Радиочастотная сварка

Радиочастотная сварка , также известная как диэлектрическая сварка и высокочастотная сварка , представляет собой процесс сварки пластмасс , в котором используются высокочастотные электрические поля для нагрева и плавления термопластичных основных материалов. Электрическое поле прикладывается парой электродов после скрепления соединяемых деталей. Усилие зажима сохраняется до тех пор, пока соединение не затвердеет. Преимуществами этого процесса являются быстрое время цикла (порядка нескольких секунд), автоматизация, повторяемость и хороший внешний вид сварного шва. Радиоволнами можно нагревать только пластмассы, имеющие диполи , поэтому не все пластмассы можно сваривать с помощью этого процесса. Кроме того, этот процесс не очень подходит для толстых или слишком сложных соединений. Чаще всего этот процесс используется для соединения внахлестку или уплотнения тонких пластиковых листов или деталей.

Механизм нагрева

Полярность продемонстрирована на примере молекулы воды. Область, заштрихованная красным вокруг атома кислорода, частично заряжена более отрицательно, чем область, заштрихованная синим цветом, вокруг атомов водорода.

В материалах, подвергающихся воздействию высокочастотных переменных электрических полей, могут возникать четыре типа поляризации:

• Электронная или электрическая поляризация – это перераспределение электронов.
• Ионная поляризация — это перераспределение заряженных частиц — катионов и анионов.
• Поляризация Максвелла – Вагнера - это накопление заряда на границах раздела неоднородных материалов.
• Дипольная поляризация - это перестройка постоянных диполей.

Полярность поливинилхлорида (ПВХ): накопление концентрации отрицательного заряда красным цветом (окружает более электроотрицательные атомы хлора) и пониженная концентрация отрицательного заряда синим цветом (окружает менее электроотрицательную водородную сторону молекулы).

Дипольная поляризация — это явление, которое отвечает за механизм нагрева при радиочастотной сварке пластмасс, диэлектрическом нагреве . Когда электрическое поле прикладывается к молекуле с асимметричным распределением заряда или диполем , электрические силы заставляют молекулу выравниваться по электрическому полю. Когда прикладывается переменное электрическое поле, молекула постоянно меняет свое положение, что приводит к вращению молекулы. Этот процесс не является мгновенным, поэтому, если частота достаточно высока, диполь не сможет вращаться достаточно быстро, чтобы оставаться на одном уровне с электрическим полем, что приводит к хаотическому движению, поскольку молекула пытается следовать за электрическим полем. Это движение вызывает межмолекулярное трение, которое приводит к выделению тепла. Количество тепла, выделяемого при трении в материале, зависит от напряженности поля, частоты, дипольной силы и свободного объема в материале. Поскольку основной движущей силой диэлектрического нагрева является взаимодействие диполя молекулы с приложенным электрическим полем, то ВЧ-сварку можно проводить только на дипольных молекулах. Типичный диапазон частот диэлектрического нагрева составляет 10–100 МГц, но обычно радиочастотная сварка проводится на частоте около 27 МГц. При слишком низкой частоте диполи способны выравниваться по электрическому полю и оставаться в фазе с электрическим током, сводя к минимуму возникающее межмолекулярное трение. Это также можно описать как минимальные потери мощности из-за электрического поля, поскольку молекулы будут оставаться в фазе и поглощать минимальную энергию. Когда частоты становятся достаточно высокими, потери мощности начинают увеличиваться, поскольку диполи не могут выравниваться со скоростью обратного электрического поля. Диполи смещаются по фазе, поглощая энергию, и тогда происходит нагрев. На определенной частоте достигается максимум потерь мощности, при котором более высокие частоты будут иметь меньшие потери мощности и производить меньший нагрев. Максимальные потери диэлектрической мощности зависят от материала.

Совместимые материалы

Единственная мерная группа ПВХ с асимметричным распределением атомов различной электроотрицательности.

Единственная мерная группа полиэтилена с симметричным распределением атомов.

Механизм радиочастотного нагрева основан на использовании диполя в молекуле для выработки тепла, поэтому в радиочастотной сварке используются только те пластики, молекулы которых содержат электрический диполь. Постоянные молекулярные диполи могут образовываться из-за различий в электроотрицательности между атомами молекулы. Отрицательный заряд смещается в сторону атомов с более высокой электроотрицательностью, в результате чего образуются более отрицательно заряженные области, окружающие большее количество электроотрицательных атомов, и положительно заряженные области, окружающие менее электроотрицательные атомы. Поскольку полиэтилен состоит из симметричных групп мер , диполь не образуется, и полиэтилен невозможно соединить с помощью радиочастотной сварки. Как и вода, поливинилхлорид (ПВХ) состоит из асимметрично распределенных атомов разной электроотрицательности, что приводит к возникновению дипольного момента. Благодаря сильному диполярному моменту (и другим свойствам) ПВХ считается отличным материалом для радиочастотной сварки. Помимо полярности, хорошим свойствам радиочастотной сварки способствуют высокая диэлектрическая проницаемость, снижающая сопротивление прохождению тока; высокая диэлектрическая прочность, предотвращающая искрение элементов соединения при сварке; и высокие диэлектрические потери, которые являются фактором, характеризующим количество тепла, выделяемого электрическим полем.

Некоторые пластмассы, обычно свариваемые с диэлектрическим нагревом, включают:

• Поливинилхлорид (ПВХ)

• Хлорированный поливинилхлорид (ХПВХ)
• Полиуретан

• Нейлоны
• Ацетат целлюлозы
• Этиленвинилацетат (ЭВА)
• Поливинилиденхлорид (ПВДХ)
• Полиэтилентерефталат (ПЭТ)

Дополнительные элементы могут быть добавлены к соединению по разным причинам: для улучшения теплоизоляции, предотвращения прилипания деталей к сварочному оборудованию, предотвращения образования дуги и смягчения неоднородного давления зажима или электрического поля. можно сваривать Неполярные пластмассы , используя имплантат из проводящего композита для уменьшения диэлектрических потерь.

Процедура и процесс

Процедура радиочастотной сварки состоит из пяти этапов:

1. Загрузка деталей
2. Применение давления
3. Применение электрического поля
4. Удержание давления
5. Разгрузка деталей

Загрузка заключается в помещении соединительного элемента в сварочный аппарат. Сварочную операцию начинают с приложения давления на детали со стороны электродов. Обычно нижний электрод фиксирован, а привод приводит верхний электрод вниз с заданной силой. Электрическое поле прикладывается к деталям в течение заданного времени, при этом сохраняется давление со стороны электродов. Диэлектрический нагрев приводит к плавлению частей, находящихся в тесном контакте, и жидкие полимеры диффундируют друг в друга на границе раздела. Диффузия и затвердевание соединения происходят при сохранении давления в течение определенного времени. После охлаждения соединения и втягивания верхнего электрода деталь можно разгружать.

Параметры, используемые для управления процессом сварки, включают:

• Время сварки – продолжительность действия электрического поля.
• Мощность – мощность электрического поля в суставе.
• Давление зажима (или расстояние сжатия) – предел давления сжатия (или предел расстояния сжатия), когда детали прижимаются друг к другу.
• Время удержания – продолжительное давление применяется после выключения источника питания.
• Die temp – температура штампов.
• Количество/последовательность циклов – модификация процесса сварки для последовательного выполнения нескольких циклов для максимизации качества сварки.

Перечисленные параметры часто являются взаимозависимыми, и необходимо разработать окно процесса для настройки процесса на приемлемое качество сварки.

Сварочное оборудование

Оборудование для радиочастотной сварки обычно состоит из: ВЧ-генератора, блока управления, пресса, корпуса, электродов и иногда манипулятора. ВЧ-генератор преобразует сетевое напряжение в высокочастотное и высоковольтное напряжение для сварки. Типичные напряжения составляют 1–1,5 кВ переменного тока при частоте 27,12 МГц. Мощность, необходимая для сварки, зависит от площади сварного шва, толщины и материала. Блок управления – это система, используемая для управления машиной. Блок управления отвечает за обработку информации о желаемых входных параметрах сварки, таких как усилие, мощность и время нагрева, а также дает команду другим компонентам машины соответствовать этим параметрам процесса. Некоторые контроллеры способны контролировать выходные параметры и регулировать параметры для обеспечения удовлетворительного качества сварки. Пресс (или привод) обеспечивает зажимное усилие пневматически или гидравлически. Электроды представляют собой пару проводящих структур, которые передают электрическое поле через соединяемые элементы. Электроды контактируют с деталями и оказывают удерживающее давление до и во время сварки, а также во время затвердевания. Обычно верхний электрод выступает над верхней поверхностью приспособления, а нижний электрод представляет собой плоскую проводящую поверхность. В некоторых случаях нижний электрод может выступать над нижним приспособлением, чтобы соответствовать геометрии или лучше локализовать плавление за счет уменьшения паразитного электрического поля. Оба электрода могут быть изготовлены с возможностью изменения качества свариваемой поверхности. Обычно они изготавливаются из латуни, меди или бронзы. Радиочастотный корпус или клетка, окружающая электроды и открытые участки, используется для защиты оператора от травм, включая радиочастотное излучение. Автоматизированные машины могут быть полуавтоматическими (требующими, чтобы оператор манипулировал деталями) или полностью автоматическими (когда машина отвечает за загрузку, транспортировку и манипулирование деталями).

Приложения

Наиболее распространенным применением радиочастотной сварки является сварка тонких листов полярных термопластов, таких как ПВХ. Некоторые изделия, в которых обычно используется радиочастотная сварка, включают пляжные мячи, надувные матрасы, спасательные жилеты, обложки для книг и скоросшиватели. Радиочастотная сварка также широко используется для медицинских изделий, таких как пакеты для крови, одноразовая одежда, манжеты для измерения артериального давления и упаковка для определенных предметов. Радиочастотная сварка чаще всего используется при изготовлении изделий, требующих водонепроницаемого или воздухонепроницаемого уплотнения. Процесс герметизации сварного шва или вставной трубки создает уплотнения, способные выдерживать различные требования к определенным типам жидкостей или давлению воздуха. Примером этого может служить медицинская промышленность, где решающее значение имеет обеспечение герметичности и герметичности уплотнения.

Мешок для капельницы с радиочастотным сварным швом по периметру.

См. также

• Диэлектрический нагрев
• Микроволновая сварка
• Сварка пластика