Общие сведения о сварке пластмасс

По взаимному перемещению  волновода относительно изделия  ультразвуковая сварка разделяется  на прессовую и непрерывную. Прессовая  сварка выполняется за одно рабочее движение волновода. С помощью прессовой сварки получают точечные, прямолинейные и замкнутые швы различного контура, например, в виде окружности, квадрата, прямоугольника, треугольника, эллипса и т.п. (рис. 8.3.) в зависимости от формы рабочего торца волновода.

Непрерывная сварка позволяет  получать непрерывные протяженные  швы путем относительного перемещения  волновода и свариваемого изделия.

 

Контрольные вопросы:

1. В чем состоит  сущность ультразвуковой сварки  пластмасс?

2. Каковы преимущества  ультразвуковой сварки пластмасс?

3. Каковы области применения  ультразвуковой сварки пластмасс?

4. Назовите виды ультразвуковой  сварки пластмасс.

5. Какое оборудование  применяется при ультразвуковой  сварке пластмасс?

 

Лекция № 9

Сварка пластмасс  трением

 

План:

9.1. Сущность сварки пластмасс трением

9.2. Способы сварки  трением

9.3. Оборудование для сварки пластмасс трением

 

9.1. Сущность сварки пластмасс трением

Сварка пластмасс трением основана на нагреве соединяемых поверхностей за счет превращения механической энергии трения в теплоту. Поскольку пластмассы обладают низкой теплопроводностью от зоны контакта деталей, подвергающихся трению, отводится незначительное количество теплоты и поэтому нагрев происходит быстро. За счет выделяющейся при трении теплоты термопластичный материал переходит в вязкотекучее состояние (плавится) и под воздействием прикладываемого при этом усилии часть расплава вытекает  в процессе трения (оплавления) свариваемых деталей. При накоплении в стыке необходимого количества расплава процесс трения прекращается  и детали сжимаются (осаждаются) – получается неразъемное соединение.

Для осуществления соединения термопластов при сварке  необходимо:

1) повышение активности  макромолекул сопрягаемых слоев  деталей с целью увеличения  вероятности их взаимной ориентации, взаимодействия и последующего ассоциирования в надмолекулярные структуры;

2) удаление с поверхности  абсорбированных веществ, загрязнений  и оксидных пленок с целью  образования ювенильных поверхностей;

3) создание физического  контакта сопрягаемых поверхностей в пределе до номинальной величины, т.е. до полного контакта по всей поверхности.

При сварке пластмасс  трением первое условие выполняется  за счет регенерации механической работы трения  в тепловую энергию. Второе условие реализуется при износе поверхностей в процессе трения и удаления из зоны контакта свариваемых деталей загрязнений радиальными силами. Третье условие выполняется путем сжатия сопрягаемых деталей внешними силами как в процессе нагрева, так и при осадке.        

Преимущество способа сварки трением  состоит в том, что при трении в месте контакта разрушаются все поверхностные ингредиенты, образовавшиеся до начала процесса сварки. В процессе сварки расплав защищен от влияния атмосферы, чем в значительной степени исключены процессы окисления макромолекул, находящихся в активированном состоянии.

К преимуществам сварки трением относятся также высокая  производительность процесса, малое  потребление энергии и мощности, высокое качество сварного соединения, стабильность качества сварных соединений, возможности сварки разнородных пластмасс, гигиеничность процесса.

9.2. Способы  сварки трением

В  зависимости от условий нагрева  свариваемых поверхностей сварку трением  можно производить по двум схемам:

а) вращением свариваемых деталей  или промежуточного элемента – сварка вращением;

б) вибрацией свариваемых деталей  или промежуточного элемента – сварка вибротрением.

Сварку трением вращением применяют  при соединении деталей, имеющих  форму тел вращения. Вибротением  можно сваривать несимметричные детали практически любой конфигурации. 

Кинематически сварка вращением может  производится при непосредственном контакте стыкуемых деталей вращением  одной из них, либо вращением обеих, а также вращением специальной  вставки.

Рис 9.1. Принципиальная схема сварки трением:

а – с использованием вращения одной детали; б – двух деталей; в – вставки; 1, 3 – свариваемые  детали; 2 –шов; 4 – вставка.

Наибольшее практическое применение имеет схема сварки вращением, при  которой одна из свариваемых деталей неподвижна. В этом случае выделяющаяся тепловая мощность (Вт/см²)  может быть определена по формуле:

N≈2/3πPfnR10^-2,

где P – давление, МПа; f – коэффициент трения; n – относительная скорость вращения, об/мин; R – радиус поверхности трения, см.

Таким способом сваривают между собой стержни, трубы и другие тела вращения сравнительно небольшой длины.

Во втором случае трение в свариваемых поверхностях создается  вращением обеих деталей, но в  противоположные стороны. Такой  способ целесообразно применять, когда необходимы высокие относительные скорости вращения.

Длинные детали, вращение и торможение которых затруднено, можно сваривать  при помощи третьей, промежуточной  детали – вставки. Вставка может  быть остающейся после осадки и представлять собой элемент сварной конструкции. В этом случае вставка должна быть из того же материала, что и свариваемые детали, а конструкция будет иметь два сварных шва. Возможно применение вращающегося элемента, который после оплавления контактирующих с ним деталей удаляется, а детали соединяют путем осадки. Недостатком последнего метода является то, что после удаления вставки расплавленные поверхности контактируют с атмосферой.

При сварке вибротрением детали нагреваются вследствие вибрационных перемещений низкой частоты с  амплитудой конечной величины. Свариваемым деталям, прижатым одна к другой усилием Р, сообщается относительное возвратно-поступательное движение, приводящее к разогреву соприкасающихся поверхностей и их соединению после прекращения вибрации. При частоте колебаний 50 Гц и амплитуде 1,5 мм продолжительность сварки термопластов практически не зависит от толщины и размеров свариваемых деталей и не превышает 10 сек. Удельное давление для разных материалов лежит в пределах 2-15 МН/м².

 

9.3. Оборудование для сварки пластмасс трением

Сварку пластмасс трением  осуществляют на различных металлообрабатывающих  станках – токарных, сверлильных, фрезерных и на специальных сварочных  машинах.

Машины для сварки трением МСП-1 и МСП-2 имеют следующие  основные узлы:

1) механизм для создания  осевого давления;

2) зажимные механизмы;

3) систему, воспринимающую  осевые усилия;

4) аппаратуру управления.

Очень часто устанавливается  электромеханический привод вращения, содержащий асинхронный электродвигатель, клиноременную передачу и шпиндель. На большинстве машин для прекращения вращения деталей применяют фрикционно-тормозные механизмы. Они обеспечивают быструю остановку шпинделя, высокую производительность процесса. Остановку вращения шпинделя можно также осуществлять за счет реверсирования электродвигателя противотоком. Однако это приводит к перегреву электродвигателя и вынужденному перерыву в работе и тем самым снижает производительность процесса.

Для сварки трением применяют зажимные механизмы нескольких типов. Станки, предназначенные для сварки в  условиях индивидуального или мелкосерийного производства, снабжены кулачковыми патронами с ручным зажимом деталей, которые позволяют быстро переналадить станок на другой диаметр деталей. В качестве зажимных механизмов для закрепления вращающихся деталей можно использовать самозажимные цанги.

Механизм для создания осевого давления выполняется пневматическим или гидравлическим. Осевое усилие в передней бабке воспринимается, как правило, упорными подшипниками.

 

Контрольные вопросы:

1. В чем состоит  сущность сварки пластмасс трением?

2. Каковы преимущества  сварки пластмасс трением?

3. Каковы области применения  сварки пластмасс трением?

4. Назовите виды сварки  пластмасс трением.

5. Какое оборудование  применяется при сварке пластмасс трением?

 

 

Лекция № 10.

 Сварка  излучением

 

План:

10.1. Сущность сварки излучением

10.2. Сварка инфракрасным излучением

10.3. Оборудование для сварки ИК-излучением

10.4. Сварка лучом лазера

 

10.1. Сущность сварки излучением

Сварка пластмасс излучением основана на способности пластмасс  поглощать лучистую (фотонную) энергию и за счет этого нагреваться. В результате поверхностные слои деталей из термопластов переходят в вязкотекучее состояние и с приложением необходимого давления свариваются.

Соответственно виду источника и характеру генерируемого им излучения различают следующие разновидности сварки:

1) инфракрасным излучением (ИК);

2) светом видимого  диапазона (СВД);

3) лазером (оптическим  квантовым генератором).

Особенностью сварки излучением является отсутствие непосредственного  контакта нагревательного инструмента (излучателя) с нагреваемой поверхностью, что исключает необходимость применения мер по предупреждению адгезии расплава к нагревателям. При нагреве не происходит принудительного вытеснения расплава в первичный грат. При сварке пленки не образуется так называемый подрез по границе шва, возникающий при контактной сварке нагретым инструментом.

Процесс нагрева излучением легко регулируется в широком  диапазоне путем изменения мощности лучистого потока (температуры нагрева  излучателя) и расстояния до облучаемых объектов.

 

10.2. Сварка инфракрасным излучением

Сварка с помощью  ИК-излучения основана на превращении  лучистой энергии в тепловую внутри соединяемого материала. ИК-излучение  имеет электромагнитную природу. Считается, что ИК-спектр занимает область длин волн от 0,72 до 1000мкм, т.е. от красной границы видимого спектра до коротковолновой части миллиметрового диапазона. ИК-лучи ведут себя как и любые другие лучи: отражаются, преломляются, поглощаются. Поглощаемость ИК-лучей телами использована для сварки. Механизм преобразования ИК-лучей в тепло внутри материала состоит в следующем: известно, что элементарные частицы тел имеют собственную частоту колебаний, а для пластмасс эти частоты колебаний определяются структурой молекул, размерами атомов, внутри- и межмолекулярными связями. И если частота ИК-лучей совпадает с собственной частотой колебаний элементарных частиц облучаемого тела, то происходит так называемое резонансное поглощение, т.е. превращение электромагнитной энергии в тепловую.

 

Рис. 10.1. Схема сварки ИК-излучением:

1 – источник света, 2 –рефлектор; 3,4 – свариваемые детали, 5 – подложка.

Важной характеристикой  нагрева ИК-лучами служит степень  поглощения пластмассами лучистой энергии. Наибольшей способностью обладает пентопласт, наименьшей – фторопласт. Большинство пленок относительно прозрачны для ИК-лучей, поэтому часть лучистой энергии, проходя через них, попадает на подложку, поглощается ею и нагревает ее. Нагретая подложка передает часть теплоты свариваемой пленке. Наиболее эффективна в отношении скорости нарастания температуры ламповая сажа, затем черная бумага, черная пористая резина, черная прорезиненная ткань и др. Плохо нагревается материал при сварке на пассивных подложках, например, из фторопласта. С увеличением толщины свариваемых пленок роль подложки заметно уменьшается в результате ослабления интенсивности лучевого потока. При сварке ИК-излучением нагреватель не оказывает давления на свариваемые детали. Поэтому нагреваемые детали сдавливаются путем натяжения свариваемых пленок, либо на упругих подложках. Предельная толщина свариваемых пленок -  1,5 – 2 мм. 

К термическим параметрам при сварке ИК-излучением можно отнести  температуру сварки Т_св, которая зависит от природы нагреваемого термопласта и размеров детали. Температура сварки фактически измеряется на поверхности нагреваемой детали, т.е. Т_св =Т_п.

При условии адиабатических границ нагреваемых поверхностей распространение  теплоты может быть представлено одномерной схемой, когда температура  поверхности Т_п  нагреваемой детали:

,

где φ – коэффициент  теплопроводности; ρ – коэффициент  поглощения ИК-излучения облучаемым материалом; q_и -  мощность излучения, Вт/см²; k – коэффициент, представляющий собой функцию времени; λ – коэффициент теплопроводности материала, Вт/см²·К.

Глубина проплавления:

,

где Т_пл – температура текучести данного термопласта.

Интенсивность ИК-излучения  пропорционально четвертой степени  температуры излучающего инструмента:

,

где q_и – мощность излучения, σ – постоянная Стефана-Больцмана, F – площадь поверхности излучателя; ε – степень черноты поверхности; Т – абсолютная температура излучателя.

Мощность излучения  q_и тем больше, чем выше температура излучающей поверхности инструмента. Поглощенное нагреваемой поверхностью излучение составляет лишь часть поток  q_и, что учитывается коэффициентом теплопередачи, зависящим от формы и размеров излучающей и поглощающей поверхностей, а также от взаимного расположения.