Глава X. Сварка термопластичных материалов в обувном и кожгалантерейном производстве

§ 1. Процесс сварки

Сварка представляет собой процесс соединения деталей из термопластичных материалов. Она получила большое распространение в различных отраслях промышленности в связи с внедрением синтетических и искусственных материалов [1-3].

Сваркой изготовляют мешки, пакеты, плащи, папки, женские сумки, обложки для документов, бумажники, поясные ремни, портмоне, футляры для расчесок, очков, ключей.

При сварке деталей из искусственных кож и пленочных материалов не нужны клеи или нитки, как при клеевом и ниточных методах крепления; материалы не ослабляются проколами, что неизбежно при ниточных методах крепления; нет необходимости в предварительной подготовке поверхностей, как при клеевом методе крепления.

Процесс сварки термопластичных материалов заключается в нагревании контактирующих поверхностей деталей до вязкотекучего состояния и соединении их при небольшом давлении. При этом происходит диффузия концов и сегментов цепных макромолекул из одной свариваемой поверхности в другую с образованием связи, прочность которой при оптимальных условиях может приближаться к когезионной прочности свариваемого материала. Более того, при сварке искусственных кож, кроме диффузии в однородной среде, происходит также диффузионное проникание полимерного материала в смежную среду (в рыхлую волокнистую структуру искусственных кож) и образование "заклепок" и "муфт", благодаря чему прочность соединения свариваемых деталей увеличивается в 2-3 раза.

Свариваются не только пленки и искусственные кожи с пленочным покрытием, но и ткани, содержащие термопластичные волокна - капрон, лавсан, нитрон [4]. Это значительно расширяет возможности процесса сваривания в производстве различных изделий из кожи.

Показана возможность ультразвуковой сварки искусственных кож с полиуретановым покрытием [5].

Особый интерес представляет вырубание деталей с одновременным свариванием нескольких слоев (например, верха и подкладки) и оплавлением краев деталей. Таким методом можно изготовлять заготовки верха ремешковой обуви, стельки, украшения (банты и пряжки) и др. [6-9].

Сварка характеризуется рядом особенностей, связанных со строением термопластичных материалов. Прежде всего, термопласты не имеют четко выраженной точки плавления из-за полидисперсности, т. е. наличия макромолекул различной длины, разной молекулярной массы. В результате плавление того или иного термопластичного полимера происходит в определенном диапазоне температур (см. ниже).

Видно, что диапазон температур велик и это приходится учитывать на практике.

Часто температура плавления полимера оказывается близкой температуре его разложения. Кроме того, при нагревании полимер может окисляться. Поэтому режимы сварки должны отличаться высокой интенсивностью и кратковременностью.

Методы сварки

Методы сварки термопластичных материалов можно разделить на две группы:

основанные на передаче тепла материалу от теплоносителей;

основанные на преобразовании энергии в тепло внутри самого материала [1, 2].

На рис. Х.1 приведена классификация методов сварки термопластичных материалов.

Рис. Х.1. Классификация методов сварки термопластичных материалов

Для сварки деталей в обувном и кожгалантерейном производстве в настоящее время используются в основном высокочастотный и кон-тактно-тепловой методы.

Высокочастотная сварка связана с саморазогреванием термопластичного материала сразу по всей толщине, что позволяет получать высокие температуры внутри материалов за несколько секунд. Это особенно важно для обуви, конструкция которой по толщине состоит из различных материалов, в том числе и нетермостойких.

Контактно-тепловая сварка в прессах применяется при сборке обувных заготовок, футляров и сумок. Остальные методы сварки пока не получили сколько-нибудь значительного распространения в обувной и кожгалантерейной промышленности.

Схема контактно-теплового метода сварки показана на рис. Х.2. Соединяемые материалы 1 помещают на неподвижную плиту 3 пресса. Одна или обе плиты пресса имеют электронагреватели. При опускании верхней плиты 2 пресса создаются давление на шов и заданная температура сварки. Внутренние поверхности материалов свариваются.

Рис. Х.2. Схема контактно-теплового метода сварки

Особенностью контактно-тепловой сварки является то, что подводимое извне тепло поступает к месту сварки через свариваемый материал. Поскольку термопластичные материалы являются плохими проводниками тепла, оче-видно, такая сварка может применяться тогда, когда один из свариваемых материалов очень тонок. Поэтому этот метод широко применяют при изготовлении изделий из полимерных пленок (полиэтиленовых, поливинилхлоридных и др.).

Основными параметрами контактно-тепловой сварки являются температура, продолжительность и давление, которые зависят от теплофизических свойств свариваемых полимерных материалов (табл. Х.1). Из данных табл. Х.1 видно, что количество тепла, необходимое для сварки разных материалов, различно. Оно может быть различным даже для одного и того же материала (в зависимости от его толщины). Поэтому применяются сварочные прессы со значительным запасом мощности нагревателей.

Таблица Х.1. Теплофизические свойства полимеров

На рис. Х.3 показаны диапазоны изменения температуры и времени сварки при давлении 0,28 МПа (2,8 кгс/см²) для полиэтиленовой пленки толщиной 0,038 мм, в которых можно получить сварной шов высокого качества. Аналогично можно оценить продолжительность сварки любого термопластичного материала. С увеличением давления из-за увеличения скорости течения материала продолжительность сварки уменьшается и одновременно сужается диапазон рабочих температур.

Рис. Х.3. 'Рабочая карта' сварки полиэтиленовой пленки

Для каждого термопластичного материала существует критическая толщина. При сваривании материала большей толщины нельзя получить шов высокого качества. Чтобы сварить детали большей толщины в прессе, не увеличивая продолжительности нагревания, настолько увеличивают температуру сварки, что материал у рабочей поверхности начинает вытекать (выдавливаться). В этом случае могут быть сварены материалы с более высоким коэффициентом теплопроводности или меньшей удельной теплоемкости.

Давление при сварке подбирают так, чтобы, с одной стороны, время сварки было минимальным, а с другой, не допустить вытекания материала. Давление сварки определяется вязкостью и температурой размягчения материала. Например, полиэтилен - материал относительно низких вязкости и температуры размягчения - можно сваривать при давлении 0,07-0,14 МПа (0,7-1,4 кгс/см²), в то же время ацетилцеллюлозу как более вязкий материал - при давлении 1,4 МПа (14 кгс/см²) и выше.

Для предотвращения прилипания расплавленного полимера к плитам пресса крепят прокладки, например из стеклоткани, пропитанной тефлоном (тетрафторэтиленом). Если не обогреваемая плита пресса должна быть эластичной, ее покрывают резиной на основе термостойких силиконовых каучуков. Для снижения прилипания полимера плиты пресса можно покрывать также силиконовой смазкой, приводящей к полной потере адгезии между поверхностями.

Высокочастотная сварка и применяемое оборудование

Высокочастотная сварка [1, 2] отличается тем, что термопластичный материал разогревается до вязкотекучего состояния в результате преобразования энергии электрического поля в тепло внутри самого материала. Высокочастотное электрическое поле генерируется высокочастотным генератором и электродами, служащими одновременно зажимами для свариваемых изделий. Высокочастотное поле характеризуется частотой 2-1000 МГц, т. е. число изменений направления переменного тока равно (2-1000) ⋅ 10⁶ в секунду (переменный электрический ток в осветительной сети имеет частоту всего 50 Гц.)

Различные материалы, помещенные в высокочастотное поле, ведут себя по-разному. Полярные полимеры представляют собой диполи. Если диполь находится в переменном электрическом поле, то он будет ориентироваться согласно знаку зарядов электродов. Смещение зарядов, связанных в диполе внешним электрическим полем, называется поляризацией. При изменении направления поля, а значит и знаков электродов, диполь должен переме-ститься и занять новое положение, сориентировавшись согласно изменившемуся знаку электродов.

Чем больше вязкость материала, тем больше его сопротивление изменению ориентации и затрачиваемая работа. Работа характеризует диэлектрические потери, приводящие к разогреванию материала. При этом теплообразование происходит во всем объеме материала, но сильнее всего нагревается его центральная часть, т. е. участки, подлежащие сварке. Это отличает высокочастотную сварку от контактно-тепловой.

Высокочастотную установку можно рассматривать как конденсатор, в котором роль пластин играют электроды, а диэлектрической прокладки конденсатора - нагреваемые и свариваемые материалы между ними. При низких частотах колебания электрического поля материалы с высокими диэлектрическими свойствами практически не проводят электрического тока. Но в диапазоне радиочастот, какими являются высокочастотные колебания, диэлектрические потери в них становятся очень большими, диэлектрик разогревается.

Мощность N, Вт, затрачиваемую на нагревание диэлектрика в системе конденсатора, подсчитывают по уравнению

(1)

где f - частота, Гц;

с - емкость, Ф;

и - приложенное напряжение конденсатора, В;

tg δ -тангенс угла потерь.

Емкость же конденсатора с плоскопараллельными пластинами зависит от диэлектрической постоянной е, площади пластин А и расстояния между пластинами b:

(2)

Подставив уравнение (2) в уравнение (1) и разделив обе части полученного уравнения на объем свариваемого материала, а также учитывая тепловой эквивалент электрической энергии, получаем количество тепла, ккал/(см³⋅с), генерируемое в единице объема материала

(3)

Допустимое напряжение определяют по формуле

где и_доп - допустимое напряжение материала, В;

и_проб - пробивное напряжение материала, В.

Различные термопласты, внесенные в высокочастотное переменное электрическое поле, нагреваются неодинаково. Наиболее надежным критерием такого нагревания является диэлектрический фактор потерь, равный произведению диэлектрической проницаемости на тангенс угла потерь: k = ε tg δ.

Практика показала, что высокочастотной сварке подвергаются только те термопласты, фактор диэлектрических потерь которых не меньше сотых долей единицы.

В табл. Х.2 приведены важнейшие показатели электрических свойств некоторых полимерных материалов. Из данных табл. 2 видно, что хорошо свариваются такие термопласты, как поливинилхлорид, полиамиды, поливинилацетат, эфиры целлюлозы, т. е. полярные вещества. Неполярные вещества, такие как полиэтилен, полипропилен, полиизобутилен, полистирол, не годятся для высокочастотного сваривания.

Таблица Х.2. Показатели электрических свойств термопластичных материалов при частоте 10⁶ Гц и температуре испытания 20° С

Имеются методы сварки даже материалов с очень низким фактором диэлектрических потерь. Это, например, сварка при повышенной частоте колебаний электромагнитного поля; с предварительным нагреванием материалов в термошкафу, которое повышает фактор диэлектрических потерь. Однако указанные методы экономически невыгодны. Более целесообразны для подобных материалов контактно- тепловой, инфракрасный и другие методы сварки.

Электрические свойства искусственных кож изучены мало. Интересны данные венгерских исследователей [10]. Исследовались два материала с пористым ПВХ-покрытием: Грабона 132 арт. 9631 на тканевой основе и Грабона 402 арт. 19020 на трикотажной основе. Показатели электрических свойств материалов по сравнению с исходным поливинилхлоридом даны в табл. Х.З.

Таблицa Х.3. Показатели электрических свойств материалов

Значительное ухудшение показателей электрических свойств по сравнению с показателями свойств чистого ПВХ свидетельствует о необходимости их всестороннего изучения и улучшения.

Мощность генератора установки для высокочастотной сварки можно ориентировочно установить по кривым, приведенным на рис. Х.4.

Удельное давление на шов при сварке q, МПа (кгс/см²), рассчитывается по формуле

где р - давление в гидросети, указываемое манометром МПа (кгс/см²);

S_п - площадь поршня (плунжера) пресса,

где d - диаметр поршня (плунжера), см;

S_ш - площадь шва, см².

Иногда в паспорте пресса указывают максимальное давление Р, Н (кгс), которое рассчитывают по формуле

где р' - максимальное давление, которое может быть развито в гидравлической сети.

Рис. Х.4. Кривые зависимости мощности генератора от длины шва и суммарной толщины свариваемых пленок

Зная удельное давление q, можно подсчитать максимальную площадь шва, которую можно сварить на данном прессе за один цикл

В свою очередь, зная ширину шва b, можно определить и возможную длину шва

В отдельных случаях нормируется и глубина сваривания (проваривания), показывающая, как глубоко вдавливается электрод в свариваемый материал

где r -относительная глубина сваривания, %;

г - глубина проникания электрода в материал, мм;

n - число слоев свариваемого материала;

h -толщина свариваемого материала, мм.

Этот показатель характеризует упрессовку материала при сварке по толщине. При сварке искусственных кож на трикотажной основе внахлестку (накладной шов) глубина сваривания должна быть 40-45%, а при сварке тачного шва 55-60% [10]. Оптимальная глубина проваривания искусственных кож на тканевой основе составляет 20-30% [11].

При сварке наиболее прочный шов получается при коротком сварочном цикле. Установлено, что время сварки не должно быть более 4 с. Для снижения времени сварки следует использовать более мощный генератор или большую частоту. Чем тоньше пленка, тем труднее ее сваривать ТВЧ, так как тонкие пленки легче отдают тепло электродам, чем толстые. Минимальная суммарная толщина материалов при сварке ТВЧ-0,1 мм. Практически для изделий из кожи используют пленки толщиной 0,2-1,2 мм.

Оборудование для высокочастотной сварки включает пресс с пластинами-электродами и генератор ТВЧ. Электроды изготовляют из металла высокой проводимости (латуни, алюминия, стали), чтобы предотвратить их нагревание в результате сопротивления прохождению электрического тока, так как это может вызвать пригорание материала.

Электроды имеют гладкие закругленные края для предохранения от образования электрической дуги или пригорания материала. Электроды с острыми краями дают слабый шов, который можно легко разорвать даже руками. Острые углы электродов могут вызвать концентрацию высокочастотного поля и перегревание материала в результате так называемого краевого эффекта поля ТВЧ. На рис. Х.5 показаны схемы сваривания на прессе с широким нижним электродом, обусловливающим образование широкого краевого эффекта поля, вследствие чего выделяется большое количество тепла по краям верхнего электрода, и сваривания на прессе с электродами одинаковой ширины, в результате чего образуется меньший краевой эффект, и материал равномернее нагревается.

Рис. Х.5. Схемы сваривания материалов на прессе с широким нижним электродом (а) и с электродами одинаковой ширины (б)

Известно много конструкций электродов, в том числе и с внутренними охладительными каналами для принудительного охлаждения.

При сварке электродами одинаковой ширины рассеяние электрической энергии уменьшается с увеличением их ширины. При сварке пластифицированных пленок поливинилхлорида ширина электродов должна быть равна двойной толщине свариваемого пакета (минимальная ширина - 0,8 мм). Радиус скругления кромок электродов составляет ¹/₈ их ширины.

Максимальная длина электрода l связана с длиной волны К электрических колебаний и диэлектрической постоянной следующим соотношением:

Обычно длина электродов не превышает 1 м.

В СССР выпускается серия установок ЛСП (табл. Х.4). Схема установки представлена на рис. Х.6. В прессовой камере расположены две плиты; нижняя плита является электродом. Второй электрод переносный и устанавливается на детали перед сваркой. При опускании верхняя плита пресса соприкасается с подвижным электродом, в результате чего создается высокочастотное электрическое поле, нагревающее материал, который переходит в вязкотекучее состояние. Удельное давление 0,3-0,8 МПа (3-8 кгс/см²) способствует надежному соединению деталей.

Таблица Х.4. Техническая характеристика прессовых высокочастотных установок (экранированных), выпускаемых в СССР

Рис. Х.6. Схема установки для высокочастотной сварки: 1 - педаль пресса; 2 - штепсельный разъем; 3 - высокочастотный генератор; 4 - пульт управления; 5 - прессовая экранированная камера; 6 - пресс

Верхний электрод может быть наглухо закреплен на верхней плите пресса. Это возможно при изготовлении сварных деталей в виде ленты со строгим центрированием подачи.

Сварка с вырубанием деталей

Большой интерес представляет технология, при которой одновременно происходит вырубание деталей из нескольких слоев и их сварка [6-9]. Таким образом можно изготовлять как отдельные детали, так и целые заготовки. Применяют специальные резаки-электроды, имеющие режущую и тупую сварочную кромки. Материалы (например, верха и подкладки) подают в виде настила под пресс. Рабочий накладывает резак-электрод на настил. При включении пресса верхняя траверса прижимает резак-электрод к свариваемым материалам, включается генератор ТВЧ, происходит сварка и вырубание деталей (рис. Х.7). Особенно ценно то, что края деталей оплавлены, соединены и имеют красивый внешний вид.

Рис. Х.7. Схемы сварки (а) и вырубания (б) деталей резаком- электродом: 1 - корпус резака-электрода; 2 - режущая кромка; 3 - подпружиненный сварочный электрод; 4, 5 - соединяемые материалы; 6 - стол пресса; 7 - ударник (каретка) пресса

Усилие при сварке невысокое - 2000-30 ООО Н (200-3000 кгс). Время сварки можно регулировать. После сварки генератор отключается, дается усилие до 400 кН (40 тс). При этом подпружиненный сварочный электрод поджимается внутрь резака-электрода, а его режущая кромка вырубает деталь. Весь процесс продолжается несколько секунд.

Одновременно со сваркой можно тиснить декоративные узоры на деталях заготовки, пробивать различные перфорации. На рис. Х.8 показаны детали заготовки (а) и обувь (б), изготовленные по описанной технологии резаками-электродами (в).

Рис. Х.8. Детали заготовки (а) и обувь (б), изготовленные по вырубочно-сварной технологии резаками-электродами (в)

Из высокочастотных установок наиболее перспективны установки, оснащенные прессом мостовой конструкции с передвижной кареткой, к которой крепятся резаки-электроды (рис. Х.9). Установка имеет две позиции. Пока рабочий подготавливает настил материалов на правой позиции, на левой осуществляется вырубание со сваркой. Левая сторона установки во время сварки экранируется. Когда процессы сварки и вырубания закончены, каретка с резаком-электродом передвигается на правую позицию. Туда же сдвигается и защитный экран (на рис. Х.9 он не показан). Происходит очередной цикл сварки и вырубания.

Подобные установки для сварки и вырубания обеспечивают максимальные усилия: при сварке - до 30 кН (до 3 тс), при вырубании - до 400 кН (до 40 тс). Мощность высокочастотного генератора - 7,5 кВт. Это позволяет сваривать и вырубать крупные детали и даже целые заготовки верха обуви.

При вырубочно-сварной технологии важно, из какого материала из-готовляют плиты. Часто вырубание и сварку производят непосредственно на алюминиевых или стальных плитах. Однако, чтобы избежать электрических пробоев, целесообразнее использовать плиты с изолирующими прокладками. Изолирующие прокладки из картона или импрегнированной стеклоткани быстро изнашиваются. Лучше, хотя и несколько дороже, изолирующая силиконовая пленка, на которую настилают материалы. При вырубании режущая кромка электрода прорезает и силиконовую пленку, но так как она не плавится, то ее легко отделяют от обувных деталей. В дальнейшем высечку можно легко вновь переработать в пленку.

Грани инструмента и поверхность плиты должны быть параллельны, перемещения его точными. Допуск инструмента по высоте не должен превышать 0,2 мм.

Рис. Х.9. Общий вид вырубочно-сварочной установки 2070 фирмы 'Шён'

§ 2. Технология сварки в обувном производстве

Прессовая сварка применяется для сборки заготовок верха обуви из различных искусственных кож, в основном с поливинилхлоридным покрытием взамен ниточных швов [12, 13].

Для сварки деталей используют электроды, на рабочей поверхности которых делают гравировку для имитации ниточного шва или декоративного рисунка (рис. Х.10).

Рис. Х.10. Сварочные электроды с выгравированным рисунком

Наиболее целесообразно детали обувных заготовок из искусственных кож сваривать токами высокой частоты.

При сборке заготовок верха обуви могут быть получены различные сварные швы (рис. Х.11), что позволяет изготовлять заготовки любой обуви.

При отработке режимов сварки заготовок верха обуви ориентируются на нормы прочности ниточных швов на сдвиг: не менее 7,5 для однониточных и не менее 10 кН/м (кгс/см) для двухниточных швов. Прочность на сдвиг определяется на образцах 35 x 40 мм, сваренных на ширину 3-6 мм. Обычно для искусственных материалов прочность сварных швов на сдвиг колеблется от 10 до 20 кН/м, что вполне достаточно для скрепления деталей заготовки верха обуви.

Рис. Х.11. Схемы сварных швов: а - накладного; б - встык; в - тачного; 1 - термопластичное покрытие искусственной кожи; 2 - основа; 3 - участок сварки; 4 - верхний электрод; 5 - пруток; 6 - нижний электрод

На Чирчикской обувной фабрике внедрена технология сборки заготовок верха пантолет методом высокочастотной сварки [12]. Заготовка пантолет состоит из двух поперечных ремней (рис. Х.12), выкроенных из обувной винилискожи - Т или обувной совмещенной винилискожи - Т. Детали с припуском по ширине перед прессованием складывают таким образом, чтобы стыки краев оставались на внутренней стороне детали. Затем их укладывают между ограничителями ширины на столе высокочастотной установки и прижимают к ним сварочные электроды.

Рис. Х.12. Пантолеты, верх которых изготовлен методом высокочастотной сварки

Латунные электроды имеют конфигурацию свариваемых деталей (в данном случае ремешков). На рабочей поверхности электродов имеется гравировка.

Для сварки применялась высокочастотная установка ЛД-4 Таганрогского завода электротермического оборудования с генераторами мощностью 4 и 2 кВт и рабочей частотой 40,68 МГц. Сварку можно осуществлять несколькими сопряженными электродами.

Фирма "Келлет" (Франция) выпускает высокочастотную установку для сборки подкладки. Установка состоит из пресса, карусельного стола и высокочастотн