Введение к работе
Актуальность. Настоящая работа посвящена теоретическим и техническим аспектам электротехнологических проблем сварки пластмасс, основанной на нагреве юны соединения в электромагнитном поле высокой частоты. В русской технической титературе наиболее часто применяется термин "высокочастотная сварка пластмасс" ВЧС . пластмасс), иногда "термопластов", поскольку главным образом из ермоппастичных материалов, например, поливинипхлоридных пластикатов этим методом изготавливаются различные промышленные и бытовые изделия.
Сварка в высокочастотном электромагнитном поле является разновидностью епловой сварки, в процессе которой электромагнитное поле генерирует внутри іграниченной области соединения источники тепла (внутренние источники тепла) при дновременном сжатии материала электродами заданной формы. Таким образом, емпература (напряжение на электродах) и усилив сжатия (давление) являются сновными технологическими параметрами этого процесса. Типичная форма лектрода - призматическая пластина из токопроводящего материала, чаще всего атуни. В своей совокупности электроды могут образовывать сложную разве) зленную истему разнонапрвленных элементов, повторяющих сварные швы и узоры зготавливаемого изделия. Бывает так, что сварочная оснастка оказывается дороже змих установок, которые относятся к весьма дорогостоящим видам техники.
Систему разнопотенциальных электродов с расположенными между ними эариваемыми и сварочными материалами принято называть рабочим >нденсатором, что точно соответствует той роли, которую эта система играет в :еме источника питания сварочного устройства высокочастотной энергией.
Характерный диапазон значений технологических параметров ВЧС ірмопластов лежит в пределах 140 - 200С по температуре и 0.1 - 1.U МПа по тлению. Наиболее важным параметром свариваемости диэлектрика является нгенс угла потерь (tgS). Сварка становится трудно осуществимой при значениях ого параметра, меньших 0,001. Характерным значением является величина 0.05, а рактерной частотой - частота 27.12 Мгц. Более низкая частота 13.56 Мгц пользуется для сварки изделий больших размеров (более 1 м). Реже встречаются, встречаются установки, работающие на частотах АО и 80 Мгц, предназначенные
для сварки изделий из материалов с относительно высокими изоляционными свойствами.
К настоящему времени для нужд разработчиков технологий новых изделий и нового оборудования выработаны определенные рекомендации и процедуры расчетов, основанные на известных положениях теории диэлектрического нагрева. В этой теории все сводится к рассмотрению сварки как чисто электротермического процесса, включающего в себя два явления: взаимодействие свариваемого материала с переменным электромагнитным полем в смысле преобразования его энергии в тепло и тепловое взаимодействие по закону теплопроводности Фурье 'различных элементов сварочной системы, которые в результате возникновения в материале внутренних источников тепла приобретают различную температуру. Математическая модель при таком подходе складывается из системы двух (в общем случае трехмерных) уравнений: уравнения Лапласа или волнового уравнения относительно электрического потенциала в расчетной области, окружающей сварочные электроды (в зависимости от того, принята или нет гипотеза квазистационарности электромагнитного поля), и уравнения Фурье с внутренними источниками тепла, которые вычисляются в результате, решения электрической задачи. По сути дела все, иногда весьма сложные теоретические работы, в большом количестве выполненные в предшествующий период, сводятся к исследованию решений упомянутой системы уравнений при различных граничных и прочих дополнительных усг'авиях, т.е. для различных конструкций сварочных устройств, электродов, экранов и других элементов, оказывающих влияние как на распределение электрического потенциала) так и на тепловые потоки . Особенно после появления доступной вычислительной техники этот период следует считать весьма плодотворным и в известной мере законченным. Создана библиотека вычислительных программ для различных устройств диэлектрического нагрева, включая ВЧС пластмасс, основанную Ht. серьезном анализе различных компьютерных технологий и выборе оптимальных методов и алгоритмов решения соответствующих уравнений математической физики. Результаты этих работ с учетом изменяющейся во времени геометрии расчетных областей в известной мере могла быть использованы и были использованы в виде отдельных блоков в рамках вычислительных алгоритмов предлагаемых данной работой (20].
Тем не менее, описанный подход и состояние ВЧС пластмасс в '.інйчитольной
мере перестали удовлетворять как разработчиков и изготовителей ВЧ сварочного оборудования, так и разработчиков технологий сварки новых изделий и эксплуатационников, ставящих их на производство. Те и другие могут получить в свое распоряжение относительно точные данные по электрогехнологическим параметрам процесса только для начального момента времени. Даже для конечного момента, когда может считаться известной геометрия сварочной системы, возможны лишь ориентировочные в значительной мере основанные на опыте оценки этих параметров. Известные теоретические построения не дают никакой информации о динамике процесса - о временном законе изменения геометрии рабочего конденсатора и эволюции температурного поля в области сварного соединения. Между тем известно, что все электрофизические параметры процесса производства сварных изделий в значительной степени зависят от температуры, и как следствие этого нагрузочные характеристики источника питания ВЧ энергией сильно, порой непредсказуемо изменяются в процессе образования сварного шва.
Незнание динамики процесса компенсируется тем, что разработчики оборудования снабжают сварочные устройства и их источники питания специальными часто весьма сложными и дорогими электронными и электромеханическими подстроечными системами, а технологи и производственники вынуждены проходить через неопределенный по длительности и затратам процесс экспериментального поиска оптимальных конфигураций изделий, технологических параметров сварки и удовлетворительных режимов настройки оборудования.
Описанная ситуация является следствием того, что принятая теоретическая модель рассматриваемого процесса в значительной степени- не адекватна физической реальности. Из нее исключен процесс, по сути дела определяющий динамику формообразования соединения - процесс деформации сжимаемых сварочными электродами областей. Для достаточно полного описания процесса образования сварного соединения расплавляемых с помощью энергии электромагнитного поля материалов, сжимаемых сварочными, электродами, необходимо рассматривать всю совокупность протекающих при этом физических явлений, что может быть сделано только с. позиций теоретических положений электродинамики и механики сплошных сред.
Актуальнсгь таким образом поставленной работы существенно усиливается в связи с общим стремлением во всех отраслях промышленного производства к экологическому очищению действующих технологий. В частности, в рассматриваемой области техники наблюдаются тенденции ужесточения норм допустимых электромагнитных излучений и повышения требований к электромагнитной совместимости оборудования, что приводит к необходимости иметь более точное представление о динамике поведения нагрузки источника ВЧ энергии, определяющей характер работы технологической машины в рассматриваемом смысле.
Цель работы. Объективно возникшая в промышленности потребность в пересмотре, дополнении, уточнении существующих представлений об электротехнологических аспектах сварки термопластов в электромагнитном поле предопределила постановку в данной работе следующих задач:
1. На основе электродинамики и механики сплошных сред сформулировать
основные положения теории высокочастотной сварки термопластичных
материалов, учитывающие взаимосвязь электромагнитных, тепловых о
реологических процессов в условиях изменяющейся геометрии объекта.
2. Разработать современные методы исследований технологическогс
процесса сварки, позволяющие на базе передовых компьютерных технологий с
помощью вычислительных экспериментов изучить динамику протекания этогс
процесса с учетом возможного ассортимента свариваемых и сварочны>
материалов j различных вариантов технологии.
3. Предложить систему определяющих соотношений и алгоритмов для и>
численной реализации, позволяющих организовать управление прцессом и более
полно сформулировать технические требования к сварочным устройствам, w
источникам питания, сварочным и свариваемым материалам.
Методы исследований. Процесс формообразования сварного шва связан < течением находящегося в электромагнитном поле и сжимаемого электродами мате риала и носит поэтому существенно тензорный характер. Это определяет широкое использование в данной работе математического аппарата тензорной алгебры и тен зорного анализа В разделе, посвященном поляризации диэлектрика как источник' тепла, необходимому длп осуществления сварки, использованы четырехмерные тен горные представления электромагнитного поля Сделано это, естественно, не і
целью обнаружения каких-либо релятивистских эффектов, связанных с движением материала, а с целью наиболее простой и полной совместимости тензорного характера поведения расплавляемого термопласта с характерам теплового и пондерамс-торного воздействия на него электромагнитного поля.
При разработке конкретных математических моделей и решении конкретных задач в рамках электрических, тепловых и гидромеханических проблем используете;, классический аппарат математической физики, теории дифференциальных уравнений в частных производных с ассимптотическими представлениями решений, удобных дли некоторых из рассматриваемых задач.
В разделе, посвященном точности исполнения электродов (5-я глава), нашли широкое применение метод комплексного потенциала и вариационные принципы геометрической теории функций комплексного переменного. Следует отметить, что этот раздел написан в развитие выполненной автором в семидесятых годах кандидатской диссертации. Один из основных разделов этой работы, связанный с гидромеханической стороной проблемы точности, в значительной степени переработан, включая исправления допущенных неточностей и даже ошибок, обнаруженных в процессе работы над данной диссертацией, но некоторые положения ради стройности изложения оставлены без существенных изменений.
При разработке численной реализации математической модели ВЧС ставилась задача построить исследовательский комплекс программ, не скованный стремлением к имитации процесса в реальном времени или к максимально возможной минимизации времени счета, но достаточно гибкий и простой для всестороннего изучения различных электротехнологических сторон рассматриваемой технологии (6-я глаза). Наряду с использованием итерационных методов в этом разделе работы предстазпены методы расщепления злектрогидротепловой задачи как по пространственным параметрам, так и по физическим процессам, при конечно-разностных представлениях исходных уравнений математической физики. Следует отметить, что с. -бенности эволюции изучаемых моделей тесно связаны с деформациями расчетных областей. Поэтому все вычислительные алгоритмы должны строиться на переменной сетке рространственнои дискретизации, а поскольку ход процесса существенно завис. »т также и от особых температурных точек (моменты начала ньютоновского и неньюто-невского течения, момент достижения температуры сварки), то и временная дискре-
тизация носит переменный характер. В связи с этим для построенных алгоритмов характерно стремление к выбору no-возможности безусловно устойчивых расчетных схем, что, однако, не осуществимо для конвективной части тепловой проблемы. В работе выведен критерий устойчивости конвективной задачи с соответствующим дроблением основного временного шага расчета.
В связи с деформацией рассматриваемой расчетной области один из разделов диссертации посвящен обоснованию выбора расчетной системы координат (2-я глава). При этом использован эйлерово-лагранжев подход к формулированию электро-гидротепловой проблемы, и предложенная методика расчетов позволяет на каждом временном шаге рассчитаїь компоненты метрического тензора рабочей (пагранжевой) системы координат, определив тем самым переход к неподвижной (эйлеровой) системе.
На защиту выносятся.
1. Общие положения теории ВЧС пластмасс как электротехнологического процесса с
позиций электродинамики и механики сплошной среды в предположении, что
расплавляемый в процессе сварки материал ведет себя как поляризующаяся
вязкая (не обязательно ньютоновская) жидкость;
» рабочий конденсатор является термодинамической системой.
2. Математическая модель процесса, включающая в себя систему взаимосвязанных
уравнений математической физики
движения (сближения) электродов;
распределения электрического потенциала (напряженности электрического поля);
движения расплава;
притока тепла (внутренней энергии).
3. Оценки влияния течения материала и пондеромоторного воздействия электромаг
нитного поля на рельеф температурного поля в межэлектродном пространстве с
учетом образования некомпенсированного тепла и принудительной конвекции.
1 Алгоритмы расчетов параметров системы как нагрузки ВЧ источника питания, определяющих стратегию сварки, при различных вариантах подвода ВЧ мощности
к рабочему конденсатору с переменной геометрией и различной структурой пакета заполняющих его диэлектриков.
5. Методики определения и анализа баланса тепловых потоков в характерные области и элементы сварочной системы и оценки эффективности процесса, основанные на соответствующем выборе методов расщепления эпектрогидротепловой задачи по пространственным параметрам и физическим процессам.
6 Теоретическое обоснование норм точности исполнения электродных систем, основанное на решении электрогидротепловой проблемы; методики расчетов допускаемых отклонений электродов от заданной формы и определения количественных критериев свариваемости различных термопластичных материалов в смысле точностных требований к оборудованию.
Научная новизна. Постановка задач и методы их реализации существенно отличаются от принятых в рассматриваемой электротехнологии представлений. Поэтому и результаты решения этих задач в своем большинстве относятся к категории впервые полученных. Все технологические и электрофизические параметры процесса и геометрические характеристики системы, существенно меняющиеся в ходе образования сварного соединения, определяются в динамике их изменения и известны в каждый момент времени от начала до окончания сварки. То же относится и к рабочему конденсатору как нагрузке ВЧ источника питания. Впервые удалось в рамках принятых допущений количественно определить также в динамике потоки энергии в характерные области и элементы рассматриваемой системы и предъявить соответствующие требования к этим элементам с точки зрения эффективности процесса.
Практическая ценность и реализация работы. Разработанное математическое Обеспечение ПОЗВОЛЯеТ ПрОИЗВеСТИ расчеты ПраКТИЧеСКИ Всех ИНТ6( зсных для
разработчиков оборудования и технологий параметров процесса ВЧС. Оно позволяет
также ставить и осуществлять различной направленности исследования, например,
влияние на эффективность процесса электрофизических свойств участвующих в нрм
материалов с выдачей определенных рекомендаций. На база выполненных уже в
рамках данной работы вычислительных экспериментов получены новые интересные
для практики результаты. '
Представляется также полезным и важным практическим результатом данной
работы открывшаяся возможность улучшения методик проектирования и создания более простых и надежных конструкций источников питания установок и самих сварочных устройств. Использование полученной математической модели и разработанного матобеспечения в составе модели источника питания для имитации его сильно изменяющейся во времени нагрузки позволяет проводить анализ поведения каждого элемента схемы генератора в течение всего цикла сварки. Кроме получения этой полезной самой по себе информации открывается возможность разработки моделей автоматического управления источником питания и создания реализующих эти модели регуляторов.
Полученные в данной работе теоретические положения, вычислительные методики и общие результаты использованы в разработках сварочного оборудования, выполнявшихся до конца 80-х годов при непосредственном участии автора диссертации. В указанный период во ВНИИТВЧ проводилась опытно-конструкторская работа по обоснованию оптимального размерного ряда установок, подлежащих разработке и постановке на производство. В рамках этой работы была выполнена часть представленных в диссертации изысканий. Было спроектировано и построено более 10 типов установок на различные мощности и частоты, успешно работающих в промышленности. До последнего времени институт выполнял заказы на разработку технологий сварки различных изделий, в частности систем для хранения и переливания крови, в которых также использованы различные аспекты настоящей работы.
Апробация работы. Основные научные положения и результаты диссертационной работы докладывались автором более, чем на І0 Международных, Всесоюзных и Всероссийских конференциях, конгрессах и семинарах. Они были заслушаны и одобрены на заседаниях Проблемного совета по сварке Российской инженерной академии, отделения машиностроения и инженерной механики С.-Петербургской инженерной академии, научно-технического совета ВНИИТВЧ и профессорско-преподавательского состава кафедры ЭТУ С.-Петербургского государственного электротехнического университета
Публикации. По проблематике диссертации автором опубликовано 37 работ, в том числе 2 монографии в. соавторстве, 1 патент (Германия), 6 авторских свидетельств на изобретения и 19 статей и докладов.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, б глав, заключения, списка литературы, включающего 149 наименований, и 9 приложений. Основная часть работы изложена на 260 страницах машинописного текста. Работа содержит 61 рисунок.