-

1. (19) BY (11) 6377
(13) U
(46) 2010.06.30
(51) МПК (2009)
B 29C 65/08
ОПИСАНИЕ
ПОЛЕЗНОЙ
МОДЕЛИ К
ПАТЕНТУ
(12)
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54) УСТРОЙСТВО УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СВАРКИ
ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
(21) Номер заявки: u 20091092
(22) 2009.12.24
(71) Заявитель: Государственное науч-
ное учреждение "Институт физики
имени Б.И.Степанова Националь-
ной академии наук Беларуси" (BY)
(72) Авторы: Мухуров Николай Иванович;
Кривоносов Сергей Сергеевич; Жва-
вый Сергей Павлович; Гасенкова Ири-
на Владимировна (BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Институт физи-
ки имени Б.И.Степанова Националь-
ной академии наук Беларуси" (BY)
(57)
Устройство ультразвуковой сварки полимерных материалов, содержащее опору с при-
водом вертикального перемещения, на котором расположена ультразвуковая сварочная
головка, жестко связанная с пуансоном, механизм создания сварочного давления, жестко
связанный с приводом, ультразвуковой генератор, отличающееся тем, что ультразвуковая
сварочная головка состоит не менее чем из двух ультразвуковых преобразователей с рабо-
чими частотами соответственно 22 и 44 кГц, количество которых определяется площадью
сварного шва и толщиной свариваемых материалов, обеспечивающих равномерную ин-
терференционную картину механических колебаний по всей свариваемой площади, а ко-
личество ультразвуковых генераторов соответственно равно количеству ультразвуковых
преобразователей, микропроцессорное устройство, электрически связанное с механизмом
BY6377U2010.06.30

2. BY 6377 U 2010.06.30
2
сварочного давления, импульсный источник питания, электрически соединенный с пуан-
соном, образующим короткозамкнутую электрическую цепь с источником питания, и
микропроцессорным устройством, при этом ультразвуковые генераторы электрически со-
единены соответственно с ультразвуковыми преобразователями и микропроцессорным
устройством.
(56)
1. А.с. СССР 1315341, МПК В 29С 65/08, 1987.
2. А.с. СССР 1155462, МПК В 29С 65/18,1985.
Полезная модель относится к области технологического использования ультразвука, в
частности к устройствам для сварки полимерных материалов, термопластичных материа-
лов, и может найти применение в машиностроении, приборостроении, химической и дру-
гих областях науки и техники.
Известно устройство ультразвуковой сварки деталей из полимерных материалов [1],
содержащее ультразвуковую сварочную головку с рабочим инструментом, связанную с
механизмом создания сварочного давления, опору и привод вращения одной из сваривае-
мых деталей.
Данное устройство не обеспечивает качественного сварного шва при больших пло-
щадях соединения и толщинах соединяемых материалов из-за неравномерного нагрева
свариваемого материала по всей свариваемой площади деталей, обусловленного интер-
ференционными явлениями и, как следствие, неравномерное распределение амплитуд
смещений УЗ-колебаний по всей площади сварочного инструмента. При этом из-за нерав-
номерного распределения амплитуд смещений УЗ-колебаний происходит неравномерное
распределение температур по всей площади соединения. На участках шва с низким значе-
нием температуры могут иметь зоны полного несплавления, а на участках шва с чрезмер-
но высоким значением температуры - очаги деструкции (разрушения структуры) по-
лимера.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является
устройство для ультразвуковой сварки деталей из полимерных материалов [2], содержа-
щее опору, на которой размещают свариваемые детали, привод, расположенный со сторо-
ны ультразвуковой сварочной головки и выполненный в виде вала с захватом,
проходящим через продольный канал, выполненный в ультразвуковой сварочной головке,
включающей сварочный инструмент. Ультразвуковая сварочная головка установлена в
корпусе с возможностью осевого перемещения. В узлах колебаний ультразвуковой сва-
рочной головки и сварочного инструмента смонтированы направляющие вала с захватом.
Вал с захватом взаимосвязан с ультразвуковой сварочной головкой через механизм созда-
ния сварочного давления таким образом, что их поступательные перемещения взаимно
противоположны.
Данное устройство не обеспечивает качественного сварного шва при больших пло-
щадях соединения и толщинах соединяемых материалов из-за неравномерного нагрева
свариваемого материала по всей свариваемой площади, обусловленного интерференци-
онными явлениями и, как следствие, неравномерным распределением амплитуд смеще-
ний УЗ-колебаний по всей рабочей площадке сварочного инструмента.
Технической задачей полезной модели является повышение качества сварного соеди-
нения и расширение функциональных возможностей устройства и номенклатуры свари-
ваемого материала.
Решение технической задачи достигается тем, что в устройстве ультразвуковой сварки
полимерных материалов, содержащем опору с приводом вертикального перемещения, на
котором расположена ультразвуковая сварочная головка, жестко связанная с пуансоном,

3. BY 6377 U 2010.06.30
3
механизм сварочного давления, жестко связанный с приводом, ультразвуковой генератор,
ультразвуковая сварочная головка состоит не менее чем из двух ультразвуковых преобра-
зователей с рабочими частотами соответственно 22 и 44 кГц, количество которых опреде-
ляется площадью сварного шва и толщиной свариваемых деталей, обеспечивающих
равномерные интерференционные условия механических колебаний по всей свариваемой
площади, а количество ультразвуковых генераторов соответственно равно количеству
ультразвуковых преобразователей, микропроцессорное устройство, электрически связан-
ное с механизмом сварочного давления, импульсный источник питания, электрически со-
единенный с пуансоном, образующим короткозамкнутую электрическую цепь с
источником питания, и микропроцессорным устройством, при этом ультразвуковые гене-
раторы электрически соединены соответственно с ультразвуковыми преобразователями и
микропроцессорным устройством.
Совокупность указанных признаков обеспечивает уменьшение влияния статистиче-
ской и динамической нагрузки на резонансную частоту ультразвуковой системы (ультра-
звуковой преобразователь - ультразвуковой генератор), равномерное распределение
амплитуд смещений акустической энергии во всем временном промежутке сварки, увели-
чение скорости перехода материала из пластического в вязкопластическое состояние, уве-
личение глубины проникновения одного материала в другой, повышая качества области
сварки деталей.
Сущность полезной модели поясняется фигурой, на которой представлен общий вид
устройства ультразвуковой сварки, где:
1 - ультразвуковые генераторы на частоту 22 кГц,
2 - ультразвуковые генераторы на частоту 44 кГц,
3 - импульсный источник питания,
4 - микропроцессорное устройство,
5 - опора,
6 - свариваемый материал,
7 - пуансон
8 - ультразвуковые преобразователи на частоту 22 кГц,
9 - ультразвуковые преобразователи на частоту 44 Гц,
10 - привод,
11 - механизм сварочного давления.
Устройство ультразвуковой сварки полимерных материалов содержит опору 5 с при-
водом вертикального перемещения 10, на котором расположены ультразвуковые преобра-
зователи 8, 9, жестко связанные с пуансоном 7, механизм сварочного давления 11, жестко
связанный с приводом 10 и микропроцессорным устройством 4, ультразвуковые генерато-
ры 1, 2, электрически связанные соответственно с ультразвуковыми преобразователями 8,
9 и микропроцессорным устройством 4, импульсный источник питания 3, электрически
связанный с пуансоном 7 и микропроцессорным устройством 4.
Устройство работает следующим образом. Ультразвуковые генераторы на частоты
22 кГц 1 и 44 кГц 2 вырабатывают высокочастотное напряжение, которое подается соот-
ветственно на ультразвуковые преобразователи на частоты 8, 9, жестко связанные с пуан-
соном 7, которые преобразуют электрические сигналы в механические колебания.
Свариваемый материал 6 размещают между опорой 5 и пуансоном 7. Микропроцессорное
устройство 4 подает команду на исполнительный орган прижимного устройства 11 и од-
новременно на исполнительное устройство включение-выключение импульсного источ-
ника питания 3. Прижимное устройство 11 начинает совершать поступательно-
вертикальное движение к свариваемым деталям 6, а рабочая поверхность пуансона 7 про-
гревается до температуры, близкой к температуре пластичного состояния свариваемого
материала 6. При достижении пуансоном 7 поверхности материала 6 микропроцессорное
устройство 4 подает команду на ультразвуковые генераторы на частоты 1, 2, которые в

4. BY 6377 U 2010.06.30
4
свою очередь подают высокочастотные колебания на ультразвуковые преобразователи 8,
9. Происходит нагрев свариваемого материала 6 до вязкотекучего состояния. За счет ме-
ханических колебаний рабочей поверхности пуансона 7 и нагрева происходят диффузи-
онные процессы между свариваемым материалом 6. При достижении деформации 0,3d,
где d - толщина свариваемого материала 6, микропроцессорное устройство 4 подает ко-
манду отключения ультразвуковых генераторов на частоты 22 кГц 1 и 44 кГц 2 и им-
пульсного источника питания 3, а по истечении 3-5 с микропроцессорное устройство
подает команду на исполнительный орган прижимного устройства, которое занимает ис-
ходное положение.
Временные и температурные режимы задаются микропроцессорным устройством.
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.