Введение к работе
Актуальность проблемы. Высокочастотная (ВЧ) сварка термопластов хорошо зарекомендовала себя в промышленной практике. Основными преимуществами метода являются быстрый и локальный (в зоне свариваемого шва) нагрев соединяемых поверхностей без проплавления всего объема материала. При этом качество сварных соединений (прочность, герметичность), как правило, превышает качество соединений при других методах сварки. Однако технология ВЧ-сварки пластмасс разработана в основном для соединения деталей в изделиях простой формы. Между тем в производственной практике весьма распространены изделия из пластмасс сложной формы (конструкции), в которых сварке подлежат не только внешние (доступные для приложения электрического поля), но одновременно и внутренние поверхности соединяемых деталей. Реализация высокочастотной, равно как и других методов сварки, в подобных случаях встречает большие затруднения как в части создания технологической оснастки для организации единовременного сварочного цикла, так и в отношении управления режимом процесса.
При ВЧ-сварке пластмасс измерение температуры в сварном соединении технически невозможно. По этой причине временную продолжительность цикла сварки – время достижения в сварном шве температуры текучести термопласта находят расчетным путем, что корректно только при строгом учете изменяющихся во времени параметров процесса и свойств материала – удельной мощности, теплоемкости и теплопроводности термопласта. Однако качество сварки определяется не только прочностью полученных соединений. Необходимо, чтобы процесс сварки не сопровождался искажением формы соединяемых деталей. Для достижения такого результата требуется тщательный и весьма трудоемкий подбор режимных параметров процесса.
До настоящего времени наиболее рациональные режимы ВЧ-сварки пластмасс определяют индивидуально для каждой конкретной конструкции технологической оснастки. Между тем рациональные режимы ВЧ-сварки могут быть найдены на основе теоретического анализа поля температур в толще термопласта, т. е. путем определения эффективной глубины прогрева околошовной зоны, обеспечивающей заданное качество сварки.
Решение этой задачи является первым этапом успешного решения основной задачи настоящей работы – управления режимом ВЧ-сварки деталей из пластмасс в изделии сложной формы, специфика которой заключается в возможности реализации единовременного сварочного цикла, то есть в обеспечении равенства времен сварки в каждом из двух соединений – внешнем и внутреннем.
Цель работы. Разработка способа управления и разработка автоматизированной системы управления процессом высокочастотной сварки изделий из пластмасс сложной формы.
Защищаемые положения:
– впервые предложенный способ управления процессом ВЧ-сварки изделий из пластмасс сложной формы, реализующий режим высокочастотного нагрева во внутреннем соединении за счет наведенной ЭДС и предусматривающий автономное регулирование в нем напряженности электрического поля;
– математическая модель сварки пластмасс в высокочастотном электрическом поле, описывающая сварку как нестационарный процесс распространения тепла в многослойной несимметричной системе высокопотенциальный электрод – изоляционный вкладыш – термопласт – заземленный электрод и учитывающая зависимости фактора диэлектрических потерь и теплоемкости термопласта от температуры;
– методика прогнозирования качества сварного соединения по режимным параметрам процесса ВЧ-сварки пластмасс в системе с несимметричным расположением электродов, основанная на определении эффективной глубины прогрева околошовной зоны;
– автоматизированная система управления процессом ВЧ-сварки изделий из пластмасс сложной формы – с внешним и внутренним сварными соединениями, выполняемыми в различных по конфигурации электрического поля рабочих конденсаторах.
Научная новизна. Разработана математическая модель сварки пластмасс в высокочастотном электрическом поле, описывающая сварку как нестационарный процесс распространения тепла в многослойной системе высокопотенциальный электрод – изоляционный вкладыш – термопласт – заземленный электрод и учитывающая зависимости фактора диэлектрических потерь и теплоемкости термопласта от температуры.
Разработана методика оценки качества сварного соединения в процессе ВЧ-сварки пластмасс по глубине прогрева околошовной зоны, определяемой расчетным путем с учетом конструктивных особенностей технологической оснастки. На примерах соединения деталей из поливинилхлорида и полиамида показано, что при ВЧ-сварке в технологической оснастке с одним изолированным электродом (несимметричная тепловая задача) значения глубины прогрева околошовной зоны, обеспечивающие заданное качество сварки, находятся в пределах (0,3-0,55) от толщины деталей.
Впервые предложен способ управления процессом ВЧ-сварки деталей из пластмасс сложной формы, обеспечивающий равенство времен сварки в отдельных, отличных друг от друга по распределению электрического поля соединениях. Способ реализует режим высокочастотного нагрева во внутреннем соединении за счет наведенной ЭДС и предусматривает подстройку общей удельной мощности путем автономного регулирования напряженности электрического поля во внутреннем соединении, что позволяет за один цикл осуществить сварку одновременно двух соединений.
Разработана автоматизированная система управления процессом ВЧ-сварки изделий из пластмасс с внешним и внутренним соединениями. Система осуществляет регулирование общей удельной мощности по закону изменения удельной мощности во внешнем соединении и тем самым реализует режим равенства времен сварки в соединениях.
Практическая ценность. Разработана конструкция технологической оснастки для ВЧ-сварки изделий из пластмасс сложной формы с двумя сварными соединениями, содержащая устройство для автономного регулирования напряженности электрического поля во внутреннем соединении.
Разработана методика автоматизированной настройки ВЧ-установки с технологической оснасткой для сварки изделий из пластмасс с двумя соединениями в режим равенства времен сварки в отдельных соединениях. Методика предусматривает определение напряжения на втором рабочем конденсаторе (во внутреннем сварном соединении) в режиме реального времени.
Предложенный способ ВЧ-сварки деталей из пластмасс в изделии сложной формы и способ управления режимом процесса защищены патентом РФ на изобретение и внедрены в промышленное производство аккумуляторных батарей.
Апробация работы. Отдельные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на 22 и 23 Международных конференциях «Математические методы в технике и технологиях (ММТТ-22, ММТТ-23)» – Псков: Псков. гос. политехн. ин-т, 2009; Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2010.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 научных работ, в том числе получен патент РФ на изобретение.
Реализация результатов. Разработаны и внедрены в производство оборудование (технологическая оснастка) и система автоматизации для ВЧ-сварки аккумуляторных батарей 2КМ30Р (ОАО «НИАИ «Источник», г. СПб).
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 112 с., состоит из четырех глав, содержит 19 рис., 16 табл., список литературы насчитывает 74 наименования.
