Сварка пластмасс – создание целого из составных частей

Пластмассы являются полимерными материалами преимущественно синтетического происхождения, которые обладают высокими пластичными свойствами на изначальной стадии производства, а застывая, обретают механическую прочность и жесткость. Полимеры различного типа используются практически во всех сферах производства, науки и жизнедеятельности человека. Для создания сложных конструктивных элементов, а также для ремонта деталей из полимеров применяется сварка пластмасс.

Суть процесса и его основные разновидности

Сам процесс представляет собой создание неразрушимого слоя между двумя частями полимера, который по прочности не будет уступать основному материалу. Существует два основных вида соединения молекул полимера между собой:

• сварка в вязко-текучем состоянии;
• химическое взаимодействие.

В первом случае процесс происходит без внедрения дополнительных реагентов на стадии, когда между молекулами связь наиболее ослаблена. В зависимости от типа соединяемых полимеров, полярности и прочности связей, различают итоговый результат.

Все пластмассы могут быть разделены на три основных категории по типу взаимодействия между собой – не свариваемые, ограниченно или полностью свариваемые.

При идеальных условиях необходима небольшая температура (около +50 градусов Цельсия) и максимальные взаимные диффузионные качества обеих материалов (способность проникать друг в друга на молекулярном уровне). Итоговый сварной шов может достигать значения до 100% прочности по сравнению с основными материалами.

Второй способ применяется для материалов, которые невозможно соединить диффузионным методом (реактопласты в твердой фазе, полиамиды). В основе способа лежит создание прочных химических связей между молекулами с добавлением определенных присадок, которые по химическим свойствам или по структуре будут близкими к свариваемым материалам.

Наиболее распространенные способы

Основная задача любого способа сварки полимеров – добиться неразрывного соединения между материалами путем плавного перехода одного вещества в другое посредством присадки или без нее.

Существует огромное количество разновидностей сварки синтетических полимеров вне зависимости от основного метода (химия или диффузия). Наибольшее распространение получили два способа:

• сварка при помощи ультразвука;
• холодный способ.

Несмотря на одинаковые стремления к итоговому результату, суть процессов принципиально отличается. Чтобы понять основные принципы и особенности технологии, стоит рассмотреть каждый из вариантов более подробно.

Соединение при помощи ультразвука

Ультразвуковая сварка пластмасс – достаточно новый метод соединения различных полимеров между собой. Принцип действия основан на взаимодействии молекул материала с ультразвуковыми колебаниями. В большинстве случаев этот метод является единственным способом соединения различных не свариваемых пластмасс.

Процесс происходит по следующей технологии:

• две части изделия укладываются в специальное гнездо, к которому прилегает волновод;
• генератор волн вырабатывает колебания в диапазоне от 20 до 50 кГц, которые затем при помощи специальной установки становятся механическими колебаниями и передаются на волновод;
• специальная пневматическая установка прижимает волновод к частям свариваемых компонентов и производит воздействие на них;
• под действием смешанного вида волны происходит ослабление молекулярных связей между полимерами и происходит взаимная диффузия;
• после соединения полимеров, ультразвуковая волна перестает вырабатываться генератором, а детали еще некоторое время лежат в зоне сварки, укрепляя вновь созданные молекулярные связи.

Когда пройдет небольшой промежуток времени полученную деталь можно вынимать из аппарата и использовать. В подавляющем большинстве случаев соединение деталей происходит внахлест двумя способами – по всему периметру и точечно.

Существует целый ряд преимуществ такого способа. В первую очередь стоит назвать экологичность самого процесса – отсутствие дополнительных химических реагентов и присадок, а также нагревания материалов. Во время всей процедуры не выделяются вредные газы или канцерогены.

Во-вторых, этот способ надежен и обладает высоким уровнем качества, выраженный в достижении неразрывного соединения с высокими показателями прочности. Можно добиться высокой степени герметичности без нарушения внешнего вида (сварного шва как такового не существует).

В-третьих, метод ультразвука универсален и позволяет производить сварку полимеров, различных по своей структуре. В-четвертых, этот способ наиболее подходящий для автоматизированных процессов и успешно реализуется на многих заводах в сборочных цехах.

При помощи этого метода успешно и надежно соединяют между собой поликарбонат, материалы на основе ПВХ, полистирол, полиамид и им подобные вещества.

Способ холодной сварки

Холодная сварка для пластмассы – это процесс, немного не укладывающийся в общий концепт понятия сварочных работ. По большому счету – это клей на основе химически активных компонентов, который частично разрушает структуру соединяемых деталей между собой, дополнительно склеивая их при помощи присадок. Сам термин «холодная» символизирует отсутствие термического нагрева между соединяемыми компонентами и их физического плавления.

Различают два основных вида холодной сварки:

• двухкомпонентные полимерные клеи;
• специальный стержень с активным веществом.

В первом случае необходимо смешать в определенных пропорциях, которые указаны производителем, оба компонента и нанести однородную массу на склеиваемые поверхности. В качестве основного компонента используют чаще всего эпоксидную смолу, а вторая составляющая – отвердитель.

Степень полимеризации состава зависит от химических характеристик и типа активных компонентов. Примерно через сутки склеиваемые поверхности обретают максимальную прочность.

Во втором случае, «сварка» выглядит в виде стержня с оболочкой и внутренним активным веществом. Для получения необходимой реакции компоненты смешивают. Сначала отрезается необходимый кусок стержня, а затем в течение нескольких минут он активно разминается вручную до получения однородной пластичной массы, которая и служит соединительным веществом.

Специалисты рекомендуют для соединений встык или внахлест использовать клей, а для герметизации или заделывания отверстий – замазку.

Вне зависимости от используемого типа холодной сварки, необходимо соблюдать основные меры безопасности и технологию:

• обязательно обезжирить соединяемые поверхности;
• работать с использованием средств личной защиты (перчатки, очки, респираторы) в помещениях с высоким уровнем проветривания или вентиляции;
• строго придерживаться инструкции производителя по дозировке компонентов клея или времени разминания стержня.

Главное преимущество такого способа соединения полимеров – относительная простота и возможность сделать все в домашних условиях без применения специального оборудования. К недостаткам стоит отнести довольно слабая сопротивляемость полученного соединения к вибрациям и ударам, а также полное отсутствие привлекательного внешнего вида.

Краткие итоги

Сварка полимеров – необходимый процесс, который применяется как в условиях производства, так и дома. Если метод при помощи ультразвука больше относится к масштабным промышленным отраслям, то при помощи холодной сварки можно соединить различные полимеры между собой или с другими материалами (металл, керамика) в домашних условиях без использования сложного оборудования.

Сварка пластмасс — Энциклопедия MPLlast

Сварка пластмасс – это  технологический процесс получения неразъемного соединения элементов конструкции посредством диффузионно-реологического или химического взаимодействия макромолекул полимеров, в результате которого между соединяемыми поверхностями исчезает граница раздела и образуется структурный переход от одного полимера к другому.

---

 Классификация способов сварки пластмасс

    По механизму процесса сварку пластмасс можно разделить на диффузионную и химическую; по методам активирования процесса — на тепловую сварку, сварку растворителями и сварку комбинированием нагрева и действия растворителей (рис. 1).

---

Сварка пластмасс растворителями

При сварке с растворителями необходимая подвижность молекулярных цепей создается за счет набухания контактирующих поверхностей в растворителе или смеси растворителей. Подразделяется она на сварку чистым растворителем (или смесью растворителей),

лаковой композицией (раствором полимера в растворителе) и полимеризующейся композицией (раствором полимера в мономере).

---

 Тепловая сварка пластмасс

Тепловая сварка имеет наибольшее число разновидностей. Классифицировать ее можно по различным критериям:

• способам передачи тепловой энергии;
• степени механизации;
• по области применения;
• в зависимости от источника энергии.

Однако наиболее точно отражает современное состояние технологии сварки пластмасс классификация разновидностей тепловой сварки в зависимости от источника нагрева.

При этом выделяют две группы сварки: с использованием внешнего теплоносителя и с генерированием тепла внутри свариваемого материала за счет преобразования различных видов энергии.

---

 Сварка пластмасс с использованием внешнего теплоносителя

Группа способов сварки пластмасс с использованием внешнего теплоносителя

подразделяется на сварку нагретым газом, нагретым инструментом и расплавом.

Сварка нагретым газом

Сварка нагретым газом производится путем одновременного разогрева свариваемых изделий струей горячего газа-теплоносителя, нагреваемого в специальном устройстве. Сварку нагретым газом выполняют с применением присадочного материала и без него, вручную или с использованием специальных приспособлений для механизации процесса сварки. Применяется присадочный материал в виде прутков с различной формой сечения. При сварке по классической схеме нагревательное устройство совершает колебательные движения в плоскости, образованной направлением шва и осью присадочного прутка. Сварочный пруток прижимают и удерживают рукой, если он достаточно жесткий или при помощи ролика, если пруток мягкий. Применяя специальные насадки на нагревательное устройство, обеспечивают одновременный подогрев свариваемых кромок и прутка, при этом пруток втягивается в отверстие насадки при перемещении устройства вручную вдоль шва и прижимается к кромкам выступом на насадке. Сварка без присадочного материала может производиться с подводом тепла непосредственно к свариваемым поверхностям (прямой метод) или с подводом тепла к внешней поверхности деталей (косвенный метод).

Сварка нагретым инструментом

Сварка нагретым инструментом основана на оплавлении поверхностей сварки путем их прямого соприкосновения с нагреваемым инструментом. Подразделяется на сварку инструментом, удаляемым из зоны сварного шва (с подводом тепла как с внешней стороны деталей, так  и непосредственно к соединяемым поверхностям), и сварку элементом, остающимся в сварном шве.

При сварке косвенным методом нагретый инструмент соприкасается с внешними поверхностями соединяемых деталей, а тепло передается к перекрывающим друг друга свариваемым поверхностям за счет теплопроводности свариваемого материала. В настоящее время нашли применение ленточная, роликовая, прессовая и термоимпульсная сварка. При ленточной сварке для нагрева свариваемых изделий и создания давления используется нагретый инструмент в виде ленты, а при роликовой – в виде ролика. При прессовой сварке для создания необходимого сварочного  давления  применяются сварочные прессы, позволяющие осуществить шаговую сварку. При термоимпульсной сварке используют малоинерционный нагреватель (лента или проволока), по которому периодически пропускают электрический ток; после отключения электроэнергии сварной шов быстро охлаждается.

Из применяемых способов сварки с подводом тепла к соединяемым поверхностям известны сварки:

При стыковой  и раструбной сварке после оплавления свариваемых поверхностей изделия разводятся, инструмент убирается, а оплавляемые поверхности соединяются под небольшим давлением и свариваются.  При стыковой сварке соединяются торцы изделий, а в качестве нагревательного инструмента применяется плоский  или профилированный диск (кольцо).

При раструбной сварке соединяются внутренняя поверхность раструба и наружная поверхность трубы, а нагревательный инструмент имеет два рабочих элемента: гильзу для оплавления наружной поверхности конца трубы и дорн для оплавления внутренней поверхности раструба.

 Сварку нахлесточных соединений можно осуществлять одновременным нагревом соединяемых поверхностей по всея длине, а также, перемещая инструмент или свариваемые изделия. Наибольшее распространение получил способ сварки с механизированной подачей свариваемых изделий и неподвижным нагревательным инструментом.

  Из способов сварки элементом, остающимся в сварном шве, практическое применение нашли сварка электросопротивлением и индукционная сварка. Сварка электросопротивлением основана на применении закладных нагревательных элементов с высоким электрическим сопротивлением. Закладные элементы в виде сетки или спирали вводятся между соединяемыми поверхностями. При пропускании по закладному элементу электрического тока соединяемые поверхности оплавляются.

   При индукционной сварке нагрев закладного элемента происходит в электромагнитном высокочастотном поле, а в качестве нагревательного элемента используются металлические вкладыши или порошки оксидов металлов.

Сварка пластмасс расплавом

  Сварка расплавом основана на использовании тепла расплавленного присадочного материала, подаваемого между соединяемыми поверхностями и передающего часть своего тепла материалу соединяемых изделий, что ведет к его плавлению и получению неразъемного соединения. Подразделяется на сварку экструдируемой присадкой, расплавленным прутком и литьем под давлением, которые могут выполняться как с предварительным подогревом свариваемых поверхностей нагретым газом или теплоотдачей от мундштука сварочного устройства, так и без подогрева.

 При сварке экструдируемой присадкой (экструзионной сварке) расплав получается с помощью экструдера, обеспечивающего непрерывную подачу расплава, а в качестве исходного сырья используется гранулированный материал. При сварке расплавленным прутком расплав получается из присадочного прутка путем его нагрева в устройствах прямоточного типа, откуда расплав выдавливается непрерывно поступающим еще не нагретым присадочным прутком, который сматывается с бухты и подается в нагревательный цилиндр с помощью специальных тянущих роликов. При сварке литьем под давлением для получения расплавленного присадочного материала применяются литьевые машины.

---

 Сварка пластмасс с генерированием тепла внутри свариваемого материала

 Группа способов сварки пластмасс с генерированием тепла внутри свариваемого материала путем преобразования различных видов энергии подразделяется на сварку трением, сварку ультразвуковую, сварку высокочастотную и сварку излучением.

Сварка пластмасс трением

  Сварка трением основана на получении тепловой энергии для оплавления свариваемых поверхностей за счет трения. Очень низкая теплопроводность, характерная для термопластов, способствует сохранению тепла лишь в зоне трущихся поверхностей, в то время как температура всего изделия остается практически неизменной. Разделяется на сварку вращением (вращение соединяемых деталей; вращение промежуточных элементов) и вибротрением.

Ультразвуковая сварка пластмасс

   Ультразвуковая сварка основывается на нагреве свариваемых поверхностей до температуры размягчения в результате превращения энергии колебаний ультразвуковой частоты в тепловую энергию, при этом механические колебания ультразвуковой частоты и давление действуют по одной линии, перпендикулярно к соединяемым поверхностям. В зависимости от взаимного перемещения инструмента и деталей подразделяется на прессовую сварку (точечная, прямошовная, контурная) и роликовую сварку (сварка непрерывным и прерывистым швом). Ультразвуковая сварка может классифицироваться также и по другим признакам: в зависимости от способа подведения энергии, наличия присадочного материала, а также в зависимости от способа дозирования энергии.

Высокочастотная сварка пластмасс

 Высокочастотная сварка пластмасс основана на диэлектрическом нагреве материала в высокочастотном электромагнитном поле в результате преобразования электрической энергии в тепловую. В зависимости от схемы взаимного перемещения инструмента и свариваемых изделий высокочастотная сварка подразделяется на прессовую и роликовую. Может выполняться в основном поле и в поле рассеивания с нагревом соединяемого материала или материала прокладок, располагаемых как снаружи свариваемых деталей, так и между ними.

 Сварка пластмасс излучением

Из разновидностей сварки излучением, отличающихся друг от друга источником и характером излучения, используется световая сварка с применением и без применения присадочного материала, сварка лазерная и сварка инфракрасном излучением с подводом тепла непосредственно к соединяемым поверхностям (прямой метод) или к внешней поверхности соединяемых изделий (косвенный метод). Более широко применяется сварка инфракрасным излучением, которая основывается на свойстве термопластичных материалов поглощать падающие на них инфракрасные лучи и превращать электромагнитную энергию в тепловую.

---

 

Список литературы:
Зайцев К.И., Мацюк Л.Н. Сварка пластмасс.- М.: Машиностроение,1978.-222с.
Комаров Г.В. Способы соединения деталей из пластических масс.- М.: Химия,1979.-288с.
Шестопал А.Н., Шишкин В.А., Новиков В.А Способы соединения элементов конструкций из листовых полимерных материалов.- К.: О-во «Знание» УССР,1982.-31с.
Автор: Шестопал А.Н., Васильев Ю.С., Минеев Э.А. и др
Источник: Справочник по сварке и склеиванию пластмасс
Дата в источнике: 1986 год

Сварка пластмасс

---

Рекомендуем приобрести:

Установки для автоматической сварки продольных швов обечаек — в наличии на складе!
Высокая производительность, удобство, простота в управлении и надежность в эксплуатации.

Сварочные экраны и защитные шторки — в наличии на складе!
Защита от излучения при сварке и резке. Большой выбор.
Доставка по всей России!

---

Сварке подвергаются только так называемые термопластичные пластмассы (термопласты), которые при нагревании становятся пластичными, а после охлаждения принимают первоначальные вид  и свойства. Кроме них, существуют термореактивные пластмассы,  которые изменяют свои свойства при нагреве. Нагревать пластмассы при сварке следует не выше  температуры их разложения,  т. е. в пределах 140—240 °С.

Пластмассы можно сваривать различными способами: нагретым газом; контактной теплотой от нагревательных элементов; трением; ультразвуком. Рассмотрим способ  сварки нагретым газом.

Основные условия для получения качественного соединения пластмасс при сварке следующие.

1. Диаметр присадочного прутка не должен превышать 4 мм для достаточно быстрого его нагрева и обеспечения необходимой производительности сварки.
2. Сварку следует вести по возможности быстро во избежание термического разложения материала.
3. Необходимо точно выдерживать температуру сварки во избежание недостаточного нагрева или  перегрева свариваемого материала.

Для сварки нагретым газом в качестве теплоносителя используют воздух, азот, углекислый газ.  Наиболее широкое применение получил воздух, как более доступный газ. При сварке в азоте и углекислом газе, создающих инертную среду, вокруг места сварки, не происходит окисления и разрушения структуры свариваемого термопласта. Нагревание газа-теплоносителя происходит в специальных горелках, газовых или  электрических. Сварка нагретым газом проста, не требует сложного оборудования, удобна в случае ремонтных работ; ее можно применять для изделий различных размеров и формы; она получила  достаточно широкое применение в практике сварки пластмасс.

Для сварки можно использовать горелки ГГП-1-56 конструкции ВНИИАВТОГЕНа, в которых  использован принцип прямого нагрева газа-теплоносителя. Температура нагретого газа в них регулируется в широких пределах изменением расхода горючего газа и газа-теплоносителя. Применяют также пропано-воздушные вихревые горелки ГГП-1-66 и горелки ГЭП-1А-67 с электроподогревом.

При сварке пластмасс применяют различные виды соединений: встык с односторонним и двусторонним скосом кромок под углом 35—45°; внахлестку; тавровые; угловые без скоса и со скосом кромок. Наиболее распространено соединение встык. Шов с двусторонней разделкой кромок обеспечивает  более равномерное распределение теплоты и поэтому он прочнее шва с односторонней разделкой кромок. Шов внахлестку в несколько раз менее прочен, чем стыковой, и поэтому применяется лишь в отдельных случаях, например при сварке стыков труб с отбортовкой. Сварка термопластов основана на доведении прутка и  свариваемого материала до температуры их размягчения, когда они в вязком состоянии способны склеиваться при небольшом усилии сжатия.

Сварщик должен подавать пруток под углом 90° к поверхности шва. Если этот угол более 90°, то  пруток вытягивается и при охлаждении его происходят разрывы; при меньшем угле пруток нагревается быстрее на более длинном  участке и не успевает привариваться к свариваемым кромкам или ранее уложенным пруткам.

Скорость укладки прутка диаметром 3 мм должна составлять 12—15 м/ч, для того чтобы происходило хорошее сваривание прутка и основного материала и обеспечивалась достаточная прочность соединения.

Угол между осью сопла горелки и прутком определяется толщиной свариваемого листа: при толщине  до 5 мм этот угол равен 20—25°, при толщине 10—20 мм 30—45°. Расстояние между наконечником и поверхностью шва  необходимо по возможности поддерживать постоянным (5—8 мм). При правильном положении горелки и необходимой температуре нагрева основной материал по обе стороны укладываемого прутка должен «закипать». Усилие давления на пруток необходимо стремиться создавать  равным: для прутка диаметром 2—3 мм 1—1,6 кгс, диаметром 4—5 мм 2,2—3 кгс. После сварки изделие следует подвергать медленному охлаждению на воздухе. При быстром охлаждении  возможно растрескивание соединения вследствие различной и неравномерной усадки основного материала и присадочного прутка. В зависимости от квалификации сварщика прочность  сварного соединения винипласта может колебаться от 30 до 90% прочности основного материала.

Применение прутков при сварке пластмасс снижает производительность процесса для газовой горелки  до 15—20 м/ч, для электрической — до 10—12 м/ч. При этом данный метод имеет еще тот недостаток, что ударная вязкость шва и основного материала на границе сварного шва получается примерно в 12 раз ниже ударной вязкости основного материала и не  превышает 1 МДж/м² (10 кгс-м/см²).

Для повышения производительности процесса и прочности сварного соединения применяют беспрутковый метод сварки пластмассовых листов. Он состоит в том, что  свариваемые листы срезают по кромкам под углом 20° и складывают внахлестку. Затем листы нагревают до температуры 250—300 °С воздухом, подогреваемым в электрической горелке, и сжимают валиками, облицованными слоем резины. Струю воздуха направляют непрерывно на срезанные кромки листов и горелку перемещают  впереди валиков вдоль свариваемых кромок. Скорость сварки для винипласта толщиной 3—12 мм составляет 120—200 м/ч. Листы равномерно нагреваются до температуры 60—70 °С на ширине 300—400 мм. Прочность сварного соединения при этом достигает  80—90% прочности основного материала, а производительность в 10—15 раз выше, чем при прутковом способе. Ударная вязкость,  материала после сварки почти не снижается.

При сварке полиэтилена, полихлорвинила (так называемых мягких термопластов) пруток для повышения прочности соединения прикатывают специальным роликом. Качество сварки термопластов контролируют наружным осмотром. Полученный шов должен быть  плотным, без разрывов и трещин. Плотность швов можно испытывать водой, сжатым воздухом или керосином. Для контроля качества швов используют также электролитный и электроискровой  дефектоскопы.

Классификация способов сварки пластмасс

Классификация проводится по основным физическим, техническим и технологическим признакам. По физическим признакам сварка пластмасс делится на классы и виды.

Деление на классы нужно проводить по форме энергии, используемой для сварки, т. е. подводимой к сварочным материалам. Все известные в настоящее время процессы сварки пластмасс осуществляются с использова нием тепловой, механической, электромагнитной энергии или различных комбинаций этих видов энергии. В связи с этим следует различать следующие классы сварки: термическая, механическая и электромагнитная. Кроме того, существуют методы термомеханической и электромагнитно-механической сварки.

К термическим относятся виды сварки, при которых давление не играет существенной роли в образовании сварного соединения, например сварка пламенем, нагретым газом или расплавом. Образование сварного соединения в этом случае определяется в основном количеством подводимой энергии

К термомеханическим относятся виды сварки, при которых неразъемное соединение образуется вследствие подвода тепловой энергии и приложения статического давления.

При механических видах сварки тепловая энергия генерируется внутри свариваемых деталей за счет превращения механической энергии, подводимой извне, в тепловую. Это может быть: механическая энергия трения или вибротрения свариваемых поверхностей, превращающаяся в тепловую, которая вследствие малой теплопроводности пластмасс локализуется в сварочной зоне; механическая энергия упругих колебаний (ультразвуковая сварка).

При подводе электромагнитной энергии к свариваемым деталям тепловая энергия также генерируется в них либо за счет способности звеньев макромолекул полимеров поляризоваться при наложении внешнего электрического поля (высокочастотная сварка), либо за счет поглощения энергии электромагнитных колебаний (сварка инфракрасным излучением, сварка лазером).

Из всех существующих видов сварки пластмасс невозможно выделить единственный вид, который бы удовлетворял всем экономическим, технологическим и эксплуатационным требованиям. Вид применяемых источников сварочного нагрева, технологические принципы, положенные в основу процесса сварки, степень механизации и автоматизации в немалой степени зависят от той физической формы, в которой используются пластмассы как конструкционные материалы. По этому признаку можно выделить: монолитные изделия — условно трехмерные материалы, применяемые для изготовления деталей машин, емкостей, труб, профилей, плит, фасонных деталей; пленочные — условно двухмерные материалы, которые используются в качестве упаковки, покрытий, подложек, изолирующих конструкций и т. п.; волокна — условно одномерные материалы, которые используются для получения нетканых полотен, бытовых и технических тканей. Комбинацией последних двух физических форм являются волокнистые материалы, имеющие полимерное покрытие — искусственные кожи.

Области применения видов сварки в зависимости от физической формы полимера и вида изделий приведены в табл. 29.1.

Каждый из видов сварки пластмасс имеет свои преимущества и недостатки, и в зависимости от физико-механических свойств материала, вида и назначения изделия, серийности выпуска и т. д. предпочтение может быть отдано тому или иному из перечисленных видов сварки. Например, сварка нагретым газом и нагретым инструментом являются наиболее простыми и экономичными способами, характеризующимися достаточно высокими прочностными характеристиками соединения. В последние годы эти виды сварки получили очень широкое распространение для сварки пластмассовых трубопроводов. Однако значительная зона разогрева препятствует применению этих способов для консервации легковоспламеняющихся веществ, пищевых продуктов и лекарственных препаратов, портящихся при повышенных температурах. Вследствие загрязнения поверхностей свариваемых изделий значительно уменьшается прочность сварных соединений в этих случаях.

Высокочастотная сварка отличается высокой производительностью, но  она неприменима для некоторых типов пластмасс (полиэтилена, полипропилена и т. д.). При сварке токами высокой частоты емкостей из поливинилхлорида, наполненных жидкостями, может происходить электрический пробой, приводящий к разрушению изделия.

Сварку расплавом целесообразно применять для получения швов большой протяженности при соединении материалов достаточно большой толщины и не всегда целесообразно для соединения пленочных материалов.

Ультразвуковая сварка может заменить механические методы соединения и склеивания целой группы полимеров, например полистирола, лавсана и капрона. Она широко применяется при изготовлении изделий пищевой и легкой промышленности, парфюмерии, радиоэлектроники и электротехники, товаров широкого потребления из пластмасс.

Читать далее: Пластмассы — получение пластмасс, состав, свойства, свариваемость
Сварка пластмасс нагретым газом
Сварка пластмасс экструдируемой присадкой (расплавом)
Контактная тепловая сварка пластмасс
Сварка пластмасс ультразвуком
Сварка пластмасс трением и вибротрением
Сварка пластмасс токами высокой частоты
Сварка пластмасс ИК-излучением
Сварка пластмасс лучом лазера
Сварка пластмасс световым лучом
Комбинированные способы сварки полимеров

Евсеев  Г. Б., Глизманенко Д. Л. Оборудование и технология газопламенной обработки  металлов и  неметаллических материалов

Процессы соединения пластмасс | Сварка и сварщик

Пластические массы, пластики — пластмассы — материалы на основе природных или синтетических полимеров, способные под влиянием нагрева и давления формоваться в изделия сложной конфигурации и затем устойчиво сохранять заданную форму.

Пластмассы подразделяются на термопласты и реактопласты. В состав пластмассы, кроме полимера, могут входить минеральные или органические наполнители, пластификаторы, стабилизаторы, красители и др.

Сварка пластмасс — технологический процесс получения неразъемного соединения элементов конструкции посредством диффузионно-реологического или химического взаимодействия макромолекул полимеров, в результате которого между соединяемыми поверхностями исчезает граница раздела и образуется структурный переход от одного полимера к другому.

Диффузионно-реологический процесс взаимодействия свариваемых поверхностей реализуется в стадии вязко-текучего состояния (макромолекулы приобретают максимальную подвижность и имеют наименьшую плотность упаковки).

Химический процесс взаимодействия свариваемых поверхностей основан на образовании химических связей между полимерными материалами.

Классификация методов и способов сварки пластмасс включает тепловую, сварку, сварку растворителями и сварку комбинированием нагрева и действия растворителей.

Способность многих термопластических материалов к упорядоченному расположению макромолекул (кристаллизации) обеспечивает, при определенных температурных условиях, восстановление структуры сварных швов, близкой к основному материалу.

Материалы, неподдающиеся диффузионной сварке (отверждённые реактопласты, редкосетчатые полимеры, линейные полициклические полимеры), а также стремящиеся сохранить структуру свариваемых материалов (кристаллические или ориентированные термопласты: полиимиды, полиэтилентерефталаты, полиамиды, фторсополимеры), можно соединить путём химического взаимодействия функциональных групп или с помощью присадочного материала, близкого по активности к каждому из свариваемых полимеров, при этом нагрев и сварочное давление создают необходимые условия для протекания процесса, а присадочные материалы способствуют активизации реакционноспособных групп.

Тепловая сварка имеет наибольшее количество способов. При этом подразделяют две группы сварки: с использованием внешнего теплоносителя и с генерированием тепла внутри свариваемого материала за счет преобразования различных видов энергии.

Сварка нагретым газом производится путем одновременного разогрева свариваемых изделий струёй горячего газа-теплоносителя, нагреваемого в специальном устройстве. Сварку нагретым газом выполняют с применением присадочного материала и без него, вручную или с использованием специальных приспособлений и устройств для механизации процесса сварки. Применяется присадочный материал в виде прутков с различной формой сечения. При сварке по классической схеме нагревательное устройство совершает колебательные движения в плоскости, образованной направлением шва и осью присадочного прутка. Присадочный пруток прижимают и удерживают рукой, если он достаточно жесткий, или с помощью ролика, если пруток мягкий.

Сварка нагретым инструментом основана на оплавлении поверхностей сварки путем их прямого соприкосновения с нагреваемым инструментов. Подразделяется на сварку инструментом, удаляемым из зоны сварного шва (с подводом тепла как с внешней стороны деталей, так и непосредственно к соединяемым поверхностям), и сварку элементом, остающимся в сварном шве.

Среди способов сварки с подводом тепла к соединяемым поверхностям применяется стыковая и раструбная сварка, а также другие способы сварки.

Схема стыковой сварки.

Схема раструбной сварки.

При стыковой и раструбной сварке после оплавления свариваемых поверхностей изделия разводятся, инструмент убирается, а оплавленные поверхности соединяются под небольшим давлением и свариваются. При стыковой сварке соединяются торцы изделий, а в качестве нагревательного инструмента применяется плоский или профилированный диск (кольцо). При раструбной сварке соединяются внутренняя поверхность раструба и наружная поверхность трубы, а нагревательный инструмент имеет два рабочих элемента: гильзу для оплавления наружной поверхности конца трубы и дорн для оплавления внутренней поверхности раструба.

Сварку пластмасс применяют если:

— детали изготовлены из однородных материалов;
— нецелесообразно применение крепежа и клеев;
— необходимы конструкции минимального веса;
— особые требования по обеспечению высокой производительности, механизации и автоматизации процесса.

Сварка пластика, ее суть и существующие виды

В настоящее время широкое распространение получила сварка пластика. Их существует огромное количество, от холодной сварки и сварки феном до экструзионнаго метода. Все эти способы можно разделить на два вида: работа с нагревом детали и без применения нагрева (либо с нагревом, но не достигая температуры вязкотекучести материала). У каждого метода свои особенности, но главное, что на выходе получается качественное соединение. В данной статье мы поговорим о холодной сварке и про экструдеры.

Пластик, благодаря своим свойствам, является незаменимым материалом и важно знать методы и средства для его восстановления и ремонта. Сварка для пластика станет для вас незаменимым помощником, если вы захотите скрепить две половины вашей любимой удочки для рыбалки, зашпаклевать бампер вашего автомобиля, заделать течь в трубе или просто склеить две части какого-либо изделия. Стоит также учесть, что при помощи данного способа можно соединять детали, состоящие из разных материалов, что значительно расширяет область применения холодной сварки в разы.

Пластик применяется в различных сферах деятельности: от техники и строительства, до автомобилестроения.

Содержание статьи

Виды холодной сварки

Вид сварки относится к холодному типу, если не применяются высокие температуры. Работа с таким типом очень проста. На выходе получается изделие, по качеству практически не уступающее цельному участку материала. Никакой другой вид клея не даст такого результата, как холодная сварка для пластика. Стоит учесть экономичность, доступность данного метода, что несомненно является большим плюсом.

Существующая холодная сварка делятся на три типа. К первому относятся двухслойные стержни. Для приготовления смеси из такого стержня достаточно просто размять все до достижения однородной массы. Второй вид является двухкомпонентным, где один компонент находится отдельно от другого. Подобно первому варианту, необходимо получить тщательно перемешанную смесь до начала работы. И наконец, к третьему варианту относится похожая на обычный клей смесь. Используется она реже остальных из-за того, что уступает предыдущим вариантам по техническим характеристикам. Плюсом данного вида является то, что он не требует предварительного приготовления смеси, а сразу готов к применению.

Выбор холодной сварки для пластмасс

Для получения качественного соединения следует подбирать подходящую марку средства, так как их существует огромное количество и в них легко запутаться. Дело в том, что перед тем как приобретать средство, нужно знать технические параметры скрепляемого изделия. К примеру, если ваше изделие будет находиться в среде высоких температур, то необходимо знать и температуру, которую может выдержать соединение, так как часто бывает, что она оказывается ниже, чем температура плавления самого изделия, что, конечно же, приведет к выходу изделия из строя.

Порядок применения

Первым делом необходимо зачистить поверхность при помощи наждачной бумаги, использовать растворители для удаления с поверхности материала жира, масляных пленок и увеличить площадь контакта. Если не проделать данную процедуру, то качество соединения будет в разы ниже. Далее следует отмерить нужное количество средства, ведь после размешивания оно не может повторно применяться. Следующим шагом все тщательно перемешивается до достижения однородной массы, и после можно приступать к работе: замазывать трещины, залеплять отверстия, лепить фигуры и многое другое. Не стоит забывать, что через несколько минуть смесь начнет затвердевать, так что не стоит тянуть с ремонтом.

Для более быстрого затвердевания можно использовать теплый воздух.

Смесь после нанесения лучше чем-нибудь прижать, это будет способствовать более качественному скреплению. Подойдет самостоятельно сделанный пресс, или можно наложить жгут, если скрепляются трубы.

Меры предосторожности при работе со средством

Требуется соблюдения некоторых правил, для предотвращения опасных ситуаций:

• не допустимо попадание массы на открытые участки тела и в глаза
• необходимо производить все в защитных очках и перчатках
• нельзя хранить средство под прямыми солнечными лучами или в местах с большой температурой
• следует хранить средство в недоступных для детей местах
• не допускать попадание средства на продукты питания и предметы, с которыми может взаимодействовать человек

Сварка пластика при помощи фенов и экструдеров

При помощи фена и сварочной проволоки, размещенной предварительно между краями листов полипропилена, можно сделать надежное соединение. Проволока сварочная укладывается по краям листов пластмассы, после она доводится до температуры вязкотекучести феном. Через короткий промежуток времени проволока начинает застывать, образуя шов.

Необходимо предварительно подобрать строительный фен. Он должен быть достаточной мощности, чтобы достичь потребной температуры. Проволока и листы полипропилена должны быть выполнены из одинакового материала, иначе плавление может происходить неравномерно. Листы требуется уложить на ровную поверхность, кромки нужно обработать наждачной бумагой для более качественного соединения. Процесс может напоминать обычную ручную сварку с использованием плавкого электрода. Проволока сварочная может подводиться к стыку и плавиться феном, образуя таким образом сварочный шов. Через некоторое время, а именно минут 5-7, расплавленная масса застынет и склеенные листы можно будет применять в дальнейшем.

Следует помнить, что полученный таким образом шов обладает меньшей прочностью, чем в других видах пайки.

Работа экструдером чем-то напоминает процесс скрепления воздушным пистолетом. Главное же его отличие в том, что проволока сварочная подается непосредственно из экструдера, расплавляется и подается на стык листов, когда при работе феном необходимо подводить присадочный пруток самостоятельно или укладывать его на стык. Под действием температуры происходит оплавление краев листов, после выделяется расплавленная масса прутка, что напоминает выделение пасты из тюбика. В результате расплавленная масса застывает и происходит соединение двух листов пластмассы.

Из-за того, что масса застывает очень быстро, необходимо работать в темпе, так как шов может выйти кривым.

сварочный экструдер

К экструдерам предусмотрены различные насадки для повышения производительности. Края листов вместе с расплавленным прутком прижимаются насадкой, которая создает давление в месте склеивания швов. Она называется башмаком. На выходе получается более прочное соединение, чем при работе феном.

Возможные причины возникновения дефектов

• применение воздуха, загрязненного пылью, маслом или с присутствием большого количества влаги;
• грязные, плохо подготовленные поверхности;
• подбор не подходящей присадки;
• повышенная скорость процесса;
• плиты уложены на неровную поверхность;
• чересчур высокая температура.

Наряду с ручными экструдерами существуют автоматические аппараты. Они могут заблокировать систему на случай ошибки, проверяют температуру в камере. Не возможно работа аппарата, пока температура не достигнет нужного уровня.

Все перечисленные способы сварки отлично подходят для соединения пластиковых изделий. Область применения такого рода работ довольно большая, так как деталей из пластмассы превеликое множество (полипропиленовые трубы, бампера автомобилей,корпуса приборов), и, как уже говорилось выше в статье, необходимо знать методы и средства для ремонта пластиковых изделий.

[Всего голосов: 2    Средний: 3.5/5]

Сварка пластмасс

Подробности

Подробности

Опубликовано 25.05.2012 15:45

Просмотров: 19064

В настоящее время широко используются различные пластмассы. Обладая целым рядом ценных свойств (достаточная прочность, антикоррозионность, стойкость против химически агрессивных сред, теплостойкость и др.), пластмассы получают большое применение в самых различных отраслях народного хозяйства не только как заменители дефицитных материалов, но и как основные конструкционные материалы.

Основные виды пластмасс, применяемые в технике, следующие:

Фенопласты — пластические материалы на основе фенолоальдегидных смол. В зависимости от соотношения фенола и альдегида, а также технологии изготовления получают либо термореактивные (резольные смолы), либо термопластические (новолачные смолы) материалы. Важной особенностью фенолоальдегидных смол является их способность в сочетании с различными наполнителями образовывать пластмассы с повышенными прочностными, диэлектрическими, антикоррозионными и другими свойствами. В качестве наполнителей применяют порошкообразные, волокнистые и слоистые материалы. ГОСТ 5689-73 предусматривает фенопласты общетехнического назначения, электроизоляционные, жаростойкие, волокнистые, фрикционные и др. Детали из фенопластов изготовляют методом горячего прессования при температурах 150 … 200° С и давлении ~15 … 120 МПа (150 … 1200 кгс/см2). При этом получают готовые изделия, не требующие механической обработки. Фенопласты из резольной смолы с порошкообразным наполнителем широко применяют в промышленности. Например, для изготовления кислотостойких труб, ванн и деталей коммуникаций используют ораолит (наполнитель-асбест, кварцевый песок или графит). Для получения изделий общетехнического назначения в качестве наполнителя применяют древесную муку. Большое количество деталей радиотехнических изделий, электронной аппаратуры и электротехнических приборов успешно изготовляют из фенопластов с различными порошкообразными наполнителями.

Из материалов с волокнистым наполнителем большое применение получили волокниты, текстолит-крошка и стекловолокнит. Они применяются для изготовления деталей, работающих на изгиб и кручение и требующих хороших механических и антифрикционных свойств (шестерни, втулки, ролики, кулачки, вкладыши подшипников и др.). Из слоистых пластиков в промышленности большое распространение получили текстолит (наполнителем служит хлопчатобумажная ткань), древесные слоистые пластики ДСП (наполнитель-древесный шпон) и гетинакс (наполнитель — сульфатная бумага). Эти пластмассы обладают большей прочностью, чем волокнистые.
Особенно высокой прочностью обладает текстолит. Его применяют для изготовления шестерен, подшипников, вкладышей и других нагруженных деталей.
ДСП используют в машиностроении как конструкционный и антифрикционный материал.
Гетинакс используют в качестве электроизоляционного материала для деталей электрооборудования.

Аминопласты — термореактивные пластические материалы на основе карбамидно-формальдегидных или меламино-формальдегидных смол. Они бесцветны, прозрачны и могут быть окрашены в любые (особенно светлые) тона с помощью красителей. В качестве наполнителей применяют сульфидную целлюлозу (аминопласт, меланит), хлопковую целлюлозу (мелаволокнит), асбест, тальк и др.
Изделия из аминопластов получают методами горячего и холодного прессования при различных режимах.
Например, при изготовлении деталей из аминопласта температура прессования 135… 145° С, давление 10,5 … 42 МПа (105 … 420 кгс/см2), время выдержки 1 мин на 1 мм толщины изделия.
Аминопласты применяют, главным образом, для изготовления электроарматуры, радиодеталей, отделки магазинов, ателье, кают пароходов, железнодорожных вагонов и т. д. Большое распространение получили аминопласты при изготовлении предметов народного потребления (посуда, канцелярские и галантерейные товары и др.).

Полиэтилен — высокомолекулярный продукт полимеризации этилена. Он является кристаллическим полимером со степенью кристаллизации от 55 до 92% (в зависимости от метода получения). Полиэтилен-термопластичный материал. Изделия из него могут быть изготовлены методом литья (под давлением, центробежным литьем), штамповкой (при температуре 120 … 135° С) и прессованием. Он обладает высокой химической стойкостью к агрессивным средам и является хорошим диэлектриком. Применяется при изготовлении подводных, силовых и радиочастотных кабелей в качестве изоляции. Большое применение получил полиэтилен при изготовлении различного оборудования химической промышленности методом прессования и сварки (трубы, цистерны, плиты, фитинги, профили, тонкостенные детали и др.)

Винипласт — жесткий материал, получаемый путем обработки непластифицированного поливинилхлорида со стабилизаторами и смазывающими веществами при температуре 160 … 180° С. Он обладает большой прочностью, твердостью, хорошими диэлектрическими свойствами и высокой химической стойкостью. Винипласт легко подвергается различной механической обработке, сварке, склеиванию. Винипласт получил большое применение в различных отраслях народного хозяства, особенно в химической промышленности. Из винипласта изготовляют трубы, вентили, краны, фитинги.
Винипластовые пленки применяют для футеровки металлической аппаратуры, электролизных ванн, изготовления различного химического и лабораторного оборудования.

Полистирол — продукт полимеризации стирола. Легко перерабатывается в изделия, как и обычные термопласты. Он отличается очень хорошими диэлектрическими свойствами, прозрачен, водостоек, морозостоек. Недостатками полистирола являются низкая теплостойкость, горючесть и хрупкость. Полистирол служит материалом для изготовления радио-и электроаппаратуры, высокочастотных приборов и химической аппаратуры. Его применяют также для изготовления электроизоляционных пленок, нитей и упаковочной пленки. Полиакрилаты — группа полимеров на основе производных акриловой и метакриловой кислот. Они производятся путем полимеризации мономерных эфиров. Наибольшее применение получили листовые акриловые материалы (органическое стекло различных марок). Кроме того, выпускают заготовки в виде стержней, труб, листов и материалов для изготовления деталей прессованием или литьем под давлением.

Органическое стекло ПММА — полиметилметакрилат — отличается высокой светопроницаемостью, удовлетворительными прочностью и твердостью. Важной особенностью органического стекла является его способность почти полностью пропускать ультрафиолетовые лучи. Следует также отметить хорошие технологические свойства: обрабатываемость сверлением, фрезерованием, штамповкой, сваркой. Некоторые марки органического стекла перерабатывают в изделия литьем под давлением. Применяют органическое стекло для остекления, изготовления изделий технического назначения в приборостроении, машиностроении и других отраслях промышленности. Полихлорвиниловый пластикат получают из поливинилхлорида, наполнителей и красителей. Наполнители повышают механическую прочность пластиката и снижают его стоимость.
Для повышения гибкости и пластичности, а также хорошего смещения составляющих в смесь дополнительно вводят до 30 … 60% пластификатора (дибутилфталата). Обработкой такой смеси на вальцах получают мягкий листовой материал толщиной от 0,1 до нескольких миллиметров.
Пластикат используют как футеровочный и электроизоляционный материалы, а также для изготовления труб с толщиной стенки 0,3 … 10 мм. В строительстве поливинилхлорид идет для производства полихлорвинилового линолеума, полихлорвиниловой пленки и др.

 

Способы сварки пластмасс

Сварка пластмасс заключается в нагреве свариваемых кромок до пластического вязко-текучего состояния и соединения их под некоторым давлением.

Применяются следующие способы сварки пластмасс:

Сварка нагретым газом

Свариваемые кромки детали и присадочный материал нагревают до температуры сварки струей горячего воздуха или газа. Для нагрева воздуха (газа) используют специальные электронагреватели или газовые горелки. На рисунке представлена схема сварки этим способом стыкового соединения с присадочным прутком. Свариваемые кромки детали и присадочный пруток с помощью горелки нагревают до получения тонкого вязко-текучего поверхностного слоя. Присадочный пруток вдавливается в разделку шва, нагретые слои материала слипаются и присадочный пруток образует сварной шов. При сварке толстого материала в разделку шва последовательно укладывают несколько нагретых присадочных прутков, как показано на рисунке. Подготовка кромок к сварке заключается в скашивании их под углом 60° при сварке стыковых и нахлесточных соединений. Для получения полного провара необходимо у вершины шва оставить зазор 0,4… 0,5 мм. Сварку без скоса кромок применяют для соединения листов толщиной менее 4 мм. При большой толщине применяют V-образные и Х-образные разделки кромок шва. При этом Х-образные формы более прочны. В процессе сварки по мере размягчения поверхностей свариваемых кромок и присадочного прутка необходимо непрерывно вжимать пруток в основание разделки под небольшим, но постоянным давлением.

При сварке мягких термопластов (полиэтилен и др.) присадочный пруток вводят под тупым углом, чтобы обеспечить достаточное давление на свариваемые кромки. При сварке жестких термопластов (винипласт, органическое стекло и др.) пруток вводят в разделку шва почти под углом 90° к шву. Полиэтилен и полистирол при сварке нагревают горячим газом или воздухом до температуры не выше 160 … 180°С. Органическое стекло рекомендуют сваривать струей воздуха, нагретого до 200 …220° С. Присадочным материалом служат прутки площадью сечения от 7 до 12 мм2. Допускается использование сварочных прутков из винипласта (диаметром от 3,0 до 5,0 мм). Винипласт сваривают в размягченном (вязко-текучем) состоянии при температуре 220… 240° С. Присадочным материалом служат сварочные прутки диаметром до 5 мм из пластифицированного винипласта. Процесс сварки осуществляется путем размягчения прутков и сцепления их с основным материалом.

Для сварки пластмасс толщиной от 2 до 25 мм этим способом применяют горелки ГГП-1-66. Теплоносителем является воздух в смеси с продуктами сгорания пропан бутановой смеси. Масса горелки 0,6 кг. Горелка ГЭП-1А-67 работает на основе электроподогрева теплоносителя — газа (воздух, азот и др.). Для этого на пути движения газа в корпусе горелки установлена электроспираль. Масса горелки 0,68 кг. Этим способом можно сваривать детали любых размеров и различной конфигурации. Простота оборудования и технологии сварки позволяют применять этот способ при самых различных строительно-монтажных работах. При сварке следует учесть, что пластмассы имеют высокий коэффициент температурного расширения (в 4 … 6 раз больше металлов). Это вызывает опасность возникновения относительно больших внутренних напряжений в сварном шве, ослабляющих сварное соединение и вызывающих коробление свариваемых деталей. Для получения хорошего сварного шва рекомендуется применять небольшие площади сечения струи нагретого газа (диаметр струи 3 … 5 мм), а также различные фиксирующие приспособления.

Сварка контактным нагревом

При этом способе нагрев свариваемых поверхностей производят при помощи электронагревательных элементов. Нагретый элемент устанавливают между свариваемыми поверхностями и доводят их до вязко-текучего состояния. Затем нагревательный элемент удаляют, а свариваемые поверхности соединяют сдавливанием. При сварке пленочных пластмасс нагревательным элементом может служить устройство в виде электроутюга, нагревательного ролика или валика. Пленки соединяют внахлестку и разогревают до определенной температуры. Этим способом сваривают пленки толщиной не более 2 мм, так как низкая теплопроводность затрудняет нагрев пластмасс до нужной температуры. Этот способ сварки годен как для мягких, так и для жестких полимеров. Однако он требует большего времени на нагрев элемента, регулировку температуры и охлаждения шва (под давлением) после сварки.

Сварка токами высокой частоты

Нагрев свариваемых деталей производят в высокочастотном электрическом поле. После разогрева кромок до пластического состояния их сдавливают для получения прочного соединения. Этот способ очень экономичен и широко распространен в промышленности. Наибольшее применение получила сварка высокочастотным током изделий из поливинилхлоридных пластиков. Например, для сварки винипласта применяют токи частотой 60 … 75 МГц. Толщина свариваемого материала от 0,5 до 2 мм. При меньшей толщине большая часть теплоты расходуется непроизводительно на нагрев прижимающих электродов. Производительность сварки в 5 … 10 раз выше рассмотренных ранее способов. Для шовной сварки пластмассовых пленок и лент применяют специальные сварочные машины ЛГС-02, МСТ-ЗМ и др. Свариваемый материал прокатывают между двумя вращающимися роликами-электродами, к которым подключен высокочастотный ток. Сварка обеспечивает получение непрерывного, прочного и герметичного шва. Нахлесточные соединения можно сваривать без скоса и со скосом кромок под углом 45°. Ширину шва выбирают в пределах 2 … 4 мм, скорость сварки достигает 3 м/мин.

Сварка трением

Осуществляется путем нагрева свариваемых кромок деталей до пластического состояния теплотой, выделяющейся при трении поверхностей этих кромок друг о друга. Для сварки одну часть детали закрепляют в патроне токарного или сверлильного станка и после вращения прижимают ко второй части детали, закрепленной неподвижно в специальном приспособлении. Поскольку термопласты имеют плохую теплопроводность трущиеся поверхности быстро нагреваются. Давление сжатия в зависимости от материала составляет 0,2 … 1 МПа (2 … 10 кгс/см2). Такой способ сварки не требует подготовки поверхности, так как пленка и грязь вытесняются при сварке.

Преимуществом этого способа является быстрота сварки. В зоне трения температура быстро повышается, обеспечивая моментальную сварку, в то время как температура материала около зоны соединения почти не изменяется. Однако этим способом можно сваривать только тела вращения. Кроме того, необходимость обеспечения давления для сварки делает этот способ применимым для жестких термопластов. На рисунке представлена принципиальная схема установки и способы получения сварных соединений из сплошного и полого материалов.

Сварка ультразвуком

Производится посредством нагрева свариваемых кромок под действием ультразвуковых колебаний. Ультразвуковая сварка является более универсальным способом даже по сравнению с высокочастотной электросваркой. Ее применяют для соединения большого количества разнообразных пластических материалов. Однако If в настоящее время этот способ находится в стадии исследования. Уже разработана ультразвуковая сварка ряда пластиков толщиной более 0,1 мм. Следует ожидать, что в ближайшие годы сварка ультразвуком станет одним из основных способов сварки термопластиков.

Читайте также

Добавить комментарий

получение пластмасс, состав, свойства, свариваемость

---

Рекомендуем приобрести:

Установки для автоматической сварки продольных швов обечаек — в наличии на складе!
Высокая производительность, удобство, простота в управлении и надежность в эксплуатации.

Сварочные экраны и защитные шторки — в наличии на складе!
Защита от излучения при сварке и резке. Большой выбор.
Доставка по всей России!

---

Состав и свойства

Получение пластмасс

Пластмассы — это материалы, полученные на основе синтетических или естественных полимеров (смол). Синтезируются полимеры путем полимеризации или поликонденсации мономеров в присутствии катализаторов при строго определенных температурных режимах и давлениях.

В полимер с различной целью могут вводиться наполнители, стабилизаторы, пигменты, могут составляться композиции с добавкой органических и неорганических волокон, сеток и тканей.

Таким образом, пластмассы в большинстве случаев являются многокомпонентными смесями и композиционными материалами, у которых технологические свойства, в том числе и свариваемость, в основном определяются свойствами полимера.

В зависимости от поведения полимера при нагревании различают два вида пластмасс — термопласты, материалы, которые могут многократно нагреваться и переходить при этом из твердого в вязко-текучее состояние, и реактопласты, которые могут претерпевать этот процесс лишь однократно.

Особенности строения

Пластмассы (полимеры) состоят из макромолекул, в которых более или менее регулярно чередуется большое число одинаковых или неодинаковых атомных группировок, соединенных химическими связями в длинные цепи, по форме которых различают линейные полимеры, разветвленные и сетчато-пространственные.

По составу макромолекул полимеры делятся на три класса:

1) карбоцепные, основные цепи которых построены только из углеродных атомов;

2) гетероцепные, в основных цепях которых, кроме атомов углерода, содержатся атомы кислорода, азота, серы;

3) элементоорганические полимеры, содержащие в основных цепях атомы кремния, бора, алюминия, титана и других элементов.

Макромолекулы обладают гибкостью и способны изменять форму под влиянием теплового движения их звеньев или электрического поля. Это свойство связано с внутренним вращением отдельных частей молекулы относительно друг друга. Не перемещаясь в пространстве, каждая макромолекула находится в непрерывном движении, которое выражается в смене ее конформаций.

Гибкость макромолекул характеризует величина сегмента, т. е. число звеньев в ней, которые в условиях данного конкретного воздействия на полимер проявляют себя как кинетически самостоятельные единицы, например в поле ТВЧ как диполи. По реакции к внешним электрическим полям различают полярные (ПЭ, ПП) и неполярные (ПВХ, полиаксилонитрил) полимеры. Между макромолекулами действуют силы притяжения, вызванные ван-дер-ваальсовым взаимодействием, а также водородными связями, ионным взаимодействием. Силы притяжения проявляются при сближении макромолекул на 0,3—0,4 им.

Полярные и неполярные полимеры (пластмассы) между собой несовместимы — между их макромолекулами не возникает взаимодействия (притяжения), т. е. они между собой не свариваются.

Надмолекулярная структура, ориентация

По структуре различают два вида пластмасс — кристаллические и аморфные. В кристаллических в отличие от аморфных наблюдается не только ближний, но и дальний порядок. При переходе из вязко-текучего состояния в твердое макромолекулы кристаллических полимеров образуют упорядоченные ассоциации-кристаллиты преимущественно в виде сферолитов (рис. 37.1). Чем меньше скорость охлаждения расплава термопласта, тем крупнее вырастают сферолиты. Однако и в кристаллических полимерах всегда остаются аморфные участки. Изменяя скорость охлаждения, можно регулировать структуру, а следовательно, и свойства сварного соединения.

Резкое различие продольных и поперечных размеров макромолекул приводит к возможности существования специфического для полимеров ориентированного состояния. Оно характеризуется расположением осей цепных макромолекул преимущественно вдоль одного направления, что приводит к проявлению анизотропии свойств изделия из пластмассы. Получение ориентированных пластмасс осуществляется путем их одноосной (5—10-кратной) вытяжки при комнатной или повышенной температуре. Однако при нагреве (в том числе и при сварке) эффект ориентации снижается или исчезает, так как макромолекулы вновь принимают термодинамически наиболее вероятные конфигурации (конформации) благодаря энтропийной упругости, обусловленной движением сегментов.

Реакция пластмасс на термомеханический цикл

Все конструкционные термопласты при нормальных температурах находятся в твердом состоянии (кристаллическом или застеклованном). Выше температуры стеклования (Т_ст) аморфные пластмассы переходят в эластическое (резиноподобное) состояние. При дальнейшем нагреве выше температуры плавления (T_пл) кристаллические полимеры переходят в аморфное состояние. Выше температуры текучести Т_T и кристаллические, и аморфные пластмассы переходят в вязкотекучее состояние Все эти изменения состояния обычно описываются термомеханическими кривыми (рис. 37.2), являющимися важнейшими технологическими характеристиками пластмасс. Образование сварного соединения происходит в интервале вязкотекучего состояния термопластов. Реактопласты при нагреве выше Т_T претерпевают радикальные процессы и в отличие от термопластов образуют пространственные полимерные сетки, не способные к взаимодействию без их разрушения, на что требуется применение специальных химических присадок.

Основные пластмассы для сварных конструкций

Наиболее распространенными конструкционными пластмассами являются группы термопластов на основе полиолефинов: полиэтилена высокого и низкого давления, полипропилена, полиизобутилена.

Полиэтилен [..—СН₂—СН₂—…]_n высокого и низкого давления — кристаллические термопласты, отличающиеся между собой прочностью, жесткостью, температурой текучести. Полипропилен [—СН₂—СН(СН₃)—]_n более температуростоек, чем полиэтилен, и обладает большей прочностью и жесткостью.

В значительных объемах используются хлорсодержащие пластики на основе полимеров и сополимеров винилхлорида и винилиденхлорида.

Поливинилхлорид (ПВХ) [—(СН₂—СНСl—)]_n — аморфный полимер линейного строения, в исходном состоянии является жестким материалом При добавке к нему пластификатора можно получить очень пластичный и хорошо сваривающийся материал — пластикат. Из жесткого ПВХ — винипласта — изготавливают листы, трубы, прутки, а из пластиката — пленку, шланги и другие изделия. Из ПВХ изготавливаются также вспененные материалы (пенопласты).

Значительную группу полимеров и пластмасс на их основе составляют полиамиды, содержащие в цепи макромолекул амидные группы [—СО—Н—]. Это в большинстве кристаллические термопласты с четко выраженной температурой плавления. Отечественная промышленность выпускает главным образом алифатические полиамиды, используемые для изготовления волокон, отливки деталей машин, получения пленок. К полиамидам относятся, в частности, широко известные поликапролактам и полнамид-66 (капрон).

Наибольшую известность из группы фторлонов получил политетрафтор-этилен-фторлон-4 (фторопласт 4). В отличие от других термопластов при нагреве он не переходит в вязкотекучее состояние даже при температуре деструкции (около 415°С), поэтому его сварка требует особых приемов. В настоящее время химической промышленностью освоен выпуск хорошо сваривающихся плавких фторлонов; Ф-4М, Ф-40, Ф-42 и др. Сварные конструкции из фторсодержащих пластиков обладают исключительно высокой стойкостью к агрессивным средам и могут воспринимать рабочие нагрузки в широком диапазоне температур.

На основе акриловой и метакриловой кислоты производятся акриловые пластики. Наиболее известная в практике производная на их основе — пластмасса полнметилметакрилат (торговая марка «плексиглас»). Эти пластики, обладающие высокой прозрачностью, используются как светопроводящие изделия (в виде листа, прутков и т. д.) Нашли применение также сополимеры метилметакрилата и акрилонитрила, которые обладают большей прочностью и твердостью. Все пластики этой группы хорошо свариваются.

Хорошей прозрачностью отличается группа пластиков на основе полистирола. Этот линейный термопласт хорошо сваривается тепловыми способами.

Для изготовления сварных конструкций преимущественно в электротехнической промышленности используют сополимеры стирола с метилстиролом, акрилонитрилом, метилметакрилатом и, в частности, акрилонитрилбутадиенстирольные (АБС) пластики. Последние отличаются от хрупкого полистирола более высокой ударной прочностью и теплостойкостью.

В сварных конструкциях находят применение пластмассы на основе поликарбонатов — сложных полиэфиров угольной кислоты. Они обладают более высокой вязкостью расплава, чем другие термопласты, однако свариваются удовлетворительно. Из них изготавливают пленки, листы, трубы и различные детали, в том числе декоративные. Характерными особенностями являются высокие диэлектрические и поляризационные свойства.

Формообразование деталей из пластмасс

Термопласты поставляются для переработки в гранулах размером 3—5 мм. Основными технологическими процессами изготовления полуфабрикатов и деталей из них являются: экструзия, литье, прессование, каландрирование, производимые в температурном интервале вязкотекучего состояния.

Трубопроводы из полиэтиленовых и поливинилхлоридных труб применяют для транспорта агрессивных продуктов, в том числе нефти и газа с содержанием сероводорода и углекислоты и химических (неароматических) реагентов в химическом производстве. Резервуары и цистерны для перевозки кислот и щелочей, травильные ванны и другие сосуды облицовываются пластмассовыми листами, соединяемыми с помощью сварки Герметизация пластикатом помещений, загрязняемых изотопами, покрытие полов линолеумом также осуществляются с помощью сварки. Консервация пищевых продуктов в тубы, коробки и банки, упаковка товаров и почтовых посылок резко ускоряются с применением сварки.

Машиностроительные детали. В химическом машиностроении свариваются корпуса и лопатки различного рода смесителей, корпуса и роторы насосов для перекачки агрессивных сред, фильтры, подшипники и прокладки из фторопласта, из полистирола сваривается осветительная арматура, из капрона неэлектропроводные шестерни, валики, муфточки, штоки, из фторлона — несмазывающиеся подшипники, вытеснители топлива и т д.

Оценка свариваемости пластмасс

Основные стадии процесса сварки

Процесс сварки термопластов состоит в активации свариваемых поверхностей деталей, либо находящихся уже в контакте (сварка ТВЧ, СВЧ), либо приводимых в контакт после (сварка нагретым инструментом, газом, ИК-излучением и т. д.) или одновременно с активизацией (сварка трением, УЗ-сварка).

При плотном контакте активированных слоев должны реализоваться силы межмолекулярного взаимодействия.

В процессе образования сварных соединений (при охлаждении) происходит формирование надмолекулярных структур в шве, а также развитие полей собственных напряжений и их релаксация. Эти конкурирующие процессы определяют конечные свойства сварного соединения. Технологическая задача сварки состоит в том, чтобы максимально приблизить по свойствам шов к исходному — основному материалу.

Механизм образования сварных соединений

Реологическая концепция. Согласно реологической концепции, механизм образования сварного соединения включает два этапа — на макроскопическом и микроскопическом уровнях. При сближении под давлением активированных тем или иным способом поверхностей соединяемых деталей вследствие сдвиговых деформаций происходит течение расплава полимера. В результате этого удаляются из зоны контакта ингредиенты, препятствующие сближению и взаимодействию ювенильных макромолекул (эвакуируются газовые, окисленные прослойки). Вследствие разности скоростей течения расплава не исключено и перемешивание макрообъемов расплава в зоне контакта. Только после удаления или разрушения дефектных слоев в зоне контакта, когда ювенильные макромолекулы сблизятся на расстояния действия Ван-дер-Ваальсовых сил, возникает взаимодействие (схватывание) между макромолекулами слоев соединяемых поверхностей деталей. Этот аутогезионный процесс происходит на микроуровне. Он сопровождается взаимодиффузией макромолекул, обусловленной энергетическим потенциалом и неравномерностью градиента температур в зоне свариваемых поверхностей.

Итак, чтобы образовалось сварное соединение двух поверхностей, необходимо прежде всего обеспечить течение расплава в этой зоне.

Течение расплава в зоне сварки зависит от его вязкости: чем меньше вязкость, тем активнее происходят сдвиговые деформации в расплаве — разрушение и удаление дефектных слоев на контактирующих поверхностях, тем меньшее давление необходимо прилагать для соединения деталей.

Вязкость расплава в свою очередь зависит от природы пластмассы (молекулярной массы, разветвленности макромолекул полимера) и температуры нагрева в интервале вязкотекучести. Следовательно, вязкость может служить одним из признаков, определяющих свариваемость пластмассы: чем она меньше в интервале вязкотекучести, тем лучше свариваемость и, наоборот, чем больше вязкость, тем сложнее разрушить и удалить из зоны контакта ингредиенты, препятствующие взаимодействию макромолекул. Однако нагрев для каждого полимера ограничен определенной температурой деструкции Т_д, выше которой происходит его разложение — деструкция. Термопласты различаются по граничным значениям температурного интервала вязкотекучести, т. е. между температурой их текучести Т_T и деструкции Т_д (табл. 37.2).

Классификация термопластов по их свариваемости. Чем шире интервал вязкотекучести термопласта (рис. 37.3), тем практически проще получить качественное сварное соединение, ибо отклонения по температуре в зоне шва отражаются менее на величине вязкости. Наряду с интервалом вязкотекучести и минимальным уровнем в нем значений вязкости заметную роль играет в реологических процессах при образовании шва градиент изменения вязкости в этом интервале. За количественные показатели свариваемости приняты: температурный интервал вязкотекучести ΔT, минимальное значение вязкости η_min и градиент изменения вязкости в этом интервале.

По свариваемости все термопластичные пластмассы можно разбить по этим показателям на четыре группы (табл. 37.3).

Сварка термопластичных пластмасс возможна, если материал переходит в состояние вязкого расплава, если его температурный интервал вязкотекучести достаточно широк, а градиент изменения вязкости в этом интервале минимальный, так как взаимодействие макромолекул в зоне контакта происходит по границе, обладающей одинаковой вязкостью.

В общем случае температура сварки назначается, исходя из анализа термомеханической кривой для свариваемой пластмассы, принимаем ее на 10—15° ниже Т_д. Давление принимается такое, чтобы эвакуировать расплав поверхностного слоя в грат либо разрушить его, исходя из конкретной глубины проплавления и теплофизических показателей свариваемого материала. Время выдержки t_CB определяется исходя из достижения квазистационарного состояния оплавления и проплавления либо по формуле

где t₀ — константа, имеющая размерность времени и зависящая от толщины соединяемого материала и способа нагрева; Q — энергия активации; R — газовая постоянная; Т — температура сварки.

При экспериментальной оценке свариваемости пластмасс фундаментальным показателем является длительная прочность сварного соединения, работающего в конкретных условиях по сравнению с основным материалом.

Испытываются образцы, вырубленные из сварного соединения, на одноосное растяжение. При этом временной фактор моделируется температурой, т. е. используется принцип температурно-временной суперпозиции, основанный на допущении, что при данном напряжении связь между длительной прочностью к температурой однозначна (метод Ларсона-Миллера).

Методы повышения свариваемости

Схемы механизма образования сварных соединений термопластов. Повышение их свариваемости может производиться за счет расширения температурного интервала вязкотекучести, интенсификации удаления ингредиентов или разрушения дефектных слоев в зоне контакта, препятствующих сближению и взаимодействию ювенильных макромолекул.

Возможно несколько путей:

введение в зону контакта присадки в случае недостаточного количества расплава (при сварке армированных пленок), при сварке разнородных термопластов присадка по составу должна обладать сродством к обоим свариваемым материалам;

введение в зону сварки растворителя или более пластифицированной присадки;

принудительное перемешивание расплава в шве путем смещения соединяемых деталей не только вдоль линии осадки, но и возвратно-поступательно поперек шва на 1,5—2 мм или наложением ультразвуковых колебаний. Активизация в зоне контакта перемешивания расплава может производиться после оплавления стыкуемых кромок нагревательным инструментом, имеющим ребристую поверхность. Свойства сварного соединения могут быть улучшены последующей термической обработкой соединения. При этом снимаются не только остаточные напряжения, но возможно исправление структуры в шве и околошовной зоне, особенно у кристаллических полимеров. Многие из изложенных мероприятий приближают свойства сварных соединений к свойствам основного материала.

При сварке ориентированных пластмасс во избежание потери их прочности вследствие переориентации при нагреве до вязко-текучего состояния полимера применяют химическую сварку, т. е. процесс, при котором в зоне контакта реализуются радикальные (химические) связи между макромолекулами. Химическую сварку применяют и при соединении реактопластов, детали из которых не могут переходить при повторном нагреве в вязкотекучее состояние. Для инициирования химических реакций в зону соединения при такой сварке вводят различные реагенты в зависимости от соединяемого вида пластмасс. Процесс химической сварки, как правило, производится при нагреве места сварки.

Волченко В.Н. Сварка и свариваемые материалы т.1. -M. 1991

См. также: