Як і чим проводять ультразвукове зварювання пластмас

Полімерні (відоміші як пластмасові або пластикові) конструкції сьогодні широко поширені в різних областях будівництва.

Матеріал відрізняється легкістю, міцністю та високими показниками довговічності. При цьому на відміну від металів не схильний до корозії. Ще один плюс використання пластмас – легкість монтажу.

У промисловості найбільшу популярність набула зварювання полімерів (і пластмас зокрема) ультразвуком. Далі ми розповімо про неї докладніше, не забувши вказати особливості, сильні сторони та технологію.

Ультразвукове зварювання простими словами

Ультразвукове зварювання – метод з’єднання полімерних конструкцій, що базується на генеруванні теплової енергії з механічних коливань. За допомогою спеціального апарату на пластмасову деталь спрямовується доза ультразвуку. У процесі обробки вона трансформується на теплову енергію і починає впливати на молекули матеріалу, змушуючи їх нагріватися.

Досягши певної температури, пластик плавиться і відбувається з’єднання частинок деталей, що стикаються. Далі конструкції дають час охолонути. У місці з’єднання деталей формується зварний шов.

Ми описали приблизний процес, який відбувається при зварюванні полімерів та пластмас ультразвуком. Розуміння основних умов процесу допоможе вам краще розібратися в особливостях роботи з пластмасами та зварювальним обладнанням.

Технічний опис ультразвукового зварювання

Тепер поговоримо про поєднання полімерних конструкцій докладніше. Більшість із нас слово «зварювання» асоціюється з електродами, які під впливом температури плавляться, заповнюючи простір між деталями.

У випадку ультразвукового зварювання все виглядає зовсім по-іншому. Насамперед, для роботи нам знадобиться тільки сам зварювальний апарат і елементи, що з’єднуються. Жодних додаткових витратних матеріалів (дріт, електроди) купувати не потрібно.

Головні елементи зварювального обладнання для роботи з полімерами – генератор та перетворювач. Перший створює ультразвукові хвилі, другий переводить їх у механічні. Додатково апарат оснащується хвилеводом. Його завдання – створити коливання перпендикулярно до майбутнього з’єднання, щоб направити ультразвук у потрібне місце.

У процесі перетворення енергій енергія ділиться на 2 види: статичну та динамічну. Перший тип створює механічний тиск перпендикулярно шву, роблячи його міцнішим. Динамічна енергія відповідає за нагрівання пластику до потрібної температури плавлення.

Ця технологія використовується переважно для з’єднання деталей одного матеріалу (полімеру). Однак її можна успішно застосовувати для зварювання конструкцій з різними температурами плавлення та навіть хімічними властивостями (наприклад, пластмаса та сталь). Головна умова – матеріал має витримати ультразвукову дію.

Налаштування зварювального апарату

Різноманітність типів полімерів, залежно від хімічного складу, змушує фахівців акуратно підходити до підбору параметрів зварювання. На великих промислових підприємствах попередньо вивчають представлені зразки пластмас та визначають їм оптимальні показники.

Враховується також тип шва. Завдання – визначити, за яких умов вийде найбільш якісне, міцне та герметичне з’єднання пластмас. За результатами досліджень зварювальникові дають точні дані таких параметрів:

• “час впливу ультразвуком для регулювання швидкості зварювання;”
• амплітуда коливань хвилеводу визначає загальний час створення зварного з’єднання та її міцність;
• статистичний тиск виводиться на підставі амплітуди і впливає на характеристики шва;
• динамічний тиск;
• частота електричних коливань;
• температура попереднього розігріву.

Крім хімічних властивостей матеріалу враховуються фізичні параметри деталей – форма, габарити та ін. У домашніх умовах подібну роботу провести неможливо.

Щоб уникнути серйозних помилок та не зіпсувати закуплені матеріали, фахівці рекомендують взяти кілька невеликих зразків та провести випробування на них. Так з мінімумом витрат ви зможете визначити потрібні режими, температуру плавлення та час дії.

Класифікація ультразвукового зварювання

Існує ряд критеріїв, за якими можна розділити ультразвукове зварювання на види та підвиди.

• За принципом управління:
  • ручна – зварювальник самостійно пересуває інструмент, задаючи напрямок;
  • механічна – за допомогою автоматичного обладнання задаються точні координати, якими має йти шов.
• За характером руху хвилеводу:
  • безперервна – швидкість хвилеводу не змінюється по всьому проміжку створення шва;
  • перерва – переміщення здійснюються з певними проміжками.
• За принципом подачі енергії:
  • одностороння – застосовується для з’єднання деталей із невеликою товщиною;
  • двостороння – передбачає додаткове охолодження та використовується при роботі з товстими елементами.

Залежно від товщини деталей, що з’єднуються, зварювання ультразвуком також можна розділити на контактну і передавальну.

У першому випадку йдеться про монтаж тонких конструкцій (товщина кожної деталі менше 2 мм). Для зварювання одну з них накладають на іншу внахлест і роблять шов загальною площею торкання.

Передавальне зварювання підходить для деталей, товщина яких становить понад 2 мм. Також без неї не обійтися у випадках, коли матеріал виробів має високі акустичні властивості. Під час зварювання механічні коливання діють точково.

При цьому енергія виділяється в такій кількості, щоб розплавити пластик у місці контакту та рівномірно розподілитися вздовж шва. Такий метод гарантує міцність та надійність з’єднання.

Плюси та мінуси ультразвукового зварювання

Щоб краще зрозуміти популярність з’єднання полімерних деталей за допомогою ультразвуку, потрібно розібратися у його перевагах та недоліках. Варто зазначити, що перших набагато більше:

• поєднання низької собівартості роботи з високим показником продуктивності;
• зварні шви відрізняються герметичністю, міцністю, надійністю та стійкістю до механічних навантажень незалежно від товщини деталей;
• скорочується час на підготовчі роботи, так як ультразвукове зварювання менш вимогливе до чистоти оброблюваної поверхні;
• спрямована дія хвилі не дає плавитися матеріалу за межами зварного з’єднання;
• “напруга впливає на поверхню деталей на деякій відстані, завдяки чому відсутня ефект радіоперешкод;”
• ультразвукове зварювання можна використовувати у промислових масштабах, вибираючи відповідний тип шва;
• метод доступний для матеріалів із різним хімічним складом;
• ультразвукове зварювання не вимагає особливих умов на робочому місці, крім одного – наявність електроенергії;
• “при правильному виборі режиму можна домогтися того, що зварювальний шов буде майже непомітний;”
• зварювальні роботи можна комбінувати з іншими технологічними процесами – різання, полімерне напилення тощо;
• весь процес абсолютно безпечний для зварювальника, тому що немає необхідності у використанні шкідливих речовин (розчинник, клей);

Недоліки у зварювання пластмас ультразвуком також є, але їх зовсім небагато.

1. Зварний шов неможливо перевірити на міцність та герметичність якимось єдиним методом. При нестачі досвіду та майстерності часто трапляються випадки неякісного з’єднання.
2. Генератор працює на малих потужностях. Через це найчастіше доводиться використовувати двосторонню подачу енергії.

Також варто розуміти, що всі плюси ультразвукового зварювання зводяться до нуля, якщо неправильно вибрано режим роботи. Сьогодні у продажу є моделі зварювальних апаратів із автоматичним визначником оптимального режиму.

Однак, якщо вам дістався простий апарат без такої зручної опції, рекомендуємо попередньо потренуватися на обрізках. При роботі з пластиковими трубами можете скористатися таблицею, наведеною нижче.

Параметри зварювання	Матеріал труб
	Поліетилен низької щільності	Поліетилен високої щільності	“Поліпропілен”
Температура нагріву інструменту (град Цельсія)	220±10	200±10
Тиск у стику при нагріванні торців труб (МПа)	0,02-0,05		0,04-0,08
“Час нагрівання (сек) при товщині стінок труби (мм)”
4 6 8 “10” 12 14 16	35 50 70 85 100 120 160	50 70 90 110 130 160 180	60 80 90 100 150 180 230
Тиск опади (МПа)	0,1-0,2	0,2-0,3
Час охолодження шва під тиском (хв) при товщині стінки труби (мм)
4-6 7-12 14-16	3-4 5-8 10-15	3-5 6-9 10-15	3-5 6-10 12-16

Зазначені значення часу нагріву дійсні при температурі навколишнього середовища щонайменше 20 градусів Цельсія.

Необхідне обладнання

Для зварювання ультразвуком вам знадобиться спеціальне обладнання. Якщо ви не плануєте займатися поєднанням пластикових деталей на постійно основі, рекомендуємо взяти все необхідне в оренду.

Для роботи у промислових масштабах без якісного інструменту не обійтися. І тут краще заздалегідь ознайомитися з його складовими.

Генератор. Випромінює коливання, які надалі перетворюються на енергію. За допомогою налаштувань можна регулювати їх швидкість та спосіб передачі ультразвукових хвиль. Перетворювач. Буває кількох видів, але найбільшої популярності набули магнітострикційні та п’єзокерамічні. Апарат перетворює ультразвук на механічну енергію. Працює разом із генератором.

Обов’язковою є наявність двостороннього підведення електроенергії. Щоб апарат не перегрівався, необхідно забезпечити систему охолодження (зазвичай використовується повітряна або водяна).

“Трансформатор пружних коливань. Пристрій є посередником між хвилеводом і перетворювачем, узгоджуючи їх дії. Також з його допомогою можна регулювати амплітуду коливань з торця хвилеводу. Ця частина зварювального апарата служить для фіксування пластикових елементів. При необхідності можна використовувати її як ще один хвилевід.”

Як ми вже говорили, деякі моделі мають можливість автоматично вибирати режим зварювання та регулювати інші важливі параметри. Такі апарати дозволяють створювати максимально точні та якісні з’єднання. Також можна знайти пристрій, на якому ті ж дії виконуються вручну. Але в цьому випадку потрібно бути дуже уважним при встановленні параметрів.

Ультразвуковий метод зварювання – найсучасніший надійний спосіб з’єднання пластикових деталей. При дотриманні технології та достатньому досвіді майстра можна отримати кріплення, якість яких на порядок вища, ніж за інших способів. Найчастіше професійні зварювальники можуть провести технологічний процес навіть без попередньої роботи дослідницької лабораторії.

Діючи інтуїтивно, вони легко встановлюють потрібний режим та інші параметри. Початківцям ми не радимо діяти в такий спосіб, особливо на важливих ділянках. Краще набратися досвіду та заручитися підтримкою більш обізнаних майстрів.