Общие сведения о сварке пластмасс

4. Назовите виды сварки  пластмасс экструдируемой присадкой.

5. Какое оборудование  применяется при сварке пластмасс  экструдируемой присадкой?

6. Какова технология  сварки пластмасс экструдируемой  присадкой? 

 

Лекция № 6.

Контактная  тепловая сварка

 

План:

6.1. Сущность процесса  контактной тепловой сварки.

6.2. Контактно-тепловая  сварка проплавлением.

6.3. Контактно- тепловая  сварка оплавлением.

6.4. Оборудование для  контактной тепловой сварки.

 

6.1. Сущность  процесса контактной тепловой сварки

Контактная тепловая сварка (термоконтактная) является способом, при котором нагрев соединяемых деталей осуществляется путем контакта с заранее нагретым или нагреваемым в процессе сварки инструментом.

По методам подвода  теплоты к свариваемым поверхностям различают сварку оплавлением и  сварку проплавлением. Контактная тепловая сварка, при которой нагретый инструмент находится в непосредственном контакте с соединяемыми поверхностями, называется методом сварки оплавлением. Переход термопласта в вязкотекучее состояние при этом методе происходит, начиная с поверхностей, подлежащих соединению, и сопровождается в большинстве случаев вытеканием расплава из-под нагревающего инструмента, т.е. соединяемые поверхности оплавляются. Методом оплавления сваривают, как правило, листы, трубы и профильные заготовки.

Контактная тепловая сварка, при которой теплота поступает к свариваемым поверхностям за счет теплопроводности свариваемого материала от инструмента, прикладываемого к их внешней поверхности, называется методом сварки проплавлением. Примером применения метода сварки проплавлением является соединение пленок внахлестку на прессе, когда теплота подводится от нагревателей, прилагаемых к нахлестке снаружи, а сварка производится внутри.

 

6.2. Контактно-тепловая сварка проплавлением

По режиму нагрева  деталей при сварке проплавлением  различают сварку при длительном нагреве по заранее заданному термическому режиму – контактно – тепловую сварку прессованием и термоимпульсную сварку, при которой нагрев свариваемых деталей осуществляется за счет кратковременного теплового импульса, а скорость охлаждения определяется теплоотводом в основание и подложку нагревателя и изделия.

1) При контактно – тепловой  сварки прессованием нагреватель  представляет собой массивный  нагревательный инструмент, который  одновременно и спрессовывает  детали.

Контактно – тепловую сварку производят с односторонним или двухсторонним нагревом изделия. Чтобы избежать прилипания свариваемого материала к нагревателю сварку ведут через разделительные прокладки из фторопласта или целлофана.

Поскольку толщина материала значительно меньше ширины шва, тепловой поток от нагревателя можно считать направленным в одну сторону вдоль оси Y. Тогда все плоскости, параллельные плоскости XZ, будут изотермическими поверхностями. Температура таких поверхностей является функцией от их координаты Y.

При исследовании тепловых полей задача состоит в определении температур изотермических поверхностей в любой  момент времени. Решение должно удовлетворять  основному уравнению теплопроводности Фурье для одномерного теплового  потока:

где T – температура, ˚К, t -  время, сек, а – коэффициент температуропроводности, м²/сек, у – расстояние по толщине пленки от верхней поверхности, находящейся в контакте с нагревателем.

 

Рис 6.1. Схема контактно-тепловой сварки прессованием и распределение температуры по сечению свариваемых материалов и прокладок:

а - с односторонним нагревом; б  – с двухсторонним нагревом; 1 – нагретый инструмент; 2 – прокладки; 3 – свариваемые материалы; 4 –  холодный инструмент.

Из графика распределения температуры по поперечному сечению шва видно, что самая низкая температура устанавливается в месте сварки, а самая высокая – на поверхности материала. Поэтому, чтобы материал в месте соединения достаточно разогрелся, температура нагревательных элементов должна быть выше температуры сварки.

Давление, оказываемое при сварке на шов, в определенной степени зависит  от вязкости расплава и геометрических параметров соединения:

,

где η – вязкость расплава; l – половина ширины нахлестки; t – продолжительность сварки; Δ – величина осадки; h₀ – толщина свариваемого пакета пленок.

Двухсторонний нагрев позволяет  скорее разогреть материал до требуемой  температуры.

При непрерывной контактно  – тепловой сварке перемещение материала  относительно инструмента накладывает дополнительные условия на характер распределения температуры по сечению шва. Главной особенностью нагрева материала является неравномерное распределение температуры по длине нагревателя. Наиболее низкую температуру будет иметь передняя часть нагревателя, постоянно вступающая в контакт с холодным материалом. Попытки ускорить контактно – тепловую сварку путем повышения температуры инструмента увеличивают опасность термодеструкции термопласта.

Чтобы избежать прилипания свариваемого материала к нагревателю сварку ведут через разделительные прокладки из фторопласта или целлофана.

2) Термоимпульсная сварка  отличается от сварки прессованием  тем, что для ее осуществления  в качестве нагревательного инструмента  используются металлические ленты  с большим электрическим сопротивлением (вместо массивных нагревательных приборов большой теплоемкости), которые, нагреваясь импульсом электрического тока, разогревают свариваемый материал за доли секунды. Давление, необходимое для соединения, создается на лентах при помощи дополнительного приспособления.

Рис. 6.2. Схема термоимпульсной  сварки:

1, 7 – прижимные губки; 2 – теплоизоляция; 3, 6 – разделительные  пленки; 4 – нагревательные ленты; 5 – свариваемые детали.

Свариваемые детали укладываются на неподвижную губку пресса, покрытую термоизоляцией, и прижимаются к нему в месте шва подвижным прижимом. Импульсы тока нагревают металлическую ленту. В зависимости от материала и толщины пленки продолжительность импульса колеблется в пределах 0,1 – 1 сек.

Соединяемые поверхности  быстро нагреваются до температуры  сварки, а затем быстро охлаждаются  прижимом, рассчитанным на создание необходимого сварочного давления. Охлаждение  под  давлением – основное преимущество термоимпульсной сварки.     

 

6.3. Контактно- тепловая сварка оплавлением

Процесс контактной сварки оплавлением деталей состоит  в том, что свариваемые поверхности  нагревают до заданной температуры, после чего источник тепла удаляют, а нагретые поверхности быстро соединяют  под давлением. Нагрев соединяемых поверхностей осуществляется за счет теплоотдачи. Этим способом выполняют стыковые и нахлесточные соединения.

1) При сварке встык  свариваемые кромки деталей по  всей длине шва прижимают к  нагретому инструменту, геометрическая  форма которого соответствует форме стыкуемых поверхностей, и прогревают до вязкотекучего состояния. Затем нагреватель удаляют, а размягченные кромки, легко прижимая, соединяют друг с другом и, не снимая давления, охлаждают. Сваркой встык соединяют детали толщиной 2 – 20 мм.

При сварке большинства  пластмасс давление в процессе сплавления размягченного термопласта колеблется в пределах 0,2 – 0,5 МПа. При этом сохраняется  необходимая прочность соединения без чрезмерного выплеска материала.

Рис. 6.3. Схема сварки труб встык при нагреве соединяемых поверхностей нагретым инструментом:

а – нагрев; б –  соединение и охлаждение; 1, 3 – соединяемые  элементы; 2 – инструмент. 

2) Сварка внахлестку  применяется преимущественно для  соединения тонкостенных изделий  или пленок термопластов. Соединяемые поверхности нагревают инструментом, образуя шов одновременно по всей длине непрерывным способом. 

Рис. 6.4. Непрерывная сварка пленок внахлестку:

а – процесс сварки; б – распределение температуры  по толщине пленок; 1 – нагревательный инструмент; 2 – свариваемые пленки; 3 – ролики.

Наибольшее распространение  получил способ сварки с механизированной подачей свариваемого материала  и неподвижным нагревательным инструментом. Таким способом сваривают пленки толщиной свыше 150 мкм.

 

6.4. Оборудование для контактной тепловой сварки

Сварочное оборудование для контактной тепловой сварки различают  по назначению (например, для сварки пленок, для сварки труб, для сварки листов); по уровню механизации (автоматы, полуавтоматы, устройства для ручной сварки); по мобильности, что чаще всего определяется массой установок для сварки в стационарных, цеховых условиях, для сварки в полевых и монтажных условиях.

Установки и устройства могут быть для непрерывной и  циклической (шаговой) сварки, для одностороннего и двустороннего нагрева.

Стационарные установки  снабжают следящими устройствами и  программным управлением.

Процесс сварки может  осуществляться различными нагревательными  элементами – стальными пластинами, лентами, роликами, электро-паяльниками, дисками, кольцами и электроутюгами особой конструкции, которые встраиваются в специальные устройства и установки.

Для сварки армированных пленок в монтажных условиях получили распространение полуавтоматические установки для односторонней (ПСП-11, ПСП-16АТ) и двусторонней (ПСП-15, ПСП-16) сварки.

Для сварки в стационарных условиях полимерных пленок разработана  серия установок МСП-16, МСП-5М, УСПП-3М, МСП-17М.

Для сварки труб диаметром  от 25 до 1200 мм выпускаются устройства типа УСКПТ-12, СА-59, УСП-5, УСКП-6. 

Контрольные вопросы:

1. В чем состоит  сущность контактной тепловой сварки пластмасс?

2. Назовите виды контактной тепловой сварки пластмасс.

3. Какое оборудование применяется  при контактной тепловой сварке  пластмасс?

 

Лекция № 7

Сварка в  электрическом поле высокой частоты

 

План:

7.1. Сущность сварки пластмасс  токами высокой частоты.

7.2. Физические основы нагрева пластмасс в электрическом поле высокой частоты.

7.3. Способы сварки пластмасс  токами высокой частоты.

 

7.1. Сущность сварки пластмасс токами высокой частоты

Сварка пластмасс токами высокой частоты основана на нагреве  в результате преобразования электрической  энергии в тепловую непосредственно  внутри самого материала. При этом пластмассы нагреваются несколько выше температуры размягчения, однако свариваемый материал не достигает жидкотекучего состояния и сварка происходит в вязкотекучем состоянии с приложением давления.

Свариваемое изделие  помещают в переменное электрическое поле высокой частоты. Поскольку пластмассы являются несовершенными диэлектриками, элементарные заряды при внесении диэлектрика в высокочастотное электрическое поле несколько смещаются, небольшое количество имеющихся в диэлектрике свободных зарядов образуют ток проводимости. На смещение заряженных частиц затрачивается работа, которая превращается в тепло благодаря наличию молекулярного трения между материальными частицами. Каждое изменение направления электрического поля влечет за собой выделение некоторого количества тепла. Для сварки пластмасс применяются токи высокой частоты в пределах 12 – 80 Гц.

Рис 7.1. Схема сварки пластмасс  токами высокой частоты:

1 – нижний электрод; 2 – свариваемые детали; 3 – верхний  электрод; 4 – понижающий трансформатор; 5 – конденсаторная батарея; 6 – генератор высокой частоты.

Области применения сварки пластмасс токами высокой частоты:

В настоящее время  токами высокой частоты в основном сваривают изделия из винипласта и полихлорвинилового пластиката толщиной до 5 мм. Этот метод обеспечивает герметичность и высокую прочность сварных швов, отличается высокой производительностью, экономичностью и хорошим качеством соединения.

 

7.2. Физические  основы нагрева пластмасс в  электрическом поле высокой частоты

При сварке токами высокой  частоты материал находится между  металлическими электродами. Электроды  и помещенный между ними материал образуют конденсатор, подключенный к  источнику высокочастотной электрической  энергии. Под действием электрического поля материал диэлектрик поляризуется. В случае переменного электрического поля в диэлектрике происходит переменная поляризация, сопровождающаяся смещением заряженных частиц, входящих в атомы и молекулы вещества.

Движение частиц в  диэлектрике происходит с некоторым трением и электрическое поле затрачивает свою энергию на его преодоление. В диэлектриках, обладающих дипольной поляризацией, перемещение частиц происходит с большим трением, что вызывает нагрев диэлектрика. При малой частоте изменения электрического поля диполи диэлектрика ориентируются без запаздывания, а с возрастанием частоты поля увеличивается скорость поворота диполей и, следовательно, растет трение частиц.