Способ ультрозвуковой сварки полимерных пленок

(19) (11) 0; ЕН Яс(1 5 фут т И . о т л и ч а юнапряжение сжатиянимают с величины до нуля в тече половине времени в п ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ ИСАНИЕ ИЗ АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Омский политехнический институ(54)(57) 1. СПОСОБ УЛЬТРАЗВУКОВОЙСВАРКИ ПОЛИМЕР 1 ЫХ ПЛЕНОК, включащийвведение ультразвуковых колебаний и.одновременное сдавливание соединяемыоверхностей пленок, о т л и ч а ю 159 В 29 С 65/08 // В 29 В 29 К 101:00 щ и й с я тем, что, с целью повышения прочности сварного соединения, одновременно с введением ультразвуковых колебаний и сдавливанием соединяемых поверхностей сжимают пленки в околошовной зоне на участках, равных ширине шва, причем напряжение сжатия в околошовной зоне сначала уменьшают от величины сварочного давления до нуля, затем резко поднимают до величи ны, равной 1,05-1,15 величины сварочного давления, и сохраняют его до кон ца сварки.2. Способ по п. 1 щ и й с я тем, чтооколошовной зоне с сварочного давления ние периода, равного сварки.Изобретение относится к сварке пластмасс, а именно к ультразвуковой сварке полимерных пленок, например полиэтиленовой, полипропиленовой, полиэтилентерефталатной, а также комби нированных пленок, и может найти применение в машиностроительной, легкой, химической и др, отраслях промышленности.Известен способ контактно-тепловои" 1 О сварки термопластичных материалов, включающий нагрев соединяемых поверхностей и приложение давления не только в месте сварки, но и в близлежащей зоне охладительными элементами или изоляционными пластинами, предотвращая нагрев околошовной зоны 11 .Недостатком способа является то, что давление в околошовной зоне приложено одновременно и равно значению О сварочного давления в течение всего периода сварки, вследствие чего поверхностные дефекты, загрязнения, газовые пузыри не вытесняются из зоны сварки, а остаются в шве. Это при водит к снижению прочностных показателей сварочного соединения.Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является способ ультразвуковой ЗО сварки полимерных пленок, включающий введение ультразвуковых колебаний и одновременное сдавливание соединяемых поверхностей пленок 2 .Недостатком известного способа З 5 является то, что отсутствие давления в зоне вокруг шва нри сварке тонких мягких эластичных моно- и многослойных полимерных пленок приводит к чрезмерному и неуправляемому течению 40 расплавленного полимера в околошовную зону, что отрицательно сказывается на прочности сварных соединений.Цель изобретения - повышенно прочности сварного соединения, 45Указанная цель достигается тем, что согласно способу ультразвуковой сварки полимерных пленок, включающему введение ультразвуковых колебаний и одновременное сдавливание сое диняемых поверхностей пленок, одновременно с введением ультразвуковых колебаний и сдавливанием соединяемых поверхностей сжимают пленки в околошовной зоне, на участках, равных ши рине шва, причем напряжение сжатия в околошовной зоне сначала уменьшают от величины сварочного давления до нуля, затем резко поднимают до величины, равной 1,05-1,15 величины сварочного давления, и сохраняют егодо конца сварки.Напряжение сжатия в околошовнойзоне снижают с величины сварочногодавления до нуля в течение периодаравного половине времени сварки.Изменение напряжений сжатия в зоне вокруг шва обеспечивает оптимальные условия теплообразования и регулируемого течения полимера из рабочей (сварочной) зоны эа ее пределы.При этом в первый рабочий цикл с,происходит подогрев контактирующихмежду собой приграничных слоев полимера, в которые входят и поверхностные дефекты - инородные включения,жировые пленки, воздушные прослойки и т.д.При постепенном снятии напряженийсжатия в. зоне вокруг шва доведенныедо вязкотекучего состояния граничныеконтактирующие между собой слои-объемы полимера под действием сварочногодавления начинают вытесняться из рабочей в околошовную зону, транспортируя вместе с собой и поверхностныедефекты. Вследствие малой дозы энергии ультразвуковых колебаний объемыполимера, вытесненные из сварочной(рабочей) зоны, не перегреты и недеструцированы.лВо втором цикле с процесса сваркивокруг сварного шва создаются напряжения сжатия, значения которых составляют 1,05-1,15 от сварочного давления (Р ) . Этим самым течение расплава полимера из рабочей зоны исключается и обеспечиваются условия протекания процессов взанмодиффузии и перемешивании микрообъемов расплава полимера между очищенными свариваемымиповерхностями полимерных пленок поддействием ультразвуковых колебаний,Все это приводит к повышению прочности сварных соединений, во-первых, путем устранения в процессе сварки чрезмерной и неуправляемой деформациисварного.шва и, во-вторых, путем обеспечения оптимальных условий протекания диффузионных процессов и перемешивания микрообъемов расплава полимера в зоне сварки,На фиг. 1 - 3 изображена постадийно схема процесса ультразвуковой сварки полимерных пленок; на фиг. 4 - циклограмма процесса сварки.Способ ультразвуковой сварки полимерных пленок осуществляется следующим образом.Свариваемые моно- или многослойные пленки 1 располагают между опорой 2 и сварочным устройством - инсгрументом 3 и парой прижимов 4, находящихся с обеих сторон рабочего инструмента и обеспечивающих напряжения сжатия в околошовной зоне. 10При этом ультразвуковой сварочный инструмент 3 и прижимы 4 создаот равное по величине сварочное давление в околошовной зоне, т.е. Р =Рг . Одновременно со сдавливанием включают 15 ультразвуковые колебания, и на первой .,стадии происходит процесс разогрева контактирующих между собой поверхностных слоев свариваемых пленок. Посте- ценное снижение напряжения сжатия в 20 зоне вокруг шва со значения Ров до 0 с длительностью ь 1 обеспечивает условия локального разогрева объемов полимера в сварочной зоне до вязкотекучего состояния в начальный момент 25 стадии и упорядоченного, управляемого транспортирования (вытеснения) этих объемов полимера из рабочей сварочной зоны за ее пределы,при этом вместе с расплавленным полимером вытесняются ЗО и различные дефекты. Времени ь достаточно для разогрева. и вытеснения макрообъемов полимера и образования двух валиков вытесненного полимера в периферийной зоне. На второй стадии в зо-.35 не около шва создается напряжение сжатия в полимере, значение которого составляет 1,05-1,15 от сварочного давления (Р )Это необходимо для того, чтобы устранять возможность теО чения полимера из рабочей (сварочной) зоны и обеспечить условия для активного протекания диффузионных процессов и перемешивания макрообъемов расплава, протекающих в сварочной зоне 45 под действием ультразвуковых колебаний, Такое значение напряжения в зоне вокруг шва сохраняется до конца процесса сварки, причем сварочное давление неизменно.в течение всех стадий процесса сварки.По окончании процесса сварки отключают ультразвуковые колебания, сварочное давление и в зоне вокруг шва снимаот и производят подъем сва 55 рочного устройства.Ширина зоны с напряжениями сжатия полимера вокруг шва с каждой стороны рабочего инструмента имеет величину, необходимую и достаточную для обеспечения надежного "замыкания" объема полимера в сварочной зоне, доведенного до вяэкотекучего состояния, и имеют значение, равное ширине шва.Пределы значений давления в околошовной зоне (Ро ) выбираются следующим образом.При значениях давления Р меньпр ше 1,05 Р,в на второй стадии сжатия околошовной эоны не обеспечиваются условия удержания объема полимера в рабочей (сварочной) зоне, вследствие чего полимер, доведенный в процессе обработки ультразвуковыми колебаниями до вязкотекучего состояния, начинает под воздействием сварочного давления вытесняться из зоны сварки, что приводит к чрезмерной деформации сварного шва и снижению его прочности.Значения давления Рг больше 1,15 Р, приводит к чрезмерной деформации в околошовной зоне и вытеснению "холодного" полимера в боковые области сварочной зоны, приводящие к деформации свариваемых поверхностей в сварочной зоне, вследствие чего ухудшается акустический контакт между свариваемыми поверхностями, что ухудшает условия сварки и снижает прочность сварного соединения.Одновременно сваривают контрольные образцы по известной схеме, при этом прочность сварных соединений составляет 60-653 от основного материала.П р и м е р 1. Производят ультразвуковую сварку полимерной плевки - ,сополимера полиэтилена с полипропи-. деном (СЭП), толщиной Я" 100".150 мкм по схеме прессовой сварки со следующими технологическими параметрами: частота ультразвуковых колебаний 1=40 кГц; амплитуда колебаний рабочего торца инструмента А"25 мкм; сварочное давление Р =сопзС=1,0 МПа; общее время сварки С, =0,5 с, при этом: время первой стадии , =0,25 с; время второй стадии 2 =0,25 с; давление в околошовной зоне Рг в первой стадии изменяется от Р =1,0 МПа до 0; давление в околошовной зоне Рг во второй стадии постоянно и составляет: 1 ф 05 Рср 1 ф 15 Рсв ф г е 1 э 05 1,15 МПа, при этомРп бвгде о - напряжение сжатия в материале; 8 - площадь прижима. Прочность сварных соединений составляет 80-857 от основного материа ла,управление стадиями процесса сварки осуществляется электронным блоком,рабочее давление в сварочной и околошовной зоне обеспечивается комбиниро Ованной пружинно-электромагнитной системой (не показана).П р и м е р 2, Производят ультразвуковую сварку многослойной полимерной пленки - полиэтилен+полиэтилентерефталат+полиэтилен, с суммарнойтолщиной б =80 мкм (20 ПЭ+40 ПЭТф+20 ПЭ)по полиэтилентерефталатному слою спараметрами процесса сварки: частотаультразвуковых колебаний 1=40 кГц; 20амплитуда колебаний рабочего торцаинструмента А=25-30 мкм; сварочноедавление Р =сопят=2,0-2,2 МПа; времясварки (суммарное)ь и =0,7 с, приэтом: время первой стадии ь, =0,35 с;время второй стадии=0,35 с; давление в околошовной зоне Рр в первойстадии изменяется с 2,2 МПа до 0;давление в околошовной зоне Р вовторой стадии постоянно и составляет 301,05-1,15 Рсп, т.е. Р =2,3-2,4 МПа,Прочность сварных соединений, полученных предлагаемым способом, находится в пределах 70-757. от основногоматериала. 35Длительность стадии процесса сварки определяется из условий максимальной прочности сварных соединений иобъясняется следующим. образом: призначениях времени по примеру 1 не 40обеспечивается полное очищение свари- .ваемых плоскостей от поверхностныхдефектов, которые, оставаясь в шве,приводят к снижению его прочности.При значениях времени меньше 0,35 с 45(в примере 2) не происходит полного удаления полиэтиленовых слоев из зоны сварки. В результате этого в процессе сварки по полиэтилентерефталатному слою, температура вязкотекучего состояния которого вьппе (260 С), чемоополиэтилена (140.С), последний, оставаясь в сварочной зоне, деструцирует, что приводит к снижению прочности сварного соединения.Длительность первого периода 2, вьше указанных значений приводит к повышению деформации и в зоне шва.Длительность второй стадии ь, при которой протекают диффузионные процессы и перемешивание объемов расплава полимера, также необходима в оптимальных пределах. ЕсЛи величилна ь меньше половины времени сварки, то в этом случае не достаточно полно протекают диффузионные процессы, и прочность сварного соединения остается низкой, а если превышает, то имеет место перегрев и деструкция полимеров в зоне сварки; что также приводит к снижению прочности сварного соединения. Равенство стадий процесса о, = ь объясняется тем, что прил лэтих условиях обеспечивается максимальная прочностЬ сварных соединений. Прочность полученных сварных соединений составляет 80-857 от основного материала, что на 107 выше прочности швов, полученных по известной схеме. Кроме того, значительно повышается стабильность качества сварных соединений, при этом шов имеет удовлетворительный внешний вид - без утолщения в зоне шва и беспорядочных выплесков в околошовной зоне.Предлагаемый способ позволяет также увеличить срок службы иэделий за счет повьппения прочности сварных соединений.11"4104 Рса Рир Рпр Фиг.,у Нодии е т", 3.Ужгород, уд.Проектк Заказ 2591/13 Ти 1"