предварительного сжатия),
остается постоянным в течение всего сварочного цикла и
снимается с запаздыванием на t3.
Кинетика предварительного сжатия зависит от природы и
свойств свариваемых материалов, геометрии деталей, величины
•статического давления и других факторов. В качестве примера
на рис. III.7 приведены кривые предварительного сжатия,
полученные при сварке искусственных кож с поливинилхлоридным
покрытием. Кривые 1—4 деформирования представляют собой
типичные кривые ползучести с участками неустановившейся и
91

установившейся деформации, причем с увеличением давления
деформация сжатия возрастает. В случае деформирования
пенополиуретана (кривая 5), а также комбинации материалов из
искусственной кожи, слоя ленополиуретана и подложки из
листового поливинилхлорида (кривая 6) эти зависимости носят
более сложный характер. До точки А с координатами А = 6,3 мм,
/п = 0,16 с кривые 5 и 6 сливаются, причем, если перенести
начало координат кривой 1 деформирования искусственных кож,
снятой при том же давлении, что и кривые 5 и 6, то кривая 1
также сливается с кривой 6. Из этого следует, что до момента
времени, соответствующего точке А, деформирование
обусловлено преимущественно сжатием пенополиуретана, а после этого
момента — сжатием искусственной кожи.
Для определения влияния момента tn включения
ультразвуковых колебаний на разрывную нагрузку сварных соединений
производилось включение ультразвуковых колебаний в момент,
соответствующий неустановившейся и установившейся
деформации. Результаты экспериментов приведены в табл. III.1.
Как видно из табл. III.1, независимо от комбинации
свариваемых материалов максимальное значение разрывной
нагрузки соответствует включению ультразвука на стадии
установившейся деформации сжатия. Отметим, что значения разрывной
нагрузки в зависимости от момента tn включения ультразвуков
ст ,
\УЗ уз
t„
Per
_ я* __
tel
а
Peri
U
t,e
[УЗ уз
Per
1
Ьуз _
* Ue *"
6
is
*.c
pct № m
Per 1 /1
*УЗ t3i
tc6
Рк Рет к
M
Ьк
t,c
УЗ
УЗ
ьуз
Ьев
t,C
Рис. III.6. Рабочие циклы при ультразвуковой сварке пластмасс. Пояснения
в тексте
92

рис. Ш.7. Зависимость деформации ежа- а, мм
тия А от времени предварительного
сжатия tn при сварке искусственных кож
(кривые 1—4), пенополиуретана
(кривая 5) и комбинации искусственная кожа +
+пенополиуретан+листовой поливинилхло-
рид F). Статическое давление равно:
1 — 2 МПа; 2 — 3; 3 — 4; 4 — 5; 5 — 2, 6 — 2 МПа
вых колебаний могут изменяться в
пределах 50%. Включение
ультразвука на стадии установившейся
деформации для уплотняющихся
материалов или после окончания
предварительного сжатия для
жестких материалов проще всего
осуществлять по достижении
скоростью сжатия свариваемых
материалов постоянного или нулевого
значения [63]. Для этого до начала
процесса сварки регистрируют де-_
формацию сжатия свариваемых
материалов в виде электрического сигнала, дифференцируют
последний и при равенстве производной нулю включают
ультразвуковые колебания.
Большое значение для получения высококачественного
сварного соединения имеет охлаждение сварного шва под
давлением в течение времени t3. Так, при сварке полиэтилена низкой
плотности выдержка под давлением в течение 3 с позволяет
повысить прочность сварных соединений на 40—50% [6].
При цикле ультразвук — статическое давление (рис. Ш.6, б)
ультразвуковые колебания включаются до приложения
статического давления. Первоначальное включение ультразвука дает
возможность производить очистку свариваемых поверхностей,
загрязненных различными веществами. В этом случае
сварочное давление прикладывается к изделию постепенно. Касаясь
изделия, волновод сообщает ему механические колебания, тем
самым очищая поверхность прежде, чем наступает сварка. По
окончании воздействия ультразвуковых колебаний давление
снимается с запаздыванием на t3.
При сварке по этой схеме используются волноводы, на
рабочей поверхности которых имеется выступ с насечкой.
Внедрением этого выступа с насечкой в расплавленный полимер
производится одновременно сварка изделия с нанесением рисунка
насечки на область сварного шва.
Такой цикл используется для сварки полиэтиленовых
коробок и туб, наполненных жидкостями, имеющими большую
вязкость. При работе в этом цикле регулирование давления
осуществляется с большой точностью.
93

Таблица I ILL Влияние момента tn на прочность
сварных соединений
Прочность (кН/м) на сдвиг (в числителе) и на расслаивание
(в знаменателе)
ик+ик
3,8 8,0
0,3; 2,6
3,2 8,1
0,5; 2,3
2,9 7,9
0,5; 2,8
4,0 8t8
0,46; 2,2
ИКН-ППУ+ПВХ
4,4 7,9
0,7 ; 4,0
5,3 8,0
0,75; 3,7
3,6 7,6
0,85; 3,65
4,6 8,2
0,65; 4,0
Примечания: 1. ИК — искусственная кожа, ППУ — пенополиуретан, ПВХ — по-
ливинилхлорид. 2. Сварка образцов проводилась при Л =20 мкм; /=19 кГц. 3. В каждой
графе первая дробь соответствует включению ультразвука в момент неустановившейся
деформации, а вторая дробь — в момент установившейся деформации.
Для повышения прочности сварного соединения в некоторых
случаях необходимо непосредственно после выключения
ультразвуковых колебаний повышать давление (рис. III.6, в).
Повышенное давление Рк (ковочное усилие) должно следовать за
выключением ультразвуковых колебаний через небольшой,
строго контролируемый интервал времени /Зк. При чрезмерно
большом t3K применение проковки нежелательно, так как
свариваемый материал успевает остыть до ее начала. При очень
малом t3K возможно выдавливание расплавленного материала
из-под волновода под действием значительного ковочного
усиления Рк. В этом случае возможны выплески и прожоги
полимера. Такой цикл часто используется, когда необходимо
получить герметичный шов на объемных деталях, выполненных из
ударопрочного полистирола. При этом применяются
специальные разделки шва в виде замковых, клиновидных канавок, где
предусмотрены допуски на растекание расплавленного
полимера.
На рис. III.6, г показан нежелательный вариант
рассмотренного цикла ультразвуковой сварки, при котором выключение
ультразвуковых колебаний происходит при предварительно
снятом сварочном давлении. Предварительное снятие
сварочного давления при включенном ультразвуке и подъем сварочного
узла от свариваемой поверхности ведет к ухудшению качества
соединения, значительному вспучиванию привариваемой
поверхности (сварной шов в некоторых случаях имеет гофры).
В последнее время в'се больше внимания уделяется
разработке рабочих циклов сварки с изменением параметров режима.
Как уже отмечалось, с точки зрения образования качественного
сварного соединения полимерных материалов достаточно обес-
94

печить разогрев контактных поверхностей свариваемых деталей
до температур вязкотекучести Твт в случае аморфных
полимеров или до температур плавления Тпл кристаллической фазы в
случае частично кристаллических полимеров, после
достижения которых интенсивно протекают процессы объемного
взаимодействия. Так как последние протекают во времени, то при
выключении ультразвука после достижения Гвт или Тпл сварное
соединение не будет образовываться. В лучшем случае в этот
момент будет наблюдаться незначительное схватывание.
Поэтому приходится продолжать ввод ультразвуковых колебаний,
что приводит к ряду нежелательных последствий: во-первых,
температура на границе раздела деталей продолжает
/повышаться и может превысить температуру деструкции полимера;
во-вторых, интенсивно растет деформация материала,
приводящая к его утонению, вплоть до разрезания, что уменьшает
разрывную нагрузку сварного соединения.
Из выражения (III.9) вытекают пути активного управления
процессом с целью стабилизации температуры вблизи
заданного значения, немного превышающего Гвт или ГПл. Такое
управление может заключаться в уменьшении коэффициента режима
за счет уменьшения к концу процесса сварки амплитуды
смещения рабочего торца волновода |[59] либо за счет уменьшения
или даже полного снятия статического давления при
сохранении неизменным положения сварочной головки относительно
опоры [62]. Это не приведет к остановке процесса, так как
восстановлению материала до исходной толщины препятствует
колеблющийся волновод. Такой цикл можно использовать для
односторонней и двусторонней сварки, когда требуется
формирование расплава в профильный сварной шов.
СВАРКА ПОЛИМЕРНЫХ ПЛЕНОК
Общие закономерности и рекомендации
Для соединения полимерных пленок в настоящее время
применяются различные методы сварки: газовыми
теплоносителями, контактно-тепловая, токами высокой частоты,
инфракрасным излучением и ультразвуковая. Однако в случае сварки по
загрязненным поверхностям все указанные методы сварки,
кроме ультразвуковой, не обеспечивают получения качественного
соединения и надежной герметизации упаковываемого
продукта. Возможность ультразвуковой сварки по загрязненным
поверхностям обусловлена тем, что загрязнения под действием
ультразвуковых колебаний устраняются из сварочной зоны.
Вероятно, удалению загрязнений способствуют поперечные
волны, распространяющиеся от зоны сварки.
Для сварки полимерных пленок может применяться ручная
сварка (сварка скользящим инструментом i[9]) и непрерывная
механизированная сварка. Шовно-шаговая сварка обеспечивает
95

26 2а За
Ш:
ftr
—ш—
26 36 36 16
28-
26-
2а1
1
г-3& 1а
: i
За
16
\зг /г»
i §..
36 16
3d 1д
Рис. II 1.8. Сварные соединения полимерных пленок:
<а — нахлесточное, работающее на сдвиг; б — Т-образное, работающее на расслаивание;
& — Т-образное с накладкой. Пояснения в тексте
небольшую производительность процесса, поэтому основное
внимание уделяется исследованию шовной сварки на протяг и на
вращающемся ролике. При этом, как правило, сварка
выполняется с фиксированным зазором. Однако в случае сварки пленок,
имеющих в исходном состоянии разнотолщинность, с чем
довольно часто приходится сталкиваться на практике, сварка по
последней схеме приводит к появлению брака. Это объясняется
тем, что в местах, где суммарная толщина пленок оказывается
меньше номинальной толщины, исходя из которой был
установлен зазор между рабочим торцом волновода и опорой,
образуется непровар, а в местах с большей суммарной толщиной —
прожог свариваемой пленки. Поэтому наиболее перспективной
следует считать шовную сварку на вращающемся ролике с
постоянным давлением. Сварные соединения полимерных пленок
(рис. III.8) делятся на нахлесточные, работающие на сдвиг,
и Т-образные, работающие на расслаивание (последние могут
Рис. Ш.9. Характер распределения напряжений в сварных соединениях:
а — нахлесточных; б — Т-образных
96

выполняться с накладкой). Прочность этих соединений при
использовании оптимальных режимов сварки определяется
главным образом характером распределения напряжений при
работе соединения и свойствами полимерного материала. Характер
распределения напряжений в сварных швах приведен на рис.
II 1.9, причем коэффициенты концентрации напряжений в
различных точках сварного соединения (см. рис. Ш.8) равны {46]:
Соединения Коэффициент концентрации напряжений в точках
1а \б 2а 26 За 36
Нахлесточные 1,0 1,0 0,4 0,4 1,3 1,4
Т-образные 1,0 1,0 1,8 1,1 1,2 1,4
Как видно из приведенных данных, у нахлесточных
соединений наиболее опасным является сечение III—III, так как здесь
напряжения распределены неравномерно, причем шов является
концентратором напряжений, а околошовная зона —опасным
сечением. Поэтому разрушение нахлесточных сварных
соединений в основном происходит по околошовной зоне и начинается
у точки 36. У Т-образных соединений наиболее опасным
является II—III, находящееся в сложнонапряженном состоянии.
Значение коэффициентов концентрации напряжений для этих
соединений значительно больше, чем для нахлесточных, что и
обусловливает их пониженную прочность.
Установленный характер распределения напряжений
позволил сделать вывод '[46], что для пленок из полимеров,
характеризующихся достаточно большой гибкостью макромолекул,
высокой скоростью изменения их формы и способностью быстро
релаксировать, прочность сварных соединений должна быть
значительно выше, чем для пленок из жесткоцепных и
сильнополярных полимеров, в которых релаксационные процессы
замедлены.
Основной особенностью способа сварки пленок при
постоянном давлении является деформация материала под рабочим
торцом волновода, обусловленная термоползучестью и
выдавливанием пластицированного материала из сварочной зоны. При
Рис. ШЛО. Зависимость относительного
утонения сварного шва б= (/гш//гп) 100%
от скорости сварки Усв (/) (РСТ=80Н,
йп=200 мкм); от статического давления
^ст B) (Уев-0,012 м/с, /гп=200 мкм);
от толщины свариваемых пленок hn C).
Материал — полиэтилен низкой
плотности, Л=30 мкм
7—271
8,%
60
кО
20,
• _
к
AV
С
L
•~
S
?i
. I
\
^-
i
*—А
~^\
^
о
О
6
кО
12 Ум-™3, "/?
80 120Pcr,H
_J L__ I
50 100 hn> MKM
97

а>ФО co=0 0)^0 @*0
а б В 2
h Рис. III. 11. Влияние режима сварки двух
Р^п"М слоев полиэтиленовой пленки толщиной
»* 200 мкм на толщину шва hm при РСт=»
= const. Режим сварки:
а —на. вращающемся ролике; б — на
неподвижном ролике; в — с нижней теплоизоляционной
прокладкой; г — с верхней теплоизоляционной
прокладкой
поддержании заданных давления и
условий сварки наблюдается
явление, названное автостабилизацией
толщины шва [6]. В этом случае
толщина шва остается постоянной
и практически не зависит от
исходной толщины свариваемых пленок
hn в диапазоне тех режимов
сварки, которые изучались авторами.
Это хорошо видно на рис. ШЛО
(кривая 1). Увеличение
статического давления приводит к линейному
уменьшению толщины шва hm (кривая 2), так как при этом
увеличивается объем вытесняемого из зоны сварки материала.
Явление автостабилизации толщины шва, по-видимому,
можно объяснить следующим образом. В процессе термоползучести
и вытеснения пластицированного материала происходит
приближение холодного рабочего торца волновода к зоне
максимального тепловыделения. Это вызывает увеличение теплоотвода
из сварочной зоны. При некотором определенном значении
толщины шва устанавливается динамическое равновесие между
тепловыделением и теплоотводом или даже количество
отводимой теплоты превалирует над количеством теплоты,
выделяющейся вследствие гистерезисных потерь. В результате
температура в сварочной зоне становится ниже температуры вязко-
текучего состояния и дальнейшее утонение шва прекращается.
Значительное влияние теплоотвода на этот процесс
подтверждается также данными, приведенными на рис. III.И.
Наибольшее значение толщины шва получается при сварке на
вращающемся ролике (со^О), так как в этом случае в контакт
с материалом постоянно вступают холодные участки ролика.
При сварке на неподвижной опоре-ролике (со=0) условия
теплоотвода ухудшаются вследствие некоторого разогрева ролика
в точке контакта с материалом, что приводит к уменьшению
толщины шва. Наибольшее утонение происходит при
использовании теплоизоляционных прокладок, помещаемых между
волноводом и пленкой или между пленкой и опорой (рис.
III.11, в,г). Наименьшая толщина достигается в случае,
показанном на рис. Ш.11,г, что свидетельствует о превалирующей
роли в этом процессе теплоотвода в волновод.
98

Рис. II1.12. Срезы швов,
полученных при сварке на вращающемся
ролике с верхней
теплоизоляционной прокладкой
Срезы швов, полученных
при рассмотренных
условиях сварки, показаны на рис.
III.12. Видно, что при
использовании
теплоизоляционных прокладок
происходит практически полное пе-
редавливание свариваемых
пленок, причем по обе стороны от места ввода ультразвуковых
колебаний образуются два автономных сварных соединения за
счет вытесненного из сварочной зоны материала.
Утонение свариваемого материала в зоне шва оказывает
-значительное влияние на прочность сварного соединения. В
случае, когда сварное соединение работает на сдвиг (рис. III.13, а),
лрочность соединения довольно низкая, так как нагрузку
воспринимает значительно ослабленное сечение а—а. Кроме того,
в месте перехода от утолщения к тонкому шву создается
концентрация напряжений [46], что также приводит к ослаблению
сварного соединения. При испытании сварного соединения на
раздир (рис. III.13,б), наоборот, наибольшая прочность
достигается при полном выдавливании материала из зоны ввода
ультразвуковых колебаний, когда образуются два автономных
соединения. При этом нагрузку воспринимает утолщенная часть
соединения, которую некоторые исследователи называют
«сварочной гусеницей». В случае сварки с автостабилизацией
толщины шва нестабильность режима сварки и, в частности,
непостоянство скорости сварки и толщины свариваемых пленок не
оказывают существенного влияния на прочность сварного
соединения. При этом прочность сварного соединения на раздир
(рис. III.13, б) в достаточно широком диапазоне режимов
сварки остается практически неизменной.
Производительность сварки пленок возрастает с
увеличением частоты и амплитуды (причем последняя зависимость носит
Рис. II 1.13. Схема испытания сварных соединений на сдвиг (а) и на
расслаивание (б):
1 — свариваемая пленка; 2 — «сварочная гусеница»
7*
99

квадратичный характер), а также с понижением температуры
вязкотекучего состояния полимера. Что касается влияния
толщины свариваемой пленки на скорость сварки, то здесь следует
учитывать два обстоятельства.
С одной стороны, как это следует из выражений (Ш.9) и
(III.12), с увеличением толщины свариваемой пленки скорость
сварки должна уменьшаться. Однако при этом увеличивается
количество механической энергии, рассеивающейся в
материале, что должно привести к возрастанию скорости сварки. В
результате в некотором диапазоне толщин скорость сварки может
не зависеть от толщины пленки. Действительно, как видно из
рис. III.14, такая зависимость наблюдается при сварке
полиэтиленовой пленки толщиной свыше 150 мкм. Кинетическая
характеристика (здесь — соотношение максимальных значений
амплитуды смещения датчика-опоры при любой толщине
свариваемой пленки и амплитуды смещения при толщине 50 мкм,
т. е. ahjaso) при этих же значениях Ап уменьшается, что
свидетельствует о возрастании поглощения энергии с увеличением
толщины.
С другой стороны, для пленок малой толщины начинает
сказываться теплоотвод в холодные волновод и опору. Это
приводит к необходимости снижения скорости сварки, а при очень
тонких пленках соединение вообще может не образовываться,
так как количество выделяющейся энергии будет равно или
меньше количества отводимой энергии.
\*h
А0,75
чо,5о
-\0,25
' 25 50 75hn,MKM
и Ш 200 /?п, мм
Рис. 111.14. Зависимость времени сварки гСв=/к/1Л?в и кинетической
характеристики алп/а5о от толщины свариваемой пленки hn. Режим сварки:
Л=35 мкм; Яст=80 Н; /к=3 мм — длина пятна контакта волновода с пленкой; ширина
волновода —2 мм; опора — металлизированный пьезокерамический ролик (ЦТС);
материал пленок — полиэтилен низкой плотности
Рис. 111.15. Зависимость коэффициента рассеяния энергии ф системы поли-
этилентерефталатная пленка — опора и коэффициента ввода энергии ал от
толщины пленки
tcb>c
0,3h
0,2h
а50
V\
100%
г \\
' \
^
kO
30
20
10
0}6
о,и
0,2
100

Детальное исследование влияния толщины и материала
полимерных пленок на рассеивание механической энергии при
ультразвуковой сварке проводилось авторами работ [9, 19,
20, 47].
В связи с тем, что прямое измерение значения энергии,
вводимой в пленку при ультразвуковой сварке, не представляется
возможным, был использован метод косвенной ее оценки по
коэффициенту рассеяния механической энергии при ударе i[19,
47].
Для этого определяли коэффициент восстановления при
прямом центральном ударе стального шара о полимерную
пленку, расположенную на массивной металлической подложке.
Энергия, рассеянная за один цикл изменения напряжения,
равна при этом
где т\— масса шара; тг — масса пленки и плиты, на которую укладывается
пленка; К — коэффициент восстановления (K^T/h^hu где hi — высота
падения шара, Ы — высота отскока); v — скорость шара в момент удара.
В качестве критерия свариваемости в работе [47]
предложено отношение А? к максимальной кинетической энергии
падающего шара Е=т&212, названное коэффициентом рассеяния
энергии \|э:
*=-?-=-^г+^гA-*2)- (ШЛ5)
Для оценки относительного уменьшения вводимой энергии
при малых толщинах может быть условно принят коэффициент
ввода энергии, который равен 1[19]
«Л = ^100,
где t|)A — коэффициент рассеяния для пленки толщиной h; фюо—
коэффициент рассеяния для пленки толщиной 100 мкм.
Зависимость коэффициентов рассеяния и ввода энергии от
толщины для полиэтилентерефталатных пленок приведена на
рис. III. 15. Видно, что для пленки толщиной 5 мкм мощность
теплообразования за один цикл нагружения в 15 раз меньше,
чем для пленки толщиной 40 мкм. Такое существенное
уменьшение теплообразования в тонких пленках может
предопределять их пониженную свариваемость (даже без учета явлений
теплоотдачи).
Резкое уменьшение коэффициентов г|) и ан наблюдается, как
это видно из рис. III.15, при толщине пленки менее 50 мкм, что
хорошо согласуется с приведенными выше данными по
изменению кинетической характеристики в полиэтиленовой пленке.
В зависимости от значения коэффициента рассеяния энергии
101

полимерные пленки можно разбить на три группы i[47]: 1)
пленки с большими потерями (г|)>0,81)—из полиэтилена низкой
и высокой плотности; 2) пленки со средними потерями @,4<
<г|)<0,8)—поликарбонатные, полиамидные, полипропиленовые;
3) пленки с малыми потерями (г|)<0,4)—полиэтилентерефта-
латные.
Следует указать, что при сварке скользящим инструментом
большая рассеивающая способность материала пленок
препятствует получению качественных соединений. Это объясняется
увеличением деформации поверхности пленки под волноводом
с ростом г|). Поэтому, например, при сварке полиэтиленовых
пленок их поверхность повреждается настолько сильно, что
сваривать эти материалы скользящим инструментом оказывается
невозможно.
Одним из основных преимуществ ультразвуковой сварки
является возможность соединения ориентированных полимерных
пленок, особенно из ПЭТФ, которые практически не могут
свариваться другими, например, тепловыми методами, так как
длительное воздействие высоких температур приводит к нарушению
молекулярной ориентации и повышению степени
кристалличности, т. е. к потере пленками их ценных свойств. Это
подтверждается сравнением данных измерения молекулярной ориентации
акустическим методом i[43, 48] по изменению скорости звука
в исходном материале и сварных швах, полученных
ультразвуковой и термоимпульсной сваркой. Было показано |[49], что
скорость звука в швах, выполненных термоимпульсной сваркой,
на 37% ниже, чем в исходной пленке, в то время как после
ультразвуковой сварки она понижается на 9 и 11% для пленки
из ПЭТФ толщиной 20 и 40 мкм соответственно.
При сварке полимерных пленок следует обращать внимание
на геометрические размеры и форму заточки рабочего торца
волновода. Оптимальной является [50] заточка типа «отвертки»
с радиусом закругления около 1 мм. При большем радиусе
требуется большое усилие прижима для создания необходимого
статического давления. Сварка может осуществляться как
широкой, так и узкой гранью «отвертки», однако в последнем
случае больше вероятность подрезов материала в околошовной
зоне. Другие авторы [6] считают более целесообразной
сферическую заточку рабочего торца волновода. Такая форма
позволяет производить сварку пленок с наименьшим ослаблением
околошовной зоны и более равномерно передавать усилие
прижатия на свариваемый образец. Применение сферической
заточки позволило, например, повысить прочность при раздире
сварных соединений из полиамидной пленки ПА-4 с 30 до 49%
от прочности основного материала при скорости сварки 0,03 м/с
и амплитуде смещения 30 мкм.
Значительное влияние на свариваемость полимерных пленок
оказывают материал и геометрические размеры опоры, на
которой размещаются пленки. Эксперименты показали i[6], что
102

при использовании в качестве опор пластин толщиной 6<CV4
и при применении полуволновых опор скорость сварки
значительно снижается. Это объясняется тем, что при использовании
активных опор образуется стоячая волна, пучность которой
совпадает с плоскостью контакта свариваемых пленок. Опоры
могут изготавливаться из дуралюмина Д16Т, латуни Л59 и
сплава титана ВТ1. Однако предпочтение следует отдавать опорам
из Ст. 3, так как акустическое сопротивление этой стали
больше отличается от акустического сопротивления свариваемой
пленки, чем сопротивление названных сплавов. Это
обусловливает большую величину энергии, отражающейся от опоры и
возвращающейся в пленки. При сварке на пассивных опорах,
выполненных из дерева или резины, даже на очень малой
скорости перемещения пленки под волноводом (иСв=0,01 м/с)
прочность соединения получается низкой.
Сварка однослойных пленок
Ультразвуковая сварка может быть рекомендована для
соединения поликарбонатных, полипропиленовых, полиамидных и
полиэтилентерефталатных однослойных пленок, для которых
прочность сварных соединений на сдвиг составляет не менее
60% от прочности основного материала. Хуже свариваются
пленки из полиэтилена низкого и высокого давления, для
которых прочность соединений на сдвиг не превышает 25—30% от
прочности основного материала.
Оптимальные режимы сварки однослойных пленок зависят
от мощности, потребляемой сварочной головкой. Применение
сварочных головок большой мощности (до 2 кВт) позволяет
производить ультразвуковую сварку на вращающемся ролике
при повышенных статических давлениях и скорости
перемещения пленки*:
Параметры сварки
Относительная
прочность, %
Саран* v =@,8-2,0). К)-2 м/с; FCT = 40 H 70-80
Полипропилен о= A,1+ 1,3) -Ю-2 м/с; FCT = 30 H 70—80
Полиамид ПА-4 0 = 5-10~2 м/с; Fct = 60 H 30—40
* Пленочный материал на основе винилхлорида и винилиденхлорида.
При использовании маломощных источников питания (до
400 Вт) для предотвращения выхода акустической системы из
* Амплитуда смещения рабочего торца волновода 25—30 мкм; площадь
пятна контакта волновода с пленкой Bн-3)Х1,5 мм2; резонансная частота
колебательной системы 19,5 кГц.
103

Материал пленки

Полипропилен
Полиамид ПА-4
Толщина пленки, мкм
Скорость сварки, м/с
Амплитуда смещения, мкм
Статическое усилие прижима Eк=8мм2),Н
Прочность при раздире, % от прочности
основного материала
при ультразвуковой сварке
при термоимпульсной сварке
30
0,083
30
5,0
57
45
60
0,03-0,05
30-40
8,0
32
8,0
резонанса приходится понижать статическое давление и
соответственно скорость сварки:
Как видно из приведенных данных, прочность соединений
однослойных пленок при ультразвуковой сварке выше, чем при
термоимпульсной. Следует указать, что зависимость прочности
соединения от статического давления при сварке однослойных
пленок имеет четко выраженный максимум, причем увеличение
давления при сохранении скорости сварки в пределах значений,
указанных выше, приводит к понижению прочности за счет
повреждения поверхности пленки.
Весьма перспективным представляется применение
ультразвуковой сварки совместно с термоконтактной для соединения
пленок из фторлона Ф-4, сварка которого затруднена из-за
высокой вязкости расплава. Сварка этого материала
двусторонним контактным нагревом хотя и позволяет получить
достаточно прочное соединение, но процесс малопроизводителен, а
прочностные характеристики нестабильны. При прессовой
совместной термоконтактной сварке с наложением ультразвука цикл
сварки включает в себя нагрев пленок в зоне контакта до
необходимой температуры, выдержку их при этой температуре под
действием статического давления с одновременным наложением
ультразвука и последующее охлаждение под давлением.
Наложение ультразвуковых колебаний на стадии выдержки
способствует объемному развитию взаимодействия свариваемых
пленок, что сокращает время этой стадии, уменьшает температуру
нагрева и расширяет температурный интервал сварки. Так,
наложение ультразвуковых колебаний с амплитудой смещения
10—15 мкм при Рст=0,024-0,03 МПа позволяет уменьшить
время выдержки с 4—5 мин до 1,5—2 мин и снизить температуру
нагрева с 653—668 до 633—663 К {51].
Непрерывная сварка пленок из фторлона Ф-4 может
осуществляться по схеме сварки на вращающемся ролике при
подогреве волновода и ролика до несколько больших температур
F63—673 К). При этом амплитуда смещения должна
составлять 15—20 мкм, статическое давление 0,26—0,28 МПа, скорость
сварки (8,3-т-10) • 10"8 м/с, что обеспечивает прочность сварных
соединений 85—90% от прочности основного материала.
Ультразвуковая сварка может успешно применяться для
соединения кинопленок, состоящих из триацетилцеллюлозной
или лавсановой основы, на одну из поверхностей которой на-
104

носится фотоэмульсионный слой, а на другую — восковое
покрытие или лаковый контрслой.
При сварке ультразвуком ракорда с пленкой (триацетилцел-
люлозная основа) при расположении эмульсионного слоя
между контактирующими поверхностями выявлена закономерность
изменения качества сварного соединения от толщины
указанного слоя [52]:
Относительная толщина 0,0 0,06 0,08 0,12 0,14 0,15
фотоэмульсионного слоя
Относительная прочность 0,85 0.82 0,78 0,7 0,6 0,52
сварных соединений
на сдвиг
Число перегибов до раз- — 1500 1200 900 750 700
рушения
Наибольшей прочностью обладают соединения, полученные
при сварке ракорда с ракордом, т. е. основы, имеющей чистые
контактирующие поверхности. С появлением между
контактирующими поверхностями фотоэмульсионного слоя прочность
соединения падает, и чем больше относительная толщина слоя, тем
меньше прочность.
Однако во всех случаях прочность сварных швов выше
прочности соединений, получаемых при скреплении концов
кинопленки с помощью металлических скрепок.
Испытания сварных соединений на многократный изгиб при
условиях, адекватных нагрузкам кинопленки в лентопротяжном
тракте, показали, что с увеличением толщины эмульсионного
слоя между соединяемыми поверхностями число перегибов,
выдерживаемых сварным швом, снижается. Наименьшее число
перегибов выдержали соединения, полученные при сварке
кинопленки, имеющей относительную толщину фотоэмульсионного
слоя 0,15.
Испытания сварных соединений на стойкость к воздействию
химико-фотографических растворов и к сушке показали, что
прочность соединения не изменяется и остается на прежнем
уровне.
При ультразвуковой сварке ракорда с пленкой при
расположении фотоэмульсионного слоя со стороны волновода прочность
соединений возрастает и достигает 78—85% от прочности
основного материала (в зависимости от типа пленки). Это можно
объяснить тем, что эмульсия является как бы смазкой,
предохраняющей основу кинопленки от повреждений и образования
локальных поверхностных концентратов напряжений.
Аналогичные зависимости наблюдаются при сварке пленки с пленкой.
При расположении эмульсии со стороны волновода прочность
соединений на 5—15% выше прочности швов, у которых со
стороны волновода находится чистая основа [52].
Особый интерес представляет ультразвуковая сварка
однослойных и металлизированных полиэтилентерефталатных
пленок, поскольку эти пленки практически не соединяются други-
105

ми методами сварки. В связи с этим вопросы ультразвуковой
сварки полиэтилентерефталатных пленок рассматриваются
более подробно.
Сварка полиэтилентерефталатных пленок большой
и средней толщины
К полиэтилентерефталатным пленкам большой и средней
толщины относятся пленки толщиной от 10 до 100 мкм.
Проводилось подробное исследование [9, 19] свариваемости таких
пленок при ручной и механизированной непрерывной сварке
с использованием маломощных источников питания. При
ручной сварке пленки ПЭТФ пистолетом РУСУ-28 на стальной
опоре при скорости до 2,5-10~2 м/с амплитуда смещения должна
находиться в следующих пределах:
Толщина пленки, мкм Амплитуда смещения, Прочность, МПа
мкм
40+40 30 150
20+20 25-30 148
12+12 20—25 130
Для получения соединений с максимальной прочностью при
снижении толщины пленки следует уменьшать амплитуду
смещения. Однако уменьшение амплитуды смещения до 18—20 мкм
приводит к значительному понижению прочности, нестабильным
результатам, а иногда даже полностью исключает сварку.
Последнее связано с уменьшением количества энергии,
подводимой к свариваемым пленкам. Это уменьшение можно
компенсировать повышением частоты. Так, применение частоты 50 кГц
вместо 20 кГЦ позволило повысить прочность соединения с 55
до 65% от прочности пленки, хотя разброс по прочности
существенно не изменился.
Оптимальное усилие прижима при заточке инструмента
типа «отвертки» практически не зависит от толщины материала
при изменении ее в пределах от 25 до 40 мкм и равно 13 Н.
Прочность соединений также мало изменяется при
варьировании скорости сварки в пределах от 0 до 5-10-2 м/с. Лучшие
результаты при сварке пленки ПЭТФ F8% от прочности основа
ного материала) получаются при использовании в качестве
опоры сталыной плиты. Сварка на стекле приводит к падению
прочности до 43% от прочности основного материала.
Испытания образцов пленки ПЭТФ, сваренной в указанных
выше режимах, на кратковременную и длительную прочность
при повышенных температурах, на смятие и кручение при
пониженных температурах, герметичность и газопроницаемость
показали удовлетворительные результаты. Так, при 353 К
сварные соединения пленок толщиной 15 мкм имели прочность,
равную 70—80% прочности основного материала при этой же
температуре. Выдержка под нагрузкой 18 кН/м при температу-
106

ре 423—433 К в течение 2 ч не привела к разрушению сварных
соединений пленок толщиной 20 + 20 мкм. Пленки толщиной
40+40 мкм выдерживали при этих условиях нагрузку 3,5 кН/м.
В обоих случаях нагрузка составляет 55—60% от прочности
материала при указанной температуре.
При испытаниях сварных соединений из пленок толщиной от
12 до 40 мкм при 153—163 К ни одно из соединений не
растрескивалось в зоне сварного шва. В среде жидкого азота сварные
швы пленок толщиной 20 и 12 мкм сохраняли пластичность и
устойчивость при многократных изгибах.
Сварка тонких полиэтилентерефталатных пленок
К тонким полиэтилентерефталатным пленкам относятся не-
металлизированные (по ТУ 6-05-1108—76) и металлизированные
без прослойки и с прослойкой стекловуали (по ТУ 23-23-80—75)
пленки толщиной 5 мкм и менее. Ультразвуковая сварка таких
пленок затруднена, как указывалось выше, из-за малого
рассеивания энергии механических колебаний и значительного теп-
лоотвода. Увеличение амплитуды смещения с целью повышения
вводимой энергии не позволяет улучшить результаты.
Наоборот, из-за того, что амплитуда смещения в этом случае
превосходит толщину пленок, последние «пробиваются» рабочим
торцом волновода.
Предложено [19, 20, 50] проводить сварку тонких пленок
с помощью дополнительных приваривающихся или непривари-
вающихся технологических накладок. Для этого можно
использовать накладки, изготовленные как из свариваемого
материала, так и из другого материала, имеющего температуру
текучести выше, чем у свариваемых пленок. Накладку располагают
либо между инструментом и пленкой (верхнее положение),
либо между пленкой и опорой (нижнее положение). Результаты
экспериментов по сварке пленки ПЭТФ 5 + 5 мкм, проведенных
с использованием накладок из полиэтилентерефталата
толщиной 12,5 мкм [сварку проводили на установке РУСУ-50 в
следующих режимах: амплитуда смещения рабочего торца
волновода 20—25 мкм; частота 50 кГц; скорость сварки A,7-+2,5)-
•10~2 м/с; давление прижима обеспечивалось собственным
весом сварочного пистолета и было равно 2-Ю6 Па] показали,
что при расположении накладки сверху или снизу
относительная прочность при сдвиге сварных соединений составляет 55%
от прочности основного материала; без использования накладки
этот показатель равен 23%.
Из приведенных данных следует, что сварка с применением
приваривающихся накладок позволяет повысить прочность
соединения почти в два раза. Швы при этом имеют гладкую
поверхность, прозрачны, толщины их на 2—3 мкм меньше
суммарной толщины пленок.
107

На качество соединения существенное влияние оказывает не
только место расположения, но и материал накладки. Ниже
приведены данные о прочности при сдвиге сварных соединений
пленки из ПЭТФ толщиной 5 + 5 мкм, выполненных с
накладками из различных материалов, которые располагались между
волноводом и свариваемыми пленками, причем в последних трех
строчках приведены данные о сварке металлизированных поли-
этилентерефталатных пленок тех же толщин:
Материал накладки
Целлофан
Фторопласт-4
Полиэтилентерефталатная пленка
Бумага конденсаторная
'Толщина
накладки,
"мкм
60
60
12
12—15
60-65
70—75
80—85
, 150
Прочность
при сдвиге,
Н/м*
184
133
276
0,43
254
240
198
197
* Прочность основного материала равна 520 Н/м.
В случаях, когда нежелательно применять накладку,
привариваемую к пленке в зоне сварки, следует использовать
материалы, которые, обеспечивая наибольшую прочность
сварного соединения, легко отделяются от шва после сварки. Этим
требованиям отвечают накладки из бумаги равномерной
плотности толщиной 70—75 мкм, обеспечивающие прочность
соединения, равную 55—60% прочности основного материала.
Применение бумаги, имеющей пропитку, кальки или
парафинированной оберточной бумаги нежелательно, так как они
прилипают к свариваемой пленке и при их удалении возможно
повреждение соединения.
Оптимальные режимы при сварке пленок через накладки
зависят от материала волновода [20, 50]. При использовании
волноводов из алюминиевых сплавов (Д16Т, В95) наступает их
быстрый износ, что требует частой заточки рабочей части
волновода. С целью ограничения износа в этом случае не следует
применять интенсивные режимы сварки: амплитуда смещения
должна составлять 20—25 мкм, а скорость сварки—B-4-3)-
•Ю-2 м/с.
Износ волновода особенно увеличивается при сварке
металлизированных пленок с прослойкой стекловуали. При сварке
пленок через технологические компенсирующие прокладки
контакт волновода с поверхностью пленки отсутствует, что
позволяет применять для волноводов более твердые материалы, хотя
и обладающие большими потерями, например титановые
сплавы ВТ5 или ВТ6, имеющие высокую износостойкость.
Сравнительная оценка показала, что волновод из титана
изнашивается в 150—200 раз медленнее и обеспечивает более высокую
прочность швов и стабильность сварки. Титановый волновод
108

работает без заточки 14—16 рабочих смен и служит более
года при двухсменной работе. Волновод полностью перестает
работать (не согласовывается с генератором) при износе на 12 мм.
Высокая прочность титанового волновода и применение
компенсирующих накладок позволяют работать на больших
амплитудах смещений C5—40 мкм), что обусловливает повышение
скорости сварки до 0,04—0,06 м/с j[20].
Как и в случае металлизированных пленок, лучшие
результаты при сварке металлизированных пленок с прослойкой стек-
ловуали достигаются при использовании бумажных накладок
без пропитки толщиной 40—100 мкм, причем в этом случае
накладки следует размещать как сверху, так и снизу пленки.
Прочность сварных соединений при этом составляет 50—75%
основного материала и сохраняется на этом уровне до 1,5 лет
при хранении в условиях отапливаемого склада. При
повышенных температурах (до 500 К) прочность соединения
приближается к прочности основного материала.
Сварка комбинированных пленок
Как указывалось выше, основным недостатком
ультразвуковой сварки пленок скользящим инструментом является
повреждение поверхности пленки под волноводом, тем большее, чем
ниже температура плавления и выше коэффициент затухания
материала. При сварке комбинированных пленок, у которых
дублирующий слой выполнен из термореактивного материала
или термопластичного материала с высокой температурой
плавления, этого явления не наблюдается. Поэтому ультразвуковая
сварка комбинированных пленок дает, как правило, хорошие
результаты. Кроме того, в случае сварки комбинированных
пленок скорость сварки может быть значительно повышена (до
Ю,15—0,20 м/с), так как дублирующий слой обычно является
теплоизолирующим. Прочность сварного соединения при этом
может быть равна прочности на отслаивание подложки от
основы.
Характер зависимости прочности сварных соединений на
-раздир от параметров режима сварки дублированных и
однослойных пленок одинаков. Здесь также наблюдается явление
автостабилизации толщины шва, а наибольшая прочность на
раздир соответствует моменту образования двух автономных
соединений за счет выдавливания пластицированного
материала из зоны сварки. Как только такое состояние будет
достигнуто, дальнейшее увеличение основных параметров режима
сварки не приведет к возрастанию прочности. Это хорошо видно из
рис. III.16, где приведена зависимость прочности при раздире
сварных соединений из пленки полиэтилен + целлофан (Лп =
= 87 мкм) от давления и времени сварки /св = /к/?>св. Время
сварки /05=0,24 с соответствует практически полному
выдавливанию пластицированного полимера из сварочной зоны, поэто-
109

g; hH/m
80 100 PCT)H
Рис. III. 16. Зависимость прочности при расслаивании сварного соединения
полиэтиленцеллофановой пленки от статического давления Рст (Ап=87 мкмг
площадь рабочего торца волновода 5К=8 мм2, Л = 25 мкм):
сплошные линии — односторонняя, пунктирные — двусторонняя сварка; время сварки:
/ — 0,24 с; 2-0,16; 3 — 0,12; 4 — 0,04; 5 — 0,034; 5 — 0,027 с
му дальнейшее ультразвуковое воздействие не приводит к
изменению прочности.
Зависимость прочности от статического давления (см.
рис. 111.16, сплошные линии) носит экстремальный характер,
хотя разница между максимальным значением прочности,
соответствующим оптимальному давлению, и значениями прочности
при больших давлениях не превышает 10%, что соответствует
разбросу экспериментальных данных. Поэтому и тут следует
считать, что прочность после достижения оптимального
значения практически не изменяется с дальнейшим повышением
давления.
Прочность соединений комбинированных пленочных
материалов, полученных ультразвуковой сваркой, на 10—15% выше,
чем прочность соединений тех же пленок, сваренных нагретым
инструментом [53]:
Материал
ПЭТФ+ПЭ
Полиамид+ПЭ
Полипропилен+ПЭТФ+полипропилен*
Относительная прочность сварного
соединения*, %
Т-образного
53/69
65/76
8/21
нахлесточного
100/100
87/96
55/79
* В числителе — значения прочности для контактно-теплового способа сварки, в
знаменателе—для ультразвукового.
** Клеевое соединение.
Несмотря на то, что в образовании сварного соединения
участвует только один слой материала, прочность соединений
многослойных пленок в большинстве случаев значительно меньше,
чем прочность соединений однослойных пленок, причем с
увеличением адгезии между слоями (например, у пленок с клеевым
соединением слоев) прочность сварных соединений возрастает.
С увеличением адгезии изменяется и характер разрушения
ПО

Т-образных соединений. Так, клеевые композиции, адгезионная
прочность которых более чем в 2 раза превышает эту
характеристику для пленок, полученных нанесением расплава одной
пленки на другую, разрушаются вследствие обрыва материала
по кромке шва, т. е. аналогично разрушению Т-образных швов
однослойных пленок.
Ориентировочные данные по режимам сварки
комбинированных пленок, составленные на основе исследований,
проведенных авторами при использовании мощных (до 2 кВт)
источников питания ультразвуковых сварочных головок, приведены
ниже:
Материал пленки Режим сварки* Относительна^
прочность сварного
соединения (в %
от прочности
основного материала)
Полиэтилен+целлофан РСт=100-5-150 Н 40—50
0=0,14 м/с
Полиэтилен+лавсан Рст=40-*-60 Н 40—50
и = 0,14 м/с
* Амплитуда смещения рабочего торца волновода 25—30 мкм; площадь пятна
контакта волновода с пленкой B-5-3) X 1,5 мм2; резонансная частота колебательной системы
19,5 кГц. Увеличение скорости сварки достигается за счет теплоизолирующего действия
целлофана и лавсана.
Эти режимы могут применяться для сварки как по чистым
поверхностям, так и по поверхностям, загрязненным
различными продуктами.
Сварка комбинированных пленок при использовании
маломощных источников питания (до 400 Вт) производится при
статических давлениях гораздо меньших, чем указанные выше, так
как при повышении давления нарушается резонансный режим
работы колебательной системы. В связи с этим скорость сварки
также значительно понижается. Ниже приведены [54]
оптимальные режимы ультразвуковой сварки полимерных пленок
при использовании маломощных источников питания (для
сравнения указана прочность сварных соединений, полученных при
ультразвуковой и термоимпульсной сварке):
Материал Скорость Амплитуда Статическое
сварки, м/с смещения, усилие при-
мкм жима (SK=
=8,0 мм2), Н
Полиэтилен+целло- 0,03 30—40 8,0
фан, 60 мкм
Бумага+полиэтилен
250 мкм 0,02 40 4,0
150 мхм 0,03—0,05 30 15,0
* В числителе — значения прочности при ультразвуковой, а в знаменателе — при тер-
дюимпульсной сварке.
Во всех случаях прочность при ультразвуковой сварке выше,
чем при термоимпульсной. Преимущества ультразвукового спо-
ПрФчность
при раздире,
% от
прочности основ*
ного
материала*
80/73
13/10
C0^35)/27
111

соба сварки наблюдаются и для сварных соединений,
работающих на сдвиг, выполненных как по чистым поверхностям, так
и по поверхностям, загрязненным различными продуктами;
ниже приведены значения прочности (в % от прочности
основного материала) сварных соединений при сдвиге (в числителе) и
при раздире (в знаменателе):
Без за- Мука Соль Майонез
грязнений
Ультразвуковая сварка
полиэтилен+целлофан 78,5/57 82/53 61/52 73/41
полиэтилен+бумага —/35 —/32 —/30 —
Термоимпульсная" сварка
полиэтилен+целлофан 76/46 71/21 69/30 42/6
полиэтилен+бумага —/27 —/19 —/17 —
Проводились эксплуатационные испытания сварных
соединений пленок, выполненных в режимах сварки, приведенных
выше. При хранении образцов в течение шести месяцев в
нормальных условиях B93—296 К, влажность 63±2%) для всех
материалов характерно незначительное изменение прочности шва
при раздире. В первый месяц хранения наблюдалось небольшое
снижение прочности шва для всех материалов, дальнейшее
хранение привело к повышению прочности, так что к концу
хранения разница между первоначальной и конечной прочностью
была незначительной. Аналогичный характер носит изменение
прочности при сдвиге в процессе хранения сварного
соединения.
Ниже приведены сравнительные данные о прочности при
раздире сварных соединений, полученных при помощи
ультразвуковой (в знаменателе) и термоимпульсной (в числителе)
сварки и хранившихся в условиях повышенной влажности
(98%):
Материал пленки Прочность швов (в % от прочности основного
материала) после срока хранения (в месяцах)
0 12 3 4 5
Полиэтилен+целлофан 63/75 42/66 50/— —/74 48/— —/64
(вискотен), 70 мкм
ПЦ-2 42/60 35/54 46/- -/59 60/62 —/64
Полиэтилен+бумага, 19,5/32,5 35/43 33/- —/38 39/— -/41,5
150 мкм
Из этих данных следует, что прочность исследованных
образцов, полученных с помощью ультразвука, несколько выше,
чем сваренных термоимпульсным методом, и что она остается
удовлетворительной в процессе хранения.
При хранении образцов в специальных климатических
камерах с высокой (до 323 К) и низкой (от 233 до 223 К)
температурами и высокой влажностью (80—90%) прочность
снижалась также незначительно, хотя внешний вид образцов
претерпевал сильные изменения (пленка деформировалась,
печатный рисунок частично стирался и расплывался и т.д.).
112

Способы повышения производительности
ультразвуковой сварки полимерных пленок
Один из методов повышения производительности
ультразвуковой сварки пленок заключается в увеличении длины пятна
контакта волновода со свариваемой пленкой. Соответствующая
зависимость показана на рис. III. 17 (кривая 1), из которого
следует, что с увеличением длины пятна контакта
производительность процесса возрастает линейно (это хорошо
согласуется с теорией). Однако с увеличением длины пятна контакта
возрастает масса инструмента, что приводит к росту мощности,
потребляемой сварочной головкой на холостом ходу (см.-
рис. III.17, кривая 2). Увеличение длины пятаа контакта
приводит также к повышению статического давления, что, в свок>
очередь, сопровождается ростом мощности, потребляемой
сварочной головкой в режиме сварки (см. рис. III.17, кривая 3).
По этим причинам происходит увеличение мощности потерь
в сварочной головке. При работе с волноводами, имеющими
рабочий торец большой длины, и ферритовыми
преобразователями необходимо интенсивное охлаждение последних, в
противном случае разогрев может привести к их разрушению.
Другим направлением повышения производительности
сварки пленок является применение схем сварки с двусторонним
отбором энергии от преобразователя. Применение двухрядной
%ъ-Ю2, м/с
/V, Б/77
>сВ/ м/с
5 10 15 Л, МКМ
Рис. III. 17. Зависимость скорости сварки Уев (/)» мощности N, потребляв»
мой сварочной головкой СГ-28 на холостом ходу B) и в режиме сваркиг
E), от длины контактного пятна /к для сварного соединения полиэтиленцел*
лофановой пленки (/гп==87 мкм). Режим сварки:
А — 25 мкм; коэффициент усиления по амплитуде К=4,7; /=27 кГц
Рис. III. 18. Зависимость скорости сварки от амплитуды смещения при одно*
сторонней A) и двусторонней B) сварке
8—271
на

сварки, при которой сварочные'волноводы присоединены к обоим
торцам преобразователя, позволяет производить сварку двух
изделий одновременно. Однако производительность при этом не
повышается в два раза. Это обусловлено тем, что максимальная
амплитуда на рабочих торцах волноводов в этом случае
меньше, чем при одностороннем съеме энергии.
Наиболее перспективной является двусторонняя шовная
сварка полимерных пленок, так как при такой сварке
повышается амплитуда смещения на границе раздела полимеров и, как
это следует из формулы (III.12), скорость сварки ;[54].
Амплитуда смещения увеличивается в данном случае за счет
суперпозиции волн [55], распространяющихся от волноводов,
расположенных навстречу друг другу.
Двусторонняя сварка может осуществляться по двум
схемам. В одном случае пленки протягиваются через зазор,
образованный загнутыми навстречу друг другу волноводами (см.
рис. 1.11,6). Но при такой схеме сварки трудно получить
большую амплитуду смещения на рабочих торцах волноводов.
Уменьшение амплитуды смещения обусловлено, с одной
стороны, двусторонним съемом энергии с торцов преобразователя,
я с другой стороны — значительными потерями энергии в
криволинейных участках колебательной системы. К другим
недостаткам такой системы следует отнести сложность изготовления
криволинейных инструментов, большие трудности
регулирования сварочного давления и ограниченность применения, так как
зазор между торцами волноводов не регулируется.
Наиболее просто осуществить двустороннюю сварку
полимерных пленок, исключив из акустической системы опору и
применив две сварочные головки, расположенные таким образом,
чтобы рабочие торцы волноводов были направлены навстречу
друг другу (см. рис. 1.11,а). Свариваемая пленка помещается
в зазор между торцами и протягивается с помощью тянущего
механизма. Основным условием при двусторонней сварке
является синфазное по отношению к свариваемому изделию
смещение рабочих торцов волноводов. Под этим понимается такое
смещение торцов, при котором они в одной и той же фазе
колебаний увеличивают или уменьшают одновременно свою длину
на одинаковую величину. При этом амплитуда смещения в
зове сварки увеличивается в два раза [55], а вводимая энергия
и, следовательно, скорость сварки — в четыре раза.
Невыполнение условия синфазности приводит к тому, что либо
происходит неполная отдача энергии (когда имеется сдвиг по фазе),
либо энергия не передается свариваемому изделию вообще, и
сварка не происходит (когда колебания инструментов
осуществляются в противофазе).
Зависимость прочности шва при раздире от основных
параметров режима при двусторонней сварке носит такой же
характер, как и при односторонней. На рис. III.16 показана
зависимость прочности при раздире соединений пленки полиэтилен-К
114

+ целлофан толщиной 8?мкмот статического давления для
различных значений времени пребывания свариваемой пленки в
зоне контакта с торцом волновода. Как видно из рисунка, одно,
и то же значение прочности 2,1 кН/м можно получить в
широком интервале времен сварки —от 0,12 до 0,04 с, если только
с уменьшением времени, т. е. с ростом скорости сварки,
увеличивать статическое давление. Только при очень больших
скоростях, соответствующих ^в=0,034 с, прочность начинает заметно
падать, несмотря на увеличение давления.
Для одного и того же времени сварки кривые, отвечающие
двусторонней сварке, сдвинуты влево относительно кривых,
полученных при сварке по обычной схеме, хотя величина
оптимального статического давления в том и другом случае
одинакова. Однако прочность при двусторонней сварке выше, чем при
односторонней, что отчетливо видно на кривых,
соответствующих ^св=0,12 с. Это объясняется, по-видимому, тем, что при
двусторонней сварке достигается более симметричное
формирование выдавленного из сварочной зоны пластицированного
материала.
На рис. III. 18 приведена зависимость скорости сварки от
амплитуды рабочего торца волновода для односторонней и
двусторонней сварки. Эта зависимость носит квадратичный
характер, причем для всех значений амплитуды скорость
двусторонней сварки почти в четыре раза выше скорости односторонней
сварки. Это хорошо согласуется с теоретическими
предпосылками, приведенными выше.
Рис. II 1.19. Диаграммы распределения мощностей при односторонней (/) и
двусторонней B) сварке (сварочная головка СГ-28):
/ — мощность, потребляемая сварочной головкой на холостом ходу; // — мощность
потерь в сварочной головке; /// — мощность, затрачиваемая на нагрев в зоне сварки; /V —
мощность потерь в опоре
Рис. 111.20. Ультразвуковая сварка горловин полиэтиленовых мешков «в
гармошку»
8*
115

Увеличение при двусторонней сварке почти в четыре раза
энергии, подводимой к материалу, хорошо также видно из
диаграммы распределения мощности, показанной на рис. III.19.
Частично это увеличение объясняется отсутствием опоры,
поглощающей часть полезной энергии.
Из рис. III.19 видно, что при двусторонней сварке двумя
автономными сварочными головками подводимая мощность
почти в два раза больше, чем при сварке по обычной схеме.
Причем подводимая мощность в этом случае не больше, чем при
двусторонней сварке с загнутыми навстречу друг другу
волноводами, однако амплитуда смещения при двусторонней сварке
двумя автономными сварочными головками на 40% больше,
чем при двусторонней сварке двумя загнутыми волноводами.
В отдельных случаях производительность сварки изделий из
полимерных пленок может быть значительно повышена за счет
применения прессовой сварки вместо непрерывной шовной. Так,
шовная сварка горловин мешков из полимерных пленок,
наполненных продуктами моря, химическими удобрениями и т.п.,
может быть заменена многослойной сваркой «в пучок» или «в
гармошку» (рис. 111.20). При этом процесс соединения происходит
за один рабочий ход волновода, что позволяет увеличивать
производительность герметизации продуктов в 3—5 раз по
сравнению с непрерывной шовной сваркой.
Процессы, протекающие при многослойной сварке пленок,
•идентичны рассмотренным выше процессам при сварке двух
^лоев. Здесь также наблюдается вдавливание рабочего торца
волновода в свариваемый материал и вытеснение пластициро-
ванного полимера из сварочной зоны. Наибольшая прочность
при раздире соответствует полному продавливанию в зоне
контакта волновода с пакетом пленок, поэтому герметизация
мешков должна производиться с использованием рантового сварно-
.го шва.
При сварке 32 слоев полиэтиленовой пленки толщиной от 85
.до 125 мкм без проведения специальных мероприятий
прочность соединения пленок, прилегающих к волноводу и опоре,
'была незначительной или сварка вообще не происходила.
Варьирование параметров режима сварки существенно не
изменяет такого соотношения прочности соединения различных
слоев. Для всех значений давления увеличение времени сварки
приводит к росту прочности слоев (слои отсчитываются от
волновода), причем с повышением давления время сварки
существенно уменьшается. С увеличением давления максимальная
прочность соединения слоев падает (с 15 Н при РСт=0,5 МПа
до 12 Н при Рст=4 МПа). Во всех случаях слои, прилегающие
к волноводу и опоре, имеют значительно меньшую прочность,
чем слои, находящиеся внутри пакета. По-видимому, это
объясняется интенсивным отводом тепла в волновод и опору, что
препятствует разогреву пленок, прилегающим к ним, до
температуры вязкотекучего состояния.
116

Такое предположение подтверждается экспериментами,
приведенными с предварительным подогревом волновода. По мере
повышения температуры волновода зона начала образования
соединения приближается к волноводу, а при температуре,
равной 323 К, соединение начинает образовываться
непосредственно под волноводом. Аналогичная картина наблюдается и при
сварке с подогретой опорой. Очевидно, в обоих случаях
вследствие предварительного подогрева уменьшался теплоотвод из
сварочной зоны.
В производственных условиях подогрев волновода и опоры
не всегда может быть осуществлен. Поэтому для уменьшения
теплоотвода следует, как и в рассмотренных выше случаях,
применять теплоизоляционные прокладки, помещенные между
волноводом и пакетом пленок и между опорой и пакетом
пленок. Наилучшие результаты достигаются при использовании
прокладок из целлофана или бумаги толщиной 100—120 мкм.
При использовании прокладок из целлофана зона начала
образования соединения незначительно сдвигается к волноводу,
но при этом прочность соединения слоев, прилегающих к
волноводу и опоре, достаточно высокая. При применении
прокладок из бумаги также получалось достаточно хорошее
соединение. Однако в некоторых случаях по длине шва наблюдались
места со значительным перегревом или даже деструкцией
свариваемых пленок и с подгоранием бумаги. Это приводило
к нарушению герметичности сварных швов в процессе
эксплуатации. Поэтому для обеспечения необходимой надежности
сварного соединения лучше применять прокладки из целлофана.
СВАРКА МЯГКИХ ПЛАСТМАСС
Общие закономерности и рекомендации
Для соединения мягких пластмасс, характеризующихся
низким модулем упругости и большим коэффициентом затухания
ультразвуковых колебаний, в основном используется
контактная ультразвуковая сварка. Типичными представителями этих
пластмасс являются полиэтилен высокой и низкой плотности,
полипропилен, пластифицированный поливинилхлорид и др.
Характерная особенность ультразвуковой сварки этих материалов
•состоит в значительном тепловыделении не только на границе
раздела свариваемых материалов, но и в объемах, прилегающих
к волноводу и опоре. Это приводит к существенной деформации
поверхностей свариваемых деталей, проявляющейся во
внедрении рабочего торца волновода в пластмассу с вытеснением пла-
стицированного материала, причем величина внедрения может
составлять более 50% от суммарной толщины деталей. Поэтому
ультразвуковую сварку мягких пластмасс рекомендуется
использовать для соединения по контуру, чаще с одновременным
образованием материала, выступающего за внешний контур ра-
117

бочего торца волновода. Такие соединения широко
применяются при изготовлении емкостей, контейнеров и туб,
использующихся, как правило, для хранения пищевых продуктов,
косметики или продуктов бытовой химии. Поэтому при разработке
технологии сварки таких изделий из мягких пластмасс следует
в первую очередь обращать внимание на влияние
затариваемых продуктов на свариваемость.
При исследовании влияния жидких веществ на
свариваемость (спирт или 60%-ный раствор поваренной соли в воде)
либо поверхность образцов смачивалась этими веществами^
либо сварка проводилась при полном погружении образцов
в среду. В случае прослоек в виде пасты (таких, как
технический вазелин) или сыпучих веществ (таких, как технический
углерод и мука) последние наносились на контактные
поверхности ровным слоем толщиной от 0,03 до 0,1 мм. При сварке
с прослойками из 60%-ного раствора соли в воде, технического
вазелина и спирта прочность сварных соединений уменьшается
на 3—8% по сравнению с прочностью соединений, сваренных по
чистым поверхностям, а время сварки практически не
изменяется. В случае прослоек в виде технического углерода и краски
прочность понижается на 15—20%, а время сварки
увеличивается.
При сварке с прослойками из сыпучих веществ (таких, как
мука, мел, цемент, зубной порошок и т.п.) прочность
уменьшается на 40% и получение соединения становится
затруднительным. Порошкообразные прослойки собираются в комки,
создавая очаги непроваров. При размягчении полимера под
воздействием ультразвуковых колебаний часть поверхности
очищается путем выталкивания посторонних включений за
пределы шва, однако некоторая доля прослойки остается и налипает
на размягченную поверхность, препятствуя свариванию.
Повышение прочности сварных соединений в случае сварки по
загрязненным поверхностям с жидкими прослойками может быть
достигнуто применением сварочного цикла ультразвук —
статическое давление (см. рис. Ш.6,б).
Так как свариваемость мягких пластмасс в значительной
степени определяется консистенцией жидких продуктов,
загрязняющих контактирующие поверхности, то при отработке
режимов за величину, по которой оценивается склонность к сварке,
была принята вязкость жидкости. При этом все жидкости по их
влиянию на свариваемость можно разделить на четыре
группы ;[6]. К первой группе следует отнести жидкости с вязкостью
5—8 Па-с, которые вызывают понижение прочности не более
чем на 20% по сравнению с прочностью при сварке без
загрязняющих прослоек (жидкое мыло, сиропы, масло для
амортизаторов, мед, майонез, касторовое масло и т.д.). Ко второй
группе относятся жидкости с вязкостью 2—5 Па-с, понижающие
прочность на 30—40% (касторовое, растительное,
трансформаторное и другие масла). Третью группу составляют жидкости:
118

с вязкостью 0,5—2 Па-с, в присутствии которых прочность
понижается на 50—60%. Наконец, в четвертую группу входят
жидкости с вязкостью ниже 0,5 Па-с (молоко, водные
растворы солей, кислот, щелочей, спирты и т.д.), которые
значительно затрудняют процесс сварки.
Надежная герметизация продукта обеспечивается не только
правильным выбором режимов ультразвуковой сварки с учетом
предварительной обработки деталей и условий их хранения до
сварки, но и соблюдением специальных условий, снижающих
вероятность образования различных дефектов в сварных
соединениях. Такими дефектами при ультразвуковой сварке мягких
пластмасс являются подрезы, непровары и свищи.
Дефекты могут быть обусловлены следующими причинами:
1) некачественная заточка рабочего торца волновода; 2) ка-
витационные явления в жидкости, заполняющей свариваемую
коробку, вызванные ультразвуковыми колебаниями, что влечет
за собой постоянное загрязнение свариваемых поверхностей;
3) разнотолщинность свариваемых деталей; 4) ориентация
полимера при отливке в форму. Например, подрезы образуются
вследствие того, что при сварке торец волновода под действием
сварочного давления внедряется в поверхностный слой,
вытесняя размягченную прослойку. В результате в месте контакта
волновода с деталью происходит утонение соединения. Место
утонения является концентратором напряжений, поэтому при
приложении небольшого внешнего усилия в нем происходит
разрушение.
Утонение полимера в зоне сварного шва может явиться
также причиной образования свищей, чему способствует явление
«ультразвукового ветра». «Ультразвуковой ветер» представляет
собой поток воздуха, направленный от торцовой поверхности
волновода к поверхности жидкости. Под действием этого
потока происходит возмущение жидкости. В емкости создается
давление, в результате чего жидкость поднимается по стенкам
и стремится выйти наружу. Давление поднимающейся жидкости
может быть настолько значительным, что происходит разрыв
полимера в утоненной зоне шва, т. е. образование свища. Если
в процессе сварки вокруг волновода возникает туман, это
свидетельствует о наличии свищей в сварном соединении. Эти же
явления обусловливают в большинстве случаев и непровары,
так как поднимающаяся по стенкам жидкость поступает на
поверхность раздела свариваемых изделий, препятствуя
протеканию процессов сварки.
Очевидно, чем больше вязкость жидкости, тем меньше
вероятность ее подъема под действием «ультразвукового ветра» до
поверхности раздела деталей и тем, следовательно, меньше
вероятность образования свищей и непроваров. Действительно,
наилучшие результаты получаются при герметизации жидких
продуктов вязкостью более 4 Па-с или при замене жидкости
воздушной средой, а наихудшие — при герметизации жидкостей
119

Рис. 111.21. Схема сварки цилиндрического
изделия контурным волноводом с
акустическим экраном:
1 — контурный волновод; 2 — звукопоглощающие
пластины; 3— крышка изделия; 4 — банка; 5 —
стакан-опора; 6 — подложка
вязкостью A-^500) Ю-3 Па-с
(вода, спирт). При контактной сварке
для частичного предотвращения
«ультразвукового ветра» может
применяться акустический экран,
который собирается из
звукопоглощающих материалов, таких, как
пористая резина, пенопласты и т. п.,
и крепится к торцу волновода (рис.
111.21).
Непровары при ультразвуковой сварке могут быть
обусловлены также разнотолщинностью свариваемых изделий.
Исследования по свариваемости материалов различной толщины (по
периметру) показали, что для емкостей, наполненных жидкими
продуктами, вязкость которых не превышает 1 Па-с,
допускаемая разнотолщинность должна составлять не более 6—8%.
При сварке емкостей, наполненных жидкостями, имеющими
вязкость 4 Па «с и более, допускается разнотолщинность да
15%.
Специальная заточка рабочего торца волновода (рис. 111.22)
дает возможность избежать подрезов и свищей в зоне сварного-
шва, а также добиться уменьшения грата. Наиболее хорошее
формирование и усиление шва было достигнуто при нанесении
насечки или накатки на рабочую поверхность волновода. При
этом выступы насечки во избежание просекания изделия
необходимо делать закругленными, без острых углов. При
контактной сварке банок с крышками на внешней стороне волновода
необходимо иметь выступ высотой 0,1 мм и шириной 0,4 мм (см.
рис. 111.22), который, подплавляя края буртика банки и
крышки, препятствует вытеканию жидкости из изделия. При
увеличении высоты выступа до 0,3 мм происходит чрезмерное подплав-
ление буртиков, в результате чего края имеют вырывы и
ухудшается внешний вид изделия.
При сварке контурным волноводом в центре крышки может
возникать прожог или пробой материала. Было показано, что
прожог обусловлен колебаниями крышки с собственной
частотой колебаний волновода. Крышка в этом случае колеблется
аналогично тонкой мембране, зажатой по контуру. При
определенных условиях наибольшие динамические напряжения
возникают в центре крышки, что приводит к усталостному
разрушению. Отсюда следует, что наиболее рациональным способом
предотвращения разрушения крышки является демпфирование
ее в процессе сварки. В качестве демпфера можно использовать
120

Рис. II 1.22. Форма заточки поверхности рабочего торца волновода для
сварки мягких пластмасс толщиной:
а—в — 0,6—1,5 мм (с отрезанием хвостовой части изделия); г—е — 0,3—0,9 мм
металлическую шайбу, плотно поджатую к крышке пористой
резиеой. Эксперименты показали, что при таком
демпфировании, когда воздушный зазор между демпфером и крышкой
полностью выбран, крышка не разрушается.
Существенное влияние на качество сварного соединения ока—
зывает форма и расположение опоры по отношению к
волноводу. При изготовлении системы опора — волновод необходимо
соблюдать соосность и параллельность рабочих поверхностей
волновода и опорных стаканов. При контурной сварке края
опоры, соприкасающиеся с буртиком банки, должны быть
закруглены. Хорошие результаты получены при сварке изделий
на четвертьволновой опоре длиной Я/4, закрепленной на
резиновой подложке. При этом наилучшее качество и стабильность
сварного соединения достигаются только тогда, когда ширина
буртика опоры почти равна ширине рабочей поверхности
волновода.
Контурная сварка емкостей из полиэтилена
Объектом исследований сварки емкостей круглой формы
с помощью контурных волноводов служили банки диаметром
ПО мм и высотой 21 мм, имевшие буртики шириной 2—3 мм,
которыми они опирались в процессе сварки на цилиндрическую
опору |[б]. Банки заполнялись различными (в основном
жидкими) продуктами и плотно закрывались крышкой, буртик
которой поджимался по всему контуру к буртику банки с помощью
волновода (см. рис. 111.21). Для изготовления банки и
крышки использовался белый нестабилизированный полиэтилен низ-
121.

кой плотности марки П-2020Т. Толщина буртиков в зоне сварки
составляла 0,7 + 0,7 мм.
Рекомендованы следующие режимы контурной сварки
емкостей, заполненных жидкостями различной вязкости (амплитуда
смещения рабочего торца волновода составляла 30—32 мкм,
испытания проводились сразу после сварки):
Среда
Воздушная
Жидкость
вязкостью (Па-с)
5—8
2—5
0,5—2
0,002—0,1
Прижимное
усилие, Н
250
250
250
260
280
Время,
сеарки
с
1,6
1,7
1,8
1,9
2,3
Прочность
при
расслаивании, Н
83,5
76,0
66,0
53,0
49,0
Прочность
при
расслаивании, %
от
прочности
основного материала
88
84
76
60
54
При разработке технологического процесса сварки изделий
из полиэтилена следует учитывать особенности хранения и
предшествующую обработку заготовок, влияющие на прочностные-
и другие эксплуатационные характеристики сварных
соединений.
Тепловое старение полиэтиленовых деталей может
происходить, например, при нанесении на них различных покрытий
с помощью прессов, нагретых до 373—393 К, или при
промывании в воде при 343—373 К. Иззестно, что при повышенных
температурах, не достигающих, однако, температуры плавления
кристаллов, ухудшаются механические свойства полимера и
происходит его охрупчивание за счет повышения степени
кристалличности. Для исследования влияния этих изменений на
свариваемость полиэтиленовые образцы помещались в
термокамеру, выдерживались там при температуре 293—388 К в
течение 6 ч, а затем сваривались. Результаты испытаний сварных
соединений приведены ниже:
Температура
в
термокамере, к
293
323
363
388
Время
сварки, с
1,6
1,5
1,4
1,3
Прочность при
расслаивании, Н
94,4
93,6
94,0
78,4
Прочность
НИИ,
%
при расслаива
от прочности
основного материала
87,0
86,5
72,0
70,0
Предварительная обработка в интервале температур от 323
до 363 К незначительно влияет на прочность сварных
соединений. Прочность в этом случае уменьшается соответственно на
5—9% по сравнению с прочностью образцов, не подвергавшихся
тепловому старению. При повышении температуры обработки
до 388 К наблюдается понижение прочности до 17%. Оптималь-
122

ное время сварки с повышением температуры старения
уменьшается на 0,2—0,3 с.
Значительно влияет на свариваемость старение полиэтилена
в условиях солнечной радиации. После облучения
ультрафиолетовыми лучами в течение 30 ч листы из нестабилизированного
полиэтилена низкой плотности толщиной 0,7 мм перестают
свариваться. Полиэтилен, стабилизированный техническим
углеродом или парафином, перестает свариваться после облучения
в течение 60 ч.
Старение деталей при хранении их в светлом помещении
также уменьшает прочность сварных соединений, однако в
значительно меньшей мере, чем искусственное облучение
ультрафиолетовыми лучами. Прочность сварного соединения,
полученного после 260-дневного хранения образцов в светлом
помещении, была только на 10% меньше, чем прочность соединений
образцов, не подвергавшихся старению. Хранение деталей в
темном помещении практически не отражается на свариваемости
полиэтилена.
Сварка полиэтиленовых туб и шприц-тюбиков
Ультразвуковая сварка может с успехом применяться для
сварки туб, заполненных пищевыми продуктами (плавленый
сыр, сметана, сгущенное молоко и т.д.) или продуктами
бытовой химии (кремы, шампуни, вазелин, клей и т.д.), а также
шприц-тюбиков, предназначенных для одноразовой инъекции
лекарственных растворов. Так как сварка производится по
поверхностям, загрязненным различными продуктами, термические
способы сварки в данном случае непригодны.
Процесс затаривания и герметизации тубы состоит в
следующем. Туба с навернутым бушоном устанавливается
головкой вниз в гнездо стола машины и заполняется продуктом,
а затем хвостовая часть сваривается ультразвуком (рис. III.23).
Аналогично производится сварка шприц-тюбиков,
представляющих собой тонкостенную полиэтиленовую оболочку, на
горловине которой укреплен металлический колпачок с
инъекционной иглой, защищенной пластмассовым кожухом. Сосуд,
заполненный стерильным лекарственным раствором, заваривается в
перевернутом положении по краю
оболочки герметичным швом.
В обоих случаях полиэтиленовая
оболочка имеет толщину от 0,3 до 1 мм.
Общие закономерности сварки
такого рода изделий остаются такими же,
как и в описанных выше случаях: по-
Рис. 111.23. Сварка туб:
i — волновод; 2 — туба; 3 — опора
123

Рис. 111.24. Зависимость про*г-
ности шприц-тюбиков от
времени сварки tcB и
статического давления Рст при ультра»
звуковой сварке, равного:
/—1.5 МПа, 2 — 2,2; 3 — 3,5 4 -—
5 .МПа
v 1 2 3 k 5 tcg, с
вышение интенсивности режима приводит, согласно
зависимости (Ш.9), к уменьшению времени сварки; наибольшая
прочность достигается при полном передавливании свариваемого;
материала с одновременным обрезанием хвостовой части
изделия, вследствие чего на зависимости время сварки —
прочность наблюдается участок насыщения.
При выборе режимов сварки такого рода изделий следует
исходить не только из требований обеспечения максимальной
производительности процесса. Применение интенсивных
режимов сварки приводит к такому быстрому увеличению скорости
внедрения волновода в пластмассу, что полное передавливание
свариваемого материала происходит раньше, нежели
температура в зоне сварки достигнет необходимого значения, что
приводит к значительному понижению прочности сварных соединений.
В связи с этим амплитуда смещения не должна превышать
20—25 мкм.
Сказанное подтверждается зависимостью прочности
полиэтиленовых шприц-тюбиков от времени сварки и статического
давления, показанной на рис. 111.24. При увеличении статического
давления прочность соединения значительно (более чем в два
раза при изменении Рст от 1,5 до 5 МПа) уменьшается. Еще
больше влияет сварка при повышенных статических давлениях
на изменение прочности сварных соединений в зависимости ог
продолжительности хранения их в атмосферных условиях.
Скорость снижения прочности образцов, сваренных при небольших
статических давлениях (до 2 МПа), равна скорости уменьшения
прочности основного материала. Для соединений, полученных
при больших статических давлениях B,5 и 3 МПа),
наблюдается более интенсивный спад прочности. В последнем случае
прочность образцов практически понижалась до нуля уже наг
150-е сутки хранения.
Так как время, необходимое для передавливания тонких
образцов, меньше, чем толстых, то по причинам, указанным
выше, сварка тонкостенных изделий оказывается более
чувствительной к изменению давления, нежели сварка толстостенных
изделий. Например, если для тонких образцов @,3 + 0,3 мм)
различие между прочностью сварных соединений при Лш=0 для
малых и больших давлений существенно B кН/м и 3,25 кН/м
J I I [ I
124

при давлениях 2,5 МПа и 0,5 МПа соответственно), то для более
толстых образцов @,6 + 0,6 мм) это различие менее заметно
E,2 кН/м и 5,6 кН/м при тех же давлениях).
Понижение прочности сварных соединений с увеличением
статического давления может быть связано и с разнотолщин-
ностью туб, что довольно часто встречается на практике.
На прочность сварных соединений из полиэтилена
значительное влияние оказывает время проковки (выдержки под
давлением после отключения ультразвука). Так, при остывании
шва под нагруженным волноводом в течение 3 с прочность
соединения повышается на 40—45%.
Сварка деталей большой толщины
Как указывалось выше, толщина материалов при контактной
ультразвуковой сварке ограничена.
Одним из методов, позволяющих избежать этого
недостатка, является охлаждение деталей, в результате которого
повышается модуль упругости материалов, уменьшается
коэффициент затухания ультразвуковых колебаний, а следовательно,
снижаются потери энергии и температура объемов,
прилегающих к волноводу и опоре. При сварке полиэтилена охлаждение
следует производить до температур, соответствующих р-релак-
сационному процессу, обусловленному стеклованием аморфных
областей: для полиэтилена высокого давления — это 230 К, для
полиэтилена низкого давления — 247 К [48]. Переохлаждение
ниже указанных температур опасно, так как повышается
хрупкость материала и вероятность растрескивания его при
ультразвуковом воздействии. Такой метод позволяет увеличить
толщину изделий из полиэтилена, свариваемых ультразвуком, до
15+15 мм, при этом время сварки не превышает 3—4 с. При
достижении на границе раздела деталей температур сварюг
D50—490 К), температура в объемах, прилегающих к
волноводу, не превышает 320 К, поэтому остаточные вмятины на
поверхности деталей незначительны. Полная ликвидация вмятин
может быть достигнута, если одновременно с охлаждением
деталей проводить и охлаждение волновода.
Уменьшения остаточных вмятин при сварке мягких
пластмасс большой толщины можно достигнуть, используя цикл
сварки, когда давление при достижении определенной величины
осадки частично или полностью снимается.
Еще один способ заключается в применении ультразвуковой
сварки вытесненным расплавом (см. рис. 1.4) [15]. При сварке
полиэтиленовых пластин толщиной 2—2,5 мм таким способом,
оптимальным является режим: Л = 25 мкм; Рст=0,7ч-1,2 МПа;
давление дополнительного прижима деталей Рпр = 4,0—5,0 МПа;
деформация технологических деталей к концу сварки—5 0% от
их суммарной толщины. Высота б и ширина Ь зазора
выбираются из условия полного заполнения его расплавом технологиче-
12S

ских деталей. Так, для приведенных геометрии деталей и
условий сварки прочность сварного соединения, равная 90—95% от
прочности основного материала, достигается при 6 = 0,8-^-1,2 мм
и & = 4ч-6 мм. При 6<0,5 мм течение расплавленного
материала в зазоре затруднено, в него проникает лишь незначительная
часть материала, а основная его масса выдавливается вверх
рядом с инструментом, образуя наплывы на верхней детали, что
снижает прочность соединения. Аналогичная картина
наблюдается и при fc^3 мм. При б>1,5 мм, как и при Ь = 5 мм,
когда объем выдавливаемого материала меньше объема зазора,
происходит неравномерное его заполнение, причем на одних
участках зазор заполняется на всю ширину Ь, а на других
участках заполнение отсутствует.
При РСт<0,7 МПа скорость деформации уменьшается, что
приводит к перегреву материала и его деструкции. При
РСв>1,5 МПа разогрев материала недостаточен вследствие его
интенсивного выдавливания из зоны контакта технологических
деталей, что ведет к несплавлению со свариваемыми кромками.
СВАРКА ЖЕСТКИХ ПЛАСТМАСС
Общие закономерности и рекомендации
Для соединения жестких пластмасс (полистирола и его
сополимеров, полиметилметакрилата, винипласта, капролона
и др.), имеющих большой модуль упругости (?>2-103 МПа)
и небольшой коэффициент затухания колебаний, широко
применяются как контактная, так и передаточная ультразвуковая
сварка.
Как было показано в гл. II, преимущественный разогрев
границы раздела при сварке без разделки кромок жестких
термопластичных полимерных материалов обусловлен большими
значениями динамических напряжений, возникающих в
микронеровностях, по которым контактируют свариваемые детали.
Кроме того, если свариваемые поверхности имеют большую
протяженность, то сварка может происходить только в отдельных
точках этих поверхностей, являющихся местами
первоначального контакта свариваемых деталей.
При передаточной сварке качество сварного соединения,
производительность процесса, а в отдельных случаях и сама
возможность образования сварного соединения зависят от
соотношения геометрических размеров свариваемых деталей,
вида и геометрии разделки кромок зоны сварки. Поэтому при
конструировании изделий из жестких пластмасс под
ультразвуковую сварку необходимо в первую очередь пользоваться
рекомендациями по выбору оптимальных геометрических размеров
свариваемых деталей и разделок кромок, изложенными в гл. II.
При выборе формы разделки кромок деталей в зоне сварки
следует руководствоваться такими требованиями к готовой про-
126

Рис. 111.25. Типы разделки кромок при сварке жестких пластмасс:
а — открытая; б — закрытая; в — ступенчатая; г — ступенчатая для получения плотных.
швов
дукции из пластмасс, как прочность, герметичность, эстетичный
внешний вид.
Применяемые разделки кромок можно разделить на открытые
(рис. 111.25,а), закрытые, или гнездообразные (рис. 111.25,б),
и ступенчатые (рис. 111.25, в). Несмотря на разнообразие форм
разделок, общим для них является то, что одна из стыкуемых
деталей должна иметь выступ, опирающийся на плоскую
поверхность или входящий по всей длине в соответствующий паз
другой детали (см. рис. 111.25,а).
Стыкуемые детали должны иметь малую первоначальную
контактную поверхность, поэтому паз выполняется плоским,
а выступ — острым. Острие выступа должно контактировать
с соединяемой поверхностью на очень небольшой площади,
приближающейся к линии или к точке. Это способствует
концентрации механической энергии на выступе, ускоряет процесс
нагрева полимера и сварки.
Наилучшим, как отмечают большинство исследователей,
является V-образный выступ, выполняемый на верхней детали.
Нижняя деталь в этом случае имеет либо плоскую поверхность,
либо V-образный желобок. Высота выступа должна быть
больше глубины желобка на 0,03—0,05 мм. При таком типе
соединений достигается высокая текучесть пластицированного
материала под действием статического давления, и шов имеет
хороший внешний вид.
127

Открытые виды разделок (см. рис. 111.25, а) наиболее просты
© изготовлении и характеризуются свободным вытеканием
расплава в обе стороны сварного соединения с образованием
линии наплыва (грата) на внешних поверхностях. Такое
соединение обладает достаточной прочностью и герметичностью. Кроме
того, оно легко подвергается визуальному контролю, так как
образование линии наплыва вдоль шва является прямым
указанием на то, что сварка произошла.
В случаях повышенных требований к прочности и
герметичности соединения, а также если из эстетических соображений
выход наплыва на внешние поверхности недопустим, то следует
применять гнездообразные разделки (см. рис. 111.25,б).
Однако такие разделки требуют точной подгонки углубления на
одной из стыкуемых деталей к выступу на другой и тщательного
соблюдения величины зазоров, предназначенных для
заполнения расплавленным материалом.
Хорошие результаты обеспечивает и ступенчатая разделка
кромок (см. рис. 111.25,в), причем при правильно выбранных
величине V-образного выступа и зазорах наплыв на внешней
стороне деталей невооруженным глазом не виден.
Аналогичные разделки кромок следует применять и при
сварке по замкнутому контуру, например для соединения
крышек или донышек с емкостями. При изготовлении емкостей из
высококристаллических полимеров с высокой температурой
плавления для получения швов повышенной плотности
рекомендуется использовать разделку, показанную на рис. 111.25, г.
Расчет высоты V-образного выступа и зазоров зависит как
от теплофизических и реологических свойств термопластов, так
и от конструктивных особенностей свариваемого изделия.
Оптимальные величины их, приведенные на рис. 111.25 в зависимости
от толщины стенки деталей, установлены практическим путем.
Часто возникает необходимость жесткой посадки одной
детали в другую. Эту операцию можно качественно выполнить
ультразвуковой сваркой. Для этого на ввариваемой детали
делаются выступы (буртики), которые выполняют роль
концентраторов иапряжений и присадочного материала. Оптимальные
размеры буртика приведены на рис. 111.26, а.
Хорошие результаты получаются при расположении буртика
посредине ввариваемой детали. Если ввариваемая деталь имеет
Рис. III. 26.
Технологическая подготовка кромок в
случаях:
а — ультразвукового прессования
(а=0,01ч-0,25 мм, 6=0,25+-
-Н.25 мм, с=0,25-М,25 мм); б —
сварки в двух плоскостях
128

Рис. 111.27. Схема многоэлементной сварки
с различной площадью контакта V-образ-
ных выступов
жмШшйь
а.
большую высоту, то необходимо предусмотреть несколько
буртиков.
При сварке пластмассой детали прямоугольного сечения
с тонкостенной камерой на двух сторонах детали делают
треугольные выступы. Внешний размер ввариваемой детали
должен быть подобран так, чтобы после сварки он был равен
размеру камеры в свету. Деталь жестко вставляется в камеру,
стенки которой незначительно (на 0,3—0,5 мм) раздаются
наружу (рис. 111.26,б). Волновод устанавливается с одной
стороны камеры над V-образным выступом. После включения
ультразвука осуществляется одновременная контактная и
передаточная сварка выступов детали со стенками камеры. V-образ-
ные выступы расплавляются, и камера принимает свои
исходные размеры. Одновременно сварка нескольких слоев
термопластичных материалов сопровождается как большой деформацией
верхнего слоя, так и неравномерностью соединений между
слоями. Качество сварки можно существенно улучшить
соответствующей подготовкой стыкуемых поверхностей (рис. 111.27):
площадь контакта между отдельными слоями должна быть
рассчитана из условий равномерного распределения энергии в зонах
контакта. Изменить площадь контакта можно, варьируя
величину угла при вершине V-образного выступа или конструируя
выступы в форме трапеции с различной площадью основания.
Наличие разделки кромок оказывает существенное влияние
на кинетику образования сварных соединений жестких
пластмасс.
Анализ термических циклов и поперечных сечений сварных
образцов из жестких термопластов показал [6], что
образование сварного соединения в этом случае может происходить по
двум схемам: «с преимущественным внедрением» и «с
преимущественным оплавлением».
По схеме «с преимущественным внедрением» соединение
образуется за счет внедрения V-образного выступа в нижнюю
деталь без заметного его оплавления (рис. 111.28). Величина
внедрения может составлять от 1 до 3 мм и определяется в
основном углом разделки кромок. Так, при сварке тавровых
соединений из капролона В (размеры полки 15X15X6 мм, размеры
стенки 60X16X6) на толстой стальной плите в диапазоне ре-
9-271 129

Рис. 111.28. Внешний вид образца, сваренного
по схеме «с преимущественным внедрением»
жимов А = 35^-45 мкм и /7Ст = 4ч-6,7Н
преимущественное внедрение
наблюдалось при углах разделки менее 30°.
Внедрение может быть значительно
увеличено за счет предварительного
подогрева нижней детали, так как при
этом уменьшается сопротивление ее
пластическим деформациям.
При сварке «с преимущественным
оплавлением» (рис. 111.29) в течение
первых 0,3—1 с видимых
превращений в полимере не происходит, а затем начинается
интенсивное расплавление V-образного выступа, сопровождаемое
образованием грата, равномерно выдавливаемого по обе стороны
верхней детали (рис. 111,29, а). Уменьшение грата, улучшение
внешнего вида изделия и повышение прочности соединения
может быть достигнуто за счет принудительного затекания
размягченной массы полимера в специальные отверстия или
полости нижней детали (рис. 111.29,б).
Возможность протекания процесса сварки по схемам «с
преимущественным внедрением» или «с преимущественным
оплавлением» V-образного выступа объясняется тем, что при
абсолютной деформации деталей, меньшей амплитуды смещения
рабочего торца волновода, происходит отрыв последнего от
поверхности прилегающей к нему детали. Это, в свою очередь,
обусловливает ударное воздействие волновода на деталь.
Теплообразование здесь целиком связано с потерями на
внутреннее трение, что приводит к «оплавлению» разделки вследствие
концентрации в ней динамических напряжений.
Соединения, сваренные «с преимущественным оплавлением»,
обладают повышенной прочностью, поэтому их следует
применять при изготовлении изделий, которые в процессе
эксплуатации подвергаются значительным нагрузкам, таких, как бачки,
шаровые емкости и т. д.
Соединения, сваренные по схеме «с преимущественным
внедрением», могут быть использованы при изготовлении декора-
Рис. II 1.29. Сварка по схеме «с
преимущественным оплавлением»:
а — без принудительного затекания
расплавленного материала; б —с принудительным затеканием
расплавленного материала; / — свариваемые
детали; 2 — полость в нижней детали; 3 —
расплавленный материал
130

тивно-прикладных изделий, так как они характеризуются
минимальным гратообразованием. Более того, применение схемы
«с внедрением» дало возможность образовывать соединения из
несовместимых по своим теплофизическим свойствам
полимерных материалов за счет чисто механического сцепления. При
этом внедряться обязательно должен образец с большим
модулем упругости. Так, были получены соединения капролона В
с полистиролом, капролона В с полиметилметакрилатом и др.
Особое значение при изготовлении изделий из жестких
термопластов имеет однородность пластмассы. Если, например,
изделие изготовлено из отходов производства, в которых
содержится материал разных марок с различными красителями, то
при сварке за счет неоднородности акустических свойств может
происходить существенное уменьшение амплитуды смещения
по мере распространения колебаний через деталь к границе
контакта полимеров. В местах плохого смешивания возможна
концентрация ультразвуковых колебаний, приводящая к
тепловому разрушению (прожогу) изделия. Смешивание пластмасс
разных марок (особенно из отходов производства) приводит
также к некоторому увеличению времени сварки, а в отдельных
случаях — к ухудшению товарного вида изделия. Для
достижения лучшего качества сварного соединения в этих случаях
приходится переходить от передаточной сварки к контактной,
выбирая место подвода ультразвуковых колебаний возможно
ближе к плоскости соединяемых поверхностей.
Неоднородность свариваемых материалов может приводить
к тому, что из-за различия в температурах вязкотекучего
состояния оно будет достигаться только в отдельных местах
контактирующих поверхностей. Иногда не могут быть сварены
даже пластмассы, полученные на основе одного и того же
полимера, но с разными наполнителями.
Малогабаритные детали несложной симметричной формы,
такие, как цилиндры, конические изделия и изделия
прямоугольной формы, свариваются за один контакт волновода с
изделием, причем волновод устанавливается перпендикулярно к
свариваемым поверхностям, по оси симметрии соединения (рис.
III.30), а точка приложения волновода должна совпадать
с центром симметрии изделия.
Рис. Ш.ЗО. Расположение волновода при сварке деталей несложной формы

Сварка точечным волноводом с контактом в центре изделия
применяется обычно для круглых изделий диаметром до 120 мм.
При изменении формы изделий и контактной поверхности
можно использовать метод передаточной сварки и для изделия
большего размера.
При сварке изделий сложной конфигурации с неровной
контактной поверхностью (в виде гофр, сеток, решеток или какого-
либо рисунка) установка рабочего торца волновода в центре
изделия невозможна, поэтому следует использовать
наконечники специальной формы. Для сварки изделий сложной формы,
когда одноконтактная сварка невозможна, следует
использовать метод многоконтактной сварки. Для косметических сосудов
и емкостей, состоящих из корпуса и плотно входящей в него
крышки, размещение волновода на поверхности изделия
зависит от размера поперечного сечения и толщины стенки корпуса
и крышки. Поверхности, подлежащие сварке, должны быть
увеличены, чтобы исключить проминание и растрескивание
изделий при сварке.
Если деталь сложная и длина сварного шва значительна, то
количество точек и место введения ультразвуковых колебаний
определяются экспериментально. В зависимости от формы
литого изделия для сварки могут быть использованы волноводы
с плоской или фигурной рабочей поверхностью. В последнем
случае рабочий торец волновода прилегает к поверхности
свариваемых деталей, копируя ее форму. Это необходимо тогда,
когда нужно получить герметичный шов. Однако даже для
изделия сложной конфигурации следует отдавать предпочтение
точечным, а не контурным волноводам. Для различных случаев
следует иметь набор волноводов (рис. 111.31).
Рис. 111.31. Сварочные волноводы
132

Рис. 111.32. Фиксирующие штифты на
соединяемых деталях
Для того чтобы свариваемые
детали не сдвигались относительно друг
друга, их фиксируют штифтами (рис.
111.32). Для повышения прочности
шва длина штифтов должна быть
несколько больше (на 0,03—0,05 мм),
чем глубина отверстия. При этом
соединение не должно быть плотным, так как при плотном
соединении уменьшается возможность растекания размягченного
полимера.
На свариваемость жестких пластмасс большое влияние
оказывают условия хранения соединяемых деталей. Длительное
хранение деталей до сварки приводит к уменьшению прочности
сварного соединения. Особенно сильно понижается прочность
соединения при сварке деталей, длительно хранившихся в
атмосферных условиях. Сварку необходимо производить сразу же
после отливки деталей, при необходимости следует хранить
литые детали в темных холодных помещениях. Хранение деталей
в атмосферных условиях при наличии солнечной радиации,
влаги и т. д. недопустимо.
Сварка полистирола
Полистирол является материалом, по отношению к которому
ультразвуковая сварка оказалась уникальным процессом,
позволяющим в доли секунды получить качественное состояние,
полностью исключив процесс склеивания дихлорэтаном, толуолом,
бутилацетатом и другими вредными для организма человека
веществами.
В настоящее время выпускается блочный, суспензионный,
эмульсионный и ударопрочный полистирол. Ниже приведены
значения модуля упругости и ударной вязкости для
полистирола различных типов:
Показатели Блочный Суспензи- Эмульси- Ударопроч-
онный онный ный
Модуль упругости при 2700 3100 2600 2200
изгибе, МПа
Ударная вязкость, 18 20 22 24—35
кДж/м2
Ввиду того, что значения этих показателей резко
отличаются друг от друга, можно предположить, что акустическое
сопротивление этих материалов также различно. Поэтому для их
соединения используются разные параметры сварки. Сварка
полистирола при изготовлении изделий сложной формы изучалась
авторами [6]. Экспериментами установлено, что наилучшей
133

Рис. Ш.ЗЗ. Опоры, применяемые для ультразвуковой сварки (а, б, в —см.
текст):
/ — волновод; 2 — изделие; 3 — резиновая прокладка; 4 — опора
свариваемостью обладает блочный полистирол. Для получения
соединений той же прочности из полистирола других марок
требуется значительно большее время сварки. Благодаря
малому времени сварки при соединении деталей из блочного
полистирола в зоне соприкосновения волновода с изделием не
остается следов. Наихудшие результаты получены при сварке
ударопрочного полистирола, так как он имеет повышенный
коэффициент затухания колебаний и небольшой модуль
упругости.
Режимы сварки изделий из полистирола во многом
определяются формой и размерами (в частности, толщиной стенки)
свариваемых деталей. Амплитуда смещения рабочего торца
волновода может быть равна 20—40 мкм. Если амплитуда
смещения волновода слишком велика, то, как правило, происходит
размягчение и подплавление материала непосредственно под
волноводом или поломка изделия.
Статическое усилие прижима при использовании точечных
волноводов диаметром 15 мм находится в пределах от 20 до
400 Н. Для круглых контейнеров диаметром от 60 мм требуется
усилие прижима от 50 до 100 Н. Однако, если изделие имеет
тонкие стенки, давление должно быть доведено до минимума.
Для каждой партии изделий сварочное давление выбирается
практическим путем. Если давление слишком велико,
наблюдается растрескивание изделия по всему объему. Необходимо,
чтобы сварочное давление прикладывалось постепенно с
помощью пружинных или пневматических механизмов и не
менялось в процессе сварки. Как правило, применяется сварочный
цикл давление — ультразвук (с выдержкой изделия под
давлением после выключения ультразвуковых колебаний).
Амплитуда смещения волновода и давление выбираются
такими, чтобы время сварки не превышало 2 с. Изделия
небольших размеров могут быть сварены за доли секунды. Если
время операции превышает 3—5 с, то материал расплавляется
в месте соприкосновения волновода с поверхностью изделия.
При сварке шаров ультразвуком были использованы две
схемы подвода ультразвуковых колебаний: контактная (сварка
134

контурным волноводом)—рис. Ш.ЗЗ, а — и передаточная
(сварка точечным волноводом)—рис. Ш.ЗЗ, б. При контактной
сварке шаров по кольцу использовался также волновод трепано-
идальной формы и самоустанавливающаяся опора (рис.
Ш.ЗЗ,б). Диаметр рабочей поверхности волновода на 1 мм
был меньше наибольшего диаметра свариваемого шара, что
давало возможность вводить ультразвуковые колебания в
непосредственной близости от сварного шва. Недостаток схемы
заключается в том, что в месте приложения волновода на
изделии оставался след. При передаточной сварке шаров диаметром
до 40—50 мм из блочного полистирола использовались
следующие режимы: время сварки 0,6—1 с; сварочное давление 20 Н;
амплитуда колебаний 30—32 мкм. Для сварки шаров диаметром
80 мм и больше разработана схема подвода ультразвуковых
колебаний с двух сторон (см. рис. 1.11,а). Преобразователи
работают от одного генератора мощностью 400 Вт. При этом
используются точечные волноводы с амплитудой смещения
рабочих торцов, равной 30—35 мкм, время сварки — от 1 до 1,5 с. При
двустороннем вводе колебаний возможна сварка изделий из
блочного полистирола и из смеси блочного полистирола с
ударопрочным и суспензионным.
Хорошие результаты получаются при сварке полистирола по
схеме с фиксированной осадкой. При контактной сварке
пластин 5+5 мм из ударопрочного и суспензионного полистирола
оптимальная осадка зависит от интенсивности режима сварки:
жесткий режим — 0,025—0,03 мм; средний режим —0,05 мм;
мягкий режим — 0,08 мм. Для пластин из ударопрочного
полистирола сечением 25x5 мм2 при сварке ножевым волноводом
. поперек пластин оптимальная осадка зависит и от длины на-
г, мп а
0,05
0,10
0,15 А, мм
1,6 h, мм
Рис. 111.34. Зависимость прочности на срез т сварных образцов из
ударопрочного полистирола от осадки Л: длина нахлестки /н равна 3 мм A) и
5 мм B). Режим сварки: Л=30 мкм, Л>т=2,5 МПа
Рис. II 1.35. Зависимость прочности на срез т и времени сварки / от высоты
V-образного выступа при сварке ударопрочного полистирола. Режим
сварки: Л=30 мкм, Рст=2,5 МПа
135

хлестки /н. Так, для /н=3 мм достигалась максимальная
прочность т н асрез (рис. 111.34), равная 11 МПа при осадке больше
0,05 мм; для /н=5 мм достигалась т=10,8-ьПД МПа при
осадке 0,1—0,15 мм. При этом максимальная температура на границе
раздела деталей составляла 490—500 К независимо от длины
нахлестки. Температура под волноводом возрастала с
увеличением длины нахлестки с 380 К при ZH=3 мм до 400 К при /н =
= 5 мм, а время сварки составляло соответственно 1,6 и 1,9 с.
Аналогичные данные получены при сварке чистого блочного
полистирола толщиной 2,5+2,5 мм и полистирола,
дублированного поликарбонатной пленкой толщиной 0,05—0,08 мм. Было
установлено, что в обоих случаях оптимальная осадка
составляет 0,1—0,15 мм. При этом прочность соединений из чистого
блочного полистирола несколько выше (т=16,3 МПа), чем из
дублированного (т= 15 МПа). Общее время сварки чистого
блочного полистирола составляло 0,8—0,9 с, дублированного —
1,05—1,1 с.
Повышение прочности сварного соединения и
производительности процесса достигается применением V-образного выступа
и зависит от его высоты hB (рис. III.35). Так, если прочность
нахлесточных соединений из ударопрочного полистирола,
сваренных без разделки кромок, равна т= 11 МПа, то при hB =
= 0,3 мм т=12,5 МПа, а при /*в = 0,5 мм, т=13 МПа.
Максимальному значению прочности на срез соответствует /гв = 0,5-г-
-т-1,0 мм, дальнейшее увеличение высоты выступа ведет
к уменьшению т. Кроме того, при /iB>l,0—1,2мм наблюдается
подплавление полимера под рабочим торцом волновода.
Минимальному времени сварки соответствует /iB = 0,3 мм.
С увеличением высоты V-образного выступа также возрастает
и время сварки, причем при Лв^2 мм оно оказывается больше,
чем при сварке без разделки кромок. Это объясняется тем, что
при большой высоте выступа интенсивный разогрев полимера
под волноводом и внедрение его в поверхность детали
наступает раньше, чем произойдет полное расплавление и осаживание
V-образного выступа. В любом случае при сварке полистирола
с V-образной разделкой кромок максимальному значению
прочности соединения соответствует полное расплавление выступа и
последующая деформация зоны сварки на величину, равную
оптимальной осадке при сварке без разделки кромок, т. е. на
0,05—0,10 мм.
Большое влияние на качество соединений из полистирола
и производительность ультразвуковой сварки оказывают
красители и наполнители, вводимые в полимер [56, 57]*. Для
окрашивания пластмасс применяют органические пигменты и
жирорастворимые красители, а также неорганические красители.
В качестве наполнителей широко используются органические
* Исследования влияния красителей и наполнителей на свариваемость
проведены при участии Т. Г. Шавидзе.
136

и неорганические вещества в виде порошка, волокон, зерен из
карбоната кальция, кремния, слюды, криолита,
порошкообразной металлической пудры, асбеста, кварца, известняка, диоксида
кремния и т.д.
Основными свойствами красителей и наполнителей, которые
в той или иной мере влияют на прочность соединения и
производительность процесса, являются термостойкость, светопогодо-
устойчивость, дисперсность и укрывистость (способность
перекрывать цвет полимера).
Очевидно, что в материал изделий, предназначенных для
ультразвуковой сварки, должны вводиться термостойкие
красители, так как максимальная температура при сварке
полистирола может превышать 530—550 К. В этом случае в
качестве красителей целесообразно использовать органические
пигменты, обладающие высокой термостойкостью. При этом среди
них следует выбирать такие, которые в меньших
концентрациях дают нужный цветовой эффект. Например, широко
применяемый в концентрациях 1,5—2,02 г/кг пигмент «голубой фтала-
циониновый» с термостойкостью 480 К следует заменить на
пигмент «синий антрахиноновый ОА», для которого термостойкость
составляет 530 К, а нужный цветовой эффект достигается при
гораздо меньших концентрациях — 0,1—0,5 г/кг. При этом не
только ликвидируется выгорание красителей и деструкция
в этом месте пластмассы, но и повышается производительность
процесса и качество соединения [58].
Органические пигменты не всегда дают нужный цветовой
эффект, поэтому приходится применять менее термостойкие
D80—500 К) жирорастворимые красители. Но и в этом случае
следует выбирать такие красители, концентрация которых
могла бы не превышать 0,1—0,5 г/кг. При больших концентрациях
жирорастворимых красителей свариваемость ухудшается. Это
объясняется неспособностью к растворению довольно больших
молекул органических красителей в полимерной основе и
значительным их выгоранием. Так, например, используемый на
практике жирорастворимый краситель «красный» «Ж» в
концентрациях 2,5—3 г/кг может быть заменен на краситель
«темно-красный «Ж», который в концентрациях до 1 г/кг дает тот
же цветовой эффект и при этом не вызывает ухудшения
свариваемости материала.
При использовании неорганических красителей и
наполнителей важно, чтобы они обладали высокой укрывистостью и
дисперсностью, что снижает их концентрацию в полимере. Так как
неорганические вещества не растворяются в полимерной
основе, то для соблюдения однородности свойств по всему объему
изделия они должны быть равномерно распределены в ней.
Поскольку более равномерное распределение красителей и
наполнителей достигается при меньшей их дисперсности, то и
свариваемость при этом тоже улучшается. Экспериментально
установлено, что оптимальной концентрацией неорганических краси-
137

телей и наполнителей является 5—12 г/кг; отклонение от этих
значений в меньшую или большую сторону приводит к
понижению прочности сварных соединений [58].
В качестве примера неорганического пигмента-наполнителя
можно привести литопон, который позволяет получить белый
цвет, а в сочетании с другими красителями — разные
непрозрачные цвета. Порошкообразный литопон обладает невысокой
дисперсностью (размер частиц 1—3 мкм), недостаточной
кроющей способностью A20—140 г/м2), поэтому для получения
материала с требуемыми свойствами он добавляется в полимер в
концентрациях 20—25 г/кг. Такое большое количество
наполнителя затрудняет как отливку отдельных деталей, так и
получение прочного и качественного изделия. В результате
исследований для устранения указанных недостатков предложено
заменить литопон диоксидом титана. Последний также представляет
собой порошок белого цвета, но по сравнению с литопоном он
обладает более высокой дисперсностью (размеры частиц 0,2—
0,8 мкм) и кроющей способностью A5—25 г/м2), благодаря
чему для достижения нужного эффекта его можно вводить
в полимер в меньших — оптимальных концентрациях E—
10 г/кг). Кроме того, диоксид титана обладает большей
термостойкостью и светопогодоустойчивостью.
При использовании диоксида титана брак во время отливки
деталей уменьшается на 15%, прочность сварного соединения
увеличивается на 20%, а изменение прочности при длительном
хранении с воздействием различных климатических условий
значительно уменьшается.
При ультразвуковой сварке пластмасс по наиболее
распространенной схеме (рис. 1.2) передача энергии ультразвука к
границе раздела свариваемых изделий осуществляется через
деталь, непосредственно примыкающую к рабочему торцу
волновода. Это обусловливает ряд недостатков: вследствие
затухания энергии ультразвука в детали, примыкающей к волноводу,
к границе раздела подводится только часть вводимой
механической энергии, что уменьшает производительность процесса;
получение высококачественного соединения в ряде случаев
зависит от геометрии свариваемых деталей, что сужает
номенклатуру изделий, которые могут быть изготовлены с помощью
ультразвуковой сварки; невозможно получать стыковые,
тавровые и угловые соединения большой протяженности.
В связи с этим представляется целесообразным вводить
ультразвуковые колебания непосредственно в зону соединения
используя, например, сварку с применением присадочного
материала. Разделку кромок в этом случае можно производить
также за счет ультразвукового воздействия. Для этого при
стыковой сварке пластин их собирают встык без зазора, фиксируют
в таком положении с помощью зажимов и располагают под
волноводом таким образом, чтобы продольная ось рабочего торца
волновода совпадала с линией стыкаг Под действием статиче-
138

tool
к l
Рис. 111.36. Влияние диаметра d и | ?^~—^
числа п присадочных прутков на
коэффициент прочности Кпр. Значения 0}56
d (мм) и п соответственно:
/ — без присадки; 2 — 5,1; 1; 5 — 5,5; 1;
4-5,7; 1; 5 — 6.0; 1; 5-4,5; 2; 7-4,8; 2;
5-4,3; 3
Основной материал
Ш
i
1
I1
ь)
к
Rv]
ского и динамического ультразвукового усилий происходит
внедрение рабочего торца волновода в изделие и формирование
необходимой разделки кромок. .
Эксперименты показали, что вытеснение пластицированного
материала при этом происходит не только вверх с
образованием грата на поверхности деталей, но и вниз, в зону
контакта деталей, что приводит к провару корня шва. Началу течения
независимо от режима сварки соответствует внедрение
волновода на глубину около 1,5 мм, т. е. на 25% от толщины
деталей. Действительно, во всех случаях при таком внедрении
наблюдалось образование провара корня шва за счет
выдавленной в эту зону пластицированной массы. При несколько
большем внедрении, равном 2 мм, наблюдалось равномерное и
полное заполнение зоны контакта между деталями. Разрывная
нагрузка при этом составляла 0,56 разрывной нагрузки основного
материала. Из этого следует, что дальнейшее увеличение
глубины разделки нецелесообразно.
Заполнение разделки присадочными материалами привело
к повышению несущей способности сварных соединений (рис.
111.36). При этом несущая способность оценивалась по
коэффициенту прочности /Спр как отношение разрывной нагрузки
сварных соединений РР к разрывной нагрузке основного
материала Роен на образцах шириной 15 мм и длиной рабочей части
120 мм.
Из рис. 111.36 видно, что варьирование числа и диаметра
присадочных прутков не привело к существенному изменению
коэффициента прочности, значения которого колебались в
пределах 0,72—0,87. Такие колебания практически соответствуют
доверительным границам для генеральной средней при уровне
значимости а=0,5, рассчитанным с помощью критерия Стьюден-
та (пунктирные линии на рис. 111.36).
Таким образом, предлагаемая технология позволяет
получить достаточно прочные стыковые соединения с
одновременной разделкой кромок и заваркой корня шва. Способ обладает
рядом преимуществ перед существующими способами сварки
пластмасс с присадочным материалом [6, 7], так как отпадает
139

ff, мп а
&,МПа
20 30 ft, мкм
Рис. 111.37. Зависимость разрушающего напряжения стыковых сварных
соединений от вылета активного /Bi (Л 2) и пассивного 1в2 C, 4) стержней:
1 — А =35 мкм, /в2=1 мм; 2 —Л =20 мкм, *в2=1 мм; 3 — Л=35 мкм, /в1=25 мм; 4 —
Л =20 мкм, /в1=25 мм, Яст=1,0 МПа, Ясж=1,8 МПа, /в=0,5 мм
Рис. II 1.38. Зависимость разрушающего напряжения стыковых сварных
соединений от амплитуды A, 3) и статического давления сжатия B, 4):
/ —/>сж=1,8 МПа, /в2=1 мм; 2 —Л=35 мкм, /в2=1 мм; 3 —Рсж=1,0 МПа, /в2=Ю мм;
4 — Л =35 мкм, /в2=Ю мм, /в1=25 мм, /в=0,5 мм, Рсж = 1 МПа
необходимость механической разделки кромок, зачистки и
обезжиривания их, сборки деталей на прихватках или в
специальных приспособлениях, обеспечивающих необходимый для
сварки зазор между стыкуемыми кромками.
При стыковой сварке длинных стержней 6X15x200 мм из
ударопрочного полистирола хорошие результаты были получены
при использовании схемы с тангенциальным двусторонним
вводом колебаний и относительным перемещением элементов (см.
рис. 1.6)*. Прочность соединений и производительность
процесса в этом случае определяются не только основными
параметрами режима сварки, но и длинами вылета активного /в i и
пассивного /в 2 стержней, а также расстоянием /в от боковой
поверхности волноводов до зоны сварки (рис. III.37).
Увеличение длины активного стержня повышает, а
пассивного снижает значение разрушающего напряжения, что может
быть объяснено следующим образом. Преимущественную роль
в процессе теплообразования при сварке с относительным
перемещением элементов играет пограничное трение в зоне сварки.
Количество энергии, выделяющейся на контактирующих
поверхностях, пропорционально относительному смещению
свариваемых стыков. Увеличение /в 2 ведет к тому, что торец пассивного
стержня увлекается колеблющимся торцом активного стержня.
Относительное смещение между ними уменьшается, что
сказывается на тепловыделении в зоне сварки и в конечном итоге на
прочности шва. Следовательно, длина пассивного стержня
* Исследования проведены при участии Л. А. Бекмурзаева.
20
15
10
5
п
К__\
- ^Ч /^" 1
\ / гч
\уК^
- \х^^
—L_ 1 1 II
22,51
17,5\
12,5\
Щ
ад
140

с целью получения высокопрочного соединения должна быть
минимальной и составлять 1—3 мм.
Длина возбуждаемого ультразвуковыми колебаниями
активного стержня имеет оптимальную величину /В1 = 12ч-15 мм. При
меньших длинах (/Bi = 5-М0 мм) отдельные стержни
разрушались в зоне крепления, что являлось следствием действия в
процессе сварки повышенных динамических напряжений. После
увеличения длины стержня (/В1>10ч-12 мм) и применения в
зажиме резиновых прокладок разрушения в этой зоне не
происходило.
Уменьшение прочности соединения при сварке с
применением малых амплитуд (см. рис. III.37) связано с уменьшением
интенсивности теплообразования и существенным возрастанием
времени сварки. В результате длительного действия
ультразвуковых колебаний полимер между волноводами размягчается и
не передает энергию в зону сварки. Связь между амплитудой
и разрушающим напряжением имеет экстремальный характер
при /В2 = 1 мм, РСж=1,8 МПа, Л=35 мкм (рис. 111.38). При
увеличении вылета пассивного стержня и уменьшении давления
сжатия экстремум сдвигается в сторону больших амплитуд.
Такое изменение связи между а и А при изменении /в2 И /еж
является косвенным доказательством рассмотренного
механизма образования соединения. При малом вылете (/В2 = 1 мм)
с увеличением амплитуды растет и взаимное смещение
свариваемых элементов, что ведет к повышению скорости
теплообразования и резкому возрастанию температуры в зоне сварки.
Свариваемый полимер переходит в вязкотекучее состояние; этот
процесс ускоряется с ростом температуры. Расплав полимера
удаляется из зоны сварки совместным действием давления
сжатия и механических смещений. Очевидно, что увеличение
амплитуды смещений будет способствовать повышению скорости
роста температуры и удалению распада.
Снижение разрушающего напряжения при /В2 = Ю мм
(рис. III.38, кривая 3) является результатом недостаточного
тепловыделения в зоне сварки, обусловленного тем, что с
ростом /в2 уменьшается взаимное перемещение элементов.
Подтверждением этого является и то, что оптимальное давление
сжатия, соответствующее максимальному разрушающему
напряжению, уменьшается при увеличении вылета пассивного
стержня.
Исследования влияния статического давления Рст и
расстояния от зоны сварки до боковой поверхности волновода /в на
разрушающее напряжение сварных соединений показали, что
увеличение Рст свыше 1 МПа не влияет на а и что напряжение
разрушения практически не изменяется при варьировании /в
в пределах 0,5—4 мм.

Сварка полиметилметакрилата
Большинство исследователей относят полиметилметакрилат
(органическое стекло) к материалам, хорошо сваривающимся
как контактной, так и передаточной ультразвуковой сваркой.
Ультразвуковая сварка также широко применяется для
соединения сополимеров метилметакрилата с метилакрилатом (да-
крил-2М) и тройных сополимеров стирола с метилметакрилатом
и акрилонитрилом (МСМ-1, МСМ-2, МСМ-3) при изготовлении
приборов и светотехнической арматуры автомобилей
(катафотов-отражателей) (рис. 111.39).
Основная трудность, с которой приходится сталкиваться
при ультразвуковой сварке полиметилметакрилата, состоит
в том, что при сварке на интенсивных режимах максимальные
температуры могут превышать 580 К, т. е. температуру
разложения материала. Уже в первых работах i[44] отмечалось, что
сварка полиметилметакрилата должна протекать в интервале
температур 470—550 К, когда материал находится в вязкотеку-
чем состоянии. Однако поскольку скорость нагрева в интервале
температур от 340 К (переход из стеклообразного в
высокоэластическое состояние) до 490 К чрезвычайно велика и
составляет от 200—300 К/с (толщина образцов 10+10 мм; Л = 30ч-
—35 мкм; Рст=7,5 МПа; /=20 кГц) до 800 К/с (толщина
образцов 5 + 5 мм; Л = 48 мкм; Рст = 12 МПа; / = 20 кГц), то
мгновенно остановить процесс в области температур сварки
практически невозможно. Вследствие этого в сварных соединениях,
получаемых при интенсивных режимах, всегда наблюдаются
продукты деструкции.
Значения максимальных температур, развивающихся на
границе раздела деталей из полиметилметакрилата, еще в боль-
Рис. II 1.39. Изделия из жестких пластмасс, сваренные ультразвуком
142

Рис. 111.40. Зависимость прочности на
срез т (/), на растяжение о* B),
максимальных температур C) и времени
сварки /ев D) образцов из полиметил-
метакрилата от статического усилия
FCT; A = 15 мкм
шей степени зависят от
статического давления, чем для
полиэтилена. Приложение Рст>
>2МПа приводит к такому
интенсивному процессу
выдавливания материала из зоны сварки,
что поступающие в нее новые
порции материала не успевают
прогреваться. Так, при Рст = 4 МПа температура в зоне сварки
не превышает температуры высокоэластического состояния.
Вследствие этого прочность сварных соединений сильно
уменьшается при увеличении давления.
Учитывая сказанное, сварку полиметилметакрилата следует
вести на мягких режимах, когда А^20 мкм и Рст<1,5 МПа.
Однако низкий уровень давления не позволяет в полной мере
развиться объемным взаимодействиям в зоне сварки. Поэтому
для получения качественного сварного соединения следует
применять цикл сварки (см. рис. Ш.6,в) с переменным
давлением, увеличивающимся после отключения ультразвука. Такой
цикл позволяет повысить прочность соединения деталей из да-
крила-2М при изготовлении автомобильных
катафотов-отражателей в 1,2 раза, а производительность процесса — в 1,5—2 раза
по сравнению с таковой в процессе сварки при постоянном
давлении.
Для стабилизации температуры в области вязкотекучего
состояния можно использовать цикл сварки с уменьшением
амплитуды смещения после достижения этого состояния на 30—
50% от исходного значения. Так, прочность образцов,
сваренных с изменением амплитуды от 20 до 10 мкм спустя 0,4 с
после начала сварки при общем времени 1 с, составила 90—100%
от прочности основного материала; разброс значений прочности
от номинала не превышал 15%; в зонах соединения и контакта
с волноводом грат отсутствовал [59].
Аналогичные зависимости наблюдаются и при сварке
полиметилметакрилата с разделкой свариваемых кромок. На
рис. 111.40 показаны зависимости прочности на срез т и на
растяжение а, максимальных температур Т и времени сварки /Св
от статического усилия Fcr при сварке цилиндрических
образцов (размеры указаны на рисунке) с конусообразной разделкой
кромок. Видно, что при амплитуде 15 мкм наблюдается ярко
выраженное снижение конечных температур процесса в
интервале статических усилий 15—60 Н. Так, при Рст=30 H конечная
*св.с б;?, МПа
0U 0"
АЬЗО
143

PjMM
i I
P—I
Пластина
Рис. 111.41. Зависимость
ширины прозрачного
участка Р от высоты
V-образного выступа h
при А = 25 мкм, РСж =
=0,8 МПа, y=90°, c=
=0,4 мм:
/ — вкладыш с одним
выступом; 2 — вкладыш с двумя
выступами одинаковой
высоты; 3 — вкладыш с
выступами разной высоты (/ii =
=0,7 мм; h2=\,\ мм)
0,3 0,5 0,7 0,9 р
tl,MM
температура достигла 500 К, а при ^7=100 Н она снизилась до
450 К. Прочность на растяжение и на срез вследствие этого
монотонно уменьшается с ростом статического усилия.
Многоэлементные изделия из полиметилметакрилата могут
успешно свариваться методом ультразвуковой впрессовки
вкладышей в постоянный или переменный зазор (см. рис. 1.9).
Например, в изделиях, состоящих из ряда пластин, установленных
параллельно друг другу, последние соединяются между собой
путем последовательной впрессовки вкладышей с одним или
несколькими V-образными выступами с обоих торцов изделия^
Сварка производится по схеме с фиксированной осадкой, равной
высоте вкладыша. При таком способе соединения качество
сварного шва и производительность процесса зависят не только от
основных параметров режима, но и от величины зазора с между
пластинами, высоты h и угла ф ори вершине V-образного
выступа и числа выступов. Качество сварки в этом случае может
оцениваться по ширине прозрачного участка в зоне соединения.
Если между отдельными элементами произошло только
частичное оплавление, то прозрачность шва уменьшается в результате
преломления и рассеяния лучей света на границах воздушных
прослоек; если полимер в зоне шва перегрет, т. е. произошла
термодеструкция, то прозрачность снижается за счет того, что
полимер желтеет.
На рис. 111.41 представлены зависимости ширины прозачно-
го участка Р сварного шва от высоты h V-образного выступа и
числа выступов. Видно, что для одного выступа, а также для
двух выступов одинаковой высоты наибольшая ширина
прозрачного участка соответствует высоте выступа /г = 0,5-ь 1,0 мм.
Лучшие результаты достигаются при выполнении выступов разной
высоты, причем fti = 0,7 мм, а А2=1,1 мм. При этих размерах
оптимальная величина зазора между пластинами, обеспечивающая
разрушение по основному материалу, составляет 0,4—0,7 мм.
Оптимальные значения угла при вершине V-образного
выступа лежат в пределах ср = 80—90°. При малых значениях ф мо-
144

жет происходить срез выступа за счет совместного действия
статического давления и ультразвука. При больших значениях ф
наблюдается защемление вкладыша между свариваемыми
пластинами и его оплавление в зоне контакта с волноводом.
Последнее наблюдается также при значительном увеличении
амплитуды смещения. Так, при Л = 40 мкм оплавляется около 38—50%
от общей высоты вкладыша. Поэтому впрессовка деталей из по-
лиметилметакрилата должна, как и сварка, проводиться в не
слишком интенсивных режимах: Л = 25-ь30 мкм, РСт = 0,4-ь
ч-0,5 МПа. При этом время впрессовки составляет не более 2—
2,5 с.
Для ультразвуковой сварки полиметилметакрилата может
применяться предварительная обработка свариваемых
поверхностей растворителями (дихлорэтаном, хлороформом, толуолом
и др.). При этом в достаточно широком диапазоне режимов
(Л = 40-т-50 мкм, РСт = 3,0ч-5,0 МПа) можно получить
соединения, равные по прочности основному материалу. Оптимальное
время действия растворителя /р>4 мин, при этом время
ультразвукового воздействия сокращается в 4—5 раз по сравнению с
временем сварки не обработанных растворителями деталей.
Сварка винипласта
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: Л = 40ч-70 мкм; FCT =
= 1,2-*-1,3 кН; ?Св=1,3-ь2 с [44]. 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.
Использование метода точечной ультразвуковой сварки при
изготовлении крупногабаритных панелей из винипласта позво-
10—271
14S

ляет увеличить производительность процесса соединения
приблизительно в 10 раз по сравнению с производительностью при
сварке газовыми теплоносителями с присадочным прутком.
Несколько худшие результаты получаются при сварке на-
хлесточных соединений ножевыми волноводами поперек
нахлестки. В этом случае прочность на сдвиг может быть
повышена более чем в 2 раза, а разброс прочностных показателей
уменьшен за счет зачистки свариваемых поверхностей грубой
шкуркой:
Прочность на сдвиг, кН
максималь-
минимальная ная
Сварка без зачистки поверхности 2,25 0,95
Сварка с зачисткой поверхности 3,50 1,90
Примечание. Число испытанных образцов 15; толщина листов 5+5 мм;
статическое усилие 1 кН; амплитуда 48 мкм; время сварки 5 с.
Стыковая сварка листов из винипласта может
осуществляться по схеме, показанной на рис. 1.5, причем используются
различные конструкции стыкового соединения [16].
При сварке образцов с «замковой» конструкцией соединений
(см. рис. 1.5,6) шов образуется в основном на верхней
вертикальной A—2) и горизонтальной B—3) поверхностях стыка.
На нижней вертикальной поверхности C—4) наблюдается лишь
схватывание на отдельных участках. При В = 0,7 б появляются
непровары в нижней части поверхности A—2). Изменение
величины нахлестки от / = 2 мм до 1 = В приводит к повышению
прочности стыка, которое продолжается до тех пор, пока
сохраняется условие D>/. При D<1 прочность стыка снижается.
Создание на поверхности 1—2 и 3—4 концентраторов
напряжения (см. рис. 1.5, г) не приводит к заметному изменению
прочности стыка. Разрушение образцов чаще всего происходит на
участке X при В = 0,5 6.
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 у. 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/Z) = l
заметного изменения прочности соединений не наблюдается. При
Y = 30° сварка стыка затруднена из-за смещения (в результате
действия РСт свариваемых деталей относительно друг друга и
146

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 = @,5-ь0,7) Рст [16].
Сварка капролона*
Капролон В является конструкционным материалом,
имеющим высокие прочностные характеристики [60]. 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 относительна
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 h и S^ в выражениях A1.26') и A1.27),
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. 111.42 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 об-
* Исследования проведены при участии А. Н. Советова.
10*
147

?разм>с &,МПд
5Эф,л/м^ Рис. 111.42. Зависимость времени
до начала размягчения V-образ-
ного выступа tv&3M (/)> прочности
а B) и эффективной площади
5Эф C) тавровых соединений
капролона В от угла раздела
кромок у
20 30 40 50 60 70 Г,грай
разовании 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 — 20X15Х
Х6 мм, стенка — 60X15X6 мм. Значения прочности,
отложенные по оси ординат на рис. 111.42, соответствуют разрывному
усилию, отнесенному к площади поперечного сечения стенки
таврового соединения.
Из рис. 111.42 следует, что оптимальный угол скоса V-образ-
ного 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-об-
разного 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
J 48

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 [60]. Колеса (рис. 111.43) состоят из опорного
диска с лопатками и покрывающего диска. На лопатках
отливают штыри-заклепки, которые при сборке входят в
соответствующие отверстия на покрывающем диске. Соединение
осуществляют путем оплавления штырей-заклепок в раззенкован-
Рис. II 1.43. Рабочее колесо
центробежного насоса и
схемы его сварки:
а — контурным волноводом; б —
заклепками
149

ный в покрывающем диске объем. Высоту заклепок следует
выбирать из условия заполнения объема зенковки, который
должен составлять 75—125 мм3. Диаметр заклепок составляет 4—
5 мм, число заклепок выбирается по методике, изложенной в
работе [60].
После сварки с поверхности покрывающего диска должны
быть удалены наплывы, а также производиться чистовая
механическая обработка.
СОЕДИНЕНИЕ ТЕРМОПЛАСТИЧНЫХ ПОЛИМЕРНЫХ
МАТЕРИАЛОВ С МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ
И НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИМИ МАТЕРИАЛАМИ
До последнего времени соединение деталей из
термопластичных и нетермопластичных полимерных материалов или деталей
из термопластов с металлическими деталями осуществлялось
посредством склеивания или внедрения металлической детали
в предварительно нагретую деталь из термопласта. В некоторых
случаях соединение осуществлялось за счет введения
металлической детали в деталь из термопласта при помощи сверления или
фрезерования последней. Однако такие методы соединения
малопроизводительны и часто сопровождаются деформацией и
растрескиванием детали из термопласта. Более надежными и
производительными являются методы соединения с помощью
ультразвука (рис. 111.44). Эти методы позволяют получить
соединения, осуществляемые: 1) посредством ультразвуковой
запрессовки металлических деталей в деталь из термопласта
(рис. 111.44,а); 2) при помощи термопластичных заклепок
(рис. 111,44,б); 3) при помощи винтов, устанавливаемых в
отверстия с резьбой, полученной с помощью ультразвукового
формования (рис. 111.44, в).
При запрессовке металлических деталей в термопласте
предварительно сверлят отверстие, которое служит в качестве
направляющего. Форма запрессовываемой детали выбирается с
учетом того, чтобы после ведущей части, диаметр которой
несколько больше диаметра отверстия, высверленного в
термопласте, имелась полость для затекания избыточного пластици-
рованного материала. Этим устраняется образование наплыва и
заусенцев на поверхности изделия.
Рис. II 1.44. Соединение
пластмассовых деталей с
металлическими при помощи
ультразвука:
а — ультразвуковая запрессовка;
б — соединение термопластичными
заклепками; в — формование
резьбы;
1 — волновод; 2 — пластмассовая
деталь; 3 — металлическая деталь
J 50

0,3 Н,ММ
Рис. 111.45. Зависимость
удерживающей силы Q арматуры от
величины натяга Я:
а — арматура с насечкой и
поднутрением; б — арматура с кольцевой
канавкой; в — гладкая арматура.
Термопласт — полистирол, арматура — Ст. 3
Перед запрессовкой
деталь устанавливают таким
образом, чтобы ее
продольная ось совпадала с осью
отверстия. После
приложения статического давления
включается ультразвук, вследствие чего выделяется тепло в
зоне контакта металлической и пластмассовой деталей. По мере
размягчения термопласта происходит погружение в него
металлической детали под действием статического давления и
вытеснение пластицированного материала в полость между
стенками деталей. После выключения ультразвука
расплавленная масса затвердевает, и благодаря усадке, возникающей в
процессе охлаждения, металлическая деталь прочно
закрепляется в ней (см. рис. 111.44,а). Для предотвращения смещения
металлической детали и для точного внедрения ее в
пластмассу на нижней части детали необходимо иметь продольные или
поперечные направляющие или канавки.
Усилие вырыва запрессованной детали-арматуры из
пластмассовой детали зависит от конструкции арматуры и величины
натяга (рис. 111.45). Наименьшее усилие вырыва соответствует
гладкой арматуре (рис. 111.45, кривая в). Оформление канавки
и нанесение насечки на выступающие части арматуры
приводит к значительному увеличению усилия вырыва (рис. 111.45,
кривые а и б). Оптимальная величина натяга для всех
конструкций арматуры составляет 0,3 мм; при большем натяге
может наблюдаться образование трещин в зоне запрессовки.
При постоянной величине натяга усилие вырыва арматуры
из пластмассовой детали больше для полимеров с высоким
модулем упругости и составляет, например, для ударопрочного
полистирола 0,95 кН, полипропилена — 0,5 кН, полиэтилена
высокой плотности — 0,38 кН.
При малой высоте арматуры, когда выполнение канавок й
насечек нецелесообразно, можно использовать способ с
применением специальной формы рабочего торца волновода
(рис. 111.46). Последний имеет выборку, в центре которой
выполнена, пяточка, опирающаяся в процессе запрессовки на
арматуру и передающая ей ультразвуковые колебания.
Периферийные кромки рабочего торца волновода опираются при этом
на выступы пластмассовой детали, оплавление которых
приводит к заплавлению поверхности арматуры слоем пластмассы,
что значительно повышает усилие вырыва.
15!

Рис. 111.46. Схема ввода
металлической арматуры, имеющей
небольшую поверхность, в
пластмассу с помощью ультразвука:
/ — начало ввода; // — окончание
ввода; /// — собранный узел; / —
волновод; 2 — арматура; 3 — пластмассовая
деталь, 4 — опора; а, б, в — рабочие
поверхности волновода; г —
поверхность арматуры; д — слой пластмассы
Другой разновидностью
запрессовки металлов
является ультразвуковое
формование. В этом случае
металлические детали
различного профиля вводятся
непосредственно в пластмассу при помощи специальных
волноводов, имеющих соответствующий профиль рабочего торца.
Формование начинается в тот момент, когда металлическая и
пластмассовая детали прижимаются друг к другу. Под
действием ультразвуковых колебаний пластмасса плавится, и в нее
запрессовывается металлическая деталь. После отключения
ультразвука пластмасса затвердевает, в результате чего
получается прочное неразъемное соединение. Формование может
быть выполнено и термическими методами, но ультразвуковой
метод более производителен и обеспечивает более прочное
соединение. Это достигается за счет того, что при
ультразвуковом методе внедрения легче регулировать процесс
расплавления пластмассы, так как выделение тепла локализовано в зоне
контакта термопласта с металлической деталью. Термическое
внедрение занимает 30—50 с, а ультразвук позволяет получить
соединение лучшего качества менее чем за 1 с.
Благодаря локальному плавлению основная масса деталей
остается достаточно холодной, так что в процессе обработки их
можно держать в руках. Для удобства формования детали
укладываются в специальные приспособления — кондукторы.
Применение их дает возможность автоматизировать процесс
ультразвукового формования.
При заклепочном соединении металлических деталей с
пластмассовыми в первой детали делают отверстие, а во второй —
стержень заклепки, выполненный заодно с деталью.
Металлическую деталь надевают на этот стержень, а в выступающую из
детали часть стержня вводят ультразвуковые колебания. В
результате стержень заклепки размягчается и деформируется
волноводом. Придавая рабочему торцу волновода различную
форму, например, делая одно или два полусферических углубления,
можно получать замковое герметичное соединение с
замыкающей головкой различной конфигурации (см. рис. 111.44,б).
Отличительной особенностью процесса является то, что только
один из соединяемых элементов нагревается до температуры
'плавления, тогда как температура второго элемента остается
J 52

неизменной. Основными преимуществами соединения являются
высокая скорость формообразования замыкающей головки и
повышенная прочность заклепки по сравнению с орочностью
основного материала; кроме того, пластмасса не налипает на
рабочую поверхность волновода, как при расплавлении
пластмассового стержня паяльником.
При соединении с помощью винтов в детали из термопласта
предварительно формуется резьбовое отверстие. Для этой цели
сначала сверлится отверстие, диаметр которого меньше
наружного диаметра резьбы (например, для резьбы М4 делается
отверстие диаметром 3,2 мм). Это отверстие служит для
первоначальной фиксации металлического винта и дальнейшего его
внедрения в термопласт. Под воздействием ультразвуковых
колебаний, вводимых через головку винта, и статического
давления полимер разогревается до вязкотекучего состояния. По мере
продвижения винта в пластмассу расплавленный полимер
обволакивает канавки резьбы и после выключения ультразвука
затвердевает, приобретая форму резьбы. Продолжительность
запрессовки винтов М4 в отверстия диаметром 3,2 мм
составляет около 0,8 с при силе прижима около 150 Н. Изготовленная
таким образом резьба выдерживает многократное ввинчивание
и вывинчивание металлических винтов.
ИЗГОТОВЛЕНИЕ НЕТКАНЫХ ПОЛОТЕН
За последние годы исключительно большое значение
приобрели изделия из химических волокон, в частности нетканые
полотна. Сущность технологических процессов изготовления
нетканых полотен заключается в получении волокнистых холстов
и создании между волокнами достаточно прочных связей.
Авторами '[61] предложен способ изготовления нетканых
полотен, согласно которому волокна холста, ориентированные
или расположенные хаотически, скрепляются посредством
ультразвуковой сварки. При этом холст может состоять из
термопластичных волокон (полипропилена, капрона, лавсана и др.)
или из смеси их с хлопком, вискозой, шерстью и другими
нетермопластичными волокнами.
Поскольку волокнистые холсты характеризуются большим
коэффициентом затухания колебаний, то их скрепление может
производиться по схеме контактной ультразвуковой сварки. Для
непрерывного осуществления процесса наиболее приемлем [61]
способ шовной сварки с шаговым перемещением материала, так
как в этом случае предотвращаются деформации и разрывы
неукрепленного холста как в процессе сварки, так и в процессе
транспортирования готового материала на заданный шаг. При
этом сварные швы могут укладываться как в направлении,
перпендикулярном продольной оси холста, так и под острым углом
к оси (рис. III.47,а, б). Протяженные швы могут быть
получены при использовании нескольких сварочных головок, установ-
153

Рис. 111.47. Схемы расположения сварных швов при изготовлении нетканых
полотен (а, б) и схема расположения сварочных волноводов (в):
1 — волокнистый холст; 2 — сварные швы; 3 — волноводы
ленных таким образом, чтобы обеспечивалось необходимое
перекрытие сварных швов (рис. 47, в).
Характер термических циклов при сварке волокнистых
холстов сходен с характером термических циклов при сварке
сплошных материалов. Критическая температура перехода к
интенсивному разогреву равна 400 К для полипропиленовых и
510 К для полиэтилентерефталатных волокон.
Оптимальные режимы сварки холстов следующие: для хол:
стов, сформированных из полипропиленовых волокон Л =
= 27 мкм; РСт = 3,5 МПа; ?Св = 0,26 с; для холстов,
сформированных из полиэтилентерефталатных волокон А = 30 мкм; РСт =
= 3,5 МПа; tCB = 0,3 с.
;На рис. 111.48 показаны результаты экспериментов по
изучению влияния отклонения времени сварки от оптимального
значения на разрывное усилие сварных швов, полученных при
сварке холстов, сформированных из полипропиленовых
(рис. 111.48, а) и полиэтилентерефталатных (рис. 111.48,6)
волокон.
Все кривые, представленные на рис. 111.48, имеют четко
выраженный максимум, соответствующий оптимальному режиму.
Отклонение параметра t ев от оптимального значения как в
сторону увеличения, так и в сторону уменьшения приводит к
снижению разрывного усилия шва. Это особенно заметно в случае
сварки холстов, выполненных из полипропиленовых волокон,
для которых отклонение параметра /Св на ±10% приводит к
снижению разрывного усилия шва также на 10%. В случае
сварки холстов, выполненных из полиэтилентерефталатных
волокон, уменьшение прочности с увеличением времени сварки /Св
происходит менее заметно. Например, рост времени
пропускания ультразвукового импульса относительно оптимального
значения практически не приводит к снижению прочности.
При сварке волокнистых холстов наблюдается описанное
выше явление автостабилизации толщины шва. Это
подтверждается тем, что с увеличением значения того или иного
параметра разрывное усилие сварных швов не уменьшается до нуля. На
154

всех кривых (см. рис. 111.48) за участком, соответствующим
падению разрывного усилия, следуют участки, соответствующие
тем значениям параметров режима сварки, ори которых
разрывное усилие практически не изменяется. Поскольку изменение
разрывного усилия в основном обусловлено утонением
полимерного материала в процессе сварки, очевидно, что толщина
шва не изменяется при сварке на этих режимах.
Действительно, не удалось зафиксировать толщину шва менее 18 мкм даже
при больших значениях /Св (см. рис. 111.43). Снижение
разрывного усилия с увеличением параметра сварки относительно
оптимального значения нельзя объяснить только утонением шва.
Из данных, приведенных на рис. 111.48, следует, что разрывное
усилие с увеличением времени сварки от 0,3 до 0,4 с
уменьшается почти в 4 раза, в то время как толщина швов уменьшается
при этом только в два раза. Такой характер рассматриваемых
кривых связан, очевидно, со структурными изменениями,
происходящими в волокнистом материале под действием
ультразвуковых колебаний.
При сварке холстов из полипропиленовых волокон
происходит переориентация кристаллитов и образование а-текстуры,
сопровождающиеся релаксацией полимерных цепей и
возникновением внутренних напряжений. Эти процессы приводят к росту
дефектности кристаллитов, о чем свидетельствует уширение
рефлексов на дифрактограммах, и к образованию микротрещин,
что в конечном счете и обусловливает снижение разрывного
усилия сварных швов.
\$мкн
0,10,16 0,2 0,3 0,33 0,4 tCB,C 0,1 0,2 0,3
Рис. 111.48. Зависимость разрывного усилия — расчетная (У) и
экспериментальная B) и толщины шва C) от времени сварки *св:
а — полипропилен (А =27 мкм, Рст«=3,5 МПа); б — полиэтилентерефталат (А =30 мкм,
Рст=26,6 МПа). Вертикальными линиями со штриховкой ограничены области
оптимального режима сварки
155

Для полиэтилентерефталатных волокон при времени сварки
0,2—0,5 с существенных изменений в структуре не происходит.
Этим и объясняется незначительное изменение разрывного
усилия с увеличением времени воздействия ультразвуком.
Кроме того, понижение прочности соединений волокнистых
холстов может быть связано и с макродефектами в сварных
швах.
Дополнительные параметры режима сварки оказывают
меньшее по сравнению с основными параметрами влияние на
разрывное усилие сварных швов.
При изучении влияния материала волновода на разрывное
усилие сварного шва для исключения влияния временного
фактора сварка образцов производилась спустя 1 ч шосле работы
акустической системы на холостом ходу с перерывами между
ультразвуковыми импульсами 0,3—0,5 с. При этом были
отмечены следующие температуры разогрева волноводов (при
температуре окружающей среды 296К): стального волновода —
+ 333 К, дуралюминевого Ь303 К, титанового Ь 311 К.
При испытании сварных швов оказалось, что разрывное
усилие швов, выполненных волноводами, изготовленными из
стали 45, почти на 10% ниже, чем разрывное усилие швов,
выполненных титановыми волноводами.
Форма опоры практически не влияет на величину
разрывного усилия. В то же время материал опоры оказывает
существенное влияние на этот показатель. Так, сварка на текстолитовой
опоре приводит к "понижению разрывного усилия шва почти на
15% по сравнению с разрывным усилием швов, выполненных
на металлической опоре. Увеличение толщины опорной плиты
свыше 20 мм нецелесообразно, так как это не приводит к
повышению разрывного усилия сварного шва.
Очевидно, снижение разрывного усилия швов при
использовании стальных волноводов и опор из материалов с малой
теплопроводностью объясняется ухудшением теплоотвода из
зоны сварки и перегревом материала шва.
Возможно получение нетканых оолотен посредством
ультразвуковой сварки холстов, состоящих из смеси термопластичных
волокон с хлопковыми, вискозными, шерстяными и другими
нетермопластичными волокнами. В этом случае расплавленная
термопластичная составляющая обволакивает
нетермопластичные волокна, тем самым образуя прочное соединение.
Эксперименты показали, что с увеличением содержания
вискозных волокон прочность падает практически линейно.
Предельно допустимое содержание вискозных волокон — 65%. При
большем содержании вискозных волокон практически не
удается получить сколько-нибудь прочные сварные швы.
Разработанные нетканые материалы по своей структуре
близки к нашедшим широкое применение фильтровальным
материалам из ультратонких волокон (стеклянная ткань из ульт-
156

ратонкого стеклянного волокна, материала ФП и др.), поэтому
они могут быть использованы, в частности, для фильтрации
газовых сред от аэрозолей.
ИЗГОТОВЛЕНИЕ ЩЕТОЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ*
Щеточные элементы из полимерных моноволокон широка
применяются в хлопкоуборочной и хлопкоочистительной
технике, в машинах для уборки и переработки зерна, чесальных и
красильных машинах текстильного производства, моющих и
очистительных машинах автомобильной, металлургической и
других отраслей промышленности. В основном применяются
щеточные элементы из капроновых моноволокон, обладающих
значительной износостойкостью.
До недавнего времени основным способом изготовления
щеточных устройств являлся кустопосадочный способ, когда
щеточный элемент-куст закреплялся в щеткодержателе
неразъемным соединением. Недостатком этого способа является то, что
при износе щетины приходится производить замену всего
щеточного устройства. Поэтому все большее внимание уделяется
разработке конструкций и технологии процесса изготовления
сменных щеток, которые можно было бы менять без замены
щеткодержателей.
Для производства сменных щеток, например, в
хлопкоуборочной и хлопкоочистительной технике используются в
основном два способа: сборка щеток в металлических планках и
изготовление щеток на термопластавтоматах. В первом случае
заготовка, представляющая собой набор капроновых
моноволокон, обжимается металлическими планками. Недостатками
этого метода является большой расход металла, низкая
технологичность процесса изготовления и большое количество
крепежных деталей, необходимых для крепления щеточных планок к
щеткодержателю. Во втором случае щетка изготавливается с
профильным утолщением, соответствующим профилю паза
щеткодержателя (рис. 111.49). Профильное утолщение
формируется из полиэтилена в специальных пресс-формах на
термопластавтоматах. Выбор полиэтилена обусловлен его хорошими
литьевыми свойствами. Однако адгезия полиэтилена к
капроновому волокну незначительна, поэтому для достижения
необходимой прочности закрепления волокна в профильном утолщении
набор волокон перед заливкой сжимают по всей плоскости,,
кроме периферийных зон, подвергающихся заливке. Из-за
ограниченности усилий прижима одновременно на одном термо-
пластавтомате можно залить не более восьми наборов. К
Другим недостаткам этого метода следует отнести низкую точность
изготовления, недостаточную работоспособность щетки, прояв-
* Исследования проведены при участии П. А. Мальганова, Ю. И. Хошеваг
В. Н. Тихонова.
15?

Рис. 111.49. Внешний вид барабанного
щеткодержателя. Пояснение в тексте
ляющуюся в осыпании ее в процессе
эксплуатации, и сложности,
связанные с автоматизацией процесса. Так,
например, при изготовлении щеток на
термопластавтоматах доля ручного
труда составляет около 50%.
Указанных недостатков можно избежать, применяя для
изготовления щеточных элементов ультразвуковую сварку.
Простейшая технология [62] предусматривает
ультразвуковую прессовую сварку в поперечном направлении набора из
капроновых моноволокон, периодически подаваемого под
волновод, и последующую резку набора, в результате чего
получается щетка. Щетка состоит из рабочей части, сварного шва
и-хвостовика (см. рис. 111.49). Сваренным концом она
вставляется в прорезь паза щеткодержателя, профиль которого
соответствует профилю -сварного шва, и удерживается в нем за счет
заклинивания хвостовика в прорези.
При выборе режимов сварки в этом случае следует также
исходить из соображений обеспечения максимальных значений
производительности процесса и усилия вырыва волокна из
щетки.
Изменение толщины шва в пределах 1,5—2 мм приводит к
незначительному изменению времени сварки (в пределах 10—
15%). Значительное влияние на производительность оказывает
подогрев опоры. Так, при сварке на опоре, «подогретой до 360 К,
время сварки уменьшается более чем в 1,5 раза при амплитуде
смещения А = 60 мкм во всем диапазоне изменения
статического давления.
Прочность сварного соединения капроновых моноволокон
определяется характером и степенью проплавления волокон
набора. Во время сварки образующийся расплав под действием
статического давления частично вытесняется в околошовную
зону и обволакивает нерасплавившиеся волокна, что приводит
к их соединению при охлаждении расплава. Процесс плавления
отдельного волокна, по-видимому, начинается с периферийных
зон, где имеется большое количество дефектов и полимер более
аморфизирован. Так как для разогрева волокна необходимо
обеспечить акустический контакт его с рабочим торцом
волновода, то в первую очередь будут расплавляться участки
волокон, находящиеся в контакте друг с другом. По мере
плавления под действием статического давления происходит
перераспределение точек контакта и изменение размеров контактных
площадок волокон. Вследствие того, что в процессе плавления
участвует большое число волокон (более 4000), такой характер
J 58

его протекания приводит к значительной неравномерности рас-
•пределения температуры в отдельных микрозонах набора.
Кроме того, теплоотвод в опору и волновод приводит к
неравномерному ее распределению в микрообъеме, поэтому
максимальные температуры зафиксированы в средней зоне набора, а
минимальные— в периферийной.
Нестабильность распределения температуры и степени про-
плавления волокон обусловливает неоднородность прочностных
характеристик их сварных соединений. Условно можно
рассматривать две характерные неоднородности прочностных
характеристик: неоднородность, вызванную неравномерностью
распределения температур по отдельным микрозонам набора, что
обусловливает разброс 'прочности сцепления отдельного волокна со
сварным швом в средней части набора; неоднородность,
вызванную неравномерностью распределения температур по толщине
набора, что обусловливает разброс прочности сцепления
отдельных поверхностных волокон со сварным швом.
На рис. 111.50 представлены зависимости усилия вырыва
волокон от толщины шва при варьировании статического
давления Для Рст<5 МПа эти зависимости носят экстремальный
характер; максимум разрывной нагрузки соответствует Дш-
= 1,75 мм. Уменьшение разрывной нагрузки при Дш>1>'0 мм
объясняется неполным расплавлением волокон, а при Дш<
<1,75 мм — перегревом, вызывающим деструкцию материала,
а также передавливанием волокон в зоне прилегания их к
сварному шву. Кроме того, образующиеся в последнем случае
в переходной зоне выплески расплавленного материала создают
дополнительную концентрацию напряжений, что также
способствует снижению разрывной нагрузки.
Повышение разрывной нагрузки с ростом статического
давления объясняется, вероятно, увеличением степени уплотнения
расплава, что способствует более полному протеканию
объемного взаимодействия на границе щ
расплав — волокно и образованию
прочных связей.
При статическом давлении
более 5 МПа наблюдается некоторое
падение разрывной нагрузки с
одновременным уменьшением ее
чувствительности к толщине шва. Это
позволяет рекомендовать для
сварки наборов из капронового
моноволокна значения РСт>5 МПа.
Рис. 111.50. Зависимость усилия Q вырыва
волокна из щетки от толщины шва Дш при
статическом давлении:
7 — 3 МПа- 2 — 4; 3 — 5; 4 - 6; 5 — 7 МПа; ампли-
туда смещения -60 мкм; вероятность разруше- g ц ~6 ^ 2,0 л^ мм
ния — 50%
159

Рис. 111.51. Схема
двусторонней сварки щеток и
формирование профильного
утолщения, соответствующего пазу
щеткодержателя:
а — начальная стадия; б — конечная
стадия; / — верхний волновод; 2 —
нижний волновод; 3 — набор
волокон, 4, 5 — выступы торцов
волноводов, 6 — профильная канавка
и б
Кроме того, неоднородность прочностных характеристик
соединения волокон обусловлена и неравномерным
распределением температуры по толщине набора. Действительно,
эксперименты показали, что в зависимости от режимов сварки
количество нескрепленных поверхностных волокон может достигать
2% от общего их количества в наборе.
Из приведенных данных следует, что оптимальные с точки
зрения производительности и прочности режимы односторонней
прессовой ультразвуковой сварки находятся в пределах: Л =
= 50-ь60 мкм; Рст>5 МПа; Дш=0,45-т-0,5 от толщины набора.
При этом среднее усилие вырыва волокна из щетки составляет
12,4 Н, что в 5—6 раз превышает усилие вырыва для щеток,
изготовленных традиционными методами.
Для повышения изгибной прочности щетки, предотвращения
выплесков расплава в рабочую часть и осыпания поверхностных
волокон следует применять двустороннюю ультразвуковую
сварку с формированием расплава в профильное утолщение,
соответствующее пазу щеткодержателя. На рис. III.51
показана схема процесса получения этого варианта щетки, а на
рис. III.52 — циклограмма сварки. Волокнистый набор 3
(рис. III.51, а) подается в зазор между волноводами 1 и 2,
имеющими одинаковую конфигурацию рабочих торцов,
состоящих из выступов 4 я 5 и профильной канавки 6 между ними.
Выступы 5 имеют несколько большую высоту, чем выступы 4,
что обеспечивает получение между выступами 5
технологического сварного шва — перемычки, необходимой для
перемещения волокнистой ленты на шаг, соответствующий длине щетки.
Далее материал сдавливается между выступами 5 и, спустя
время уплотнения /у, которое контролируется по достижению
нулевого значения скорости сдавливания, включают
ультразвук. Разогрев под действием ультразвука и статическое
давление приводят к внедрению выступов 5 в материал. Когда
глубина внедрения достигнет величины, равной разности высот
выступов 5 и 4, начнется формирование основного поперечного
сварного шва между выступами 4. При достижении температуры
плавления скорость деформирования резко увеличивается, что
соответствует вытеснению расплава в профильную канавку 6.
.160

Для формирования этого расплава в дополнительный сварной
шов в виде оболочки, соответствующей пазу в щеткодержателе,
и стабилизации толщины основного сварного шва в момент,
когда последняя достигнет заданного значения 0,45—0,5
толщины набора, статическое давление снимают без отрыва
волноводов от поверхности материала. Это приводит к тому, что
деформирование материала прекращается, и толщина швов не
изменяется. Так как отрыва волноводов от поверхности материала
не происходит, то воздействие ультразвуковых колебаний на
расплав продолжается, а температура его незначительно
понижается, оставаясь все-таки выше Гпл. Кроме того,
ультразвуковое воздействие приводит к возникновению сил, прижимающих
расплав к поверхности профильных канавок 6 и течению его по
этим поверхностям, в результате чего формируется замкнутая
на основной сварной шов оболочка (рис. 111.51,6).
По истечении времени формования оболочки ^ф0рм
ультразвук выключается и производят охлаждение сварного
соединения в течение времени ?0хл без отрыва волноводов от
поверхности материала. При этом статическое давление может быть
приложено вторично, что позволяет уплотнить поперечные швы и
профильную оболочку. После охлаждения сварных швов
производят подъем одной из сварочных головок с волноводом,
и процесс сварки прекращается.
В случае, если необходимо производить сварку с
одновременным отрезанием сваренной части от основного материала,
выступы 5 выполняются в виде заостренных режущих кромок
высотой большей, чем сварочные выступы 4, на величину,
равную половине заданной толщины основного сварного шва. В этом
случае стабилизация толщины основного шва происходит
автоматически при смыкании режущих кромок 5.
Время двусторонней сварки наборов из полимерных
моноволокон может быть рассчитано по методике, изложенной выше.
Так как в результате суперпозиции волн амплитуда смещения
в зоне сварки удваивается, то в формулы (III.1) и (Ш.9)
следует подставлять А = 2ЛЬ где А\ — амплитуда смещения
рабочего торца каждого волновода. Однако поскольку невозможно до-
РСТ;УЗ
Рис. 111.52. Рабочий цикл
двусторонней ультразвуковой сварки щеток:
t\ — время включения машины; ty — время
уплотнения; /рез — время резки хвостовой
части щетки; tFcT _ общее время
приложения статического давления; ^форм —
время формования оболочки; /охл — время
охлаждения сварного изделия
Сигнал на\
н-
УЗ
Выключение да6ле\
ърез
1Рст

JoxsO
11-271
161

биться полностью синфазной работы сварочных головок, та
следует принимать А= A,6ч- 1,8)Ль С точки зрения обеспечения
достаточной производительности процесса двусторонней сварки
основные параметры режима должны иметь значения:
амплитуда— более 25 мкм; давление — более 5 МПа.
Необходимая прочность соединения внутренних волокон
набора обеспечивается контролем за толщиной основного
сварного шва, которая, как и в случае односторонней сварки, должна
составлять 0,45—0,5 толщины набора. Соединение наружных
волокон обеспечивается формованием расплава в профильную
оболочку. При этом оптимальное время формования
составляет 1,8—2 с, а время охлаждения при сомкнутом положении
волноводов — 1,0—1,5 с. При этом среднее арифметическое
усилие вырыва волокна из щетки составляет 13 Н, т. е. несколько
выше, чем в случае односторонней сварки, а среднее квадрати-
ческое отклонение уменьшается с 2 до 1 Н. Это свидетельствует
о большей стабильности результатов двусторонней сварки
щеток по сравнению с односторонней сваркой.
СВАРКА ИСКУССТВЕННЫХ КОЖ*
Из всего многообразия материалов, относящихся к
искусственным кожам (ИК), ограничимся рассмотрением так
называемых мягких кож, представляющих собой дублированный
материал, состоящий из основы и покрытия. Для изделий, не
подвергающихся в процессе эксплуатации растягивающим
нагрузкам, используются ИК без основы — -пленочные материалы,
имеющие низкий предел прочности при растяжении и очень
высокое удлинение.
При повышенных требованиях к прочности изделия
используют ИК с основой из натуральных и синтетических тканей
различных переплетений (полотняного, атласного, саржевого) и
нетканых материалов.
Большую часть G0%) всего ассортимента выпускаемых в
настоящее время ИК составляют кожи с поливинилхлоридным
(ПВХ) покрытием. ПВХ-покрытие является многокомпонентной
системой, включающей добавки стабилизаторов,
пластификаторов, наполнителей, модификаторов и других компонентов,
введение которых позволяет значительно изменить свойства
полимера. Так, в зависимости от вида и количества
пластификаторов температура текучести ПВХ-покрытия составляет от 370
до 440 К.
Основная трудность при сварке ИК с ПВХ-покрытием
заключается в том, что в этом же интервале температур
начинает происходить с заметной скоростью и низкотемпературное
разложение ПВХ, обусловленное реакцией дегидрохлорирования,
«протекающей с сохранением полимерной углеродной цепи и об-
* Исследования проведены при участии Б. Э. Френкеля.
162

разованием участков сопряженной полиеновой структуры.
Однако поскольку степень разложения полимера зависит не
только от температуры, но и длительности ее воздействия, то,
применяя высокоинтенсивные источники энергии, можно сдвигать
процессы деструкции в высокотемпературную область. С этой
точки зрения наиболее подходящими для сварки ИК с ПВХ-по-
крытием является сварка ТВЧ и ультразвуком,
обеспечивающие скорости нагрева, на 3—4 порядка превышающие скорости
нагрева, при которых обычно наблюдаются процессы
деструкции ПВХ.
Однако сварка ТВЧ позволяет получить качественные
соединения только при сварке пленочных ИК без основы и при
укладке деталей из ИК «покрытие к покрытию». При укладке
деталей «покрытие к нетермопластичной основе» соединение
практически не образуется, так как в этом случае не
обеспечивается главное условие протекания процесса сварки —
физический контакт термопластичных слоев покрытий. Различные
приемы, обеспечивающие такой контакт (снятие основы в зоне
сварки, пропитка основы полимерными составами,
однородными материалу покрытия, использование в качестве основы
термопластичного материала, главным образом, нетканого) не
получили практического распространения, так как приводят к
усложнению технологического процесса и дополнительным
затратам.
Ультразвуковая сварка выгодно отличается от других
способов сварки ИК тем, что позволяет получить
высококачественное сварное соединение даже тогда, когда в контакте находятся
нетермопластичная основа и термопластичное покрытие.
Ультразвуковой сваркой можно успешно сваривать ИК через нетер-
мопластичную основу с термопластичными листовыми или
пленочными подложками из материала, совместимого с
материалом покрытия ИК, а также при наличии промежуточного слоя,
например из пенополиуретана (ППУ), между слоями ИК или
ИК и подложкой. Это обусловлено тем, что при
ультразвуковом воздействии на ИК термопластичные покрытия, переходя в
вязкотекучее состояние, могут проникать (фильтроваться)
через поры основы. В момент, когда фронты проникающих
материалов достигают друг друга, начинается объемное развитие
взаимодействия, приводящее к образованию сварного
соединения [63].
При изготовлении элементов отделки салонов транспортных
средств и интерьеров возникает необходимость соединять ИК с
ПВХ-подложкой через промежуточный слой ППУ. В этом
случае моменту окончания фильтрации материала ПВХ-покрытия
через пористую основу и образованию физического контакта
расплава покрытия с ПВХ-подложкой предшествует переход
ППУ в вязкотекучее состояние и удаление его из зоны сварки.
Следует отметить, что характер термического цикла в ПВХ-
покрытии ИК качественно и количественно практически не за-
U*
1G3

«ооАвД
Рис. 111.53. Диаграмма режимов
ультразвуковой сварки
искусственных кож (ИК) между собой,
с поливинилхлоридной (ПВХ)
подложкой и промежуточным
слоем из пенополиуретана (ППУ):
/ — зависимость предельных
температур 0оо в 30не сварки от
коэффициента режима Кр; 2—5 — зависимость
температуры 9СВ сварки для различных
схем укладки свариваемых материалов
[2 - ИК+ППУ+ПВХ; 3 - ИК+ПВХ
(«основа к подложке»); 4 — ИК+ПВХ
(«покрытие к подложке») и ИК+ИК
(«покрытие к основе»); 5 — ИК+ИК
(«покрытие к покрытию»)]
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 КР
висит от схемы укладки слоев ИК, слоя ИК и подложки, а
также от наличия между ними промежуточного слоя ППУ. Он
зависит от режима сварки и представляет собой кривую с
насыщением, причем скорость роста температур и значения
температуры насыщения Goo, т. е. максимальной температуры, которая
•может быть достигнута в зоне сварки при непрерывном вводе
энергии ультразвука, тем больше, чем интенсивнее режим
сварки. С использованием приведенной на рис. III.53 зависимости
Goo от режима сварки термический цикл и время tBT достижения
вязкотекучего состояния в ПВХ-покрытии могут быть
рассчитаны по методике, приведенной выше.
Как и в случае сварки пластмасс, при сварке ИК по схеме
«покрытие к покрытию» время сварки определяется как
*св= ^вт + *ов»
где t0B — время объемных взаимодействий.
За время /ов материал покрытия перегревается выше
температуры вязкотекучести D00К), так что температура сварки
составляет 420—430 К. Еще большее повышение температуры
сварки (до 430—440 К) соответствует укладке слоев ИК
«основа к покрытию», так как время сварки при этом
увеличивается на время /ф проникновения материала покрытия через
пористую основу, т. е.
?св = *вт ""г *ф "Т *ов •
Кинетика процесса проникновения приближенно может быть
описана известным уравнением Дарси фильтрации жидкостей
через пористые среды. Что касается времени t0Bt то
приближенно оно может быть принято 0,4 fBT [63].
164

При сварке ИК с термопластичными подложками
возможность получения высококачественного сварного соединения
зависит от разницы температур вязкотекучести Гвт и времен ^Вт
их достижения покрытием ИК и подложкой. Если эта разница
незначительна, то соединение может быть достигнуто, так как
к моменту окончания процесса фильтрации расплава покрытия
через основу поверхность подложки успеет перейти в вязкоте-
кучее состояние и будет подготовлена к сварке. Так, листовой
ПВХ содержит меньшее количество пластификаторов и имеет
вследствие этого большую ГВТ=420К и меньшую скорость
разогрева, чем ПВХ-покрытие. Поэтому при укладке деталей
«покрытие к ПВХ-подложке» для достижения на поверхности
последней вязкотекучего состояния ПВХ-'ПОКрытие приходится
перегревать до 430—450 К. При укладке деталей «основа к ПВХ-
подложке» покрытие ИК перегревается до 440—470 К, так как
процесс удлиняется на величину времени фильтрации. При
использовании в качестве подложки полистирольного пластиката,
содержащего 60% ПВХ, разность между температурами
подложки и покрытия достигает 40 К, что затрудняет получение
высококачественного соединения.
Еще более существенная разность между температурами
подложки и покрытия наблюдается при сварке ИК с подложкой
из "полистирола. Так, к моменту достижения в покрытии ИК
ГВТ = 400К температура подложки составляет 330—340 К, т. е.
находится в области температур стеклования полистирола.
Если процесс сварки вести до перехода полистирола в вязкоте-
кучее состояние C90—415К), то этому моменту будет
соответствовать начало интенсивного развития процесса деструкции
покрытия ИК.
В случае сварки ИК с ПВХ-подложкой через
промежуточный слой ППУ последний препятствует протеканию как
процессов фильтрации, так и развитию объемных взаимодействий.
Однако к моменту достижения в покрытии 440 К ППУ
'полностью вытесняется из зоны сварки, после чего эти процессы
протекают беспрепятственно. Материал покрытия при этом
прогревается до 440—500 К-
Во всех разобранных случаях конечная температура, до
которой прогревается ПВХ-покрытие, т. е. температура сварки,
повышается с увеличением интенсивности режима сварки (см.
рис. 111.53).
Данные, приведенные на рис. 111.53, позволяют
предварительно начать режим сварки, обеспечивающий и высокую
производительность, и отсутствие деструкции. Левая область
диаграммы соответствует режимам, при которых сварка
невозможна, так как температура сварки здесь близка к температуре
насыщения, т. е. разогрев до необходимой температуры будет
происходить бесконечно долго. Так, сварка ИК+ППУ+ПВХ
невозможна при /Ср<0,1 и протекает с трудом при /Ср<0,2.
Аналогично, сварка ИК+ИК («покрытие к покрытию») может проте-
165

кать только при /Ср>0,15. Правая область диаграммы
ограничивает режимы, при которых начинают проявляться процессы
деструкции. Так, для сварки ИК+ППУ+ПВХ предельным
следует считать /(р=0,8, так как в этом случае температура ПВХ-
оокрытия выше 500 К, т. е. попадает в область, где проявляется
процесс дегидрохлорирования ПВХ.
Оптимальным следует считать для всех разобранных
случаев режимы сварки, соответствующие /Ср= 0,3^-0,75.
После выбора режима сварки по диаграмме, приведенной
на рис. 111.53, время сварки может быть рассчитано, исходя из
постоянства произведения /Ср^св, которое, как это видно из
данных, представленных на рис. Ш.З, зависит только от схемы
укладки деталей.
На прочность сварных соединений ИК и стабильность
механических свойств большое влияние оказывает схема управления
процессом сварки. Лучшие результаты достигаются при сварке с
ограничением толщины шва в пределах 0,7—0,9 от суммарной
толщины покрытий или покрытия и ПВХ-подложки. При этом в
широком диапазоне режимов сварки (/Ср=0,3ч- 0,75) прочность
на сдвиг составляет 0,8—0,9, а на расслаивание 0,5—0,6 от
прочности ИК на разрыв. При испытаниях сварных соединений на
расслаивание разрушение происходит путем отслаивания
покрытия от основы.
СВАРКА СИНТЕТИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ
До недавнего времени синтетические ткани соединялись
нитками на швейных машинах. Однако такой способ соединения
обладает существенными недостатками [23]. Так, при ниточном
соединении тканей технического назначения, обладающих
большой упругостью, неизбежно образование волнистости и гофров,
что приводит к неудовлетворительному внешнему виду швов.
При этом ткани морщатся и разрушаются, особенно если
строчка идет по утку. При больших скоростях сшивания, когда нить
проходит через ушко иголки со скоростью 0,3 м/с, происходит
разогрев нити и ткани, обусловленный теплом, выделяющимся
при трении. Разогрев может быть настолько значительным, что
приводит к оплавлению нити и ее обрыву. Попытки уменьшить
разогрев за счет охлаждения иглы струей холодного воздуха и
применения различных смазок иглы приводит к усложнению
конструкции швейных машин, загрязнению тканей или
коррозионному повреждению игл. Зачастую из-за дефицитности
синтетических нитей синтетические ткани сшивают
хлопчатобумажными нитями, вследствие чего значительно снижается
прочность и ухудшаются эксплуатационные свойства соединений
тканей технического назначения. Наконец, в случае соединения
ряда тканей технического назначения, пропитанных с целью
придания им специальных свойств различными составами,
а также при изготовлении изделий, где требуется герметичность
166

соединения (например, при изготовлении фильтров для жидких
и газовых сред), метод сшивания нитями становится вообще
неприемлемым.
При пошиве одежды из синтетических материалов швейные
нити должны иметь тот же химический состав, что и материал,
в противном случае появляется морщинистость швов в
«процессе пошива или после стирки и чистки вследствие различной
усадки нитей и тканей. Эти дефекты плохо устраняются
последующей влажностно-тепловой обработкой.
В связи с перечисленными недостатками ниточных
соединений все большее распространение получают безниточные
способы соединения тканей, такие, как термоконтактная,
высокочастотная и ультразвуковая сварка. Наиболее перспективным из
этих способов является ультразвуковая сварка.
Она позволяет устранить большую часть перечисленных
выше недостатков ори обеспечении требуемой прочности швов.
Кроме того, отказ от использования в процессе соединения
тканей швейных нитей исключает такие проблемы, как подбор
нитей по диаметру иглы, толщине, цвету и химическому составу;
перезаправку нитей при их обрыве или окончании; обрезание
нитей и фиксацию их концов; останов машины при заданном
положении иглы и т. д.
Сварка тканей технического назначения*
Исследовалась свариваемость лавсановой, капроновой и
полипропиленовой тканей технического назначения [6]. Свойства
этих тканей приведены ниже (в числителе даны
характеристики материала по основе, в знаменателе — «по утку):
Ткань
Число
нитей
на 10 мм
212/123
270/190
306/121
Ра'зрывная
нагрузка
(полоска
50X200 мм),
И
5392/1684
4485/1900
4053/2045
Удлинение,
32,3/19,7
40,9/24,2
37,0/26,3
Прочность
на раздир,
Н
5950
1100
—
Толщина,
мкм
600
415
735
Лавсановая
(арт. 21710/3)
Капроновая
(арт. 22059)
Полипропиленовая
(арт. 24259/1)
Как следует из приведенных данных, плотность
расположения нитей по основе выше плотности расположения нитей по
утку. Это обусловливает различную прочность материала при
растяжении его вдоль основы и утка, так как в первом случае
нагрузка воспринимается большим числом нитей. Такая же
закономерность наблюдается и для сварных швов. Это
подтверждается значениями прочности швов при испытаниях на
расслаивание в зависимости от угла между швом и направлением утка.
* Исследования проведены при участии Р. Н. Астаховой и Ф. Е. Ляшко.
167

5,5
7,0
4,8
5,8
7,6
5,0
6,3
7,8
5,4
6,6
8,2
5,6
6,8
8,5
5,8
7,0
8,6
5,9
7,2
8,8
6,0
Ниже приведены значения разрывной нагрузки в зависимости
от угла между швом и направлением утка:
Ткань Разрывная нагрузка (в кН/м)
при значении угла
0° 15° 30° 45° 60° 75° 90°
Лавсановая (арт. 21710/3)
Капроновая (арт. 22059)
Полипропиленовая (арт. 24259/1)
Во всех исследованных случаях прочность сварных
соединений при испытаниях вдоль утка составляла 75—80% от
прочности при испытаниях вдоль основы.
Ниже приведены усредненные для пяти образцов данные о
влиянии амплитуды смещения на прочность сварных
соединений (б — толщина ткани):
Амплитуда сме- Разрывная нагрузка, кН/м
щения, мкм лавсан капрон полипропилен
F=600 мкм) F=415 мкм) F = 730 мкм)
20 2 3,0 3,4
30 4,2 6,0 7,0
40 5,6 8,3 5,2
Для лавсановой и капроновой тканей оптимальная
амплитуда смещения составляет сколо 40 мкм. Оптимальная амплитуда
смещения при сварке полипропиленовой ткани, несмотря на
большую ее толщину, равна 30 мкм. Такое понижение
амплитуды смещения следует, по-видимому, объяснить более низкой
температурой плавления полипропиленового волокна D30—
440 К) по сравнению с температурой плавления лавсанового
волокна E28—533К). Исследования свариваемости 100%-го
капронового трикотажа (арт. 381) показали, что и в этом случае
оптимальная амплитуда смещения составляет 40 мкм.
Прочность сварных соединений синтетических тканей
технического назначения зависит также от материала, из которого
изготовлены волновод и опора. Высота и форма опоры
практически не влияют на прочность сварных соединений. Если
волновод изготовлен из материала, обладающего большими гистере-
зисными потерями, например из стали, то при длительной
работе происходит его разогрев, и теплоотвод из зоны сварки
ухудшается. Так как продолжительность воздействия ультразвуком
на материал остается постоянной, то ухудшение теплоотвода
приводит к чрезмерному плавлению и передавливанию зоны
сварного шва, вследствие чего прочность сварного соединения
уменьшается.
Было показано [5], что прочность сварных соединений,
выполненных на стальной и алюминиевой опорах, почти
одинакова, в то время как при сварке на опорах из дерева и стекла
прочность меньше приблизительно на 40% в случае лавсановой
и капроновой тканей и практически равна нулю для
полипропиленовой ткани. При этом отмечалось, что сварные швы сильно
168

ъ^тж^»*
кххххххх;
-ЕН^^зЛ-
Рис. 111.54. Сварные швы синтетических тканей (а —стачные, б-
ные) и схема испытания накладных сварных швов (в)
¦ наклад
расплавлялись со стороны ошоры (терялась эластичность и
значительно увеличивалась жесткость). Очевидно, эти явления
обусловлены низкой теплопроводностью дерева и стекла и,
следовательно, слабым теплоотводом из зоны сварки.
В зависимости от назначения синтетических тканей
применяют различные конструкции швов. Наиболее распространены
стачные (рис. Ш.54,а) и накладные (рис. Ш.54,б) сварные
швы. Ниже приводятся данные о прочности этих швов
применительно к рассматриваемым тканям:
Ткань
Прочность шва, кН/м
накладного стачного
Лавсановая (арт. 21710/3)
Капроновая (арт. 22059)
Полипропиленовая (арт. 24259/1)
13,8
16,0
12,3
7,2
6,0
Как следует из этих данных, прочность накладных швов
почти на 50% выше прочности стачных швов. Это обусловлено
различной работой этих швов при приложении к ним
растягивающей нагрузки. Стачные швы при приложении
растягивающей нагрузки к верхнему и нижнему слоям ткани в
направлении, перпендикулярном шву (по такой схеме проводились
испытания), работают на расслаивание. Накладные же швы при
этом работают в основном на сдвиг. Составляющая Pi (см.
рис. 111.54, в) у которая образуется вследствие того, что шов под
действием реактивного момента занимает равновесное
положение, достигает не более 17% от внешней нагрузки Р, поэтому
расслаиванием в этом случае можно пренебречь.
Иногда появляется необходимость многослойной сварки
синтетических тканей. Исследовалась свариваемость трикотажно-
лавсановой ткани, применяемой для фильтрации стерильно
чистых веществ. Было установлено, что время сварки с
увеличением числа слоев возрастает, а прочность отдельных слоев
определяется изменением характера тепловыделения и теплоотвода
при увеличении числа слоев ткани. Так, в случае трехслойной
169

сварки лавсановой ткани (арт. 21710/3) оптимальная прочность
при расслаивании первого слоя, равная 7 кН/м, так же как и
при двухслойной сварке, достигается за 0,4 с. При этом
прочность второго слоя равна 5,2 кН/м, а третьего — 3 кН/м.
Возрастание времени сварки до 0,5 с приводит к понижению
прочности первого слоя и повышению прочности второго слоя, так
что они достигают одного значения, равного 6,2 кН/м. При
продолжительности сварки 0,6 с максимальную прочность, равную
6,2 кН/м, имеет второй слой, тогда как первый и третий слой
имеют одинаковую прочность, равную 4,2 кН/м. Наконец, при
времени сварки 0,7 с происходит почти полное передавливание
первого слоя, так что его прочность падает до 3 кН/м,
прочность третьего слоя достигает максимального значения,
равного 4,8 кН/м, а прочность второго слоя уменьшается до 6 кН/м.
Аналогичная картина наблюдается и при сварке четырех слоев
этой ткани.
Значительное влияние на прочность сварных соединений
тканей оказывает наличие в них нетермопластичных
составляющих, например хлопка, а также специальных покрытий.
Проводилось сравнение свариваемости лавсановой ткани (арт.
21705/1) толщиной 230 мкм и ткани (арт. 9225) толщиной
260 мкм, состоящей из 33% хлопка и 67% лавсана. Испытания
на сдвиг проводились на накладных сварных швах. Добавление
хлопка привело к возрастанию времени сварки с 0,2 с (для
чистой лавсановой ткани) до 0,6 с, причем максимальная
прочность понизилась с 5,6 до 4 кН/м. Было показано, что для
повышения прочности сварных соединений тканей с добавками
хлопка следует увеличивать их толщину. Так, при сварке
ткани (арт. 1309), состоящей из 35% хлопка и 65% лавсана, т. е.
близкой по составу к ткани арт. 9225, но имеющей толщину
480 мкм, максимальная прочность, равная 5,2 кН/м, достигалась
за время 0,8 с. Интересно, что снижение прочности после
достижения максимума с увеличением времени сварки тканей с
хлопком происходит менее резко, чем при сварке чистой
лавсановой ткани. Это, вероятно, можно объяснить тем, что
хлопковые нити препятствуют полному прославлению и продавлива-
нию термопластичной составляющей ткани.
К тканям, имеющим на поверхности водоотталкивающие
покрытия, относятся капроновые ткани типа «Болонья» (арт. Н-95,
Н-96, Н-164 и др.), отличающиеся друг от друга различной
толщиной и переплетением нитей в полотне. Сравнение
свариваемости ткани арт. Н-96 толщиной 130 мкм и капроновой ткани
арт. 24612 толщиной 150 мкм без покрытия показало, что время
сварки увеличивается с 0,25 с для ткани без покрытия до 0,5 с
для ткани с покрытием. Прочность при этом падает с 6 до
4,5 кН/м. Это, очевидно, объясняется тем, что покрытие ткани
препятствует удовлетворительному протеканию процесса
перемешивания макрообъемов размягченного полимера и диффузии
б микрообъемах.
170

Для повышения стабильности прочностных показателей для
сварки синтетических тканей следует использовать схемы с
управлением по деформационному критерию.
При определении оптимальной величины осадки (сварка по
фиксированной осадке) образцы из тканых лент загибали на
себя с образованием нахлестки и петли. Для исследования
влияния направления сварного шва на прочность соединения
часть образцов сваривали продольным швом (размеры шва
5x50 мм), а часть — поперечным швом [45].
При сварке поперечным швом для учета влияния разнотол-
щинности ленты свариваемые образцы разбивались на три
партии. В первую партию включали образцы с минимальной раз-
нотолщинностью кромки и середины ленты (не более 0,1 мм),
во вторую партию — со средней разнотолщинностью (не более
0,1—0,25 мм), в третью партию —с максимальной
разнотолщинностью @,25—0,4 мм).
Наибольшая разрывная нагрузка (свыше 5 кН) достигается
при минимальной разнотолщинности кромки и середины ленты.
Увеличение числа поперечных швов практически не влияет на
несущую способность сварных соединений лент:
Число швов 1 2 3 4
Шаг между швами, мм — 20 10 10
Разрывная нагрузка*, кН 3,9 4,57 5,0 4,43
* Среднее арифметическое для 25 образцов.
Это обусловлено тем, что разрушение происходит по
околошовной зоне первого шва, т. е. несущая часть материала
остается одной и той же независимо от числа швов.
Наибольшая разрывная нагрузка при сварке тканых лент
достигается при продольном расположении сварных швов.
Значительное влияние на этот показатель оказывают число
швов п и геометрические размеры шва (длина /, ширина 6).
Необходимо отметить, что характерной особенностью
процесса разрушения образцов с продольным расположением
швов при испытаниях является возникновение при нагрузках
2—6 кН надрывов нитей основы ленты, прилегающих к
сварному шву по его ширине. «Надрыв появляется у тех краев швов,
которые расположены ближе к линии реза ленты. При этом
окончательная разрывная нагрузка может шринимать довольно
большие значения.
Поэтому качество получаемых соединений оценивалось
двумя параметрами: Qm3kc — нагрузкой полного разрушения
соединения и QTp— нагрузкой, при которой происходит надрыв,
сопровождающийся характерным треском.
Для ленты ЛТК 44-1600 максимальная разрывная нагрузка
достигается для швов с суммарной шириной от 10 до 14 мм,
тогда как максимальная нагрузка надрыва наблюдается для
швов шириной от 16 до 24 мм.
171

Аналогичная картина наблюдалась и для образцов из ленты
ЛТК 50-1500. Здесь максимальная разрывная нагрузка
достигалась на образцах с суммарной шириной швов от 12 до 20 мм,
а максимальная нагрузка надрыва — на образцах с шириной
швов 16—24 мм.
Такой характер полученных зависимостей можно,
по-видимому, объяснить следующим образом. По мере увеличения
суммарной ширины швов (Ь-п) до 16—18 мм возрастает число
воспринимающих нагрузку нитей основы, закрепленных в швах,
а число нитей основы между швами уменьшается. Поэтому при
одной и той же длине швов прочность их увеличивается, а
прочность основного материала между швами уменьшается;
соответственно возрастают нагрузка надрыва и разрушающая
нагрузка.
Увеличение длины швов также приводит к росту QTp и
Фмакс, так как при этом возрастает число воспринимающих
нагрузку нитей утка, закрепленных в швах. Так как наиболее
слабыми в этом случае оказываются участки нитей основы,
примыкающие к шву, то они разрушаются в первую очередь, и QTp
оказывается ниже уМакс« При QTP>Q макс в околошовнои зоне
по ширине швов образуются надрывы, и нагрузка
перераспределяется на участки уточных нитей, примыкающих к швам по
их длине, и на нити основы между швами. Дальнейшее
разрушение может происходить либо по участкам уточных нитей,
примыкающих к шву, с вырывом его из ленты, либо по нитям
основы между швами, т. е. поперек ленты, в зависимости от
длины швов. При /ш>50 мм и Ь-п>14 мм для ленты ЛТК 44-
1600 и при /ш>60 мм и Ь-/г>18 мм для ленты ЛТК 50-1500
разрушение происходит поперек ленты. Так как это значение
суммарной ширины швов составляет 0,36—0,40 от ширины
ленты, то несущее сечение ленты составляет 0,64—0,60 от ширины
ленты, поэтому и максимальная разрывная нагрузка
соединений в этом случае не может быть больше 0,6 от разрывной
нагрузки ленты. Действительно, максимальная разрывная
нагрузка соединений составляет в среднем 11 кН, т. е. приблизительно
50% от разрывной нагрузки ленты.
При 6-я>30 мм значения разрывной нагрузки и нагрузки
надрыва приближаются друг к другу и в пределе, при сварке
поперечным швом, становятся равными друг другу, независимо
от длины швов, так как в этом случае разрушение происходит
по нитям основы, примыкающим к шву, которые разрушаются
одновременно.
Поэтому на основании проведенных экспериментов нами
были выведены эмпирические соотношения, позволяющие выбрать
для рассматриваемых лент оптимальные геометрические
размеры сварных швов, при которых обеспечивается нагрузка
надрыва, равная или большая расчетной нагрузки Qp= 10 кН, с
сохранением требуемой разрывной нагрузки сварного соединения:
пшоон = @,4 -5- 0,6) п"осн; п*ут = @,7 -н 0,85) п™осн/п,
172

где п — число швов; пш0сн — число нитей основы, закрепленных в швах;
пшуг~ число нитей утка, закрепленных в швах; пл0Сн — число нитей основы
ленты.
Наилучшие результаты по стабильности прочностных
показателей сварных соединений тканых лент получены при
управлении сваркой по изменению знака ускорения деформирования.
Сравнительный статистический анализ результатов сварки по
этому методу и сварке по фиксированной осадке приведен
ниже:
Лента Схема F кН S, Н V, %
сварки
ЛТК 44-1600 1 11,86 0,95 8,07
ЛТК 50-1500 1 10,50 0,61 5,82
ЛТК 44-1600 2 12,63 0,55 4,37
ЛТК 50-1500 2 11,21 35,37 3,16
Примечание. 1 —« сварка jio фиксированной осадке; 2 — сварка по изменению
знака ускорения деформирования; х — среднее арифметическое разрывной нагрузки для
партии из 60 образцов; 5 — среднее квадратическое отклонение разрывной нагрузки; V —
коэффициент вариации; сварка производилась при случайных значениях коэффициента
режима в диапазоне /Ср=0,5-5-2,5.
Как видно из приведенных данных, схема сварки с
изменением знака ускорения деформирования обеспечивает большую
стабильность результатов, чем сварка по фиксированной
осадке: среднее квадратическое отклонение уменьшается в 1,5—
2 раза, коэффициент вариации — в 1,6—2,2 раза, среднее
арифметическое разрывной нагрузки увеличивается на 4—10%, что
обусловлено сокращением числа образцов с малой разрывной
нагрузкой.
В результате изучения эксплуатационных свойств сварных
соединений синтетических тканей [5, 6] было установлено, что
поведение их при длительном воздействии света, влажности,
повышенных и пониженных температур идентично поведению
в этих условиях сварных соединений пластмасс. Выдержка в
течение 12 мес накладных сварных соединений ткани арт. Н-96 на
свету привела к снижению прочности на 23%, в то время как
выдержка в темном помещении не вызвала заметного
уменьшения прочности. У таких же образцов, пролежавших в воде
15 дней, прочность также не изменилась, хотя прочность
образцов, соединяемых ниточными швами, понизилась на 20%.
Выдержка образцов из лавсановой (арт. 21710/3) и капроновой
(арт. 22059) тканей, сваренных накладными и стачными
швами, при температуре 363 К в течение 10 ч привела к падению
прочности в среднем на 20—30%. Прочность тех и других швов
уменьшалась линейно. Выдержка этих образцов при
пониженных температурах (до —258 К) не вызвала заметного падения
прочности. Интересно отметить, что кратковременная прочность
этих образцов практически не изменялась до 353 К, и только
лосле этой температуры наблюдалось интенсивное ее снижение.
173

Рассматривалось влияние искусственного старения сварных
соединений капроновых лент типа ЛТК 44-1500 и
фильтровальной ткани ТЛФ-4. Сварка образцов проводилась сто схеме с
фиксированной осадкой в трех режимах: мягком (амплитуда
смещения рабочего торца волновода Л = 30 мкм, статическое
давление Рст = 3 МПа), среднем (Л = 40 мкм, Рст = 5 МПа) и
жестком (Л = 55 МКМ, /ст —
8 МПа).
Образцы сварных соединений ленты ЛТК44-1500
подвергались старению при температуре 333 К и 213 К, а также в воде
при температуре 300 К в течение 12 месяцев. Заметное
снижение разрывной нагрузки наблюдалось после 35—40 дней
выдержки при температуре 333 К. После 70 дней выдержки при
этой температуре разрывная нагрузка уменьшалась в среднем
на 10—15% от исходной величины и далее стабилизировалась.
Выдержка при 213 К в течение 10 дней приводила к
незначительному увеличению разрывной нагрузки, а затем практически
оставалась на уровне, соответствующем исходному состоянию.
Существенное понижение разрывной нагрузки (более чем на
15%) наблюдалось через 5—10 ч после погружения образцов в
воду, далее нагрузка не изменялась. При этих испытаниях
отмечено более значительное набухание ленты, чем сварных швов,,
что, очевидно, приводит к возникновению внутренних
напряжений и как следствие к понижению разрывной нагрузки.
Испытания показали, что ниточные швы имели разрывную нагрузку
на 15—20% ниже нагрузки сварных соединений;
интенсификация режима приводила к значительной нестабильности
результатов после старения.
Сварные ниточные соединения фильтровальной ткани ТЛФ-4
испытывались в гидролизных ваннах с раствором
азотнокислого серебра при температуре 323 К. Через 7—10 дней работы
фильтров в этих условиях ниточные швы разрушались
практически полностью. В то же время долговечность сварных швов
в тех же условиях составляла 4—4,5 мес.
Сварка тканей при изготовлении одежды
К прочности изделий швейной промышленности обычно не
предъявляется высоких требований. Условия надежной работы
швов при действии многократных растягивающих нагрузок в
этом случае будут соблюдены, если внешняя нагрузка не будет
превышать предела выносливости. Так как циклические усилия
в процессе носки изделия незначительны и составляют 10—15%
от разрывных, равных 1,6—0,8 кН/м, то достаточным условием
прочности (с трехкратным запасом) будет условие Q>2,4-f-
—4,8 кН/м, где Q — разрывная нагрузка сварного соединения.
Отдельные участки и некоторые детали швейных изделий почти
не испытывают нагрузок в швах в процессе эксплуатации (кла~
паны, воротники, передние швы рукавов, боковые швы изделий,
петли). Именно в этих случаях применение ультразвуковой,
174

сварки наиболее эффективно [23]. Так, при использовании
ультразвуковой сварки для обметки петель на белье и мужских
рубашках время изготовления петли составляет 4,8 с, а при
обычном способе обметки петель — 24 с. При изготовлении
круглых петель диаметром 13 мм одновременно пробивалось
отверстие в ткани и металлической пленке с образованием
ободка. Применение в этом случае ультразвуковой сварки
позволило сократить время изготовления петли с 49 до 5 с, т. е.
производительность повысилась в десять раз. Эти данные
относятся к меланжевым тканям толщиной от 20 до 200 мкм из
полиэфирного, полипропиленового и полиамидного волокон в
сочетании с шерстью, хлопком и искусственным шелком при
содержании синтетического волокна не менее 50%.
Как показали исследования прессовой сварки трикотажа,
хорошие результаты достигаются при сварке по фиксированной
толщине сварного шва. Для плотных материалов, которые не
изменяют своей толщины в диапазоне изменения статического
усилия 20—80 Н, толщина шва равна толщине одного слоя
материала, независимо от числа слоев B—4) и вида шва
(стачной, накладной).
При сварке пунктирными швами капронового трикотажного
полотна (арт. 9230), капроновой ткани с пленочным
покрытием (арт. 52156) и тканей из эластичных нитей (арт. 271403)
рекомендуется оптимальную амплитуду смещения принимать в
пределах 55—70 мкм, т. е. больше, чем при сварке тканей
технического назначения. Оптимальное значение статического
усилия для этих тканей — 25—40 Н (сварка на машинах БШМ,
БШМ-1 иБШМ-К).
Соединение тканей на основе нетермопластичных волокон
может осуществляться при помощи промежуточной
термопластичной пленки. Хотя прочность сварных соединений, получаемых
при этом, невысока, такой способ может применяться для
временного соединения отдельных кусков ткани в ленту, что
позволяет осуществлять непрерывный процесс отделки тканей.
Соединение нитками в этих случаях часто приводит к браку из-за
того, что утолщенные швы мешают тканям проходить через
отделочное оборудование.
Исследовалась свариваемость тканей из чистых натуральных
целлюлозных волокон: бязь (арт. 200), миткаль (арт. 303),
сатин (арт. 520), сорочечная ткань (арт. 82004). Сварка
проводилась через промежуточную полиэтиленовую пленку,
толщина которой изменялась от 60 до 350 мкм. Для сварки
использовался магнитострикционный преобразователь ПМС-6 и
экспоненциальный ножевой волновод с коэффициентом усиления
/Су=4 и площадью рабочего торца 66X4 мм2.
При сварке перечисленных тканей через промежуточные
пленки толщиной от 130 до 350 мкм оптимальная амплитуда
смещения во всех случаях составляла 16—20 мкм, а статическое
давление — 5 МПа. Независимость оптимальных значений пара-
175

/
метров режима сварки от свариваемого материала
объясняется тем, что соединение образуется в результате размягчения
полиэтиленовой пленки и проникновения пластицированного
полимерного материала в шоры ткани под действием статического
давления. Очевидно, что размягчение пленки должно
достигаться при одном и том же режиме сварки независимо от природы
соединяемой ткани. Прочность сварных соединений, однако,
будет различной, так как она обусловлена адгезией размягченного
полиэтилена к волокнам ткани.
Увеличение толщины промежуточной пленки приводит, как
правило, к возрастанию времени сварки. Для сорочечной ткани
оптимальная толщина пленки 6 = 350 мкм при времени сварки
/,св = 3 с; для бязи 6 = 350 мкм при tCB = 5 с; для миткаля 6 =
= 200 мкм при /ев = 4 с; для сатина 6 = 200 мкм при /св = 5 с; для
полотенечной ткани 6 = 200^-350 мкм при /Св=4 с.
ГЛАВА IV
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ СВАРКИ ПЛАСТМАСС
УЛЬТРАЗВУКОМ
ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ МАШИН ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ
СВАРКИ
Ультразвуковые сварочные машины обычно состоят из
следующих основных элементов: сварочный узел (акустический
узел, сварочная головка), опора, механизм давления (механизм
•перемещения подвижных элементов), вспомогательные
устройства, блок управления и станина (корпус).
Важнейшим узлом, составляющим основу и заключающим в
себе специфику оборудования и технологии ультразвуковой
сварки пластмасс, является электромеханическая
колебательная система (сварочный узел). Эта система служит для
преобразования электрических колебаний ультразвуковой частоты,
вырабатываемых ультразвуковым генератором, в механические
колебания той же частоты. Кроме того, она выполняет функции
передачи этой энергии в зону сварки, согласования
сопротивления нагрузки с внутренним сопротивлением системы и
геометрических размеров зоны ввода энергии с размерами
преобразователя— излучателя. С помощью сварочного узла
обеспечивается необходимая колебательная скорость на рабочем торце
волновода при максимальном к. п. д. на резонансной частоте
независимо от изменения сопротивления нагрузки.
Сварочный узел включает в себя преобразователь энергии,
который может быть как магнитострикционным, так и пьезо-
керамическим; трансформатор упругих колебаний, являющийся
согласующим акустическим элементом между волноводом и
176

преобразователем, и волновод-инструмент, через рабочий торец:
которого ультразвук вводится в свариваемое изделие (см.
рис. 1.2).
Для охлаждения нагревающегося в процессе работы
преобразователя его помещают в бачок с проточной водой. Иногда
проточной водой охлаждается и инструмент-волновод. При
использовании ферритовых и пьезокерамических
преобразователей может применяться принудительное или даже естественное
воздушное охлаждение.
Основное назначение опоры — фиксация изделия при
сварке. В некоторых случаях опора рассматривается как активный
элемент волноводно-акустического тракта. В этом случае опора
способствует обеспечению оптимального энергетического
режима сварки. При использовании пассивной опоры ее конструкция
и материал выбираются из соображений оптимального
теплового режима сварки. Опора может использоваться для подогрева
или охлаждения. Поскольку опора (пассивная или активная)
участвует в распределении энергии среди элементов
колебательной системы, ее можно использовать для получения
информации о ходе процесса сварки. В этом случае опора выполняется
в виде датчика. В некоторых случаях опора играет еще и
дополнительную роль, являясь элементом механизма давления.
Механизм давления предназначен для того, чтобы
обеспечить необходимый акустический контакт между рабочим торцом
волновода, изделием и опорой, а также между частями
свариваемого изделия.
Сварочный узел или опора должны иметь возможность
перемещения. Подвижному элементу сообщается движение от
механизма перемещения и при помощи мускульной силы оператора
или при помощи автоматического привода — электрического,
пневматического или гидравлического. Иногда подвижными
выполняют и сварочный узел, и опору. Тогда оба эти элемента
могут быть элементами механизма давления.
Вспомогательные устройства обеспечивают
транспортирование материала в зону сварки.
Блок управления служит для контроля и управления
параметрами сварочного процесса, включения и выключения
ультразвука.
Станина ультразвуковых сварочных машин предназначена
прежде всего для размещения названных выше элементов и
узлов. Иногда на станине устанавливают различные подающие и
приемные устройства. Часто в конструкцию станины
встраивают источник энергии — ультразвуковой генератор.
Механическая часть машины (корпус, система охлаждения,
привод давления и т. д.) должна иметь: достаточную жесткость
корпуса, исключающую непроизвольное смещение и перекосы
волновода относительно свариваемых деталей, малую
инерционность привода давления с плавным опусканием волновода.
В ряде случаев конструкция рабочего стола должна соответст-
12-271
177'

вовать конкретным требованиям, обусловленным
типом/свариваемого изделия.
К машинам для ультразвуковой сварки в полной мере
относятся и общие требования: максимальный к. п. д., минимальные
габариты и масса, простота при наладке и эксплуатации,
надежность в работе, высокая производительность, соответствие
требованиям эргономики.
ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Механические колебания в ультразвуковых сварочных
машинах «получают с помощью электроакустических
преобразователей. Поскольку при использовании достаточно мощных
преобразователей свариваемый материал ('полимерные листы,
пленки, ткани и т. д.) представляет собой пренебрежимо малую
нагрузку, акустическая мощность излучения преобразователей,
используемых для сварки пластмасс, составляет
незначительную часть от общей мощности потерь и не характеризует
эффективности технологического процесса. Основная задача при
использовании таких преобразователей состоит в получении
достаточно большой амплитуды смещения ультразвукового ина
румента-волновода, поэтому их условно относят к группе
«преобразователей амплитуды».
Преобразование электрической энергии в энергию
механических упругих колебаний основано на использовании магнито-
стрикционного или пьезокерамического эффекта. Не
останавливаясь на физической сущности этих явлений, подробно
освещенной в специальной литературе [64], укажем только, что они
характерны для ферромагнитных (в случае магнитострикции) и
пьезокерамических (в случае электрострикции) веществ. Если
эти вещества претерпевают некоторую механическую
деформацию, то их магнитные или электрические свойства меняются
(прямой магнитострикционный эффект). И наоборот, если эти
вещества поместить в магнитное или электрическое поле, то в
них возникает механическая деформация, вызывающая
изменение размеров тела (обратный магнитострикционный эффект).
Металлические магнитострикционные преобразователи
Магнитострикционным эффектом обладают многие
ферромагнитные материалы. Эти материалы состоят из магнитоодно-
родных кристаллов, объединенных в домены. В ненамагничен-
ном материале отсутствует ориентация магнитных моментов
доменов. Под действием магнитного поля большинство доменов
ориентируется в направлении легчайшего намагничивания.
В результате поворота доменов происходит деформация
кристаллической решетки и изменение размеров ферромагнитного
тела в целом.
Магнитострикционный эффект — четный, т. е. направление
деформации не меняется при перемене напряженности
магнитного поля. Для увеличения амплитуды смещения рабочих тор-
178

Таблица IV. 1. Свойства некоторых металлических
магнитострищионных материалов
Материал
Никель
Пермендюр
К49Ф2
Пермендюр
К65
Альфер
Гиперник
.Химический
fcc-став
>98% Ni
49% Со
A,5+1.8)% V,
остальное Fe
65% Со,
остальное Fe
13,8% А1,
остальное Fe
50% Ni,
остальное Fe
i
*^ CJ
S"S
35
70
90
40
25
м/с
«•J*
i
(i
5,0
5,2
5,0
5,1
—•
*0i
0,25
0,25-
0,37
0,2
0,28
0,20
«
653
1253
—
773
—
*t?
a.
8,90
8,08
8,25
6,70
8,30
, МПа
1
о
tq
2,0
2,1
2,2
1,3—
1,8
1,4
s
О
^
о
Q?
7
26
8
90;
46'
цов преобразователя последний помещают в зону действия
постоянного и переменного магнитных полей. При оценке и
расчетах различных металлических магнитострикционных
преобразователей используют основные характеристики
магнитострикционных материалов, к которым относятся: модуль упругости Е,
магнитострикционное удлинение А///, коэффициент связи k
(отношение механической энергии, генерируемой в
преобразователе, к подведенной к нему магнитной энергии), «плотность
материала р, скорость распространения упругой волны с, удельное
электрическое сопротивление R.
Магнитострикционные свойства в значительной степени
определяются температурой окружающей среды. Повышение
температуры приводит к уменьшению деформации магнитострик-
ции, которая полностью исчезает при достижении критической
температуры Тк, называемой точкой Кюри.
В табл. IV. 1 приведены основные константы некоторых
металлических магнитострикционных материалов. Наилучшим
материалом для изготовления преобразователей являются железо-
кобальтовые сплавы. Так, пермендюр обладает наибольшим
магнитострикционным удлинением и наивысшей точкой Кюри.
Однако технология обработки и пайки его достаточно сложна.
Хорошими магнитострикционными свойствами обладают
сплавы железа с алюминием (альфер). Магнитострикционное
удлинение у них такое же, как у никеля, но удельное электрическое
сопротивление на порядок выше, благодаря чему потери
энергии в преобразователях из альфера значительно меньше, чем в
преобразователях из никеля. Но альфер практически не
поддается пайке со сталью, поэтому для соединения пакета
преобразователя с трансформатором упругих колебаний приходится
применять контактную стыковую сварку, что усложняет и
удорожает изготовление акустического узла. Наибольшее примене-
12*
179'

1 1
1
г~
У
[
1
1
)
1
1—
а
;
I
е
-«—»-
И
* 1
_J
^-
>'
I
Рис. IV. 1. Двухстержневой преобразователь:
/ — длина пакета; Н — ширина пакета; h — длина окна;
е — ширина окна; Ь — накладка; а — ширина стержня
ние для изготовления преобразователей
ультразвуковых сварочных машин
находит никель, который обладает
достаточным магнитострикционным удлинением,
имеет хорошие прочностные,
деформационные и антикоррозионные свойства и
легко паяется со сталями оловянными
и серебряными припоями.
Сердечники магнитострикционных преобразователей,
предназначенных для сварки, выполняют в основном двухстержне-
выми (рис. IV.1). Их набирают из тонких пластин магнито-
стрикционного металла, что уменьшает потери на вихревые
токи и магнитный гистерезис. Теоретический расчет толщины
пластин можно найти в работе [64]. Пластины из никеля
делают толщиной 0,1 мм, а из пермендюра — 0,2 мм. Обычно
пластины вырезаются из холоднокатанных листов и затем
подвергаются отжигу. Направление вырезания пластины по
отношению к направлению прокатки и температура отжига
оказывают значительное влияние на величину магнитострикционного
эффекта. Технология вырезания пластин приведена в работе
'[64]. Магнитострикционная деформация отожженного никеля в
1,5 раза больше, чем холоднокатанного. Кроме того, отжиг
приводит к образованию оксидной пленки толщиной около 2 мкм,
изолирующей пластины друг от друга при сборе их в пакет, что
уменьшает влияние вихревых токов. Хорошие результаты
получаются при отжиге чистого никеля при температуре 973 К в
атмосфере водорода или в вакууме в течение 30 мин. При
повышении температуры отжига до И 73 К время отжига
уменьшается до 15 мин, однако при этом значительно изменяются кривые
намагничивания, что свидетельствует об ухудшении
магнитострикционных свойств.
В работе [65] рекомендуется несколько другой режим
отжига: нагрев до 1073 К в муфельных печах с доступом кислорода;
выдержка в течение 1,5—2,0 ч; отпуск при 673 К. Отожженные
лластины из никеля собирают в оакеты нужного сечения и
скрепляют накладками толщиной 8—10 мм; ширина и длина
соответствуют размерам пакета. Для отжига пластин,
изготовленных из пермендюра, их предварительно собирают в пакеты
и скрепляют накладками. Листы из пермендюра при
нагревании не покрываются оксидной пленкой, поэтому для их
изоляции используют обычные лаки, применяемые при сборке
трансформаторных пакетов, а также эпоксидные смолы и
синтетические клеи. При сборке пакета каждую пластину обсыпают
сухим тальком. Отжиг производят в вакуумной или водородной
180

печи. Партию пакетов загружают в холодную печь. Отжиг в
этом случае ведут в электропечах под вакуумом (при давлении
10~ мм рт. ст.) или в водородной печи на следующем режиме:
нагрев до 1093 К; выдержка в течение 8—10 ч; охлаждение
пакета в печи до 673 К со скоростью сначала 0,02 К/с, а затем
0,04 К/с до полного остывания. Отожженные пластины из
никеля и пермендюра шлифуют по торцам в пакетах. Шлифование
производят вдоль их ребра вместе с накладками. Затем торцы
пакета обезжиривают бензином Б-70 и лудят серебряным или
оловянным припоем, что предотвращает раскомплектование
пакета после снятия накладок или хомутов.
Для создания в процессе работы преобразователя
постоянного и переменного магнитных оолей на стержни пакета
наносятся обмотки возбуждения и подмагничивания. Иногда для
этой цели используется одна и та же обмотка. Обмотка
возбуждения выполняется из провода БПВЛ сплошной навивкой.
В некоторых преобразователях (например, ПМС-15А, ПМС-
15А-18) имеется дополнительная обмотка, используемая для
получения напряжения обратной связи, подаваемого на вход
ультразвукового генератора. Несмотря на указанные выше
меры по предотвращению потерь на магнитный гистерезис и
вихревые токи, эти потери в металлических магнитострикторах
составляют значительную часть мощности, подводимой к
преобразователю (достигают 100—150Вт/кг). Кроме того, эффект
магнитострикции во многом зависит от интенсивности
охлаждения, так как при повышении температуры преобразователя
относительное удлинение магнитострикционных материалов
резко снижается. При температуре, достигающей точки Кюри (см.
табл. IV.1), магнитострикционные свойства преобразователя
исчезают. Для стабилизации магнитострикционных свойств и
предотвращения разрушения изоляции применяют водяное
охлаждение сердечника преобразователя.
Измерение резонансной частоты преобразователя является
обязательным условием. Для этого его подключают к
частотомеру и ультразвуковому генератору соответствующей
мощности. При достижении максимальной интенсивности кавитации
воды, в которую погружают преобразователь при испытании,
фиксируют его резонансную частоту. Отклонение фактической
частоты от расчетной составляет 3—4%.
С помощью ультразвуковых ваттметров замеряют
акустическую мощность преобразователя, которая у качественно
изготовленных пакетов составляет обычно 6—10 Вт/см2.
Одновременно по шлейфовому осциллографу следят за тем, чтобы
форма выходного напряжения и тока была чисто синусоидального
характера. Замеры амплитуды производят в основном после
сборки колебательной системы и согласования всех ее
элементов. Замеры производят микроскопом типа МИР, МБС-2 и т. д.
с увеличением в 280 и 600 раз, а также с помощью
бесконтактных виброметров.
181

В ультразвуковых сварочных машинах используются в
основном стандартные преобразователи типа ПМС. В случае
индивидуального изготовления преобразователя следует
производить его геометрический и электрический расчет.
Методика расчета магнитострикционного преобразователя
состоит в следующем. При выборе размеров преобразователя
исходят из мощности, рабочей частоты и скорости звука в
материале. Для сварки пластмасс наиболее часто применяется
частота 18—25 кГц. Если известна электрическая мощность
(т. е. мощность Рэ ультразвукового генератора), подводимая к
преобразователю, и удельная мощность РУА (Вт/мм2) для
применяемого материала преобразователя, то площадь сечения
стержня преобразователя определяют по формуле
5=РЭ/РУД. (IV. 1)
Удельная мощность для материалов преобразователя равна
для никеля 0,5—0,8, пермендюра — 0,9—1,1, альфера — 0,6—
0,8, феррита —0,1—0,15 Вт/мм2.
Ширина окна е (см. рис. IV.1) должна приниматься с
учетом размещения обмотки и в зависимости от мощности Рэ:
Рэ, кВт 0,25-0,5 0,5-1,0 1,0-2,2 2,0—3,0
еу мм 8-10 10—14 14-16 15—18
При квадратном, наиболее часто применяемом на практике
сечении пакета ширина Н пластины подсчитывается по
формуле
#=*/2 + Ve2/4 + 2S, (IV>2>
где S определяется по (IV. 1) и равна 5=Яа.
Тогда ширина каждого стержня составит
а=(Н—е)/2. (IV. 3>
Размер накладки Ь должен быть по возможности малым, так
как с его ростом амплитуда смещения излучающей
поверхности уменьшается за счет возникновения изгибных колебаний.
Размер Ь определяется из условия
b>a(B0 + Bm)/B8, (IV.4)
где Во — индукция подмагничивания; Вт — амплитуда переменной
составляющей индукции; Bs — индукция насыщения материала магнитопровода.
На практике размер накладки Ь принимается равным
6= A-7-1,2) а.
Длина окна пластины h определяется из уравнения
собственных частот двухстержневого преобразователя, которое
может быть представлено в виде
* = l|rarctg(-^ctg-^), (IV.5>
где с — скорость распространения звука в материале пакета; / — частота.
182

Произведя расчеты по (IV. 1) — (IV.5), можно с достаточной
для практики точностью определить длину пластин /:
/ = 26 + Л. (IV.6)
Ниже приводятся унифицированные размеры сечений
(первые два сомножителя) и длин пластин (третий сомножитель)
пакетов магнитострикционных преобразователей различной
мощности (частота 22 кГц):
Материал Размеры сечений (в мм) при мощности (в кВт)
0,2 0,4 1,0 1,5 2,0 2,5 4,0
Никель 20Х20Х 35Х35Х 45х45х 55х55х бОхбОХ 75Х75Х 85х85Х
106 105 106 107 108 109 113
Пермендюр 16Х16Х 25х25х 35Х35Х 45Х45Х 55х55х 60Х60Х 70Х70Х
115 114 113 112 111 110 107
Число витков обмотки двухстержневого преобразователя
определяется из выражения
л= 10^/D,44BmSf). (IV.7)
где и — напряжение возбуждения, В; Вт — индукция, Т; 5 — площадь
поперечного сечения стержня преобразователя, мм2; / — частота колебания, Гц.
Значение индукции в сердечниках магнитострикционных
преобразователей выбирается обычно в пределах: для пермен-
дюра — 0,09—0,12 Т, для никеля — 0,04—0,05 Т. При этих
значениях используется около 0,25 кривой магнитострикции в ее
наиболее крутой восходящей части. ->
Ток возбуждения равен
/воз=А>/«. (IV.8)
Ток подмагничивания рассчитывается по формуле
/под=Я0//@,8яп), (IV.9)
где Но — напряженность магнитного поля, которая для пермендюровых
преобразователей может быть принята равной 2500 А/м (при /=21 кГц и Вт=
«0,1 Т).
При общей обмотке возбуждения и подмагничивания
значение тока через обмотку составит
/общ = Т//воз + /под. (IV. 10)
Сечение провода обмотки преобразователя при этом будет
равно
g = Wi, (IV. П)
где / — плотность тока в обмотке преобразователя.
При охлаждении обмотки водой значение / может быть
принято в пределах 8—10 А/мм2.
После проведения электрического расчета преобразователя
по формулам (IV.7) — (IV.11) производится проверка
возможности размещения обмотки на стержнях преобразователя. При
183

этом возможное число витков равно
n0=-h/(dnpK)t
где dnj> — диаметр провода №Р=2У^7зг); /С — коэффициент укладки,
который может быть принят равным 0,9.
При правильном расчете должно соблюдаться условие я0>
>п.
Ферритовые магнитострикционные преобразователи
Ферритами называют материалы, получаемые смешением в
определенной пропорции порошкообразных оксидов железа и
других металлов (Ni, Co, Mn, Mg, Си), прессованием этой
смеси и последующим обжигом при высоких температурах.
По химическому составу ферриты для акустических
преобразователей, разработанные в нашей стране и за рубежом,
близки друг другу и могут быть выражены следующей
формулой:
[(N10)^-2 (CuO)y(ZhO)Д.* (CoObFe.0,
Все они построены на базе феррита никеля, имеющего
достаточно большую величину магнитострикционной деформации —
B5ч-30I0~6. Добавки феррита кобальта в пределах #=0,01-f-
-^0,03 способствуют компенсации магнитокристаллической
анизотропии. Добавки феррита меди в количестве #=0,1-^0,2, не
ухудшая магнитострикционных свойств, позволяют снизить
температуру отжига на 100—200 К-
По статическим и динамическим характеристикам магнито-
стрикции ферриты не уступают металлическим материалам, а в
ряде случаев превосходят их.
Электрическое сопротивление ферритов в 10я—1010 раз
выше, чем металлов, поэтому потери на вихревые токи в них
практически отсутствуют. Это является несомненным
преимуществом ферритовых преобразователей перед металлическими
и позволяет в отдельных случаях сварки полимерных
материалов не применять принудительного охлаждения
преобразователя. Однако в режиме интенсивных колебаний происходит
нагрев преобразователя за счет его -собственных потерь, при этом
температура сердечника может достигать 363 К. Такой разогрев
может привести к нестабильности работы ферритового
преобразователя за счет изменения магнитострикционных
характеристик и резонансной частоты. Эта нестабильность особенно
свойственна преобразователям с ферритом кобальта (Ф-41, Ф-42),
поэтому последний не рекомендуется применять при работе в
широком диапазоне температур. В этом случае лучше
использовать феррит Ф-21, обладающий стабильными магнитострикци-
онными характеристиками в диапазоне температур от 273 да
373 К.
184

рис. IV.2. Ферритовый (а) и
пьезокерамический (б)
преобразователи:
/ — сердечник; 2 — постоянный
магнит; 3 — частотно-понижающие
накладки; 4 — пьезокерамические
пластины; 5 — токоподвод; 6 —
волновод
Одним из основных
преимуществ ферритовых
преобразователей перед
металлическими
является монолитность
сердечника. Это делает
технологический процесс
изготовления преобразователей простым и экономичным;
механическая добротность монолитных сердечников всегда выше
добротности сборных пакетов; расширяются возможности
конструктивных решений при создании новых преобразователей, так
как выбор формы сердечников не ограничивается
необходимостью набирать их из штампованных пластин.
Акустическим институтом АН СССР разработаны феррито-
вые сердечники стержневого типа (рис. IV.2, а) с резонансной
частотой 21, 23, 27, 57, 75 и 155 кГц. Для обеспечения
необходимой механической прочности отношение площади накладки к
площади сечения стержней составляет для большинства
сердечников 2:1, а для сердечников в форме рамки с резонансной
частотой 23 кГц оно равно 3:2. Подмагничивающее постоянное
поле Н0 создается в сердечниках с помощью постоянных
магнитов, вклеиваемых в магнитопровод; это оказалось более
рациональным, чем создание подмагничивания за счет
постоянного тока. В качестве постоянных магнитов используются фер-
ритовые магниты, обладающие очень высоким по сравнению с
металлическими магнитами электрическим сопротивлением,
вследствие чего переменный магнитный поток может
пронизывать их так же легко, как воздух. Для этой цели применяют,
например, феррит бария марки БА-2, так как благодаря его
высокой магнитной проницаемости и коэрцетивной силе,
превышающей 30 кА/м, подмагничивание можно создать при
помощи магнитов в виде тонких пластин.
Амплитуда колебаний и интенсивность излучения
ферритовых преобразователей ограничиваются как нелинейностью
свойств, так и недостаточно высокой механической прочностью
ферритов. Амплитуда при резонансной частоте 23—27 кГц и
пределе прочности массивных ферритовых стержней 15—20МПа
в отсутствие нагрузки должна составлять 3—4 мкм, а
интенсивность колебаний 130—140 кВт/м2. Экспериментально было
установлено, что в указанном диапазоне резонансных частот ферри-
товые сердечники стержневой формы могут устойчиво работать
с амплитудой Л = 3 мкм, а при А = 4 мкм наступает их разруше-
185

ние. При этом максимальная интенсивность колебаний
составляет 70 кВт/м2. Последнее указывает на то, что применение
ферритовых преобразователей наиболее целесообразно в
маломощных ультразвуковых сварочных машинах, предназначенных
для сварки полимерных пленок, синтетических тканей и сеток
из моноволокна.
Пьезоэлектрические преобразователи
В последние годы за рубежом и в нашей стране для
ультразвуковой сварки пластмасс и синтетических тканей стали
широко применяться керамические и пьезоэлектрические
преобразователи [20].
Пьезоэлектрические преобразователи изготавливают из*
кристаллов кварца, сегнетовой соли, турмалина, керамики
титаната бария (ВаТЮз), а также цирконата — титаната свинца
(ЦТС) [Pb(ZrTiH3] и его производных. По сравнению с
другими пьезокерамическими материалами ЦТС обладает
большим пьезомодулем (величина, аналогичная модулю магнито-
стрикционной активности), высокой точкой Кюри, что
позволяет ему устойчиво работать при температурах до 493—510 К с
акустической мощностью излучения 50—100 кВт/м2, а также
значительной механической прочностью.
Пьезоактивные элементы преобразователей выполняют в
виде круглых или прямоугольных пластин. Для этого вначале из
измельченной смеси сырьевых материалов прессуют заготовки
нужного размера и формы, которые отжигают при
температуре 1600—1800 К. Затем полученные заготовки шлифуют и
подвергают поляризации в постоянном электрическом поле.
Средняя продолжительность поляризации при напряженности
электрического поля 2 МВ/м составляет около 1 ч.
В ультразвуковых сварочных машинах применяют
излучатели типа Ланжевена и преобразователи типа «сэндвич»-
(рис. IV.2,б). Преобразователь состоит из двух пассивных
металлических (сталь или алюминий) частотно-понижающих
накладок-пластин 3, между которыми зажаты кварцевые или пье-
зокерамические пластины 4 толщиной 5—10 мм. К
металлизированным обкладкам пластин подается переменное
электрическое напряжение. Толщина накладок выбирается таким
образом, чтобы вся система работала как полуволновый излучатель.
Металлические пластины действуют как массы, значительно
понижающие частоту излучателя. Благодаря этому устраняется
необходимость применения толстых пьезопластин и улучшается
охлаждение. Важно обеспечить прочное соединение
поверхностей пластин и пьезоэлементов. Эти поверхности необходима
тщательно притирать и для более прочного соединения
стягивать их шпилькой.
Основными преимуществами такого пакетного
преобразователя являются конструктивная простота, отсутствие необходим
186

мости в высоком напряжении поляризации, сравнительно малый
объем пьезоактивного материала. Максимальный к. п. д. при
достижении одной и той же акустической мощности излучения у
пьезокерамических преобразователей выше, чем у магнито-
стрикционных металлических, а система охлаждения гораздо
экономичнее или вообще не требуется. Недостатки указанной
конструкции преобразователя связаны в основном с
размещением пьезоэлемента в зоне максимальных амплитуд
механического напряжения, т. е. наибольших потерь. Кроме того, в
режиме больших амплитуд наблюдается нестабильность
излучения, нагрев пьезоэлементов, деполяризация и выход
преобразователей из строя.
В настоящее время наибольшее распространение получили
пьезокерамические преобразователи типа «сэндвич». Они
обеспечивают электроакустическую эффективность выше 80% и
выходную мощность до 2,5 кВт. Так, ультразвуковое сварочное
оборудование, выпускаемое в ЧССР, снабжено пьезокерамиче-
скими 'преобразователями с дисками диаметром 38 и 50 мм,
которые обеспечивают мощность до 1,6 кВт. В указанном
преобразователе четыре пьезокерамические пластины соединены
попарно. Преобразователь состоит из стального рефлектора,
радиатора из дюралюминия и латунных промежуточных
электродов, к которым подается напряжение. Соединение
промежуточных электродов с чередующимися, попарно объединенными
керамическими пластинами, производится механическим
креплением— стержнем с гайкой. Более широкая часть радиатора с
внешней стороны снабжена охлаждающими отверстиями. На
выходном конце радиатора находится резьбовое отверстие для
навинчивания волновода. Важным фактором для двухпарного
соединения пьезокерамических пластин является правильный
выбор их по резонансной частоте f и последовательному
сопротивлению i?2. Различие между этими величинами должно быть
минимальным, чтобы не происходило чрезмерного нагревания
одной из пластин, исходя из условий их параллельности
работы.
Испытания таких преобразователей показали, что при на-
гружении пластин 500 тыс. раз по 3 с изменения
электроакустических величин не происходило. Применение конструкции типа
«сэндвич» позволило по сравнению с пакетом Ланжевена
расширить диапазон частот и амплитуду сварки, увеличить
мощность преобразователей и электроакустический к. п. д.
ТРАНСФОРМАТОРЫ УПРУГИХ КОЛЕБАНИЙ И ВОЛНОВОДЫ
Расчетные формулы для определения геометрических
размеров элементов колебательной системы ультразвуковых
сварочных машин выводятся из решения дифференциального
уравнения распространения продольных волн в стержнях переменного
-сечения. Наибольшее значение амплитуды смещения соответ-
187

ствует резонансному режиму работы колебательной системы,
когда частота свободных колебаний равна частоте
вынужденных колебаний. Поэтому решение заключается в нахождении
частотного уравнения, связывающего геометрические размеры
стержня и физические характеристики материала, из которого
он изготовлен, с частотой свободных колебаний.
Ниже приведены значения плотности р, модуля Юнга Е и
скорости продольных волн с в стержне для некоторых
материалов, используемых при изготовлении элементов колебательной
системы в ультразвуковых установках для сварки полимерных
материалов:
Материал
Алюминий
Алюминиевый
сплав АМГ
Сталь 45
Сталь ЗОХГСА
Титановый
сплав
ВТ-1
ОТ4
ВТЗ-1
ВТ-4
г/смЗ
2,7
2,6
7,8
7,8
4,55
4,55
4,55
4,55
Е, МПа
7100
7100
21000
21000
11300
11300
11300
11300
г, м/с
5080
5200
5175
5200
5072
5141
5178
5130
Материал
Никель HI, H2
Альфер
Ю-12
Ю-14
Пермендюр
К49Ф2
К50Ф2
К65
К70
Пермаллой
Феррит
р'«
г/смЗ
8,9
6,7
6,65
8,15
8,29
8,25
8,25
8,25
5,27
Е% МПа
20000
18000
18000
21100
21800
22000
22000
22000
17900
с, м/с
509D
4850
510О
520G
5100
500Q
5000
4100
5940
Трансформатор упругих колебаний является промежуточным
звеном между преобразователем и волноводом и служит для
согласования параметров преобразователя и нагрузки, а также
для увеличения амплитуды колебаний на его выходном торце.
Независимо от типа применяемого магнитострикционного
преобразователя амплитуда смещения его невелика и составляет
3—5 мкм. Для увеличения амплитуды колебаний к
преобразователю присоединяется трансформатор упругих колебаний,
а к последнему — волновод. Задаваясь определенным законом
изменений площади поперечного сечения трансформатора и
волновода, можно усилить амплитуду смещения торца
преобразователя в 5—10 раз. В большинстве случаев при
ультразвуковой сварке полимерных материалов используются
ступенчатые трансформаторы упругих колебаний, имеющие
наибольший коэффициент усиления, равный 4—6 (отношение
амплитуды на выходе к амплитуде на входе) (рис. IV.3).
Входная площадь трансформатора 5i назначается, исходя
из величины площади магнитострикционного преобразователя.
Обычно она равна площади окружности, описанной вокруг
прямоугольного или квадратного контура пакета преобразователя,
т. е. диаметр входного поперечного сечения принимается
равным диагонали пакета (см. рис. IV.3). Что же касается
выходной площади S2 (выходной диаметр D2), то она не должна
быть слишком малой, несмотря на то, что коэффициент
усиления амплитуды смещения при этом увеличивается. Это объяс-
188

Рис. IV.3. Конструкция трансформатора упругих
колебаний (У), соединенного с пакетом преобразователя
B). Частота 22 кГц, D4 = 65, D2=40 мм
няется тем, что при большом отношении
D\/D2 в месте перехода от толстого сечения к
тонкому нарушается характер плоской волны
и создается значительная концентрация на- »
пряжений, что приводит к быстрой поломке
трансформатора или волновода.
Опыт эксплуатации цилиндрических
ступенчатых стержней в установках для сварки
пластмасс показывает, что во избежание
быстрого выхода из строя трансформаторов и
волноводов необходимо, чтобы коэффициент
усиления амплитуды смещения был не более
10. Кроме того, с целью ослабления
концентрации напряжений переход от большего
сечения к меньшему должен быть плавным на протяжении 0,05
длины волны, без подрезов. Трансформатор упругих колебаний
имеет на выходном торце резьбовое отверстие для
присоединения к нему волноводов, что позволяет путем смены волноводов
сваривать на одной установке изделия различной
конфигурации. Для получения хорошего акустического контакта между
трансформатором и волноводом необходима точная подгонка
соединяемых поверхностей. Это достигается за счет
уменьшения внешнего диаметра резьбы соединяющей шпильки и
шлифования контактных поверхностей [66].
Волновод-инструмент предназначен для усиления амплитуды
смещения выходного торца трансформатора упругих колебаний
и передачи механической энергии от последнего к нагрузке —
в данном случае к месту, где производится ультразвуковая
сварка.
Рабочий (выходной) торец волновода может иметь
различную форму в зависимости от свариваемого изделия и вида
ультразвуковой сварки (контактная, передаточная,
непрерывная и т. д.) (см. рис. 1.12).
Усиление амплитуды смещения достигается применением
сужающихся по определенному закону волноводов. Для сварки
в основном применяются волноводы четырех типов:
цилиндрические (ступенчатые), экспоненциальные, конические и кате-
ноидальные.
В последнее время применяются волноводы-инструменты
новых форм, позволяющих сваривать изделия по замкнутому
контуру диаметром до 150 мм, волноводы с изменяемым
направлением колебаний, а также ножевые волноводы с большой
протяженностью ножа (до 360 мм). Такие волноводы
позволяют сваривать изделия за один цикл и получать соединения
высокого качества по всей длине шва.
189*

Материал волноводов и трансформаторов должен обладать
хорошими упругими свойствами, низким декрементом
затухания, высокой усталостной прочностью, хорошей
обрабатываемостью резанием и невысокой стоимостью.
В качестве таких материалов используются алюминиевые
и титановые сплавы, а также стали ЗОХГСА, 45 и 40Х.
Трансформатор упругих колебаний соединяют с магнитострикцион-
ными преобразователями преимущественно с помощью пайки.
Широкое применение для этой цели получили
высокотемпературные припои на основе серебра, алюминия, меди и других
металлов.
Трансформатор с ферритовыми преобразователями
соединяют с помощью специальных клеевых составов на основе
эпоксидных смол.
Методика расчета волноводов
В основу расчета положено волновое уравнение
д2и д I ди\
9р-Ж = Е1ь[р—} <IV12>
тде F — площадь поперечного сечения волновода; ?, р — модуль упругости
и плотность материала волновода; и — волна смещения вдоль оси х.
Обычно уравнение (IV.12) решается при условии, что
волновод свободен на концах. Это равносильно тому, что на его
концах отсутствует динамическая сила (деформация), т. е.
ди/дх = О при х=0их=/р, (IV. 13)
тде /Р — резонансная длина.
Следует указать, что условие (IV. 13) не является строго
справедливым при ультразвуковой сварке, так как
свариваемые детали представляют собой некоторую нагрузку,
приложенную к рабочему торцу волновода. Учесть это
обстоятельство довольно трудно, так как нагрузка зависит от
статического давления i[67] и изменяется в процессе сварки при
изменении температуры.
Решение уравнения (IV. 12) при граничных условиях (IV. 13)
для случая гармонического изменения смещений во времени
(u—Asinat, где А — амплитуда смещений) зависит от
закона F(x) изменения площади поперечного сечения волновода.
Для простейших случаев (постоянное сечение или
изменяющееся по экспоненте,' катеноиде, конусу и кривой Гаусса)
получены аналитические решения [13, 66]. В результате решения
можно рассчитать резонансную длину волноводов /р,
коэффициент усиления амплитуды ky, координату узла смещения х0,
в которой осуществляется закрепление акустической системы
к станине сварочной машины, и координату максимальных на-
Я90

пряжений Хт> Соответствующие формулы можно найти в
специальной литературе [13, 66]; для круглого поперечного
сечения они приведены в табл. IV.2.
Присоединение преобразователей к трансформаторам
упругих колебаний
Самым распространенным способом соединения
трансформатора упругих колебаний с преобразователем является пайка
твердыми припоями. Трансформаторы, соединяемые с
преобразователем пайкой, на выходном торце имеют, как правило,
резьбовое отверстие для присоединения сменного волновода.
В целях обеспечения возможности подгонки системы в резонанс
рекомендуется оставлять припуск 3—5 мм со стороны
выходного торца трансформатора.
Торец трансформатора упругих колебаний, припаиваемый
к преобразователю-пакету, предварительно прошлифованный,
необходимо тщательно облудить с применением флюса № 209.
Лужение должно быть равномерным по всей плоскости.
Наплывы и неровности могут привести к перекосу
преобразователя, что, в свою очередь, вызывает возникновение боковых
составляющих колебаний системы. Перед пайкой пакет пластин
преобразователя скрепляют накладками. На торец
трансформатора насыпают куски измельченного припоя. Затем
струбциной сжимают систему по торцам и устанавливают в
высокочастотную или муфельную печь. Припой должен хорошо
растекаться по поверхности основного металла, смачивать и
растворять его, легко заполнять зазоры между деталями,
обеспечивать необходимую прочность .соединения и т. д. Припои
применяются в разных видах, например в виде лент, паст,
прутьев. Особенно распространены припои в виде проволочных
контуров и прокладок из фольги, штампуемых в соответствии
с поверхностью соединяемых частей.
Широкое применение в качестве припоев получили
высокотемпературные припои — сплавы на основе серебра, алюминия^
меди и других металлов, обладающие, как правило,
температурой плавления выше 723—773 К. Серебряные припои имеют
температуру плавления 413—1103 К (согласно ГОСТу 8190—56).
Марки припоев различаются содержанием в сплавах серебра,
которое изменяется в пределах от 10% (ПСрЮ) до 72%
(ПСр72).
Применяются также медноцинковые припои ПМЦ-42,
ПМЦ-48, ПМЦ-54. Низкотемпературные припои имеют
температуру плавления ниже 723—673К и обладают небольшой
прочностью. В большинстве случаев низкотемпературные
припои содержат значительный процент олова.
Низкотемпературные оловянно-свинцовистые припои ПОС-90, ПОС-61, ПОС-33,
ПОС-25 и др. имеют (верхнюю критическую точку плавления
482—600 К.
19D

<о Таблица IV.й. Формулы для расчета дсндёных характеристик волндводов круглого поперечного бечёнйл
Волновод
Закон изменения
образующей
Теоретический
коэффициент
усиления
амплитуды
Резонансная
полуволновая длина, мм
Координата узла
смещения, мм
Координата
максимального
напряжения, мм
Ступенчатый
цилиндрический
тг
)
1
\W=X<fXn
< **
<
DX=D±
при (K*<//2
при //2<х</
-&)'-
N2
l~ 2 — 2/
J__ c
x0— 2 —
4/
X/n — о —
С
4/
Экспоненциальный
2?
Xm
^
^l
J ^
Z)^ = D^-3*
0)
lntf
с '/я2+AпЛ?)а
X
<=lfX
/-+(^Г
х°- я Х
Xarc ctg-
1пЛ/
/
Xarcctg

Продолжение табл. IV.2
Волновод
Закон изменения
образующей
Теоретический
коэффициент
усиления амплитуды
Резонансная
полуволновая длина, мм
Координата узла
смещения, мм
Координата
максимального
напряжения, мм
Конический
<х' =
>.-l/.+(?)j
ky<N
, Я а/
(a/)—корни
уравнения; tg(a/) =
a/
/
Xarctg^)
GO
<* = —
Катеноидапьный
Dx « DlChv(/—x)
v «= -т-агс chW
iV
" cos(&7)
ky>N
/ = —X
v1/(*7)a+(arcch#)*|
г я2
(?7)— корни
уравнения;
M+tg(A'0-
arcch N\
-^
Xq ~"л7"Х
(-~cthv/)
Xarctg|
/5' = У a* —va

Рис. IV.4. Установочное приспособление цля пай-
7 ки колебательных систем:
/ — торцевой болт; 2 — верхняя пара болтов; 3 — пакет
преобразователя D5X45X112 мм); 4 — заготовка
трансформатора упругих колебаний @ 65 мм, /=130 мм); 5—
нижняя пара болтов
2
В процессе пайки важно не
допустить перекоса преобразователя по отно-
¦4 шению к трансформатору упругих
колебаний; перекос и несоосность системы
не должны превышать 0,2 мм. Для
предотвращения этого целесообразно пайку
производить в специальных
приспособлениях. Одна из конструкций такого
приспособления приведена на рис. IV.4. Оно состоит из
основания, двух труб-стоек и пяти болтов. Заготовку
трансформатора 4 устанавливают на основании и закрепляют нижними
болтами 5 с призматическими наконечниками. На торец
трансформатора упругих колебаний устанавливают пакет 3. Пакет
зажимают верхней парой болтов 2, не допуская его перекоса.
Затем торцевым болтом 1 сжимают систему. Приспособление
устанавливают в печь, где производится пайка [65]. Затем
снимают накладки и зачищают места пайки.
Проверка собственной частоты преобразователя-пакета,
а также преобразователя с 'подсоединенными к нему одним
или двумя трансформаторами упругих колебаний
осуществляется с помощью частотомера и измерителя амплитуды
колебаний. Перед измерением на преобразователь наматывается
обмотка проводом соответствующего сечения и на нее подается
напряжение от ультразвукового генератора. Если частота
системы соответствует собственной частоте
преобразователя-пакета, то дополнительной подгонки не требуется. Однако чаще
всего акустические системы требуют подгонки по частоте,
заключающейся в срезании части припуска со стороны
выходного торца трансформатора. Припуск срезают на токарном
станке до тех пор, пока частота всей системы будет
соответствовать собственной частоте пакета. Обычно срезают по 1—2 мм
за одну установку, а затем вновь производят замер частоты.
В двухсторонних колебательных системах подгонку производят
поочередно для обоих трансформаторов упругих колебаний.
При срезании припуска необходимо остерегаться «скручивания»
пакета.
При отсутствии приборов контроля (микроскопа,
виброметра) можно использовать наиболее простой способ,
позволяющий получать качественную оценку работы колебательной
системы. Способ состоит в том, что колеблющийся рабочий
торец трансформатора смачивают водой и по интенсивности
распыления ((водяному фонтану) определяют качество работы
системы. Распыление воды при таком испытании колебатель-
В
В
Г
194

ной системы сопровождается характерным шипением. По
тонам последнего можно определить качество подгонки
колебательной системы в резонанс. Если обнаруживается, что
изготовленная система работает плохо, то трансформатор
отпаивают, пакет проверяют и шлифуют, проверяют материал
трансформатора упругих колебаний, затем систему вновь собирают
и паяют, после чего снова производят контрольные замеры
амплитуды и частоты.
ОПОРЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ПРИ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СВАРКЕ
Изделие, предварительно уложенное в удерживающее
приспособление (опору), размещается на столе. Если изделие
плохо закреплено, то сварка происходит неравномерно и
сопровождается значительной деформацией свариваемых
поверхностей. В зависимости от формы изделия для фиксации деталей
в процессе сварки могут применяться различные опоры.
Использование опор-держателей преследует три цели:
1) предотвратить смещение одной части изделия относительно
другой; 2) предотвратить смещение в процессе сварки изделия
относительно волновода; 3) предотвратить контакт
свариваемых изделий с руками сварщика-оператора. Некоторые
конструкции опор-держателей обеспечивают также возможность
создания давления на свариваемое изделие, что может
повысить качество соединения.
Конструкция опор-держателей зависит от формы изделия,
подлежащего сварке, и частично от материала, из которого
изготовлено изделие. Плоские изделия простой формы, в
которых предусмотрена взаимная фиксация свариваемых частей,
можно сваривать и без специальных опор-держателей,
устанавливая и фиксируя их на сварочном столе под волноводом
руками. Однако качество сварки и производительность процесса
при этом невысоки. Наиболее распространенный тип
опоры-держателя— гнездообразная опора, показанная на рис. 111.33,6, е.
Гнезда в опорах такого типа должны точно соответствовать
нижней части изделия, укладываемой в опору. Иногда на дно
и стенки такой опоры приклеивают резиновые прокладки для
выборки возможных зазоров, а также для предотвращения
повреждения поверхности изделия при сварке.
Для сварки объемных изделий должны использоваться гнез-
дообразные опоры-держатели сложной формы. Технология
изготовления таких опор состоит в следующем. В коробке
соответствующего размера устанавливают нижнюю полуформу
свариваемого изделия. Затем в коробку заливают эпоксидную
смолу с отвердителем до уровня, при котором будет обеспечена
необходимая фиксация изделия. Для предотвращения
прилипания смолы к изделию последнее смазывается машинным
маслом. После отверждения смолы шолуформа извлекается из
коробки и при необходимости производится дополнительная ме-
13*
195

ханическая обработка гнезда. Вместо эпоксидной смолы могут
использоваться другие самоотверждающиеся материалы.
Можно использовать, например, гипс, однако механическая
прочность опоры в этом случае будет низкой.
Гнездообразные опоры-держатели могут также
изготавливаться из целого бруска (текстолита, дерева или металла)
путем выборки гнезда с помощью фрезерования. В отдельных
случаях гнездообразные опоры-держатели изготавливают по
упрощенной технологии следующим образом. На основании
опоры крепится с помощью стоек плита, имеющая вырез,
соответствующий контуру изделия. Для фиксации отдельных
частей изделия, расположенных в различных плоскостях, на
основании опоры закрепляются различные подкладки для выборки
зазоров между изделием и основанием опоры.
Наиболее высокое качество соединений может быть
достигнуто при сварке в гнездообразных опорах-держателях,
снабженных дополнительными прижимными устройствами.
Необходимость дополнительных прижимиых устройств возникает в тех
случаях, когда при сварке изделия в какой-либо одной точке
происходит деформация остальной части изделия. Конструкция
прижимных устройств может быть различной. Они могут
состоять из пружин, рычагов, прижимных реек, клиньев и т. д.
в зависимости от конфигурации свариваемого изделия. На
рис. IV.5 представлена гнездообразная опора с прижимным
устройством, применяемая при сварке цилиндрического
изделия. В случае крупногабаритных изделий поджатие деталей
одновременно в нескольких точках обеспечивает равномерное
прилегание всех сопрягаемых поверхностей и отсутствие
деформации изделия при сварке.
При использовании волноводов с большой излучающей
поверхностью (ножевых, контурных и т. д.) обязательным
условием получения сварного соединения хорошего качества
является строгая параллельность рабочего торца волновода и
поверхности свариваемого изделия. Если соприкосновение торца
контурного волновода с поверхностью изделия неравномерно,
то сварка также осуществляется неравномерно. Равномерность
12 3 4 5 Вид А
Рис. IV.5. Гнездообразная опора с прижимным устройством:
/—4 — стойки; 2 —ось; 3 — зоны сварки; 5 —кулачок; 6 — плоские пружины; 7 —изделие;
8 — основание; 9 — рукоятка; 10 — пружина
196

соприкосновения торца волновода с поверхностью изделия
может быть достигнута при использовании прокладки из пористой
резины или пружинной подушки. Для этой цели можно
использовать также шодвижную сферическую опору, имеющую
выпуклую форму (см. рис. Ш.ЗЗ, в). Она состоит из полусферы,
которая опирается либо на шарикоподшипник, либо на гнездо
со сферической поверхностью и может свободно перемещаться.
На плоской поверхности полусферы располагается
свариваемое изделие. Такие опоры в основном применяются при сварке
изделий с большой разнотолщинностью по периметру.
Опоры ультразвуковых сварочных машин разделяются на
активные, отражающие ультразвуковые колебания, и
пассивные, поглощающие энергию колебаний. Многие исследователи
[3, 44] считают более рациональной сварку на активной опоре»
Активные опоры могут быть «полуволновыми» (стержень
длиной Я/2) и «четвертьволновыми» (стержень длиной Х/4).
Для изготовления активных опор обычно используют
материалы, обладающие хорошими прочностными и акустическими
свойствами (сталь 45, ЗОХГСА, титан и др.). Четвертьволновая
опора с упругим закреплением представляет собой стержень
длиной /=А,/4, закрепленный на резиновой подложке.
Для сварки изделий с геометрически сложной поверхностью
часто применяются /пассивные опоры. Рабочая поверхность
пассивных опор должна точно соответствовать поверхности
свариваемой детали. Действие таких опор основано на
поглощении излучаемой энергии, поэтому для их изготовления
используются материалы, гасящие ультразвуковые колебания
(резина, древесина, текстолит и т. д.). В конструкцию
пассивных опор часто входят приспособления, удерживающие детали
в гнезде опоры во время сварки.
Некоторые пленочные материалы, например полиэтиленте-
рефталатные пленки, свариваются на стекле. При сварке таких
материалов на дереве, резине или текстолите может
происходить перегрев и даже прожог в зоне соединения, что
объясняется малым теплоотводом в опору.
КОНСТРУКЦИИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ СВАРОЧНЫХ МАШИН
Классификация ультразвуковых сварочных машин
Современные ультразвуковые сварочные машины можно
классифицировать по следующим признакам:
по видам свариваемых соединений — на машины для
точечной, многоточечной, контурно-рельефной, шовной и шовно-ша-
говой сварки; первые три типа машин позволяют осуществлять
прессовую контактную или передаточную ультразвуковую
сварку; последние два типа машин служат для получения
непрерывных протяженных прямолинейных или криволинейных швов;
197

по степени автоматизации — на автоматы, полуавтоматы и
машины ic ручным управлением основными и
вспомогательными операциями;
по назначению — универсальные машины общего
назначения, позволяющие производить сварку широкой номенклатуры
изделий, и специализированные машины;
по характеру установки машины — на стационарные и
переносные; стационарными являются, как правило, машины для
прессовой и шовной ультразвуковой сварки; к переносным
машинам относятся, например, ручные пистолеты небольшой
мощности;
по характеру взаимного перемещения свариваемого
материала и волновода — на машины с подвижным и неподвижным
сварочным узлом;
по способу создания статического давления — на машины,
в которых давление осуществляется через сварочный узел,
и машины, в которых давление осуществляется через опору;
по числу рабочих позиций — на одно-, двух- и
многопозиционные; первые машины имеют одну рабочую позицию, на
которой осуществляется односторонняя и двухсторонняя
сварка; в многопозиционных машинах сварка изделий может
производиться одновременно или поочередно с помощью
нескольких акустических головок от одного или нескольких сварочных
генераторов.
Однопозиционные сварочные машины
Стационарная универсальная сварочная машина модели
УПМ-21, общий вид которой показан на рис. IV.6,
разработанная в МВТУ им. Н. Э. Баумана, предназначена для контактной
и передаточной ультразвуковой сварки сложных изделий из
полистирола различных марок и других пластмасс, а также для
запрессовки в них металлической арматуры. Конструктивная
схема машины УПМ-21 приведена на рис. IV.7. Машина
состоит из станины 9 со столом 16, на котором закреплен
кронштейн 17. По направляющим кронштейна 17 перемещается
платформа 18 с закрепленным на ней установочным
кронштейном 19, в котором крепится сварочный узел 2. В состав
сварочного узла входит волновод 3, соединяемый с
трансформатором упругих колебаний резьбовой шпилькой. Перемещение
платформы 18 осуществляется при нажатии на педаль 11.
Педаль и платформа связаны тягами 4 и 10. Для возвращения
сварочного узла в верхнее положение служит пружина 13 и
противовес 14.
Свариваемые детали размещаются на рабочем столе 5. При
нажатии педали 11 происходит опускание кронштейна,
преобразователя сварочного узла 2 и волновода 3, в результате чего
с некоторой силой (регулируемой) изделие зажимается между
волноводом и опорой. Включение ультразвука осуществляется
198

Рис. IV.6. Общий вид сварочной машины УПМ-21
Рис. IV.7. Схема сварочной машины УПМ-21:
/ — токоподвод; 2 — сварочный узел; 3 —волновод; 4 — тяга; 5 —рабочий стол-опора-
ь — микровыключатель; 7 — стакан механизма давления; 8 — установочный винт- 9 —
?т,^?-; Ра ~~ РегУлиРУюЩая тяга-талреп; //-педаль; /2-клеммная коробка;' /3-
усТаТовочн^ /5-штуцер; /5 -стол; /7 - кронштейн; /3-платформа; /9-
при заданной деформации пружины с помощью
микровыключателя 6 и штифта, установленного на рабочем столе 5.
Подвод воды для охлаждения преобразователя осуществляется
через штуцер 15. Выводы микропереключателя и обмотки
преобразователя расположены на клеммной коробке 12, закрытой
защитным кожухом.
Коммутирующие элементы обеспечивают включение и
выключение ультразвуковых колебаний в ручном режиме с
помощью кнопки, установленной на генераторе, и в
автоматическом режиме с помощью концевого выключателя,
установленного под рабочим столом машины.
В машине могут быть использованы два типа
преобразователей: ПМС1М МВТУ (материал пакета —пермендюр;
частота—21,5 кГц; мощность—1,6 кВт) и ПМС2М МВТУ
(материал пакета — никель; частота —21,5 кГц; мощность —0,6 кВт).
Охлаждение в обоих случаях водяное. С незначительными
конструктивными изменениями машину можно использовать для
двусторонней сварки. В машине используются сменные
волноводы (ножевые, контурные или точечные в зависимости от
формы свариваемых изделий и характера сварки). Время
сварки одного изделия — от 0,1 до 10 с; усилие прижима — от 0 до
199

Рис. IV.8. Общий вид сварочной маши*
ны МТУ-1.5-ЗУ4
500 Н; максимальное расстояние
между рабочим торцом
волновода и опорой — до 200 мм.
В комплекте с машиной
УПМ-21 возможно применение
ультразвуковых генераторов
типа УЗГ5-1,6/22 и УЗГЗ-0,4.
Габариты — 530 X 740 X 1300 мм,
масса — 85 кг.
Универсальная стационарная
сварочная машина типа МТУ-
1,5-ЗУ4 разработана во
Всесоюзном научно-исследовательском
институте электросварочного
оборудования (ВНИИЭСО) и
серийно выпускается
Калининградским заводом «Электросварка».
Она предназначена для точечной
и контурной ультразвуковой
сварки изделий из полимерных материалов. На машине можно
получать нахлесточные, тавровые и угловые соединения
изделий различных конфигураций из полистирола, полиамида, кап-
ролона, полиметилметакрилата, полиэтилена [68]. Общий вид
машины показан на рис. IV.8, конструктивная схема — на
рис. IV.9.
Машина состоит из сварочного устройства и источника
питания— ультразвукового генератора УЗГ5-1,6/22.
Сварочное устройство (см. рис. IV.9) крепится на сварной
стойке i, на верхнем кронштейне которой в направляющих на
подшипниках качения 8 перемещается ползун 11 с Г-образным
кронштейном 13. На переднем конце кронштейна находится
сварочный узел 12. Ползун И соединен со штоком пневмоци-
линдра 10, корпус которого закреплен на вертикальной стенке
кронштейна стойки 1.
На машине предусмотрено плавное регулирование
расстояния по высоте (на 200 мм) между сменным волноводом 14
сварочного узла и сменной опорой 15, предназначенной для
установки свариваемых деталей. Вылет акустического узла
300 мм. Две пружины 9 предназначены для компенсации веса
подвижных частей. На верхней плоскости стола установлены
регулятор 7 цикла сварки и панель 5 с кнопками управления,
манометром и воздушным редуктором. Все элементы
сварочного устройства прикрыты съемными кожухами 4 и 6.
Внутри вертикальной части стойки установлено реле <?,
контролирующее проток воды в системе охлаждения.
200

Включение сварочного цикла машины производится с
помощью двух кнопок 77, для аварийного же отключения
предназначена кнопка 16.
Электрическое устройство включает в себя регулятор цикла
сварки РЦС и элементы, обеспечивающие включение,
выключение, сигнализацию и защиту сварочного устройства.
Регулятор цикла сварки обеспечивает автоматическое управление
машиной по следующему циклу: опускание сварочного узла;
включение и выключение ультразвуковых колебаний; дополнительное
сжатие и выдержка изделия под давлением без действия
ультразвуковых колебаний; подъем акустического узла.
В машине предусмотрена возможность работы по сложной
циклограмме приложения сварочного (от 80 до 400 Н) и
проковочного усилий с увеличением последнего после окончания
воздействия ультразвуковых колебаний от 160 до 800 Н или
с выдержкой свариваемых деталей иод давлением, равным
сварочному, после окончания действия ультразвуковых колебаний.
Мощность преобразователя—1,5 кВт; частота — 22 кГц,
материал— пермендюр, охлаждение — водяное, привод давления —
пневматический; время сварки регулируется от 0,1 до 10 с;
масса машины (с генератором) —445 кг.
Рис IV.9. Схема сварочной машины МТУ-1,5-ЗУ4:
/ — сварная стойка; 2 —коробка для слива воды; 3 —реле для контроля воды; 4, б —
кожухи; 5 — панель; 7 — регулятор цикла сварки; 8 — подшипник; 9 — пружина; 10 —
шток пневмоцилиндра; /7 —ползун; 12 — сварочный узел; /3 —кронштейн; 14 —
волновод; 15 — опора; 16 — кнопка аварийного отключения; 17 — кнопка включения; /5
—зажим сварочного узла
201

Машина может применяться в различных отраслях
народного хозяйства. Экономический эффект в зависимости от
области применения составляет 10—20 тыс. руб. в год на одну
машину.
Универсальная стационарная сварочная машина типа МТУ-0,4
также разработана во ВНИИЭСО и выпускается серийно
Калининградским заводом «Электросварка». Машина служит для
контактной и передаточной сварки изделий из пластмасс,
соединения методом запрессовки металлов в пластмассы,
развальцовки заклепок, интенсификации процесса полимеризации клеев
при клеесварных соединениях деталей [67]. Она состоит из
корпуса, сварочного узла, привода статического давления,
опоры, источника питания и аппаратуры управления.
Сварочный узел состоит из магнитострикционного
преобразователя со сменными волноводами. Опора крепится на
подвижной каретке привода перемещения. Статическое давление
создается посредством пневмопривода, укрепленного на станине
машины.
Управление циклом сварки производится при помощи
типового регулятора времени типа РЦС, который включается с
помощью педали. Переналадка машины для сварки других
изделий, как правило, производится за счет регулирования
статического давления и времени сварки. Изменения частоты
генератора, тока подмагничивания, компенсирующих емкостей и т. д.
не требуется. С незначительными конструктивными
изменениями машину можно использовать для сварки самых
разнообразных изделий из пластмасс. Для -каждой конкретной
свариваемой детали необходимы свои опоры-приспособления. Мощность
преобразователя — 0,4 кВт, частота — 22 кГц, материал —
никель; охлаждение — водяное; статическое усилие прижима —
от 60 до 600 Н; производительность — около 1 точки/с; масса
(без генератора) —76 кг.
Универсальная машина модели 4120 (фирма «Бранзон»,
США, специализируется на разработке ультразвукового
оборудования для сварки пластмасс различных мощностей и
модификаций). Полуавтоматическая универсальная машина
серии 400 фирмы «Бранзон» модели 4120 предназначена для
сварки объемных изделий сложной формы из пластмасс. На машине
можно производить расклепку и заделку металлических деталей
в пластмассу, отбортовку и резку пластмасс.
Машина состоит из сварочного пресса, включающего в себя
опорную плиту, опорную стойку и корпус с пневматическим
устройством; тиристорного генератора, вмонтированного в
корпус, имеющего систему автоматической подстройки частоты
(АПЧ); электронно-программирующего устройства; пьезокера-
мического преобразователя, выполненного из цирконата-титана
свинца (к. п. д. преобразователя равен 95%); бустера (или
трансформатора упругих колебаний); ультразвуковых
волноводов различной конфигурации, выполненных из титановых спла-
202

bob. Для сварки изделий по замкнутому контуру предусмотрен
ряд контурных волноводов, максимальные габаритные размеры
которых достигают 250x250 мм. Цикл сварки регулируется
плавно автоматически в пределах от 0,05 до 6 с; цикл
выдержки под давлением — от 0,05 до 3 с. В машине предусмотрено
автоматическое плавное регулирование амплитуды, частоты и
мощности при разных давлениях на деталь. Действие
ультразвуковых колебаний на свариваемый материал начинается
только при достижении определенного сварочного усилия,
величина которого регулируется в пределах 45—1000 Н. Вылет
волновода 315 мм, высота подъема — 75 мм; мощность
генератора— 1,3 кВт; частота — 20 кГц; охлаждение — воздушное;
масса — 95 кг. Выпускаемые фирмой «Бранзон» прессовые
машины используются главным образом для соединения
пластмассовых деталей в автомобильной, электротехнической,
электронной промышленности и в производстве игрушек.
Полуавтоматическая стационарная универсальная машина
УЗП-5 (рис. IV. 10), разработанная Исследовательским
институтом механизации и автоматизации (ЧССР), предназначена
для получения комбинированных соединений пластмасс с
металлами путем запрессовки металлических деталей в
пластмассу, развальцовки заклепок и запрессовки металлических
Рис. IV. 10. Общий вид сварочной машины УЗП-5
Рис. IV.И. Общий вид сварочной машины УПК-15М1
203

сварочной машины
Рис. IV.12. Схема
УПК-15М1:
/ — выступ кулачка; 2 — толкатель; 3 —
кронштейн; 4 — регулирующие пружины; 5—
регулировочная гайка; 5 — сварочный узел; 7 —
волновод; 8 — толкатель; 9 — поворотный стол
винтов в предварительно
просверленные отверстия. Кроме
того, на машине производится
р сварка изделий из полистирола
различных марок.
Машина может работать как
в дискретном (мощность
колебательной системы варьируется в
течение технологического ова*
рочного цикла от 60 до 630 Вт),
так и в непрерывном режиме
при установленной постоянной
мощности.
^Транзисторный
ультразвуковой генератор обеспечивает по-
туды колебаний п^Л стоянство установленной ампли-
цикла г™™»ии Рабочего т°РДа волновода в течение всего
цикла сварки. Мощность генератора - 630 Вт. Преобоазова-
РрабочиТхИо\ГлнГоГа-; усилие-до 100 Н;
Многопозиционные сварочные машины
в МСВТуИи°ман^ СБя?мЧяНЛЯ МаШИ"а УП*-15М1, разработанная
?тРенкиТоЬ4 ГТУЮ ^Рме™зациюР изделия Три"<?й??
KDvnJLv .ГА »А0 1>5 ММ- Машина предназначена для выпуска
л?Е?> <™Тп продУкции ПРИ Р^оте в неблагоприятны ус*
Машина( MHOS116 Н3 УстановкУ вадь> и агрессивных сред).
машина многопозиционная, имеет один вертикально пеоеме
ГмТЛ^СаГЧНЫЙ У36Л И П°В0Р0ТНЫЙ ™ с -cUePreHMeL
(DHclv^rES УПК5М1 происходит следующим образом
Sv™« » Н Р°бКИ И3 полимеРа. наполненные пищевым про-
С?о столаРрТШиКРпЫШКаМИ' ^«"«и» в ста«ань.
поворотного стола 9. При повороте стола на 60° толкатель 2 схолит
соrSSS'So7' ВлрезУльта.те чего onycKaei^oi^SK
MnvSnn! У Л0М^ 6' К0Т°РЫЙ с определенной силой
(регулируемой подвижной пружиной 4)_ зажимает коробку между
204

волноводом и стаканом. В момент зажатия коробки включается
ультразвук и производится сварка изделия. Поворот стола
осуществляется с помощью мальтийского креста. Во время сварки,
когда стол неподвижен, кулачок продолжает вращаться; при
подходе выступа к толкателю последний поднимает сварочный
узел, стол поворачивается к следующей позиции, а сваренная
коробка снимается с машины толкателем S.
Регулирование положения сварочного узла 6 выполняется
шестью винтами, расположенными в кронштейне под
преобразователем. При помощи этих винтов удается обеспечить точное
и быстрое регулирование параллельности поверхности
контурного волновода и поверхности опорных стаканов.
В целях стабилизации механических свойств сварного шва
выбран способ отключения ультразвукового импульса по
заданной деформации или по остаточной толщине сварного шва.
Мощность преобразователя — 2,5 кВт, частота—19,6 кГц,
материал— пермендюр; статическое усилие прижима — от 10 до
700 Н. Производительность — до 7800 изделий в смену;
используется генератор УЗГ2-4М.
Универсальная стационарная сварочная машина типа
УЗ-003АР9, разработанная в ЧССР, предназначена для
контактной и передаточной сварки изделий крупных размеров из
трудносвариваемых пластмасс. Сварные соединения в этом
случае должны обладать повышенной прочностью и
водонепроницаемостью. Машина состоит из рабочего стола, на котором
расположен сварочный станок с поворотным столом, сварочным
узлом и системой электронного и пневматического управления.
В стол встроен транзисторный ультразвуковой генератор с
автоподстройкой частоты, амплитуды и мощности в зависимости
от приложенного давления. Поворотный стол может иметь 6
или 12 позиций. Сварочный узел состоит из пьезокерамического
преобразователя типа «сэндвич» с бустерной системой и
комплектом сменных волноводов. Диаметр пьезокерамических
пластин— 50 мм.
Сварочный станок с поворотным столом может
располагаться отдельно на рабочем столе, или монтироваться в поточную
линию. Мощность преобразователя—1,6 кВт; статическое
усилие— 200—2000 Н; рабочее давление воздуха — от 0,3 до 1 МПа;
вертикальный ход волновода — от 0 до 75 мм; вылет
волновода— 260 мм; время сварки регулируется oi 0 до 8 с; масса —
364 кг.
Специализированные сварочные машины
Специализированный стационарный автомат типа АУС-1,5,
разработанный во ВНИИЭСО, предназначен для контактной
ультразвуковой сварки и резки трикотажно-лавсанового рукава
при изготовлении фильтров для систем переливания крови.
Автомат состоит из каркаса, узла формования, сварочного узла,
205

f Рис. IV. 13. Общий вид сварочного пресса уПУ-1:
/ — кронштейн, 2 — платформа; 3 — крышка; 4 -/ крышка
^ с пазом, 5 — корпус; 6 — сварочный узел; 7 ^-педаль;
8 — станина /
опорного элемента, устройства для рез-
-5 'ки, пневмопривода и электропривода
[67]
Узел формования состоит из кронш-
 тейна, на котором крепится обходной
ролик и плита. На плите расположен
~5 вкладыш специальной формы,
прижимные пружины и обжимные ролики, слу-
,, жащие для предварительного
формования трикотажно-лавсанового рукава.
Окончательное формование рукава в
двутавровый профиль производится между прижимными
пружинами специальной планкой. Площадь рабочего торца
волновода определяется требованиями к изделию и составляет 15Х
ХЗ мм2. Длина опоры определяется заданной длиной изделия.
На каждой из сторон опоры укреплена каретка, которая
перемещается вдоль направляющей оси. На каретке расположены
прижимные лапки для прижатия сформированного
трикотажно-лавсанового рукава к каретке. Резка
трикотажно-лавсанового рукава производится дисковыми ножами, насаженными на
оси двигателей. Двигатели закреплены на баке охлаждения
сварочного узла и на нижнем цилиндре резки. Мощность
преобразователя— 1,5 кВт; частота — 22 кГц; материал — пермен-
дюр; статическое усилие прижима — до 450 Н;
производительность— до 9600 точек в смену; генератор УЗГ5-1,6/22.
Стационарный специализированный сварочный пресс типа
УПУ-1, разработан ВНИИЛтекмашем совместно с МВТУ им.
Н. Э. Баумана и (впервые продемонстрирован на
международной выставке «Инлегмаш-76» (рис. IV. 13) [23].
Ультразвуковой сварочный пресс УПУ-1 предназначен для
изготовления петель «и закрепок размером 10X40 мм на
деталях одежды, изготовленных из тканей и трикотажа с
содержанием не менее 65% полиамидных и полиэфирных волокон.
Пресс состоит из рабочей головки, включающей в себя
кронштейн 1 и платформу 2, корпуса 5, сварочного узла 6 с
волноводом и станины 8. В передней части кронштейна размещены
механизм прижима материала, который приводится в движение
с помощью пневмопривода, и механизм регулирования зазора
между волноводом и опорой с датчиком осадки материала.
Передняя часть головки пресса закрыта фронтальной
крышкой 5, которая крепится на винтах. Пневмораспределительная
аппаратура и блок управления расположены в корпусе пресса.
На платформе имеется крышка 4 с пазом, в который входит
торец волновода.
206

Пресс монтируется на индивидуальном рабочем столе.
Сварочный узел расположен под крышкой рабочего стола и
крепится к платформе с помощью трех винтов. Фиксированный
зазор мбжду опорой и волноводом регулируется от 0 до 1,0 мм.
Управление прессом осуществляется с помощью педали 7,
которая служит для включения пневмопривода. Включение
блока управления — кнопочное; кнопка установлена справа,
в передней части панели стола.
Пресс УПУ-1 снабжен набором сменных волноводов
ножевого типа, изготовленных из титана ВТЗ-1 и дуралюмина Д16Т.
Для придания прочности, эластичности и красивого внешнего
вида сварным швам на торце волноводов выполнены
рифления. На рабочем торце волновода, предназначенного для
ультразвуковой сварки петель, имеется паз глубиной 10 и
шириной 0,8 мм для прохода ножа. Мощность преобразователя —
1,6 кВт; частота — 22 кГц; материал — пермендюр; статическое
усилие прижима — от 50 до 500 Н; производительность —
4800 петель в смену; толщина свариваемого материала — до
5 мм; применяется генератор УЗГ5-1,6/22; масса (без
генератора) — 40 кг.
Шовные сварочные машины
Стационарная полуавтоматическая машина модели УПШ-12
(рис. IV.14), разработанная в МВТУ им. Н. Э. Баумана,
предназначена для сварки синтетических тканей из лавсанового,
полипропиленового и капронового волокон толщиной от 100
до 1000 мкм. Особенность машины УПШ-12 состоит в том, что
для повышения прочности сварного соединения за волноводом
установлен прокатывающий ролик 7, укрепленный на
кронштейне станины. Вследствие того, что ткани имеют большую
теплоемкость и малый коэффициент теплоотдачи, сварной шов
подходит к ролику еще не остывшим, поэтому прокатка проис-
Рис. IV. 14. Схема
сварочной машины УПШ-12:
1 — ферритовый
преобразователь; 2 —трансформатор
упругих колебаний; 3 — волновод,
4 — ролик-опора; 5 — рабочий
стол; 6 — ограждение
преобразователя; 7 — прокатывающий
ролик; 8 — протягивающие
ролики; 9 — установочный винт и
гайка; 10—-станина; // —
подвижная панель
207

ходит при повышенной температуре. В результате прокатки
прочность сварного соединения повышается на 4—5%
по/сравнению с прочностью сварного шва, полученного без прркатки.
Предусмотрено регулирование положения прокатывающего
ролика в зависимости от толщины свариваемой ткани, ч^о
позволяет при сварке прокатывать ткань с различной силой
прижима. Установочный винт 9 служит для регулирования зазора
между торцом волновода и опорой до 5 мм.
Установка УПШ-12 комплектуется никелевым
преобразователем мощностью 0,4 кВт, с частотой 22 кГц, работающим от
ультразвукового генератора УЗГЗ-0,4. При использовании
генератора малой мощности B0 Вт) в машине может быть
использован ферритавый преобразователь с воздушным
охлаждением. Скорость перемещения ткани — от 0 до 0,07 м/с;
статическое усилие прижима —от 0 до 300 Н.
Машина УПШ-12 используется для сварки фильтровальных
«рубашек» из синтетических тканей. Фильтровальные
«рубашки» с длиной швов 2,5 м, изготовленные на машине УПШ-12,
успешно работают на горно-обогатительных фабриках.
Полуавтоматическая стационарная машина УПШ-19*,
разработанная ов МВТУ им. Н. Э. Баумана, предназначена для
шовной сварки дублированных пленочных материалов типа
полиэтилен— целлофан (ПЦ-2) и полиэтилен — лавсан
толщиной 70—90 мкм. В машине используется схема
автостабилизации толщины сварного шва. Сварка пленок производится по
загрязненным поверхностям. Машина позволяет сваривать швы
любой протяженности; мощность электродвигателя равна
0,15 кВт.
Машина УПШ-19 применяется для изготовления рукавов и
пакетов при упаковке пищевых продуктов.
Схема машины УПШ-19 приведена на рис. IV.15. На
станине 2 сварочной машины крепятся следующие основные узлы
и механизмы: преобразователь 4 и протягивающие ролики 5,
связанные посредством цепной передачи с электродвигателем 5.
Свариваемая пленка, перемещаясь между роликом-опорой 6 и
волноводом 5, поджимается к последнему пружиной 1.
Сваренная пленка наматывается на приемный барабан или поступает
для дальнейшей обработки на рабочий стол. Сварочное усилие
прижима регулируется пружиной 1. Сварка с роликом при
постоянном давлении позволяет на машине УПШ-19 выдерживать
стабильную толщину сварного шва при колебаниях исходной
толщины материала до 25%, скорости сварки — до 15% и
амплитуды смещения волновода — до 10%. Мощность
преобразователя— 1,5 кВт; частота — 22 кГц; материал — пермендюр;
охлаждение —водяное; статическое усилие прижима — от 0 до
* Машины типов УПМ-21, УПК-15М1, УПШ-12 и УПШ-19 разработаны*
авторами совместно с Ю. Н. Орловым, Р. Н. Астаховой, В. И. Николаевым,
|Б. А. Сучковым|, И. Н. Гараниным, О. С. Карасевой, Л. Д. Варламовой.
208

Рис. IV. 15. Схема сварочной машины УПШ-19:
/ — пружина; 2 — станина; 3 — волновод; 4 — преобразователь; 5 — протягивающие
ролики; 6 — ролик-опора; 7 — электромагнит опоры; 8 — электродвигатель
400 Н; скорость сварки 0,13—0,16 м/с; используется генератор
УЗГ5-1,6/22.
Полуавтоматическая стационарная специализированная
машина УЗК-600Т, разработанная Исследовательским институтом,
швейной промышленности в городе Тренчине (ЧССР),
предназначена для шовной сварки текстильных материалов с
содержанием синтетических волокон не менее 60%. Установка
состоит из ультразвукового генератора, встроенного в рабочий
стол машины, пьезокерамического акустического узла и ролико-
протяжного устройства. Она обеспечивает максимальную
скорость сварки до 0,3 м/с. Установка снабжена 20 сменными
роликами с различными рельефами поверхности (рис. IV.16).
Толщина свариваемых материалов составляет от 0,4 до 2 мм,
при этом можно сваривать от 2 до 4 слоев.
Диаметр пьезокерамических пластин — 38 мм; частота пре-
образователя — 20 кГц; мощность генератора — 630 Вт;
механизм давления — пневматический; давление воздуха — 0,5 МПа.
На базе сварочной машины УЗК-600Т разработана полуав-
тематическая специализированная машина УЗК-600ТПА для
сварки различных поясов, состоящих из трех слоев
текстильного материала (полиамид+трикотаж + нетканая прокладка
из полиэфира). Полуавтомат снабжен датчиками и
контрольными устройствами, обеспечивающими автоматический ход
машины.
Во время работы автомата заготовки-ленты многометровой
длины подаются из питателя и формируются в трехслойный
пакет между подпружиненными роликами и специальной
направляющей планкой. Сварка производится точечным
волноводом на ролике, имеющим рельеф различной формы. Форма
сварного шва своим рельефом обеспечивает требуемую шер-
шавость поверхности пояса. Сварной пояс длиной 50 м нама-
14—271
209

Рис. IV. 16. Сменные ролики с различными рельефами поверхности к машине
УЗК-600 Т:
а — набор роликов, в — рабочая зона; в — примеры конфигурации сварных швов
Рис. IV. 17. Общий вид сварочной машины БШМ-1:
/ — ультразвуковой генератор; 2 — стол; 3 — сварочный узел; 4 — привод; 5 — сварочная
головка
тывается на кассету. По мере расхода заготовок скорость
сварки автоматически падает до 0,02 м/с, чтобы оператор мог
наполнить питатель новой порцией заготовок. В случае отсутствия
заготовок срабатывает предохранительное устройство, и
автомат через 30 с останавливается. Производительность труда на
автомате на 30—40% выше, чем на швейных машинах, причем
исключается расход дефицитных цветных ниток.
Акустическая система состоит из пьезокерамического
преобразователя типа «сэндвич» и экспоненциального «волновода,
выполненного из титанового сплава. В процессе работы
волновод от постоянного соприкосновения с расплавленным
полиамидом (до 488 К) нагревается, а в результате геплоотвода
нагревается и сварочная головка до температуры 433 К.
Для предотвращения перегрева в процессе работы
акустической системы на поверхность рабочего торца волновода
наносится алюминиевое покрытие АЬОз толщиной 0,7 мм. Таким
образом снижается коэффициент теплопроводности торца
волновода, резко снижается нагрев и повышается срок службы
волновода. Диаметр пьезокерамических пластин — 38 мм;
мощность генератора — 630 Вт; частота — 20 кГц; статическое
усилие— 400 Н; скорость сварки поясов — 0,07 м/с; скорость
сварки нетканого холста — 0,07—ОД м/с.
Стационарная машина БШМ-1 разработана Оршанским
заводом «Легмаш» (ОЗЛМ) совместно с ВНИИЛтекмашем и
ВНИИТВЧ им. В. П. Вологдина и серийно выпускается
Производственным объединением «Промшвеймаш» (г. Орша).
Предназначена для соединения материалов, содержащих
синтетические волокна, с помощью ультразвуковой сварки [23].
210

Машина БШМ-1 (рис. IV.17) состоит из сварочной
головки 5, выполненной на базе головки швейной машины 1022 кл.,
и ультразвукового генератора 1. Сварочный узел 3 жестко
крепится к платформе сварочной головки. Сварочная головка 5
и ультразвуковой генератор 1 размещены на столе 2
стандартной швейной машины ОЗЛМ. В качестве привода 4 сварочной
головки применен фрикционный привод 4АХ71 АШВ
промышленных сварочных машин.
В машине БШМ-1 применен комбинированный способ
дозирования вводимой механической энергии с фиксированным
временем и с фиксированным зазорам.
Механизм перемещения свариваемого материала может
подавать его как в /прямом, так и <в обратном направлении. Шаг
строчки регулируется плавно до 5,5 мм, длина стежка — до 5 мм,
толщина материала — до 3 мм.
Сварочный узел имеет специальную систему охлаждения
преобразователя, концентратора и волновода, что позволяет
повысить стабильность прочности сварного шва. Мощность
преобразователя — 400 Вт; частота — 22 кГц; материал — пер-
мендюр; охлаждение — водяное; статическое усилие прижима —
от 5 до 100 Н; масса— 120 кг.
Ультразвуковой генератор 1 выполнен полностью на
транзисторах. Синхронизация работы генератора и механизмов
машины осуществляется с помощью фотодатчика, установленного
в головке машины.
Специализированная сварочная машина УЗП-6 (УСШ),
разработанная в Научном институте авиационной технологии
(НИАТ), предназначена для непрерывной ультразвуковой
сварки ленточных приборных шкал на лавсановой основе шириной
до 150 мм с односторонней или двусторонней перфорацией
шага 1,27±0,05 (рис. IV.18). Минимальный размер
свариваемой петли — 9 мм. Сварка может проводиться двумя парал-
Рис. IV. 18. Общий вид сварочной машины УЗП-6 (УСШ) для непрерывной
сварки приборных шкал на лавсановой основе
14*
211

лельными швами, расположенными под заданным углом к оси.
Перемещение осуществляется со стороны сварочного узла. Это
позволяет получить более прочные соединения без свободных
концов, что исключает возможность задиров при прохождении
шкал в аппаратуре. Волновод сменный с клинообразной
заточкой, из титана [7].
Машина УЗП-6 обеспечивает:' закрепление с помощью
механических прижимов соединяемых концов лент, совмещение
их перфорации, создание нахлестки, равной шагу перфорации,
и проведение механизированной сварки. Мощность
преобразователя— 0,02 кВт; частота — 50 кГц; материал — феррит Ф-21;
охлаждение — воздушное; усилие прижима —4 Н; скорость
сварки — до 0,03 м/с.
Переносные установки
Установка РУСУ-28, разработанная в НИАТе,
предназначена для ручной непрерывной сварки пленок из полиэтилентере-
фталата, полипропилена, поликарбоната марки ПК-4
толщиной 20—100 мкм. Может использоваться для точечной сварки.
Создание установки РУСУ-28 значительно расширило
технологические возможности ультразвуковой сварки: позволило
проводить сварку в монтажных условиях, получать швы любой
протяженности и конфигурации [7].
Установка РУСУ-28 состоит из соединенных посредством
гибкого кабеля сварочного пистолета и генератора. Сварочный
листолет представляет собой ферритовый преобразователь
марки Ф-21, помещенный в специальный кожух с рукояткой,
с помощью которой пистолет держат в руке и перемещают по
материалу, пользуясь линейкой и шаблоном. Усилие прижима
инструмента создается весом сварочного пистолета. Волновод
сменный с клинообразной заточкой. Масса сварочного
пистолета—1,5 кг. Пистолет компактен, питается от генератора
мощностью 70 Вт; частота — 28 кГц. Охлаждение
преобразователя— воздушное. Схема генератора РУСУ-28 обеспечивает
автоматическую подстройку частоты и регулировку мощности,
что позволяет сохранять постоянную амплитуду колебаний
инструмента при различных его нагружениях в процессе сварки.
Установки РУСУ-50 и РУСУ-50-3, разработанные в НИАТе,
предназначены для ручной непрерывной сварки тонких поли-
этилентерефталатных пленок (толщиной менее 40 мкм) при
изготовлении из них крупногабаритных изделий со сложной
конфигурацией швов, а также при сборке изделий,
удовлетворяющих высоким требованиям в отношении точности их
геометрии [7].
Сварочный пистолет, изготовленный из феррита марки Ф-21,
питается от генератора, который позволяет стабильно
поддерживать работу преобразователя на резонансной частоте и со-
212

Рис. IV. 19. Общий вид установки
РУСУ-44-250
хранят^ь постоянство ампли»
туды колебаний
инструмента при условии малых
изменений прикладываемой к
нему нагрузки. Мощность
преобразователя — 30 Вт;
рабочая частота — около
50 кГц; масса пистолета —
0,4 кг; охлаждение —
воздушное.
Установка РУСУ-50-3 отличается от РУСУ-50 повышенной
выходной мощностью и более стабильной и надежной схемой
питающего генератора. Установки оснащены износостойкими
инструментами из алюминиевого сплава Д-16 со сменными
рабочими насадками из титана с клинообразной заточкой.
Генератор имеет широкий диапазон настройки, необходимый при
наладке установки после смены инструмента.
Установка РУСУ-44-250, разработанная в НИАТе,
предназначена для точечной сварки полистирола, запрессовки
крепежной металлической арматуры в детали из термопластов и
проведения клепки пластмассовыми заклепками (рис. IV.19).
Установка состоит из сварочного пистолета и генератора,
выполненного на мощных транзисторах. В генераторе
использована схема самовозбуждения, обеспечивающая автоматическую
подстройку частоты, амплитуды и мощности выходного каскада
пропорционально приложенной нагрузке на волновод.
Акустическая система сварочного пистолета работает на двух
дисковых преобразователях из высокоэффективной пьезокерамики
ЦБТС-17. В сварочном пистолете используется несколько типов
волноводов, выполненных из титановых сплавов.
Охлаждение системы — естественное; мощность генератора —
250 Вт; частота — 44 кГц; амплитуда колебаний волновода —
35—45 мкм; масса пистолета—1,5 кг; размеры генератора —
380X320X180 мм.
Установка типа ЦИС-864 (рис. IV.20), разработанная в
Центральном институте сварки ГДР, предназначена для
ультразвуковой сварки, клепки и формовки мелких полимерных
деталей, резки пластмасс и запрессовки металлических деталей
в пластмассовые фасонные изделия. Разнообразие функций
обеспечивается сменными волноводами. Малая масса и
эргономическое оформление позволяют применять пистолет как при
ручной сварке, так и в механических устройствах типа
сверлильного станка или тележки. В пистолете применяется пьезо-
керамический преобразователь типа «сэндвич».
Плоскопараллельное включение двух пьезокерамических пластин
обеспечивает удвоение амплитуды. Пистолет снабжен транзисторным
213

Рис. IV.20. Общий вид установки ЦИС-864
Рис. IV.21. Общий вид установки УРСК-7Н-18

генератором УЗГ48-200. Генератор имеет электронное
управление временем цикла, автоподстройку частоты и амплитуды.
Мощность генератора регулируется в пределах от 0 до
200 Вт; время сварки — 0,07—7 с, время охлаждения — 0,5—5 с.
Масса пистолета—1,6 кг, масса генератора — 18 кг.
Установка УРСК-7Н предназначена для проведения в
клинических условиях хирургических операций по ультразвуковой
сварке, восстановлению и резке биологических тканей человека.
Установка разработана в МВТУ им. Н. Э. Баумана и серийно
выпускается на Ульяновском приборостроительном заводе.
Установка состоит из генератора УЗУ-1-0,25-0, трех акустических
узлов, герметичного контейнера для их хранения и
стерилизации [12].
В комплект установки входят инструменты-волноводы пяти
типовых размеров: один для сварки, четыре волновода для
резки биологических тканей (скальпель для рассечения кожи,
мышц, сухожилий; пилка для рассечения костных тканей;
прямое и желобовидное долота для снятия тонкой стружки на
поверхности шириной 8 мм, а также выравнивания поверхностей).
Волноводы изготовлены из титановых сплавов. Для работы
различных волноводов-инструментов на определенной частоте
в генераторе предусмотрена автоматическая подстройка частоты.
Для этих целей был введен индикатор резонанса, с помощью
которого существенно облегчилось управление установкой.
Мощность преобразователя — 90 Вт; частота — 26,5 кГц; материал —
никель; диаметр корпуса сварочного узла — 52 мм; длина без
волновода—160 мм; масса — 420 г.
Установка УРСК-7Н-18 (рис. IV.21) предназначена для
проведения различных хирургических операций (резка, сварка,
наплавка и антибактериальная обработка биологических тканей).
Установка применяется в клиниках, больницах и поликлиниках
[12].
Установка разработана в МВТУ им. Н. Э. Баумана и
серийно выпускается на Ульяновском приборостроительном заводе.
Она может работать как в режиме автоматического поиска
резонансной частоты (АПЧ) и поддержания ее в процессе
работы, так и без автоматического поиска. Резонанс системы в
любом случае поддерживается автоматически. Установка
УРСК-7Н-18 конструктивно выполнена в виде отдельных
блоков и состоит из генератора и трех акустических узлов,
волноводов и стерилизатора. Охлаждение генератора естественное.
Акустический узел состоит из защитного кожуха, магнито-
стрикционного пакета, выполненного из отожженного никеля,
коническо-цилиндрического трансформатора упругих колебаний,
сменных волноводов-инструментов. Трансформатор
приклеивается к пакету эпоксидным клеем.
Волноводы экспоненциальной формы и скальпели
изготовлены из титановых сплавов. Охлаждение акустического узла —
естественное (воздушное). Акустическая головка компактна и
215

удобна в работе. Масса акустического узла — 0,6 кг; масса
генератора—10 кг; длина акустического узла с волноводом —
326 мм, диаметр — 38 <мм; мощность генератора — 0,16 кВт;
частота — 26,5 кГц; амплитуда колебаний —до 50 мкм; срок
службы установки — не менее 5 лет. Продолжительность
непрерывной работы акустического узла — не более 300 с.
ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
Ультразвуковые генераторы предназначены для питания маг-
нитострикционных или пьезокерамических преобразователей
сварочных машин током повышенной частоты B0—60 кГц).
Ультразвуковые генераторы преобразуют электрическую
энергию питающей силовой сети E0 Гц) в энергию
переменного тока ультразвуковой частоты, которая затем с помощью
специальных преобразователей превращается в механические
Колебания волновода. Генераторы допускают, как правило,
некоторое регулирование выходных параметров (частоты,
напряжения выхода и др.), поэтому они могут быть использованы
для питания близких по характеристикам преобразователей.
Если преобразователь нуждается в подмагничивании, то
генератор включает в себя также выпрямительный блок с
необходимым регулированием тока подмагничивания.
Основными электрическими характеристиками
ультразвуковых генераторов являются следующие параметры: рабочий
диапазон частот; выходная мощность и напряжение;
согласованность генератора с иагрузкой; режим работы.
Частота переменного тока генератора должна совпадать с
собственной частотой колебательной системы сварочного узла,
для чего предусматривается плавное или ступенчатое
регулирование частоты генератора.
Для ультразвуковых генераторов промышленного
назначения выделен ряд диапазонов, из которых для ультразвуковой
сварки используются в настоящее время следующие: 18± 1,35 кГц;
22±1,65; 44±4,4 и 66±6,6 кГц. В пределах поддиапазонов
генераторы обычно допускают плавную перестройку частоты.
Возможна плавная перестройка сразу в пределах нескольких
диапазонов.
Выходная мощность ультразвукового генератора должна
соответствовать мощности, потребляемой преобразователем
сварочной установки.
Выбор выходной мощности генератора зависит прежде
всего от необходимых для сварки размеров рабочего торца
волновода; ориентировочно она может быть определена из
следующих данных:
Рабочая поверхность вол- 12 60 150 250 400 600
новода (площадь сварки),
мм2
Выходная мощность гене- 0,25 0,40 1,00 1,60 2,50 4,00
ратора, кВт
216

По ГОСТу 9865—68 установлен следующий ряд
номинальных мощностей: 0,04; 0,063; 0,1; 0,25; 0,4; 0,63; 1,0; 1,6; 2,5; 4,0;
6,3; 10,0 кВт.
Для сварки пластмасс наибольшее применение нашли
генераторы мощностью от 0,4 до 2,5 кВт. Для сварки синтетических
тканей, полимерных пленок и биологических тканей
используются генераторы меньшей мощности @,04—0,63 кВт). Большая
мощность генератора не требуется, так как обычно генератор
работает в комплекте с одним сварочным преобразователем,
максимальная (потребляемая мощность которого, как правило,
менее 2,5 кВт.
Напряжение на выходе ультразвуковых генераторов
регламентировано и может быть определено из следующих данных:
Мощность преобразователя, 0,16 0,25—0,63 1,0—1,6 2,5
кВт
Номинальное напряжение на 55 110 220 440
обмотке преобразователя, В
Выбор типа применяемого ультразвукового генератора
должен определяться следующими соображениями: а)
необходимой производительностью процесса сварки; б) видом сварки
(контактная или передаточная — в зависимости от
необходимой длины и конфигурации сварного шва и формы изделия);
в) типоразмерами применяемых волноводов, зависящими от
формы изделия и требований к сварному шву; г) свойствами
свариваемого изделия (при этом должны учитываться тип
полимера .и его толщина); д) стабильностью свойств генератора;
е) экономичностью генератора; ж) обеспечением надежной
работы системы охлаждения.
При выборе генератора по мощности необходимо учитывать
характеристику волноводно-акустической системы. В
зависимости от типа преобразователя, материала и коэффициента
усиления волновода добротность системы может быть существенно
различной.
При использовании высокодобротных систем изменение
частоты генератора или технологических параметров (давления,
температуры нагрева и т. д.) приводит к существенному
изменению амплитуды колебаний волновода. У систем с низкой
добротностью изменение параметров приводит к
незначительному изменению амплитуды (рис. IV.22). Выбор акустических
систем с пологой частотной характеристикой существенно
повышает стабильность процесса сварки, однако для получения
необходимой амплитуды колебаний волновода к колебательной
системе должна быть подведена большая мощность.
Акустические системы с острой резонансной характеристикой требуют
для получения тех же амплитуд колебаний волновода в
холостом реж>име значительно меньшей мощности генератора.
Ультразвуковые генераторы выпускаются различными по
схемному решению, электрическим характеристикам и габари-
217

i—
Af
Рис. IV.22. Частотные характеристики
волноводно-акустических систем с
низкой A) и высокой B) добротностью;
AAi и АЛ2 — изменения амплитуды
колебаний инструмента в отсутствие
резонанса
там. Однако у всех генераторов
наряду с некоторыми различия-
ми имеется ряд принципиально
однотипных блоков.
Как отмечалось выше, эффек-
f тивная работа преобразователя
возможна лишь в случае
точного совпадения частоты генератора и собственной частоты вол-
новодно-акустической системы. Собственная частота
акустической системы (преобразователь, трансформатор упругих
колебаний, волновод) определяется геометрическими размерами
системы, температурой среды и внешней статической нагрузкой
на волновод. В процессе сварки может меняться как
температура акустической системы, так и уровень внешних нагрузок,
поэтому собственная частота системы не будет оставаться
постоянной. При этих условиях положительное качество
ультразвуковых генераторов — их высокая стабильность теряет
значение и обращается в недостаток устройства.
Для поддержания постоянной точности настройки
генератора в резонанс с акустической системой разработаны различные
варианты схем, основанные на автоматической подстройке
частоты посредством акустической обратной связи (АОС)
колебательной системы с генератором. Наличие автоподстройки
частоты исключает необходимость подстройки ее во время
работы, что, как правило, осуществить практически невозможно.
Как правило, в этих схемах с помощью какого-либо датчика
замеряется собственная частота преобразователя в рабочем
режиме, и сигнал датчика поступает на вход генерирующего
устройства или мощного усилителя. Применяются также
различные виды обратной связи по току или напряжению,
снимаемым с цепи питания преобразователя. Необходимо отметить,
что некоторое усложнение схемы с целью стабилизации точности
настройки в резонанс целесообразно лишь в тех случаях, когда
в рабочем цикле существенно меняются параметры
колебательной системы. Так как при ультразвуковой сварке пластмасс
нагрев волноводной системы незначителен и не превышает 323К>
а внешние статические нагрузки малы, то сравнительно
высокую стабильность и повторяемость режимов можно обеспечить
при использовании генераторов без схем обратной связи,
применяя генераторы с повышенной стабильностью частоты.
Такие генераторы выполняются в виде мощного усилителя,
на вход которого через промежуточный усилительный каскад
подается напряжение ультразвуковой частоты от маломощного
218

задающего автогенератора. Наличие промежуточного
усилительного каскада «развязывает» электрические цепи входного
и выходного каскадов, что обеспечивает повышенную
стабильность работы генератора при изменении параметров
преобразователя в рабочем режиме. Кроме того, применение менее
мощного автогенератора позволяет применить более
эффективную систему стабилизации режима последнего, что также
повышает общую стабильность генератора. По такой схеме
работает ультразвуковой генератор УЗГ5-1,6, который
значительно превышает стабильность ультразвуковых генераторов других
типов. Для ультразвуковой сварки пластмасс в настоящее
время применяются ламповые, лампово-транзисторные и тиристор-
ные генераторы. Последние имеют наилучшие характеристики
и повышенную надежность.
Рассмотрим конструкции отечественных ультразвуковых
генераторов.
Ультразвуковой генератор УЗГЗ-0,4, выпускаемый
Московским радиотехническим заводом, является универсальным
ламповым источником электрической энергии ультразвуковой
частоты и предназначен для возбуждения магнитострикционных
преобразователей. Генератор .может располагаться на рабочем
столе сварочной машины или встраиваться в конструкцию
машины. Он состоит из автогенератора, анодного выпрямителя,
выпрямителя тока подмагничивания, который регулируется
от 2 до 8 А, выпрямителя экранной сетки, стабилизатора
напряжения канала, элементов управления и защиты.
Охлаждение— воздушное. Органы управления смонтированы на
передней панели. Мощность генератора — 0,4 кВт; рабочая частота
регулируется в диапазоне от 17,5 до 45 кГц; выходное
напряжение—от 20 до 220 В; габариты —630X387X328 мм; масса —
60 кг.
Ультразвуковой генератор УЗГ2-4М является универсальным
тиристорным источником электрической энергии ультразвуковой
частоты и выпускается Московским радиотехническим заводом.
Генератор располагается отдельно от сварочной машины.
Генератор прост, надежен в эксплуатации и предназначен
для питания одного или двух магнитострикционных
преобразователей ПМС-6-22 для мойки, очистки и обезжиривания
изделий или одного преобразователя ПМС-15А-18 для сварки
различных пластмасс. Генератор смонтирован в металлическом
шкафу. Двустворчатые двери генератора снабжены
электрической блокировкой. Органы управления и контрольные приборы
выведены на переднюю панель. Охлаждение тиристоров —
воздушное. Включение и выключение генератора —
автоматическое.
Генератор состоит из следующих основных блоков и
узлов: силового выпрямителя; инвертора; блока УпР_а^л/??1я
УЗГ-4-Б8; блока питания УЗГ-4-Б4; блока защиты УЗГ-4-ЪУ;
выпрямителя тока подмагничивания.
219

Силовой выпрямитель и инвертор собраны на тиристорах.
Выходная частота генератора задается мультивибратором,
собранным на транзисторах. Блок УЗГ-4-Б9 состоит из схемы
автоматической подстройки частоты (АПЧ), предназначенной для
получения максимальной акустической мощности
преобразователя ПМС-15А-18, имеющего острую резонансную
характеристику.
Мощность генератора — 4,0 кВт; рабочая частота
регулируется от 17,5 до 23,5 кГц; ток подмагничивания — до 30 А;
выходное напряжение — 360 В; габаритные размеры — 580Х720Х
Х1350 мм; масса — 250 кг.
Ультразвуковой генератор УЗГ5-1,6/22 является ламповым
источником электрической энергии ультразвуковой частоты.
Генератор разработан ВНИИТВЧ им. В. П. Вологдина и
выпускается Таганрогским заводом электротермического
оборудования. Он имеет высокую стабильность частоты и устройство
для согласования с различными магнитострикционными
преобразователями. Первый, второй и третий каскады
предварительного усиления мощности выполнены на транзисторах; усилитель
мощности — на триодах. Имеется задающий блок, усилитель
мощности, защитные, пусковые устройства и выпрямители
питания. Генераторные лампы — ГУ-56. Все органы управления
и сигнализации смонтированы на передней наклонной панели.
Генератор снабжен системой блокировки. Мощность
генератора—1,6 кВт; выходное напряжение — 220 В; рабочая
частота— 22±1,65 кГц; ток подмагничивания — до 25 А; масса —
235 кг.
Ультразвуковой генератор УЗПЗ-1,6 является ламповым
генератором. Он разработан ВНИИТВЧ им. В. П. Вологдина и
выпускается Таганрогским заводом электротермического
оборудования. Генератор состоит из задающего генератора,
мультивибратора выходного каскада, регулирующего аттенюатора,
предварительного усилителя сигнала обратной связи, источника
питания, источника тока подмагничивания, который
регулируется от 0 до 20 А. Генератор работает на лампах ГУ-84Б. Он
снабжен блоком бесконтакторного включения ультразвуковых
колебаний. Автоматическая подстройка частоты (АПЧ)
обеспечивает стабильную работу генератора независимо от
возмущающих нагрузок. Охлаждение — воздушное. Мощность —
1,6±0,16 кВт; рабочая частота плавно регулируется от 16,6S
до 23,65 кГц; выходное напряжение — 230 В; габариты — 500Х
Х600Х1200 мм, масса —200 кг.
ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ РАБОТЫ АКУСТИЧЕСКОЙ
СИСТЕМЫ
В процессе работы акустической системы возникает
необходимость в измерении и регулировании частоты, амплитуды
и акустической мощности. Такое регулирование должно произ-
220

водиться автоматически, так как ввиду кратковременности
процесса сварки ручное регулирование становится неэффективным.
Измерение резонансной частоты акустической системы, как
правило, не вызывает затруднений и производится с помощью
серийно выпускаемых частотомеров D3-35, ЧЗ-35А и т. п.).
Наибольшие трудности вызывает измерение амплитуды
смещения преобразователей, трансформаторов упругих колебаний
и волноводов. Для этой цели разработаны различные
конструкции измерительных преобразователей (ИП), описание которых,
можно найти в работах [6, 65, 66]. Здесь же отметим, что
методы измерения амплитуды смещения можно разделить на
контактные и бесконтактные.
В контактных методах обычно используются чувствительные
щупы, связанные с индикаторными головками, а также ИП,
основанные на обратном магнитострикционном или пьезоэф-
фекте. При небольших F—8 мкм) амплитудах смещения
торца трансформатора упругих колебаний хорошие результаты
достигаются при использовании в качестве ИП пьезокерамиче-
ских прямоугольных пластин из ЦТС-9. Пластины
приклеиваются клеем на основе смол ЭД-20 и ЭД-5 в проточку,
выполненную в торце преобразователя. Размеры пластин: толщина —
0,5—1,5 мм; длина 5—8 мм; ширина 4—5 мм. Однако при
большой A0—15 мкм) амплитуде смещения на торце
трансформатора, как у преобразователей ПМС-15-А18, могут
наблюдаться усталостные разрушения пьезокерамических пластин
уже при 20—35 тыс. циклов колебаний.
Бесконтактные методы можно разделить на следующие:
оптические, основанные на измерении светящейся в поле
измерительного микроскопа (МИР, МБС и т. п.) линии, образующейся
при колебании микронеровности на поверхности волновода
(длина линии равна удвоенной амплитуде смещения);
емкостные, основанные на измерении емкости переменного зазора
между поверхностью волновода и ИП; магнитоэлектрические,
основанные на изменении характеристик электромагнитного
поля в этом зазоре.
Для осуществления бесконтактного метода измерения
амплитуды авторами [69] разработано устройство с
использованием магнитоэлектрического ИП, представляющего собой магни-
топровод, поляризованный постоянным магнитным полем.
Во избежание перестройки при смене волноводов ИП
крепится на жестком кронштейне на расстоянии 0,1—0,3 мм от
боковой поверхности трансформатора упругих колебаний.
Принципиальная электрическая схема устройства для
замера амплитуды приведена на рис. IV.23. Она состоит из ИП
и трех каскадов: усилителя тока, усилителя напряжения и
детектора.
Электрические схемы аналогичного назначения выполняют
на лампах. В данном случае первый каскад усиления
выполнен на полевом транзисторе по схеме истокового повторителя.
221

Выход
Рис. IV.23. Принципиальная электрическая схема устройства для замепа
амплитуды F
В ^oo^eiSCHOBHoro Усилителя применена микросхема МС1
типа К123УН1В, имеющая коэффициент усиления 350—500 без
внешних связей при напряжении питания 6,3 В. Регулирование
коэффициента усиления осуществляется с помощью делителя
напряжения, включающего резисторы R2 и R3 на выходе
потокового повторителя. Для повышения стабильности коэффициента
усиления введена дополнительная внешняя обратная связь
осуществляемая с помощью резистора R4. Конденсаторы С4
и С5 определяют полосу пропускания усилителя. Фильтром
цепей питания транзистора Ti и микросхемы МС1 служит
цепочка R5, С2 и Д1. J
Детектирование сигнала производится линейным детектором
выполненным на микросхемах МС2 и МСЗ типа К140УД1Б'
имеющих большой коэффициент усиления. Это обеспечивает
лучшую линейность и стабильность коэффициента передачи
Выход микросхемы МС1 соединен с линейным детектором
через разделительный конденсатор Сб. В цепи обратной связи
усилителя МС2 включен конденсатор С12, придающий
усилителю свойства инерционного звена, постоянная времени
которого выбрана из условия подавления переменной
составляющей выпрямленного напряжения. Неинвертирующий вход
микросхемы МС2 соединен с общим про-водом через резисторы R6
и R8. Для повышения выходной мощности в схему -второго
усилителя (МСЗ) введен усилитель тока на транзисторе Т2,
выполненный по схеме эммитерного повторителя. Нагрузкой
микросхемы МСЗ служит резистор R20, а транзистора Т2 —
резистор R21. Корректировка «нуля» усилителей
осуществляется с помощью схемы делителей, состоящей из резисторов R12,
мД ^15 И ^17' ФильтРами Цепей питания микросхем МС2
и МСЗ, предотвращающими возбуждение усилителей на
высоких частотах, служат конденсаторы С7, С9, СЮ и СИ.
Цепочки R11 — С8, R19 — С13 корректируют частотные
характеристики микросхем МС2 и МСЗ.
222

Для предотвращения влияния электрических наводок на
измерительные цепи входной и основной усилители смонтировав
ны непосредственно вблизи ИП и имеют с ним общий метал-
личеокий экран. Выход усилителя осуществлен экранированным
проводом.
Для стабилизации питания измерительной схемы
использован стабилизированный источник серии БП591.
В процессе работы сигнал от ИП поступает через
конденсатор С1 на затвор полевого транзистора Т1. Сюда же
поступает постоянный потенциал от общего провода через
резистор R1. Выходной сигнал снимается с переменного
резистора R2 и через конденсатор СЗ подается на вход
микросхемы МС1, усиливается и поступает на линейный детектор.
При поступлении на вход линейного детектора
положительной полуволны напряжения в цепи обратной связи
усилителя МС2 включается прямое сопротивление диода Д2, которое
на три порядка ниже сопротивления входного резистора R7,
в результате чего коэффициент усиления k\ этого усилителя
нахмного меньше коэффициента усиления k2 усилителя МСЗ.
Практически усиление производится только усилителем МСЗ,
k2 которого равен отношению величин сопротивлений
резисторов R9 и R18.
При поступлении отрицательной полуволны диод Д2
закрывается, а диод ДЗ открывается. В цепи отрицательной
обратной связи усилителя МС2 включается сопротивление
резистора R10, равное по величине сопротивлению входного
резистора R7. Коэффициент усиления усилителя МС2 в этом случае
равен единице. Теперь на вход усилителя МСЗ поступают два
сигнала: входной через резистор R9 и с выхода усилителя МС2.
Коэффициент усиления по второму входу, равный отношению
сопротивлений резисторов R16 и R18, выбран в два раза
большим, чем k2.
Таким образом, коэффициенты усиления для положительной
и отрицательной полуволн равны по величине и
противоположны по знаку, поэтому на выходе схемы получаем напряжение
одного знака.
При испытаниях прибора было установлено, что расхожде*
ние между его показаниями и величиной Л, замеренной
оптическим методом с помощью измерительного микроскопа МИР-2,
не превышают 2%.
Полученный выходной сигнал может быть использован для
передачи на показывающий прибор, светолучевой осциллограф,
а также для управления процессом сварки. Так, Институтом
проблем техники АН ПНР разработана система стабилизации
амплитуды смещения волновода с использованием
магнитоэлектрического ИП аналогичной конструкции (рис. IV.24).
Здесь ИП-датчик 3 является элементом системы
автоматического регулирования и служит для преобразования механиче-
223

[T^-*JT]~-^[T]
Рис. IV.24. Блок-схема системы
автоматической регулировки частоты и
стабилизации амплитуды колебаний
ультразвуковой сварочной головки. Пояснения
в тексте
ских колебаний волновода 2 в электрические колебания,
пропорциональные амплитуде смещения.
Условия возникновения колебаний в системе могут быть
записаны так:
*Р>1; <p* + q>p = 2jt/t,
тде k — коэффициент усиления всех усилителей системы; Р — коэффициент
затухания элемента связи регулирующей системы и ультразвуковой головки;
<р* — фазовый сдвиг, вводимый усилителями; ф$—фазовый сдвиг, вводимый
затухающими элементами и элементами ультразвуковой головки; п — числа 0;
1; 2; 3... .
Если с помощью фазорегулятора 5 скомпенсировать сдвиги
фаз, вводимые усилителями, элементами связи и
электрическими элементами цепи преобразователя, то колебания
ультразвуковой головки 1 будут происходить с частотой
механического резонанса.
Питание преобразователя будет осуществляться
напряжением, зависящим от напряжения сравнения системы 7.
Регулирующая система 6 имеет падающую характеристику усиления
лри увеличении входного напряжения. Небольшие изменения
входного напряжения, вызванные изменяющейся нагрузкой,
вызывают большие изменения выходного напряжения, т. е.
большие изменения напряжения, питающего преобразователь.
Уменьшение напряжения на входе регулирующей системы
вызывает увеличение напряжения на его выходе. На клеммах
катушки индуктивности получаем напряжение,
пропорциональное акустический скорости. Наблюдаемые изменения
резонансной частоты сварочных машин составляют максимум 100—
200 Гц.
Волновод изготовлен из алюминиевого сплава, его диаметр
38 мм. Катушка датчика имеет 400 витков из провода
диаметром 0,1 мм. Ультразвуковая головка работает на частоте
20 кГц. Датчик 3 располагается от волновода на расстоянии
0,1 мм.
Маятниковый индикатор амплитуды колебаний 9 дает
возможность отсчета во время сварки. Параллельно с
индикатором может быть подключено регистрирующее устройство,
позволяющее записывать протекание процесса сварки во времени.
Для усиления небольших сигналов датчика применяется
усилитель напряжения 4 с коэффициентом усиления, равным 100,
выполненный на интегральной схеме. Фазорегулятор 5 дает
возможность регулирования сдвига фазы от 0 до 160° без из-
224

менения амплитуды выходного напряжения. Усилитель
напряжения 4У фазорегулятор 5, регулирующая система 6 с
усилителем 8 выполнены на печатной плате размером 60X120 мм.
Система регулировки выходного напряжения 6, где
регулирующим элементом является кремниевый диод, не вводит фазовых
искажений, а также нелинейных искажений. Это важно в
случае преобразователя, работающего с изменяющейся нагрузкой.
Регулирующая система проста и универсальна, дает
возможность хорошей стабилизации колебаний преобразователя.
Большие трудности вызывает также измерение в процессе
ультразвуковой сварки акустической мощности. На рис. IV.25
в качестве примера приведена блок-схема измерителя
акустической мощности с использованием датчика 2, помещенного на
измерительный волновод 1. Измерительный волновод
диаметром 38 мм и длиной 135 мм изготавливают из алюминиевых
сплавов. Его закрепляют с помощью резьбовых шпилек между
трансформатором и волноводом. Датчик 2, имеющий диаметр
отверстия 38,1 мм, располагается на расстоянии Х/8 от нижнего
конца измерительного волновода 7, которое задается с помощью
прессшпановой втулки. Опираясь на нее, датчик может
свободно перемещаться вдоль измерительного волновода. Такое
крепление датчика препятствует передаче ему ультразвуковых
колебаний. Небольшие поперечные и продольные движения
датчика не влияют на точность измерения.
Датчик 2 состоит из кольцевого постоянного магнита, на
ребрах которого находятся на равном расстоянии четыре
обмотки, соединенные попарно. Весь датчик залит эпоксидной
смолой. Датчик позволяет получать электрический сигнал,
пропорциональный разности колебательных скоростей, который
также пропорционален деформации и напряжению. Полученный
электрический сигнал, пропорциональный разности
колебательных скоростей, смещается на 90° в фазовращателе 3 и
усиливается в 50 раз в усилителе 4. На выходе усилителя 5
получается напряжение порядка 10 В, пропорциональное
колебательной скорости и напряжению, которое подается к
умножающей системе 6 и операционному усилителю. В ненагруженном
состоянии на выходе умножающей системы возникает
переменное напряжение порядка 1 В. При включенном ультразвуке на
выходе умножающей системы возникает дополнительное
напряжение 100 мВ, полученное умножением мгновенных значе-
Рис. IV.25. Блок-схема
измерителя акустической мощности:
/ — измерительный волновод; 2 —
комплексный датчик; 3 —
фазовращатель; 4 — усилитель; 5 —
усилитель; 6 — умножающая система,
7 — указатель мощности; 8 —
источник питания
II" i
II i
If
2
^/
*5
i
П—H 71
I
15—271
225

ний колебательной скорости и напряжения и
пропорциональное действительной акустической мощности, которое и
фиксируется указателем мощности 7.
Источник питания <5, предназначенный для питания всех
узлов, производит два стабилизированных напряжения ±15 В.
Максимальный нагрузочный ток составляет 100 мА при
действительном потреблении тока около 25 мА.
Приборы для замера мощности изготавливаются в двух
вариантах: для измерения больших мощностей с
поддиапазонами 900 и 1800 Вт и средних мощностей с поддиапазонами 300
и 600 Вт. На рис. IV.26 показан внешний вид прибора,
разработанного в Институте проблем техники АН ПНР.
На передней панели измерителя находятся: гнездо для
подключения штепселя измерительного датчика; указатель
действительной акустической мощности, градуированный' в ваттах;
переключатель измерительных поддиапазонов; переключатель
вида измеряемого параметра — мощности, напряжения или
колебательной скорости.
Измерение мощности данным прибором производится с
большой точностью (±7%), несмотря на то, что умножению
подлежат большие электрические сигналы (до нескольких
вольтов) при небольших приращениях угла сдвига фаз (до
нескольких градусов), сопутствующих возникновению бегущей волны.
Измерения акустической мощности, проведенные в
процессе сварки деталей из пластмасс, показали, что измеритель
вполне пригоден для определения эффективности акустического
узла, оптимизации технологических параметров сварки
(амплитуды, статического давления), а также для получения кривойг
мгновенных значений мощности в процессе сварки.
Усилители напряжений, пропорциональные колебательной
скорости и напряжению, а также источники питания
изготовлены полностью на полупроводниках, что значительно
уменьшило габаритные размеры и массу прибора, а также сократила
потребление электрической мощности, необходимой для его
питания (от 150 до 8 Вт).
Рис. IV.26. Общий вид прибора для замера акустической мощности
226

Прибор комплектуется комплексным измерительным
датчиком и измерительным волноводом из алюминиевого сплава.
Масса прибора вместе с датчиком — 2 кг; габаритные
размеры— 250X200X1Ю мм.
ПРИНЦИПЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ
ПРОЦЕССОМ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СВАРКИ*
Накопленный опыт автоматизации ультразвуковой сварки
{УЗС) уже в настоящее время позволяет сформулировать
основные требования и принципы построения систем
автоматического управления (САУ) процессами УЗС.
Для разработки САУ УЗС, действующих по единым
принципам, необходимо отвлечься от конкретной химической,
физической и технологической природы характеристик изделия и
технологического процесса и на основе языка теории
управления [70] представить процесс УЗС в виде многомерного
абстрактного объекта, блок-схема которого приведена на
рис. IV.27.
Поступающие на УЗС-машину свариваемые элементы несут
в себе информацию об их стоимости, физических и химических
свойствах, геометрических размерах, состоянии (температура,
внутренние напряжения) и т. д. Эта информация
рассматривается как входной вектор Xi(t)> компоненты которого #i (/),...,
xK(t) есть переменные этой информации. Ход технологического
процесса УЗС определяется вектором R(t), составляющие
которого ri(t),..., ri(t) являются параметрами управляющих
воздействий, такими, как частота, амплитуда колебаний,
статическое давление и др. Параметры, описывающие ход
технологического процесса, являющиеся следствиями воздействия
вектора управляющих воздействий R(t), составляют вектор Z(t)
ънутренних состояний процесса с компонентами г\ (/),..., zm(t),
такими, как температура в зоне расплава, изменение
геометрических размеров и т. д. Выходные переменные
технологического процесса УЗС описываются вектором Y(t), компоненты
которого yi{t), ...,yn(t) являются характеристиками готового
изделия — механическая прочность, стоимость, геометрические
размеры, цвет и т. д.
Следует отметить, что размерность векторов X, R, Z и У
очень велика, и учесть все их составляющие принципиально
невозможно. Поэтому неконтролируемые параметры
приходится рассматривать как случайные функции, а связь между
входными и выходными параметрами полностью определяется лишь
в вероятностном смысле. Выбор же входных переменных,
контролируемых системой управления, диктуется не степенью и
формой их влияния на выходную переменную, а имеющимися
•средствами измерений. Например, амплитуда колебаний рабо-
* Работа выполнена при участии А. М. Тузенгаузена.

jyftj
ZCzlt)
SfiL
Технологический
объект
\Щ
щш\
ш
\щ
i
W
СЛУ
Ui(t) Рис. IV.27. Блок-схема технологическое
угф го объекта
Щ) чего торца волновода является
одним из основных параметров,,
характеризующих
технологический режим УЗС. Однако
датчики, измеряющие этот параметр
в процессе сварки, пока не
выпускаются серийно. Кроме того,
приходится ограничиваться
косвенными параметрами, например измерением амплитуды
колебаний нерабочей части сварочного инструмента или
электрической мощности, подводимой к преобразователю. Такая замена
равносильна введению в систему некоторого вектора шума,
увеличивающего энтропию (степень неопределенности)
системы. t
Как и другие реальные объекты, технологический процесс
УЗС характеризуется ограничениями на отдельные параметры
состояния: например, ограничение температуры расплава из
условия сохранения свойств материала, отсутствия продуктов
деструкции или ограничения на величину управляющих
воздействий из-за ограниченности мощности источников энергии.
Важной особенностью процесса УЗС является дискретный
характер производства — изготовление отдельных изделий с
повторяющимся циклом операций. Оборудование, выпускаемое
для УЗС, с точки зрения управления имеет недостаток,
заключающийся в дискретном характере управляющих воздействий.
Так, например, применяемые генераторы не позволяют
автоматически изменять их мощность. Наиболее существенной
особенностью процесса УЗС является то, что выходные переменные,
описываемые компонентами вектора Y(t), не контролируются
во время процесса УЗС, а их контроль оторван от сварочной
установки как во времени, так и в пространстве и не
автоматизирован. Исключение составляет линейный размер шва в зоне
сварки, который для некоторых изделий может определяться
по положению волновода в процессе УЗС.
Замыкание САУ пока может осуществляться только для
некоторых изделий и то по единственному параметру, поэтому
САУ, применяемые в УЗС, приходится строить по принципу
стабилизации технологического регламента. Такие САУ с
точки зрения теории управления являются САУ разомкнутого*
типа. Замыкание системы выполняет оператор сварочной
установки, который оценивает качество изделий и вносит
корректировку в технологический регламент.
Таким образом, используемые САУ УЗС являются в
большинстве случаев применения автоматизированными, а не
автоматическими системами и могут рассматриваться в принятой
классификации как локальные АСУТП [70].
228

В качестве примера рассмотрим функции АСУ серийно
выпускаемой сварочной установки МТУ-1,5 с генератором
УЗГ-5-1,6/22. В состав установки входит регулятор давления
воздуха, подаваемого в камеры пневмопривода, и дискретная
САУ циклического типа, выполняющая три основные
операции, осуществляемые путем воздействия на подачу воздуха в
камеры пневмопривода сварочной головки и включения
ультразвукового генератора. Оператор выполняет транспортные
операции по установке и снятию изделий, включает циклическую-
программу САУ, оценивает визуально качество сварного
соединения, регулирует частоту и мощность генератора,
устанавливает ток подмагничивания магнитострикционного
преобразователя и задает с помощью органов управления длительность
каждой из трех операций. Очевидно, что оператор выполняет
основную функцию управления — корректировку управляющих
воздействий для компенсации возмущений (вектор X), поэтому
качество изделий будет в значительной мере определяться
индивидуальными качествами оператора (интуиция, опыт и т. п.).
Основная цель САУ — оптимизация технологического
процесса, которая математически описывается как минимизация
некоторого функционала Q, зависящего от векторов R(t) и
X(t):
Q[R(t), Х@] = мин. (IV.14)
Функционал Q должен математически отражать
требования к готовым изделиям. Можно выделить общие требования
двух категорий и соответствующие им функционалы Q\ и Q2'
экономического характера (достижение максимальной
производительности или минимального расхода энергии) и
качественного характера (требования к прочности и внешнему виду
готового изделия).
За редким исключением в УЗС одновременная минимизация
Qi и Q2 не имеет места, поэтому в качестве общей целевой
функции можно было бы использовать «компромиссный»
функционал вида
$ = аД + а2§2. (IV. 15)
Однако непосредственное использование функционала
(IV. 15) затрудняется тем, что для теории управления
определение коэффициентов си и а2 является неформальной задачей,
поэтому исследователи формулируют цель как минимизацию
одного из функционалов Q\ или Q2 при ограничениях на
величину другого:
4=ш; $2<Q2orp (IV. 16)
'(например, достижение минимального времени
технологического процесса при прочности не ниже заданной).
229

Для реализации управления процессом в соответствии с
целевой функцией (IV.14) или (IV.15) необходима разработка
АСУ более высокого уровня по сравнению с применяемыми.
При этом потребуется применение ЭВМ, однако их
эффективность может быть обеспечена пока только в области
автоматизации исследований и при достаточно совершенных
локальных САУ. Основная причина та же — контроль изделия может
быть выполнен только после его изготовления, при этом сам
контроль пока не автоматизирован.
Анализ используемых САУ УЗ-сварочных установок
показывает, что все САУ представляют собой комплекс из одного или
нескольких стабилизирующих регуляторов, обеспечивающих
стабилизацию параметров управляющих воздействий, и
логического автомата, осуществляющего жесткую циклическую
программу в соответствии с фазами технологического
процесса. Конструктивно стабилизирующие регуляторы могут не
входить в само управляющее устройство. Например,
автоматическая подстройка частоты (АПЧ) может входить в состав
генераторов (УЗГ-2-4М иУЗГ-3-10).
Во избежание путаницы при описании циклов САУ
целесообразно принять следующие определения.
Цикл САУ состоит из жесткой последовательности
операций. Операция — это состояние системы управления,
характеризующееся неизменными или монотонно изменяющимися
значениями управляющих воздействий. Операция может
выполняться за несколько шагов. Шаг САУ— это неизменное внутреннее
состояние логического автомата, входящего в САУ. Каждая
операция может выполняться за один или несколько шагав.
С точки зрения технологического процесса в цикле можно
выделить сварочные, подготовительные и транспортные операции.
В настоящее время используются циклы, состоящие из
следующих сварочных операций, выполняемых последовательно
одна за другой:
сжатие (характеризуется приложением статического
давления; технологическое назначение — образование физического
контакта между свариваемыми поверхностями);
сварка (характеризуется подачей в зону сварки
ультразвуковых колебаний при наличии статического давления;
технологическое назначение — разогрев деталей в зоне сварки и
образование сварного шва);
формовка (в частном случае может отсутствовать);
характеризуется воздействием ультразвуковых колебаний на пласти-
цированный материал при отсутствии статического давления;
технологическое назначение — перемешивание расплава и
формирование из него швов, в большинстве случаев рантовых);
проковка (характеризуется приложением статического
давления после выключения ультразвука; технологическое
назначение— завершение процессов развития объемных
взаимодействий и стабилизация формы при охлаждении зоны шва).
230

Рис. IV.28. Граф переходов
логического автомата САУ
К подготовительным операциям относятся: подведение
волновода к свариваемым деталям, отведение волновода от
готового изделия и исходное состояние автомата до начала цикла,
характеризующееся отсутствием управляющих воздействий.
К транспортным операциям относятся: транспортировка,
установка и закрепление деталей или готового изделия. В
простейших САУ, таких, как САУ МТУ-1,5 транспортные операции
в цикл логического автомата не входят и выполняются
оператором сварочной установки.
В некоторых технологических режимах сварочные операции
могут производиться с дискретным изменением значения
управляющего параметра в течение операции, например с
изменением статического давления с Pi до Рг- В таких случаях можно
выделить этапы операции, например, «проковка 1» и
«проковка 2».
Граф переходов логического автомата САУ УЗС показан на
рис. IV.28. Здесь состояние 0 соответствует исходному
состоянию автомата, а состояния 1, 2,..., i, n — номеру шага
выполняемой операции.
Во время выполнения каждого шага определяется
некоторый критерий, или функционал Ui, являющийся в общем
случае функцией времени и некоторого набора контролируемых
переменных. Переход к следующему шагу выполняется, когда
значение Ui будет равно или больше некоторого предельного
значения С/,пр, которое может либо задаваться заранее, либо
вычисляться в процессе функционирования по текущим
значениям измеряемых переменных. Условие перехода может быть
записано в виде
Ut^Uf*. (IV. 17)
Очевидно, если на i-м шаге Ui=Kti, то реализуется
задержка на время ?Лпр//(, иначе, если Ui = Kti, то автомат
выполняет функции обычного реле времени, где К — масштабный
коэффициент.
В частном случае для нескольких шагов критерии Ui могут
быть одинаковыми; например, для САУ МТУ-1,5 алгоритм
работы запишется в виде
Ui = tit /=1,2,3,4, (IV. 18)
где ti — время с начала i-ro шага.
231

При реализации логического автомата обычно следует
учесть необходимость прерывания цикла и перевод автомата
в исходное состояние на случай возникновения аварийной
ситуации, например с помощью кнопки аварийного останова
«стоп».
Алгоритм (IV.18) реализует выполнение сварочных
операций по заданному для каждой операции времени. Эффективность
такого алгоритма может быть обеспечена лишь при жесткой
стабилизации входных переменных (векторы X и R):
управляющих воздействий (частота, амплитуда колебаний, сварочное
усилие и т. п.); геометрических размеров свариваемых деталей;
химических и физических свойств; состояния поверхностей и
т. д. Осуществить такую стабилизацию практически
невозможно. Оптимальным алгоритмом был бы такой, который
обеспечивал бы заданное качество изделий при изменении входных
переменных, т. е. обеспечивал бы полную инвариантность
качества к входным возмущениям. Полностью основываться на
использовании принципа компенсации нельзя, так как
большинство входных переменных не измеряется. Основной путь, по
которому сейчас идут исследования в области
автоматизированного управления УЗС, — это разработка таких критериев ?//,
которые были бы в значительной мере «нечувствительны» к
возмущениям.
Так, авторами [6] установлено, что стабилизация величины
деформации (осадки) Д в процессе сварки позволяет получить
достаточную стабильность качества сварных соединений при
отклонениях сварочного усилия, частоты и амплитуды
колебаний в широких пределах. Выше (см. гл. III) предложен более
общий критерий — коэффициент режима /Ср, являющийся
функцией управляющих воздействий, произведение которого на
время сварки для конкретного изделия — величина постоянная.
Рассмотрим критерии, применяемые для сварочных
операций. Как указывалось выше, для операции «сварка»
предложены следующие критерии: время сварки, фиксированная
осадка, толщина шва, первая производная осадки по времени,
амплитуда. Соответствующие математические выражения для
перечисленных критериев могут быть записаны в виде
a) UCB = КМ; б) UCB = /С2А; в) UCB = -/С36 (?/свпр <0);
dA dS
г) ^3=^4-^=^4-^-; (IV.19)
d2A d2S
Д) t/св = Къ -^г = К* Si*- (^свп*> < 0) ;
e) ?/св=-/СбЛ (?/свпр<0),
где *св, А, б, 5, А — время с начала выполнения операции «сварка»,
деформация (осадка), толщина шва, перемещение сварочной головки и амплитуда
колебаний волновода соответственно; Ки..., /Се — коэффициенты.
232

Сварка с применением критерия «время сварки», как
описано выше, может применяться при изготовлении изделий, для
которых геометрические размеры, физические свойства и
состояние поверхностей свариваемых деталей меняются в
небольших пределах.
Сварка с применением критерия «фиксированная осадка»
позволяет в некоторых пределах скомпенсировать влияние
изменения амплитуды, статического давления и ряда других
факторов на качество сварных соединений, но чувствительна к
шероховатости поверхностей контакта и разнотолщинности деталей.
Для измерения деформации при осадке Д используется
датчик перемещения, измеряющий перемещение сварочной
головки относительно опоры. Величина Д определяется как
разность между текущим положением сварочной головки S и
ее положением So непосредственно перед началом операции
«сварка»:
Д=5_ 50- (IV.20)
Сварка с применением критерия «толщина шва»
используется для получения изделий с заданными геометрическими
размерами сварного шва.
Толщина шва измеряется как разность между текущим
положением S сварочной головки и ее положением 50П, когда
волновод касается опоры:
6 = 5—Son- (IV.21)
Эту разность можно не вычислять, если соответствующим
образом настроить датчик перемещения.
В выражении (IV.19, в) с помощью знака «минус» учтено,
что в процессе выполнения операции толщина шва уменьшается.
Сварка с применением критериев «первая производная от
осадки по времени» и «вторая производная от осадки по
времени» позволяет получить удовлетворительное качество при
существенных (до 100%) колебаниях толщины свариваемых
изделий.
Сварка с применением критерия «амплитуда» позволяет
определить момент достижения состояния расплава по снижению
амплитуды колебаний волновода или опоры. Измерение
амплитуды колебаний волновода производится на его нерабочей
части методами, описанными выше. При измерении амплитуды
колебаний опоры нашли применение преобразователи,
основанные на обратном магнитострикционном или пьезоэффекте.
Эффект компенсации влияния разнотолщинности может
быть получен путем соответствующих вычислений значений ?/пр
в процессе выполнения цикла. Наиболее просто вычисляется
?/пр при применении критериев «фиксированная осадка» и
«амплитуда»:
Цсьпр = @,05 + 0,5) Sec (IV.22)
?/свпр = -@,3 -5-0,7) Лео, (IV#23)
233

где Sco и Лео — значения толщины свариваемых изделий и амплитуды в на-»
чальный момент выполнения операции «сварка».
При автоматизации операций «сжатие» и «проковка»
применяются критерии «время» и «скорость останова».
Математическое выражение для критерия «скорость
останова» аналогично выражению для критерия «первая производная
от осадки по времени» и отличается только знаком:
dA dS
и==-к?ЧГ=-К'ЧГ> ^пр = е<0, (IV.24)
где Ki — коэффициент.
Применение критерия «скорость останова» связано с тем,
что из-за наличия неупругих деформаций пластмасс, особенно
пористых и волокнистых материалов, после приложения
статического давления деформация свариваемых изделий и
установление контакта поверхностей наступает через определенное
время, которое может доходить до 2 и даже до 6 с. Как
описано ниже, определить момент завершения деформации можно
путем измерения скорости изменения положения волновода,
которая снижается и принимает в этот момент некоторое
постоянное и достаточно малое значение. Практически эта
скорость отличается от начальной скорости деформации на
несколько порядков.
Иногда для гарантии после фиксации момента останова
волновода время сжатия увеличивают на 1—2 с. Для этого
случая выполнение операции производится в два шага; при
этом на первом шаге используется критерий (IV.24), а на
втором—(IV.18).
Несмотря на наличие расплава в начале операции
«проковка», кинетика процесса «проковка» аналогична кинетике
операции «сжатие», поэтому с точки зрения управления эти
операции эквивалентны и могут использоваться одни и те же
критерии.
При выполнении цикла с операцией «формовка», чтобы
избежать выплеска из зоны расплава, проковку целесообразно
выполнять в два этапа («проковка 1», «проковка 2»), причем
на первом этапе до останова волновода процесс ведется при
уменьшенном значении статического давления.
Для операции «формовка» кроме критерия «время» других
критериев пока не разработано.
В принятом обобщающем подходе был дан алгоритм
работы САУ процесса УЗС в виде условия перехода (IV. 17)
последовательного циклического автомата. Такой подход позволяет
не только описать работу каждой из применяемых в настоящее
время САУ установок УЗС, но и вести разработку новых систем
управления на основе типовой структуры, на типовых
элементах, а также на основе микропроцессоров.
Типовая структура САУ установки УЗС приведена на
рис. IV.29.
234

f ¦¦ '¦ "
I Блок измерительных
преобразователей
Блок Вычислений
Фцнкцио)
преооразс
чальные
тватели
Блок логический
I Кольцевой] ._
1 счетчик П"
J Компа-
| раторы
*
ъ
Блок согласования
преобразовал^
тель кода у
\ Выходные
1усилители
щ
1
Блок задатчиков
уставок
ttPV
и1
К исполнительным
органам и индикаторам^
Рис. IV.29. Типовая структурная схема САУ установки для ультразвуковой
сварки
Блок измерения включает измерительные преобразователи
(датчики) перемещения, амплитуды волновода и других
параметров, контролируемых САУ. В блоке вычислений, состоящем
из функциональных преобразователей, производятся
вычисления критериев ?//, а в блоке задатчиков вычисляются или
просто задаются предельные значения уставок ?Лпр. В
логический блок входят циклический автомат (кольцевой счетчик) и
компораторы. Сигналы от функциональных преобразователей и
блока задатчиков поступают попарно на соответствующие
компораторы, с помощью которых производится сравнение
значений критериев Ui с соответствующими значениями уставок ?Л-пр.
Кроме того, компораторы управляют работой кольцевого
счетчика, который организует программу работы, т. е.
последовательность выполнения операций. Блок согласования выполняет
согласование циклического автомата с исполнительными и
индикаторными элементами (электропневмоклапаны, сигнальные
лампы, светодиодные индикаторы, схема включения УЗ-коле*
баний и т. д.). В блок входят преобразователь кода, который
преобразует код состояния циклического автомата в код
управляющих воздействий в соответствии с циклограммой, и
выходные усилители (реле, тиристоры и т. п.), служащие для
согласования напряжения выхода логического блока с напряжением
исполнительных органов и индикаторных элементов.
В качестве датчика перемещения (ДП) применяются
датчики с первичным преобразователем
дифференциально-трансформаторного типа, например типа ПД. Принцип работы
дифференциально-трансформаторного преобразователя основан на
изменении взаимной индукции между обмотками катушки при
перемещении внутри нее стержня из ферромагнитного мате-
235

Рис. IV.30. Электрическая
схема (а) и конструкция
(б)
дифференциально-трансформаторного датчика пере-
2 мещения:
/ — первичная обмотка; 2 — вто-
кричная обмотка; 3 — сердечник;
х — направление перемещения
сердечника
риала. Кагушка датчика состоит из двух секций, в каждой из
которых имеются по две обмотки (рис. IV.30). Первичные
обмотки соединяются последовательно, а вторичные — встречно.
На первичную обмотку подается переменное напряжение ?/ПИт.
Со вторичных обмоток снимается сигнал напряжения ?/вых той
же частоты; амплитуда его пропорциональна отклонению
сердечника от среднего положения, а фаза при прохождении
сердечником среднего положения изменяется на 180°.
Дифференциально-трансформаторные датчики обладают
хорошей линейностью и весьма малой зоной нечувствительности.
При питании их напряжением повышенной частоты A—10 кГц)
обеспечивается высокое быстродействие, которое бывает
необходимо, когда время выполнения операций составляет менее
1 с.
На рис. IV.31 приведена функциональная схема
прецизионного преобразователя для
дифференциально-трансформаторного датчика перемещения, разработанного авторами.
Преобразователь отличается тем, что питание датчика производится
напряжением синусоидальной формы.
Задающий генератор / прямоугольных импульсов, который
может быть выполнен, например, на микросхеме К140УД1Б,
вырабатывает колебания с частотой 16 кГц. Стабилизация
частоты генератора обеспечивается применением кварцевого
резонатора. Счетчик 2 выполняет деление частоты на 16. Од-
нополярные колебания частотой 1 кГц формы меандр поступа-
6
-ГУ
\Mn\f /\ЩУ\ 1 1 л I ЖГ\
ГПА11б\Г\ \J~H J П \d
6
пь
—j»
7
V
Рис. IV.31. Функциональная электрическая схема прецизионного
преобразователя к дифференциально-трансформаторному датчику перемещения.
Пояснения в тексте
236

ют на усилитель-ограничитель уровня 3, на выходе которого
формируется разнополярный сигнал прямоугольной формы с
амплитудой 10,5 В. Стабильность и точность амплитуды
переменного напряжения обеспечивается прецизионными
кремниевыми стабилитронами. С помощью интегратора 4 и второго
ограничителя 5 форма колебаний преобразуется в
трапецеидальную, близкую к синусоидальной. После фильтрации
высших гармоник фильтром низких частот 6 полученный
синусоидальный сигнал сдвигается на угол <р фазовращательной
схемой 7 для компенсации сдвига фаз при преобразовании сигнала
в самом датчике.
Сформированное напряжение 6 В с частотой 1 кГц подается
на первичную обмотку дифференциально-трансформаторного
датчика 5, преобразующего перемещение х в электрический сигнал
с напряжением U. С помощью двух ключей 9 и 10,
управляемых парафазным сигналом с выходов счетчика, и сумматора 11
осуществляется фазочувствительная двухполупериодная
демодуляция напряжения, величина которого пропорциональна
напряжению, снимаемому со вторичных обмоток преобразователя.
Сигнал на выходе сумматора имеет знак «плюс», если фаза
управления демодулятором совпадает с фазой напряжения
датчика S, и знак «минус», если они противоположны. Таким
образом, демодулятор производит синхронное детектирование
выходного сигнала датчика перемещения. Демодулированный
сигнал фильтруется фильтром низких частот 12,
отфильтровывающим составляющую 1000 Гц. На выходе фильтра
получается сигнал постоянного напряжения. Рабочий диапазон
выходного сигнала — от —10 до +10 В. Точность преобразователя не
ниже 0,5% в диапазоне температур от 10 до 40 °С, время
установления выходного сигнала — не более 10 мс. Повышенная
1-я ячейка
4й
(с+О'Я пчеШ
-От (С-1)~й
ячейки
Щоо
ГЛ
LHCI
к
I?
\тт\
с
0
Выход
1-го шага
i
ГМ
т
С
ячейке
ВыхоН
-Рис. IV.32. Функциональная электрическая схема двух ячеек кольцевого
хчетчика. Пояснения в тексте
237

сложность преобразователя компенсируется его повышенной
надежностью и точностью, а также отсутствием в схеме
промежуточных трансформаторов.
Циклический счетчик наращиваемой структуры наиболее
просто выполняется из ячеек на основе RS- или JK-триггеров.
Каждая ячейка реализует один шаг и состоит из компоратора,
триггера и логической схемы И. Функциональная схема двух
ячеек, построенных на основе JK-триггеров, изображена на
рис. IV.32. Текущее Ut и предельное ?Лпр значения сигнала,
пропорционального критерию выполнения i-то шага, поступают
на компоратор, условно показанный в виде сумматора 1 и
порогового элемента 2. После сравнения величин напряжений
с выхода компоратора поступает сигнал на тактовый вход С
счетного триггера ТТ (поз. 3). На импульсный вход / триггера
подается единица с прямого выхода Q триггера предыдущей
(i—1)-й ячейки. Нулевой вход К триггера заземлен, а вход R
установки нуля триггера соединен с линией сброса. С
инверсного выхода Q триггера сигнал поступает на элемент 4
совпадения (И), куда поступает также сигнал с прямого выхода Q
триггера предыдущей ячейки. Только при наличии этих двух
сигналов на выходе элемента И появляется сигнал,
соответствующий прохождению r-го шага.
На рис. IV.33 приведены функциональные электрические
схемы ячеек преобразователя кода. Собственно
преобразователь кода 1 включает в себя элемент И. Согласование с
выходным реле К производится: непосредственным
подключением с использованием усилителя на мощном инверторе
(рис. IV.33, а); с усилителем на транзисторе (рис. IV.33, б);
с усилителем на тиристоре (рис. IV.33, в). Выходные контакты
реле К используются в схемах управления исполнительными
органами. Питание на базу транзистора и управляющего
электрода тиристора подается через сопротивление R. Число таких
ячеек определяется количеством исполнительных органов.
Входы схемы соединяются с выходами тех ячеек счетчика, номер
шага которых соответствует по циклограмме включенному
состоянию, исполнительного устройства.
+ Еп
И 6
А.
Рис. IV.33. Функциональные электрические схемы ячеек преобразователя
кода с выходными усилителями. Пояснения в тексте
238

Рис. IV.34. Функциональные электрические схемы преобразователей САУ
установки для ультразвуковой сварки. Пояснения в тексте
Функциональные преобразователи (ФП) могут выполняться
на операционных усилителях (ОУ), цифровых интегральных
схемах (ИС) и микропроцессорах. Выполнение ФП на
цифровых интегральных схемах или на макропроцессорах позволяет
получить высокую точность, которая может потребоваться при
проведении научных исследований; ФП, выполненные на
основе ОУ, обеспечивают точность не ниже 0,5—1%, которая вполне
достаточна для промышленных установок.
Схема ФП для вычисления производной приведена на
рис. IV.34, а. На ОУ Ах собран дифференциатор «со
сглаживанием» (в промышленных установках дифференциатор без
сглаживания применять нельзя из-за наличия высокочастотных
составляющих помех). Эта схема работает как
дифференциатор в полосе частот от нижней fH=2n/(/?2Ci) до верхней /в=
=2n{R\C\). Рекомендуется выбирать
/в//н=6-М0 и /н== @,2 ч-О.б)-у!-, (IV.25)
1 ОШ
где Гош — ожидаемое время выполнения шага, с.
Усилитель А2 служит для инвертирования фазы выходного
сигнала, так как А\ производит поворот фазы на 180°.
На рис. IV.34, б и рис. IV.34, в приведены две схемы
вычисления осадки. В схеме на рис. IV.34, б для запоминания
начального положения *So используется запоминающий
конденсатор, а в схеме на рис. IV.34, в — интегратор. Схема на
рис. IV.34, б имеет несколько большее время памяти, а схема
на рис. IV.34, в в начальный момент до размыкания ключа К
может использоваться как дифференциатор с fH=2fl/(/?id) ?
/в//н«^з//?2, однако предпочтительно использовать отдельный
дифференциатор по схеме JV.34, а.
239

\Рсв
'life
•А
77777У7,
{
«/*^i
г 1
L
Л
/
< >¦
%в
W
Рис. IV.35. Схема магнитоупругого датчика (А — амплитуда колебаний вол*
новода, а — амплитуда колебаний опоры; РСв — сварочное давление)
Рис. IV.36. Характерные участки кинетической характеристики процесса
сварки. Пояснения в тексте
На рис. IV.34, г приведена схема компоратора на основе ОУ.
Стабилитрон VD и резистор /?3 обеспечивают согласование
с цифровыми ИС, а делители Ru R2 образуют цепь
положительной обратной связи, увеличивающей чувствительность и
быстродействие ОУ.
Опыт применения ИС в схемах САУ установок для
ультразвуковой сварки, накопленный авторами, показал, что в
производственных условиях достаточную помехоустойчивость
обеспечивают цифровые ИС серии К 511, интегральные ОУ К
140УД6, К 140УД7, К 153УД1, К 284ПУ1, К 544УД1 и
интегральные коми ораторы К 521 САЗ и К 554САЗ.
Для реализации сварки по критерию «амплитуда» авторами
разработан магнитоупругий датчик [6] (рис. IV.35),
представляющий собой никелевый стержень, верхняя часть которога
является опорой, где размещается свариваемая деталь. На
верхний слой датчика в целях меньшего износа рабочей
поверхности наплавляется стеллит на никелевой основе марки
ВХН. На никелевом стержне расположены две обмотки: / —
обмотка подмагничивания для создания постоянного
магнитного потока и // — рабочая обмотка, в которой возникает
измеряемая ЭДС при нагружении датчика внешней переменной
механической нагрузкой.
При проектировании датчиков такого типа определяются
следующие параметры: высота, площадь сечения рабочего
стержня, количество обмоток и число витков в них. Колебания
волновода вызывают появление переменного напряжения в
материале датчика, что, в свою очередь, вызывает изменение era
магнитных характеристик. Появление переменного магнитного
потока вызывает переменное напряжение на рабочей обмотке
датчика. Полезную информацию о ходе процесса сварки или о
состоянии полимера в каждый момент времени несет
амплитудное значение этого переменного напряжения. Поэтому
характеристикой состояния полимера или течения процесса свар-
240

ки будет служить огибающая сигнала, которая получается в
результате выпрямления напряжения датчика.
Амплитуда колебаний опоры а, пропорциональная величине
сигнала датчика, определяется интенсивностью прошедшей
через полимер в процессе сварки ультразвуковой волны и
описывается следующим выражением:
a=AD J/7V*\ (IV.26)
где Л —амплитуда смещений волновода; D — коэффициент пропускания; г —
коэффициент рассеивания; а — коэффициент затухания; h — толщина слоя
полимера.
Изменение амплитуды колебаний опоры в процессе сварки,
зависящее от перечисленных выше параметров, достаточно
полно описывает изменение свойств полимера и процесс
образования сварного шва. Поэтому изменение амплитуды колебаний
опоры при сварке a=f(t) получило название кинетической
характеристики процесса.
Как видно из рис. IV.36, кинетическая характеристика
процесса сварки может быть условно разделена на три участка.
На участке / происходит уменьшение сигнала датчика от
значения ан, определяемого исходными свойствами полимера,
до некоторого минимального значения амин. Уменьшение
сигнала можно объяснить увеличением коэффициента поглощения
среды в результате нагрева. В течение некоторого времени
сигнал Ямин поддерживается постоянным (участок //).
Продолжительность участка // зависит от свойств полимера и его
толщины. Для участка III характерно увеличение сигнала до амакс,
вызванное продавливанием полимера до полного разрушения.
Установлено, что моменту образования сварного
соединения соответствует граница между участками / и //.
Возможность контроля сварки по кинетической
характеристике подтверждается ее связью со следующими параметрами:
температурой в зоне сварки, величиной осадки, площадью
сварочной точки, прочностью сварного соединения,
тепловыделением в образце. К моменту выхода сигнала датчика на
минимальный уровень амин температура в шве максимальна и
достигает температуры вязкотекучего состояния, а осадка
минимальна и существенно не снижает прочности сварного
соединения. Площадь сварной точки достигает 90—95% максимально
возможной, а прочность сварного соединения максимальна.
Таким образом, оптимальная продолжительность
ультразвукового импульса определяется временем, за которое сигнал
датчика изменяется от ан до аМИН.
Следует обратить внимание на то обстоятельство, что в
случае сварки мягких полимеров больших толщин (для
полиэтилена— свыше 1,5 мм) в связи с особенностями тепловыделения
достижение минимального значения сигнала датчика аМНн
свидетельствует лишь об образовании максимально разогретой
области в массе полимера. Только в том случае, если эта
область оказывается непосредственно на границе раздела свари-

ваемых элементов, появление сигнала амин свидетельствует об
образовании сварного соединения. Поэтому применение схемы
сварки с ограничением продолжительности сварочного
импульса по кинетической характеристике возможно для мягких
термопластов толщиной примерно до 1,5 мм, а для жестких — до
толщин, обеспечивающих совпадение максимально разогретой
зоны с границей раздела.
Большой интерес представляет стабильность прочности
сварных соединений при случайных изменениях режима сварки.
Наиболее типичный случай нарушения режима — отклонение
частоты генератора от частоты магнитостриктора. Следствием
является уменьшение амплитуды колебаний волновода,
приводящее к тому, что оптимальное время сварки должно быть
увеличено. В случае нарушения настройки генератора наивысшая
температура в шве достигается за более длительное время,
а поскольку точка выхода кинетической характеристики на
минимальный уровень связана с достижением максимальных
температур, кинетическая характеристика как бы растягивается.
Тепловой режим сварки является основным параметром,
влияющим на прочность сварного соединения. Наличие
высоких температур в зоне соединения — необходимое условие для
получения прочных сварных соединений. Недостаточно высокие
температуры, не приводящие к расплавлению полимера в зоне
соединения, не обеспечивают высокой степени коалесценции,
в результате чего участки сварного соединения, имевшие
невысокую температуру при сварке, становятся очагами
разрушения сварного шва. Температура в шве определяет и
развитие диффузионных процессов при сварке, и возможное
механическое перемешивание слоев расплавленного полимера. Поэтому
продолжительность сварочного импульса должна обеспечивать
получение в зоне соединения температур, соответствующих
вязкотекучему состоянию. Связь кинетической характеристики
с температурой свариваемого материала позволяет следить за
температурным режимом сварки. Исследование температурного
режима производилось при помощи хромель-копелевых термопар
диаметром 0,04—0,50 мм с регистрацией на светолучевом
осциллографе Н-700.
С помощью термографирования изучен рост температуры
в зоне соединения при сварке различных полимерных
материалов, а также при различных режимах сварки. Показано, что
оптимальный выбор усилия сжатия волновода приводит к
достижению минимальной продолжительности сварочного
импульса. Изучено распределение температур по высоте образца,
показано отличие в тепловыделении при сварке мягких и жестких
групп пластмасс. Для жестких пластмасс максимально
разогретая зона оказывается всегда на границе раздела
свариваемых поверхностей. Для мягких пластмасс, имеющих большой
коэффициент затухания, область с наивысшими температурами
при большой толщине изделия может быть расположена в мас-
:242

се полимера на некотором расстоянии от зоны сварки. Эти
исследования определяют границы использования кинетической
характеристики как параметра, несущего информацию о
температуре в зоне сварки. Как показали исследования, минимальное
значение кинетической характеристики аМ1Ш соответствует
максимальной температуре на границе свариваемых поверхностей
при сварке полимеров следующих толщин: с коэффициентом
затухания а менее 0,35 ом-1 (ПММА) —до 100 мм; с a = 0,35-f-
4-0,55 см-1 (полистирол, винипласт) — 10—70 мм; с а>0,55см-1
(полиэтилен, полипропилен)—0,5^-3,0 мм.
Для наблюдения за свойствами свариваемого материала в
процессе сварки необходимо непрерывно измерять амплитуду
колебаний опоры или ее деформации. Эти параметры могут
быть измерены с помощью датчиков различных типов:
датчиков сопротивления, индуктивных, емкостных и др. Для
измерения деформации опоры спроектирована и изготовлена серия
датчиков, работа которых основана на магнитоупругом
эффекте. Разработанная серия датчиков включает в себя ножевой
датчик с размером рабочего торца 30X3 мм, точечной — с
диаметром рабочей поверхности 12 и 25 мм, контурный — диаметром
27 м,м и тарельчатый — с диаметром 130 мм.
Ножевой магаитоупругий датчик предназначен для
сопутствующего контроля качества при шовной или шовно-шаговой
сварке. Чувствительным элементом такого датчика является
пластина из никеля 30X3x70 мм, в окнах которой размещены
обмотки датчика. На рабочую поверхность датчика в целях его
меньшего износа наплавлен стеллит на никелевой основе
марки ВХН. Точечный датчик с рабочим торцом диаметром 12 мм
имеет аналогичную конструкцию рабочего элемента за
исключением измененной торцевой поверхности. Для уменьшения
наводок рабочий стержень датчика помещают в стальной
экран, служащий корпусом датчика-опоры.
Точечный датчик с диаметром рабочего торца 25 мм
представляет собой никелевый стержень; профрезерованные в
цилиндре окна разделяются четырьмя «ножками», на которых
размещены обмотки датчика. Контурный датчик с диаметром
рабочего торца 27 мм выполнен в виде стакана.
Профрезерованные в стенках стакана окна также разделяются четырьмя
«ножками», на которых помещены обмотки датчика. Наружный
и внутренний диаметры рабочего торца датчика соответствуют
размерам свариваемого изделия. Для контроля сварки изделий
сложной формы или разнообразной номенклатуры был
изготовлен тарельчатый датчик. Этот датчик представляют собой
два стальных диска диаметром 130 мм, соединенные
несколькими чувствительными элементами из никеля. Нижний диск
связан с механизмом давления, верхний представляет тобой
рабочий стол, на котором осуществляют сварку.
При проектировании таких датчиков определяют их
габаритные размеры, площадь рабочего стержня, количество обмо-
24$
16*

ток и их числа. Геометрия упругого элемента и число витков
в его обмотках определяют чувствительность датчика.
Соотношение площади сечения рабочего стержня и его высоты
получают, исходя из расчета на устойчивость. Наивысшая
чувствительность датчика соответствует равенству его высоты длине
ультразвуковой волны, распространяющейся в никеле, т. е.
примерно 120—130 мм. Однако из практических соображений
длину датчика выбирают меньшей, используя для повышения
чувствительности несложные усилительные устройства.
Для получения электрического сигнала при деформации
датчика последний должен быть намагничен. Для подмагничи-
еания датчика можно использовать специальную подмагничи-
вающую обмотку. Если чувствительный элемент датчика перед
эксплуатацией намагнитить, то необходимость в подмагничи-
вающей обмотке исчезает. Чувствительность предварительно
•намагниченного датчика несколько ниже чувствительности
датчика с подмагничивающей обмоткой; достоинствами таких
датчиков являются упрощение технологии изготовления
чувствительного элемента и отсутствие выпрямительного блока под-
магничивания. Учитывая, что чувствительность пропорциональна
числу витков, на катушки датчика следует наматывать
максимально возможное число витков. Диаметр провода при ручной
челноковой намотке выбирается в пределах 0,07—0,10 мм.
Число витков каждой катушки контурного (диаметром 27 мм)
и точечного (диаметром 25 мм) волноводов п = 500.
Сопутствующий контроль может быть осуществлен при
помощи прибора для визуального контроля процесса сварки.
В этом случае датчик соединен с индикаторной головкой типа
М-24 с чувствительностью 50 мкА. При сварке с обмотки
датчика снимается переменное напряжение. Полезную информацию
о ходе процесса сварки или о состоянии полимера в каждый
момент времени несет амплитудное значение этого переменного
напряжения. Поэто-му характеристикой состояния полимера или
течения процесса сварки будет огибающая сигнала, которая
получается в результате выпрямления напряжения датчика.
Для визуального наблюдения кинетических характеристик
параллельно индикатору подсоединяют осциллографы.
Метод сопутствующего контроля применяется в зависимости
от режима сварки в двух вариантах — ручном и
автоматическом. Первый вариант предназначен для сварки при часто
меняющейся номенклатуре изделий, для сварки небольшого
количества образцов и при сравнительно низкой скорости
сварки (/Св>1 с). Оператор-сварщик по показанию индикатора-
микроамперметра наблюдает за изменением кинетической
характеристики и при а=аМин отключает ультразвук. Второй
вариант предназначен для точной установки продолжительности
сварочного импульса. Для этой цели в сварочной лаборатории
МВТУ им. Н. Э. Баумана спроектированы и изготовлены
автоматические устройства типа УВС-2 и УВС-3.
:244

ГЛАВА V
КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ КОНТРОЛЬ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ
Сварные соединения высокого качества и со стабильными
свойствами могут быть получены при выполнении комплекса
мероприятий, контроль за соблюдением которых должен
осуществляться на всех этапах изготовления изделий — от
получения и переработки исходного сырья до выпуска готовых
изделий. При нарушении технологии изготовления сварных
соединений в них могут образовываться дефекты, проявляющиеся
либо сразу после сварки, либо в процессе эксплуатации.
Поэтому необходимо осуществлять контроль на всех стадиях
изготовления изделий.
Требования к исходному полимерному материалу
заключаются в хорошей акустической проводимости, однородности
свойств и свариваемости при оптимальных режимах сварки.
Особое внимание на контроль исходного полимерного
материала должно быть обращено в случае применения отходов
основного производства.
Контроль исходного полимерного материала в простейшем
случае осуществляется визуально. Например, на изделиях,
изготовленных из отходов полистирола, иногда можно заметить
«мраморный» рисунок, появление которого объясняется плохим
перемешиванием расплавленного материала. Для получения
количественных характеристик полимерного материала
проводят акустические измерения как на образцах из свариваемого
материала, так и на изделиях.
Нарушение теплового режима технологии изготовления
изделий может приводить к их деформации. При этом возможны
деформации двух типов. Первый тип определяется смещением
(несовпадением) контактирующих при сварке элементов
(выступов, пазов, штырей и т. д.) или несовпадением полуформ
изделия по контуру. При таких деформациях бракованное
соединение может быть обнаружено непосредственно после
сварки. Второй тип деформации, наиболее опасный для изделий из
«жестких» полимеров, характеризуется наличием зазоров
между сопрягаемыми поверхностями. Приложение статического
давления приводит к тому, что зазоры закрываются, однако
появляющиеся при этом внутренние напряжения приводят к
разрушению изделия в процессе эксплуатации.
Проверка на внутренние напряжения для неокрашенных,
оптически прозрачных полимеров состоит в наблюдении изделий
в поляризованном свете. Для непрозрачных материалов может
быть рекомендовано испытание, заключающееся в погружении
245

изделия в поверхностно-активную жидкость, например керосин,
и наблюдении за появлением трещин в материале.
Введение добавок (стабилизаторов, наполнителей,
смазывающих веществ, пластификаторов и т. д.) при изготовлении
изделий может существенно влиять на их свариваемость.
Увеличение содержания некоторых из наполнителей (особенно
смазывающих веществ) может приводить даже к полной потере
свариваемости.
Длительное хранение заготовок, предназначенных для
сварки, может существенно изменить физико-химическое состояние
их поверхностей, и следовательно, свариваемость. Необходимо
стремиться к максимальному сокращению срока хранения,
обеспечению температуры хранения в пределах 273—278 К и
отсутствию паров химических веществ, взаимодействующих с
полимером (керосина, дихлорэтана и т. д.).
ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЙ КОНТРОЛЬ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
Внешний осмотр соединения позволяет выявить такие
дефекты, как искажение формы шва, трещины, непровары,
смещение деталей, прожоги, деформации, уменьшение толщины
шва, подрезы, вмятины, несовпадение кромок. Вид сварных
швов должен сохраняться постоянным по всей их длине.
Сравнение цвета шва и основного материала позволяет в отдельных
случаях судить о соблюдении технологического режима, о
деструкции материала при сварке.
Внешнему осмотру следует подвергать все сварные
соединения независимо от применения других видов контроля. При
внешнем осмотре изделий, выполненных из оптически
прозрачных материалов (полиметилметакрилата, полиэтилена и
полистирола без красителей и др.), следует использовать сильный
источник света, освещающий деталь либо под углом, либо с
торца; таким образом удается выявить некоторые внутренние
дефекты сварного шва. Наиболее ценная информация при
контроле внешним осмотром может быть получена при
исследовании сварных изделий из пленочных материалов, синтетических
тканей и нетканых материалов, изготавливаемых из
волокнистых холстов. По внешнему виду сварной шов этих
материалов должен быть ровным, без складок и сборок. Края швов
должны иметь округлые очертания без резких переходов.
Наружные дефекты сварного соединения из «жестких»
пластмасс могут быть выявлены при осмотре изделия с
использованием люминесцентного метода контроля. При этом методе
поверхность изделия покрывают люминесцирующей жидкостью
(дефектоль, керосин и т. д.). После выдержки, достаточной для
того, чтобы жидкость заполнила поверхностные дефекты,
удаляют ее излишки. Изделие осматривают в затемненном
помещении, освещая его ультрафиолетовыми лучами, например, от
кварцевой лампы. Люминесцентная жидкость, попадая в тре-
246

;щину, незаметную при обычном осмотре, дает в этом случае
хорошее видимое изображение дефекта.
Без выявления дефектов сварных соединений путем осмотра
нецелесообразно проводить испытания швов на плотность,
применять ультразвуковой, рентгеновский и другие методы
контроля.
Контроль плотности сварных швов. После тщательного
внешнего осмотра сварного соединения производится проверка
плотности сварного шва или всего изделия, если процесс
ультразвуковой сварки мог стать причиной появления дефектов в
основном материале.
Все способы проверки плотности сварного соединения
основаны: 1) на способности дефектных соединений пропускать
какие-либо газы или жидкости; 2) на понижении удельного
объемного электрического сопротивления дефектного сварного
соединения.
При первых способах проверки соединений на плотность в
качестве газовых сред могут быть использованы воздух или
аммиак. Ко вторым способам относятся электроискровой и
электролитический.
Метод давления применяют для установления герметичности
сварных швов резервуаров, емкостей, трубопроводов и других
конструкций из полимерных материалов.
Существует метод гидравлического давления,
предназначенный для контроля сварных изделий, работающих под высоким
давлением. Гидравлическим давлением выявляют достаточно
большие дефекты — такие, как трещины, непровары большой
протяженности, сквозные поры. Испытания на герметичность
можно производить давлением воздуха с предварительным
промазыванием сварных швов мыльным раствором. Появление
мыльных пузырей на промазанном участке свидетельствует о
нарушении герметичности шва.
Метод контроля воздухом с аммиаком позволяет повысить
чувствительность к выявлению мелких пор и нестабильностей
в шве. Для выявления сквозных дефектов применяют метод
обдува воздухом. Испытания сварных соединений на
герметичность можно осуществлять с помощью гелиевого и галоидного
течеискателей [72].
Емкости, наполненные различными жидкими продуктами,
проходят испытания на вакуум. Согласно техническим
условиям давление в вакуумной камере устанавливается равным
0,008 МПа, что с избытком удовлетворяет требованиям
проверки сварных изделий на герметичность. Испытания проводятся
следующим образом. Предварительно на дно гнезд камер
укладывается лист чистой бумаги, а на него — сварное изделие.
При поджатии колпака к столу вакуумной камеры происходит
откачка воздуха из камеры. При достижении необходимого
вакуума загруженная продукция выдерживается под заданным
давлением в течение 5—10 с, после чего срабатывает клапан,
247

который нагнетает воздух в камеру. После поднятия колпака
проверяются гнезда камеры. Если «а бумаге имеется влажный
отпечаток, то сварное соединение считается не герметичным и
отправляется в брак.
Контроль внутренних дефектов сварного соединения.
Описанные выше способы контроля пригодны для выявления
поверхностных или сквозных дефектов сварного соединения.
Внутренние дефекты (поры, посторонние включения, нарушения
внутренней геометрии и т. д.) этими способами обнаружены
быть не могут. В последнее время для контроля внутренних
дефектов сварного соединения изделий из пластмасс
разработаны различные физические неразрушающие методы испытаний.
Ниже кратко рассмотрены эти методы [71].
Инфракрасная дефектоскопия. Методы
инфракрасной дефектоскопии основаны на регистрации
инфракрасного излучения, отраженного или прошедшего через исследуемую
среду. Контроль производится следующим образом. Поток
инфракрасного излучения направляется излучателем на изделие.
Спектр излучаемого сигнала зависит от типа ИК-источника,
оптических свойств исследуемого материала.
Возможность выявления дефектов и внутренней структуры
материала основывается на зависимости между оптической
плотностью исследуемого материала и интенсивностью
прошедшей лучистой энергии. При таких испытаниях хорошо
выявляются внутренние трещины, несплавления и пустоты диаметром
около миллиметра и более.
Ультразвуковая дефектоскопия. Ультразвуковой
контроль нашел наибольшее применение благодаря простоте и
высокой производительности, надежности и универсальности.
Он с успехом применяется для выявления внутренних и
поверхностных дефектов как в сварных швах, так и в основном
материале. Ультразвуковые испытания позволяют не только
определять трещины, микротрещины, посторонние включения и
т. п., но и прогнозировать долговечность ответственных деталей
и конструкций из пластмасс [71].
В основе ультразвуковой дефектоскопии лежит способность
ультразвука отражаться от поверхности раздела двух сред с
различной акустической плотностью, например от несплошнос-
тей, раковин, трещин и др. Для получения ультразвука
используют генераторы (УД-10П, УЗД-МВТУ, ДУК-66, ДУК-66П),
являющиеся источниками переменного тока, и специальные
излучатели. Основным элементом излучателя является
пьезоэлектрический преобразователь-пластина [71].
Ультразвуковой контроль пластмасс отличается от контроля
металлов. Во-первых, в пластмассах затухание ультразвука
значительно больше, чем в металлах. Например, коэффициент
затухания ультразвука при частоте 2,5 МГц составляет для по-
лиметилметакрилата и полистирола соответственно 58 и 23 м-1,
а для стали и дюралюминия—1 и 2 м-1. Таким образом, для
24а

контроля изделий из пластмасс, имеющих одинаковую толщину
с металлами, требуется значительно большая акустическая
мощность. Во-вторых, скорость ультразвука в пластмассах
гораздо меньше, чем в металлах. Например, для полиметилмета-
крилата и полистирола скорость продольных волн составляет
.2,67-106 и 2,35-106 мм/с, а для стали и дюралюминия — около
6-Ю6 мм/с. Из-за уменьшения скорости ультразвука в
пластмассах трудно ввести ультразвуковой луч в сварное
соединение под нужным углом. Для увеличения угла ввода,
позволяющего озвучивать сварной шов, можно применять ввод
колебаний через воду. Водяная прослойка удерживается при помощи
специального полиэтиленового переходника.
Рентгенографическая дефектоскопия.
Рентгенографический метод контроля состоит в том, что через
исследуемый материал с различной структурой или дефектами
пропускается рентгеновское излучение. Преобразовав прошедшее
излучение в видимое изображение с помощью, например,
фотопленки или специальных флюороскопических экранов, можно
судить о внутреннем состоянии изделия. Таким образом, можно
выявить характер, границы, конфигурацию и глубину залегания
дефекта. Чем больше плотность материала, чем больше он
ослабляет излучение, тем более высокую контрастную
чувствительность будет иметь рассматриваемый способ контроля.
Коэффициент ослабления излучения у большинства пластмасс
весьма мал. Повысить его можно уменьшением напряжения на
трубке. Таким образом, основной особенностью рентгеновского
контроля пластмасс является необходимость применения
мягкого излучения при небольших напряжениях на электродах
трубки.
Для контроля пластмасс могут быть рекомендованы
рентгеновские аппараты отечественного производства типа
РАП-150/300-01 и РУП-120-5-1.
Увеличение чувствительности рентгенографического
способа контроля может быть достигнуто при использовании в
качестве приемников излучения сцинтилляционных счетчиков.
Попадание рентгеновского излучения на активное вещество этих
счетчиков приводит к появлению вспышек видимого или
ультрафиолетового света. Использование вместе со сцинтилляцион-
ными счетчиками фотоэлектронных умножителей сделало
возможным преобразовать информацию рентгеновского излучения
о состоянии вещества в электрические сигналы. После
усиления эти сигналы можно записать на электронном
потенциометре, получив видимое изображение дефектов изделия.
Использование рентгеносцинтилляционного метода
значительно повышает чувствительность контроля пластмассовых
изделий. Этот метод позволяет выявлять дефекты типа расслое-
кии и трещин с малым раскрытием, расположенных
перпендикулярно направлению просвечивания. Поры, скопления пор,
металлические включения также выявляются с высокой
степенью надежности.
249

Капиллярные методы дефектоскопии основаны на
способности жидкости проникать в поверхностные дефекты
изделия. Они применяются для обнаружения всех типов
поверхностных трещин, расслоений, течей в сварных строительных
конструкциях из полимерных материалов.
К капиллярным методам относятся: люминесцентный,
цветной (метод красок) и люминесцентно-цветной. В первом и
третьем методах применяют люминесцентные жидкости,
которые высвечиваются под действием ультрафиолетовых лучей.
Во втором методе в качестве проникающих жидкостей
используются красящие жидкости.
Методика проведения контроля для всех капиллярных
методов одинакова и состоит из следующих операций:
обезжиривание поверхности изделия, нанесение на поверхность
проникающей жидкости, нанесение проявителя, осмотр и
расшифровка результатов. Проникающую жидкость наносят, погружая
изделия в ванну, при помощи кисти или пульверизатора.
Применяя сухие и жидкие проявители, которые подобно
промокательной бумаге вытягивают проникающую жидкость из полости
дефекта за счет абсорбции и распределяют ее на поверхности
изделия в пределах небольшой области вокруг дефекта, можно
получить его изображение. Окраска получаемых изображений
дефекта зависит от вида проникающей жидкости.
С помощью проникающих жидкостей возможен контроль-
сквозных отверстий на соединениях из полимеров небольшой
толщины (от 0,5 до 3,0 мм).
Радиотехнические методы контроля основаны на
применении радиоволн сверхвысоких частот (СВЧ) — Ю00МГц-Ь
ч-100 ГГц. Радиоволны хорошо проникают в диэлектрики. В этом
случае не требуется контакта между зондирующим устройством
и контролируемым изделием. При наличии в изделии трещин,
инородных включений и прочих дефектов радиоволны,
отражаясь или проходя через них, меняют фазу (фазовый метод),
амплитуду (амплитудный метод) или характер поляризации
(поляризационный метод).
В радио дефектоскоп ах используется как отражение
радиоволн, так и затухание при прохождении их через изделие;
в последнем случае чувствительность метода выше [72].
Существуют комбинированные радиодефектоскопы для контроля
пластмасс, в которых одновременно используются
радиотехнический и ультразвуковой методы.
Радиотехнические методы применяются для контроля
сварных строительных конструкций, у которых швы не имеют
грата. При контроле изделий из пластмасс выявляются трещины
с раскрытием более 0,1 мм и глубиной более 3 мм, непровары;
особенно хорошо выявляются инородные включения.
Электростатический метод так же, как и
капиллярные методы, позволяет выявить поверхностные дефекты
(трещины, поры, несплошности и др.) в сварных соединениях
250

из пластмасс. Он основан на трибоэлектрическом эффекте, т. е.
возникновении электростатического поля за счет трения. Метод
прост, дешев, высокопроизводителен. Методика проведения
контроля такая же, как при контроле с использованием
проникающей жидкости. На поверхность очищенного изделия
наносят жидкость, которая состоит из воды, смачивающего
вещества и веществ, обеспечивающих слабую электропроводность.
Через некоторое время поверхности высушенного изделия
опыляют порошком, частицы которого несут электрические заряды.
При этом в жидкости, оставшейся в дефекте, происходит
направленное перемещение ионов: если частицы порошка имеют
положительный заряд, то отрицательные ионы жидкости будут
перемещаться к вершине дефекта, а положительные ионы —
к основанию дефекта. Далее напыленный порошок удаляют с
поверхности изделия; при этом за счет кулоновского
притяжения между положительными частицами порошка и
отрицательными ионами жидкости образуется видимое изображение
дефекта.
Электроискровой метод контроля основан на
электроизоляционных свойствах полимерных материалов. Если
изделие из пластмасс поместить в пространство между
электродами, к которым приложена большая разность потенциалов
A5—20 кВ), то в области дефекта в сварном соединении
проскакивает искра, которая на приборе отображает дефектный
участок в виде непроваров, трещин, пор. Этот метод
применяется для контроля швов в сварных соединениях тонких
полимерных пленок.
Электролитный метод основан на
электроизоляционных свойствах пластмасс. Сварное изделие погружают в ванну
с электролитом C%-ный раствор поваренной соли) или
электролит наносят на поверхность изделия. Наличие дефекта в
сварном соединении обнаруживается по отклонению стрелки
гальванометра при наложении на изделие электродов.
Тепловой метод контроля основан на изменении
распределения теплового излучения, испускаемого исследуемым
изделием, при наличии в нем дефекта. Он применяется для
контроля листовых сварных соединений из полимерных
материалов после снятия грата. Метод позволяет определить
форму, размеры и места расположения больших дефектов типа
нарушения сплошности. Схема контроля проста. С одной
стороны изделия размещают источник нагрева — плазмотрон,
лазер и др., а с другой — приемную аппаратуру повышенной
чувствительности. Такая аппаратура дает возможность представить
картину распределения теплового излучения по поверхности
изделия в виде изображения на экране электронно-лучевой
трубки или на фотобумаге; при этом выявляются дефекты.
Оптические методы контроля основаны на
регистрации светового (видимого) или инфракрасного излучения,
отраженного контролируемым изделием или прошедшего через него.
251

В заключение следует отметить, что комплексное применен
ние рассмотренных методов контроля обеспечивает выявление
возможных дефектов сварного соединения и тем самым
гарантирует безотказную работу сварных соединений из пластмасс,
выполненных ультразвуковой сваркой.
ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ РАБОТЕ
НА УЛЬТРАЗВУКОВЫХ СВАРОЧНЫХ МАШИНАХ
В 1962 г. был издан «Руководящий материал по технике
безопасности и промышленной санитарии в условиях
применения ультразвука». В течение 1962—1963 гг. Всесоюзным
центральным научно-исследовательским институтом охраны труда
ВЦСПС были проведены экспериментальные исследования в
условиях звукоизолированной камеры по сравнительному
изучению действия на человека слышимых звуков и ультразвука.
Из слышимых звуков утомляющее действие на слух
человека оказывают звуки частотой 4—5 кГц, на которую
приходится максимальная чувствительность слуха. При увеличении
частоты звука слуховая чувствительность к нему ослабляется
и, наконец, при частоте 10 кГц и выше органы слуха перестают
воспринимать звуковые колебания в воздухе. Действие
ультразвука на человека уже не будет определяться его восприятием
через органы слуха. Практически при значениях общих
уровней звуковых давлений в воздухе, не превышающих 120 дБ,
вредное действие шумов ультразвуковых установок целиком
определяется слышимой частью спектра.
В названном выше нормативном документе приводятся
уровни допустимых звуковых давлений в верхней слышимой
части спектра E—16 кГц) и в области ультразвуковых частот,
полученные на основании экспериментальных исследований,
а также с учетом литературных данных и позволяющие четко
определить необходимость в защите от шума ультразвуковых
установок.
При работе на ультразвуковых сварочных машинах
используются частоты от 19 до 26 кГц. Этот диапазон частот
установлен межведомственной комиссией по радиочастотам при
Министерстве связи СССР постановлением от 27.08.1962 г. и
является совершенно безвредным. Кроме того, при работе на
сварочных установках слышимая часть спектра достигает 20—
40 дБ, что в три-четыре раза ниже нормы.
Соблюдение требований техники безопасности обязательна
для всех инженерно-технических работников и
обслуживающего персонала, связанных с эксплуатацией установок для
ультразвуковой сварки пластмасс. К обслуживанию установки могут
быть допущены лица, имеющие квалификацию не ниже Ш-й
квалификационной группы по технике безопасности.
Перед началом работы на сварочной машине необходимо
включить водяное охлаждение преобразователя. Приступать к
252

эксплуатации установки можно только при наличии резинового
коврика на рабочем месте и защитного заземления.
Конструкция ультразвуковой сварочной установки должна*
исключать возможность случайного контакта людей с
элементами схемы и деталями, находящимися под напряжением.
Категорически запрещается работать на установке при неисправ-
ности блокировочного устройства ультразвукового генератора,
а также со снятым кожухом машины. При необходимости
прикасания к работающему волноводу следует применять
специальные перчатки.
Эксплуатация и ремонт ультразвуковых сварочных
установок должны проводиться в соответствии с требованиями
ГОСТ 12.2.007.8—75, ГОСТ 12.3.003—75, ГОСТ 12.1.003—83 и
ГОСТ 12.1.001—83.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Информационные материалы СЭВ. Киев.: Наук, думка, 1980. Вып. 2A8)-
С. 44—52.
2. Теоретические основы сварки/Под ред. В. В. Фролова. — М.: Высшая
школа, 1970. 592 с: ил.
3. Тростянская Е. Б. и др. Сварка пластмасс/Е. Б. Тростянская, Г. В.
Комаров, В. А. Шишкин. — М.: Машиностроение, 1967. 252 с: ил.
4. Комаров Г. Б.//Пласт. массы. 1981. № 12. С. 25—28.
5. Волков С. С. и др. Сварка и склеивание пластмасс/С. С. Волков,.
Ю. Н. Орлов, Р. Н. Астахова. М.: Машиностроение, 1972. 128 с: ил.
6. Волков С. С. и др. Сварка пластмасс ультразвуком/С. С. Волков;
Ю. Н. Орлов, Б. Я. Черняк. М., Химия, 1974. 264 с: ил.
7. Зайцев К. И., Мацюк Л. Н. Сварка пластмасс. М.: Машиностроение, 1978.
224 с: ил.
8. Папков С. Я.//Хим. волокна, 1982. № 6. С. 13—16.
9. Богдашевский Л. В. и др. Ультразвуковая сварка полиэтилентерефталат-
ной пленки скользящим инструментом/А. В. Богдашевский, Л. Н, Мацюк,,
B. Г. Васильченко. М., ГОСИНТИ, 1967. 14 с: ил.
10. Холопов Ю. В.//Свар. пр-во. 1975. № 8. С. 38—39.
11. Информационные материалы СЭВ. Киев.: Наук, думка, 1980. Вып. 2A8)-
C. 27—36.
12. Николаев Г. А., Лошилов В. И. Ультразвуковая технология в хирургии;
М.: Медицина, 1980, 271 с: ил.
13. Теумин И. И. Ультразвуковые колебательные системы. М.: Машгиз, 1959»
331 с: ил.
14. А. с. 122866 СССР.
15. Мозговой И. В., Гонашевский Л. В.//Автомат, сварка. 1975. № 7.
С. 74—75.
16. Мозговой И. В., Самчелькин В. В., Фомин В. Я.//Свар. пр-во. 1977. № L
С. 32—33.
17. Бекмурзаев Л. А., Волков С. С, Орлов Ю.Н./УСвар. пр-во. 1981. № 2.
q 31 32.
18. Волков С. С.//Свар. пр-во. 1981. № 12. С. 18—19.
19. Богдашевский А. В., Карамышев М. А., Немшилова В. С.//Свар. пр-ва.
1972. № 6. С. 38—39.
20. Абызов Н. М., Богдашевский А. В., Мацюк Л. Н. и др.ЦСвар. пр-во.
1981. № 2. С. 33—34.
21. Волков С. С, Яматов Р. Г. Применение пластмасс в машиностроении. М.*
1979. № 17. С. 41—48. (Тр. МВТУ им. Н. Э. Баумана).
22. Советов А. Н., Черняк Б. Я., Френкель Б. Э., Яматов Р. Г.//Свар, пр-ва
1982. № 1. С. 7.
253

23. Ультразвуковая сварка при изготовлении одежды/И. Д. Клеткин,
Н. В. Крючков, Р. Ф. Морева и др. М.: Легк. индустрия, 1979. 335 с: ил,
24. Основы физики и химии полимеров/Под ред. В. Н. Кулезнева. М.:
Высшая школа, 1977. 247 с: ил.
25. Гуль В. Е., Кулезнев В. Я. Структура и механические свойства
полимеров. 3-е изд. М.: Высшая школа, 1979. 352 с: ил.
26. Джейл Ф. X. Полимерные монокристаллы: Пер. с англ./Под ред.
С. Я. Френкеля. Л.: Химия, 1968. 551 с: ил.
27. Кудрявцев Г. И. и др. Полиамидные волокна/Г. И. Кудрявцев,
М. П. Носов, А. В. Волокина. М.: Химия, 1976. 264 с: ил.
28. Петухов Б. В. Полиэфирные волокна. М.: Химия, 1976. 272 с: ил.
29. Алехин В. П. Физика прочности и пластичности поверхностных слоев
материалов. М.: Наука, 1983. 280 с: ил.
-30. Голубь П. Д., Перепечко И. Я.//Мех. полимеров. 1978. № 6. С.
ИЮНИ.
31. Бленд Д. Теория линейной вязкоупругости: Пер. с англ. М.: Мир, 1965.
199 с: ил.
32. Карамышев М. А., Мацюк Л. Я.//Пласт. массы. 1969. № 2. С. 54—57.
33. Холопов Ю. В., Кулемин А. В., Глазов В. ?.//Электротехн. пром. Сер.:
Электросварка. 1978. Вып. 2D7). С. 3—4.
34. Кристенсен Р. Введение в теорию вязкоупругости: Пер. с англ. М.: Мир,
1974. 340 с: ил.
35. Карнаухов В. Г. Связанные задачи термовязкоупругости. Киев: Наук.
думка, 1982. 258 с: ил.
36. Хилл Р. Математическая теория пластичности: Пер. с англ. М.: Гостех-
издат, 1956. 407 с: ил.
37. Марихин В. А., Мясникова Л. П. Надмолекулярная структура полимеров.
Л.: Химия, 1977. 240 с: ил.
38. Воюцкий С. С. Аутогезия и адгезия высокополимеров. М.: Ростехиздат,
1960. 244 с: ил.
39. Вакула В. Л. Автореф.... дис. д.-ра. хим. наук. М., 1974. 520 с.
40. Черняк Б. #., Исаев А. И., Советов А. Я., Волков С. С.//Свар. пр-во,
1979. № 6. С. 24—26.
41. Menges G., Potente M.//Kunstoffe. 1969. Bd. 59. № 6. S. 369—374.
42. Регель В. Р. и др. Кинетическая природа прочности твердых тел/В. Р. Ре-
гель, А. И. Слуцкер, Э. Е. Томашевский. М.: Наука, 1974. 560 с: ил.
43. Перепечко И. И. Введение в физику полимеров. М.: Химия, 1978.
312 с: ил.
44. Мацюк Л. Н., Богдашевский А. ?.//Пласт. массы. 1960. № 12. С. 30—36.
45. Черняк Б. Я., Ляшко Ф. К., Френкель Б. 3.//Свар. пр-во. 1979. № 3.
С. 27—28.
46. Мацюк Л. Н., Вишневская Н. Б.//Свар. пр-во. 1973. № 8. С. 31—32.
47. Карамышев М. А., Килин С. М., Мацюк Л. Я.//Пласт. массы. 1968. № 8.
С. 69—70.
48. Перепечко И. И. Акустические методы исследования полимеров. М.:
Химия, 1973. 296 с: ил.
49. Карамышев М. А., Мацюк Л. Я.//Пласт, массы. 1971. № 3. С. 49—50.
50. Богдашевский А. В., Немшилова В. С, Харитонова Я. С, Ребров В. В.
Сварка полимерных материалов. М.: МДНТП, 1974. С. 102—105.
51. Мозговой И. В., Соколов В. А., Лопарева Т. А.//Свар, пр-во. 1977. № 5.
С. 18-19.
52. Кащеева Л. П., Смирнов А. С.//Электротехн. пром. Сер.: Электросварка.
1979. Вып.' 6E7). С. 4—5.
53. Аудринг В. В., Райз Я. И., Коган 3. И., Абримович Л. Г.//Пласт. массы.
1970. № П. С. 30—32.
54. Мытарев В. К., Волков С. С —Тр. ВНИЭКИПРОДМАШ. М.: 1972. № 30.
С. 43—47.
55. Пейн Г. Физика колебаний и волн: Пер. с англ. М.: Мир, 1979.
392 с: ил.
56. Бородкин В. Ф. Химия красителей. — М.: Химия, 1981. 247 с: ил.
57. Наполнители для полимерных композиционных материалов. М: Химия,
254

1981. 736 с: ил.
58. Волков С. С, Шавидзе Т. Г., Княгинина И. П. Применение пластмасс в
машиностроении. М., 1982. № 19. С. 105—109. (Тр. МВТУ им. Н. Э.
Баумана).
59. Мозговой И. В., Самчелькин В. В., Ощепков В. ^.//Автомат, сварка. 1974.
№ 10. С. 75—76.
60. Советов А. Н., Черняк Б. Я., Волков С. С.//Свар, пр-во. 1977. № 1.
С. 44—45.
61. Изготовление нетканых материалов посредством ультразвуковой сварки
волокнистых холстов/С. С. Волков, Ю. Н. Орлов, Б. Я. Черняк, А. А. Ра-
ухвергер. М.: ЦНИИТЭИлегпром, 1973. 84 с: ил.
62. Черняк ?. Я., Рашидов Н. Р., Багдасаров А. ЛГ/Свар. пр-во. 1982. № L
С. 5-6.
63. Черняк Б. Я., Френкель Б. Э„ Советов1 А. Я.//Состояние и перспективы
развития сварки и склеивания термопластов. Киев.: ИЭС им. Е. О. Па-
тона, 1982. С. 23—28.
64. Ультразвуковые преобразователи: Пер-, с англ./Под ред. И. П. Голяминой.
М.: Мир, 1972. 424 с: ил.
65. Волосатое В. А. Ультразвуковая обработка. — Л., 1973. 248 с: ил.
66. Волков С. С. и др. Расчет и конструирование ультразвуковых сварочных
машин/С. С. Волков, Ю. Н. Орлов, Б. Я. Черняк. М.: ЦНИИТЭИлегпром,
1974. 103 с: ил.
67. Холопов Ю. В. Ультразвуковая сварка. М.; Л.: Машиностроение, 1972:
152 с: ил.
68. Кащеева Л. П., Котина А. А., Миркин А. М. и др./'/Свар, пр-во. 1978..
№ 5. С. 43—44.
69. Черняк Б. Я., Ляшко Ф. Е., Боков В. Л.//Свар, пр-во. 1979. № Э.
С. 36—37.
70. Основы управления технологическими процессами/С. А. Анисимов^,
В. Н. Дынькин, А. Д. Касавин и др. Под ред. Н. С. Райбмана. М.: Наука,
1978. 440 с: ил.
71. Контроль качества сварки/Под ред. В. Н. Волченко. М.: Машиностроение^,
1975. 328 с: ил.
72. Балабина Г. В., Истратов И. Ф. Контроль качества сварных соединений
из пластмасс в строительстве. М.: Стройиздат, 1975. 196 с: ил.

Производственное издание
СТАНИСЛАВ СТЕПАНОВИЧ ВОЛКОВ
БОРИС ЯКОВЛЕВИЧ ЧЕРНЯК
СВАРКА
ПЛАСТМАСС
УЛЬТРАЗВУКОМ
Редактор Л. И. Галицкая
Художник Л. Г. Бакушева
Художественный редактор К. К* Федоров
Технический редактор Н. Ю. Белякова
Корректор Н. А. Иванова
ГИБ № 1847
Сдано в наб. 25.04.86. Подп. в печ. 08.07.86. Т. 09412.
Формат бумаги 60X90Vie. Бумага кн.-журн. Гарн.
литературная. Печать высокая. Усл. печ. л. 16,0. Усл.
кр.-отт. 16,0. Уч.-изд. л. 17,75. Тираж 6500 экз. Заказ
№ 271. Цена 1 р. 20 к. Изд. № 2822.
Ордена «Знак Почета» издательство «Химия». 107076.
Москва, Стромынка, 21, корп. 2.
Московская типография № 11 Союзполиграфпрома при
Государственном комитете СССР по делам издательств,
полиграфии и книжной торговли. 113105, Москва,
Нагатинская ул., д. 1.