Способы сварки

Размещено на http://www.allbest.ru/

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ

ПЭ - Полиэтилен

ПЭТФ - Полиэтелентерефталат

ПА - Полиамид

БОПП -Биосно - ориентированный полипропилен

БОПА -Биосно - ориентированный полиамид

ПП - Полипропилен

мкм -Единица измерения толщины, выраженных в микрометрах

°С-Единица измерения температуры, выраженных в градусах Цельсия

Н -Единица измерения силы, выраженных в Ньютонах

с -Единица измерения времени, выраженных в секундах

мм -Единица измерения длины, выраженных в миллиметрах

кг -Единица измерения веса, выраженных в килограммах

г/см3-Единица измерения плотности

м/мин -

ТВЧ - Ток высокой частоты

ИК-излучение - Инфракрасное излучение



ВВЕДЕНИЕ

Упаковочные пакеты предназначены для упаковки продуктов питания и непродовольственных товаров. Все полиэтиленовые пакеты для продуктов способны предотвратить попадание пыли, влаги и воздуха. Их прочность в несколько раз превышает прочность целлофана. Полиэтилен в несколько раз устойчивее к солнечным лучам, чем полипропилен.

Хранение продукции в полиэтиленовой упаковке обеспечивает ее гигиеничность и позволяет сохранить товарный вид непродовольственных продуктов.

Изделия из полиэтилена относятся к разряду безопасных и нетоксичных средств для хранения любого вида продукции. Низкая стоимость производства изделий из полиэтилена обеспечивает этому материалу широкое применение.

Полиэтиленовые упаковочные пакеты способны выдерживать нагрузку от 2 до 7 кг, в зависимости от размера. По размерам они могут быть:

от 30 до 750 мм в ширину;

от 80 до 750 мм в высоту.



1. ВИДЫ ИСХОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Бумага

Бумага - волокнистый, непрозрачный материал, который не характеризуется высокими значениями прочности на разрыв, надрыв и прокол. В зависимости от значения, плотность материала варьируется от 0,5 до 1,3 г/см3. Бумага не сваривается, не стойка к раздиру. Её получают методом высушивания целлюлозной пульты с последующим каландрированием. Бумажные материалы барьерными свойствами не обладают, во влажной среде набухают и деформируются. Ценными свойствами бумаги являются ее невысокая стоимость, хорошее красковосприятие и способность «запоминать» приданную форму. Бумага применяется как удерживающий форму слой в комбинациях с другими пленочными материалами[8].

Плёнки БОПА

БОПА - пленки, которые обладают наиболее высокими показателями прочности на разрыв, надрыв и прокол, прозрачны. Плотность 1,14 г/см3. Данные пленки не свариваются, не стойки к раздиру. Подобные пленки получают методом плоскощелевой экструзии с последующейвытяжкой в продольном и поперечном направлениях. Высокие барьерные свойства. Полиамид является барьером по отношению к маслам, жирам, газам. Отрицательно свойство полиамида - склонность впитывать влагу. Пленки БОППА не используются самостоятельно, а только в качестве армирующего и барьерного слоя в многостойных пленочных комбинациях[8].

Пленки БОПП

Плёнки БОПП - характеризуются высокими показателями прочности на разрыв, надрыв, прозрачностью. Однако БОПП обладают низкой прочностью сварного соединения, нестойки к раздиру. Плотность 0,9 г/см3. Пленку получают методом плоскощелевой экструзии с последующей вытяжкой в продольном и поперечном направлениях. Барьерные свойства - средние. Часто, для декоративных целей, пленки БОПП подвергают вакуумной металлизации. БОПП применяют в качестве самостоятельного упаковочного материала, либо как составляющий слой в многослойных пленочных комбинациях[8].

Пленки КастПП

КастПП - характеризуются высокими показателями термосвариваемости, прочности сварного соединения, устойчивы к раздиру, прозрачны. Плотность 0,9 г/см3. Эти пленки обладают низкой прочностью к разрыву и удлиняются в несколько раз, прежде чем порваться. КастПП получают методом плоскощелевой экструзии. Барьерные свойства - средние. Литые ПП плёнки применяют в качестве термосвариваемого слоя в ламинатах.

Пленки ПЭ

Пленки ПЭ - имеют наиболее низкую температуру сварки, прочное сварное соединение, устойчивы к раздиру, мутные. Плотность 0,93 г/см3. Пэ пленки обладают низкой прочностью к разрыву, при этом значительно удлиняются. Обычно, подобные пленки получают методом выдувной экструзии. Барьерные свойства - низкие. Такие пленки применяют самостоятельно, в целях защиты от влаги и загрязнений и в качестве термосвариваемого слоя в ламинатах[8].

Пленки ПЭТФ

Пленки ПЭТФ - характеризуются высокими показателями прочности на разрыв и надрыв, прозрачностью. Плотность 1,4 г/см3. ПЭТФ не подвержен термосвариванию. Пленки, нестойки к раздиру и проколу. ПЭТФ получают методом плоскощелевой экструзии с последующей вытяжкой в по дольном и поперечном направлениях. Барьерные свойства - высокие. По необходимости, для значительного усиления барьерных свойств, ПЭТФ подвергают вакуумной металлизации. Пленки ПЭТФ применяют в качестве амирующего и барьерного слоя в ламинатах.

Фольга

Фольга - наиболее барьерный материал. В обычных условиях не сваривается. Плотность 2,7 г/см3. Фольга производится методом горячего проката алюминиевых заготовок. Материал применяют как тонкий, высоко барьерный слой в многослойных пленочных комбинациях. Требования к исходным материалам указаны в таблице 1.1[8].

Таблица 1.1 - Требования к исходным материалам

Материал пленки	Толщина, мкм	Удельный вес, г/м2	Назначение в пакете
Б	40 - 160	30 - 120	Формаобразующий, несущий слой.
БОПА	10 - 15	11 - 17	Барьерный, армирующий слой.
БОПП	15 - 40	13 - 36	Несущий, термосвариваемый слой.
ПА	10 - 25	11 - 30	Барьерный, армирующий слой.
ПП	25 - 120	22 - 110	Термосвариваемый слой.
ПЭ	30 - 150	28 - 146	Термосвариваемый слой.
ПЭТФ	10 - 24	14 - 34	Несущий, армирующий слой.
Ф	6 - 24	16 - 65	Барьерный, формообразующий слой

В таблице 1.2 указаны обозначение многослойных пленок для пакетов[8].

Таблица 1.2 - Обозначение многослойных пленок

Наименование материала	Назначение пакетов
1	2
Полиэтилен	Групповая, влагостойкая упаковка
Полипропилен	Сыпучие, хлебобулочные продукты
Биосно - ориентрированный полипропилен	Сыпучие, бакалейные продукты
Дуплексный ламинат полиамид / полиэтилен	Вакуумная упаковка, масло - жиросодержащие продукты
Дуплексный ламинат полиэтилен / полиэтилен	Сухие сыпучие продукты
Дуплексный ламинат Полиэтелентерефталат / полипропилен	Масло - жиросодержащие, консервированные, термостерилизуемые продукты
Дуплексный ламинат полиэтелентерефталат / поэлителен	Барьерная упаковка дегидрированных, масло - жиросодержащих продуктов
Дуплексный ламинат биосно - ориентрированный полипропилен / биосно - ориентрированный полипропилен	Групповая и индивидуальная упаковка бакалейных и непищевых товаров
Дуплексный ламинат биосно - ориентрированный полипропилен / полипропилен	Упаковка пылящих, дегидрированых продуктов
Триплексный ламинат полиэтелентерефталат / фольга / полиэтилен	Высокобарьерная упаковка дегидрированных, масло - жиросодержащих продуктов
Дуплексный ламинат полиэтелентерефталат / биосно - ориентрированный полипропилен	Сухие продукты
Триплексный ламинат полиэтелентерефталат / фольга / полипропилен	Высокобарьерная упаковка, консервированных, термостерилизуемых продуктов
Дуплексный ламинат бумага / полиэтилен	Сухие, сыпучие продукты
Триплексный ламинат бумага / фольга / полиэтилен	Сыпучие и жидкие продукты



2. СПОСОБЫ СВАРКИ

шов сварка инфракрасный газовый

В настоящее время разработано ряд способов сварки, как полиэтилена, так и вообще всех термопластов. Все известные способы сварки пластмасс могут быть разделены на два основных класса: способы сварки, основанные на передаче тепла свариваемому материалу от теплоносителей извне, через поверхность свариваемых изделий; и способы сварки, основанные на преобразовании в тепло вводимой в материал энергии, внутри самого материала. Классификация способов сварки пластмасс приведена на рисунке 2.1[7].

Рисунок 2.1 - Схема классификации способов сварки

Почти все перечисленные в схеме способы сварки пластмасс могут применяться и для сварки полиэтилена. Однако, каждый из способов имеет свои определенные преимущества и недостатки и в зависимости от конфигурации, толщины стенок и назначения деталей из полиэтилена, может быть дано предпочтение тому или иному из перечисленных способов. Но на практике весьма часто возникает необходимость сваривать изделия из полиэтилена в таких условиях, когда соединение может быть получено лишь с помощью ультразвуковой сварки. А так как способ ультразвуковой сварки является сложным и дорогостоящим, то с целью обоснования необходимости применения его для сварки изделий из пластмасс, ниже будут даны краткие характеристики основных способов сварки пластмасс и их области применения. Такой обзор поможет не только обосновать необходимость в ряде случаев применять ультразвуковую сварку, но и покажет эффективность применения данного способа в технологическом процессе изготовления различных изделий[7].

2.1 Сварка газовыми теплоносителями

При сварке газовыми теплоносителями термопластичный материал нагревается в месте будущего шва струей горячего воздуха или инертного газа, выходящего из горелки, при этом обычно пользуются присадочным прутком из того же материала, который сваривается. В случае, если сваривается пленочный материал, то зону разогрева необходимо ограничить двумя бесконечными лентами, перемещающимися вместе со сварочной головкой. При этом плёнку необходимо укладывать на мягкую подложку, обычно из микропористой резины.

За счет одностороннего нагрева материала газовыми теплоносителями наиболее целесообразно сваривать пленки полиэтилена толщиной не более 60 мк. При сварке газовыми теплоносителями прокладки между теплоносителем и свариваемым материалом отсутствуют в отличие от контактно-теплового метода сварки. Прочность сварных соединений в значительной мере зависит от режимов сварки: температуры газа, скорости сварки, расстояния между свариваемым материалом и соплом для выхода газа и. т.п.

Наилучшими сварные соединения получаются при температуре газа теплоносителя (на выходе из сопла) - 300оС - 320оС, и расстоянии между материалом и соплом равном 5 мм, при этом прочность получаемых соединений может достигать 90% от прочности основного материала. Однако при сварке струей горячего воздуха материал частично разрушается, что приводит и разрушению шва, и снижению его прочности.

Сварка газовыми теплоносителями удобна при изготовлении изделий в полевых и монтажных условиях. При наличии на свариваемых поверхностях изделий разливных веществ, качество сварных соединений значительно снижается, а иногда сварку таких поверхностей этим способом вообще невозможно получить[7].

2.2 Сварка нагретыми элементами

Сущность процесса сварки нагретым элементом состоит в том, что поверхности соединяемых пластмассовых материалов контактирующей с нагретой металлической пластинкой или другим инструментом и выдерживаются в таком положении до тех пор, пока полностью не расплавятся. Как только соединяемые поверхности материала достаточно размягчатся, их удаляют с нагревательных пластин (иногда удаляют нагреватель, иногда нагреватель остается в изделии), и свариваемый материал быстро соединяют, плотно зажимают в требуемом положении и выдерживают до тех пор, пока расплавившийся материал не охладится и не образуется прочное соединение.

По разновидности применяемых нагревателей различают: сварку под прессом; сварку нагретым инструментом (лезвием, клином); сварку нагретой лентой; индукционную сварку. Кроме того, по способу разогрева элемента различают термоимпульсную сварку и обычную сварку. При термоимпульсной сварке нагрев свариваемого материала осуществляется практически мгновенно, за счет пропускания импульса тока больной силы через нагревательные элементы. При точной дозировке количества тепла метод позволяет избежать перегрева свариваемых материалов в зоне шва.

2.3 Сварка под прессом

Данный способ находит применение в основном для сварки тонких пленок из различных пластмасс, при этом свариваемое изделие закладывается в пресс, как показано на рисунке 2.2, где при нагревании под давлением происходит оплавление пластика и его сварка[6].

Рисунок 2.2. - Схематическое изображение сварочного пресса: 1 - нагревательный элемент; 2 - прокладка; 3 - подвижная нагреваемая верхняя плита; 4 - неподвижная холодная нижняя плита; 5 - термоизоляция

Подводимое извне тепло поступает к месту сварки через верхний слой плёнки, что приводит к её перегреву. При сварке под прессом полиэтилена, последний прилипает к нагретому элементу, что требует принятия мер по предотвращению прилипания, как на рисунке 2.3, усложняющих и удорожающих этот способ сварки.

(а)

(б)

Рисунок 2.3 - Расположение прокладок в горячей плите (а) и в плите с импульсным нагревателем (б): 1 - нагревательный элемент; 2 - прокладка (обычно стеклоткань, пропитанная тефлоном); 3 - нагревательный элемент сопротивления, заделанный в прокладке

Рисунок 2.4 - «Рабочая карта» сварки полиэтиленовой плёнки. Пунктирные линии ограничивают область режимов, при которых можно получить качественный сварной шов

Из рисунка 2.4 можно видеть, что температуры, на которых производится сварка полиэтилена толщиною 35 мк, более чем в два раза превышает температуру его плавления, а это в конечном результате приводит к получению швов малой прочности, как в процессе сварки, так и в процессе эксплуатации. Тем не менее, благодаря простоте, данный способ нашел широкое применение для изготовления мешков из полиэтилена малой толщины и других изделий, где необходимо сваривать швы малой длины. В случае же загрязнения свариваемых поверхностей жидкостями, маслами, пылью и др. или при сварке более толстых слоев полиэтилена, этот способ оказывается неприемлемым[6].

2.4 Сварка непрерывным швом

Для получения швов большой протяженности, применяются машины с роликовыми нагревательными инструментами. Вместо роликов могут быть также использованы металлические ленты с высоким омическим сопротивлением, при этом нагрев материала может осуществляться как с одной стороны, так и с двух сторон.

При одностороннем нагреве пластика на поверхности пленки развивается наиболее высокая температура. В случае двухстороннего нагрева, контактирующие с нагревателями поверхности меньше перегреваются, однако при значительной толщине пластика температура его в зоне сварки ниже температуры на поверхности[2].

2.5 Сварка нагретым инструментом

Нагретая металлическая пластина помещается между свариваемыми кромками. После того, как тепло от пластины размягчит свариваемые поверхности, пластину быстро удаляют, а поверхности соединяют, сдавливая с определенным усилием. Чтобы исключить охлаждение разогретых поверхностей, время с момента удаления нагревателя, до сдавливания поверхностей должно быть минимальным. Сварка обычно происходит одновременно по всей поверхности.

К основным недостаткам данного способа следует отнести то, что возможен перегрев материала, а это приводит к снижению прочности шва. Кроме того, перед сваркой требуется тщательная очистка поверхностей, так как наличие в зоне шва загрязнений препятствует получению швов с помощью этого способа[2].

2.6 Индукционная сварка

По способу аккумулирования тепла в зоне шва, существуют две разновидности индукционной сварки. В одном случае получают тепло, индуцируя ток в замкнутом контуре, в другом ток пропускают через проводник с большим омическим сопротивлением. Как в том, так и в другом случае, между двумя свариваемыми деталями закладывается вставка из металла, которая после сварки остается в большинстве случаев в изделии.

Индукционный способ сварки удобен для соединения толстостенных изделий, однако неплотное прилегание свариваемых поверхностей к металлической вставке, приводит к значительному перегреву материала в этом месте и его деструкции. Не допускается также попадание в зону сварки различных веществ[3].

2.7 Сварка инфракрасным излучением

Способ сварки ИК-излучением позволяет получать соединения на различных толщинах полиэтиленовых пленок, и может быть рекомендован также и для сварки толстых пленок и многослойных пакетов из полиэтиленовой пленки. На рисунке 2.5 указана схема сварки полимерных пленок инфракрасным излучением.



Рисунок 2.5 - Схема сварки полимерных пленок инфракрасным излучением

Согласно основным физическим законам интенсивность ИК- излучения пропорциональна четвертой степени температуры тела, используемого как излучатель, а максимум распределения энергии по спектру при увеличении температуры тела излучателя смещается в строну коротких волн. Максимальная температура в зоне сварки и скорость ее нарастания при ИК- облучении в значительной степени зависит от свойств подложки, на которую укладывается материал при сварке. На рисунке 2.6 показана зависимость температуры, развиваемой в полиэтилене, от материала подложки[3].

Рисунок 2.6 - Зависимость температуры, развиваемой в полиэтилене, от материала подложки. Материал подложки: 1 - сажа; 2 - черная бумага; 3 - белый поролон; 4 - белая бумага; 5 - микропористая резина; 6 - офсетное полотно - резина; 7 - стеклоткань; 8 - без подложки



Скорость сварки полимерных материалов зависит от интенсивности и плотности энергии облучения, степени поглощения ИК-излучения материалами, их толщин и применяемых подложек, но во всех случаях незначительна. Однако отсутствие непосредственного контакта расплавленной зоны полимера с источником нагрева при сварке ИК-излучением, позволяет получать сварные соединения, большей прочности, чем при сварке с помощью нагретых элементов.

При сварке ИК-излучением недопустимо напряженное состояние материала, а также наличие посторонних веществ в зоне сварки, пыли, жидкостей и т.п[3].

2.8 Сварка трением

Сварка трением, или фрикционная сварка происходит за счет тепла, выделяющегося в результате трения при вращении относительно друг друга двух соприкасающихся деталей. Сварку трением можно применять для соединения всех поверхностей, которые можно тереть друг о друга с помощью токарного, сверлильного станков или другого подходящего оборудования. Основными достоинствами фрикционной сварки являются скорость и простота процесса[7].

Тепло генерирующееся в результате трения, оплавляет лишь свариваемые поверхности, в то время как температура остального материала практически не меняется. Перед сваркой не требуется специальной обработки соединяемых поверхностей. Грубо отпиленные детали можно сваривать также хорошо, как и детали чисто обработанные. Однако для фрикционной сварки пригодны лишь детали с круглым поперечным сечением, кроме того, при фрикционной сварке возможно появление локальных перегревов и пригорание материала. Поэтому конфигурация трущихся поверхностей должна быть подобрана так, чтобы свести эти явления к минимуму и исключить попадание пригоревшего материала внутрь шва. Другим недостатком процесса является ориентация материала и концентрация напряжений в шве. Поэтому после фрикционной сварки часто необходим отжиг готового изделия. Фрикционная сварка успешно может применяться для сварки труб из полиэтилена, приварки фитингов, фланцев и других деталей малой длины и небольшого диаметра, а также деталей, обладающих достаточной жесткостью[7].

2.9 Сварка экструдированной присадкой

При сварке экструдированной присадкой детали соединяются струей расплавленного материала, которая подается встык между деталями. Шприцуемая струя, состоящая из того же материала что и детали, несет достаточно тепла, чтобы оплавить соединяемые поверхности изделий. После охлаждения свариваемого материала получается гомогенная структура. Нагревание материала в шприц машине осуществляется в основном за счет механической работы червяка.

Метод сварки экструдированной присадкой может применяться для соединения таких материалов, которые плавятся при сравнительно низких температурах и могут нагреваться при экструзии значительно выше точек размягчения материала без заметного разложения. К числу таких материалов относятся полиэтилен и полипропилен, сополимеры этилена с пропиленом.

Этим способом можно сваривать пленки из полиэтилена самой различной толщины. При сварке пленок до 60 мк присадка подается поверх слоев соединяемого материала. При толщине пленки выше 60 мк присадку следует подавать между слоями материала. Присадочный материал должен быть нагрет до температуры 220-2400 C[6].

Скорость сварки для пленок толщиной 150-220 мк составляет 20-25 м/мин. При увеличении экструдера скорость сварки может достигать 100-150 м/мин.

Способ сварки экструдированной присадкой находит широкое применение при сварке прямолинейных швов большой протяженности. Однако, при сварке полиэтилена с загрязнений поверхностью прочность соединения значительно снижается в связи с чем необходимо тщательно очищать место сварки, кроме того этим способом могут быть сварены изделия толщиной выше 200мм только встык, а также такие изделия которые могут быть поданы между вальцами. Большая скорость сварки затрудняет стыковку кромок. Не допустима также напряженность материала[6].

2.10 Сварка токами высокой частоты

Метод основан на действии тока высокой частоты на заряженные молекулы полимерной пленки. Этот метод применим только для полярных полимеров. Полиэтилен невозможно сварить током высокой частоты, потому что у его макромолекул нет дипольного момента. ПВХ -полярен, и ТВЧ широко используют для его нагрева. Полярные молекулы стараются расположиться в соответствии с колебаниями электрического поля. В результате таких быстрых колебаний возникает внутреннее трение, которое приводит к разогреву материала. Это позволяет соединить слои полимерной пленки, особенно если приложено давление. Поскольку нагрев происходит равномерно по всей пленке, нет риска перегрева материала, как это происходит при внешнем нагреве. В последнем случае температура поверхности будет значительно выше, чем температура в зоне контакта пленок. Как правило, используют частоты 50-60 МГц с напряжением около 25 кВ. Для очень тонких пленок рекомендуют использовать более высокие частоты и меньшие напряжения во избежание пробоя, возможного при значительном напряжении высокой частоты. Так как данный ток вызывает определенное количество тепла, надежнее использовать более высокие частоты при более низком напряжении, чтобы находиться ниже точки пробоя. Одним из преимуществ сварки ТВЧ является легкость, с которой можно произвести сварку через жидкость. Такой тип сварки используют в производстве шампуней, когда сваривают заполненный пакетик. Непрерывную трубку заполняют жидкостью и отдельные пакетики получают сваркой поперек трубки[3].

Преимуществом данного метода является то, что можно создавать профилированные швы с помощью профилированных электродов. Производство пакетиков с шампунем, которые легко открыть по шву, является одним из примеров использования профилированных электродов; другим примером является капсулирование дорогостоящих и точных деталей автомобилей и самолетов. Детали помешают в вакуум-формованный прозрачный лист жесткого ПВХ и добавляют ингибитор коррозии. Такой же лист помещают сверху и сваривают профилированными по данной детали электродами, получая при этом прозрачную жесткую герметично закрытую упаковку, обеспечивающую полную защиту его содержимого.

Следующим преимуществом сварки ТВЧ является равномерный прогрев всей пленки. При тепловой сварке свариваемые поверхности нагреваются от соприкосновения с нагреваемым электродом, температура которого поэтому должна быть существенно выше требуемой вследствие плохой теплопроводности материала.

Параметрами процесса высокочастотной сварки являются температура, давление и подаваемая энергия. Для тонких пленок время нагрева может быть больше теоретического из-за больших теплопотерь (вследствие большой поверхности и низкого теплосодержания). В таких случаях можно использовать буферы, чтобы задержать как можно больше тепла. Давление не должно быть высоким, чтобы не вызвать утонение пленки, оно должно просто обеспечивать хороший термический контакт между свариваемыми поверхностями. Выдержка пленки после сварки под давлением позволяет увеличить прочность сварного шва. Важность величины подводимой энергии уже обсуждалась при рассмотрении вопроса о «пробое»[7].



3. ИЗМЕРЕНИЕ ПРОЧНОСТИ СВАРНОГО ШВА

3.1 Сварочная машина HSG-C

Сварочная машина предназначена для проведения испытаний и определения параметров сварки в соответствии с различными стандартами для пленок, ламинированных покрытий и других материалов, которые подвергаются тепловой сварке. Данная машина показана на рисунке 3.1, на рисунке 3.2 указаны режимы сварки, которая данная машина может сделать[8].

Рисунок 3.1 - Машина HSG-C

Рисунок 3.2 - режимы сварки



Технические характеристики указаны в таблице 3.1

Таблица 3.1 - Технические характеристики

Характеристика	Значение
Поставка сжатого воздуха, бар	макс.10
Сварочные зажимы, мм	150 x 10
Температура сварки, °C	От обтекающей температуры до 300
Сварочная сила для всей сварочной области, N	40 к 990
Выдержка времени, с	0.1 - 50.0
Максимальная толщина образца,мм	3
Габариты, см	68 x 35 x 44
Вес, кг	24
Рабочая температура, °C	15 - 35
Электрическое соединение, V/Hz	230 /50 - 60
Расход энергии, W	500

Особенности МашиныHSG-C:

1. Микропроцессорное управление работой машины, ввод данных с сенсорной панели и вывод текущих параметров работы на жидкокристаллический дисплей

2. Механическая система контроля давления (40--990 Н)

3. Отдельный температурный контроллер для верхней и нижней щеки (до 300°С)

4. Прочная и надежная конструкция корпуса, защитный кожух

5. Коммуникационные возможности: разъем RS-232 для подключения к компьютеру или вывод параметров испытаний непосредственно на печатающее устройство.

6. Система оценки сварки шва в горячем состоянии (сразу после сварки).

3.2 Разрывная машина ZwickRoellZwiki-line Z5.0

Представляет собой самую универсальную и многоцелевую машину для определения разрыв в мире. Эти свойства являются результатом интеграции головки для измерения твердости в испытательную машину Zwicki-Line. Измерительная головка сконструирована таким образом, чтобы ее можно было использовать со всеми машинами фирмы Zwick, а также для автоматизации. Благодаря смене приспособлений, эту модульную систему можно применять также для проведение испытаний на сжатие и изгиб.

В измерительную головку встроены цифровая система измерения перемещения, датчик силы и сменный индентор с измерительным щупом. Возможно проведение всех видов испытаний с измерением глубины отпечатка: например, определение твердости по Мартенсу НМ, твердости по Роквеллу, твердости при вдавливании шарика Н, измерение глубины по Виккерсу HVT и Бринеллю HBT [5].

Для проведения испытаний по Виккерсу, Кнупу или Бринеллю используется дополнительный модуль "Оптика" с головкой для измерения твердости. Этот модуль состоит из измерительного микроскопа с объективами и линейного механизма перемещения, обеспечивающего смену микроскопа на нагружающий механизм и обратно. Благодаря этому, нет необходимости двигать испытываемое изделие; моторизованный вариант механизма перемещения превращает машину в полностью автоматическую испытательную систему. На рисунке 3.3 указан данный аппарат. В таблице 3.2 указаны характеристики данной машины [8].



Рисунок 3.3 - Разрывная машина ZwickRoellZwiki-line Z5.0

Таблица 3.2 - Характеристики ZwickRoellZwiki-line Z5.0

Характеристика	Значение
1	2
Нормальная нагрузка,Н	500
Масса машины, кг	70
Габариты машины, мм	400х489х1279
Уровень шума, дБ(А)	66
Температура эксплуатации, °C	10-35
Относительная влажность, %	20-90
Максимальная нагрузка, Н	825
Напряжение сети, В	100, 110, 120, 200, 220, 240
Мощность, В*А	440
Частота, Гц	50 - 60



3.3 Измерение толщины материала

Сущность метода заключается в механическом сканировании толщины образцов.

Толщину пленки измеряли по ГОСТ 17035 по методу А в комнатных условиях при температуре 23 оС и относительной влажности 55%. Измерения проводили по всей ширине без предварительного кондиционирования. Первое измерение толщины проводили на расстоянии 10 мм от края полосы, последующие - каждые 50 мм. За результат испытания партии принимали номинальное значение толщины пленки [8].

Для измерений применяли толщиномер UL-CHY-C2. Общий вид машины представлен на рисунке 3.4,характеристики сведены в таблицу 3.3.

Рисунок 3.4 - Общий вид машины UL - CHY-C2

Таблица 3.3 - Характеристики толщиномера UL-CHY-C2

Характеристика	Значение
Диапазон измерений, мм	0 - 2
Разрешение, мкм	0,1
Производительность, анализ/мин	50 (пленка), 200 (бумага)
Площаль контактной поверхности, мм2	220
Напряжение, В	220
Частота, Гц	50/60
Габаритные размеры, мм	300 х 275 х 300
Вес	33

3.4 Материал для проведения испытания

Для проведений испытаний будем использовать дуплексный ламинат PE/PET полученный способом бессольвентной ламинации.

Данный ламинат используется в качестве барьерной упаковки масло-жиросодержащих, дегидрированных продуктов.

Пленки ПЭ - имеют наиболее низкую температуру сварки, прочное сварное соединение, устойчивы к раздиру, мутные. Плотность 0,93 г/см3. Пэ пленки обладают низкой прочностью к разрыву, при этом значительно удлиняются. Обычно, подобные пленки получают методом выдувной экструзии. Барьерные свойства - низкие. Такие пленки применяют самостоятельно, в целях защиты от влаги и загрязнений и в качестве термосвариваемого слоя в ламинатах [8].

Пленки ПЭТФ - характеризуются высокими показателями прочности на разрыв и надрыв, прозрачностью. Плотность 1,4 г/см3. ПЭТФ не подвержен термосвариванию. Пленки, нестойки к раздиру и проколу. ПЭТФ получают методом плоскощелевой экструзии с последующей вытяжкой в по дольном и поперечном направлениях. Барьерные свойства - высокие. По необходимости, для значительного усиления барьерных свойств, ПЭТФ подвергают вакуумной металлизации. Пленки ПЭТФ применяют в качестве армирующего и барьерного слоя в ламинатах [7].

3.5 Проведение испытания

Для испытания применяют образцы в форме прямоугольника шириной от 10 до 25 мм, длиной не менее 150 мм. Предельные отклонения по ширине образца должны быть ±0,2 мм.

Ширина образца должна быть указана в нормативно-технической документации на материал.

За толщину образца принимают толщину испытуемого материала. Допускается применять образцы типа 1 и типа 2 по ГОСТ 11262-80.

Тип, способ, режим изготовления и отбор образцов должны быть указаны в нормативно-технической документации на материал. Края образцов должны быть ровными, гладкими, без зазубрин и других видимых дефектов. Для проверки качества кромок образцов рекомендуется пользоваться лупой с не менее 8- увеличением.

Для испытания изотропных материалов используют не менее пяти образцов, для испытания анизотропных - не менее пяти образцов, отобранных в направлениях, которые должны быть указаны в нормативно-технической документации на материал.

Перед испытанием на центральную часть образца наносят метки, ограничивающие расчетную длину, которая должна быть указана в нормативно-технической документации на материал и должна быть не менее 50 мм для образцов прямоугольной формы. Нанесение меток на образцы не должно приводить к изменению свойств образцов и к разрушению образцов по меткам [8].

Толщину и ширину образцов измеряют в трех местах, в середине образца и на расстоянии 5 мм от краев меток. Из полученных значений вычисляют средние арифметические, по которым вычисляют начальное поперечное сечение.

Образцы закрепляют в зажимы испытательной машины. Их равномерно затягивают, чтобы не происходило скольжения образца при испытании, но при этом не разрушался образец в месте закрепления.

Расстояние между зажимами испытательной машины должно быть указано в нормативно-технической документации на материал. При отсутствии указаний выбирают зажимную длину 100 мм для образцов прямоугольной формы[5].

Испытания проводят при температуре (23±2) °С и относительной влажности (50±5)%, если в нормативно-технической документации на материал нет других.

При испытании постоянно измеряют нагрузку и удлинение образца. При записи "нагрузка-удлинение" определяют показатели испытания на растяжение в соответствии с чертежом.

Допускается вычисление значения удлинения образца по измерению расстояния между зажимами.

Образцы, разрушающиеся при испытании за пределами расчетной длины, или у которых в процессе испытания обнаружены дефекты материала, в расчет не принимают.

В сварочную машинуHSG-C берем по 15 образцов ламината и свариваем каждые 3 образца под разным давлением начиная с 10 Па при температуре сварки равной 130 °C. Подобные испытания проводим при температуре 140 °C и 160 °C соответственно.

3.6 Обработка результатов

Результаты измерений при температуре 130 °C занесены в таблицу 3.4. В таблицах 3.5 и 3.6 результаты испытаний при температуре 140°C и 160 °C соответственно.

Таблица 3.4 - Результаты испытаний при температуре 130 °C

N образца	Давление, Па	F max, N	F разруш, N	Среднее значение
				F max, N	F разруш, N
1	10	67,9	13,57	67,886667	13,6
2		67,85	13,6
3		67,91	13,63
4	30	72,8	49,9	72,803333	49,9
5		72,83	49,86
6		72,78	49,94
7	50	68	68	68,01	67,41
8		67,97	67,84
9		68,06	66,39
10	70	63,7	69,9	63,476667	67,56667
11		63,78	64,2
12		62,95	68,6
13	90	66	65,8	66,123333	64,6
14		65,86	63,2
15		66,51	64,8

Таблица 3.5 - Результаты испытаний при температуре 140 °C

N образца	Давление, Па	F max, N	F разруш, N	Среднее значение
				F max, N	F разруш, N
1	2	3	4	5	6
1	10	68,56	12,9	67,54667	13,113333
2		66,7	13,6
3		67,38	12,84
4	30	63,26	45,36	63,37	45,693333
5		63,98	44,74
6		62,87	46,98
7	50	65,67	62,35	65,83	63,323333
8		64,98	63,21
9		66,84	64,41
10	70	64,5	61,36	64,18667	62,09
11		64,28	62,13
12		63,78	62,78
13	90	63,52	63,76	63,42667	61,716667
14		63,78	61,57
15		62,98	59,82

Таблица 6 - Результаты испытаний при температуре 160 °C

N образца	Давление, Па	F max, N	F разруш, N	Среднее значение
				F max, N	F разруш,N
1	2	3	4	5	6
1	10	70,9	12,65	70,39	12,72667
2		71,32	13,64
3		68,95	11,89
4	30	62,6	42,4	62,72333	42,72667
5		62,45	43,8
6		63,12	41,98
7	50	59,49	57,32	59,38667	56,30667
8		58,76	56,13
9		59,91	55,47
10	70	66,85	63,32	66,41333	62,31667
11		65,98	62,15
12		66,41	61,48
13	90	60,37	58,63	60,43667	58,63667
14		59,16	57,41
15		61,78	59,87

По результатам испытаний составим график «Влияние давления и температуры сварки на прочность сварного шва». Данный график показан на рисунке 3.5.

Рисунок 3.5 - Влияние давления и температуры сварки на прочность сварного шва

Из увиденного графика можно сделать вывод, что прочность сварного шва при давлении в 30 Па выше при любых температурах. Остальные результаты приблизительно равны друг к другу.



4. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ АДГЕЗИИ

Методы измерения адгезии можно классифицировать по способу нарушения адгезионной связи: неравномерный отрыв, равномерный отрыв и сдвиг [5]. Разрушающие методы могут быть статическими и динамическими. Однако следует иметь в виду, что не существует методов, при использовании которых напряжения распределялись бы действительно равномерно и представляли бы собой сдвиг или отрыв в чистом виде. Поэтому такая классификация весьма условна.

В зависимости от метода испытания за меру адгезии могут быть приняты сила, энергия или время. Для динамических методов показателем прочности адгезионного соединения служит число циклов нагружения до разрушения.

Наиболее распространены методы неравномерного отрыва (отслаивания, расслаивания). Они позволяют выявить колебания в величине адгезии на отдельных участках испытуемого образца. Кроме того, эти методы дают достаточно хорошую воспроизводимость результатов и отличаются простотой. Предположение об одновременном нарушении связи между адгезивом и субстратом по всей площади контакта (методы равномерного отрыва и сдвига) не всегда правильно. По этой причине усилие отрыва или сдвига, отнесенное к площади отрыва, можно рассматривать только как весьма приближенную характеристику адгезии [5].

Наряду с количественной характеристикой прочности адгезионного соединения необходимо знать характер разрушения - когезионный, адгезионный или смешанный.

4.1 Метод неравномерного отрыва

Методы неравномерного отрыва весьма разнообразны. Общим признаком для них является нарушение связи между адгезивом и субстратом, причем усилие прикладывается не к центру соединения, а к одному его краю, поэтому связь нарушается постепенно.

Разделение двух гибких материалов называют расслаиванием, а отделение гибкого материала от жесткого - отслаиванием. Если пленка адгезива (покрытия) недостаточно прочна, то при отделении от субстрата она может разрушиться. Чтобы этого не произошло, пленка укрепляется подходящим армирующим материалом. Пользоваться армирующим материалом приходится и в тех случаях, когда адгезив или субстрат под действием расслаивающего усилия способен сильно деформироваться -растягиваться. В тех случаях, когда разделяются путем постепенного нарушения связи два монолитных, негибких материала, такое испытание называют раскалыванием или отдиром. Все эти виды испытаний могут быть объединены одним общим термином - неравномерный отрыв. Различные схемы испытаний на неравномерный отрыв приведены на рисунках4.1 и 4.2 соответственно.

Рисунок 4.1 - Схемы испытаний по отслаиванию жестких материалов: а внецентренное растяжение для блочных материалов; б -изгиб для плиточного и листового материалов; в -изгиб для листового материала; г - консольный изгиб



Рисунок 4.2 - Схемы испытаний по отслаиванию гибких материалов от жесткой подложки под углом 90° (а, б, в) и 180° (г) и по расслаиванию гибких материалов (д)

Распределение напряжений в системе зависит от угла приложения силы. Меняя угол приложения силы, можно получить чистый сдвиг, чистое расслаивание, а также их сочетание. Сопротивление отслаиванию при постоянной скорости и прочих равных условиях является, таким образом, функцией величины угла отслаивания , то есть угла между направлением действующей силы и плоскостью склеивания.

Напряжения, возникающие под действием приложенной внешней силы, распределяются равномерно по толщине и ширине образца и являются функцией расстояния от передвигающейся границы разрушения. По мере изменения угла отслаивания меняется характер процесса разрушения. Минимальное сопротивление отслаиванию имеет место при угле 180. По мере уменьшения угла сопротивление отслаиванию постепенно возрастает. При некотором малом угле отслаивания наблюдается переход от разрушения вследствие отслаивания к разрушению под действием сдвига, а при угле отслаивания, равном 0, разрушение осуществляется только путем сдвига.

4.2 Метод равномерного отрыва

Методом равномерного отрыва измеряют величину усилия, необходимого для отделения адгезива от субстрата одновременно по всей площади контакта. Усилие при этом прикладывается перпендикулярно плоскости клеевого шва, а величина адгезии характеризуется силой, отнесенной к единице площади контакта (в Н/м2).

Чаще всего для измерения адгезии пользуются образцами грибкового типа, между торцовыми поверхностями которых находится адгезив. Таким способом измеряют, например, адгезию резины к металлам. Формы грибков и прослоечной резины весьма различны, как на рисунке 4.3.

Рисунок 4.3 - Резинометаллические образцыдля определения адгезии резины к металлам

Чтобы избежать образования шейки при испытании, предложены образцы с диаметром резинового диска, превышающим диаметр металлического грибка. В последнее время рекомендованы грибки конической формы. Однако ценность такой модификации сомнительна: концентрация усилий у вершины конуса, а также сочетание сдвига с отрывом создают весьма сложное распределение напряжений.

Для измерения адгезии заливочных компаундов к металлам, полимеров к стеклу, прочности связи между слоями в стеклопластиках два грибка или цилиндра, имеющие на торцевой части уже сформированное покрытие, склеивают специально подобранным клеем, адгезия которого к покрытию должна быть выше, чем адгезия покрытия к подложке. К поверхности покрытия, нанесенного на подложку, иногда приклеивают отрывающее приспособление, а затем прикладывают усилие, направленное перпендикулярно поверхности покрытия, как на рисунке4.4. Применение этого метода ограничено из-за трудности подбора соответствующего клея.



Рисунок 4.4 - Схемы измерений адгезии полимеров к различным материалам методом отрыва: а -резина к ткани (1 -ткань, укрепленная на деревянном грибке; 2 - резина); б -смола к стеклу (1 -металлические цилиндры; 2 -стеклянные пластинки; 3 -клей; 4 -слой смолы); в - заливочные компаунды к металлам (1 -металлическая подложка; 2 -компаунд; 3 - держатели)

Иногда вместо склеенных встык цилиндров для измерения адгезии методом отрыва применяют образцы в виде крестовины, как на рисунке4.5. Таким методом измеряют адгезию клеев к металлам, дереву и стеклу.

Рисунок 4.5 - Определение адгезии клеев к различным материалам на образцах в форме крестовины: 1 -клеевой шов; 2 - захват для крепления образца при испытании; 3 - бруски

В образцах типа грибков и крестовин под действием нагрузки возникают сложные и неоднородные напряжения. Адгезив растягивается сильнее, чем субстрат, и в большей степени подвергается поперечному сжатию. При этом возникают сдвиговые напряжения. Результирующие напряжения в слое адгезива оказываются неодинаковыми в различных местах площади контакта. Кроме того, растягивающее усилие не всегда прикладывается точно по оси образца. Все это вызывает наряду с отрывом появление расслаивания.

Более равномерного распределения напряжений можно добиться увеличением длины цилиндрического образца и уменьшением площади склеивания, что снижает влияние расслаивания при отрыве.

4.3 Метод сдвига

Касательные напряжения создают в клеевых конструкциях различными путями, например растяжением соединенных внахлестку материалов. Этим методом измеряют адгезию металлов, древесины, пластмасс, а также резины к резине и металлам. Различные схемы испытаний на сдвиг при растяжении образцов показаны на рисунке 4.6.

Рисунок 4.6 - Схема испытаний клеевых соединений на сдвиг растягивающей нагрузкой: а -шов односторонний внахлестку; б -двусторонний внахлестку; в -односторонний в нахлестку с накладкой; г -двусторонний внахлестку с накладкой; д -скошенный шов



Установлено, что разрушающее напряжение не зависит от ширины образца, но линейно зависит от его длины до некоторого предела. При дальнейшем увеличении длины образца разрушающая нагрузка стремится к постоянной величине. Причина этого заключается в концентрации напряжений у концов образца, вызванной разностью деформаций склепных элементов и их изгибом.

Испытание клеевых соединений на сдвиг (срез) под действием сжимающих нагрузок, как на рисунке4.7 наиболее характерно для соединения материалов значительной толщины. Иногда этим методом испытывают и образцы из тонких слоев металла, но в таких случаях к ним подклеивают для устойчивости толстые деревянные бобышки.

Рисунок 4.7 - Схема испытаний клеевых соединений на сдвиг сжимающей нагрузкой: а - одностороннее соединение плиточных материалов; б - двустороннее соединение плиточных материалов; в, г - соединение цилиндра со стержнем

Испытание на сдвиг при кручении образцов имеет перед рассмотренными методами растяжения и сжатия одно важное преимущество: при кручении возникает чистый сдвиг без отрывающего усилия. В наиболее чистом виде сдвиг реализуется при скручивании двух тонкостенных цилиндров, склеенных торцами. На рисунке4.8 приведены схемы испытаний клеевых соединений скручиванием.



Рисунок4.8 - Схемы испытаний клеевых соединений на сдвиг при кручении: а - соединение прутков встык; б - соединение труб внахлест; в - соединение прутка с трубой внахлест; г - соединение труб встык

Широкое распространение получили методы измерения адгезии путем выдергивания из блока полимера введенной туда заранее нити корда, металлической проволоки или стеклянной нити. Часто таким способом определяют адгезию кордной нити и металлокорда к резине. В настоящее время наиболее распространен Н-метод, названный так из-за формы образца, напоминающего букву Н (рисунок 4.9). Этот метод используют и для определения адгезии стекловолокна к связующему (рисунок 4.10), а также для измерения адгезии в системе полимер-металл, как рисунке4.11.

Рисунок 4.9 - Схема измерения прочности связи корда с резиной: 1 -держатель образца;2 - резиновые блоки; 3 - нить



Рисунок4.10 - Схема измерения адгезии стекловолокна к связующему: 1 волокно;2 - слой смолы, нанесенный на волокно

Рисунок4.11 - Схема измерения адгезии клея к металлам: 1 - металлическая нить; 2 - слой клея; 3 - планка с отверстием

Сдвиговые усилия возникают на границе между адгезивом и субстратом и в случае деформации полимерного блока, внутри которого находится субстрат. На этом принципе основан метод измерения адгезии резины к текстилю. При испытании по методу отслоения при статическом сжатии нить корда располагают внутри образца по диаметру среднего сечения. Испытание заключается в определении усилия сжатия, при котором сдвиговые напряжения между резиной и кордом достигают величины, равной прочности связи между материалами. В тот момент, когда воронкообразное углубление, возникшее на поверхности образца при его сжатии, исчезает измеряют нагрузку, как показано на рисунке 4.12. Момент отслоения нити определяют визуально или с помощью тензодатчиков, контролируя величину внутренних напряжений.

Рис. 4.12. Схема измерения прочности связи резины с кордом при статическом сжатии: а - образец до испытания; б - сжатый образец; в - сжатый образец после отслоения нити

Все рассмотренные методы измерения адгезии характеризуются кратковременным приложением нагрузки. Это статические методы. Но иногда проводят измерения адгезии путем приложения знакопеременных циклически изменяющихся нагрузок, ударных и длительных статических нагрузок.

Практически многие методы, применяющиеся при статических кратковременных испытаниях, могут быть использованы для испытаний на длительную статическую прочность. Это относится к испытаниям клеевых соединений металлов и других материалов.



5. ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ АДГЕЗИИ

Наиболее распространенным прибором для измерения адгезии являются обычные силоизмерители типа разрывных машин (динамометры). Конструкции динамометров весьма разнообразны. Наиболее часто применяются маятниковые динамометры. Они очень просты в работе, однако, им присущи некоторые недостатки: помимо громоздкости и пониженной точности из-за трения в оси маятника эти приборы отличаются инерционностью. Поэтому в некоторых случаях, например, при измерении адгезии методом отслаивания или расслаивания, инерционность силоизмерителя может вносить ошибку в показания прибора. Поэтому в настоящее время применяются безынерционные силоизмерители. Деформация упругого элемента в этих приборах измеряется с помощью электронной аппаратуры.

Для определения прочности приклеивания облицовочных материалов методом неравномерного отрыва и адгезии лакокрасочных покрытий методом равномерного отрыва применяют адгезиометры.



6. ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СВАРКИ НА ПРОЧНОСТЬ СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ

Исследование технологиче...