ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №8

 

ТЕМА: " Определение характеристик прочностных свойств сварных швов, полученных сваркой ТВЧ".

 

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Изучить установку и методику получения сварных швов при помощи ТВЧ. Изучить методики определения характеристик прочностных свойств сварных швов.

 

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ:

– Подготовить образцы из ПВХ-пленки и искусственной кожи для верха обуви для сварки на ТВЧ установке.

– Провести сварку материалов по заданным режимам и определить прочность сварных швов при расслаивании и сдвиге.

– Построить графики зависимости прочностных характеристик от режимов сварки.

МАТЕРИАЛЫ: ПВХ–пленка, искусственная кожа для верха обуви.

 

ОБОРУДОВАНИЕ: Установка для ТВЧ–сварки типа «УЗП 2500А»; разрывная машина РТ-250, толщинометр.

 

При производстве изделий легкой промышленности широкое применение нашли ТВЧ и СВЧ методы сварки и сушки материалов. Материалы, применяемые в производстве обуви и кожгалантереи (за исключением металлических крепителей и фурнитуры), являются полимерами и относятся к диэлектрикам. Диэлектрики делят на полярные и не полярные в зависимости от их способности взаимодействовать с переменным электрическом полем. Полярность полимеров определяется химическим строением макромолекулы полимерного вещества из которого изготовлен материал.

Например, молекула полиэтилена (ПЭ) неполярна, а молекула поливинилхлорида (ПВХ) полярна (рис. 1). Следует отметить, что большинство карбоцепных полимеров относят к неполярным диэлектрикам, имеющим как правило, симметричное расположение атомов в молекуле, а гетероцепные полимеры – к полярным диэлектрикам.

 

 

а	б
Рисунок 1. Макромолекулы: а - полиэтилен; б - поливинилхдорид

Для характеристики диэлектриков в постоянном и переменном электрическом поле применяют показатель ¾ дипольный момент, Кл× м:

m = q× l (1)

где q - электрический заряд;

l - расстояние между зарядами.

Величина дипольного момента пропорциональная напряженности электрического поля, который вычисляется по формуле

m = e₀ × a× E, (2)

где e₀ - диэлектрическая постоянная вакуума равная 8, 85 × 10^-12 Ф/м;

a - поляризуемость (ориентация) молекул полимерного вещества, независящая от Е.

Под действием электрического поля в полимерном веществе наблюдается три вида поляризации: a_э - электронная, a_а - атомная, a_д - дипольная, тогда a = a_э + a_а + a_д. Каждый вид поляризации характеризуется смещением заряженных частиц вдоль силовых линий (рис. 2). Под действием электрического поля диполи стремятся развернуться вдоль силовой линии так, чтобы (-) заряд разворачивался по направлению к силовой линии Е(рис. 3).

Вектор полной поляризации (Р) диполей в полимерном веществе можно рассчитать по формуле

Р = n₀× e₀ × a× E, (3)

где n₀ - концентрация диполей в веществе.

 

 

Рисунок 2. Виды поляризаций: а - электронная;

б - атомная;

в - дипольная

 

Рисунок 3. Движение диполя в постоянном электрическом поле

Очевидно, увеличение значений n₀ и Eведет к возрастанию поляризуемости полимерного материала. Для полярных диэлектриков модуль вектора Р для одного моля вещества определяется, согласно Клаузиса-Мосоти-Дебая, из уравнения:

, (4)

где N_A - постоянная Авогадро равная 6, 02× 10²³ моль^-1;

e - относительная диэлектрическая проницаемость материала.

Приведенное уравнение свидетельствует о том, что доминирующую роль в поляризации полярных диэлектриках играет величина дипольного момента.

Если диэлектрик поместить в переменное электрическое поле, то имеющиеся диполи начнут поворачиваться вдоль силовой линии, ввиду несовпадения исходных направлений между Еи m (рис. 3), диполь под действием Е и начинает изменять свое положение в объеме полимерного вещества по закону изменения напряженности внешнего электрического поля (рис. 4).

Рисунок 4 Схема движения диполя в переменном электрическом поле при изменении направления напряженности электрического поля

 

Известно, что при наложении на конденсатор, содержащий идеальный диэлектрик (не обладающий активным сопротивлением R), переменного напряжения U = U_msinwt, где U_m - амплитудное значение приложенного напряжения, существует сдвиг фаз, равных p/2, характеризующий опережение тока I_c напряжения U, то есть I_c. = I_mсsin(wt+p/2). Реальный диэлектрик всегда обладает некоторым активным сопротивлением R, поэтому содержит компоненту электрического тока I_mR, совпадающую по фазе с напряжением. Это приводит к тому, что через диэлектрик идет некоторый результирующий ток I_r несовпадающий по фазе с приложенным напряжением. Отношение I_mR / I_mс = tgd дает показатель, который называют тангенсом диэлектрических потерь. Причем чем выше значение I_mR, тем больше в диэлектрике выделится тепловой энергии. Если tgd стремится к нулевому значению (I_mR Þ 0), тем ближе материал к идеальному диэлектрику, который не проводит электрический ток и в нем не будет выделяться тепловая энергия. Таким образом, tgd характеризует долю запасенной в диэлектрике энергии, необратимо рассеиваемой в виде тепловых и других потерь за один период колебания электрического тока.

Данная теория прохождения переменного тока через вещество приводит к введению комплексной относительной диэлектрической проницаемости (e^*) вещества:

e^* = e ^/ - ie ^// (5)

где e ^/ - относительная диэлектрическая проницаемость материала;

e ^// - фактор потерь электрической энергии в материале за один период колебания электрического поля.

Причем, e ^/ представляет собой отношение емкостной составляющей тока I_mс к амплитуде тока I_o, проходящего через конденсатор, а при отсутствии диэлектрика, e ^/ = I_mс / I_o, где

, тогда e ^/ = I_mс /C_owU_m,

где С_о - емкость конденсатора без материала.

Фактор потерь e ^// представляет собой отношение e ^// = I_mR /C_owU_m, тогда

tgd = e ^// /e ^/ , (6)

где tgd ¾ тангенс диэлектрических потерь.

Показатели e ^/, e ^// и tgd являются основным характеристиками электрических свойств полимерных материалов и называются диэлектрическими параметрами вещества.

Взаимосвязь комплексной отностительной диэлектрической проницаемости e^*, модуля вектора поляризации Р, частоты электрического поля w и времени релаксации t для моля вещества согласно Дебая определяется соотношением

(7)

Если w = 0, то e^* = e_с, e_с - статическая диэлектрическая проницаемость (Е = const), тогда

, (8)

Если w Þ ¥, то e^* = e_¥ , где e_¥ - высокочастотная диэлектрическая проницаемость, связанная с абсолютным показателем преломления вещест в а n соотношением e_¥ = n², тогда

, (9)

Из (7), (8) и (9) можно найти зависимости значений e ^/ и e ^// от частоты электрического поля:

, (10)

(11)

Определение основных характеристик диэлектрических свойств материалов определяют на куметрах, применяя мостовой способ и метод колебательного контура [1].

Графические зависимости e ^/, e ^// и tgd от логарифма частоты при постоянной температуре приведены на рис. 5. Приведенные графики справедливы для всех диэлектриков. Наличие максимума у e ^// и tgd на графиках свидетельствует о том, что при некоторой частоте w возрастает активная составляющая I_mR результирующего тока, приводя к росту тепловыделения в материале. При данной частоте на колебание диполю меньше требуется времени на преодоление сил межмолекулярного взаимодействия для ориентации в электрическом поле. При данной частоте наибольшее количество диполей вещества могут отслеживать колебание внешнего электрического поля.

Потери электрической мощности W, идущие на разогрев диэлектрика в переменном электрическом поле, определяются по формуле:

, (12)

где Е_m - амплитудное значение напряженности переменного электрического поля.

Чем выше значение e/ и tgd у полимерного материала, тем больше электрической энергии, при прочих равных условиях, перейдет в тепловую энергию. Разогрев материала приводит к переходу полимерного вещества из высокоэластического в вязкотекучее состояния, которое является необходимым условием для получения сварного шва. Таким образом, трансформация электрической энергии на ТВЧ установках в тепловую энергию позволяет получать соединение двух и более материалов.

Рисунок 5 Графики зависимостей e^|, e^|| и tgd от частоты электрического поля

Для характеристики прочностных свойств сварных швов материалов измеряют предел прочности при расслаивании и сдвиге:

s_р = /L, (13)

где: ¾ максимальное усилие при разрушении сварного шва, даН;

L ¾ дина сварного шва, см;

s_С = /S, (14)

где: ¾ максимальное усилие при разрушении сварного шва, даН;

S ¾ площадь сварного шва, см²; S = L× b, где b = ширина шва.