|
Международные технические выставки традиционно являются местом демонстрации новинок в области технологий и машиностроения. Практически ни одна из крупных отраслевых выставок не обходится без того, чтобы не показать новые и хорошо себя зарекомендовавшие разработки в области сварки полимерных материалов. Естественно, что сварка и родственные ей технологии заняли на крупнейшей международной отраслевой выставке «К-2010» достойное место. |
Новые технологии и оборудование Г. В. Комаров, д. т. н., МАТИ-РГТУ имени к. э. Циолковского, В. А. Гончаренко, д. т. н. |
|
|
|
Около 100 «сварочных» фирм — преимущественно западноевропейских (главным образом немецких) — приняли участие в выставке «К-2010», прошедшей с 27 октября по 3 ноября 2010 г. в г. Дюссельдорфе (Германия) и организованной, как обычно, выставочной компанией Messe Duesseldorf GmbH (в «К-2007» участвовали 108 таких фирм). В числе экспонентов были представлены многие давно известные на мировом рынке (Branson, bielomatik, Frimo, Herrmann Ultaschalltechnik, Leister, KLN, LPKF, Sonotronik, Telsonic и др.)» а также завоевывающие его фирмы, посвятившие свою деятельность сварке полимерных материалов (ПМ).
Сварочные установки и оснастку для сварки нагретым инструментом выставила 41 фирма (на «К-2007» -52), для ультразвуковой (УЗ) — 23 (27), для термоимпульсной — 23 (26), для лазерной сварки — 20 (28), для экструзионной — 15 (17), для сварки трением — 12 (13) фирм, для высокочастотной сварки — 9 (11). Видно, что совсем немного («в пределах разброса») «К-2010» уступила «К-2007» по числу экспонентов-«сварщиков», как, впрочем, и по общему количеству экспонентов (в 2010 г. их было 3130, в 2007 г. — 3102). Некоторое время авторы данного обзора пребывали в растерянности от обилия информации в данном секторе индустрии пластмасс, отраженном в экспозиции «К-2010», но затем решили пойти более «легким» путем. Дело в том, что если описывать всю продукцию фирм, специализирующихся в области технологии и оборудования для сварки ПМ, то можно констатировать, что многие из них заняты разработкой и продвижением очень близких друг к другу по принципам и уровню развития технологий и машин, которые и нацелены почти на одни и те же основные направления производства изделий из ПМ — упаковку, автомобилестроение, электронику и электротехнику, строительство, медицину и др. И чтобы ознакомить читателей с тем, чем заняты передовые фирмы в этой области, мы посчитали возможным репрезентативно рассмотреть экспозицию на «К-2010» одной из наиболее продвинутых среди них. Таковой была выбрана фирма bielomatik Leuze (Германия), работа которой проводится в русле современных тенденций развития сварки ПМ.
1. 0 выборе сварочной технологии и оснащения Если производитель нового для себя сварного изделия — потребитель сварочных оборудования и технологий — заранее выбрал какой-либо конкретный способ сварки и убежден в правильности своего выбора, то следующим шагом для него становится выбор «сварочной» фирмы из достаточно большого количества конкурентов, владеющих данным способом сварки. Если же существуют сомнения в правильности выбора, то за советом и техническим оснащением сварочного производства следует обращаться к фирмам, специализирующимся не в одной, а во многих сварочных технологиях: наверняка их рекомендации будут более объективными. Такая разноплановая специализация упомянутой фирмы (сварка нагретым инструментом, нагретым газом и с предварительным ИК-излучением, лазерная, ультразвуковая и высокочастотная сварка, вибрационная и ротационная сварка трением) была еще одной причиной описания именно ее экспозиции. К проведению «К-2010» фирма bielomatik, оборудование для сварки ПМ которой неоднократно освещалось в журнале «Полимерные материалы», приурочила публикацию целого комплекта материалов, в которых уделила большое внимание выбору способа сварки. Отмечается, что в распоряжении специалистов по обработке ПМ в настоящее время находится целый ряд способов образования соединений. Они все имеют как достоинства, так и недостатки, и часто требуется большой опыт, чтобы можно было выбрать «королевский путь» (Koenigsweg). На «К-2010» фирма продемонстрировала, как выглядит этот путь. Как неоднократно приходилось отмечать, выбирать наиболее пригодный способ сварки для создания конструкции с заданными функциональными свойствами и с учетом требований к геометрии соединения необходимо уже на стадии конструирования деталей. При этом способ сварки в первую очередь должен согласовываться с формой и размерами деталей, а также с материалом деталей. Кроме этого, критериями выбора служат экономичность, интегрируемость в производственный цикл и механические и эстетические требования к качеству зоны соединения. В настоящее время подлежащие соединению детали становятся все более сложными. Одновременно повышаются требования к качеству и Функциональности сварных изделий. Зачастую конкретные задачи, которые ставят клиенты перед сварочными машиностроительными фирмами, требуют индивидуальных производственных решений. Фирма bielomatik предлагает «из одних рук» такие решения по многим традиционным и ориентированным на будущее способам сварки. Интерес представляет предложенная ею схема классификации тепловых видов и способов сварки (рис. 1), которая, однако, не охватывает все их известные варианты. |
|
Рис. 1. Виды и способы сварки в зависимости от метода передачи и генерирования теплоты (* родственная технология, условно отнесенная к способу сварки). |
|
При описании своих разработок фирма стала обращаться к сравнительному анализу технологий, которые положены в основу сварочных машин. Этот анализ помогает потребителям более обоснованно выбрать подходящее оборудование. При выборе способа сварки и температуры нагрева различных термопластичных ПМ в зоне шва можно воспользоваться компактной диаграммой (рис. 2). | |
Рис. 2. Рекомендуемые способы сварки и нагрева места соединения различных термопластичных ПМ (полимерных материалов): УЗС — ультразвуковая сварка; СВТ — сварка вибротрением; РСТ — ротационная сварка трением; НИ — нагретым инструментом; СНИ СНИ — сварка НИ; НГ — нагретым газом; ЖКП — жидкокрислаллический полимер; |
|
Упор сделан на всех известных, находящихся в промышленном использовании способах сварки. Особенно должна приниматься во внимание возможность получения высококачественного сварного шва. Например, у анализируемой фирмы имеются машины для лазерной сварки, которые могут работать практически без образования сварочного наплыва и используются не только для производства изделий медицинской техники, в том числе в условиях «чистого» помещения (см. фото у заголовка статьи). Оптически безупречные сварные швы необходимы также у задних фонарей автомобилей. Машины для сварки трением, оснащенные системами предварительного ИК-нагрева, делают это возможным и обеспечивают высочайшее качество изделий. | |
Если предъявляются высокие требования по чистоте производства, то помимо лазерной сварки в условиях «чистого» помещения рекомендуется двухступенчатый бесконтактный способ сварки (ИК-сварка). На ярмарке презентовалась компактная машина К 2733 для комбинированной сварки ИК-излучением и нагретым инструментом (фото 1). С помощью средневолнового ИК-излучателя, состоящего из металлической фольги и керамического основания, на ней можно осуществлять аккуратную сварку деталей даже из полиамида, отличающегося низкой вязкостью расплава. На машине, имеющей возможность трехосного перемещения, вертикальный ход составляет 500 мм. Время переналадки с помощью привода от сервомотора может быть меньше 25 с. Размер плиты основания машины составляет 600×400 мм.
В целом на машинах фирмы чистую сварку можно осуществлять при использовании ИК- и лазерного излучения, нагретого инструмента, нагретого газа, термоимпульсного нагрева, токов ВЧ и вибротрения с предварительным ИК-подогревом свариваемых поверхностей. Кроме возможного изготовления аккуратных (без наплывов) швов характерной чертой оборудования фирмы является высокая экономичность всего процесса сварки. |
|
Фото 1. Машина К 2733 в процессе сварки коротковолновым ИК-излучением инструментального ящика автомобиля | |
На мировом рынке компании, принадлежащие к группе Leuze, предлагают надежные решения, которые основаны на использовании не только стандартных машин для сварки ПМ, но и продукции специального машиностроения. На машинах благодаря установке соответствующих модулей кроме чисто сварочных функций могут выполняться сверление, резка, фиксирование, монтаж.
Во всех своих разработках фирма bielomatik оглядывается на свой более чем 60-летний успешный опыт инжиниринга. Особое внимание в последнее время она уделила разработке машин для производства сварных изделий медицинского назначения. Соединять очень маленькие детали, и в том числе с очень тонкими стенками и неплоскими, криволинейными швами — типа 2О и ЗО, можно, используя машину для лазерной сварки из серии К 3633. Она пригодна также для обработки низковязких ПМ. При этом имеет место незначительная зона термического влияния. Вслед за этой машиной в 1990-е гг. фирма разработала квазиодновременную (quasi-simultan) лазерную сварку просвечиванием. Машину типа К 3633 можно оснастить различными источниками лазерного излучения. Речь идет о двухпозиционном вращающемся дисковом столе с занавесом от света и пусковым манипулятором. Рабочая площадь для фиксации свариваемых деталей составляет 100×100 мм, диаметр лазерного луча — 1,5 мм. Стеклянный стержень служит средством измерения смещения луча с точностью 0,001 мм. При усилии прижима 500 Н, размерах уголкового прижимного устройства 200×200 мм, простой быстрой смене фиксатора деталей гарантируется эффективный прижим деталей и производительная сварка. Эта сварочная машина с системой отсоса и фильтрации воздуха соответствует требованиям по чистоте помещения ISO класса 7/8. Объяснение этому факту лежит среди прочего в том, что лазерная сварка делает излишним применение выделяющих летучие продукты присадочных материалов, которые могут использоваться, например, при склеивании. В соответствии с требованием обратного отслеживания продукции медицинского назначения сварочные машины фирмы имеют возможность выдавать обширную задокументированную информацию, которая соответствует требованиям, существующим в области медицины и фармацевтики и касающимся квалифицирования характеристик машин, их монтажа, функционирования и выпуска изготавливаемых на них изделий. Фирма выпускает машины, пригодные для разных производственных условий. Примером может служить компактная сварочная машина К 3632 (см. фото у заголовка статьи). Обладающая маленькими размерами и поставляемая с вращающимся столом или для встраивания в конвейер, она может обеспечить высокую производительность. Для выпуска продукции в большом объеме пригодна упомянутая машина типа К 3633. Дополнительно к вращающемуся дисковому столу она может быть переоснащена двумя или четырьмя станциями или выполнена в конвейерном варианте. Благодаря этому машина может работать в условиях как опытного, так и серийного производства, что позволяет снизить инвестиционные затраты. Из этого вытекает, что стандартный модуль может быть преобразован в автоматизированную, ручную или экспериментальную машину. Высокая гибкость при смене свариваемых изделий и позиционировании деталей является одной из особенностей оборудования рассматриваемой фирмы. Фирма по заданию клиентов может создавать специальные машины. Кроме того, клиенты получают поддержку и консультации по выполнению сварки и конструированию деталей. В экспериментах отрабатывается процесс сварки и проводится испытание сварных соединений. Целью этих работ является оптимизация параметров режима сварки на предварительной стадии перед серийным производством, что позволяет обеспечить экономичное производство фармацевтических изделий на должном уровне.
2. Сварка нагретым инструментом Уже в течение 60 лет фирма bielomatik продолжает совершенствовать свое оборудование для сварки нагретым инструментом (НИ) (табл. 1), работающее по трем температурным вариантам. Сварка при условно «нормально высокой» температуре НИ (< 270 °С) требует нанесения на него антиадгезионного покрытия. При высокотемпературной сварке НИ (350-450 °С) такое покрытие не требуется. Процесс характеризуется более короткой продолжительностью контактного нагрева, что важно, прежде всего при серийном производстве, например, задних фонарей автомобиля. Во время стадии нагрева происходит частичная деструкция. ПМ, что требует включения местной вытяжной вентиляции. На поверхности инструмента остаются продукты деструкции. |
|
Таблица 1. Типы машин фирмы bielomatik для сварки нагретым инструментом *Обозначение сварочных машин с добавлением букв «X» означает их соответствующий серийный ряд, а с 4 значащими цифрами относится к их конкретному типу. |
|
Фото. 2. Общий вид машины К 2222 для сварки нагретым инструментом средней консоли автомобиля (а) и узел сварки (6) |
При сварке этим методом предъявляются особые требования к наполнителю ПМ. Высокотемпературную или сварку при «нормально высокой» температуре пространственно фасонных деталей фирма предлагает осуществлять на машине с очень жесткой конструкцией — типа К 2224. Как и на многих других машинах, на ней можно выполнять быструю смену фиксаторов деталей. На машине типа К 2222 (фото 2) благодаря быстрой смене фиксаторов деталей можно также эффективно сваривать детали небольшими партиями. |
Нагревая инструмент до температуры 500-550 °С, можно осуществлять сварку ИК-излучением. Продолжительность бесконтактного нагрева свариваемых поверхностей зависит от их расстояния до поверхности нагретого инструмента, которое обычно составляет от 0,5 до 1,0 мм. Детали, поступающие на такую сварку, должны быть изготовлены с особенно высокой точностью. | |
Чтобы можно было сваривать нагретым инструментом как мелкие, так и крупные детали с почти любой геометрией места соединения и из различных ПМ с достижением различной прочности и плотности швов иными словами, чтобы обеспечь высокую степень производственнс гибкости, фирма в настоящее вред развивает концепцию модульного конструирования машин, которая позволяет ей быстро удовлетворять потребностям пользователя. Передовыми фирмами сварочное оборудование максимально подгоняется под имеющийся процесс формования деталей. Примере такого оборудования является лиш марки К 8100 по сварке топливных баков, состоящая из нескольких обрабатывающих секций. Уже только по ее внешнему виду (фото 3) и по числу комплектующих узлов (34 сварочных узла и 9 узлов вырезки) можно судить об уровне совершенства конструкторского решения. Число привариваемых на линии к одному баку д талей, отличающихся формой и (или) размером свариваемых поверхности и требующих для себя индивидуальных подающих устройств, фиксаторов, нагревательных инструментентов, контролирующих устройств и т. д., до сих пор остается рекордным. |
|
Фото 3. Общий вид линии К 8100 (а) для приваривания к выдувному топливному баку автомобиля 34 деталей (6) и вырезания 9 отверстий | |
|
Так же внушительно выглядит линия К 5253 для сварки корпуса с крышкой аккумуляторной батареи. Она включает в себя несколько секций, важнейшей из которых является многопозиционная сварочная машина (фото 4). |
Фото 4. Многопозиционная сварочная машина К 2250/61 (о), которая является главной секцией линии К 5253 для сварки корпуса с крышкой аккумуляторной батареи (6) | |
3. Лазерная сварка Лазерная сварка просвечиванием относится к процессам, предназначенным для крупносерийного производства. Этим методом можно сваривать детали из ПМ — мелкие и крупные, жесткие, мягкие и гибкие — без опасности возможного износа и вибраций во время осуществления процесса, как, например, при сварке УЗ или трением. Основой для оценки их способности к лазерной сварке являются адсорбционные характеристики ПМ. Многие термопласты для используемого в промышленности лазерного излучения достаточно прозрачны и могут быть по-разному окрашены. Для достижения высоких адсорбционных свойств присоединяемой деталью, лежащей под деталью, на которую падает лазерное излучение, ее ПМ наполняется, например, тальком, мелом, техническим углеродом или стекловолокном или может быть окрашен. Специалисты фирмы могут дать консультации по выбору наиболее пригодных для этого пигментов. В процессе сварки лазерный луч проходит сквозь прозрачную для него деталь и приводит к на-1 реву и размягчению соединяемого участка абсорбирующей его детали. Благодаря передаче тепла от нее к прозрачной детали соединяемый участок последней также размягчается и под действием давления образует с нижней деталью сварной шов. Фирма bielomatik разработала машины, работающие по всем основным технологическим схемам лазерной сварки просвечиванием. При квазиодновременной лазерной сварке луч с помощью сканирующего зеркала с высокой скоростью (до 10 м/с), зависящей от фокусного расстояния, проходит вдоль контура сварки. Благодаря высокой скорости соединяемые поверхности в течение одной секунды многократно подвергаются воздействию падающего луча, в результате чего происходит одновременно их нагрев и размягчение. Так как обе соединяемые детали в процессе сварки прижаты друг к другу, то допуск на размер в результате плавления ПМ нивелируется, и соответствующий ему объем ПМ выдавливается в наплыв. Лазерная сварка просвечиванием особенно пригодна для соединения деталей, чувствительных к колебаниям; корпусов, содержащих чувствительные к нагреву материалы; деталей из низковязких в размягченном состоянии ПМ, которые требуют высоких температур обработки; светлых и темных частей фонарей и фар; деталей со сложной пространственной формой шва. Машины рассматриваемой фирмы в серийном производстве используются уже более 10 лет. Число объектов, свариваемых этим методом, постоянно возрастает. К ним относятся сосуды давления, детали с интегрированными в них сенсорикой и другими электронными или электромеханическими компонентами, изделия медицинской техники, бытовые приборы, спорттовары, изделия биотехнического назначения. В качестве источников излучения в машинах фирмы применяют: твердотельные лазеры Мс!:УАС (только машины серии К 36ХХ), присоединяемые с помощью волоконного кабеля, диодные и волоконные лазеры. Тип лазера выбирают в зависимости от требований к изделию, а также других специфических условий. Контроль процесса сварки осуществляется по величине осадки деталей или продолжительности, по величине усилия прижима, замером температуры, полуавтоматическим измерением мощности излучения, наблюдением с помощью видеокамеры. В общем виде лазерная сварка, по мнению фирмы, обладает следующими достоинствами:
4. Сварка вибротрением Большое впечатление у специалистов оставило оборудование фирмы bielomatik для сварки ви-бротрением, которая, как известно, основана на нагреве соединяемых поверхностей в результате колебательного относительного перемещения деталей, находящихся в поджатом состоянии. Процесс сварки независимо от геометрии деталей, их материалов и выбора его параметров принципиально может быть разделен на четыре фазы (рис. 3): I. Сухое трение свариваемых деталей (материал соединяемых участков благодаря пограничном) трению нагревается до температуры плавления). II. Нестационарное образование слоя расплава (происходит увеличение толщины расплава благодаря дальнейшему превращению подводимой механической энергии III. Стационарное образование слоя расплава (устанавливается термическое равновесие между подводом тепла благодаря сдвигу ПМ и отводом тепла благодаря вытеканию расплава в наплыв при постоянной скорости оплавления). IV. Охлаждение (соединяемые детали находятся под давлением без вибрационного перемещения до полного затвердевания расплава в их окончательной позиции). |
|
|
К особенностям технологии сварки вибротрением относится ее приспособленность к крупносерийному производству, что обусловлено коротким (в пределах секунд) ее циклом. В итоге обеспечивается высокая экономичность процесса. При этом необходимо учитывать, что сварка вибротрением позволяет собирать крупногабаритные изделия, которые не могут быть изготовлены с использованием, например, ультразвуковой сварки. |
Рис. 3. Характерное изменение ряда параметнов — Температуры, давления, осадки свариваемых деталей и толщины пленки расплава — на разных фазах процесса виброционной сварки трением | |
Для каждого конкретного случая фирма рекомендует выбирать конкретную установку, у которой частота / колебаний зависит от массы верхнего фиксатора (табл. 2). У машин серии К 321-Х она составляет 10-90 кг, варьируемая частота равна 170-240 Гц, а у машин серии К 322-Х — 50-180 кг и/- 90-130 Гц соответственно.
Таблица 2. Характеристики машин для вибрационной сварки трением.
Для каждого фиксатора осуществляется поиск резонансной частоты. Этот процесс выполняется только один раз, так как этот параметр вводится в управляющую программу, в которую можно заложить данные о 32 фиксаторах. С помощью закрытой системы регулирования с точностью ±0,2 мм замеряется амплитуда колебаний вибрационной головки. Этим самым обеспечивается образование равномерного наплыва и качественное соединение. Экстремально быстрое включение и выключение колебаний вибрационной головки задается с помощью механического устройства. И это регулирование имеет место у всех типов машин. Механически закрытая система между вибрационной головкой и подъемным столом обеспечивает очень точное измерение перемещения границы расплава. Подъем вибрационной головки отсутствует, и благодаря этому ошибка измерения исключена. В случае необходимости фирма может помочь потребителю выбрать наиболее подходящую систему для ИК-подогрева деталей. |
|
|
Основным элементом машины для сварки вибротрением является вибрационный узел (рис. 4). Он смонтирован в верхней части корпуса и состоит из плиты-основания, на которой установлен портал. На портале закреплены пружинящие элементы и вибрирующая головка. Смонтированный на нижней поверхности головки фиксатор верхней
детали передает колебания в зону сварки. Колебания генерируются двумя поочередно включающимися и противоположно размещенными электромагнитам и, которые отклоняют вибрирующую головку в линейном направлении, преодолевая сопротивление пружин. Колебание этой системы осуществляется при резонансной частоте с максимальной амплитудой 1,3 мм (машины серии К 321-Х) или 2 мм с машины серии К 322-Х). Параметры колебаний зависят от массы вибрирующей головки и массы присоединенного к ней верхнего фиксатора (например, у машины К 3220 масса фиксатора составляет около 180 кг). |
Рис. 4. Схема вибрационного узла машины для сварки вибротрением: 1 — корпус машины; 2 — подъемный стол; 3 — устройство для измерения амплитуды; 4 — резиновая опора; 5 — электромагнит; 6 — арочная плита; 7 — пружины; 8 — магнитная противоположная пластина; 9 — верхний фиксатор; 10 — верхняя свариваемая деталь; 11 — нижняя свариваемая деталь; 12 — нижний фиксатор | |
Рис. 5. Фазы процессов сварки нагретым инструментом (а) и ИК-сварки (6): гд — время нагрева свариваемых поверхностей в контакте с НИ при большом давлении прижима; ^Е — время нагрева свариваемых поверхностей в контакте с НИ при небольшом давлении прижима (в случае СНИ) или бесконтактного нагрева (в случае ИК-сварки); *и — время паузы; г_- время соединения свариваемых деталей
5. Сварка ИК-излучением
Многие в Германии считают ИК-сварку близкой к сварке нагретым инструментом. При ИК-сварке соединяемые поверхности бесконтактно нагреваются с помощью ПК-излучения от коротковолнового (в виде стеклянной трубки, длина волны 1 -2 мкм) или средневолнового (из металлической фольги, длина волны 3-4 мкм) излучающего элемента и затем под давлением приводятся в контакт. Достоинства метода как раз и заключаются в бесконтактном нагреве. Благодаря этому детали из конструкционных ПМ с высокой термостойкостью и низкой вязкостью расплава могут свариваться в двухстадийном (не считая паузы) процессе без прилипания образующегося расплава к нагретому инструменту (рис. 5). В целом ИК-сварка разделяется на следующие фазы: нагрев, пауза, образование соединения. От сварки нагретым инструментом ИК сварка отличается также отсутствием выравнивания неровностей на соединяемых поверхностях деталей и заметно меньшей величиной сварочного наплыва.
В качестве параметров сварки на машинах в зависимости от их оснащения могут задаваться мощность излучения, продолжительность нагрева, продолжительность паузы, осадка во время фазы образования соединения, скорость осадки, давление во время фазы образования соединения, продолжительность образования соединения и охлаждения.
|
В области создания оборудования фирма работает комплексно. Она выпускает стандартные сварочные машины; специальные машины, к числу которых может быть отнесена, например, машина для сварки приборной панели автомобиля (фото 5); системы для загрузки деталей; элементы автоматизации, устройства для фиксации деталей. Все машины для ИК-сварки оснащаются точными и скоростными сервоприводами, что позволяет осуществлять точное позиционирование, устанавливать кратковременную паузу и требуемое давление во время образования соединения и тем самым обеспечивать достижение воспроизводимых характеристик сварного соединения. |
Фото 5. Узел ИК-сварки приборной панели автомобиля на специализированной сварочной машине |
Кроме указанных выше случаев применения ИК-сварки, необходимо отметить эффективность ее использования для изделий, проблемных для «контактных» методов сварки, для изделий с пространственной формой шва и изделий, у которых не должно быть выброса частичек материала из зоны сварки.
Материал из журнала «Полимерные материалы», декабрь 2011г., январь 2012г.
назад