ПОЗИСТОРНЫЙ ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ СВАРКИ ТЕРМОПЛАСТОВ Российский патент 1997 года по МПК B29C65/18 

Изобретение относится к сварки пластмасс, а именно к соединению термопластичных полимерных материалов с использованием электрообогреваемого позистором сварочного инструмента на производстве и в домашнем хозяйстве.

Известен инструмент для сварки термопластов, содержащий металлический нажимной тепловод, закрепленный в рукояти вместе с нагревательным резистором, в виде металлической спирали, соединенной с кабелем питания, и оканчивающийся полозом по форме утюга небольших размеров с треугольной скользящей рабочей поверхности [1]
Однако, в известном инструменте имеет место сложность конструкции, медленный нагрев рабочей поверхности, так как нагревательный резистор работает в режиме установившейся температуры при заданном напряжении питания, а поскольку установившаяся температура невелика, чтобы не расплавить термопласт, ток должен быть небольшим, а также недостаточное качество шва, вызванное тем, что за кромкой полоза остается максимально нагретая часть пятна размягчения пленок, которая охлаждается без прижатия верхней пленки к нижней.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является инструмент для сварки термопластов, содержащий рукоятку, тепловод с полозом на конце, имеющий рабочую поверхность по форме сварного шва, носовую и кормовую части, и питающий кабель [2]
В известном устройстве тепловод прост, но крепление спирали сложно.

Короткий конец тепловода постоянного сечения ускоряет поступление тепла к рабочей поверхности, однако, наличие спирали замедляет нагрев рабочей поверхности.

Скос рабочей поверхности привел к тому, что корма полоза оказалась наиболее удаленной от спирали частью тепловода, а нос наиболее близкой, поэтому корма имеет несколько меньшую температуру, чем нос, а следовательно, пятно расплава имеет наибольшую температуру под серединой рабочей поверхности, а под кормой несколько меньшую, и когезионные силы за кормой несколько выше, что повышает прочность шва, но незначительно.

Техническим результатом изобретения является ускорение нагрева рабочей поверхности инструмента, упрощение конструкции и повышение прочности шва.

Для достижения технического результата в инструменте для сварки термопластов, содержащем рукоятку, тепловод с полозом на конце, имеющим рабочую поверхность по форме сварного шва, носовую и кормовую части, и питающий кабель, согласно изобретению, тепловод выполнен из твердого прочного позисторного материала, а полоз снабжен размещенными в носовой части электродами, образующими с расположенной между ними частью полоза совмещенный позистор.

Кроме того, электроды расположены по обе стороны носовой части полоза.

На рабочую поверхность полоза нанесено гладкое износостойкое теплопроводное носовое и кормовое покрытие с тепловым разрывом между ними, причем носовое покрытие и электроды расположены с зазором, превышающим длину электрического пробоя, а кормовое покрытие распространено на примыкающие к рабочей поверхности грани полоза.

Носовое покрытие соединено с проводом питающего кабеля.

Носовое покрытие разделено на две части продольным зазором, превышающим длину электрического пробоя, при этом части носового покрытия соединены с проводами питающего кабеля.

Позистор характерен тем, что ниже области температуры фазового перехода материала позистора (полупроводниковой керамики), его сопротивление мало (1 Ом), а в области температуры фазового перехода (+120 +140)^oC сопротивление возрастает на несколько порядков. Поэтому после включения позистор быстро нагревается большим током (до 120^oC), при этой температуре ток резко падает, поэтому позистор не перегревается. Крепление позистора существенно проще, чем крепление спирали. Сочетание быстрого нагрева и охлаждения пятна размягчения под хвостовиком полоза способствует повышению качества шва.

На фиг. 1 изображен позисторный инструмент для сварки термопластов, вид справа; на фиг. 2 то же, вид сзади; на фиг.3 и 4 полоз тепловода; на фиг.5 вид на инструмент снизу.

Позисторный инструмент для сварки термопластов (фиг.1 и 2) содержит рукоятку 1, с которой скреплен нажимной тепловод 2 из позисторного полупроводникового материала в виде пластинки из прочной твердой керамики, оканчивающейся полозом 3, имеющим носовую 4 и кормовую 5 части, с гладкой скользящей рабочей поверхностью 6, форма которой соответствует форме заданного сварного шва. На обеих сторонах носовой части 4 полоза 3 нанесены электроизолирующие слои 7л (левый) и 7п (правый) с окнами (не показано) у рабочей поверхности 6, а на них металлические покрытия, части которых на указанных окнах играют роль электродов 8л и 8п, образующих вместе с частью тепловода 2 совмещенный позистор, а остальные части служат электрическими подводами 9л и 9п к электродам 8л и 8п, соединенными с проводами 10 питающего кабеля 11, закрепленного в рукоятке 1. Изолирующий слой 7 из полимерного материала может быть нанесен различными способами: напылением, намазыванием (клеем) и т.д. Электроды 8 могут быть любыми: напыленными, толстопленочными, прижимными в виде жестких металлических пластин, прижатых пружинными подводами, закрепленными в рукоятке 1 (не показано) и т.д. В качестве тепловода 2 может быть использована заготовка для серийного отдельного позистора подходящего размера (до нанесения на неее электродов, покрывающих обе большие грани позистора) или готовый позистор, в этом случае его электроды должны быть удалены, кроме мест, соответствующих электродам 8 совмещенного позистора. На электроды 8 и подводы 9, в том числе прижимные, могут быть нанесены защитные покрытия, кроме мест контакта между ними (не показано). Эти покрытия, как и слои 7, являются также теплоизоляторами, поэтому они не наносятся на заднюю часть тепловода 2. Особенно целесообразны пружинные подводы при смежных тепловодах 2, которые могут иметь различные по форме полозы, соответствующие форме свариваемого шва. Если в тепловоде 2 заранее выполнен совмещенный позистор напылением металлических электродов, это даже дает преимущество, ибо уменьшает утечку по подводу. Если на тепловоде 2 нет электродов, то тепловой поток, нагревающий позистор возникает при контакте с тепловодом пружинных подводов. В этом случае необходимо большее пятно контакта под пружиненным подводом. Для этого может быть использована жесткая металлическая пластинка с лункой для фиксации конца пружиненного подвода консольного типа. Под пластинкой может быть легкоплавкий припой, хорошо смачивающий пластину, и желательно, тепловод 2. Однако, может быть использован пружинный подвод с широкой контактной площадкой, способной двигаться поступательно при прогибе подвода, например, в виде двухопорной балки. Нагрев мест контактов при прижимных электродах здесь не является недостатком, ибо суммируется с нагревом самого позистора. Все детали инструмента могут быть видоизменены в пределах формулы изобретения.

На фиг.3 показано отличие инструмента по п.3 формулы изобретения. Инструмент (фиг.1 и 2) наиболее подходит для применения в домашнем хозяйстве, где он используется не часто, поэтому его срок практически не ограничен при правильном обращении с ним. Однако, в серийном производстве при непрерывном использовании, например, в качестве узла сварочной машины, срок службы может оказаться недостаточным из-за износа рабочей поверхности 6, в том числе и случайными твердыми частицами. Поэтому на рабочей поверхности 6 выполнено гладкое износостойкое теплопроводное покрытие, состоящее из двух частей, носового 12 и кормового 13 покрытий. Эти покрытия могут быть многослойными непосредственно на рабочей поверхности 6 слой из металла с хорошей адгезией к поверхности 6, затем переходный слой, а наружный слой износостойкий. Носовое покрытие 12 начинается на носовом закруглении рабочей поверхности 6 и заканчивается напротив задней части стороны электрода 8. Между электродами 8 и носовым покрытием 12 должен быть зазор не менее длины электрического пробоя. Между носовым 12 и кормовым 13 покрытиями выполнен тепловой разрыв 14. Кормовое покрытие 13может быть распространено на прилегающие грани полоза 2.

На фиг.4 показано отличие инструмента по п.4 формулы изобретения. Носовое покрытие 12 соединено с проводом питания любым образом, например, выше носа покрытия 12 нанесен изолирующий слой 7н (носовой), а на него нанесено покрытие, служащее носовым подводом 9н, соединенное с проводом кабеля 11. В этом случае носовое покрытие 12 становится электродом, образуя совмещенный позистор, который может иметь конструктивные варианты. Заземленный провод от кабеля 11 целесообразно соединить с покрытием 12, а второй провод с электродом 8п, тогда получим призматический позистор, ибо его область имеет вид призмы (между электродами). Второй провод может быть соединен с электродами 8п и 8л, тогда получим угловой позистор, ибо линии тока в нем образуют угол, исходящий от покрытия 12. Каждый электрод 8л, 8н, 12 можно подсоединить к фазовому проводу трехфазной линии, получим 3-фазный позистор.

На фиг.5 показано отличие инструмента по п.5 формулы изобретения. Носовое покрытие 12 разделено продольным разрезом на левое 12л и правое 12п покрытия, к которым присоединены подводы 9нл и 9нп, нанесенные на электроизолирующий слой 7н описанным выше образом. Эти подводы целесообразно перевести с носовой грани тепловода 2 на боковые плоскости тепловода 2. Разрыв между покрытиями 12л и 12п, и между подводами 9нл и 9нп должен быть более длины электрического пробоя.

Инструмент (фиг.1 и 2) работает следующим образом.

При включении инструмента между электродами 8л и 8п возникают прямые линии тока, ток нагревает совмещенный позистор (краевые эффекты не принимали во внимание из-за их малости). Тепловой поток распространяется равномерно в плоскости тепловода 2 во все стороны, но с меньшей скоростью, чем в металлическом тепловоде, поэтому электроды 8 должны быть выполнены настолько близко к рабочей поверхности 6, насколько позволяет технология. Во время сварки рабочая поверхность 6 охлаждается набегающим свариваемым объектом, а в остальных направлениях распространению теплового потока препятствует тепловое сопротивление массы тепловода 2, покрытого к тому же слоями 7 и упомянутыми защитными покрытиями (последние препятствуют утечке тепла в воздухе с электродов 8 и подводов 9), поэтому основной поток направляется в свариваемые объекты, причем только с передней части рабочей поверхности 6. Задняя часть нагревается только теплом из пятна расплава,охлаждая его для повышения прочности сварного шва, ибо тепловод 2 имеет значительное тепловое сопротивление и непосредственно омывается воздухом, не имея слоя 7.

Отличия в работе инструмента, изображенного на фиг.3. Носовое покрытие 12 уменьшает сопротивление линий тока, проходящих поперек его, поэтому линии тока стягиваются к нему, области тепловода 2 между нижними краями электродов 8 и покрытием 12 нагреваются больше, от них нагревается покрытие 12, поэтому прогрев свариваемых объектов увеличивается, а их охлаждение под кромкой 5 - тоже, что повышает качество шва. Срок службы тепловода благодаря износостойкости покрытиям 12 и 13 увеличился. При движении полоза 3 придавленную носовым покрытием 12 часть свариваемого объекта, благодаря тепловому разрыву 14, перехватывает заостренная носовая часть кормового покрытия 13, поэтому поле удельного давления на объект сварки не прерывается под разрывом 14, что обеспечивает сохранение качества шва. Здесь (и далее) видно, как такой недостаток тепловода 2, как низкая теплопроводимость, превращается в преимущество благодаря приближению места источника тепла к рабочей поверхности 6 и использованию металлического кормового покрытия 13 для охлаждения пятна размягчения под кормой 5.

Отличия в работе инструмента на фиг.4. В призматическом позисторе линии тока стянуты к меньшей грани (воображаемой) призмы между смежными краями электродов 8п и 12, поэтому эта область очень быстро нагреется до температуры фазового перехода, линии тока отодвигаются к большей грани призмы, тепло распространяется до другого края покрытия 12, что позволяет вести сварку. В то же время от электродов 8п и 12 до температуры фазового перехода нагреваются прилегающие слои позистора, что ослабит ток в позисторе и он будет работать в режиме динамического теплового равновесия.

Угловой позистор можно представить как два призматических позистора, имеющих общее ребро по продольной линии симметрии покрытия 12, поэтому покрытие 12 будет нагреваться быстрее и симметрично, что улучшит качество шва.

В 3-фазном позисторе будет хорошо нагреваться вся область между электродами 7п, 7л и 12, поэтому оттока тепла от покрытия 12 не будет. Во всех случаях в таком инструменте место преобразования электричества в тепло приближено к рабочей поверхности 6, что благоприятно для использования инструмента.

Отличия в работе инструмента на фиг.5 изобретения. При включении линии тока идут между покрытиями 12л и 12п по рабочей поверхности 6, она быстро нагревается и тепло распространяется на наружные края покрытий 12л и 12п. При достижении температуры фазового перехода линии тока выгибаются вверх, нагревая внутренние слои полоза 3 и препятствуя утечке тепла по тепловоду 2. При охлаждении рабочей поверхности 6 за счет передачи тепла в свариваемые объекты, оно восполняется из внутренних слоев полоза 3 и восстановлением тока по рабочей поверхности 6 в зазоре между краями поверхностей 12л и 12п. В этом варианте источник тепла максимально приближен к свариваемым объектам.

Изобретение относится к области сварки пластмасс, а именно к соединению термопластичных материалов с использованием электрообогреваемого позистором сварочного инструмента на производстве и в быту. Сущность изобретения: в позисторном инструменте для сварки термопластов тепловод выполнен из твердого прочного позисторного материала. Полоз снабжен размещенными в его носовой части электродами, образующими с расположенной между ними частью полоза совмещенный позистор. Кроме того, электроды расположены по обе стороны носовой части полоза. На рабочей поверхности полоза нанесено гладкое износостойкое теплопроводное носовое и кормовое покрытие с тепловым разрывом между ними. Носовое покрытие и электроды расположены с зазором, превышающим длину электрического пробоя. Кормовое покрытие распространено на примыкающие к рабочей поверхности грани полоза. Носовое покрытие соединено с проводом питающего кабеля. Носовое покрытие разделено на две части продольным зазором, превышающим длину электрического пробоя. При этом части носового покрытия соединены с проводами питающего кабеля. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Позисторный инструмент для сварки термопластов, содержащий рукоятку, тепловод с полозом на конце, имеющим рабочую поверхность по форме сварного шва, носовую и кормовую части, и питающий кабель, отличающийся тем, что тепловод выполнен из твердого прочного позисторного материала, а полоз снабжен размещенными в его носовой части электродами, образующими с расположенной между ними частью полоза совмещенный позистор. 2. Инструмент по п.1, отличающийся тем, что электроды расположены по обе стороны носовой части полоза. 3. Инструмент по пп.1 и 2, отличающийся тем, что на рабочей поверхности полоза нанесено гладкое износостойкое теплопроводное носовое и кормовое покрытие с тепловым разрывом между ними, причем носовое покрытие и электроды расположены с зазором, превышающим длину электрического пробоя, а кормовое покрытие распространено на примыкающие к рабочей поверхности грани полоза. 4. Инструмент по пп.1 3, отличающийся тем, что носовое покрытие соединено с проводом питающего кабеля. 5. Инструмент по пп.1 и 3, отличающийся тем, что носовое покрытие разделено на две части продольным зазором, превышающим длину электрического пробоя, при этом части носового покрытия соединены с проводами питающего кабеля.