НАГРЕВ И ОХЛАЖДЕНИЕ ЗОНЫ СВАРКИ
Поскольку фторопласт-4 характеризуется низкой скоростью кристаллизации, разогрев образцов приводит к закалке внешних слоев полимера при относительном сохранении исходного состояния внутренних слоев, что обусловливает различие в пластических свойствах этих слоев и снижение прочности соединений. Это в свою очередь приводит к неравномерности прочности сварных соединений по сечению свариваемых образцов, когда дог ольно высокие значения прочности внешних слоев компенсируют малую прочность внутренних слоев.
Вследствие низкого значения теплопроводности материалов распределение температурного поля при двустороннем контактном нагреве может быть описано выражением закона теплопроводности Фурье для одномерного потока в неограниченной пластине [17]:
ДТхл/дТ = а(д2ТхЛ/дх (1)
Решение которого при граничных условиях Тх 0 = fx
T±R4 = Тст = const
(где Тст - температура стенки; R-расстояние от поверхности пластины до центральной ее плоскости); Тх t ~ температура в точке образца с координатой х в момент времени t) может быть представлено в виде удобного для расчета на ЭВМ выражения:
0 = (Гп - T0)/(Txt - Г0) = £ An cos n„(x/tf)exp(-n2Fo), (2)
П= l
Где An = 1Г 1 (2ДО; ци = (2п - 1)я'2
(здесь 7^-температура поверхности образца, равная Тсг; Т0-исходная температура образца).
Аргументом этого выражения является критерий Фурье Fo:
Fo = at21 Я2, (3)
Где « коэффициент температуропроводности; /-время нагрева (охлаждения).
Для применяемых при сварке фторопласта-4 толщин и соответствующих им значений I распределение температур н толщине материала с достаточной точностью может быть описано тремя первыми членами выражения (2):
0 = (4/71) е~я2(р°/4) со5 (юс/2Я) - (4/371) е ” 9Л2 (Ро/4) СОБ {Ъ%х/2К) +
+ (4/571) е~25к2 (Го/4) соб (5тсх/2/?). (4)
Расчетная формула для вычисления температур может быть представлена так:
Расчет температурных полей показывает, что температура центрального слоя образцов при термоконтактном нагреве «следствие малого температурного градиента приближается к температуре нагревателей крайне медленно, особенно при средних и больших толщинах (5 мм и более). Как уже отмечалось, в некоторых случаях ускорение нагрева возможно путем введения в зону термоконтактного нагрева дополнительно ультразвуковых колебаний относительно небольшой интенсивности.
При построении расчетной схемы разогрева свариваемого материала при совместном действии контактного нагрева и ультразвука на основе экспериментальных данных принято, что при появлении в толщине материала зоны с температурой, близкой к температуре плавления кристаллической фазы (а-пере - ход), поглощение ультразвука локализуется в этой зоне. В результате объем, в котором в каждый момент времени выделяется тепло от рассеяния энергии ультразвуковых колебаний, ограничивается слоями с температурами 320-360°С. Граница этих температур в процессе нагрева перемещается от поверхности образцов к их центральному слою (плоскости стыка). Расчетная схема процесса приведена на рис. 2.1.
Рис. 2.1. Расчетная схема процесса тер- моулыпразвукового нагрева:
/н температура нагревателя (инструмента); Т0 начальная температура образца; ^-температура начала тепловыделения; Т2- температура «-перехода фторопла - ета-4; Х2-Х|-слой интенсивного тепловыделения (поглощения ультразвука); С-расстояние от инструмента до центрального слоя образца
Прирост температуры А Г в слое с температурой, близкой к температуре а-перехода образца, может быть определен
(6] |
С помощью выражения |
АТ = е2 E'(dT]t/(4pC0)y
Где е-мгновенное амплитудное значение деформации полимера; о-круговая частота; Е- динамический модуль упругости; ^--коэффициент механических потерь в слое с температурой, близкой к температуре а-перехода полимера; Г-время нагрева; р-плотность материала; С0-теплоемкость материала.
После подстановки значений величин, постоянных в исследуемом интервале температур и времен, выражение может быть представлено в удобном для мащишюго счета виде:
АТ - 695506,52е2;. (7)
В формуле приняты следующие значения параметров, полученные экспериментальным путем: Е! = 0,24 МПа, со = 2тс/ =
= 4000 с-1, р = 2,1 г/см3.
Условия затухания колебаний в слое приняты экспоненциальными:
(8) |
А = Л0ехр(— Яx),
Где А - амплитуда колебаний точки среды с координатой х; А0 - амплитуда колебаний на поверхности; Я-коэффициент поглощения колебаний.
Для фторопласта-4 Я при температурах слоя 320-360°С определен экспериментально и равен 0,078. Значение е2 может быть определено как
Г2 - [0,01ехр( —0,078х)]2 (/R2). (9)
Прирост температуры при подстановке этого выражения в (7) определяется уравнением
АТ = 695589,63 [0,01ехр(-0,078х)]2 (1 /R2). (10)
Анализ расчетных данных указывает на существенное различие между термоконтактным и термоультразвуковым разогрета
Ол 0,4 0,6 0,8 1,0 1Л 1Л 1,6 1,8 Ь, С Рис. 2.2. Термограмма разогрева центрального слоя образцов различной толщины (цифры у кривых): /- гермоультразвуковая сварка; 2 термоконтактная сварка |
И ом юны сварки, в частности наблюдается весьма существенное ускорение разогрева в плоскости соединения (рис. 2.2).