Фторопласты

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

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:

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

И ом юны сварки, в частности наблюдается весьма существенное ускорение разогрева в плоскости соединения (рис. 2.2).