Способ ультразвуковой сварки термопластичных материалов и устройство для его осуществления Советский патент 1993 года по МПК B29C65/08 

Изобретение относится к сварке пластмасс и может найти применение при ультра- звуковой сварке термопластичных материалов точечными швами.

Известен способ ультразвуковой сварки, включающий подачу материала в зону сварки, формирование и подачу ультразвукового импульса, формование сварного шва, Для осуществления известного способа служит устройство для ультразвуковой .сварки, содержащее главный вал с механизмом привода опоры, ультразвуковой генератор с блоками образования ультразвукового импульса и блок включения ультразвукового генератора.

Недостаток этого способа заключается в том, что в нем не учитывается влияние как частоты вращения главного вала в различные г1ериоды работы устройства (особенно в периоды пуска-пстанова), так и толщины соединяемого материала. В конструкции устройства отсутствуют средства для изменения длительности импульса и мощности генератора.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ ультразвуковой сварки термопластичных материалов, включающий подачу свариваемого материала в зону сварки, между волноводом и опорой, перемещаемой приводным валом, формирование ультразвукового импульса по длительности и мощности, подачу ультразвукового импульса в зону сварки, расплавление материала под действием ультразвуковых колебаний, формование под давлением сварного шва и вывод материала из зоны сварки.

Для осуществления указанного способа используют устройство для ультразвуковой сварки термопластичных материалов, содержащее акустический узел с волноводом, подвижную опору, связанную с приводным валом, ультразвуковой генератор и блок включения ультразвукового генератора, включающий фотодатчики, обтюратор и усилители.

Недостатком известного технического решения является то, что в нем не обеспечивается возможность ультразвуковой сварки при различных скоростях главного вала и сварки материалов различной толщины. При этом длительность ультразвукового импульса и мощность ультразвукового генератора остаются неизменными при различных режимах работы и могут быть изменены лишь после останова устройства. При этом невозможность оперативной регулировки таких основных параметров, как длительность ультразвукового импульса и мощность генератора (наряду с изменением момента подачи импульса в течение одного рабочего цикла), не позволит осуществить качественную сварку на различных скоростях, которые определяются в зависимости от термопластичных характеристик соединяемых материалов, а так же сварку разно- толщинных материалов.

Целью изобретения является повышение качества сварки.

Указанная цель достигается тем, что в способе ультразвуковой сварки термопластичных материалов перед подачей ультразвукового импульса в зону сварки измеряют скорость вращения приводного вала и толщину материала в зоне сварки, после чего осуществляют корректировку длительности ультразвукового импульса в зависимости от скорости вращения приводного вала и корректировку мощности ультразвукового импульсов в зависимости от толщины материала в зоне сварки. Кроме того, для корректировки длительности ультразвукового импульса в зависимости от скорости вращения приводного вала весь диапазон скоростей вращения последнего разбивают на поддиапазоны, при переходе через границу каждого из которых длительность им0 пульса изменяют на 100 мс. Корректировку ультразвукового импульса в зависимости от толщины материала в зоне сварки осуществляют по формуле Араб. АО + КАо, где Араб - мощность ультразвукового импульса в зо5 не сварки, кВт; А0 минимальная мощность

ультразвукового импульса, кВт; К

0,3/(

01

0где 3i -толщина материала до изменения числа слоев, мм; 62

0 - толщина материала после изменения числа слоев, мм.

В устройстве для ультразвуковой сварки термопластичных материалов блок вклю- чения ультразвукового генератора снабжен

5 датчиком толщины материала и каскадом подготовки команды запуска генератора в зависимости от скорости вращения приводного вала и толщины материала, включающим формирователи прямоугольного и

0 короткого импульсов, триггер, генератор импульсов и генераторы одиночных импульсов.

На фиг,1 изображена схема предлагаемого устройства; на фиг,2 - блок-схема сис5 темы включения ультразвукового генератора; на фиг.З - блок-схема каскада подготовки команды запуска генератора.

Устройство для ультразвуковой сварки термопластичных материалов содержит по0 движную в вертикальной плоскости опору 1, акустический узел 2 с волноводом 3, связанный с ультразвуковым генератором 4, блок включения ультразвукового генератора 4 с системой фотодатчиков 5 и 6.

5 Фотодатчики 5 и 6 смонтированы в непосредственной близости от обтюратора 7, установленного на одном из концов главного приводного вала 8 устройства. На другом конце приводного вала 8 закреплен меха0 низм 9, обеспечивающий перемещение опоры 1 по заданной траектории с выстоем в нижней зоне траектории (например, кулачковый механизм). Вал 8 также кинематически связан с регулируемым приводом (не

5 показан), обеспечивающим его вращение с требуемой частотой.

При этом вырез обтюратора 7 выполнен так, чтобы одновременно оба датчика 5 и 6 не могли быть засвечены. Расположение фотодатчиков выбрано так, чтобы один из датчиков 6 сработал при касании материала опорой, другой датчик 5 - через время, определяемое величиной оборотов главного вала 8.

Блок включения ультразвукового генератора (фиг.2) помимо фотодатчиков 5 и 6 включает также датчик 10 толщины материала, усилители 11-13, каскад 14 подготовки команды запуска генератора и схему манипуляций 15, Блок включения фотодатчика 5 соединен с ультразвуковым генератором 4, связанным с магнитострикционным преобразователем 16 акустического узла. Каскад 14 подготовки команды запуска генератора (фиг.З) состоит из формирователей прямоугольного 17 и короткого 18, 19 импульсов, триггера 20, генератора 21 импульсов, счетчиков 22 и 23 импульсов, дешифраторов 24 и 25, четырех генераторов 26-29 одиночных импульсов, трех схем совпадения 30-32. Устройство содержит также светодиоды 33 и 34.

Сущность способа ультразвуковой сварки термопластичных материалов заключается в следующем.

Первоначально производится подача свариваемого материала в зону сварки устройства, где размещены подвижная опора 1 и акустический узел 2. Дозированное смещение материала осуществляется механизмом для интервального перемещения, входящим в состав устройства для сварки (не показан). Одновременно с подачей материала осуществляются предварительное формирование по длительности (tmin) ультразвукового импульса и установка мощности ультразвукового генератора (А0), обеспечивающие достижение амплитуды колебаний волновода 3, необходимой для сварки, по меньшей мере, двух слоев обрабатываемого материала,

Перед подачей ультразвукового импульса в зону сварки измеряют скорость вращения главного вала и толщину материала в зоне сварки, после чего осуществляют корректировку длительности ультразвукового импульса (т.) в зависимости от скорости (частоты) вращения главного вала и корректировку мощности ультразвукового импульса (А) в зависимости от толщины материала в зоне сварки.

Для корректировки длительности ультразвукового импульса (t) весь диапазон скоростей вращения, т.е. число оборотов главного вала механизма 9, разбивают на ряд поддиапазонов (m-rii)o. В зависимости от скорости (частоты) вращения главного вала производится отнесение этой величины скорости в тот или иной поддиапазон и определение длительности импульса tmin, которая соответствует этому поддиапазону. Минимальная длина импульса (при п пз) соответствует tmin.

5Величина максимального числа оборотов в каждом поддиапазоне определяется как

10п, п1 + (Н-1)1

где N - максимальное число оборотов главного вала;

К- число поддиапазонов; т-максимальное число оборотов в под- диапазоне, п 1,2....к.

Кроме того, tmin при переходе от одного поддиапазона к другому изменяется ступенчато

A t tj+1 - ti ; Д t 10 мс.

Одновременно с корректировкой величины tmin производится корректировка величины мощности ультразвукового импульса генератора (Араб). Эта корректировка выполняется в зависимости от толщины материала I д в зоне сварки. При увеличении этой толщины дг - д 0величина приращения мощности составляет кА, где АО - ранее установленная минимальная мощность ультразвукового импульса генератора, ко 0,3 I Фг - 5i I I 5i I безразмерный коэффициент; д- - толщина

материала до изменения числа слоев материала; дг - толщина материала после изменения числа слоев материала.

Если 62 5i или 62 д- то приращение мощности или ее изменение по срав- нению с величиной А0 не производится. Таким образом, величина мощности ультразвукового генератора для сварки любой од-, ной точки сварного шва определяется по соотношению

Араб. АО + КоА0, где К0 0.

Изменение толщины свариваемого материала происходит при переходе с двух слоев на третьи или-четвертые, а также при выполнении швов через различные местные утолщения.

После определения величины tmin и Араб. осуществляется подача ультразвукового импульса в зону сварки, причем момент подачи импульса определяется в зависимости от частоты вращения главного вала и выполняется лишь после создания необходимого акустического контакта между торцами волколебаний в зону сварки производится расплавление термопластичных волокон,образующих материал. При этом осуществляется соединение волокон и образование сварного точечного шва, соединяющего слои материала. Процесс сварки завершается формированием сварного шва, которое осуществляется, под давлением (за счет разности времени выстоя опоры в нижнем положении и длительности ультразвукового импульса (tnMn.), и выводом слоев свариваемого материала из зоны сварки.

Описанный способ реализуется при работе устройства.

При включении привода главный вал 8 получает вращение с требуемой частотой и приводит в движение опору 1. В момент смещения последней в нижнюю зону своей траектории в зону сварки подаются слои свариваемого термопластичного материала, контроль толщины которых производится датчиком. Фотодатчики 5 и 6 установлены относительно прорези обтюратора 7 так, чтобы фотодатчик 6 срабатывал в первый момент прижима опорой свариваемого материала к волноводу 3 акустического узла 2. Первый фотодатчик 5 срабатывает до начала засветки фотодатчика 6, установив для каждого поддиапазона время tn от момента включения фотодатчика 5 до момента включения фотодатчика 6, и определяется разность t п.

t п tn -1,

где tn - время от включения фотодатчика 5 до включения фотодатчика 6;

t - время, равное трем постоянным времени магнитострикционного преобразователя 16 акустического узла 2.

Разность t п соответствует тому промежутку времени, который необходимо выдержать до момента подачи управляющего импульса на запуск ультразвукового генератора для каждого поддиапазона скоростей вращения главного вала.

При засветке фотодатчика 5 сигнал поступает в формирователь 17, который формирует прямоугольный импульс, длительностью равный t п. С формирователя 17 сигнал подается на формирователь 18 короткого импульса и счетчик 22, причем длительность импульса с формирователя 18, меньше чем длительность с формирователя 17. Сигнал с формирователя 18 подается на триггер 20, который дает команду о начале работы генератора 21 фиксирован- нойчастоты.

Одновременно с генератором 21 сигнал подается на счетчик 23 и дешифратор 25, устанавливая их в начальное положение. С

генератора 21 сигналы поступают на счетчики 22 и 23, Счетчик 22 считывает импульсы в течение промежутка времени, равного длительности импульса с формирователя

17. При прекращении засветки фотодатчика 5 счетчик 22 перестает считать. Состояние дешифратора 24 в это время соответствует одному из заданных поддиапазонов скорости (поддиапазон щ). С выхода дешифрато0 ра 24 сигнал поступает на усилитель 11, который подключает фотодатчик 6 к источнику питания. В момент прижатия опорой материала к волноводу 3 акустического узла 2 срабатывает фотодатчик 6, сигнал с кото5 рого поступает на формирователь 19 короткого импульса. Формирователь 19 дает команду на включение генератора 26 одиночного импульса, который формирует одиночный импульс заданной длительности. С

0 генератора 26 через усилитель 12 и схему

манипуляций 15 сигнал поступает на вход

ультразвукового генератора 4 и начинается

процесс сварки. Одновременно с генерато ра 26 сигнал поступает на триггер 20, пере5 водя его в исходное положение. Команда с триггера 20 поступает на вход генератора 21, прекращая его работу.

Состояние дешифратора 25 рассчитывается заранее, исходя из длительности t

0 каждого из поддиапазонов скорости вращения главного вала устройства. Соответствующие поддиапазонам выходы 2,3,4... дешифратора 25 подключаются к соответствующим схемам совпадения. Как только

5 на второй вход схемы совпадения (на первом входе установлен сигнал с дешифратора 25) поступает сигнал, соответствующий величине поддиапазона на дешифраторе 25, на выходе схемы совпадения появляет0 ся сигнал, который поступает на вход генератора одиночного импульса, соответствующего данному поддиапазо- ну. Генератор одиночного импульса формирует прямоугольный импульс,

5 длительность которого определяется схемой. Далее все работает как и при поддиа- пазоне т.

При увеличении толщины материала с датчика 10 толщины сигнал поступает через

0 усилитель 13 на вход схемы манипуляции 15 ультразвукового генератора 4. Это происходит в момент прижима опорой 1 материала, усилитель 13 формирует импульс заданной длительности, а схема манипуляции 15 уль5 тразвукового генератора 4 вырабатывает сигнал, увеличивающий его выходную мощность. Увеличение мощности осуществляется на величину к0Ао.

После подачи к акустическому узлу 2 ультразвукового импульса требуемой длительности и амплитуды (определяемой величиной мощности ультразвукового генератора) осуществляется расплавление слоев материала, образование сварного шва. Процесс сварки завершается подъемом опоры 1 и смещением материала на величину, соответствующую расстоянию между сварными точечными швами (т.е. шагу сварных стежков).

Формула изобретения

1. Способ ультразвуковой сварки термопластичных материалов, включающий подачу свариваемого материала в зону сварки между волноводом и опорой, перемещаемой приводным валом, формирование ультразвукового импульса по длительности и мощности, подачу ультразвукового импульса в зону сварки, расплавление материала под действием ультразвуковых колебаний, формование под давлением сварного шва и вывод материала из зоны сварки, отличающийся тем, что, с целью повышения качества сварки, перед подачей ультразвукового импульса в зону сварки измеряют частоту вращения приводного вала и толщину материала в зону сварки, после чего осуществляют корректировку длительности ультразвукового импульса в зависимости от частоты вращения приводного вала и корректировку мощности ультразвукового импульса в зависимости от толщины материала в зоне сварки.

2. Способ по п.1,отличающийся тем, что для корректировки длительности ультразвукового импульса в зависимости от частоты вращения приводного вала весь диапазон частот вращения последнего разбивают на поддиапазоны, при переходе через

границу каждого из которых длительность импульса изменяют на 10 мс.

3. Способ по п.1,отличающийся тем, что корректировку ультразвукового импульса в зависимости от толщины материала в зоне сварки осуществляют по формуле

Араб АО + КА0,

где Араб - мощность ультразвукового импульса в зоне сварки, кВт,

АО - минимальная мощность ультразвукового импульса, кВт;

К 0,3( ) 0

где д -толщина материала до изменения числа слоев, мм;

62 - то же, после изменения числа

слоев, мм.

4. Устройство для ультразвуковой сварки термопластичных материалов, содержащее акустический узел с волноводом, подвижную опору, связанную с приводным

валом, ультразвуковой генератор и блок включения ультразвукового генератора, содержащий фотодатчики, обтюратор и усилители, отличающееся тем, что с целью повышения качества сварки, блок включения ультразвукового генератора снабжен датчиком толщины материала и каскадом подготовки команды запуска генератора в зависимости от частоты вращения приводного вала и толщины материала, включающим формирователи прямоугольного и короткого импульсов, триггер генератор импульсов и генераторы одиночных импульсов.

HZJ

Использование: в сварке пластмасс, в частности при ультразвуковой сварке термопластичных материалов точечными швами для повышения качества сварки. Сущность изобретения: в способе перед подачей ультразвукового импульса в зону сварки измеряют скорость вращения приводного вала и толщину материала в зоне сварки. После этого осуществляют корректировку длительности ультразвукового импульса в зависимости от скорости вращения приводного вала и корректировку мощности ультразвукового импульса в зависимости от толщины материала. Для корректировки длительности ультразвукового, импульса в зависимости от скорости вращения приводного вала весь диапазон скоростей последнего разбивают на поддиапазоны. При переходе через границу каждого из поддиа- пазонов длительность импульса изменяют на 10 мс. Корректировку ультразвукового импульса в зависимости от толщины материала в зоне сварки осуществляют по формуле Араб. АО + КА0, где Араб. - мощность ультразвукового импульса в зоне сварки: А0 - минимальная мощность ультразвукового импульса, кВт; К 0,3 (& - 5i ) / д- 0, где (5i - толщина материала до изменения числа слоев, мм; 62 -толщина материала после изменения числа слоев, мм. В устройстве для ультразвуковой сварки термопластичных материалов блок включения ультразвукового генератора снабжен датчиком толщины материала и каскадом подготовки команды запуска генератора в зависимости от скорости вращения приводного вала и толщины материала. Каскад под- готовки команды запуска генератора- включает формирователи прямоугольного и короткого импульсов, триггер, генератор импульсов и генератор одиночных импульсов. 2 с и 2 з.п.ф-лы, 3 ил. (Л С XI 00 ел о ICJ

Щи г. г