УСТРОЙСТВО ДЛЯ РУЧНОЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СВАРКИ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
APPARATUS FOR MANUAL ULTRASOUND WELDING OF POLYMER MATERIALS

Изобретение относится к области ультразвуковой сварки полимерных материалов и может быть использовано для ручной точечной сварки различных термопластичных материалов с помощью ультразвука.
Известны ручные устройства для ультразвуковой сварки полимерных материалов (ультразвуковые пистолеты), выполненные на базе как магнитострикционных, так и пьезопреобразователей [1, 2]. Устройства содержат ультразвуковую колебательную систему в сборе с ультразвуковым волноводом и магнитострикционным или пьезопреобразователем, корпус, рукоятку с кнопочным выключателем и крепежные элементы, обеспечивающие закрепление ультразвуковой колебательной системы. В основном в таких устройствах используются ультразвуковые волноводы ступенчатой формы.
Недостатком известных устройств является несовершенство их конструктивного исполнения, заключающегося в том, что использование в них ультразвуковых волноводов экспоненциальной, конической и катеноидальной формы приводит к увеличению габаритных размеров устройства и его веса.
Ультразвуковые волноводы рассчитываются как волновые или полуволновые резонансные системы с наличием у них узла «нулевого смещения», конструктивно выполняемого в виде буртика, за который и происходит его крепление в устройстве. Таким образом, для крепления экспоненциальных, конических и катеноидальных волноводов наружный диаметр этого буртика необходимо выполнять большим относительно диаметра входного торца волновода, соединенного с преобразователем. Это приводит к увеличению габаритных размеров устройства и его веса, что делает его некомфортным для длительного использования, например, в условиях массового производства.
Предлагаемое устройство лишено указанного недостатка. В предлагаемом устройстве для крепления ультразвуковых волноводов экспоненциальной, конической и катеноидальной формы за буртик «нулевого смещения» используется разрезная футорка, два фиксирующих кольца, одно из которых тоже выполнено разрезным, и накидная гайка. При этом, две половины разрезной футорки и разрезного фиксирующего кольца обхватывают буртик со стороны большего торца волновода, смыкаясь в цельную конструкцию, второе неразрезное фиксирующее кольцо устанавливается со стороны меньшего торца волновода и фиксирует буртик с другой стороны, затем накидная гайка накручивается на сомкнутую в цельную конструкцию футорку и затягивается, обеспечивая закрепление волновода.
Технический результат предлагаемого устройства для ручной ультразвуковой сварки полимерных материалов проявляется в возможности использования ультразвуковых волноводов экспоненциальной, конической и катеноидальной формы без увеличения габаритных размеров устройства и его веса.
Общий вид предлагаемого устройства представлен на фигуре 1, продольный разрез устройства на фигуре 2. Конструктивно устройство состоит из ультразвуковой колебательной системы в сборе, состоящей из ультразвукового волновода 1, соединенного с магнитострикционным преобразователем 2 с помощью припаянного к нему переходника 3. Крепление ультразвуковой колебательной системы осуществляется с помощью разрезной футорки 4, одного разрезного фиксирующего кольца 5, одного неразрезного фиксирующего кольца 6 и накидной гайки 7. Закрепленная ультразвуковая колебательная система устанавливается в корпус 8, путем ввинчивания в него футорки 4. На корпусе устройства смонтирован кнопочный переключатель 9, падающий сигнал в ультразвуковой генератор для подачи напряжения на обмотку 10 магнитострикционного преобразователя. Разъем 11, установленный в корпусе, служит для соединения устройства с ультразвуковым генератором с помощью электрического кабеля. Штуцер 12 служит для подвода сжатого воздуха для охлаждения магнитострикционного преобразователя, а также для охлаждения зоны сварки. Скобу 13, установленную в корпусе, при необходимости возможно использовать для размещения устройства на подвесном балансире непосредственно на производственном участке.
На фигуре 3 представлена схема, поясняющая принцип крепления ультразвуковой колебательной системы. Крепление осуществляется с помощью разрезной футорки 4, двух фиксирующих колец, одно из которых выполнено также разрезным и накидной гайки (на фигуре с целью упрощения восприятия фиксирующие кольца и накидная гайка не показаны). При этом, две половины разрезной футорки и разрезного фиксирующего кольца обхватывают буртик «нулевого смещения» ультразвукового волновода 1 со стороны его большего торца, смыкаясь в цельную конструкцию, второе неразрезное фиксирующее кольцо устанавливается со стороны его меньшего торца и фиксирует буртик с другой стороны, затем накидная гайка накручивается на сомкнутую в цельную конструкцию футорку с фиксирующими буртик кольцами и затягивается, обеспечивая закрепление волновода.
На фигуре 4 представлено фото ультразвуковой колебательной системы, закрепленной в футорке.
Принцип работы устройства.
Устройство ручной ультразвуковой сварки предназначено для осуществления процесса точечной сварки термопластичных полимерных материалов.
Процесс ультразвуковой сварки (УЗС) представляет собой сварку давлением (ГОСТ 2601-74), осуществляемую при воздействии продольных ультразвуковых колебаний рабочего торца сварочного инструмента. УЗС сопровождается повышением температуры в зоне сварки, деформированием и диффузией соединяемых материалов.
На обмотку возбуждения устройства от ультразвукового генератора подается напряжение, при этом в пакете магнитострикционного преобразователя создается переменный магнитный поток. Под воздействием этого потока пакет изменяет свои линейные размеры с частотой равной частоте переменного тока возбуждения. Таким образом, в пакете возникают продольные механические колебания, которые передаются волноводу и далее через его рабочий торец в зону сварки.
Сжатый воздух через штуцер попадает в полость корпуса, охлаждая обмотку возбуждения магнитострикционного преобразователя, а затем поступает, посредством каналов, в направлении зоны сварки отбрасывая загазованность и задымленность на значительные расстояния.
В процессе ультразвуковой сварки рабочий торец волновода колеблется и передает колебания через привариваемую пластмассу в зону контакта свариваемых пластмасс. В результате трения и деформирования взаимодействующих поверхностей пластмасс в контактной зоне повышается температура. Производительность и качество сварки регулируется величиной амплитуды колебаний рабочего торца волновода.
На фигуре 5 показан процесс использования устройства для ультразвуковой сварки.
Список использованных источников
1. Волков С.С. Сварка пластмасс ультразвуком / С.С. Волков, Б.Я. Черняк. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Химия, 1986. - 256 с.
2. Хмелев В.Н. Ультразвуковая сварка термопластичных материалов: монография / В.Н. Хмелев, А.Н. Сливин, А.Д. Абрамов, С.С. Хмелев. Алт. гос. техн. ун-т, БТИ. - Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2014 . - 281 с.