Общие сведения о сварке пластмасс

3) Пластмассы обладают  высоким коэффициентом  температурного расширения, в несколько раз большим, чем у металлов.

 

 

 

3.2. Физические основы сварки пластмасс

Сварка полимерных материалов осуществляется в результате протекающей  взаимной диффузии молекул полимера в контактирующих поверхностях или в результате  химической  реакции присоединения между звеньями  молекул соединяемых полимеров.  В зависимости от степени упорядоченности отдельных участков линейных молекул полимер может находиться в кристаллическом или амфотерном состоянии.

В процессе сварки кристаллических полимеров по мере плавления полимера в нем постепенно нарушается упорядоченное разложение молекул и начинается переход из кристаллической фазы в аморфную. Температура  перехода  полимера  из твердого состояния в жидкое может быть выше температуры плавления кристаллической фазы в нем  и  зависит   от молекулярного веса полимера.

При большом молекулярном весе полимер, нагретый выше  температуры  плавления,  перейдя в аморфную фазу,  сохраняет еще твердое  агрегатное состояние и только с  дальнейшим повышением температуры постепенно переходит в вязкотекучее состояние.

Аморфное твердое состояние  полимера характеризуется фиксированным,  но  разрыхленным  расположением  макромолекул относительно друг друга  и лишь ограниченной подвижностью звеньев. С повышением температуры  увеличивается  энергия теплового движения макромолекул.  Когда эта энергия становится достаточной,  чтобы  появилась гибкость  всей  молекулы,  полимер переходит в высокоэластическое состояние (температура стеклования). Переход происходит постепенно в интервале температур 15-25°С. В высокоэластичном состоянии сравнительно небольшие напряжения вызывают перемещение  молекул и их ориентацию в направлении действующей силы.  После снятия нагрузки молекулы постепенно приобретают форму,  характерную для равновесного состояния.   При дальнейшем  повышении температуры энергия тепловых движений возрастает настолько, что молекулы приобретают способность перемещаться относительно друг друга (вязкотекучее состояние).

Свариваемость полимеров  за  счет диффузии возможна только в зоне, допускающей свободное перемещение молекул,  т.е.  в  стадии вязкотекучего состояния. Чем ниже температура перехода полимера в эту стадию и выше его текучесть,  тем быстрее удается  достигнуть однородности материала в зоне сварного соединения.

 

3.3. Основные способы сварки пластмасс

В настоящее время  применяется  целый  ряд  способов  сварки пластмасс, осуществляющихся с  нагревом зоны соединения и без него.

Способы сварки с нагревом соединения в зависимости от применяемых источников  нагрева можно разделить на две группы.  К первой группе относятся способы сварки,  в которых используется  энергия посторонних источников тепла:

     1) газовыми  теплоносителями;

     2) экструдируемой  присадкой;

     3) нагревательными элементами.

Во всех приведенных  способах  тепло передается к  свариваемым поверхностям пластмассы за  счет  конвекции,  теплопроводности  и частичного лучеиспускания.

Ко второй группе относятся  способы сварки,  в которых  тепло генерируется  внутри  пластмассы за счет преобразования различных видов энергии. При этом используется энергия:

     1) токов  высокой частоты;

     2) ультразвуковых  колебаний;

     3) трения;

     4) инфракрасного  излучения;

     5) химических  реакций;

     6) лазерного  излучения.

Без нагрева  зоны  соединения  выполняется  сварка с помощью растворителей.

Классификация способов сварки пластмасс приведена на рис 3.1.

Рис. 3.1. Классификация способов сварки пластмасс.

Сварка газовыми теплоносителями  относительно проста и позволяет получать разнообразные изделия при минимальных  затратах  на оборудование. Нагрев  свариваемых  кромок  осуществляется за счет теплоотдачи от нагретого газа,  поступающего из горелки. Применяется при изготовлении аппаратуры для химической  промышленности.

Способ сварки  экструдируемой присадкой дает хорошие результаты, как при сварке пленок,  так  и при сварке листов большей толщины. Метод основан на подаче в место  сварки присадки, находящейся в вязкотекучем состоянии.

Сварка нагретым инструментом  применяется  при  изготовлении труб, упаковочной тары,  чехлов и многих других изделий. Источником нагрева служат разогретые тела, которые передают тепло путем непосредственного соприкосновения с пластмассой.

Метод сварки  токами  высокой частоты основан на способности некоторых пластмасс нагреваться в  высокочастотном  электрическом поле, возникающем между электродами, которые одновременно сжимают свариваемые поверхности.

При сварке трением нагрев осуществляется за счет тепла, получаемого  в процессе трения свариваемых поверхностей при приложении к ним давления.

Способ сварки ультразвуком основан на преобразовании  механических высокочастотных  колебаний,  возбуждаемых в пластмассе,  в тепло. Тепло,  развивающееся преимущественно  на  свариваемых  поверхностях, размягчает  пластмассу и при приложении давления происходит сваривание деталей. Сварка ультразвуком особенно пригодна для сварки изделий, у которых доступ  к месту соединения затруднен, и свариваемый материал не допускает нагрева по всему объему.

При сварке  пластмасс  инфракрасным излучением нагрев осуществляется за счет источника тепла инфракрасного  излучения,  получаемого при  накаливании  стержневых кварцевых ламп и других источников. Применяется преимущественно  для сварки полимерных пленок.

 

3.4. Химическая сварка пластмасс

Химическая сварка пластмасс  применяется для сварки термореактивных  пластмасс (стеклопластиков,  текстолитов, пресспорошков, феноло-формальдегидных,  эпоксидных,  отвержденых  полиэфирных  смол).

Химическая сварка  пластмасс осуществляется за счет химического взаимодействия свариваемых материалов с  веществом,  которое вводится в  сварочный шов и играет в этом случае роль сшивающей добавки. Эти вещества реагируют с активными группами звеньев молекул, находящихся в зоне контакта.

Рис 3.2. Механизм химической сварки ПЭТ  при помощи диизоцианата.

Успех применения этого  способа  сварки  зависит  от  многих факторов:

1) свариваемый полимер должен содержать высокоактивные функциональные группы  достаточной  концентрации,  чтобы совокупность химических связей,  возникших в месте соединения, обеспечивала необходимую механическую прочность.

2) низкомолекулярное вещество, выступающее в роли мостикообразующего, не должно  испаряться при температуре сварки.

3) скорость реакции должна быть достаточно высокой.

4) реакция  не должна сопровождаться выделением большого количества легко испаряющегося побочного продукта,  который не должен разрушать полимер,  или адсорбируясь в нем,  изменять его качество.

 

3.5. Сварка пластмасс с помощью растворителей

Сущность сварки пластмасс  с помощью растворителей заключается  в том,  что соединяемые поверхности  смачиваются растворителем до тех  пор, пока они не станут липкими, затем  их складывают и выдерживают  под  давлением.  Давление  облегчает взаимную диффузию макромолекул в контактируемых поверхностях при обычной температуре.

Сварка с помощью  растворителя применяется, когда полимер  находится в  аморфном  состоянии (полиметилметакрилат,  полистирол, поливинилхлорид и другие). Благодаря гибкости молекул в них возникают непрерывно чередующиеся  межмолекулярные пустоты,  в которых диффундирует растворитель.  После заполнения  свободных  пространств в полимере молекулы  растворителя начинают раздвигать молекулы полимера, облегчая их отрыв друг от друга.  Эта стадия  растворения называется набуханием.  Как только межмолекулярное взаимодействие уменьшится настолько,  что молекулы приобретают возможность перемещаться, начинается вторая стадия растворения - диффузия молекул полимера в растворитель.

Контрольные вопросы:

1. Каковы особенности  сварки термопластичных материалов?

2. Каковы физические  основы сварки пластмасс?

3. По какому принципу классифицируются способы сварки пластмасс?

4. Для какой группы  пластмасс применяется химическая  сварка?

5. В чем состоит  сущность сварки пластмасс с  помощью растворителя?

 

 

 

Лекция № 4

Сварка газовым  теплоносителем

 

План:

4.1. Сущность сварки  газовым теплоносителем.

4.2. Виды сварки газовым  теплоносителем.

4.3.Оборудование для  сварки газовым теплоносителем.

4.4. Технология сварки  газовым теплоносителем.

 

4.1. Сущность сварки газовым теплоносителем

Сварка газовым теплоносителем (нагретым газом) основана на нагреве  соединяемых поверхностей материала  до температуры сварки струей нагретого  газа. Выполняют ее с применением присадочного материала либо без него с помощью горелок различной конструкции. Нагретый газ, выходящий из сопла горелки, нагревает одновременно свариваемые кромки и присадочный пруток, плотный контакт между которыми создается за счет прижатия прутка рукой сварщика. 

При сварке в N₂, Ar или СО₂ процесс идет в защитной инертной среде, что очень важно в тех случаях, когда требуется избежать окисления материала. Однако чаще всего применяется сжатый воздух, благодаря простоте его получения. Воздух и инертные газы подогревают до температуры сварки за счет прохождения через электронагревательные элементы сварочной аппаратуры или же пламенем горящего газа, а затем подают к месту сварки.

4.1.1.Преимущества сварки газовым  теплоносителем:

- способ сварки может быть применен для сварки материалов различной толщины;

- позволяет осуществлять сварку протяженных швов сложной конфигурации при различном их положении в пространстве;

- не требует сложного оборудования.

Недостатки сварки газовым теплоносителем:

- низкая производительность процесса сварки;

- недостаточно высокая прочность  сварного соединения.

4.1.2. Области применения сварки  газовым теплоносителем:

Газовым теплоносителем можно сваривать  большинство известных термопластов – поливинилхлорид непластифицированный (винипласт), поливинилхлорид пластифицированный (пластикат), полиэтилен высокого давления, полиэтилен низкого давления, полипропилен, полиметилметакрилат, полиамиды.

Газовым теплоносителем можно сваривать  панели, покрытия полов, ванны, воздуховоды, безнапорные трубопроводы и другие детали из материалов толщиной 1,5 – 20 мм, а также экраны, оболочки, герметичные чехлы и другие изделия из полимерных пленок.  

 

 

4.2. Виды сварки газовым теплоносителем

Сварку газовыми теплоносителями  можно разделить на два вида:

1. Сварка с применением присадочного материала;

Сущность сварки газовым теплоносителем с присадкой заключается в  том, что свариваемые детали и  присадочный пруток нагревают до вязкотекучего состояния газовым  теплоносителем, в качестве которого могут служить воздух, азот, аргон, углекислый газ и другие газы. При надавливании пруток приваривается к размягченным кромкам изделия, образуя сварной шов. Если пластифицированный пруток не выдерживает осевого давления, то используется прикатка его роликом.

Рис. 4.1. Схема сварки нагретым газом  с применением присадочного материала:

1 – струя газа; 2 – нагреватель; 3 – присадочный материал; 4 –  шов; 5 – свариваемые детали.

Сварка нагретым газом  с присадочным материалом может  выполняться вручную и механизированным способом.

2) Сварка без применения  присадочного материала основана  на свойстве материалов прессоваться  в нагретом состоянии при определенной  температуре. Перед сваркой кромки  листов срезают под углом 20 - 25˚ , листы складывают по кромкам, и последние равномерно нагревают подогретым газом. Непосредственно за струей нагретого газа следуют ролики, создающие давление при сварке. Оставаясь холодными, они не прилипают к материалу. Сварной шов при такой подготовке поверхности деталей под сварку получается незаметным, а изделие имеет одинаковую толщину во всех сечениях.

Рис. 4.2. Схема сварки нагретым газом без присадочного материала:

1 – ролики; 2 – нагреватель; 3 –шов; 4 – свариваемые листы.

Сварку без применения присадочного материала можно применять для соединения только плоских деталей.

 

4.3.Оборудование  для сварки газовым теплоносителем

Для сварки термопластов нагретым газом применяются горелки, которые делятся на:

1) газовые горелки  косвенного действия ГГК-1;

2) газовые горелки прямого действия ГГП-1;

3) газовые горелки с электрическим нагревом газа-теплоносителя прямого действия ГЭП-1 и ГЭП-2.

Технические характеристики большинства известных горелок  практически одинаковы: