Зварювання пластмас

Зварювання застосовують для того, щоб дістати нерознімні з'єднання деталей з термопластів. Реактопласти при нагріванні не розм'якають, тому їх з'єднують склеюванням.

В основі механізму утворення зварного шва лежить процес реалізації міжмолекулярних сил нагріванням поверхонь деталей, що зварюються, і створення контакту між ними.

Кількісними показниками зварюваності термопластів є ширина темпе­ратурного інтервалу текучості І_т і мінімальна в'язкість В у цьому інтервалі.

За цими показниками пластмаси поділяють на чотири групи:

1) добре зварюються: І_т > 50 °С, В < 10² Па • с;

2) задовільно зварюються: І_т < 50 °С, В < 10⁴ Па • с;

3) обмежено зварюються: І_т <50 °С, В > 10⁶ Па • с;

4) важко зварюються; в них енергія активації в'язкої текучості більша від енергії хімічних зв'язків макромолекул.

Найчастіше застосовують такі способи зварювання: нагрітим газом, екструзійне, нагрітим інструментом, тертям, з нагріванням випроміню­ванням або СВЧ, ультразвукове.

1. Зварювання нагрітим газомвиконують із застосуванням присадного мате­ріалу (прутка), однакового за своїми властивостями з основним матеріалом.

Теплоносієм в цьому процесі використовують стиснене повітря або інертні гази - азот, аргон та ін. Інертні гази використовують для зварю­вання відповідальних конструкцій з пентапласту і поліолефінів з підви­щеними вимогами до їхньої міцності.

Зварювання пластмас нагрітим газом виконують вручну електрични­ми або газовими пальниками, які забезпечують нагрівання газу і підтри­мання потрібної його температури. В електричних пальниках газ-тепло-носій нагрівається до температури 250...380 °С при контакті з електрона-грівником потужністю 300...800 Вт при напрузі 36 В. Продуктивність та­ких пальників становить 3...7 м³/год при тиску 0,5 МПа.

У газових пальниках газ-теплоносій (повітря, інертні гази) нагріваєть­ся в змійовику пальника полум'ям горючого газу пропан-бутану, природ­ного газу, що надходить до пальника під тиском близько 0,1 МПа.

Залежно від застосованих наконечників пальника зварювання викону­ють у звичайному або швидкісному режимі.

При звичайному зварюванні використовують трубчасті наконечники (рис. VII. 14, а), що направляють потік газу віялоподібними рухами на основний матеріал і присадний пруток. Швидкісне зварювання виконують із застосуванням спеціальних наконечників з каналами (рис. VII. 14, 6)

Рис. VII. 14. Види наконечників пальників:

1 - присадний пруток;

2 - пальник;

3 - вихідний ка­нал наконечника;

4 - напрямна для прутка;

5 - ка­нал попереднього підігрівання прутка;

6-канал по­переднього підігрівання зварюваних деталей;

7- на­прямний клин;

8 - зварювані деталі

для попереднього підігрівання прутка і основного матеріалу. При цьому пруток може укладатися в шов вручну або за допомогою притискних гу­бок чи наконечників (рис. VII. 14, в).

Діаметр прутка вибирають залежно від товщини зварюваних деталей, геометрії зварного шва, швидкості зварювання, потрібної міцності з'єд­нання. Однак застосування прутків діаметром понад 4...5 мм небажане, оскільки важко забезпечити рівномірне прогрівання їх.

Під час зварювання слід зберігати правильне положення прутка при­садного матеріалу і наконечника пальника відносно поверхні шва.

При зварюванні поліпропілену, полівініліденхлориду пруток нахиляють під кутом >90° (рис. VII. 15, а); при зварюванні жорсткого полівініл­хлориду, органічного скла, поліетилену низького тиску - під кутом 90° (рис. VII. 15, б); при зварюванні поліетилену високого тиску, пластифікова­ного полівінілхлориду, поліізобутилену - під кутом 45...50° (рис. VII. 15, в).

Кут α нахилу наконечника пальника (рис. VII. 15, г) до основи шва при товщині зварюваних деталей до 5 мм становить 20...25°, а понад 5 мм - 30...45°.

Для одержання якісного з'єднання присадного матеріалу з основним кінець прутка відгинають і зварювання починають так, щоб пруток ви­ступав за край шва на 10 мм (рис. VII. 15, г). При заміні прутка відігнуту його частину укладають на кінець перерваного шва з перекриттям 10 мм (рис. VII. 15, д).

Для зменшення і рівномірного розподілу зварних напружень у шві при­садний пруток укладають в шов у визначеній послідовності (рис. VII. 16).

2. Екструзійне зварювання.Розплавлений присадний матеріал над­ходить із екструдера або іншого пристрою і безперервно під деяким тис-

Рис. VII. 15. Положення присадного прутка (1) і наконечника пальника (2) при зварю­ванні нагрітим газом

Рис. VII. 16. Послідовність укладання прутка у зварний шов:

а - стиковий; б – напустковий

ком подається в зазор між поверхнями зварюваних деталей, нагріває їх до температури зварювання, сплавляється з ними і утворює зварний шов.

Існує два способи екструзійного зварювання. За одним з них - безкон­тактним (рис. VII. 17, а) розплавлений присадний матеріал, що виходить із мундштука, спрямовується в зону шва і притискується роликом до кро­мок зварюваних деталей.

Більш широкого застосування набув спосіб контактно-екструзійного зварювання (рис. VII. 17, б). За цим способом розігрітий мундштук екстру­дера при переміщенні контактує з кромками деталей під кутом близько 15° і заповнює зону шва розплавленою присадкою. Це дає змогу зменши­ти втрати теплоти в зовнішнє середовище і забезпечує додаткове нагрі­вання кромок шва за рахунок тепловіддачі від мундштука екструдера, температура якого близька до температури розплаву.

Екструзійне зварювання відзначається великою продуктивністю, ши­рокими технологічними можливостями, дає можливість діставати висо­коякісні зварні з'єднання листів та плівок із термопластів.

3. Зварювання нагрітим інструментомзастосовують для з'єднання плі­вок, листів пластин. Для цього зварювані поверхні розм'якшують нагрі-

Рис. VII. 17. Схеми безконтактного та контактно-екструзійного зварювання:

1 - притискний ролик; 2 - мундштук екструдера; 3 - зварювані деталі

тим металевим інструментом (наконечником, лезом, клином, дротом), а потім з'єднують під невеликим тиском.

Нагрітим наконечником зварюють тонкі плівки і листи внапусток. По місцю їхнього з'єднання проводять нагрітим електричним струмом нако­нечником 2 (рис. VII. 18, а), за яким рухається притискний ролик 7 і забез­печує щільне безперервне зварювання.

Гарячим лезом 3 (рис.VII. 18, б) зварюють пластини. Після нагрівання зварювання відбувається за рахунок бокового тиску.

Зварювання гарячим клином належить до високопродуктивних спосо­бів зварювання плівок з полімерних матеріалів. За цим способом нагрітий електричним струмом до температури близько 350 °С клин 4 (рис. VII.18, в) розміщують між плівками 5, які протягуються по ньому і обтискуються роликами або валиками 6.

При виготовленні пакетів та мішків із поліетиленової плівки широко застосовують спосіб зварювання ніхромовим дротом на повітряній подуш­ці (рис. VII.18, г). Розігрітий електричним струмом дріт 7 одночасно зва­рює і розрізає полотно з двох плівок (рукав) 8 з утворенням вузьких міц­них швів. Процес відрізняється великою продуктивністю, легко автома­тизується.

4. Зварювання тертямпласт­мас ґрунтується на нагріванні поверхні з'єднуваних деталей за рахунок перетворення меха­нічної енергії тертя на теплову. Оскільки пластмаси мають ни­зьку теплопровідність, від зони тертя деталей відводиться не­значна кількість теплоти, вони швидко нагріваються.

Рис. VII.18. Способи зварювання пластмас нагрітим інструментом

Застосовують зварювання тертям обертання деталей, що зварюються, і зварювання коливальними рухами - вібротертям.

Зварювання тертям обертання застосовують в основному для з'єднання деталей, які мають форму тіл обертання (рис. VII. 19). Зварювання цим спо­собом виконують так само, як і металів, при безпосередньому контакті де­талей обертанням однієї з них або обох. Більш поширеним є перший спосіб.

Зварювання труб, прутків здійснюють на спеціальних установках, а можливе також на токарних верстатах.

Відносна швидкість обертання деталей при цьому становить 0,15...3 м/с, зусилля притискання в процесі тертя - 0,2...0,5 МПа.

Вібротертям можна зварювати несиметричні деталі практично будь-якої конфігурації.

Зварювання тертям відзначається рядом переваг: високою продуктив­ністю, малою затратою енергії і потужності, високою якістю зварного з'єд­нання, стабільністю якості, можливістю зварювання різнорідних полі­мерів.

5. Зварювання струмом високої частоти (СВЧ)здійснюється за рахунок нагрівання матеріалу в результаті поглинання ним енергії електричного поля. При зварюванні СВЧ матеріал міститься між металевими електро­дами, тобто утворює конденсатор, підключений до джерела високочастот­ної електричної енергії. Під дією електричного поля матеріал-діелектрик поляризується. У змінному електричному полі відбувається змінна поля­ризація. Вона супроводжується зміщенням заряджених частинок, які вхо­дять в атоми та молекули діелектрика. Це зміщення відбувається з тертям, тому енергія електричного поля витрачається на його перемагнічення і в кінцевому результаті (з деяким спрощенням) - на нагрівання матеріалу.

Рис. VII. 19. Види з'єднань циліндричних стінок з денцем (а)

і обробки кромок труб (б) для зварювання тертям

Рис. VII.20. Схеми ультразвукового зварювання пластмас:

а - безперервного; б – пресового

Для зварювання полімерних матеріалів використову­ють обладнання з частотою 13,5...81,5 МГц.

Зварювання СВЧ поділяють на пресове і роликове. Пресове зварювання дає змогу одержати за один зварю­вальний цикл з'єднання, яке повторює розміри і конфі­гурацію робочої поверхні електродів. Роликовим зварю­ванням дістають безперервні шви різної конфігурації. Зварювання виконують двома обертовими роликами, які одночасно виконують роль електродів і засобів перемі­щення матеріалу.

Останнім часом розроблено спосіб зварювання полі­мерів на надвисоких частотах (НВЧ) - 915...2450 МГц. Він дає змогу виконувати зварювання при значно мен­шій напруженості електричного поля в матеріалі. Крім того, цей процес переважає за продуктивністю зварю­вання СВЧ.

6. Ультразвукове зварюванняпластмас мало відріз­няється від такого самого зварювання металів.

Для зварювання ультразвуком листові пластинки 2 (рис. VII.20) затис­кують між притискачем 3 або роликом і хвилеводом 4 магнітострикцій­ного вібратора 5. При проходженні крізь обмотку вібратора струму час­тотою 20...50 кГц коливання його осердя підсилюються хвилеводом і пе­редаються на матеріал, що зварюється, де й трансформуються в теплоту. При цьому матеріал розігрівається тільки в зоні контакту поверхонь, що виключає їх перегрів.

За взаємним переміщенням відносно виробу ультразвукове зварюван­ня поділяють на пресове і безперервне. Пресовим зварюванням (VII.20, б) дістають точкові, прямолінійні та замкнуті шви різного контуру (ко­ла, квадрати, трикутники та ін.) залежно від робочого торця хвилевода. Безперервне зварювання (рис. VII.20, а) дає змогу одержувати безпе­рервні зварні шви переміщенням зварного виробу. Цим способом зварю­ють плівки, синтетичні тканини (мішки, фільтри, непромокальний одяг та ін.)

7. Зварювання випромінюваннямґрунтується на властивості пластмас поглинати променеву енергію і за рахунок цього нагріватись.

Залежно від виду джерела енергії і характеру випромінювання, що ге­нерується, розрізняють такі способи зварювання: інфрачервоним випро­мінюванням (14); світлом видимого діапазону; лазером (оптичним кван­товим генератором).

Конструкція зварних з'єднань та схема їх зварювання випромінюван­ням взаємозв'язані. Для плівок основним типом з'єднання є напусковий. Листи, труби і прутки зварюють у стик.

Рис. VII.21. Схеми зварювання випромінюванням:

а, д - плівок внапусток проплавленням: б...г - деталей в стик при нагріванні торців; 1 - джерело світла; 2 - екран (рефлектор); 3, 5 - зварювані деталі; 4 ~ підкладка; 7 - при­тискний ролик; 6 - дзеркала для відхилення променів; 8 - лінза; 9 - тубус лазера; 10 - випро­мінювач

Зварювання плівок внапусток здійснюють нагріванням їх зовні (рис. VII.21, а, д). Деталі в стик зварюють, застосовуючи пряме (рис. VII.21, в) або посереднє (рис. VII.21, б) опромінювання їхніх торців. При зварюванні труб і фігурних виробів для нагрівання торців використовують ІЧ-випромінювачі (рис. VII.21, г).

Зварювання випромінюванням має ряд переваг перед іншими способа­ми зварювання. Наприклад, при зварюванні плівок не утворюється під­різ по межі шва, що виникає при контактному зварюванні нагрітим інстру­ментом. При зварюванні випроміненням немає безпосереднього контакту нагрівального інструмента (випромінювача) з поверхнею зварюваних деталей, що виключає адгезію розплаву до нагрівника, а отже, спрощує процес зварювання.

Якість зварювання різних полімерів залежно від способу зварювання наведено в таблиці на с. 353.

Якість зварювання пластмас

Примітка. У таблиці взято такі позначення: Д - добра і 3 - задовільна зварюва­ність;

Н - спосіб не застосовується.