Сварка инженерных полимеров (часть 3) : вибрационная сварка
Вибрационная, или линейная фрикционная сварка представляет собой притирку двух составленных вместе термопластичных деталей под давлением, при соответствующей частоте и амплитуде, до момента выделения количества теплоты, достаточного для расплавления и соединения в единое целое полимерных деталей. Процесс сходен с ротационной фрикционной сваркой, за исключением того, что движение здесь не вращательное, а возвратно-поступательное.
Именно эта, обеспечивающая высокую стабильность, технология позволяет создавать крупные, герметичные и механически прочные сварные швы за временной цикл, равный всего нескольким секундам. Вибрационная сварка применяется, главным образом, в тех случаях, когда необходимы короткие временные циклы, а деталь слишком крупна для того, чтобы использовать ультразвуковую сварку. Однако поскольку процесс требует относительно плоских поверхностей соединения, для некоторых практических случаев вибрационная сварка не подходит.
При вибрационной сварке, две свариваемые детали соединяют вместе под заданным давлением (1-4 МПа). Затем соединяемые поверхности подвергаются воздействию вибрации с частотой 100-300 Гц, создаваемой либо приводом, либо электромагнитом и передаваемой на соединяемые поверхности. Таким образом, создается возвратно-поступательное движение между свариваемыми поверхностями двух деталей, обычно со смещением порядка 0,5-1,5 мм. В результате нагревания от трения, температура резко повышается, достигая точки плавления полимера. По истечении заданного времени, электрический пульт управления останавливает вибрации, и одновременно детали приводятся в точное положение относительно друг друга при сохранении давления в месте соединения. Величина давления поддерживается неизменной в течение нескольких секунд, необходимых для затвердевания расплава.
Рисунок 1: Схематическое изображение хода процесса вибрационной сварки
Во время вибрации, процесс сварки проходит четыре хронологически последовательные фазы (см. рис. 1):
Фаза I: Трение твердых тел - Начальное нагревание термопластической смолы на поверхности стыка за счет трения твердых тел; Фаза II: Переходная фаза - Регулируемое нагревание термопластической смолы сквозь сдвинувшийся тонкий слой расплавленного термопласта; Фаза III: Устойчивое плавление - Взаимопроникновение расплава при постоянной температуре термопластика; Фаза IV: Охлаждение - Затвердевание расплава.
Для получения прочных сварных швов необходимо достигнуть фазы III. На это указывает практически линейное увеличение сварного проникания. По достижении фазы III вибрация может быть остановлена, потому что дополнительное проникновение не обязательно приводит к получению более толстого слоя расплава или более прочного сварного шва, но скорее приводит к возникновению нежелательных выплесков.
Варианты технологии сварки
Вибрационно-сварочные машины передают производимое системой привода колебательное движение постоянной или переменной частоты (амплитуды) на одну или на обе детали, которые предстоит соединить сваркой. Вибрация производится системой привода, которая обычно располагается в верхней части установки и работает на резонансной частоте. В то же время, на свариваемые детали прилагается необходимое для соединения усилие давления.
Рис. 2: Принцип работы линейной вибрационной сварочной машины с электромагнитным приводом
В настоящее время применяется два основных варианта технологического процесса: линейная или орбитальная вибрационная сварка. В случае линейной вибрационной сварки, линейное фрикционное движение осуществляется приводом и соответствующими направляющими (см. рис. 2). Это движение может происходить с различными частотами. В настоящее время используются механизмы с рабочей частотой с 100-300 Гц и неограниченно регулируемой амплитудой. Такая сварка подходит для поверхностей, которые могут линейно смещаться в одной плоскости. Однако в результате того, что стенки расположены поперечно направлению вибрации, существует риск того, что могут получаться относительно слабые сварочные швы. В случае орбитальной сварки, одна деталь вращается по орбите по отношению к другой детали. Двумерное, фрикционное колебательное движение обеспечивается приводом и соответствующими направляющими (см. рис. 3). Это движение может осуществляться с различной частотой. В настоящее время используются механизмы с рабочей частотой 100-240 Гц и, как правило, неограниченно регулируемой амплитудой.
В отличие от линейной вибрационной сварки, скорость и сила трения на протяжении всего процесса орбитальной сварки является практически постоянной. Таким образом, можно сократить время сварки или уменьшить амплитуду. В настоящее время этот процесс не может применяться для обработки деталей таких размеров, которые используются в вибрационной сварке, но с его помощью можно с большей эффективностью сваривать небольшие и тонкостенные детали.
Рис. 3: Принцип работы орбитально-вибрационной сварочной машины с электромагнитным приводом
На протяжении последних нескольких лет было осуществлено несколько новых разработок в области сварочного оборудования. Одна из них позволила изменять давление во время цикла сварки. Это делает возможным оставления на поверхности соединения большего количество расплавленного полимера, что создает более широкую зону сварочного шва. Как правило, это уменьшает выплески и увеличивает прочность сварки.
Значения амплитуды, прочности сварки, значения усилия давления, времени сварки и времени приложения усилия давления зависят от механизма вибрации, вида пластмассы и конфигурации детали. Поэтому оптимальные параметры должны быть исследованы посредством экспериментальной конструкции. Амплитуда вибрации представляет собой половину амплитуды движения вибрирующей сварочной головки. Обычно увеличение частоты колебаний приводит к снижению амплитуды вибрации, и наоборот.
Обычно для линейных сварочных вибрационных машин частота колебаний 200 Гц соответствует амплитуде колебания 0,5-0,9 мм, а частота 100 Гц - амплитуде 1,5-2,5 мм. Более низкая частота/ более высокая амплитуда используется для изделий с гибкими опорными стенами и большими площадями соединения, например, детали корпуса автомобиля, такие как бампер. Более низкая амплитуда/ более высокая частота используется для сварки изделий с меньшими соединяемыми поверхностями, например, впускной коллектор автомобиля.
Важно то, что вибрирующая система действует на (либо близкой к) резонансной частоте к системе, что обеспечивает оптимальные технические характеристики машины и длительный срок службы. При введении в эксплуатацию нового набора инструментов следует соблюдать инструкции завода-изготовителя. Обычно орбитальная вибрационная сварка функционирует при более низких значениях амплитуды, чем линейная вибрационная сварка: как правило, в диапазоне 0,3-0,7 мм.
Оптимальное значение давления при сварке для каждого отдельного случая должно быть определено экспериментально. Для материалов с низкой вязкостью расплава, оптимальным может быть пониженное давление сварки. Напротив, более высокое давление сварки ускоряет плавление, сокращает время сварки и обеспечивает компенсацию коробления свариваемых деталей.
Однако увеличение давления сварки может привести к ослаблению прочности соединения, а в случае управления временем сварки - привести к большей глубине взаимопроникновения и увеличению наплавленного валика сварного шва. Однако опыт показал, что при давлении выше определенного значения прочность соединения демонстрирует тенденцию к снижению (см. рис. 4), возможно, по причине уплотнения расплавленной смолы.
Следует экспериментальным путем определить удельное поверхностное давление, которое обеспечивает наивысшую прочность соединения. Можно сказать, что, как правило, аппарат должен быть способен создавать давление примерно 1-4 МПа на свариваемую поверхность.
Рис. 4: Прочность сварки в зависимости от давления сварки
Если аппарат дает возможность выбора давления во время вибрации, давление уменьшается после того, как переходная фаза может уменьшить смешанный поток расплавленного материала в зону сварного валика. В этом случае, во время начальной стадии цикла сварки используется относительно высокая прижимающая сила, чтобы уменьшилось время цикла, и в конце цикла снизилось давление, что способствует образованию более прочного сварного шва.
Переключение не должно делаться перед образованием по всей поверхности соединения расплавленного слоя и, если возможно, во время фазы III (см. рис. 5). Уменьшение давления становится фактором образования более толстого расплавленного слоя и - после повторного достижения устойчивого плавления - более высокой прочности соединения.
Рис. 5: Схема процесса при изменяющемся давлении: I - трение твердых тел; II - устойчивое плавление; III a - устойчивое плавление; p - уменьшение давления; k - фаза уплотнения; III b - устойчивое плавление; IV - время выдержки Давление выдержки обычно то же, что и давление сварки. Время выдержки должно быть достаточно продолжительным, чтобы температура сварного шва стала ниже температуры кристаллизации или стеклования. Времени выдержки чаще всего достаточно в течение 1-5 секунд.
Давление выдержки должно быть на том же уровне, что и давление сварки. В случае изменения давления в процессе сварки, давление выдержки должно соответствовать давлению сварки в конце периода вибрации. Время выдержки должно быть выбрано такого уровня, чтобы сварной шов мог остыть при температуре затвердевания или при температуре кристаллизации. Исходя из опыта, достаточное время выдержки составляет 1-5 секунд. Время сварки должно быть выбрано такого уровня, чтобы было достигнуто устойчивое плавление. На это указывает почти линейное увеличение проникновения сварки сверх базового времени. Время достижения фазы III процесса зависит от параметров аппарата (амплитуды, частоты, давления сварки), геометрии соединяемых поверхностей, коробления деталей, которые предстоит сварить, и от материала. Вибрация может быть выключена во время стабильного течения расплава. Более длительное время сварки не приводит к увеличению толщины расплавленного слоя, потому что дополнительный материал, расплавленный при сохраняющейся вибрации, уплотняется внутри сварного валика во время давления сварки.
Конструкция детали Чтобы обеспечить необходимое возвратно-поступательное движение соединяемых поверхностей, детали должны быть сконструированы так, чтобы в зоне сварки была обеспечена жесткость, учтены допуски, а также должно быть всегда обеспечено достаточное перекрытие соединяемых поверхностей по отношению к максимальной амплитуде. Следует принять во внимание, что для трехмерно закругленных зон сварки проникание уменьшается с увеличением угла (см. рис. 6).
Количество расплава, производимого во время цикла вибрации, прямо пропорционально плоскостности поверхности. Жесткие детали, особенно наполненные стекловолокном смолы, нельзя полностью выровнять давлением сварки, и поэтому для получения хорошего соединения для них требуется более длительный цикл вибрации. Поэтому при проектировании и отливке таких деталей следует учитывать, что полное время соединения зависит частично от ровности соединений, которая, в свою очередь, часто может быть улучшена соответствующей конструкцией детали. В линейно-вибрационной сварке деталей в месте их соединения допустим небольшой наклон, примерно 10°, хотя это и не является рекомендацией.
Рис. 6: Проникновение уменьшается для закругленных деталей в зависимости от угла
Детали, которые будут соединяться вибрационной сваркой, должны иметь соответствующую жесткость конфигурации, а строгая фиксация в форме должна быть учтена при дизайне детали, потому что динамическое напряжение действует на детали во время процесса вибрационной сварки. Далее в этом процессе важно обеспечить вокруг всей детали фланцевое крепление, чтобы на всей площади сварки поддерживалось одинаковое давление (см. рис. 7). Это происходит вследствие того, что без надлежащего крепления - внутри ребрами или вовне особенностями крепления - стенки могут отогнуться, что уменьшит возвратно-поступательное движение поверхностей стыка.
Особые меры осторожности следует принять для того, чтобы вибрации передавались от зажима к детали с минимальной потерей мощности. Такая потеря может происходить из-за слишком большого зазора в зажиме или из-за того, что деталь закреплена слишком далеко от места стыка. Крепежные формы обеспечивают фиксацию соединяемых деталей, а также передачу соединяющих сил и вибрации. В зависимости от массы используемой формы, необходима определенная коррекция веса или частоты. Следует учитывать максимально допустимый вес формы. В зависимости от конкретного действия, могут быть установлены формы со скользящими частями для крепления стенок деталей или для компенсации их допусков. При необходимости, для того, чтобы справиться с трудными видами отлитых деталей, могут быть использованы разделенные формы.
Рис. 7: Передача амплитуды - Увеличение жесткости конструкции, соединение посредством трения или силы между формой и деталями
Схема соединения Первый шаг состоит в том, чтобы выбрать подходящий стык, дающий нужные значения прочности и плотности. На этом этапе подготовки следует решить, уловители выплесков необходимы или чтобы закрыть, или скрасть место соединения.
Рис. 8: Схемы соединения для вибрационной сварки В зависимости от требований, предъявляемых к деталям, можно выбрать различные схемы соединения (см. рис. 8). Для деталей, внешний вид которых не важен, предпочтительнее использовать простой шов встык, благодаря чему извлекаемый материал будет виден с обеих сторон. Во время операций сварки определенное количество выплесков возникает с обеих сторон стыка. В некоторых случаях этого нужно избегать по эстетическим причинам или потому, что это может быть источником проблем для внутренних механических деталей. В таких случаях соединения должны быть снабжены уловителями выплесков с соответствующими местами захвата.
Чтобы передать вибрации области соединения с минимальными потерями, пластмассовая деталь должна прочно удерживаться в зажиме. Часто желательно снабдить место стыка 6 или 8 двигающимися ребрами жесткости, особенно для тонкостенных сосудов из мягких материалов. Типичная схема соединения внешнего уловителя выплесков с двигающимися ребрами, расположенными непосредственно на плече, показана на рис. 9. Это соединение успешно используется при вибрационной сварке впускных коллекторов с частотой до 240 Гц с амплитудой 1,4 мм.
Рис. 9: Типичная схема соединения для впускных коллекторов: b - ширина бруска; s - глубина проникания; x - ширина вибрации; (2 x амплитуда) Материал и факторы влияния, связанные с технологией Технология вибрационной сварки применима к большинству полимеров, как аморфных, так и полукристаллических, экструдированным, выдувным, термоформованным или отштампованным. Технология гласит, что такой метод сварки особенно применим кристаллических термопластов, таких как ацетали, полиэтилен, полиамид и полипропилен, которые плохо поддаются ультразвуковой сварке. Хороших результатов сварки можно достичь лишь с деталями, которые были изготовлены в соответствии с техническими спецификациями, действительными для данного материала. Особое внимание следует уделить тому, чтобы детали имели низкое внутреннее напряжение, хорошую сбалансированность веса и стабильные размеры. Кроме того, следует принять меры по предотвращению отклонений от предыдущего производства.
При выборе условий сварки следует принять во внимание вязкость расплава. Здесь решающее значение имеют параметры сварки. В случае легко текучих пластмасс, расплав более легко вытесняется из зоны соединения, чем в случае с материалами с вязким расплавом. При переработке материала с добавлением вторичного сырья, необходимо проверить, какое количество можно добавить к основному материалу. Конкретную степень влияния следует выяснить испытаниями. В случае прямой технологической цепочки производства деталей и их соединения - что означает сварку горячих деталей - можно получить следующие преимущества: чем короче время сварки, тем меньше коробление, меньше жесткость и, следовательно, лучшая компенсация допусков в слое стыка с более низким давлением.
Детали, которые поглощают влагу из воздуха, например, детали из полиамида, должны быть защищены от влаги или высушены перед сваркой. Во влажных деталях могут появиться пористость сварных зон с пониженной прочностью. Добавки, такие как краски, наполнители и армирующие материалы, антипирены, антистатики, эластификаторы, средства для улучшения переработки и т.д., могут влиять на поведение при сварке и прочность сварного шва. Степень влияния зависит от состава и качества добавленного материала и должна быть выяснена в процессе испытаний. Сварка различных видов пластмассы требует точного знания структуры и состава пластмассы. Пригодность для сварки и прочность сварного шва должна быть подтверждена испытаниями.
Таблица: Примеры несходных материалов, которые могут успешно свариваться с помощью вибрации