«Р.Ф. КАТАЕВ Учебное пособие Научный редактор проф., д-р техн. наук М.П. Шалимов Екатеринбург УГТУ-УПИ 2008 УДК 621.791.46/.48 (075.8) ББК 35.710я73 К29 Рецензенты: В.И. Шумяков, доц., канд.техн.наук., зам. директора ООО ...»

Р.Ф. КАТАЕВ

Федеральное агентство по образованию

Уральский государственный технический университет - УПИ

Р.Ф. КАТАЕВ

Учебное пособие

Научный редактор проф., д-р техн. наук М.П. Шалимов

Екатеринбург

УГТУ-УПИ

2008

УДК 621.791.46/.48 (075.8)

ББК 35.710я73

К29

Рецензенты:

В.И. Шумяков, доц., канд.техн.наук., зам. директора ООО «Уральский институт сварки»;

Л.Т. Плаксина, ст. преп. каф. сварочного производства РППУ Катаев Р.Ф.

К29 Сварка пластмасс: учебное пособие/ Р.Ф.Катаев. Екатеринбург:

УГТУ-УПИ, 2008. 138 с.

ISBN 978-5-321-01318-2 В учебном пособии изложены физико-химические основы процессов сварки полимерных материалов, даны краткие сведения о полимерах, описаны способы соединения пленок, труб, деталей из пластмасс сваркой. Приведены примеры современного оборудования российского и иностранного производства. Рассмотрены методы контроля качества сварных соединений и сформулированы правила техника безопасности.

Учебное пособие предназначено для студентов специальности 150202 Оборудование и технология сварочного производства.

Библиогр.: 8 назв. Рис. 101. Табл.10.

УДК 621.791.46/.48 (075.8) ББК 35.710я ISBN 978-5-321-01318-2 © Уральский государственный технический университет-УПИ,

1. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О ПЛАСТИЧЕСКИХ МАССАХ И

ИХ СВАРИВАЕМОСТИ

1.1. Краткая характеристика пластмасс Пластмассы нашли широкое применение в разных отраслях промышленности. Их применение обеспечивает большой экономический эффект благодаря их свойствам.

Изготовление пластмассовых конструкций (деталей), как правило, менее трудо- и энергоемко, чем из других материалов. Пластмассы легко перерабатываются в изделия различными способами, приобретая при этом любую заданную форму, цвет, фактуру, не требуя почти никакой дополнительной обработки.

Пластмассы с успехом заменяют конструкции из легированных сталей, драгоценных металлов, дерева и других материалов, позволяя экономить промышленно важные материалы. При этом коэффициент их использования составляет 0,9-0,95 (при обработке металлов он равен 0,6-0,7).

Применение пластмасс в ряде случаев позволяет исключить проблему защиты от коррозии, в 10-15 раз продлить срок службы изделий по сравнению со стальными.

Использование пластмасс позволяет в 8-10 раз уменьшить массу изделий и не менее чем на 15-20% снизить расходы на транспорт.

Из пластмасс изготовляют оригинальные конструкции, которые невозможно сделать из других материалов (мягкие, герметичные оболочковые сооружения, антифильтрационные экраны, консервационную тару с выборочной газопроницаемостью для хранения пищевых продуктов и др.).

Одновременно с этим пластмассы обладают такими свойствами, как эластичность, низкая теплопроводность, оптическая прозрачность, стойкость в агрессивных средах, высокие диэлектрические характеристики, простота формования изделий и т.д. Термопласты перерабатываются в изделия методами экструзии, вакуум - и пневмодеформирования, литья под давлением и центробежного литья, штампования и т.д.

Однако не всегда можно этими методами сразу получить готовое изделие. Это относится к крупногабаритным изделиям, изделиям сложной формы, трубопроводным системам и т.д. В этих случаях задача решается путем расчленения сложного изделия на отдельные технологически простые детали.

После изготовления их соединяют известными методами. Применяют сварные, резьбовые, заклепочные, клеевые и др. виды соединений. Наиболее перспективным способом соединения является сварка, поскольку этот процесс в наибольшей степени поддаётся механизации, обеспечивает высокое качество соединений, позволяет снизить трудоемкость операций и т.д. Именно этим объясняется многообразие технологических вариантов сварки пластмасс, типов оборудования и оснастки для их реализации.

Сварку применяют для получения изделий не только из полуфабрикатов (профилей, пленок, труб, тканей), но и все в большей степени из фасонных деталей. Например:

- в машиностроении:

подшипники скольжения (смазка-вода);

зубчатые и червячные колеса (бесшумность, плавность хода);

детали тормозных устройств;

кузова транспортных устройств;

рабочие органы насосов и др.

- в химической промышленности:

трубопроводы;

травильные и электролизные ванны;

рабочие органы насосов и др.

- в электротехнике:

корпуса приборов;

изоляционные прокладки, трубки, ленты;

полупроводники.

- в строительстве:

покрытия, защитные оболочки;

настилы полов;

кровли теплиц и оранжерей;

пленочная тара;

панели, окна, двери, подоконники;

трубопроводы.

мед. аппаратура;

искусственные органы;

системы, шприцы и др.

- в автомобилестроении:

внутренняя обивка;

бампера, панели;

корпуса аккумуляторов;

пробки, заглушки, крышки и др.

игрушки;

канцтовары;

упаковки, тара;

пакеты;

ткани и др.

В настоящее время сварка пластмасс все шире используется в различных отраслях промышленности. Увеличивается номенклатура сварных изделий из пластмасс, в том числе и высоко ответственных, работающих в экстремальных условиях (в космосе, под водой, в вакууме, в коррозионно-активных средах).

1.2. Строение полимерных материалов П л а с т и ч е с к и е м а с с ы – это большая группа разнообразных многокомпонентных материалов, полученных на основе синтетических или естественных полимеров путем введения различных добавок.

П о л и м е р ы – это высокомолекулярные вещества, макромолекулы которых состоят из большого числа повторяющихся элементов – звеньев, являющихся мономерами. Число таких элементарных единиц характеризует степень полимеризации полимера. Полимеры могут иметь происхождение е с т е с т в е н н о е (целлюлоза, натуральный каучук и др.) и и с к у с с т в е н н о е (полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид и т.д.).

Д о б а в к и, которые вводят в смеси при изготовлении пластмасс, служат для придания последним свойств, которыми должны обладать готовые изделия, или для облегчения их переработки. Они могут выполнять роль наполнителей, вспенивающих агентов, пластификаторов, стабилизаторов, красителей, смазок и т.д. Добавки могут иметь полимерную или мономерную природу и находиться в твердом, жидком или газообразном состоянии.

С т а б и л и з а т о р ы (термостабилизаторы и антиоксиданты) служат для повышения стойкости пластмасс к воздействию света, солнечной радиации, тепла, кислорода воздуха и др. факторов, способствующих развитию цепной реакции деструкции (разложения) полимеров.

П л а с т и ф и к а т о р ы улучшают технологические и эксплуатационные свойства полимеров (текучесть, способность перерабатываться различными методами, пластичность, эластичность и т.д.).

Н а п о л н и т е л и, как правило, способствуют увеличению прочности, улучшению диэлектрических свойств, химической стойкости полимеров. Их вводят и с целью уменьшения расхода полимерной смолы.

О р г а н и ч е с к и е н а п о л н и т е л и : хлопковые очёсы, обрезки ткани, бумаги, древесный шпон.

и др.

Образование макромолекул связано со способностью некоторых мономеров при определенных условиях соединяться друг с другом с помощью ковалентных химических связей. Под действием энергетических факторов (света, тепла, элементарных частиц и т.д.) происходит активация мономера, которая сопровождается раскрытием двойных связей. Процесс может идти в газовой фазе, в твердой фазе, в растворителях и в водных эмульсиях.

Этот химический процесс осуществляется в результате реакций полимеризации или поликонденсации.

П о л и м е р и з а ц и я – это процесс образования высокомолекулярных соединений без выделения побочных продуктов (полиэтилен, полипропилен, полиизобутилен, полистирол, поливинилхлорид и др.).

Если в реакции полимеризации участвует не один, а несколько видов мономеров, то полученные продукты называются с о п о л и м е р а м и. Сополимеризация позволяет значительно расширить номенклатуру полимерных материалов, придав им самые разнообразные свойства (например, ударопрочный полистирол представляет собой сополимер стирола с бутадиеном, обладающим высокой ударной вязкостью).

П о л и к о н д е н с а ц и я – процесс образования высокомолекулярных соединений из мономеров одинакового или различного строения, сопровождающийся выделением побочных низкомолекулярных веществ. К этому типу относятся полиэфиры, полиамиды, полиуретаны, поликарбонаты и др.

Свойства пластмасс определяются главным образом их основой – полимером.

Отличительная особенность строения полимеров – наличие цепных молекул – макромолекул, в которых последовательно связано большое количество атомных группировок, называемых звеньями.

Вдоль цепи полимера действуют химические связи, которые обеспечивают высокую прочность связи цепи. Отдельные же цепи между собой связаны межмолекулярными силами взаимодействия. Эти силы слабее химических.

Однако в полимерах, вследствие большой длины макромолекул, эти молекулярные связи становятся весьма прочными.

Образование полимера рассмотрим на примере полиэтилена. Полиэтилен получают из простейшего непредельного углеводорода – газа этилена (СН2=СН2). При полимеризации полиэтилена двойная связь в молекуле этилена разрывается, образуя две свободные связи (–СН2–СН2–), с помощью которых молекулы этилена объединяются, образуя длинную молекулу полиэтилена Число звеньев «n» не имеет определенной величины и может колебаться в пределах от одной до ста тысяч (1000-100000). Длина каждой цепочки в тысячи раз превосходит её толщину. На концах цепочек располагаются атомы или радикалы (группы атомов), отличающиеся по составу от внутренних звеньев.

Полимеры различаются:

• по строению молекул;

• по способу получения;

• по поведению при тепловой обработке;

• по надмолекулярной организации.

В зависимости от строения макромолекул различают:

– линейные полимеры;

– разветвленные полимеры;

– пространственные (сетчатые) полимеры.

Л и н е й н ы е полимеры представляет собой длинные зигзагообразные цепи. Типичными представителями линейных полимеров являются полиэтилен, поликапроамид, политетрафторэтилен.

В р а з в е т в л е н н ы х полимерах основная цепь имеет боковые ответвления, число и длина которых могут варьироваться в широких пределах. Примером разветвленных полимеров служит полиметилметакрилат. Разветвленность макромолекул приводит к значительному изменению свойств полимера.

Линейные и разветвленные полимеры обычно хорошо растворяются и плавятся (переходят в вязкотекучее состояние). Однако при большой разветвленности молекула становится настолько громоздкой, что может потерять способность самопроизвольно переходить в раствор.

П р о с т р а н с т в е н н ы е или сетчатые полимеры представляют структуры, построенные из длинных цепей, соединенных друг с другом в трехмерную сетку поперечными химическими связями, образованными из атомов или групп атомов. Даже небольшое число поперечных связей приводит к потере полимером способности плавиться, растворяться и пластически деформироваться. При нагревании такие полимеры способны только к большему или меньшему размягчению, а в растворителях лишь набухают.

По способу получения полимеры могут быть:

– полимеризационные;

– поликонденсационные.

В зависимости от поведения при нагреве полимеры и пластмассы на их основе делят на две группы:

– термопластичные (термопласты);

– термореактивные (реактопласты).

Большинство методов переработки, в том числе и сварка пластмасс, сопровождаются вводом энергии, которая, так или иначе, превращается в тепловую.

Способность пластмасс к переработке и свариваемость зависят в первую очередь от их поведения при нагревании и деформировании.

Т е р м о п л а с т ы под воздействием теплоты не претерпевают существенных химических изменений. Они могут многократно нагреваться и доводиться до размягчения, а затем вновь возвращаться в исходное состояние. К ним относится большинство полимеризационных пластмасс. Длинные цепные молекулы термопластов способны принимать различные пространственные формы (конформации). Вид конформации молекул (зигзаг, винтовая, складчатая, клубок) существенно влияет на свойства пластмасс.

Р е а к т о п л а с т ы под воздействием нагрева подвергаются необратимым изменениям в результате соединения макромолекул друг с другом поперечными химическими связями с образованием трехмерных сеток, теряя способность переходить в вязкотекучее состояние. Это происходит при первичной термической обработке. Реактопласты могут соединяться только химической сваркой.

В зависимости от способности образовывать и упорядочивать надмолекулярные структуры все полимеры можно разделить на:

– кристаллические, – аморфные.

К р и с т а л л и ч е с к и е полимеры никогда не бывают закристаллизованными полностью и содержат обычно как кристаллическую, так и аморфную фазы. Одна и та же макромолекула в них может находиться в нескольких кристаллах, проходя при этом через несколько аморфных областей. Способность полимеров к кристаллизации зависит от их химического строения. Многие полимеры ни при каких условиях не проявляют способности к кристаллизации.

Отношение объема всех кристаллических областей полимера к его общему объему называется степенью его кристалличности. Высокая степень кристалличности (60-80%) характерна для полиэтилена высокой плотности, полипропилена, фторопластов, поликарбонатов, полиформальдегида. Меньшая степень кристалличности у полиамидов, поливинилиденхлорида, полиэфиров, полиэтилена низкой плотности. В зависимости от условий роста кристаллы могут принимать различную форму.

В зависимости от формы кристаллических образований меняются и физико-механические свойства одного и того же полимера. Рост кристаллов происходит медленно; необходимы достаточно высокая подвижность молекул и повышенная температура. Быстрое охлаждение расплавленного полимера приводит к тому, что только часть малых кристаллов успевает агрегатироваться в крупные кристаллические образования, а большая часть участков молекулярных цепей так и остается в состоянии разрыхленной упаковки, характерной для аморфных систем. Кристаллическая структура повышает межмолекулярное взаимодействие, снижая гибкость молекул и хладотекучесть полимера под нагрузкой. Полимер становится более твердым и прочным, возрастает температура его перехода в вязкотекучее состояние.

Сварка кристаллических полимеров требует особенно тщательного соблюдения режимов последующего охлаждения с тем, чтобы структура рекристаллизованного материала в зоне прогрева приближалась к кристаллической структуре, приданной всему полимеру в процессе его формирования в изделие.

Растяжением полимера при температуре несколько ниже температуры его плавления можно ориентировать его кристаллы в направлении растягивающего усилия (рис.1.1). Ориентированные полимеры приобретают анизотропность физических свойств и механической прочности тем более высокую, чем выше степень ориентации. Снижением температуры удается зафиксировать ориентированную структуру полимера с более высокой прочностью к ударным и статическим нагрузкам в направлении ориентации. При вторичном нагреве материала до температуры, близкой к температуре плавления, происходит дезориентация его структуры. Большая часть профильных изделий, волокон, пленок, листов, труб из термопластичных полимеров выпускается в ориентированном состоянии.

Рис.1.1. Структура кристаллического полимера до ориентации (а) и после ориентации (б) В процессе сварочного нагрева таких изделий неминуема дезориентация материала в местах его прогрева, что существенно изменяет свойства всего изделия и околошовной зоны. По мере нагрева полимера в нем постепенно нарушается упорядоченное расположение молекул и начинается переход из кристаллической фазы в аморфную.

А м о р ф н ы е полимеры имеют более простые надмолекулярные структуры. Формы надмолекулярной организации в аморфных полимерах могут быть различными: глобулы, образованные свернутыми макромолекулами, развернутые цепи, собранные в пачки, а также более сложные образования.

Для всех полимеров с повышением температуры изменение формы макромолекул становится более активным и гибкость цепей повышается, а при некоторых высоких температурах тепловое движение выражается в перемещении целых макромолекул относительно друг друга.

Для аморфных полимеров известны три физических состояния, обусловленные гибкостью цепных молекул:

Аморфное твердое состояние полимера, называемое с т е к л о о б р а з н ы м, характеризуется фиксированным расположением макромолекул относительно друг друга и наличием колебательного движения атомов, входящих в состав цепи, около положения равновесия. Колебательное движение звеньев и перемещение цепи как единого целого практически отсутствует. В таком состоянии полимер может оставаться практически неограниченно долго.

По мере повышения температуры «размораживается» подвижность молекулы, и полимер переходит в в ы с о к о э л а с т и ч н о е состояние. Это состояние характеризуется наличием колебательного движения звеньев или группы звеньев, вследствие которого полимер приобретает способность значительно удлиняться под воздействием нагрузки и возвращаться в первоначальное состояние после её снятия.

Дальнейший нагрев аморфного полимера приводит к переходу его в в я з к о т е к у ч е е состояние, когда полимер приобретает способность необратимо течь под воздействием даже незначительных внешних воздействий. Это обусловлено интенсивным тепловым движением отдельных звеньев, сегментов и перемещением молекул как единого целого.

Переход из одного состояния в другое совершается в некотором диапазоне температур. Средние температуры диапазонов называются температурами перехода.

Т е м п е р а т у р а с т е к л о в а н и я (ТС) – температура перехода из высокоэластичного состояния в стеклообразное (и обратно).

Т е м п е р а т у р а т е к у ч е с т и (ТТ) – температура перехода из высокоэластичного состояния в вязкотекучее (и обратно).

При нагреве полимера значительно выше температуры текучести начинается термодеструкция полимера. Температура начала термоокислительной деструкции определяет максимальную температуру нагрева (Тр) полимера при сварке.

1.3. Характеристика некоторых распространенных полимеров Для изготовления сварных конструкций наиболее широко применяют листы, трубы и пленки из термопластичных полимеров – полиамидов, полиолефинов, хлор- и фторсодержащих полимеров и сополимеров, полиакрилатов, полистирола, поликарбонатов и полиэтилентерефталата.

К п о л и а м и д а м относятся полимеры, содержащие в основной цепи макромолекулы амидные группы (–СО–NH–). В большинстве случаев – это кристаллические вещества с резко выраженной температурой плавления. Отечественная промышленность выпускает главным образом капрон и нейлон, используемые для изготовления волокон, пленок, деталей машин.

материалы на основе полимеров и сополимеров винилхлорида и винилиденхлорида.

Наиболее широкое применение получили материалы на основе поливинилхлорида в связи с его сравнительно низкой стоимостью, хорошими физико-механическими и электрическими свойствами, а также способностью перерабатываться практически всеми известными способами.

Поливинилхлорид (ПВХ) (–СН2–СНСl–)n – полимер линейного строения, имеющий степень кристалличности до 10%. Основное количество поливинилхлорида, выпускаемого промышленностью, используется для производства винипласта и пластиката. Винипласт выпускается в виде листов, стержней, труб. Пластикат (пластифицированный поливинилхлорид) применяется для изготовления прокладок, трубок, лент. Значительный объем в производстве поливинилхлоридных материалов занимают пленки.

Поливинилиденхлорид (–СН2–ССl2–)n имеет значительно более ограниченное применение ввиду затруднений, связанных с его переработкой и стабилизацией.

П о л и о л е ф и н а м и называют группу материалов, образующихся при полимеризации или сополимеризации олефинов. К ним принадлежат полиэтилен, полипропилен, полиизобутилен, поливинилциклогексан и др. Из них производят пленки, листы, емкости, трубы, контейнеры для упаковки различных продуктов и т.д.

Большинство полиолефинов являются кристаллическими полимерами со сравнительно высокой степенью кристаллизации. По масштабу промышленного производства и разнообразию областей применения первые места среди полиолефинов принадлежат полиэтилену и полипропилену. Это обусловлено ценными техническими свойствами этих полимеров, легкостью их переработки в изделия, а также наличием дешевого сырья. Области применения полиэтилена и полипропилена очень разнообразны: изготовление пленок, труб, листов, изоляции, строительных деталей, емкостей, контейнеров и ряд других изделий.

П о л и э т и л е н [–СН2 – СН2–]n характеризуется весьма малыми силами межмолекулярного взаимодействия. Этим обусловлены гибкость его полимерных цепей, повышенная морозостойкость и эластичность.

В зависимости от способа производства различают полиэтилен высокого давления, или низкой плотности (ПЭНП), и полиэтилен низкого давления, или высокой плотности (ПЭВП). В ПЭНП могут образовываться ответвления от главной цепи, наличие которых снижает плотность упаковки макромолекул.

Поэтому степень кристалличности, прочность, плотность, теплостойкость у него ниже, чем у линейного ПЭВП. Температура стеклования полностью аморфного полиэтилена 193 К.

Наличие в звене метильной группы вместо одного атома водорода (по сравнению с полиэтиленом) обеспечивает пропилену более высокие прочность и температуры плавления (449 К) и стеклования (253 К).

Ф т о р о п л а с т ы ( ф т о р л о н ы ) – это группа пластиков на основе полимеров различных ненасыщенных фторсодержащих соединений.

В нашей стране разработано и выпускается большое число фторсодержащих полимеров с самым разнообразным сочетанием физико-механических, термических, химических и реологических свойств.

Наибольшее техническое применение среди фторсодержащих полимеров получил фторопласт-4 (фторлон-4) – политетрафторэтилен, не содержащий никаких добавок и модификаторов.

В отличие от других термопластов, фторопласт-4 не переходит в вязкотекучее состояние даже при температуре деструкции (выше 688 К) и поэтому не перерабатывается обычными для термопластов методами.

В настоящее время промышленностью выпускается ряд новых плавких фторопластов, способных заменить политетрафторэтилен. Это фторопласты Ф-4М, Ф-40, Ф-42, Ф-3, Ф-32Л, и др. Все плавкие фторопласты перерабатываются методами прессования, экструзии, литья под давлением и могут быть использованы для изготовления пленок, труб, шлангов, листов, электроизоляционных и стойких к агрессивным средам изделий. Некоторые из плавких фторлонов обладают избирательной растворимостью в органических растворителях.

строением макромолекулы с температурой стеклования 353-373 К и температурой текучести 423 К. Он легко перерабатывается литьем под давлением, обладает хорошими оптическими свойствами и низким фактором диэлектрических потерь при средних частотах. С другой стороны, полистирол легко подвергается действию многих растворителей, имеет низкую атмосферостойкость, характеризуется низкой теплостойкостью и высокой хрупкостью.

Создана серия сополимеров стирола, отличающихся от полистирола повышенной теплостойкостью и ударной прочностью. Полимеры и сополимеры стирола используют для изготовления пленок, нитей, пенопластов, деталей светотехнической арматуры, деталей холодильников, облицовочных листов и плиток.

Группа а к р и л о в ы х п л а с т и к о в включает полимеры и сополимеры акриловой и метакриловой кислот и их производных. Наибольшее значение среди акриловых пластиков имеет полиметилметакрилат (ПММА), который поставляется главным образом в виде листового органического стекла. ПММА представляет собой аморфный прозрачный полимер, обладающий высокой проницаемостью для излучения видимого и ультрафиолетового диапазона.

При нагреве выше 393 К ПММА размягчается, переходит в высокоэластичное состояние и легко формуется; выше температуры 473 К начинается заметная деполимеризация.

Достаточно широкое применение получили также сополимеры метилметакрилата с акрилонитрилом. По сравнению с ПММА эти сополимеры обладают более высокой твердостью и прочностью, применяются главным образом для изготовления безосколочного ударопрочного органического стекла для самолетов, автобусов и различных сооружений.

П о л и э ф и р ы включают группу поликонденсационных полимеров, среди которых наибольшее применение нашли поликарбонаты и полиэтилентерефталат (лавсан).

К поликарбонатам относятся сложные полиэфиры угольной кислоты.

Поликарбонат характеризуется более высокой вязкостью расплава, чем другие термопласты, однако может перерабатываться всеми широко распространенными методами. Температура стеклования 403 К, текучести 573-603 К, термодеструкции 633 К. Литьем под давлением из него получают детали для холодильников, телевизоров, калориферов. Методом экструзии изготовляют стержни, листы, трубы, шланги, пленки, а также различные полые детали.

Прессованием получают прозрачные панели с гладкой поверхностью.

Полиэтилентерефталат – кристаллический полимер с температурой стеклования 350 К, текучести 553 К и термодеструкции 573 К. Полиэтилентерефталат используется для изготовления пленок и волокна (лавсан).

1.4. Физико-механические и химические свойства пластмасс Пластические массы обладают рядом ценных физико-механических и химических свойств, предопределяющих их использование в качестве конструкционного материала.

Прежде всего это малая плотность (1,0-1,8 г/см3), что в среднем в 5 раз меньше плотности черных и цветных металлов и почти в два раза меньше плотности сплавов на основе алюминия.

Многие пластмассы, являясь диэлектриками, совершенно не подвержены электрохимической коррозии и очень стойки при воздействии различных агрессивных химических сред. Некоторые из них (политетрафторэтилен) по химической стойкости превосходят золото и платину. Поэтому пластмассы – незаменимый коррозионно-стойкий материал.

Пластмассы – прекрасные диэлектрики в условиях использования постоянного и переменного тока. Они широко применяются как высокочастотные диэлектрики и в этом отношении являются единственными совершенными материалами, используемыми в радиосвязи, телевидении, электронной промышленности, локации и т.д.

В последнее время проведены успешные работы по созданию полимеров, обладающих полупроводниковыми и магнитными свойствами.

Пластики обладают разнообразными механическими свойствами. В зависимости от природы полимеров и наполнителей могут быть получены твердые и прочные материалы или же гибкие высокоэластичные пленки и волокна.

Некоторые пластики обладают удельной прочностью значительно более высокой, чем металлы. Например, термопласты (винипласт и полиэтилен) обладают удельной прочностью, сопоставимой с удельной прочностью чугуна или бронзы.

Помимо перечисленных свойств пластмассы обладают высокими антифрикционными свойствами. Они являются заменителями антифрикционных сплавов (оловянистой бронзы, баббита и др.). При этом в качестве смазки используется вода. В ряде случаев пластики могут работать без смазки.

Все пластики, как правило, плохо проводят тепло. Пено- и поропласты обладают ещё более низкой теплопроводностью. Хорошие теплоизоляторы.

Пластики хорошо окрашиваются в любой цвет. Они могут окрашиваться как во всей массе, так и по поверхности. Могут быть изготовлены прозрачные пластики, пропускающие лучи света в широком диапазоне волн. Этим они превосходят обычные силикатные стекла. Пластиковые стекла являются безосколочными.

Полимеры обладают хорошей технологичностью, легко обрабатываются точением, строганием, прессуются, формуются, свариваются.

Большинство пластмасс выпускается в тонкоизмельченном состоянии, в виде пресспорошков или гранул. Пластики перерабатываются в изделия наиболее совершенными способами – без снятия стружки, с получением гладкой блестящей поверхности. Основные методы переработки: литьё в форму, прессование, литьё под давлением, центробежное и автоклавное литьё, и др.

1) низкий предел прочности большинства пластмасс;

3) низкая термостойкость;

4) старение, т.е. снижение механических свойств в процессе эксплуатации.

1.5. Сущность процесса сварки пластмасс Процесс сварки термопластов заключается в образовании соединений за счет контакта активированных нагревом соединяемых поверхностей.

Последовательность операций может быть различной:

- контакт, затем нагрев;

- нагрев, затем контакт;

- контакт и нагрев осуществляются одновременно.

Введение энергии, необходимой для активации соединяемых поверхностей, и приложение давления, необходимого для достижения контакта, возможно с помощью одного инструмента либо различных. Независимо от этого при сварке термопластов в сварочной зоне протекают следующие процессы:

1. подвод и преобразование энергии, обеспечивающей активацию свариваемых поверхностей;

2. взаимодействие активированных свариваемых поверхностей при контакте их друг с другом;

3. формирование структуры материала в зоне контакта.

А к т и в а ц и я свариваемых поверхностей может достигаться за счет:

- контакта их с теплоносителями – нагретыми инструментами, газами либо присадочными материалами;

- поглощения и преобразования энергии высокочастотных электрических колебаний, механической энергии трения, лучистой энергии либо энергии высокочастотных механических колебаний.

В конечном счете активация независимо от способа её осуществления состоит в нагреве свариваемых поверхностей и проявляется в повышении энергии теплового движения макромолекул (ММ).

за свойства образовавшегося сварного соединения, так как только при реализации взаимодействия между макромолекулами полимера возможно получение соединения, близкого по свойствам к исходному материалу. Механизм формирования сварного соединения полимерных материалов определяется не столько природой полимера, сколько температурой нагрева свариваемых поверхностей, определяющей их состояние – высокоэластичное или вязкотекучее.

Если сварка выполняется при температуре ниже температуры текучести (высокоэластичное состояние), образование соединения обусловлено главным образом диффузией сегментов ММ через границу раздела. Образование прочного соединения в данном интервале температур возможно лишь при длительном контакте свариваемых поверхностей. Процессу диффузии неизбежно препятствуют воздушные прослойки и различного рода специфические особенности поверхностных слоев материалов, обусловленные технологией их производства и условиями хранения. Да и коэффициент диффузии не остается постоянным, а непрерывно снижается, т. к. по мере проникновения участков ММ через границу раздела непрерывно возрастает их торможение. Поэтому сварные швы сохраняют границу раздела и при определенных режимах нагружения могут расслаиваться по этой границе. Материал в зоне соединения не отличается от исходного по надмолекулярной структуре независимо от скорости охлаждения.

Когда температура материала выше температуры текучести и свариваемые поверхности находятся в вязкотекучем состоянии, сваривание термопластов происходит быстро, продолжительность процесса в ряде случаев исчисляется секундами (особенно при ультразвуковой и высокочастотной сварке).

Такая высокая скорость сварки невозможна за счет диффузии. В этом случае проявлению сил межмолекулярного взаимодействия предшествует ряд явлений.

В первую очередь при контакте напряжение, создаваемое усилием прижима, вызывает перемещение слоёв расплава. Это перемещение расплава приводит к удалению из зоны соединения воздушной прослойки и других инородных включений и проявляется в выдавливании расплава из зоны соединения. Скорость течения в различных участках контакта может различаться из-за некоторой неравномерности их нагрева и неравномерного распределения давления. Всё это приводит к перемешиванию расплава, что особенно вероятно в случае применения способов сварки, сущность которых состоит в воздействии на материал высокочастотных механических либо электрических колебаний.

Следовательно, образование сварных соединений при контактировании расплавленных соединяемых поверхностей обусловлено в значительной степени перемешиванием макрообъемов расплава на этапе образования физического контакта. Диффузионные процессы являются сопутствующими и протекают по границам этих макрообъемов. Граница раздела отсутствует. Прочность шва приближается к прочности свариваемого материала. При сварке некоторых термопластов на этапе взаимодействия активированных поверхностей возможно течение химических реакций на границе раздела. Сварка термопластов в вязкотекучем состоянии имеет значительные преимущества в сравнении с диффузионной.

Наконец, последняя стадия образования сварного соединения – ф о р м и р о в а н и е н а д м о л е к у л я р н о й с т р у к т у р ы в зоне контакта – в значительной степени определяет физико-механические и другие свойства материала.

Для максимального приближения свойств шва к свойствам исходного материала необходимо обеспечить в шве надмолекулярные структуры, характерные для исходного материала. Существенное влияние на характер надмолекулярных структур оказывают условия охлаждения расплава. Варьируя их, можно получить желаемую или близкую к ней надмолекулярную структуру.

1.6. Свариваемость термопластов При выборе способа сварки необходимо принимать во внимание возможности того или иного способа и технико-экономическую целесообразность, исходя из свойств свариваемой пластмассы и вида конструкции. Не все термопласты одинаково успешно могут быть сварены тем или иным способом сварки.

Одни из них не свариваются или свариваются плохо токами высокой частоты в связи с малым значением тангенса диэлектрических потерь (полиэтилен, полипропилен). Другие трудно сваривать ультразвуком из-за его затухания при прохождении через свариваемые детали. Это пластмассы, имеющие малый модуль упругости и называемые мягкими. Третьи не могут свариваться светом из-за высокой проницаемости и недостаточно интенсивного поглощения лучистой энергии.

На свариваемость существенное влияние могут оказывать структурные и химические изменения, имеющие место в поверхностных слоях пластмассы.

Причины этих изменений кроются в природе полимерных материалов и технологии их производства.

Со временем в верхних слоях полимера происходит постепенное снижение молекулярной массы полимера, что является следствием деструкции и старения, под влиянием солнечной радиации происходят изменения химической природы поверхностного слоя.

В процессе получения изделий из пластмасс на поверхность валков каландров наносятся технологические смазки, которые попадают на изделие. Со временем эти вещества окисляются и превращаются в нерастворимые компоненты. Кроме этого, на поверхность изделий из внутренних слоев пластмассы диффундирует пластификатор.

Таким образом, поверхность представляет собой сложный по составу и структуре слой. Способность к активному взаимодействию ММ поверхности со временем резко падает, создается экранирующий слой, который затрудняет или даже исключает сближение активных ММ. Химическое удаление таких поверхностных слоев очень сложно, а механическое удаление экранирующего слоя часто невозможно, особенно с поверхности пленок.

Чтобы его разрушить, следует в процессе сварки прикладывать давление, обеспечивающее течение вязкой массы, разрушение и выдавливание фрагментов слоя в грат. И хотя для разных пластмасс это характерно в различной степени, очевидно, что развитие сдвиговых деформаций в зоне контакта является необходимым в образовании соединения.

При этом переход полимера в вязкотекучее состояние не должен сопровождаться разложением материала (термодеструкцией), т.е. изменением химической природы цепных молекул, иначе шов будет обладать по сравнению с основным материалом пониженными прочностными, деформационными и другими свойствами. Температурный интервал вязкотекучего состояния полимера должен быть достаточно широким, т.к. иначе неизбежные в реальных условиях производства отклонения от оптимального режима сварки могут привести к дефектам (непровары при недогреве или деструкция при перегреве).

Кроме того, расплав, образующийся при переходе полимера в вязкотекучее состояние, должен иметь такую вязкость, чтобы при напряжениях сдвига достигалось его перемещение и перемешивание.

Этих положений уже достаточно, чтобы судить о свариваемости полимеров. Рассмотрим два условных полимера (1 и 2) и сравним их реологические характеристики (рис.1.2). Полимерный материал, имеющий больший температурный интервал вязкотекучего состояния Т (ТТ – ТР) и меньшую вязкость в этом интервале, а также больший градиент снижения этой вязкости d/dТ, имеет лучшие показатели свариваемости. Параметры вязкости Т1, 1MIN, d1/dТ1 (кривая 1) соответствуют полимеру с худшей свариваемостью.

Т – температурный интервал вязкотекучего состояния (от ТТ до ТР), ОC - вязкость в этом интервале (Пас) d/dТ – градиент снижения вязкости Рис.1.2. Изменение параметров вязкости расплава полимера в температурном интервале вязкотекучего состояния

2. СВАРКА ПЛАСТМАСС НАГРЕТЫМ ГАЗОМ

2.1. Сущность и схемы процесса Сварка нагретым газом благодаря своей простоте и доступности – один из самых распространенных способов сварки пластмасс. Этот процесс основан на использовании тепловой энергии нагретого газа для разогрева свариваемых поверхностей и присадочного материала до вязкотекучего состояния. В качестве газа-теплоносителя можно использовать воздух, азот, аргон, углекислый газ, продукты горения горючих газов и др. Подвод теплоты осуществляется непосредственно к соединяемым поверхностям последовательно от одного участка шва к другому (рис.2.1).

Рис.2.1. Схема сварки нагретым газом с применением присадочного материала, подаваемого в зону сварки рукой (а) и прикатываемого роликом (б): 1 – свариваемые детали; 2 – сопло нагревателя; 3 – присадочный пруток; 4 – сварной шов; 5 – направляющий канал; 6 – прикатной ролик; V – направление сварки; Р – направление прикладываемого усилия Этот способ применяется преимущественно при изготовлении конструкций из толстолистового материала: поливинилхлорида, политетрафторэтилена (фторопласт-4), полиэтилена, полипропилена, полиамидов, полистирола и т.д. К таким конструкциям относятся трубы, фасонные детали, различная химическая аппаратура, емкости и т.д. Особенно широко сварка нагретым газом применяется при изготовлении сварных конструкций из винипласта.

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

Достоинствами данного способа сварки являются простота оборудования, несложность технологического процесса и возможность соединения деталей практически любых размеров и конфигураций.

Сварка может осуществляться:

- с применением присадочного материала;

- без присадочного материала.

2.1.1. Сварка с присадочным материалом Присадочный материал обычно имеет форму прутка, диаметр его в зависимости от толщины свариваемых листов и разделки кромок составляет 2-6 мм;

его изготовляют из того же материала, что и свариваемое изделие. Для снижения температуры размягчения и повышения пластичности присадочного материала в него добавляют пластификаторы. Например, для сварки полиэтилена применяют присадочный материал, состоящий из полиэтилена и (5-10)% полиизобутилена; для сварки поливинилхлорида используют специальный пруток из пластифицированного поливинилхлорида, содержащего около 10 % пластификатора.

Газ для нагрева свариваемого изделия выбирают в зависимости от свойств пластмассы. Так, для сварки поливинилхлорида можно применять воздух, азот, углекислый газ и кислород, однако наиболее высокая прочность сварного соединения достигается при применении кислорода и воздуха. При сварке полиэтилена и других пластмасс, подверженных воздействию кислорода, в качестве газа-теплоносителя применяют азот. Наиболее экономичным газом-теплоносителем является воздух.

При сварке с присадочным материалом поверхности деталей сначала нагревают струей разогретого газа, а затем приводят в контакт с нагретым той же струей присадочным материалом (рис.2.2). Присадка в виде прутка вводится в сварочную зону легким (10-30 Н) нажатием руки (а, б). Если пластифицированный пруток не выдерживает осевого давления, то используется прокатка его роликом (в, г).

а – ручная сварка горелкой со стандартным соплом для твердых термопластов;

б - ручная сварка горелкой с производительным соплом для твердых термопластов;

в – ручная сварка стандартным соплом для мягких термопластов;

г – механизированная сварка твердых и мягких термопластов;

1а – стандартное сопло; 1б – производительное сопло; 2 – основной материал;

3 – прижимной ролик; 4 - присадочный пруток; 5 – направляющий канал;

Р – направление давления на присадочный материал; V– направление сварки Скорость сварки может быть увеличена более чем в 4 раза при использовании специальных сопел, обеспечивающих предварительный подогрев основного и присадочного материалов (рис.2.2, б, г). Такие нагреватели одновременно с зоной сварки позволяют нагревать основной материал через щель у основания сопла и присадку в направляющем канале.

Сварка нагретым газом с присадкой может выполняться вручную и механизированным способом.

Р у ч н о й с п о с о б трудоемок и не позволяет получать швы высокого качества, т.к. трудно обеспечить равномерную подачу присадочного материала и равномерно прогреть свариваемые поверхности. Наблюдается большой разброс показателей прочности по длине шва. Велика роль квалификации сварщика.

Возможна сварка во всех пространственных положениях.

М е х а н и з и р о в а н н ы й с п о с о б позволяет увеличить скорость сварки, использовать более толстые прутки, получать сварные швы лучшего качества (с меньшим разбросом показателей прочности). Механизированная сварка выполняется на сварочных установках.

Стыковая сварка пластмасс может выполняться с применением ленточного присадочного материала. Сварка возможна ручным и механизированным способами. Схема такой сварки представлена на рис.2.3.

2.1.2. Сварка без присадочного материала Сварка термопластов нагретым газом без присадочного материала имеет ограниченное применение. Сварку осуществляют с помощью специальных стендов и машин (рис.2.4).

Рис.2.4. Механизированная сварка без присадочного материала:

1- свариваемые листы; 2- сопло горелки; 3- прижимные ролики; 4- сварной шов Сварка осуществляется за счет размягчения и сдавливания кромок, соединяемых внахлестку. Кромки листов 1 перед сваркой срезают под углом 20о. Листы большой толщины предварительно равномерно подогревают на ширину 150-200 мм в каждую сторону до температуры 330-340оК нагревателем 2.

Нагреватель устанавливают таким образом, чтобы газовая струя попадала в зону контакта свариваемых деталей и нагревала срезанные кромки.

Усилие прижима осуществляется двумя последовательно расположенными парами роликов 3, между которыми равномерно перемещаются свариваемые листы. В тех случаях, когда размеры изделия не позволяют его передвигать, перемещаются источник нагрева и механизм давления. Скорость сварки составляет 30-150 м/ч. Прочность сварных швов 4 достигает 80-90% прочности основного материала.

Этот способ применяется для соединения пленок из полиамида, полиэтилена низкой плотности, полиэтилентерефталата (лавсан), а также изделий из непластифицированного и пластифицированного поливинилхлорида и других пластмасс толщиной 3 мм и более.

Другая схема сварки без присадочного материала показана на рис.2.5. По этой схеме сварки пленок нагретым газом без присадки применяется способ, при котором сварные соединения получают путем одностороннего нагрева струей газа приведенных в контакт соединяемых материалов.

ваемые пленки; 2 - ограничительные нагревателя; 5 - упругая подложка;

6 - жесткое основание Конструкция машин для сварки пленок включает специальную сменную сварочную головку, которая позволяет осуществлять сварку нагретым газом без присадки протяженных непрерывных прямолинейных швов. Головка (рис.2.6) состоит из двух роликов 1, один из которых является ведущим. На роликах натянуты две гибкие бесконечные металлические ограничительные ленты 2. Между лентами имеется зазор, в который направляется струя нагретого газа из нагревателя 3. Нагреватель имеет до двадцати отверстий диаметром 1,5 мм для выхода газа, расположенных на одной линии на расстоянии 3 мм друг от друга.

Ширина сварного шва определяется расстоянием между металлическими лентами. При сварке перемещается сварочная головка (в подвижных сварочных машинах) или протягивается свариваемый материал (в установках стационарного типа).

Пленочный материал укладывается на упругую подложку из микропористой резины. За счет своей упругости подложка вдавливается в щель, образуемую ограничительными лентами, что совместно с силой струи нагретого газа обеспечивает плотный контакт между соединяемыми поверхностями.

Температура по толщине свариваемого материала при рассматриваемом способе сварки распределяется неравномерно: на соединяемых поверхностях она всегда несколько ниже, чем на поверхности верхней пленки, подвергающейся воздействию струи газа-теплоносителя. Разность температур возрастает с увеличением толщины пленки, поэтому рассматриваемый способ рекомендуется только для соединения тонких пленок. Этот способ сварки ограничен также и в отношении жесткости свариваемых пленок, таких как пленки из полиэтилена высокой плотности и полипропилена, а также армированных пленок на основе полиэтилена низкой плотности. Наиболее целесообразно использовать этот метод сварки для соединения пленок из полиэтилена низкой плотности толщиной 20-200 мкм.

К достоинствам способа газовым теплоносителем, помимо указанных выше, можно отнести:

1) возможность применения для сварки материалов различной толщины;

2) возможность сваривать протяженные швы сложной конфигурации при различном их положении в пространстве.

Недостатки способа:

1) сравнительно низкая производительность;

2) недостаточно высокая прочность сварных соединений.

2.2. Технология сварки нагретым газом Сварку нагретым газом применяют для получения практически всех видов сварных соединений: стыковых, нахлесточных, угловых и тавровых. Типы швов, условные обозначения и размеры конструктивных элементов регламентированы ГОСТ 16310-70.

С т ы к о в ы е ш в ы б е з р а з д е л к и к р о м о к (рис.2.7, а) выполняют в основном при сварке листов или труб толщиной менее 4 мм. Между деталями необходим зазор 1-1,5 мм для лучшего заполнения сварного шва присадочным материалом, т.е. для лучшего провара по всей высоте шва. Сварку листов толщиной до 2 мм следует производить без зазора, чтобы уменьшить вероятность коробления листов. С этой же целью для сварки тонких листов используют текстолитовые прокладки, к которым листы прижимают с помощью струбцин или специальных приспособлений.

Сварку без разделки лучше проводить с двухсторонним наложением швов, обеспечивающим полный провар по всему сечению.

толщине деталей от 4 до 20 мм. Обработка кромок выполняется фрезерованием, строганием, опиловкой. Используются одно- (рис.2.7, б) и двухсторонняя (рис.2.7, в) V-образная, а также Х-образная разделка (рис.2.7, г, д) без притупления кромок. Оптимальный угол раскрытия кромок лежит в пределах 50-90о и зависит от толщины и материала листов. Для листов толщиной 4-10 мм он составляет 70о, а для листов толщиной свыше 12 мм - 60о и меньше. Зависит угол раскрытия кромок и от свариваемого материала.

Рис.2.7. Конструкции сварных стыковых соединений Большие углы раскрытия создают удобства для работы и уменьшают возможность непроваров, но увеличивают объем, заполняемый присадочным материалом (меньше производительность, больше деформации).

Х-образная разделка предпочтительнее, чем V-образная. Уменьшаются расход присадочного материала в 1,6-1,7 раза и величина сварочных деформаций.

элемента менее 4 мм тавровые соединения выполняются без разделки кромок, а при толщине 4-20 мм с одно- или двухсторонней разделкой.

Угловые соединения, используемые при сварке днищ, крышек, фланцев и т.п., выполняются только с разделкой кромок. Это позволяет избежать непроваров вершины шва.

Н а х л е с т о ч н ы е с о е д и н е н и я применяют редко ввиду меньшей механической прочности таких швов при растягивающих и изгибающих нагрузках.

Прочность таких соединений в несколько раз меньше прочности соединений встык.

Основные технологические параметры режима сварки:

• температура и расход газа;

• материал, диаметр и форма сечения присадочного прутка;

• угол наклона прутка при укладке в разделку;

• давление, прикладываемое к прутку;

• угол наклона нагревателя (горелки) к плоскости свариваемого материала;

• скорость сварки.

Т е м п е р а т у р а г а з а на выходе из сопла горелки обычно на 50-100 оС выше температуры вязкотекучего состояния свариваемых термопластов. Повышение температуры необходимо для компенсации потерь тепла газовой струи между соплом наконечника и поверхностью сварного шва, расстояние между которыми следует поддерживать постоянным и равным 5-8 мм.

Р а с х о д н а г р е т о г о г а з а устанавливают обычно для горелок косвенного действия и с электронагревом - 1-2 м3/ч, а для горелок прямого действия 1-3,5 м3/ч. Малые расходы снижают производительность и приводят к непроварам.

свариваемый материал. Часто пользуются прутками с добавками пластификаторов (для снижения вязкости). Однако такие прутки не следует применять при сварке изделий, работающих в агрессивных средах и при повышенной температуре, т.к. в процессе эксплуатации может происходить постепенное разрушение и выкрашивание пластификатора.

В некоторых случаях (например, при сварке полиметилметакрилата), когда интервал вязкотекучего состояния очень мал и велика вероятность деструкции, сварку выполняют прутками другого состава, например, прутками из пластифицированных прозрачных составов поливинилхлорида.

Для сварки нагретым газом выпускают прутки диаметром 2-6 мм, а также спаренные прутки в виде лент размером 2х3 мм. Следует стремиться выполнять шов меньшим числом прутков большего диаметра. Число проходов может быть уменьшено за счет применения профильных прутков с размерами, соответствующими размерам разделки. Перед сваркой прутки зачищают наждачной бумагой или циклевкой, что повышает прочность соединения.

к поверхности шва существенно влияет на получение плотного и ровного шва с достаточной прочностью.

При угле наклона присадочного прутка больше 90о (рис.2.8, б) усилие давления на пруток раскладывается на две составляющие. Под действием горизонтального усилия пруток, уложенный в шов, удлиняется (при охлаждении может лопнуть). Так сваривают поливинилиденхлорид и полипропилен.

При угле наклона меньше 90о (рис.2.8, в) пруток разогревается быстрее основного материала и на участке большей длины. Расход прутка увеличивается из-за его осадки при укладке в шов. При этом в шве возникают внутренние напряжения из-за продольного сжатия, и пруток изгибается с образованием на его поверхности волны. Прочность сцепления прутка с кромками уменьшается, и его можно легко отделить. Кроме того, при этом снижается скорость сварки.

При сварке полиэтилена низкой плотности, пластифицированного поливинилхлорида и полиизобутилена пруток наклоняют под углом 45 –50О.

Под прямым углом (рис.2.8, а) пруток держат при сварке непластифицированного поливинилхлорида, полиметилметакрилата, полиэтилена высокой плотности и др.

Перед сваркой пруток нагревают, отгибают под прямым углом и охлаждают на воздухе. Перед началом сварки пруток устанавливают на расстоянии 10-15 мм от начала шва (рис.2.8, г). При смене прутка отогнутую часть нового прутка укладывают на конец прерванного шва с перекрытием 10 мм (рис.2.8, д).

изделия вначале сварки должен быть 55-65О, а в процессе сварки уменьшается до 45О. Струя газа в течение большего времени должна быть направлена на основной материал, масса которого больше, чем масса присадочного материала.

Манипулируя горелкой, сварщик направляет поток то на присадочный материал, то на основной.

Рис.2.8. Положение присадочного прутка и горелки при сварке диаметра и материала прутка, применяемого в качестве присадочного материала. Усилие прижима в процессе сварки должно оставаться постоянным и для предотвращения чрезмерного его удлинения должно быть небольшим и составлять 0,05d (в ньютонах), где d – диаметр прутка (в миллиметрах).

С к о р о с т ь с в а р к и зависит от толщины и типа свариваемого материала, температуры нагрева присадочного и основного материалов и составляет 4-15 м/ч. Для увеличения производительности процесса целесообразно применять предварительный подогрев присадочного и основного материалов.

П о р я д о к у к л а д к и п р у т к о в при сварке зависит от толщины материала и формы разделки кромок.

Материал толщиной 1-2 мм сваривают за один проход. При толщине более 2 мм сварку выполнить за один проход не удается. Швы накладывают последовательно, обращая особенное внимание на приварку первого валика в основании корня шва и применяя для этого пруток меньшего диаметра, чем при сварке последующих проходов.

На рис.2.9 показана последовательность заполнения разделки (укладки швов) при выполнении V- и Х-образных соединений. Для первого шва часто берут пруток диаметром 2-3 мм. Для последующих - больше 3 мм.

Такая технология исключает появление трещин в швах при сварке изделий большой толщины и в узлах большой жесткости.

Рис.2.9. Последовательность укладки присадочного прутка при сварке 2.3. Оборудование для сварки нагретым газом Для сварки полимерных материалов нагретым газом применяются газовые горелки, в которых газ-теплоноситель подогревается при сгорании горючего газа или с помощью электрической энергии. Температура газа-теплоносителя может изменяться в широких пределах (150-400ОС) и регулируется изменением расхода горючего газа и газа-теплоносителя. В качестве горючего газа служат ацетилен, пропан и природный газ. В горелках предусмотрены сменные наконечники.

• горелки с электронагревом и подачей газа от внешнего источника (компрессора, баллона, сети);

• горелки с электронагревом и автономным питанием. Подача газа осуществляется нагнетателем, вмонтированным в корпус горелки. Такие горелки имеют небольшую мощность и применяются для сварки малогабаритных и тонкостенных изделий.

Горелки с электрическим нагревом находят широкое применение благодаря своей простоте и безопасности в работе. Наиболее известны горелки ГЭПи ГЭП-2 конструкции Московского завода кислородного машиностроения.

На рис.2.10 представлена сварочная горелка пистолетного типа ГЭП-2, предназначенная для сварки рулонного линолеума и других полимерных материалов (винипласта, полиэтилена, полиизобутилена, полиметилметакрилата, пенополиуретана и др.).

Горелка ГЭП-2 имеет металлический корпус 4 диаметром 30 мм, внутри которого на керамическом сердечнике уложена электрическая спираль 3. С одной стороны к корпусу крепится наконечник 2 с соплом 1, а с другой - рукоятка 8.

В рукоятку вмонтированы токоподвод 6 и трубка для подачи воздуха 5, расход которого регулируется вентилем 7. Горелка ГЭП-2 имеет набор сопел, которые могут меняться в зависимости от диаметра применяемого прутка, режима сварки и конструкции свариваемых деталей.

Обычно горелка работает от переносного сварочного поста, в комплект которого входят сама горелка, воздушный компрессор и однофазный понижающий трансформатор.

Горелка работает от сети переменного тока напряжением 12 и 36 В. Прежде чем включить сварочную горелку в электрическую сеть, пускают газ, расход которого регулируется вентилями общей сети и на горелке. Затем включают электрический ток. Такая последовательность обязательна, иначе можно расплавить нагревательную спираль. Воздух или газ, обтекая электрические нагревательные элементы, вмонтированные в корпус горелки, выходит из сопла с определенной температурой и скоростью. Температуру нагретого газа регулируют изменением электрических параметров нагревательных элементов и изменением количества проходящего газа. Форма конца наконечника или сопло газовой горелки придает струе нагретого газа необходимую форму.

Основным недостатком конструкций горелок с электрическим нагревом является сильный разогрев кожуха. Кроме того, образующаяся на спиралях окалина уносится воздухом и частично попадает в шов, снижая его прочность.

Этот недостаток горелок можно устранить, заменив проволочную спираль трубчатым змеевиком, к концам которого подведен электрический ток и внутри которого движется нагреваемый газ. Змеевик изготовляют из трубки, выполненной из нержавеющей стали, диаметром 6 мм с толщиной стенки 1 мм. Рабочее напряжение горелки составляет 4-5 В, мощность 0,5 кВт. Недостаток горелки – применение проводов большого сечения, увеличивающих её массу и затрудняющих маневрирование ею во время работы.

Кроме электрических горелок применяют г а з о в ы е г о р е л к и, которые также можно разделить на две группы:

• газовые горелки косвенного действия;

• газовые горелки прямого действия;

К горелкам косвенного действия относится горелка ГГК-1 конструкции ВНИИавтогенмаш. Выполнена на базе ацетиленокислородной горелки «Малютка». Продукты горения горючего газа подогревают стенки змеевика, по которому подается газ-теплоноситель, используемый для сварки.

Расход горючего газа: пропана Горелка комплектуется одним наконечником с соплом диаметром 3 мм.

Недостатки: перегрев кожуха и возможное прогорание змеевика при малых расходах газа - теплоносителя.

Горелка прямого действия ГГП-1 работает по принципу смешения и сжигания газов в малом объеме камеры сгорания. Это позволяет сваривать термопласты продуктами горения в смеси с воздухом. Горелка работает на пропане или природном газе и воздухе. При расходе пропана 0,25-0,4 м3/ч или природного газа 0,3-1,1 м3/ч тепловая мощность пламени эквивалентна мощности электронагревательного устройства (600-800 Вт).

На российском рынке для сварки газовым теплоносителем широко представлены серии моделей ручных сварочных аппаратов производства швейцарской фирмы Ляйстер и немецкого концерна РОТЕНБЕРГЕР для сварки полиэтиленовой и полипропиленовой трубы, труб из ПВХ и др..

Сварочная горелка ВЕЛДИНГ ПЭН (рис.2.11). Один из самых компактных и высокопроизводительных аппаратов для сварки горячим воздухом. Используется для сварки термопластичных материалов. Имеет цифровой дисплей для отображения значений заданной и реальной температур. Подача воздуха обеспечивается вентилятором. Имеет охлаждаемую защитную трубку, предохраняющую от ожогов.

Сварочная горелка ЭЛЕКТРОН (рис.2.12). Имеет встроенное нагнетательное устройство. Аппарат обладает высокой мощностью, обеспечивает большой расход воздуха при небольшом весе и высокой надежности. Может иметь дисплей с цифровым указателем заданной и реальной температуры. Имеет охлаждаемую защитную трубку, предохраняющую от ожогов.

Основные технические характеристики этих горелок представлены в табл. 2.1.

характеристики

ВЕЛДИНГ ПЭН ЭЛЕКТРОН

Температура воздуха, О С 20-600, плавная регулировка 20-650, плавная регулировка Благодаря плавной электронной регулировке температуры эти аппараты легко настраивать на сварку любых полимеров. На дисплее с цифровым отсчетным устройством высвечивается заданная и реальные температуры. На рис.2. показан процесс сварки полипропилена сварочным аппаратом ЛАБОР S (из серии Ляйстер) с насадкой быстрой сварки.

В комплект горелок входит вспомогательное оборудование, включающее и различные насадки, обеспечивающие необходимую форму и размеры струи горячего воздуха. На рис.2.14 представлены сварочные горелки ROWELD HG 1600 E (рис.2.14, а) и ROWELD WG 1600 E (рис.2.14, б) немецкого концерна РОТЕНБЕРГЕР. Первая имеет встроенное нагнетательное устройство, вторая требует внешнего источника воздуха. На рисунке представлен также комплект насадок для этих аппаратов и прикатной ролик, необходимый при ручной сварке внахлест (рис.2.14, в).

Рис.2.14. Горелки для сварки нагретым газом фирмы РОТЕНБЕРГЕР:

Повышение качества сварных соединений и увеличение производительности достигаются применением механизированных устройств для сварки нагретым газом.

Из отечественных аппаратов нашли применение специализированные полуавтоматы ПГП-1 и «Пчелка», а для сварки плёнок – машины МСП-5М и СПК-М.

Машина СПК-М предназначена для сварки крупногабаритных полотнищ полиэтиленовой пленки неограниченной длины. Перемещение материала осуществляется с помощью транспортной ленты; необходимый прижим сварочной головки к транспортной ленте обеспечивается весом головки.

Универсальная машина МСП-5М может использоваться в стационарном варианте или перемещаться по направляющим вдоль свариваемого изделия.

Перемещение материала в случае стационарного варианта осуществляется с помощью двух бесконечных лент на сварочной головке (см. рис.2.6) и бесконечной передвижной ленты на нижней опорной головке.

На рис.2.15 представлен специальный полуавтомат ПГП-1, который предназначен для сварки нагретым газом с применением присадочного материала прямолинейных протяженных швов в нижнем положении.

Рис.2.15. Полуавтомат ПГП-1 для сварки термопластов газовым теплоносителем с присадочным прутком: 1 – суппорт; 2 – ось откидывания суппорта; 3 – упор для удержания суппорта в верхнем положении; 4 – самоходная тележка; 5 – рукоятка; 6 – регулятор скорости; 7 и 8 – тумблеры для включения нагревателя и горелки; 9-11 – ролики, обеспечивающие движение полуавтомата; 12 – шпильки для подвешивания грузов, создающих давление на присадку; 13 – лыжи; 14 – штанга с прижимным роликом; 15 – нагреватель для подогрева присадки; 16 – горелка.

При механизированной сварке на таком полуавтомате достигается стабилизация основных параметров режима (температуры, скорости, давления), обеспечивается стабильный угол наклона сопла аппарата и присадочного прутка к поверхности свариваемого материала, представляется возможность использовать различные приемы для предварительного подогрева присадочного материала и благодаря этому несколько снизить оптимальную температуру газа-теплоносителя. Однако механизированная сварка лишена основного достоинства ручной сварки – гибкости и маневренности. Использование механизированной сварки в положениях, отличных от нижнего, затруднено.

Преимуществами механизированной сварки нагретым газом являются возможность увеличения скорости сварки, применение более толстых прутков, получение сварных швов лучшего качества, меньший разброс прочностных показателей. Сварщик может обслуживать несколько установок одновременно.

Установки для сварки разработаны как для выполнения продольных, так и кольцевых швов. На рис.2.16 представлен сварочный узел установки для автоматической сварки. Сварочный узел имеет две сварочные головки, первая из которых выполняет корневой шов, а вторая укладывает одновременно два заполняющих валика.

Сварочные автоматы фирмы LEISTER «ВАРИМАТ» и «УНИПЛАН», представленные на рис.2.17, предназначены для сварки листовых и пленочных материалов внахлестку.

Рис.2.16. Общий вид сварочного узла установки автоматической сварки: 1 – сопло;

2 – прикаточный ролик; 3 – сварочная головка Сварочный автомат ВАРИМАТ (рис.2.17, а) - мощная автоматическая сварочная машина для сварки внахлест горячим воздухом полимерных и битумно-полимерных кровельных покрытий. Аппарат имеет цифровое управление, два плавающих прикаточных ролика, тахогенератор для стабилизации скорости сварки, автоматическую систему запуска (начало сварки), дисплей, на котором отображаются показатели заданных и реальных значений скорости и температуры сварки, напряжение в сети и длина выполненного шва. Подвижные прижимные ролики сварочного автомата обеспечивают равномерное давление даже при сварке на неровной поверхности. Скорость сварки и температура не зависят от колебаний напряжения в сети. Смена насадки нагревателя позволяет менять ширину шва.

Рис.2.17. Сварочные автоматы фирмы LEISTER «ВАРИМАТ» (а) и «УНИПЛАН» (б) Сварочный автомат УНИПЛАН (рис.2.17, б) предназначен для сварки внахлест горячим воздухом тентовой и банерной ПВХ-ткани при производстве автотентов, павильонов, шатров, рекламных банеров, навесов от солнца, бассейнов, надувных судов, укрывных пленок для сельского хозяйства и строительства, биотопов, укрывных тентов для легких судов и бассейнов, промышленных завес и т.д.

Аппарат имеет небольшие размеры и вес, автоматическое начало сварки, специальный направляющий ролик для точности ведения автомата по шву, жидкокристаллический дисплей с отображением сварочных параметров, электронную регулировку нагрева и возможность переоборудования под другую ширину шва.

Технические характеристики этих автоматов представлены в табл. 2.2.

характеристики

ВАРИМАТ УНИПЛАН

Температура воздуха, ОС 20 - 620, плавная регулировка 20 - 620, плавная регулировка Расход воздуха, л/мин 50-100, плавная регулировка Макс. 300, плавная регулировка Скорость сварки, м/мин

3. СВАРКА ПЛАСТМАСС РАСПЛАВОМ-ПРИСАДКОЙ

3.1. Сущность и схемы процесса Сварка термопластов расплавом основана на использовании теплоты расплава присадочного материала, подаваемого из нагревательного устройства в зону сварки, и передаче тепла соединяемым поверхностям.

Метод прост, высокопроизводителен, обладает широкими технологическими возможностями и позволяет получать высококачественные сварные соединения.

Подача расплава может осуществляться непрерывно и периодически. Для непрерывной подачи расплава используются либо экструдер, либо пистолеты с нагревателем прямоточного типа, через который непрерывно подаётся присадочный пруток. Присадочный же пруток обеспечивает выдавливание расплава (расплавленной части прутка) в зону сварки.

В первом случае сварка называется экструзионной, или сваркой экструдированной присадкой, во втором случае – сваркой нагретым прутком.

Для периодической подачи расплава в зону сварки используются литьевые машины. Поэтому и способ получил название сварки литьем под давлением.

Э к с т р у з и о н н а я сварка может осуществляться по бесконтактной и контактной схемам (рис.3.1).

Рис.3.1. Схемы бесконтактной (а) и контактно-экструзионной (б) сварки расплавом:

1 – мундштук экструдера; 2 - свариваемые детали; 3 – прикатывающий ролик При б е с к о н т а к т н о й с в а р к е (рис.3.1, а) мундштук экструдера не контактирует со свариваемыми поверхностями, а устанавливается на некотором расстоянии от них. Это расстояние выбирается таким, чтобы расплав, выдавливаемый из экструдера, не успевал охладиться. Из этих же соображений температура расплава на выходе из мундштука должна превышать температуру текучести на 40-50 К. Для плотного поджатия присадочного материала к свариваемым поверхностям применяются прижимные приспособления (ролики, ползуны и т.п.) При к о н т а к т н о - э к с т р у з и о н н о й с в а р к е (рис.3.1, б) мундштук экструдера касается кромок соединяемых деталей. За счет этого уменьшаются потери тепла в окружающую среду и осуществляется предварительный подогрев кромок. Давления, развиваемого в экструдере, достаточно для создания необходимого контакта присадочного материала с соединяемыми кромками, поэтому дополнительных прижимных устройств не требуется.

При сварке в один проход экструдер обычно имеет форму разделки кромок и перемещается по стыку под углом 10-15О к вертикали.

Соединяемые поверхности перед нагревом их мундштуком экструдера можно предварительно нагревать горячим газом. Способ сварки по этой схеме назван контактно-экструзионной сваркой с предварительным подогревом.

3.2. Технология и параметры режима сварки Экструзионная сварка обычно применяется для термопластов с низкой температурой текучести и широким температурным интервалом вязкотекучего состояния, способных выдерживать значительный перегрев без деструкции. К ним относятся полиэтилен, полипропилен, пластифицированный поливинилхлорид и др.

Бесконтактную экструзионную сварку целесообразно применять для соединения материалов небольшой толщины (до 3 мм). Это, в первую очередь, одно- и многослойные пленки и армированные пленочные материалы. Сварка производится путем непрерывной подачи в зазор между соединяемыми поверхностями расплава, который вместе с пленками проходит между прижимными роликами (рис.3.2).

Преимуществом сварки по этой схеме является то, что исключается возможность утонения материала в зоне шва, возможное при других методах.

Скорость сварки пленок зависит от производительности экструдера и их толщины и может изменяться от 0,5 до 3 м/с.

Тонкие полиэтиленовые и пропиленовые пленки толщиной до 60 мкм можно сваривать путем подачи присадочного материала поверх двух слоев пленок. Толщину присадочного материала при сварке однослойных и армированных пленочных материалов выбирают равной толщине пленки, а ширину нахлестки – 3…4 мм (для пленок толщиной до 400 мкм).

Сварку экструдируемой присадкой можно использовать для выполнения стыковых, угловых, тавровых и нахлесточных соединений. Основные типы и размеры конструктивных элементов регламентированы ГОСТ 16310-80 и определяются толщиной материала, нагрузкой, действующей на сварную конструкцию, и доступностью к месту сварки.

Экструзионная сварка листовых материалов толщиной до 3 мм выполняется без разделки кромок только контактным методом, так как в этом случае разделка осуществляется при движении мундштука в процессе сварки. При бльших толщинах следует применять V- или Х-образную разделку кромок.

Важен правильный выбор угла разделки кромок, так как от него во многом зависит прочность сварного соединения. При угле раскрытия кромок до 100О для образцов с V-образной разделкой и до 80О для образцов с Х-образной разделкой прочность сварного соединения возрастает с увеличением этого угла, достигая прочности основного материала. При дальнейшем увеличении угла раскрытия кромок повышается расход присадочного материала, а следовательно, и число проходов, что приводит к снижению скорости сварки.

Для получения прочных и герметичных сварных соединений следует выполнять сварку с зазором 1,5-2,5 мм. Ручной сваркой даже при наличии зазора трудно обеспечить стабильное проплавление корня шва по всей его длине. В этом случае соединения выполняют с подваркой корня шва с обратной стороны. Если обратная сторона недоступна, применяют подкладки (съемные или остающиеся). Подкладки необходимо изготавливать из материалов с малой теплопроводностью: керамические, металлические с полимерным покрытием, полимерные.

Разнотолщинность свариваемых материалов в случае стыковых соединений не должна превышать 1 мм. Если разность толщин свариваемых материалов превышает 1 мм, то на листах большей толщины S1 делается скос под углом 15±5О с одной или двух сторон до толщины более тонкого листа S (рис.3.3).

Подготовку кромок под сварку можно выполнять резаками (вручную), а также на фрезерном или токарном станке.

Рис.3.3. Подготовка кромок при сварке разнотолщинных материалов При сварке стыковых и угловых соединений число проходов определяется толщиной соединяемого материала и производительностью экструдера. При толщине материала до 6 мм указанные соединения можно выполнять за один проход, при толщине более 6 мм – за несколько проходов.

Основными технологическими параметрами экструзионной сварки являются:

- температура присадочного материала;

- скорость сварки;

- давление на расплав.

Оптимальные значения скоростей сварки лежат в интервале 5-300 м/ч, а оптимальные значения давлений на расплав – в интервале 0,05-0,6 МПа. Чем выше температура материала на выходе из экструдера, тем меньше давление и больше скорость сварки.

Сварка на оптимальных режимах обеспечивает прочность сварных соединений, близкую к прочности основного материала, причем оптимальные значения параметров режима не зависят от толщины материалов. Лучшие результаты достигаются при использовании присадки из того же материала, что и свариваемые.

Сварка нагретым прутком чаще всего используется в монтажных условиях, где возникает необходимость в применении ручных малогабаритных устройств (рис.3.4). Расплавленный материал подается в зону сварки непрерывно поступающим в нагревательный цилиндр устройства сварочным прутком. Нагрев прутка в цилиндре осуществляется горячим воздухом или электронагревателем.

Иногда этот способ используют совместно с предварительным подогревом свариваемого материала горячим воздухом. Рекомендуется использовать присадочные прутки диаметром от 2,5 до 6 мм.

Рис.3.4. Экструзионная сварка внутреннего шва полимерной трубы Разновидностью способов сварки термопластов экструдированной присадкой является сварка литьем под давлением. В этом случае расплав подается в зону соединения из литьевой машины периодически (рис.3.5). Таким способом соединяют заранее отштампованные детали. Сварку осуществляют в специальной форме, которая имеет каналы, расположенные по линии разъема. По этим каналам продавливается расплав. Расплав, передавая часть тепла кромкам соединяемых деталей, плавит и соединяет их по линии разъема. Данный способ обладает высокой производительностью, его используют при сварке изделий в труднодоступных местах по поверхностям сложной конфигурации, когда сварка другими способами невозможна или затруднена.

Рис.3.5. Схема сварки методом литья под давлением сферической конструкции:

1 – верхняя полусфера; 2, 3 – части прессформы; 4 – нижняя полусфера; 5 – сварной шов; 6 - контрольное отверстие; 7 - литьевая машина; 8 – присадочный материал;

V – направление движения расплавленного материала 3.3. Оборудование для сварки расплавом Разработана серия малогабаритных полуавтоматов ПСП-5, ПСП-5М, ПСП-6 и РЭСУ с прямоточными пистолетами и ПСП-3Э, ПСП-4 со шнековыми пистолетами.

В конструкциях пистолетов шнекового типа для получения расплава используются гранулы полимерного материала (рис.3.6). Для этого на корпусе пистолета монтируется бункер для гранул. Горловина бункера сообщается с центральным каналом пистолета, в котором вращается шнек, а на боковой поверхности мундштука выполнены отверстия для подачи нагретого газа теплоносителя. Пистолет может иметь водяное охлаждение.

Рис.3.6. Схема пистолета шнекового типа с бункером для загрузки гранулята:

1 – мундштук; 2 – канал подачи газа теплоносителя; 3 – корпус; 4 - электронагреватель;

5 - канал подачи присадки; 6 – бункер; 7 – электродвигатель; 8 – штуцер подачи газа теплоносителя; 9 – шнек Сварочный полуавтомат ПСП-3Э включает ручной пистолет-экструдер массой 6,1 кг и шкаф с электроаппаратурой. Пистолет представляет собой малогабаритный экструдер, вращение шнека в котором обеспечивается электродвигателем через планетарный редуктор. Цилиндр экструдера, в котором вращается шнек, имеет зону загрузки материала, охлаждаемую водой, и зону электрообогрева, температура которой регулируется величиной силы тока в нагревательном элементе. К передней части цилиндра крепится сменный мундштук, форма которого соответствует форме разделки кромок свариваемого материала.

Производительность пистолета – 0,5 кг расплава в час.

Полуавтомат ПСП-5 включает пистолет экструдер прямоточного типа (рис.3.7), пульт управления, электрический кабель и резиновые шланги для подвода охлаждающей воды. Пистолет-экструдер, в свою очередь, включает механизм подачи присадочного прутка, состоящий из электродвигателя и редуктора с подающими роликами. Один из роликов подпружинен и позволяет регулировать усилие сцепления тянущего ролика с присадочным прутком. Положение другого ролика регулируется винтом, что дает возможность настраивать подачу присадочного прутка диаметром 3-6 мм. Для плавления присадочного материала служит цилиндр с электрическим нагревательным элементом.

Цилиндр ввинчен в охладитель, который омывается водой и охлаждает входную зону цилиндра для предотвращения преждевременного размягчения присадочного материала. Охладитель и редуктор смонтированы в корпусе пистолета, в котором установлены также электродвигатель и микровыключатель.

Производительность пистолета ПСП-5 равна 0,25 кг расплава в час, диаметр присадочных прутков 3,5-4 мм, мощность привода 25 Вт, масса пистолета 1,2 кг.

Рис.3.7. Схема пистолета-экструдера прямоточного типа: 1 – электродвигатель;

2 – рукоятка; 3 – редуктор; 4 – подающие ролики; 5 – цилиндр; 6 – электронагреватель;

7 – охладитель; 8 – присадочный пруток; 9 – кассета с присадочным материалом Полуавтомат ПСП-5М отличается от ПСП-5 тем, что на цилиндре пистолета-экструдера смонтирована винтообразная трубка для нагрева газатеплоносителя; расход газа – до 0.5 м3/ч. Нагрев газа-теплоносителя и плавление присадочного материала осуществляется одной спиралью. Применение газа-теплоносителя позволяет качественно сваривать материалы с узким интервалом вязкотекучего состояния (пентапласт, полипропилен и др.).

По этому же принципу работают пистолеты серии РЭСУ производительностью 0,5-1 кг/ч. Отличие заключается в том, что в них нагрев газа осуществляется от самостоятельного нагревателя.

Из зарубежного оборудования на отечественном рынке представлен широкий ассортимент ручных сварочных экструдеров от компактной модели LEISTER WELDMAX (швейцарской фирмы «LEISTER») и серии аппаратов ROWELD (немецкой фирмы «РОТЕНБЕРГЕР») до мощных шнековых моделей серии DX (DX001, DX002...DX010) другой немецкой фирмы DOHLE Extrusionstechnik. Эти экструдеры отличаются надежной конструкцией, цифровыми блоками регулировки температуры массы и воздуха, отображением на дисплее реальной и заданной температуры, широким выбором насадок и т.п.

Сварочный миниэкструдер WELDMAX (рис.3.8, а) - компактный бесшнековый ручной экструдер для сварки конструкций из листовых термопластичных материалов; оснащен раздельной плавной цифровой регулировкой температуры воздуха (до 400ОС) и полимерной массы (до 270ОС). WELDMAX обеспечивает более высокую производительность (до 0,7 кг/ч) и экономичность по сравнению с прутковой сваркой горячим воздухом, имеет сварочные насадки из фторопласта для любых форм шва. Используется для сварки конструкций из листового полиэтилена и полипропилена (рис.3.8, б), пластиковых труб для безнапорных систем, ПЭ-оболочки при производстве фасонных изделий для трубопроводов. Для сварки используется пруток диаметром 4 мм. Расход воздуха до 300 л/мин. Имеет вес 3,8 кг.

Рис.3.8. Сварка конструкции из пропилена миниэкструдером Велдмакс На рис.3.9 представлены две модели экструдеров фирмы DOHLE – экструдер DOHLE 1502 C, работающий с присадочным прутком (рис.3.9, а), и экструдер DOHLE 6002 PC (рис.3.9, б), работающий на грануляте.

Ручной сварочный экструдер 1502 C со встроенной подачей воздуха работает на присадочном прутке. Воздушный нагрев камеры пластификации осуществляется нагретым воздухом. Аппарат имеет цифровой контроллер температуры экструдируемой массы. Предназначен для сварки конструкций из пластмасс внутри помещений. Свариваемая толщина - до 15 мм.

Рис.3.9. Ручные сварочные экструдеры DOHLE 1502 C (а) и DOHLE 6002 PC (б) Ручной сварочный экструдер 6002 PC со встроенной подачей воздуха работает на грануляте. Имеет отдельный нагрев камеры пластификации, цифровые контроллеры температуры массы и воздуха. Предназначен для сварки конструкций из пластмасс внутри и вне помещений. Технические характеристики этих аппаратов приведены в табл. 3.1.

Пистолеты-экструдеры комплектуются сменными насадками (рис.3.10, а), служащими для подачи присадки в разделку шва, создания сварочного давления и позволяющими выполнять все типы швов. Для удобства выполнения сварочных работ в различных пространственных положениях экструдеры могут иметь насадки, вращающиеся на 360О (рис.3.10, б) или устанавливаемые под разными углами (рис.3.10, в).

характеристики

LEISTER ЭЛЕКТРОН, Вт

(диаметр прутка, мм)

4. СВАРКА ПЛАСТСМАСС НАГРЕТЫМ ИНСТРУМЕНТОМ

4.1. Сущность и схемы процесса Подвод тепловой энергии, необходимой для сварки термопластов, наиболее просто может быть осуществлен за счет контакта свариваемых деталей с нагретым инструментом. Вид сварки, основанный на этом принципе, чаще всего называют с в а р к о й н а г р е т ы м и н с т р у м е н т о м. Встречаются другие названия этого способа сварки – контактно-тепловая или термоконтактная сварка.

В контакт с нагретым инструментом можно вводить как поверхности, подлежащие сварке, так и внешние поверхности деталей.

В первом случае (рис.4.1) нагрев поверхностей, подлежащих сварке, до температур сварки осуществляется за счет теплоотдачи от плотно поджатого к ним нагретого инструмента. Такую схему называют с в а р к о й п р я м ы м н а гревом или сваркой оплавлением.

Во втором случае (рис.4.2) нагрев поверхностей, подлежащих сварке, осуществляется за счет теплопроводности слоя термопласта, расположенного между соединяемыми поверхностями и поверхностями, контактирующими с нагретым инструментом. Такую сварку называют с в а р к о й к о с в е н н ы м н а гревом или сваркой проплавлением.

Рис.4.1. Схемы сварки прямым нагревом нагретым инструментом:

а - сварка стержней встык; б – сварка труб встык; в – сварка соединения «на ус»:

1 - нагретый инструмент; 2, 3 - свариваемые детали; 4 – прижимные ролики; 5 – сварной шов; слева – нагрев; справа – осадка; РН – давление при нагреве; РОС – давление при осадке.

Рис.4.2. Схемы сварки нагретым инструментом косвенным нагревом нахлесточных соединений при одностороннем (а) и двустороннем (б) подводе тепловой энергии:

1 – нагретый инструмент; 2 – прокладка; 3 – свариваемые детали; 4 – холодный инструмент; Т1–Т4 – распределение температур по толщине деталей; Р – усилие сжатия.

4.2. Сварка прямым нагревом Способ сварки прямым нагревом нашел широкое применение благодаря простоте технологического процесса, оборудования и оснастки. Способ не требует высокой квалификации рабочего. Его используют для изготовления пластмассовых трубопроводов различного назначения, емкостей из формованных деталей, деталей машин, рамных конструкций из профилей т.п. Наиболее просто таким методом получают стыковые сварные соединения стержней, труб, плит, профилей из полиэтилена, пропилена и поливинилхлорида толщиной 2-20 мм (рис.4.1), а также угловые соединения при изготовлении соединительных деталей пластмассовых трубопроводов (отводов, тройников, крестовин и т.п.) из пластмассовых труб диаметром 63-110 мм (рис.4.3).

Прямой характер нагрева свариваемых поверхностей в рассмотренных примерах предопределяет прерывистость процесса. Процесс включает три этапа:

- разогрев или о п л а в л е н и е поверхностей, подлежащих сварке (стыкуемых - т е х н о л о г и ч е с к а я п а у з а, необходимая для удаления или перемещения из зоны сварки нагретого инструмента;

- о с а д к а свариваемых деталей путем приложения давления и выдержки под давлением до достижения необходимой температуры охлаждения.

Рис.4.3. Cварка труб при угловом соединении (а) и при изготовлении тройников (б):

Сварка нахлесточных соединений из листовых эластичных термопластов и пленок прямым нагревом может выполняться непрерывно (рис.4.4). На рис.4.4, а показана схема непрерывной сварки пленок, уложенных внахлестку, между которыми вручную перемещается наконечник нагретого инструмента, выполненного в виде клина. Контакт клина с внутренними поверхностями пленок приводит к их разогреву до температуры сварки. Сварной шов образуется за счет прижатия разогретых поверхностей друг к другу роликом, следующим вслед за инструментом. Такая схема сварки получила название с в а р к и н а гретым клином.

Ручная сварка нагретым клином применяется для соединения пленок толщиной не менее 500 мкм. При меньшей толщине пленок трудно, разогрев соединяемые поверхности, не продавить верхнюю пленку прижимным роликом. Для сварки пленок толщиной до 150 мкм следует применять механизированную сварку, при которой осуществляют механизированное перемещение инструмента или свариваемого материала. Большое распространение получила схема сварки неподвижным нагретым клином с механизированной подачей свариваемого материала роликами (рис.4.4, б). При толщине пленок менее 150 мкм хорошее соединение таким способом получить не удается, так как при скольжении по нагревателю пленки размягчаются по всей толщине, теряют форму или прилипают к инструменту и вращающимся роликам.

Рис.4.4. Схемы сварки нагретым клином с ручным перемещением инструмента (а) и с механизированной подачей свариваемых пленок (б): 1, 3 – свариваемые пленки;

2 – нагретый клин; 4– прижимной ролик; 5– сварной шов; 6,7 – подающие ролики;

Основные технологические параметры при сварке деталей прямым нагревом:

- температура нагревателя – ТН;

- продолжительность нагрева – tH;

- усилие прижатия инструмента к детали (давление оплавления) – РОПЛ;

- продолжительность выдержки под давлением после сварки – tОХЛ.

Иногда указывают скорость оплавления VОП, скорость осадки VОС и величину осадки ОС.

При сварке оплавлением пленок основными технологическими параметрами являются температура горячего клина ТН, скорость его перемещения, равная скорости сварки VСВ, и усилие Р прижатия роликом нахлестки. От правильного выбора технологических параметров в значительной степени зависят кинетика тепловых и реологических процессов, структурных превращений в шве и околошовной зоне, возникновения и развития полей собственных напряжений и их релаксации.

Оплавление При контактной сварке оплавлением деталей из термопластов (труб, листов, профильных изделий) встык нагревательный инструмент вводят в непосредственный контакт с кромками заготовок, подлежащих сварке. В процессе нагрева происходит оплавление (укорочение) детали на некоторую величину S (рис.4.5) в связи с тем, что часть расплавленного материала под давлением инструмента вытекает из зоны контакта.

Оплавление необходимо для равномерного прогрева торцов свариваемых стержней на определенную глубину. Для обеспечения эффективности такого прогрева необходимо обеспечить плотный контакт свариваемых торцов стержней с нагретым инструментом. Это достигается оплавлением микронеровностей и удалением образующегося при этом расплава под действием давления. Эти процессы протекают тем быстрее, чем выше температура инструмента и давление и чем ниже вязкость расплава. Во время установления такого контакта основная часть тепловой энергии затрачивается на оплавление микронеровностей, а слои, удаленные от торцов, практически не разогреваются. Это время называют и н к у б а ц и о н н ы м п е р и о д о м о п л а в л е н и я. Эту стадию оплавления необходимо проводить при максимальном давлении 0,05-0,08 МПа.

Рис.4.5. Оплавление поверхности перед сваркой: а – изотерма плавления и образование первичного грата при нагреве; б - форма оплавленной поверхности после удаления нагревателя Скорость продвижения теплового фронта с температурой, равной температуре перехода пластмассы в вязкотекучее состояние (изотермы плавления), называется с к о р о с т ь ю п р о п л а в л е н и я, а глубина продвижения изотермы плавления – г л у б и н о й п р о п л а в л е н и я hопл (рис.4.5, б).

При оплавлении плоских кромок плоским нагревателем тепловой фронт, распространяющийся внутрь нагреваемой детали, не параллелен нагревателю.

В соответствии с этим линия границы проплавления также не линейна, а имеет параболическую форму (рис.4.5, а). Асимметрия теплового потока на оплавленном торце обусловлена тем, что к краям торцов поступает не только энергия от линейного теплового потока (Q1) непосредственно от нагретого инструмента. Туда же поступает энергия из внутренних областей (поток Q2) с вытекающим в первичный грат расплавом и энергия теплового излучения (поток Q3) от участков инструмента, выступающих за пределы торцов. Кривизну зоны проплавления можно уменьшить путем охлаждения кромок вблизи нагреваемых торцов.

После окончания инкубационного периода скорость проплавления интенсивно возрастает, достигая максимальной величины, после чего между скоростью проплавления и скоростью оплавления (укорочение стержня) наступает равновесие. Процесс переходит в квазистационарный. Эффективность нагрева при квазистационарном процессе минимальна, так как глубина проплавления практически перестает расти. Дальнейший нагрев деталей уже не имеет смысла, т.к. расплавленный полимер будет весь эвакуироваться в грат, а hпр больше не увеличивается. Для уменьшения количества первичного грата, т.е. объема вытекающего в грат расплава, в процессе нагрева по мере оплавления необходимо уменьшать давление. Давление должно обеспечивать лишь контакт инструмента с расплавом, необходимый для теплопередачи за счет теплопроводности. Для получения максимальной глубины проплавления с минимальным первичным гратом, незначительной кривизной зоны проплавления и серповидностью оплавленного торца вторую стадию оплавления следует проводить при плавном уменьшении давления до 0,005-0,01 МПа.

После отрыва нагретого инструмента от оплавляемого торца кромки приобретают серповидную форму (рис.4.5, б). Это необходимо учитывать при выборе технологических параметров режимов оплавления и осадки. Серповидность обусловлена неравномерностью распределения тепловых деформаций, а также адгезией расплава к инструменту. Глубина серповидности увеличивается с увеличением длительности нагрева и толщины стенки детали.

Сварку прямым нагревом (оплавлением) выполняют либо в режимах, исключающих деструкцию полимера при оплавлении, т.е. сварочный инструмент имеет температуру, незначительно превышающую температуру текучести свариваемых материалов, либо инструмент нагревается на 100 – 150 градусов выше температуры текучести, но при этом продолжительность оплавления резко сокращается.

Пауза, необходимая для удаления инструмента, равна времени перехода от этапа оплавления к этапу осадки. За это время расплавленные торцы не должны сильно переохладиться. Кроме того, при длительной паузе интенсивно развивается процесс термоокислительной деструкции, начавшийся при контакте торцов с инструментом. Этот процесс сопровождается выделением газов. В связи с этим продолжительность паузы не должна превышать 1-3 с в зависимости от типа сварочной установки, её привода и геометрии изделия.

Осадка обеспечивает непосредственный физический контакт оплавленных кромок и взаимодействие макромолекул по поверхности свариваемых деталей. Возникновению межмолекулярного взаимодействия могут препятствовать пузырьки воздуха, захваченные расплавом полимерного материала, окисленный поверхностный слой, а также различные загрязнения.

Рис.4.6. Схема захвата воздуха при стыковке торцов на этапе осадки На рис.4.6 показано, как происходит захват воздушного пузыря при соединении серповидных торцов. Удаление воздушных прослоек, продуктов термоокислительной деструкции и других загрязнений возможно только при развитом течении расплава за зону сварки с образованием в т о р и ч н о г о г р а т а.

Для этого давление должно быть снова повышено и обеспечена необходимая скорость осадки. Однако при больших скоростях осадки упругие напряжения, возникающие в расплаве, могут достигать больших значений. После осадки во избежание появления поля собственных напряжений стык необходимо выдержать под давлением до его естественного охлаждения и релаксации напряжений.

Однако течение вдоль стыка приводит к ориентации макромолекул после охлаждения также вдоль стыка, т.е. перпендикулярно направлению приложения эксплуатационной нагрузки. Такая ориентация наряду с неполным вытеснением газовых прослоек и загрязнений снижает прочность сварных соединений. Этого недостатка в некоторой степени можно избежать, применяя вместо плоского профилированный инструмент (рис.4.7).

Рис.4.7. Схема сварки встык нагретым профилированным инструментом:

а– нагрев кромок; б – осадка; в – инструмент; 1, 3 – соединяемые детали;

2 – инструмент; 4 – шов; РН – давление нагрева; РОС – давление осадки Благодаря увеличению площади контакта можно получить сварное соединение, равное по прочности основному материалу. Эту же цель преследует применение соединения «на ус» и фигурной разделки кромок (ступенчатой, в шип и т.п.).