Физические основы сварки пластмасс. Опишите методы сварки с непосредственным нагревом.

Процесс сварки пластмасс состоит в образовании соединения за счет контакта активированных нагревом соединяемых поверхностей.

Последовательность операций сварки может быть различной:

· свариваемые материалы сначала приводят в плотный контакт, а затем происходит активация соединяемых поверхностей;

· соединяемые поверхности скачала подвергают активации, а затем обеспечивают их контакт;

· контактирование и активацию соединяемых поверхностей осуществляют одновременно;

При сварке пластмасс, так же как и при сварке металлов, в сварочной зоне протекают следующие процессы:

· подвод и преобразование энергии, обеспечивающей активацию соединяемых поверхностей;

· взаимодействие активированных поверхностей при их контакте;

· формирование структуры материала в зоне контакта;

Активация свариваемых поверхностей может достигаться за счет:

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

· поглощения и преобразования высокочастотных электрических или механических колебаний, механической энергии трения или лучистой энергии;

В конечном счете, активация независимо от способа ее осуществления состоит в нагреве свариваемых поверхностей и проявляется в повышении энергии теплового движения макромолекул. Вблизи температуры стеклования возникает возможность движения только отдельных сегментов макромолекул и сварка здесь невозможна. При температурах, близких к Т_т, макромолекулы могут уже перемешаться друг относительно друга, и здесь уже возможна сварка.

Следующая стадия процесса сварки - взаимодействие активированных поверхностей при контакте друг с другом, наиболее ответственна за свойства образовавшегося соединения, так как только при реализации взаимодействия между макромолекулами полимера возможно получение соединения, близкого по свойствам к основному материалу. Сущность процесса сварки состоит в сближении макромолекул активированных поверхностей на такие расстояния, чтобы между ними образовались силы межмолекулярного взаимодействия.

Процесс сварки пластмасс может происходить только при определенных условиях.

1. Повышенная температура. Величина ее должна достигать температуры вязкотекучего состояния Т_т, но быть не более температуры деструкции термопласта Т_р, то есть Т_т < Т_св < Т_р.

2. Плотный контакт активированных свариваемых поверхностей.

3. Оптимальное время сварки - время выдержки при Т_св, время выдержки при давлении, время охлаждения.

Снижение температуры сварки в область высокоэластического состояния не может обеспечить стабильного качества сварного шва, так как при этом не обеспечивается достаточная подвижность макромолекул, и поэтому в шве могут появиться многие дефекты: непровары, поры и другие. Кроме того, как показано выше, при Тс < Т_св< Т_т деформации пластмасс обратимы, а отсюда прочность соединения со временем может понизиться.

Следует иметь в виду, что температурный коэффициент линейного расширения пластмасс в несколько раз больше, чем у металлов, а отсюда в процессе сварки и охлаждения в пластмассах возникают остаточные напряжения и деформации, которые снижают, порой значительно, прочность сварных соединений пластмасс.

На прочность сварных соединений пластмасс большое влияние оказывают: химический состав пластмассы, ориентация макромолекул, температура окружающей среды и другие факторы.

Как и при сварке металлов, при сварке пластмасс следует стремиться к тому, чтобы материал сварного шва и околошовной зоны по механическим и физическим свойствам был максимально приближен к соответствующим свойствам основного материала.

Сварка пластмасс плавлением, как и другие методы их переработки, основана на переводе полимера сначала в высокоэластическое, а затем в вязкотекучее состояние и возможна лишь в том случае, если свариваемые поверхности материалов (или деталей) могут быть переведены в состояние вязкого расплава. При этом переход полимера в вязкотекучее состояние не должен сопровождаться разложением материала термодеструкцией.

Температурный интервал вязкотекучего состояния (разница между температурами Т_р и Т_т) должен быть достаточно широким, так как незначительные отклонения от оптимального режима сварки пластмасс с малым интервалом между этими температурами могут привести к дефектам сварки (если Т_св будет меньше Т_г), либо в виде деструкции, если Т_св будет больше Т_р.

Переход полимера в вязкотекучее состояние не должен вызывать также существенного изменения формы макромолекул и их относительного расположения, то есть ориентации, которая обеспечивает прочность материала, а, следовательно, и прочность сварного шва.

Особенность течения в полимерах состоит в том, что длинные гибкие цепные молекулы полимера не могут перемешаться как единое целое. Деформация вязкого течения осуществляется путем перемещения только отдельных сегментов макромолекул, которые тем легче переходят в соседнее положение, чем больше запас тепловой энергии, то есть чем выше температура и чем слабее они связаны с соседними сегментами своей макромолекулы и с сегментами соседних макромолекул.

Контактно-тепловая сварка пластмасс

При контактно-тепловой сварке термопластов образование соединения происходит за счет нагрева соединяемых поверхностей нагревательным инструментом и приложения давления. Существует два основных способа контактно-тепловой сварки: сварка оплавлением и проплавлением.

При сварке оплавлением нагреватель плотно прилегает непосредственно к поверхностям, подлежащим сварке, и оплавляет их. Затем нагревательный элемент удаляют из зоны сварки, детали соединяют, прикладывают давление и выдерживают некоторое время до остывания сварного шва.

Основные параметры контактной сварки оплавлением: температура сварки; время нагрева (оплавления); величина давления при нагреве и осадке; время осадки и выдержки под давлением; величина и скорость осадки; глубина проплавления. Температура нагрева при сварке с помощью сварочных аппаратов стыковой сварки и последующее охлаждение определяются кинетикой тепловых процессов, структурными превращениями в шве и околошовной зоне. При этом не должно происходить разложение полимера. Температуру нагревательного элемента обычно устанавливают на 100-120 ⁰С выше температуры плавления термопласта.

Величина давления и скорость осадки при сварке должны обеспечить удаление прослоек (газовая и окисленный слой).

Прочность сварных соединений увеличивается с повышением длительности сварки и температуры торцов оплавляемых деталей только до определенного предела, до температуры активного разложения полимера. С увеличением давления при осадке прочность сварных соединений возрастает.

Прочность по сечению шва имеет максимальное значение в середине стыка. Это объясняется течением расплава в процессе формирования и остывания шва. Течение расплава особенно интенсивно в периферийной зоне.

Прочность изделий из пластмасс определяется также конструкцией соединения

 

Типы сварных соединений, выполняемые контактно-тепловой сваркой оплавлением

Оплавление кромок фигурным нагревателем приводит к повышению прочности сварного соединения за счет увеличения поверхности соединения.

Для интенсификации разрушения поверхностных пленок и перемешивания расплава в начальной стадии осадки рекомендуется одной из свариваемых деталей сообщать осевые или поперечные колебания частотой 1,5-2 Гц с амплитудой 1-3 мм или УЗ колебания.

Сварку оплавлением применяют для соединения листов, сварки пластиковых труб, пластин и блоков с подготовкой кромок механической резкой.

Разновидностью контактной сварки оплавлением является метод сварки закладными нагревателями. Этот метод наиболее широко используется для соединения труб, трубных элементов, блоков. При этом в зону контакта между свариваемыми поверхностями, при сборке закладывают электрический нагреватель сопротивления (металлическая спираль). После сборки и плотного сжатия, снаружи к спирали подводится электрический ток. При сварке трубопроводов используют соединительные детали в виде муфт, в которых при отливке размещают нагревательные элементы. Долговечность сварных соединений при этом методе сварки приближается к долговечности материала труб.

При контактной сварке проплавлением нагревательный элемент контактирует с внешними поверхностями деталей, и теплота передается к свариваемым поверхностям за счет теплопроводности сквозь их толщу. Нагрев деталей осуществляется с одной или двух сторон. Двусторонний нагрев материала облегчает условия сварки, позволяет быстрее нагреть материал до требуемой температуры. Можно соединять изделие по всей длине или проводить шаговую сварку. Для получения непрерывных швов использую роликовые и ленточные аппараты.

В зависимости от свойств свариваемого материала, толщины прокладок, температуры инструмента продолжительность сварки составляет 3-5 с. Для предупреждения коробления детали охлаждают под давлением.

Контактно-тепловой сваркой проплавлением соединяют листы и пленки толщиной до 2-3 мм в нахлестку. Изменяя величину нахлестки можно изменять прочность сварного шва в широких пределах.

 

. Конструкция сварных соединений пленок:
а - нахлесточное; б, в - с накладками

Различают сварку в длительном (статическом) режиме, (время сварки может быть продолжительным) и термоимпульсную (быстрый нагрев импульсом тока).