Общие сведения о сварке пластмасс

Возможна сварка ИК-излучением листового материала, стержней, труб и других профилей как с присадочным прутком с разделкой кромок, так и без присадочного материала, где ИК-излучатели выполнены с прямоугольными и фигурными нагревательными элементами.

 

10.3. Оборудование для сварки ИК-излучением

Источник ИК-излучения  – самый важный элемент сварочных  устройств и установок, которые  состоят из кварцевых излучателей, силитовых стержней и никельхромовых сплавов.

Кварцевые излучатели выпускаются  в виде трубок, внутри которых находится токопроводящая спираль. В разборных нагревателях нихромовая спираль намотана на кварцевый стержень и вставлена в кварцевую трубку толщиной 2 мм, которая нагревается до 1273-1473К.

В газонаполненных кварцевых  лампах источником излучения является вольфрамовая спираль. Температура нагрева нити таких ламп 2373К.

Чаще используются силитовые  излучатели. Силит – это керамический материал на основе карбида кремния  и глины. Он обладает повышенным электросопротивлением  в сочетание с термостойкостью. Силитовые стержни располагаются на расстоянии до 10 мм от свариваемых изделий. Рабочие температуры у них 1573 К, диаметр 6 мм, длина 60 мм, U =24 В, мощность 260 Вт. Наибольший диаметр нагревателей - 25 мм, мощность 7,5 кВт. Для непрерывной сварки термопластичных пленок толщиной до 2мм ИК-излучением выпускаются универсальные сварочные машины МСП-5М и СПК-М со сменными сварочными головками. Для автоматической сварки пластиковых труб с наружным диаметром до 140 мм применяется установка УСПТ-ИК-1С, до 320мм – УСПТ-ИК-2С. Для непрерывной стыковой сварки линолеума из ПВХ применяются сварочные устройства типа «Пилад-220».

 

10.4. Сварка  лучом лазера

При сварке термопласта  лучом лазера нагрев соединяемых  поверхностей достигается в результате превращения лучевой энергии  лазера в тепловую в месте фокусировки луча.

Рис. 10.2. Схема сварки пленки лучом лазера:

1 – лазер; 2 – отклоняющее  зеркало; 3,4 - свариваемые пленки, 5 –  прижимной ролик; 6 – фокусирующая  линза.

Особенность лазерного  излучения состоит в его способности создавать в фокусе мощность значительной плотности. Для этого когерентный луч при помощи специальных линз собирается в узкий пучок, достигающий десятых долей миллиметра.

Непрерывно действующий  СО₂-лазер мощностью 1 кВт позволяет в фокальном пятне диаметром 0,1 мм получить плотность тепловой мощности около 3 мВт/см². Применение лазеров для сварки с появлением относительно дешевых молекулярных газовых лазеров, работающих на СО или СО₂, имеющих КПД 15-20%. Лазерная сварка наиболее эффективна при соединении тонких полимерных пленок.

Скорость v_с сварки пленок лучом лазера определяется необходимостью повышения температуры ΔТ до температуры плавления:

,

где Q - поглощаемая пленками лучистая энергия; ρ – плотность материала, с_р – удельная теплоемкость, b – ширина шва; δ – суммарная толщина свариваемых пленок.

СО₂-лазер широко применяется для резки термопластов, а также для раскроя синтетических тканей и искусственных кож. При этом средняя скорость раскроя составляет 1 м/с и зависит от количества слоев материала, его свойств и мощности луча.

Для сварки полимерных материалов могут быть использованы не только газовые лазеры, генерирующие лучи с длиной волны 10,6 мкм, но и лазеры на рубином кристалле с длиной волн 1,06 мкм.  

 

Контрольные вопросы:

1. В чем состоит  сущность сварки пластмасс инфракрасным излучением?

2. Какое оборудование  применяется при сварке пластмасс  инфракрасным излучением?

Лекция № 11

Качество сварных соединений

План:

11.1. Дефекты сварных соединений

11.2. Контроль качества  сварных соединений из пластмасс

11.1. Дефекты сварных соединений

Дефектами сварных соединений называют структурные микро- и макронеоднородности, возникающие в сварном шве  вследствие нарушений технологии подготовки свариваемых конструкций, их сборки и сварки.

Основные признаки, характеризующие  влияние на прочностные свойства сварного соединения – геометрические размеры дефектов, их форма, положение  в сечении сварного шва и массовость.

 

Рис. 11.1. Общая классификация типов сварочных дефектов при сварке пластмасс.

Дефекты, встречающиеся  в процессе сварки, можно разделить  на следующие группы:

1) дефекты заготовок,  подготовки и сборки под сварку;

2) дефекты формы и  отклонения в размерах сварных  швов;

3) наружные и внутренние  дефекты сварных швов и соединений;

4) низкие механические  свойства сварных соединений;

5) деформации и коробление  сварных конструкций.

1) Дефекты заготовок,  подготовки и сборки под сварку. Для их предотвращения заготовки  должны быть сделаны в точном соответствии с чертежом. Характерными дефектами заготовок под сварку являются: 1) неправильный угол скоса кромок; 2) непостоянство угла скоса кромок; 3) вырывы и зарезы кромок; 4) загрязнение кромок.

Характерные дефекты  сборки под сварку: 1) слишком большой или слишком малый зазор между кромками собранных под сварку элементов; 2) непостоянство зазора между кромками по длине; 3) несовпадение плоскостей кромок; 4) не предусмотрены обратные деформации собранных элементов.

2) дефекты формы и отклонения в размерах сварных швов образуются вследствие неправильной подготовки под сварку, нарушения установленного температурного режима сварки, несоответствия скорости подачи присадочного материала и скорости сварки, непостоянства давления.  

3) При сварке пластмасс наиболее распространены такие наружные и внутренние дефекты сварных швов и соединений, как поры, несплавления, непровары и трещины.

Основная причина образования  пор – длительный контакт с  воздухом оплавленных поверхностей перед их осадкой. Образование пор возможно и при деструкции полимерного материала  в случае резкого превыщения оптимальной температуры сварки в сочетании с недостаточным давлением осадки.

Несплавления возникают  вследствие неплотного контакта оплавляемых  поверхностей, превышения допустимых зазоров, чрезмерных технологических пауз, недостаточного давления осадки.

Основные причины возникновения  непроваров – низкое давление и  недостаточная длительность осадки.

Образование трещин связано  с неравномерностью и повышенной скоростью охлаждения шва, вызывающих повышенный уровень усадочных напряжений.

4) Ухудшение механических  свойств сварного соединения  с изменением в структуре полимера  при нагреве их на воздухе.  Поэтому при сварке применяют  газы-теплоносители, которые инертны  по отношению к пластмассам, например, азот, углекислый газ, аргон и др.

5) Деформация и коробление  сварных конструкций из пластмасс  происходят за счет внутренних  напряжений в швах и околошовной  зоне, возникающих вследствие усадки  шва, неравномерного нагрева и  неравномерного охлаждения. В значительной мере способствует этому и тот факт,  что для пластмасс характерна относительная малая теплопроводность, большая усадка и значительное расширение при нагреве.

 

11.2. Контроль  качества  сварных соединений  из пластмасс

Качество сварных соединений пластмасс определяется степенью соответствия соединений установленным нормативным  требованиям, которые характерны для  заданных условий их эксплуатации и  включают требования к качеству основных и вспомогательных полимерных материалов; к качеству подготовки элементов конструкций для сборки под сварку; к сборки свариваемых элементов конструкций; к качеству сварки элементов конструкции.

В соответствии с этими  требованиями различают три стадии контроля:

1) предварительную, включающую контроль основных и вспомогательных материалов, контроль подготовки элементов конструкций для сборки и контроль технологии сборки свариваемых элементов конструкций;

2) текущую, включающую  контроль технологических режимов  сварки элементов конструкций;

3) заключительную, включающую контроль сварных соединений с применением разрушающих и неразрушающих методов.

Разрушающие методы контроля включают определение механических свойств сварных соединений посредством  испытания сварного соединения на одноостное статическое растяжение – ГОСТ 16971-71, ГОСТ 11262-80; сварного соединения на статический изгиб – ГОСТ 4684-71; сварного соединения на ударную вязкость – ГСОТ 4647-80; сварного соединения на морозостойкость – ГСОТ 22346 –77; сварного соединения на хрупкость при изгибе – ГСОТ 16782-83; сварного соединения на ползучесть – ГОСТ 18197-82; сварного соединения на старение под воздействием естественных климатических условий – ГОСТ 17170-71.

Неразрушающие методы контроля сварных соединений пластмасс включают: визуально-оптический, радиационный, ультразвуковой, электроискровой, капиллярный, на герметичность, тепловой, голографический.

Визуальное выявление  дефектов заключается во внешнем  осмотре и измерениях. Как правило, внешнему осмотру подвергают 100% сварных  соединений пластмасс.

Типовые дефекты сварки, выявляемые внешним осмотром и измерением: выходящая за рамки регламентируемых значений высота сварочных валиков; превышение регламентируемого несовпадения свариваемых кромок и деталей; превышение регламентируемого зазора по границе свариваемых поверхностей перед сваркой.

Контроль сварных соединений на герметичность осуществляется одним  из следующих способов:

1) Испытание сжатым  воздухом с погружением в воду  применяется для изделий небольших  размеров, имеющих форму замкнутых сосудов и резервуаров. Заключается он в том, что изделие погружают в воду и наполняют сжатым воздухом. В местах нарушения герметичности воздух выходит из изделия и образуются пузырьки.

2) Испытание сжатым  воздухом и обмазкой мыльной  водой состоит в том, что сварная конструкция заполняется сжатым воздухом, а с внешней стороны сварные швы обмазывают мыльной водой. Дефектные участки выявляются по появлению мыльных пузырьков.

3) Испытание керосином  состоит в том, что проверяемый  на непроницаемость шов с одной стороны обмазывается водным меловым раствором, после высыхания которого другая сторона шва обильно смачивается керосином. Керосин, обладающий весьма низкой вязкостью и высокой проникающей способностью, проходит через дефектные участки, выступает на окрашенной мелом поверхности в виде ржавых пятен и полос. Недостатком этого метода испытаний является то, что некоторые материалы набухают в керосине.

4) Испытание сжатым  воздухом и аммиаком состоит  в том, что на сварные швы  испытуемого материала накладывают  бумажную ленту, пропитанную 5%-ным водным раствором фенолфталеина. Затем в изделие подается аммиак в количестве 1% от объема воздуха. При наличии сквозных дефектов аммиак проходит через них и вызывает изменение цвета бумаги с белого на фиолетовый.

5) Люминесцентный метод заключается в том, что на одну из сторон наносят слой люминесцентной жидкости (дефектоль, нориоль и д.р.). По истечению времени, необходимого для проникновения жидкости, обратную сторону посыпают порошком (окиси магния, талька). В местах нарушения герметичности жидкость проходит через дефект и смачивает порошок. После 30-50-минутной выдержки удаляется лишний порошок и поверхность подвергается облучению ультрафиолетовыми лучами в затемненном помещении. В местах нарушения непроницаемости наблюдается свечение порошка, смоченного люминесцирующей жидкостью.

Ультразвуковая дефектоскопия  применяется для выявления внутренних дефектов в сварных швах и основном материале. В основу ультразвуковой дефектоскопии положена способность  ультразвука отражаться от поверхности раздела двух сред с различной акустической плотностью. Ультразвуковые колебания для целей дефектоскопии получают при помощи пьезоэлектрического эффекта. Для передачи ультразвуковых колебаний используют специальные устройства – щупы или искательные головки.

Ультразвуковой метод  контроля сварных соединений пластмасс  имеет специфические особенности  по сравнению с контролем сварных  соединений металлических изделий, определяемые акустическими свойствами полимерных материалов – небольшая  скорость распространения ультразвуковых волн, высокий коэффициент затухания. Для ультразвукового контроля сварных соединений в зависимости от вида сваренной конструкции можно использовать следующие методы: теневой (при двустороннем доступе к сварному шву), зеркально-теневой и импульсный эхо-метод (при одностороннем доступе к сварному шву).

Радиографический метод  контроля подразделяется на гаммографический и рентгенографический. Гаммографический метод контроля сварных соединений пластмасс не нашел широкого применения. При рентгенографическом методе с целью достижения наибольшей чувствительности следует использовать рентгеновскую аппаратуру, обеспечивающую низкоэнергетическое (мягкое) излучение.     

 

Контрольные вопросы:

1. Назовите дефекты  сварных соединений пластмасс.

2. Какие способы контроля  качества применяются при сварке  пластмасс?