В опубликованной в №№ 2-3 за 2005 год статье начальника лаборатории ФГУП НИИ «Мир-Продмаш» Андрея Рухмана речь шла  о возможностях применения ультразвука для сварки пластиковой тары и различных видов упаковки. Данный материал – продолжение проводимых исследований в этой области и рассказ о новых разработках лаборатории.

Лаборатория является частью комплекса ФГУП НИИ «Мир-Продмаш», включающего промышленную базу, обеспечивающую выпуск установок для сварки различных, в том числе и трудно свариваемых, материалов. На протяжении пятнадцати лет комплекс обеспечил надежной сварной техникой целый ряд предприятий и фирм, включая научно-исследовательские  и научно-внедренческие предприятия, где требования, предъявляемые к прочности сварного шва и надежности работы установки особо высоки. В качестве примера можно привести постоянную деловую связь комплекса с  Научно-производственным предприятием «Маяк-93». Последней разработкой для ЗАО НПП «Маяк-93» стала установка для ультразвуковой сварки металлополимерных труб, широко применяемых для систем отопления и водоснабжения.

Наиболее распространенными методами сварки являются контактный, термоимпульсный и токами высокой частоты. Однако для всех этих способов проблемой остается соединение ориентированных и легко расплавляемых материалов, а также сварка пленок, загрязненных продуктом (приварка крышек к стаканчику, наполненному продуктом или приварка покрывных пленок к контейнерам с мясной, рыбной продукцией и упаковка продуктов быстрого приготовления). Ультразвуковая сварка пленок, покрытых тонким слоем различных продуктов, а также ориентированных пленок показала высокий результат. Прочность швов значительно превышала прочность при всех других видах сварки, включая  и термоимпульсную. А прочность сварного соединения фольги и жести, покрытых полиэтиленом, при испытании на разрыв в 2-4 раза выше, чем при иных видах сварки. Следовательно, ультразвуковой метод может рекомендоваться при укупорке тары из жестких полимеров или комбинированных материалов. Он способен обеспечить необходимую прочность соединения и высокую производительность линии.

Конструкция инструмента

Инструмент для сварки, сконструированный и запущенный в производство лабораторией электрофизического оборудования, компактен, функционален и обладает целым рядом дополнительных достоинств.

Основным достоинством разработанного инструмента является тот факт, что решена задача эффективного преобразовании ультразвуковых колебаний на входе в стабильные колебания, каждого участка рабочего торца инструмента, способные создать в результате преобразования тепловую энергию, достаточную для эффективного достижения высоких температур плавления полимеров – на выходе.

Для достижения положительного результата проведены работы по выбору геометрии бустера (трансформатора амплитуды колебаний) и подбора подходящего по механическим и акустическим свойствам материала инструмента. В основе расчетов лежит метод конечных элементов, позволяющий совместно с современными средствами вычислительной техники достигнуть приемлемых для практического использования результатов. В идеальном случае точность должна составлять порядка 0,2%. Одним из ведущих специалистов в данной области является доктор физико-математических наук профессор Всеволод Казанцев, научные разработки которого оказывают существенную помощь лаборатории.

Важное значение имеет также форма рабочей кромки инструмента, способная обеспечить наилучшее формирование околошовной зоны и высокопрочные швы. Это, в свою очередь положительно сказывается на конечном результате. Упаковка, или другой вид изделия из полимеров или композиционных материалов, сваренные ультразвуком, имеют высокие качественные характеристики, позволяющие, в том числе, значительно сократить число бракованных изделий.

Основные преимущества технологии и сферы применения

Суммарный эффект от применения сварочного инструмента, сложного по конструкции, обеспечивающий оптимальное преобразование типов колебаний, позволил существенно повысить скорость сварки, что обеспечивает кратковременное нахождение свариваемого материала в зоне высоких температур (время сварки от 0,2 до 2 сек). Данный способ ультразвуковой сварки экологичен, безвреден для оператора и достаточно экономичен. Технология позволяет отказаться от вредных для человека органических растворителей, исключить расходы на клеи, нитки, растворители, используемые для соединения деталей традиционными способами, автоматизировать процесс сварки, сократить временные затраты и повысить производительность труда.

Оборудование применяют для сварки жестких полимеров (полиэтилен и полистирол, толщиной 1-2 мм).

Технология расширяет диапазон применения метода для самых различных отраслей народного хозяйства. Например,  для сварки изделий электротехнической, электронной, автомобильной и авиационной промышленностей; сварки рулонных синтетических материалов таких, как ткани, галантерейные изделия; для изготовления парников, палаток, игрушек; впрессовки металлических изделий  – заклепок и др. в термопластичные материалы; тиснения узоров на элементах одежды, обуви; обрезки элементов изделий из синтетических нетканых материалов; интенсификации полимеризации клеев и много другого.