Краткие ведения о пластических массах и их свариваемости

Размещено на http://www.allbest.ru/

КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О ПЛАСТИЧЕСКИХ МАССАХ И ИХ СВАРИВАЕМОСТИ

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.

в медицине:

мед. аппаратура; искусственные органы; системы, шприцы и др.

в автомобилестроении:

внутренняя обивка; бампера, панели; корпуса аккумуляторов; пробки, заглушки, крышки и др.

в быту: 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).

Строение полимерных материалов

Пластические массы - это большая группа разнообразных многокомпонентных материалов, полученных на основе синтетических или естественных полимеров путем введения различных добавок.

Полимеры - 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 естественное (целлюлоза, натуральный каучук и др.) и искусственное (полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид и т.д.).

Добавки, 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.

Стабилизаторы (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.

Пластификаторы улучшают технологические и эксплуатационные свойства полимеров (текучесть, способность перерабатываться различными методами, пластичность, эластичность и т.д.).

Наполнители, как правило, способствуют увеличению прочности, улучшению диэлектрических свойств, химической стойкости полимеров. Их вводят и с целью уменьшения расхода полимерной смолы.

Органические наполнители: хлопковые очёсы, обрезки ткани, бумаги, древесный шпон.

Неорганические наполнители: асбестовые и стеклянные волокна 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.

Полимеризация - 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 сополимерами. 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).

Поликонденсация - 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.

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.

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.

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

кристаллические,

аморфные.

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

стеклообразное;

высокоэластичное;

вязкотекучее.

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

Температура стеклования (ТС) - температура перехода из высокоэластичного состояния в стеклообразное (и обратно).

Температура текучести (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.

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/см ), 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.

Недостатки:

низкий предел прочности большинства пластмасс;

ползучесть;

низкая термостойкость;

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

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:

подвод и преобразование энергии, обеспечивающей активацию свариваемых поверхностей;

взаимодействие активированных свариваемых поверхностей при контакте их друг с другом;

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 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).

Следующая стадия - взаимодействие активированных свариваемых поверхностей при их контакте. Эта стадия наиболее ответственна 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 - формирование надмолекулярной структуры 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.

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.

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 з в этом интервале, а также больший градиент снижения этой вязкости dз/dT, имеет лучшие показатели свариваемости. Параметры вязкости ?Т1, , dз1/dT1 (кривая 1) соответствуют полимеру с худшей свариваемостью.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Изменение параметров вязкости расплава полимера в температурном интервале вязкотекучего состояния

?Т - температурный интервал вязко-текучего состояния (от ТТ до ТР), ОС

з - вязкость в этом интервале (Па-с)

dз/dT - градиент снижения вязкости

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.

Сварка пластмасс нагретым газом

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).

Размещено на http://www.allbest.ru/

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.

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).

Размещено на http://www.allbest.ru/

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.

Ручной способ 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.

Механизированный способ 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.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Стыковая сварка горелкой со щелевым соплом с применением присадки в виде ленты: 1 - основной материал; 2 - присадка в виде ленты; 3 - прижимной ролик; 4 - горелка со щелевым соплом

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).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Сварка осуществляется за счет размягчения и сдавливания кромок, соединяемых внахлестку. Кромки листов 1 перед сваркой срезают под углом 20-25о. 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.

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.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

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:

возможность применения для сварки материалов различной толщины;

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

Недостатки способа:

сравнительно низкая производительность;

недостаточно высокая прочность сварных соединений.

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.

Стыковые швы без разделки кромок (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.

Стыковые швы с разделкой кромок (рис.2.7, б - д) применяют при 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) F-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.

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 F-образная. Уменьшаются расход присадочного материала в 1,6-1,7 раза и величина сварочных деформаций.

Тавровые и угловые соединения. При толщине вертикального 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.

Нахлесточные соединения 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.

Температура газа 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.

Расход нагретого газа устанавливают обычно для горелок косвенного действия и с электронагревом - 1-2 м /ч, а для горелок прямого действия 1-3,5 м /ч. Малые расходы снижают производительность и приводят к непроварам.

Присадочный материал обычно выбирают того же состава, что и 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.

Положение сварочного прутка и сопла горелки по отношению 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).

Угол наклона продольной оси мундштука горелки к плоскости 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.

Размещено на http://www.allbest.ru/

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

Давление на присадочный пруток выбирают в зависимости от 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).

Скорость сварки 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.

Порядок укладки прутков 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.

Размещено на http://www.allbest.ru/

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

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.

Электрические горелки могут быть 2 типов:

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.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Горелки с электрическим нагревом находят широкое применение благодаря своей простоте и безопасности в работе. Наиболее известны горелки ГЭП-1-67 и 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 газовые горелки, 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- до 0,12 м3/ч;

природного газа - до 0,36 м /ч.

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 м /ч или природного газа 0,3-1,1 м /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.

Таблица 2.1

Основные технические характеристики	Тип аппарата
	ВЕЛДИНГ ПЭН	ЭЛЕКТРОН
Напряжение, В	230	42, 120, 200, 230
Мощность, кВт	1	1060, 2700, 3000, 2300/3400
Температура воздуха, О С	20-600, плавная регулировка	20-650, плавная регулировка
Расход воздуха, л/мин	мин.80	макс. 500
Размеры, мм	Диаметр 32/43 х 270	320х95, рукоятка 064
Вес, кг	1,0 с кабелем 3 м	1,5 с кабелем 3 м
Фирма производитель	LEISTER	LEISTER



Сварка конструкции из пропилена аппаратом ЛАБОР S с насадкой быстрой сварки фирмы Ляйстер

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.2.13 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).

Горелки для сварки нагретым газом фирмы РОТЕНБЕРГЕР: а -ROWELD HG 1600 E; б - ROWELD WG 1600 E, в - насадки

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.

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.



Размещено на http://www.allbest.ru/

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.

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.

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.

Основные технические характеристики	Тип аппарата
	ВАРИМАТ	УНИПЛАН
Напряжение, В	230, 400	230
Мощность, кВт	4.6; 6.3	2,1
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	0,5 - 5,0, плавная регулировка	1,0 - 7,5, плавная регулировка
Ширина шва, мм	40 - 80,100 или 120	20 или 30
Размеры, мм	640 х 430 х 330	420 х 270 х 210
Вес, кг	32 с кабелем 5 м	11,5

Технические характеристики этих автоматов представлены в табл. 2.2.

На рис.2.18 показан сварочный автомат немецкой фирмы HERZ, выполняющий нахлесточное соединение из тонколистового полимерного материала.



Автоматизированная сварка нахлесточного соединения

Контроль качества сварных соединений из пластмасс

Качество сварных соединений пластмасс определяется степенью соответствия соединений установленным нормативным требованиям для заданных условий их эксплуатации, включающим требования к качеству основных и вспомогательных материалов, качеству подготовки элементов конструкции для сборки под сварку и качеству сборки и сварки элементов конструкции.

Оценка качества сварных соединений из пластмасс предполагает серию испытаний на кратковременную и длительную нагрузки, в том числе и в рабочих средах, позволяющих оценить предельные механические или физико-механические показатели соединений, а также влияние возможных дефектов соединения на эти показатели.

Дефекты сварных соединений

Основные признаки, характеризующие влияние дефектов на свойства сварного соединения, - геометрические размеры дефектов, их форма, положение в сечении шва и массовость. К наиболее распространенным видам дефектов сварных соединений термопластов относятся несоответствие шва требуемым геометрическим размерам, непровары, трещины, перегрев материала, несплавления, коробление сварного шва в результате усадки при сварке ориентированных материалов, поры при термоконтактной сварке. Кроме того, при сварке пленочных термопластов характерным дефектом являются прожоги, структурные изменения шва и околошовной зоны, подвергающихся термическому воздействию.

Несоответствие шва требуемым геометрическим размерам является в основном результатом нарушения сварщиком технологии. При уменьшении размеров шва снижаются прочностные характеристики соединения; увеличение этих размеров экономически нерационально.

Причинами образования швов неправильной формы могут быть также неравномерный контакт свариваемых поверхностей, несовпадение кромок, неравномерный зазор, неравномерное оплавление свариваемых поверхностей.

Непровары характеризуются отсутствием сварного соединения по всей или части площади контактирования свариваемых образцов. Признаком непровара является расслоение отдельных участков шва. В большинстве случаев внешним осмотром непровар не обнаруживается. Для выявления этого дефекта требуются механические испытания. Непровары могут быть выявлены и некоторыми методами физического контроля и контроля на герметичность сварных соединений.

Причиной непровара может быть отсутствие достаточно полного контакта соединяемых поверхностей в процессе нагрева, что возможно при недостаточном сварочном давлении или его колебаниях в процессе изотермической выдержки, при неправильном подборе исходных зазоров между рабочими поверхностями нагретых инструментов и поверхностью деталей при использовании термического расширения материала для создания сварочного давления. Причиной непровара могут быть также недостаточная температура нагретого инструмента, малая продолжительность нагрева, а также наличие на поверхности адсорбированных молекул газа, воды, тончайших жировых пленок и прочих включений.

Трещины при сварке листовых термопластов или труб из пластмасс чаще всего образуются из-за чрезмерного сварочного давления при ограниченном объеме, в котором расширяется материал зоны соединения. Причиной появления трещин может также быть слишком высокая температура нагретого инструмента.

Существенное превышение температуры нагретого инструмента при сварке термопластов приводит к резкому снижению механических показателей полимера в зоне контакта с нагретым инструментом, образованию несплошностей, трещин. Сварное соединение с такими дефектами не подлежит исправлению.

Чаще всего трещины образуются в процессе охлаждения зоны сварки в том случае, если сварочное устройство не обеспечивает компенсации значительного изменения линейных размеров сварочной зоны.

При сварке плавких пленочных термопластов образование трещин обусловлено охрупчиванием материала в результате его длительного пребывания при высоких температурах на воздухе.