Патент на изобретение №2240917

(54) СПОСОБ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СВАРКИ ПЛАСТМАСС

(57) Реферат:

Изобретение относится к области ультразвуковой сварки термопластов и может быть использовано при соединении синтетических тканых лент (ремней безопасности), искусственных кож, звукоизолирующих синтетических тканых матрасов с синтетической нетканой набивкой, при соединении твердых термопластов, особенно при большой продолжительности процесса сварки. Способ включает укладку свариваемых деталей между волноводом и опорой, сжатие этих деталей, включение сварочного давления заданной величины и ультразвуковых колебаний волновода с заданной величиной амплитуды и частоты колебаний рабочего торца и заданным временем прохождения этих колебаний, регистрацию времени прохождения ультразвуковых колебаний, амплитуды, частоты и сварочного давления. Одновременно с включением ультразвуковых колебаний заданное время прохождения этих колебаний постоянно заменяют расчетным, определенным в зависимости от мгновенных значений регистрируемых параметров режима сварки по формуле

где t_МГН – расчетное время прохождения ультразвуковых колебаний, соответствующее мгновенным значениям параметров режима сварки; t₀ – заданное время прохождения ультразвуковых колебаний, соответствующее заданным параметрам режима сварки; f₀ -заданная частота ультразвуковых колебаний; A₀ – заданная амплитуда ультразвуковых колебаний; Р₀ – заданное сварочное давление; Р_К – давление, при котором возникает акустический контакт, обеспечивающий возможность сварки, определяется экспериментально, f_мгн – мгновенное значение частоты ультразвуковых колебаний; А_мгн – мгновенное значение амплитуды ультразвуковых колебаний; Р_мгн – мгновенное значение сварочного давления. Расчетное время прохождения ультразвуковых колебаний сравнивают с текущим временем и при достижении равенства текущего времени с расчетным выключают ультразвуковые колебания. Затем выключают давление и поднимают сварочную головку. Изобретение позволяет повысить стабильность качества сварных соединений. 1 табл.

Изобретение относится к области ультразвуковой сварки термопластов и может быть использовано при соединении синтетических тканых лент (ремней безопасности), искусственных кож, звукоизолирующих синтетических тканых матрасов с синтетической нетканой набивкой; при соединении твердых термопластов, особенно при большой продолжительности процесса сварки.

Известные способы ультразвуковой сварки пластмасс включают в себя: укладку между волноводом и опорой свариваемых деталей, сжатие этих деталей волноводом и опорой статическим давлением, включение ультразвуковых колебаний волновода, регистрацию времени прохождения колебаний и при достижении этого времени заданной величины выключение ультразвуковых колебаний и сварочного давления [см. С.С. Волков, Б.Я. Черняк: Сварка пластмасс ультразвуком. М.: Химия, 1986, – 256 с., стр. 80-147].

Известны также способы ультразвуковой сварки пластмасс, в которых после включения ультразвуковых колебаний регистрируют величину деформирования зоны сварки (осады), скорость или ускорение этого деформирования и при достижении указанных (кинематических) характеристик заданных параметров производят отключение ультразвуковых колебаний. [см. С.С. Волков, Б.Я. Черняк: Сварка пластмасс ультразвуком. М.: Химия, 1986, – 256 с., стр. 30-32].

Наиболее близкими по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ ультразвуковой сварки пластмасс, включающий в себя: укладку свариваемых деталей между волноводом и опорой, сжатие этих деталей волноводом и опорой статическим давлением, включение ультразвуковых колебаний волновода, регистрацию времени прохождения колебаний и при достижении этим временем заданной величины выключение ультразвуковых колебаний и сварочного давления [см. С.С. Волков, Б.Я. Черняк: Сварка пластмасс ультразвуком. М.: Химия, 1986, – 256 с., стр. 123-125], принятый за прототип.

К причине, препятствующей достижению указанного ниже технического результата при использовании прототипа, относится нестабильность качества сварного соединения, обусловленная нестабильностью параметров сварочного процесса, зависящих от внешних факторов. Так, частота и амплитуда ультразвуковых колебаний зависит от колебаний параметров в сети электрического тока, стабильности работы ультразвукового генератора, стабильности давления охлаждающей воды в магнитострикционном преобразователе (сварочной головке). Колебания в сети питания пневмопривода приводят к изменениям величины сварочного давления, т.е. давления, действующего с момента включения и до момента выключения ультразвуковых колебаний.

Кроме того, в процессе сварки при появлении на границе свариваемых деталей расплава резко изменяются амплитуда и частота колебаний волновода. Амплитуда и частота колебаний волновода, а также сварочное (статическое) давление являются давно известными параметрами оборудования, определяющими процесс ультразвуковой сварки пластмасс и собственно качество сварных соединений. Стабилизация этих параметров практически невозможна из-за высокой инертности подстроек генератора и пневмосети. Нестабильность параметров процесса сварки приводит к нестабильности качества сварного соединения.

Техническим результатом изобретения является повышение стабильности качества сварных соединений.

Указанный технический результат достигается тем, что способ ультразвуковой сварки пластмасс включает в себя укладку свариваемых деталей между волноводом и опорой, сжатие этих деталей, включение сварочного давления заданной величины и ультразвуковых колебаний волновода с заданной величиной амплитуды и частоты колебаний рабочего торца и заданным временем прохождения этих колебаний, регистрацию времени прохождения ультразвуковых колебаний и значения амплитуды и частоты ультразвуковых колебаний и сварочного давления.

Отличием предлагаемого способа является то, что одновременно с включением ультразвуковых колебаний заданное время прохождения этих колебаний постоянно заменяют расчетным, определенным в зависимости от мгновенных значений регистрируемых параметров режима сварки по формуле

где t_мгн – расчетное время прохождения ультразвуковых колебаний, соответствующее мгновенным значениям параметров режима сварки;

t₀ – заданное время прохождения ультразвуковых колебаний, соответствующее заданным параметрам режима сварки;

f₀ – заданная частота ультразвуковых колебаний;

A₀ – заданная амплитуда ультразвуковых колебаний;

P₀ – заданное сварочное давление;

P_К – давление, при котором возникает акустический контакт, обеспечивающий возможность сварки, определяется экспериментально;

f_мгн – мгновенное значение частоты ультразвуковых колебаний;

А_мгн – мгновенное значение амплитуды ультразвуковых колебаний;

P_мгн – мгновенное значение сварочного давления,

сравнивают его с текущим временем прохождения ультразвуковых колебаний и при достижении равенства текущего времени с расчетным выключают ультразвуковые колебания.

При ультразвуковой сварке термопластов качество сварки определяется количеством вводимой в сварное соединение механической энергии, преобразуемой в тепловую. Интенсивность вводимой механической энергии зависит от параметров режима сварки, а именно: амплитуды и частоты ультразвуковых колебаний и сварочного давления.

Очевидно, что величина параметров режима определяет степень интенсивности процесса. При постоянном количестве энергии между интенсивностью и временем воздействия существует обратно пропорциональная зависимость: чем интенсивнее ввод энергии, тем меньше должно быть время ее ввода, и наоборот.

В предлагаемом изобретении заданное время, соответствующее заданным параметрам процесса сварки, заменяется расчетным временем, определенным в зависимости от мгновенных значений параметров сварки, т.е. мгновенное изменение параметров режима, компенсируется соответствующим изменением заданного времени прохождения ультразвуковых колебаний, что обеспечивает ввод в сварное соединение постоянного количества механической энергии, что, в свою очередь, обеспечивает постоянство (стабильность) качества сварного соединения, т.е. поставленную цель.

Способ осуществляют на ультразвуковой прессовой установке с пневмоприводом от пневмосети 0,5 МПа, с ультразвуковым генератором УЗГ-4М и сварочной головкой МПС 15А – 18. Регистрацию мгновенных значений частоты f_зад, амплитуды А_зад, сварочного давления Р_зад вели при помощи соответственно: электронного частотомера Ф5311, индуктивного датчика типа 992АА30АР – НД, датчика давления ДДИ-20. Управление установкой осуществляли системой управления на базе персонального компьютера процессором Intel-Celeron – 433 MГц и оперативной памятью 64 Mбайт. В систему управления включается также адаптер NVL 15 (НВЛ 15), который обеспечивает преобразование сигналов с датчиков в цифровой код для ввода в компьютер и формирование сигналов управления с компьютера на сварочную установку. Перед началом работы в компьютер вводились заданные значения: частоты f₀, амплитуды А₀, сварочного давления Р₀, давления контакта Р_К и времени прохождения ультразвуковых колебаний. Кроме того, в компьютер были введены тарировочные коэффициенты, значение давления сжатия – в нашем случае оно поднималось от нуля до заданного значения сварочного давления. В компьютер вводилась программа с учетом предлагаемой формулы изобретения. Для сварки и варьирования амплитуды использовались ножевые ступенчатые волноводы с разным коэффициентом усиления.

Осуществление способа проводки при сварке капроновых лент ЛТК 50-1500, используемых в качестве авиационных привозных ремней для военного десанта и крепления десантируемого груза.

Способ осуществлялся следующим образом: между волноводом и опорой укладывался свариваемый образец (лента ЛТК 50-1500, уложенная внахлест с образованием петли). Компьютер после введения в него заданных параметров производил вычисления t₀× f₀× А²₀× (Р₀-Р_К) и результаты этого вычисления направлял в один из элементов задания. Оператор включал “пуск”, в верхнюю камеру пневмоцилиндра подавалось давление, величина которого поднималась до Р₀, и регистрировалось датчиком давления, затем включались ультразвуковые колебания с заданными значениями f₀ и А₀, одновременно с этими датчиками частоты и амплитуды начали регистрировать соответствующие значения и f_мгн и А_мгн, также одновременно включался таймер текущего времени прохождения ультразвуковых колебаний, сигнал с которого поступал в нуль-орган или элемент сравнения, сюда же поступал сигнал с элемента задания времени t₀. В элемент вычислений поступала информация с датчиков о мгновенных значениях частоты f_мгн, амплитуды А_мгн, давления Р_мгн, а также с элемента задания t₀× f₀× A²₀× (Р₀-Р_K). В элементе вычислений определялось время t_мгн по формуле

Сигнал мгновенного значения t_МГН из элемента вычислений поступает в элемент задания t₀, где t₀ заменялось t_мгн, фактически становясь заданным временем, значение которого мгновенно заменяются следующим значением t_мгн, соответствующего мгновенным значениям частоты, амплитуды и сварочного давления. Поскольку сигнал из элемента задания постоянно поступает в элемент сравнения (нуль-орган), то при равенстве текущего времени прохождения значению t_МГН, находящегося в элементе задания времени, из элемента сравнения поступает сигнал на вычисление ультразвуковых колебаний. Сигнал из системы управления поступает на генератор, и колебания отключаются. Затем подается сигнал на электропневмоклапаны пневмопривода, и сварочная головка поднимается. Сварочный цикл заканчивается, и сварной образец снимают.

Для сравнения проводили сварку 50-ти образцов по предлагаемому способу и известному способу на одной и той же установке с управлением по разным программам, но на одних и тех же режимах. Результаты испытаний и их статистическая обработка приведены в таблице.

Предлагаемый способ обеспечивает повышение стабильности качества, особенно при длительных процессах, когда возможны отклонения значений параметров процессов от заданных.

Формула изобретения

Способ ультразвуковой сварки пластмасс, включающий в себя укладку свариваемых деталей между волноводом и опорой, сжатие этих деталей, включение сварочного давления заданной величины и ультразвуковых колебаний волновода с заданной величиной амплитуды и частоты колебаний рабочего торца и заданным временем прохождения этих колебаний, регистрацию времени прохождения ультразвуковых колебаний и значения амплитуды и частоты ультразвуковых колебаний и сварочного давления, отличающийся тем, что одновременно с включением ультразвуковых колебаний заданное время прохождения этих колебаний постоянно заменяют расчетным, определенным в зависимости от мгновенных значений регистрируемых параметров режима сварки по формуле

где t_МГН – расчетное время прохождения ультразвуковых колебаний, соответствующее мгновенным значениям параметров режима сварки;

t₀ – заданное время прохождения ультразвуковых колебаний, соответствующее заданным параметрам режима сварки;

f₀ – заданная частота ультразвуковых колебаний;

А₀ – заданная амплитуда ультразвуковых колебаний;

Р₀ – заданное сварочное давление;

Р_К – давление, при котором возникает акустический контакт, обеспечивающий возможность сварки, определяется экспериментально;

f_мгн – мгновенное значение частоты ультразвуковых колебаний;

А_мгн – мгновенное значение амплитуды ультразвуковых колебаний;

P_мгн – мгновенное значение сварочного давления,

сравнивают его с текущим временем прохождения ультразвуковых колебаний и при достижении равенства текущего времени с расчетным выключают ультразвуковые колебания, затем давление и поднимают сварочную головку.