Пайка металлов. Сварка пластмасс и склеивание

7.5 Технология пайки алюминия и его сплавов

Главным препятствием при пайке алюминия является окисная пленка Al2O3, которая почти мгновенно образуется при ее удалении механическим способом. Окисная пленка алюминия является весьма стойким химическим соединением и имеет температуру плавления 2050°С. Ее не удается растворить или восстановить обычными флюсами, применяемыми при пайке меди и стали. Для пайки алюминия и его сплавов применяются следующие способы: пайка трением, абразивная пайка, ультразвуковая пайка, пайка горелкой, ацетилено-кислородным пламенем в печах, в соляной ванне и контактно-реактивная пайка.

В качестве припоя применяется припой на основе алюминия, например, № 34А с флюсом № 34А.

Состав флюса № 34А: KCl - 54-56%, LiCl - 29-35%, NaF - 9-11%, ZnCl - 8-12%.

Температура пайки - 420-6200С

Состав припоя № 34А: 6-0,5% Si; 28-1% Cu, остальное Al.

Температура плавления - 5250С

7.6 Технология пайки меди и ее сплавов

Окисная пленка на поверхности меди и ее наиболее распространенных сплавов - латуней, оловянистых бронз и медно-никелевых сплавов - легко восстанавливается в газовых средах или удаляется флюсами, поэтому процесс пайки этих металлов возможен всеми известными способами.

При пайке меди в газовых восстановительных средах следует иметь в виду, что обычная техническая медь подвержена так называемой «водородной болезни», т. е. растрескиванию по границам зерен. Это объясняется тем, что при взаимодействии с медью водород растворяется в ней, восстанавливает закись меди, расположенную на границах зерен, а образующиеся при этом под большим давлением пары воды разрывают металл, имеющий при высокой температуре низкую прочность.

При пайке медных сплавов, легированных такими активными металлами, как алюминий, бериллий, хром и др., целесообразно их покрывать перед пайкой слоем никеля или меди толщиной 5 -10 мкм. По никелю и меди припои хорошо растекаются без флюса не только в восстановительной среде или вакууме, но даже в инертной атмосфере с образованием прочных соединений.

При пайке меди и ее сплавов сравнительно тугоплавкими припоями на основе меди или серебра можно использовать почти все известные флюсы на основе соединений бора.

При пайке меди оловянно-свинцовыми и другими легкоплавкими припоями можно применять любой из известных флюсов, но целесообразно пользоваться спиртоканифольным флюсом, остатки которого не вызывают коррозию меди и поэтому их можно не смывать после пайки.

При пайке латуней и бронз спиртоканифольный флюс непригоден, потому что он может растворять окислы только на чистой меди.

Для высокотемпературной пайки меди используют чаще всего серебряные припои и реже припои на медной основе, потому что последние сравнительно тугоплавки и вызывают местное растворение основного металла в процессе пайки. Сравнительно легкоплавкими являются медно-фосфористые припои, которые дают удовлетворительные результаты при пайке меди, но для латуней их не применяют из-за хрупкости паяных соединений в результате образования хрупких фосфидов цинка

Лекция № 8. Контроль паяных соединений

8.1 Дефекты паяных соединений

Дефекты, образующиеся при изготовлении паяных конструкций, можно разделить на три группы:

дефекты заготовки и сборки под пайку;

дефекты паяных швов;

3) дефекты паяных соединений в целом.

Дефектами паяных швов являются:

1. Поры

Причиной образования мелких газовых пор является выделение в процессе пайки газов, содержащихся в припое и флюсов, а также влияние окисной пленки в условиях недостаточного нагрева или малой выдержки при температурной пайке. При применении серебряных припоев основной причиной образования пор служит эффект сфероидизации. Поры, образовавшиеся в результате этого явления, отличаются от газовых пор наличием металлического остатка внутри поры. Причиной их образования в расплаве служит массоперенос через шлаковую пленку, находящуюся на поверхности сфероида, в результате наличия градиента концентрации компонентов в сфероиде и зоне сплавления.

2. Раковины

Раковины в зоне сплавления образуются в результате недостаточного питания соединительного зазора припоем и усадочных явлений, происходящих при кристаллизации.

3. Отсутствие в отдельных местах спая между основным металлом и припоем

Причиной неспая является несмачивание в этих местах паяемого металла припоем, большой зазор и наличие влаги во флюсе и на заготовках припоя в виде адсорбированного слоя.

4. Шлаковые включения

Шлаковые включения в шве образуются вследствие небрежной подготовки поверхности соединяемых элементов изделия перед пайкой, а также при слишком длительном нагреве под пайку, когда флюс, реагируя с основным металлом, образует твердые остатки, которые плохо вытесняются припоем. При пайке газовой горелкой шлаковые включения могут образовываться в результате применения пламени с избытком кислорода.

5. Трещины

Трещины возникают под действием собственных напряжений в основном металле или при сотрясении паяемого изделия в процессе пайки, когда закристаллизовавшийся припой имеет низкую прочность.

Трещины, образующиеся в процессе кристаллизации и усадки припоя при высоких температурах, называются горячими. Трещины, образующиеся при температурах до 200°С, называются холодными.

В зависимости от расположения трещин в паяных соединениях их делят на три группы: трещины в шве, трещины в основном металле, трещины в зоне спая. Образование трещин наиболее часто наблюдается в швах, спаянных припоями, имеющими широкий интервал кристаллизации, а также загрязненными примесями.

Горячие и холодные трещины в основном металле возникают под действием собственных напряжений, образующихся при сборке, нагреве под пайку, при кристаллизации металла шва и охлаждении паяного изделия.

Трещины в зоне спая часто образуются при пайке разнородных материалов с резко различными физико-химическими свойствами.

6. Недостаточное заполнение зазора припоем

На качество заполнения зазора большое влияние оказывает наличие вредных примесей в припоях. При загрязнении припоев окислами резко снижается их жидкотекучесть.

К дефектам паяного изделия в целом относятся деформации и коробления, появляющиеся в результате неравномерного нагрева и охлаждения в процессе пайки, а также из-за небрежной сборки под пайку. Образование этих дефектов можно предупредить или уменьшить, применяя нагрев, постепенно охлаждая изделие после пайки, а также применяя приспособления, надежно фиксирующие положение отдельных элементов изделия при сборке, пайке и охлаждении. Для предотвращения образования дефектов в паяных соединениях в первую очередь необходимо строго соблюдать технологию пайки.

8.2 Методы контроля качества

Качество паяных швов в значительной степени зависит от правильного выбора конструкции соединения, припоя, флюса или защитной атмосферы и технологии пайки. При изготовлении деталей и узлов методом пайки необходимо строго контролировать не только готовую продукцию, но и процесс пайки, включая подготовительные операции.

Контроль при подготовке к пайке заключается в проверке соответствия материала изделия, припоя и флюса маркам, указанным в технологической карте, точности подгонки, включая величину зазоров, нахлестки и других параметров соединения, а также чистоты поверхности соединяемых деталей.

В процессе пайке необходимо контролировать температуру, давление и время выдержки, не допуская перегрева деталей и припоя.

После пайки проводят приемку и испытание паяных изделий. Для испытания качества паяных соединений могут быть применены методы контроля без разрушения и с разрушением.

Неразрушающие методы контроля:

1. Визуальный осмотр

Внешний осмотр часто совмещают с промером заготовок, сборочных зазоров, с проверкой размеров готового изделия.

Внешним осмотром проверяют качество заготовок и сборку под пайку, а также качество готового изделия. При осмотре заготовок обращают внимание на чистоту соединяемых поверхностей, на отсутствие забоин, вмятин, на качество покрытия. При осмотре сборки обращают внимание на правильность установления капиллярных зазоров, на наличие и закрепление припоя, на надежность закрепления элементов паяемого изделия. При контроле готового изделия проверяют соответствие его чертежу и техническим условиям.

Внешний осмотр паяных соединений позволяет выявить качество заполнения зазоров, образование галтелей, наличие трещин в галтельных участках шва и других наружных дефектов.

2. Метод контроля ультразвуком

Этот метод контроля основан на способности ультразвуковых колебаний отражаться от поверхности внутренних неоднородностей металла. Ультразвуковой контроль отчетливо выявляет такие дефекты в паяных соединениях, как трещины, поры, раковины, шлаковые включения, незаполнение шва припоем.

3. Магнитные методы контроля

Они основаны на явлении рассеивания магнитного поля в местах расположения трещин и других дефектов. При применении этих методов легко обнаруживаются те дефекты, которые имеются на поверхности или неглубоко от поверхности и не располагаются в направлении действия магнитного поля.

При контроле методом магнитного порошка паяные детали намагничиваются постоянным или переменным током. После этого на поверхность намагниченных деталей наносят слой сухого магнитного порошка при помощи пульверизатора или детали погружают в суспензию магнитного порошка в масле или керосине. Скопление порошка на поверхности паяных деталей указывает место нахождения дефектов.

4. Рентгеновский контроль

Применяется при определении внутренних дефектов ответственных паяных соединениях. Для контроля паяных соединений применяют рентгеновские аппараты низкого напряжения. По рентгеновским снимкам определяют размеры, расположение и характер внутренних дефектов в паяных швах.

5. Испытание паяных соединений давлением воздуха или воды

Этот метод контроля производится после внешнего осмотра.

При пневмоиспытании в паяное изделие нагнетают воздух до давления, установленного техническими условиями, после чего швы смачивают мыльной водой или изделие погружают в воду. Неплотности определяют по появлению пузырьков воздуха на паяных швах.

При испытании давлением воздуха для повышения чувствительности к нему можно добавлять аммиак в количестве 1% по объему. В этом случае паяные швы покрывают бумажной лентой, пропитанной 5% - ным водным раствором азотно-кислой ртути или раствором фенолфталеина. После выдержки 5 - 10 мин под давлением бумажные ленты осматривают. Неплотности определяются по появлению черных или фиолетовых пятен на бумаге.

Методы контроля разрушением:

а) Механические испытания паяных соединений можно разделить на три группы:

лабораторные испытания паяных образцов;

статические и динамические испытания паяных изделий в лабораторных условиях;

испытание паяных изделий в лабораторных условиях.

Лабораторные испытания паяных соединений проводят при разработке новых припоев, при отработке технологии пайки и контроле механических свойств паяных изделий. В зависимости от степени ответственности паяных изделий проводят лабораторные испытания отдельных узлов или полностью изделий в условиях, имитирующих эксплуатационные нагрузки.

Для паяных соединений наибольшее распространение получили испытания на срез и на отрыв.

б) Металлографические исследования заключаются в определении микроструктуры шва с помощью оптического или электронного микроскопа. При вырезке и обработке образцов из исследуемого паяного соединения в случае малой твердости припоя поверхность его будет несколько ниже поверхности основного металла. При шлифовании такой шов засоряется твердыми частицами, что искажает результаты микроструктурного анализа.

в) Коррозионные испытания проводят с целью определения пригодности их для продолжительной работы в условиях эксплуатации.

Коррозионную стойкость паяных соединений при электрохимической коррозии обычно устанавливают:

1) во влажной камере;

2) частичным или полным погружением паяных образцов в различные жидкие среды. Этот вид испытания можно проводить как в состоянии покоя, так и в движении, т.е. при перемещении жидкости или при неоднократном погружении и извлечении образца из жидкости;

3) испытанием образцов в коррозионно-активных средах под нагрузкой.

Лекция № 9. Организация паяльных работ

9.1 Разработка технологического процесса пайки

При разработке технологического процесса пайки необходимо стремится к тому, чтобы были достигнуты:

1. Наименьшая трудоемкость сборки и пайки, для чего должны применяться передовые способы пайки и высокопроизводительное оборудование.

2. Сокращение количества рабочих, занятых в технологическом процессе сборки и пайки, что достигается совмещением профессий и обслуживанием одним рабочим нескольких установок.

3. Минимальная производительность работ в соответствии с количеством изделий, установленным на программу.

4. Наименьший расход материалов и энергии, потребных для изготовления заданной продукции при обеспечении высокого качества изделий.

Разработке технологического процесса сборки и пайки иногда предшествует расчленение изделия на узлы или отдельные детали с тем, чтобы проводить сборку и пайку на отдельных рабочих местах. Технологический процесс сборки и пайки разрабатывают в зависимости от типа производства.

В единичном производстве можно ограничиться составлением маршрутной ведомости, в которую включают следующие данные:

1. Наименование и условное обозначение изделия;

2. Название цеха (участка);

3. Название, условное обозначение или номер узла, на который составляется ведомость;

4. Перечень деталей, входящих в состав данного узла, с обозначением марки материалов.

5. Указания, откуда детали должны поступить на сборку и куда направлены после пайки.

6. Перечень операций основных и контрольных, подлежащих выполнению при сборке и пайке узлов, с указанием оборудования, а также специальности и разряда работы.

7. Нормы времени на выполнение каждой операции.

В мелко- и среднесерийном производстве (в отделах, цехах или на участках сборки и пайки) для сложных изделий составляют технологические карты, а для простых - маршрутные ведомости.

В технологические карты, помимо сведений, содержащихся в маршрутных ведомостях, необходимо включать:

1. Последовательный перечень основных, вспомогательных и контрольных операций с подразделением на переходы и все необходимые сведения по каждому переходу.

2. Нормы времени по каждому переходу и операции в целом, а также расход припоев, флюсов, газовых сред и других материалов.

3. Эскизы паяемых узлов с указанием последовательности сборки и пайки.

Для изделий крупносерийного и массового производства необходимо составлять подробные технологические карты, которые при массовом производстве дополняются инструкционными картами по каждой операции.

Инструкционные карты составляют подобно технологическим картам, но отдельно на каждую операцию или несколько операций с эскизами и подробным описанием каждого перехода.

В технологические ведомости, технологические и инструкционные карты о режиме пайки включаются следующие данные:

1. Температура пайки. При пайке в печи указывается температура предварительного разогрева печи.

2. Продолжительность выдержки.

3. Скорость нагрева.

4. Давление на соединяемые элементы изделия в процессе пайки.

5. Скорость охлажения.

9.2 Нормирование при разработке технологии пайки

Нормированию при разработке технологии пайки подлежат:

1. Продолжительность работ по каждой операции и каждому переходу.

2. Количество и квалификация рабочих для выполнения каждой операции.

3. Расход материалов и энергии на каждый узел и на изделие в целом.

Продолжительность сборки и пайки устанавливают на основе ведомственных или заводских норм, а также технических данных применяемого оборудования. Под технически обоснованной нормой времени понимают наибольший допустимый расход времени на изготовление единицы продукции.

Техническая норма времени состоит из нормы штучного времени tшт и нормы подготовительно-заключительного времени tп.з.. Штучное время включает:

tшт = tо + tв + tоб + tотд,

где tо - основное или технологическое время, затрачиваемое непосредственно на процесс пайки;

tв - вспомогательное время, затрачиваемое на очистку поверхности, подготовку оснастки, контроль перед сборкой, сборку и установку детали в приспособление, освобождение детали из приспособления после пайки, зачистку и клеймение;

tоб - время обслуживания рабочего места, затрачиваемое на раскладку инструмента, уход за оборудованием, уборку рабочего места;

tотд - время отдыха - перерывы в работе для кратковременного отдыха.

Сумма основного и вспомогательного времени составляет оперативное время:

tоп = tо + tв.

Подготовительно-заключительным временем tп.з называют время, затрачиваемое на ознакомление с заданием, чертежами, технологическим процессом, на подготовку оборудования и приспособлений перед работой и на завершение работ в конце рабочего дня.

При нормировании труда применяют расчетно-аналитический и опытно-статистический способы установления норм.

Количество производственных рабочих, занятых на сборке и пайке, определяют исходя, из трудоемкости работ на годовую программу и годового фонда времени. Количество вспомогательных рабочих и обслуживающего персонала устанавливают на основании норм обслуживания или рациональной расстановки рабочих по рабочим местам. Квалификация работ зависит от трех основных факторов: степени сложности работы, необходимой точности изготовления и степени ответственности изделия. Исходя из этих факторов, устанавливают разряд работ.

Расход припоев и флюсов зависит от типа шва, способа пайки, технических характеристик оборудования и характера производства. Составляющие нормы расхода материалов при пайке можно разбить на две части: 1) зависящие от геометрии шва; 2) зависящие от метода пайки, применяемого оборудования, характера производства, точности сборки и качества выполнения работ.

Обычно расход припоев определяют на основе расчетов и уточняют в процессе пайки. Количество вносимого в шов припоя должно быть достаточным для заполнения зазора и образования полномерных галтелей. Если припоя внесено мало, в паяном шве могут образовываться незаполненные припоем места, плохое формирование галтелей. Избыточное количество вносимого наряду с экономической нецелесообразностью отрицательно сказывается на качество паяных изделий. В этом случае значительное растекание припоя в зоне галтельных участков потребует дополнительной механической обработки деталей, возможно также припаивание деталей к приспособлениям, а при групповой пайке - друг к другу.

Норма расхода припоя на изделие с учетом безвозвратных потерь может быть определена из соотношения:

где G - расход припоя, кг;

Gп.д. - масса припоя, расходуемого на паяемую деталь, кг;

а - процент угара и других безвозвратных потерь припоя.

Безвозвратные потери припоя при пайке не должны превышать 4%. Определение массы припоя, наносимого на деталь при пайке, производят в соответствии с геометрией шва:

,

где F - площадь шва, см2;

l - величина соединительного зазора, см;

- плотность припоя, г/см3;

- коэффициент, учитывающий потери за счет наплывов в паяном соединении и принимаемый 1,2 - 1,8 в зависимости от способа пайки и условий производства.

Норму расхода припоя G на изделие находят также по удельным нормам расхода, если известна площадь шва и длина галтельных участков.

Норму расхода припоя на заполнение зазора определяют из соотношения:

Q = Fq•10-3,

где F - площадь шва, см2;

q - норма расхода, г/см3.

Норму расхода припоя на образование галтелей определяют из соотношения:

Q' = l q'•10-3,

где l - протяженность галтелей в паяном соединении, см;

q' - удельная норма расхода припоя на галтель, г/см.

Полную норму расхода определяют как сумму норм расхода припоя на заполнение соединительного зазора и на образование галтелей:

G = Q + Q'.

Нормы расхода флюсов в припайке подсчитывают, исходя из площади шва. Ниже приведены данные по расходу флюсов на единицу площади шва (г/см2) при пайке низкотемпературными припоями:

Водный раствор хлорида цинка 0,18

Прима 1 0,12

Паста 15 - 85 0,15

ФИМ 0,11

ВТС 0,15

Канифоль 0,13

КЭ 0,10

ЛТИ 0,15

При пайке с применением контролируемых атмосфер после заполнения пространства печи или контейнера газовой средой последующий расход ее незначителен. Обычно в магистрали, подающей газовую атмосферу, поддерживается избыточное давление не выше 10 - 30 мм рт.ст.

Лекция № 10. Техника безопасности при производстве паяльных работ

Техника безопасности при производстве должна быть неразрывно связана с технологией производства. Изменение технологии процессов, внедрение новых материалов и способов производства, применение нового оборудования одновременно должно вызвать и соответствующее изменение в технике безопасности.

10.1 Техника безопасности при производстве припоев и флюсов

При производстве припоев и флюсов для пайки путем сплавления из компонентов основными факторами, вызывающими вредное воздействие на организм человека, являются: высокая температура расплавленных металлов и флюсов, а также выделение вредных паров, газов и пыли. Из металлов, входящих в состав припоев, наиболее вредное воздействие на организм человека оказывают литий, калий, натрий, кадмий, бериллий, свинец, марганец и цинк.

Предельно допустимые концентрации ядовитых газов, паров и пыли в воздухе производственных помещений приведены в таблице 10.1.

Таблица 10.1.

Название вещества	ПДК вещества, мг/м3
Аммиак	20
Ацетон	200
Марганец и его соединение MnO2	0,3
Мышьяковистый водород	0,3
Окислы азота N2O3	5
Окись цинка	5
Свинец и его соединения	0,01
Сероводород	10
Серная кислота и д.р.	2
Фосфорный ангидрид	1
Дихлорэтан	50
Хлористый водород и кислота	10
Хромовый ангидрид и др.	0,1

10.2 Техника безопасности при подготовке к пайке и производстве паяльных работ

При подготовке заготовок к пайке применяют механические способы зачистки и травление. При использовании механических способов рекомендуется применять вращающиеся барабаны, гидропескоструйные установки, дробеструйные камеры. Если камера установлена в помещении цеха, то необходимо обеспечить соответствующее уплотнение ее двери и люков, исключающее возможность попадания пыли в общее помещение. При применении травления заготовок травильное отделение необходимо располагать в отдельном помещении. Работать с кислотами и щелочами необходимо в резиновых перчатках и кислотостойкой одежде. Лицо необходимо защищать от брызг защитными очками или экраном.

При пайке с применением газовых сред следует иметь в виду, что некоторые из них дают с воздухом взрывоопасные смеси. Поэтому перед нагревом контейнеры, реакторы или печи с такой атмосферой необходимо продуть чистым воздухом.

10.3 Техника безопасности при эксплуатации оборудования

При эксплуатации оборудования для пайки должны быть предусмотрены мероприятия против поражения током, взрывов газовых смесей, выброса расплавленных солей и металлов, против ожогов, действия излучения на глаза и кожу человека.

Для предупреждения поражения электрическим током при эксплуатации оборудования для пайки следует соблюдать следующие правила:

1. Корпуса источников питания, корпуса машин для контактной пайки должны быть заземлены.

2. В машинах и ламповых генераторах высокочастотных установок все металлические части и вторичный виток нагревательного контура должны быть заземлены.

3. Все устройства для подключения и переключения электрических цепей должны быть защищены кожухами.

4. При индукционной пайке для защиты от действия токов высокой частоты необходимо устанавливать специальные экраны.

5. Проводить какие бы то ни было работы в установках, находящихся под напряжением, категорически запрещается.

6. Номинальный ток плавких предохранителей не должен превышать указанного в электрической схеме.

Следует подчеркнуть, что при всех способах пайки основным условием безопасности работы при эксплуатации оборудования и производстве паяльных работ является четкая организация труда и соблюдение правил техники безопасности.



СВАРКА ПЛАСТМАСС И СКЛЕИВАНИЕ

Введение

Увеличение производства пластмасс по объему и номенклатуре, расширение областей применения этих материалов в народном хозяйстве стимулирует развитие исследований, разработку различных конструкций из пластмасс в машиностроении и других отраслях промышленности. Особое место среди этих процессов занимает сварка.

Развитие некоторых областей техники, особенно новых радиоэлектроники, ракетной техники, космонавтики и других - было бы невозможно без использования пластмасс.

Немаловажная роль в развитии производства и переработки пластмасс принадлежит русским ученым. Производство полимеризационных пластмасс теоретически подготовлено работами ряда ученых, среди которых следует назвать А.М. Бутлерова - создателя теории химического строения органических соединений, Г.Г. Густавсона, получившего в 1884 г. первые жидкие низкомолекулярные полимеры этителена, С.В.Лебедева, разработавшего способ получения синтетического каучука и др. Из иностранных ученых следует отметить В. Карозерса и Г. Штаудингера, которые провели ряд исследований по разработке теоретических основ промышленного получения многих полимеризационных пластмасс.

Промышленное применение сварки пластмасс началось во второй половине 40-х годов, когда ее стали использовать при производстве коррозионно-стойкой химической аппаратуры из непластифицированного поливинилхлорида.

Для этих целей применяли ручную сварку нагретым газом с присадочным материалом, отличающуюся простотой сварочного оборудования.

Создание на основе ПВХ пленочных материалов привело к разработке и освоению процесса высокочастотной сварки, обеспечивающего быстрый нагрев указанных материалов благодаря высокому фактору их диэлектрических потерь и позволяющего получать оптимальное распределение температуры по толщине свариваемого пакета.

Производство и применение в 50-х годах полиолефинов стимулировало разработку различных способов термоконтактной сварки и создание оборудования для их осуществления. Однако указанные способы сварки не позволяли соединять пластмассовые материалы с загрязненными поверхностями, например, при упаковке в полимерную тару различных продуктов, а также получать качественные соединения ориентированных термопластичных материалов и, в частности, появившихся в начале 60-х годов полиэтилентерефталатных пленок, что привело к созданию ультразвуковой сварки пластмасс, решающей данные проблемы.

Широкое применение полиолефинов больших толщин для производства крупногабаритных конструкций сложной конфигурации привело к разработке в 60-х годах экструзионного и контактно-экструзионного способов сварки.

В настоящее время сложились научные школы по сварке пластмасс, занимающиеся изучением механизмов образования сварных соединений и технологии сварки различных материалов и конструкций (в МВТУ им. Баумана, МАТИ и др.), основанные известными специалистами в области сварки: член-корреспондентом АНСССР проф. Г.А. Николаевым, в области химии полимеров доктором химических наук, проф. Е.Б. Тростянской и др.

В последние годы разработаны новые способы сварки, созданы уникальные образцы сварочного оборудования, изыскана возможность сварки трудносвариваемых перспективных материалов.

Лекция №1. Общие сведения о пластмассах

1.1 Понятие о пластмассах и полимерах

Пластические массы - это синтетические материалы органического происхождения, получаемые на основе высокомолекулярных природных или синтетических смол полимеров.

Часто в полимер с различной целью вводят добавки: стабилизаторы, пластификаторы, красители, наполнители.

Стабилизаторы служат для повышения стойкости полимеров при воздействии света, повышении температуры и других факторов. Обычно они предупреждают развитие цепной реакции разложения полимеров, обеспечивая тем самым повышение долговечности пластмасс и изделий из них.

Пластификаторы облегчают переработку пластмасс. При этом повышается прочность. В качестве пластификаторов применяются низкомолекулярные высококипящие и малолетучие жидкости, как дибутилфталат, трикрезилфосфат и др.

Рис. 1.1. Изменение механических свойств полимера в зависимости от количества пластификатора: 1 - прочность на сжатие, 2 - прочность на разрыв, 3 - прочность на удар, 4 - относительное удлинение.

Наполнители определяют механические свойства изделия, т.к. наполнитель играет роль своеобразного механического каркаса. В качестве наполнителей для производства пластмасс применяются материалы органического происхождения (тальк, каолин, слюды).

Свойства пластмасс определяются главным образом их основой - полимером.

Полимерами называют вещества, молекулы которых состоят из многочисленных элементарных структурных звеньев, соединенных между собой химическими связями в длинные цепи линейного или разветвленного строения.

В самой цепи атомы соединяются прочными химическим связями, действующими на расстоянии 1-1,5; между цепями на расстоянии 3-4 действуют значительно более слабые межмолекулярные силы.

Для макромолекул линейной структуры принято обозначение:

(-М-)n,

где М - элементарное структурное звено цепи;

n - количество звеньев;

черточками показаны химические связи в макромолекулу полимера.

Название "полимер" связано с наименованием основного звена и включает приставку "поли" (от греческого слова "polis" - многий).

Например, название ”полистирол” указывает, что элементарным звеном полимера является молекула стирола С6Н5-СH=CH2. Формула полистирола (С8H8)n.

Мономерами называются первичные низкомолекулярные вещества, из которых образуются полимеры.

1.2 Классификация полимеров

По форме строения молекул полимеры разделяются на 3 группы:

1) линейные полимеры, состоящие из макромолекул, атомы которых соединены между собой химическими связями, длинные цепи.

Рис. 1.2. Линейная структура макромолекулы.

Соединения, имеющие линейную структуру макромолекул характеризуется высокой прочностью, значительной упругостью и способностью к высокоэластической деформации.

Пример: полиэтилен (-СН2-СН2-)n.

2) разветвленные полимеры, в которых в основной цепи макромолекулы появляются ответвления, состоящие из многократно повторяющихся мономерных звеньев.

Рис. 1.3. Разветвленная система макромолекулы.

Появление в макромолекулах разветвлений (боковых групп) увеличивает расстояние между отдельными макромолекулами, вследствие чего улучшается растворимость, повышается пластичность и снижается механическая прочность.

Пример: Полистирол [-СН2-СН-]n

|

С6Н5

3) Сетчатые или трехмерные полимеры, в которых цепи, составляющие макромолекулы, образуют пространственную сетку. Цепи макромолекул сетчатых полимеров связаны между собой силами основных валентностей при помощи поперечных мостиков, образованных различными атомами.

Рис. 1.4. Структура пространственного полимера.

Для макромолекул с пространственной структурой характерна высокая твердость и хрупкость, отсутствие растворимости, пластичности и эластичности при повышенной температуре.

В качестве примера образования "сшитых" молекул можно указать на реакцию вулканизации каучука, при которой в результате действия серы происходит соединение отдельных цепочек между собой.

По составу основной цепи макромолекулы полимера делят на три класса:

1) Карбоцепные полимеры, основные цепи которых построены только из углеродных атомов. К ним относятся полиэтилен, поливинилхлорид, политетрафторэтилен, полистирол, полиметилметакрилат и т.д.

2) Гетероцепные полимеры имеют в основных цепях помимо углерода атомы кислорода, азота, серы (поликарбонаты, полиамиды, полиэфиры, полиакрилаты и др.).

3) Элементоорганические полимеры могут иметь в основных цепях атомы кремния, бора, алюминия, титана, никеля, германия.

1.3 Получение полимеров

Полимеры получают путем соединения исходных элементарных группировок (низкомолекулярных веществ) в результате реакций полимеризации или поликонденсации.

Полимеризация - это процесс соединения отдельных молекул в одну большую молекулу без выделения каких-либо низкомолекулярных веществ, вследствие чего полимер имеет состав, одинаковый с исходным мономером.

Если полимеризуются одинаковые молекулы, то полимеризация называется гомополимеризацией и идет по схеме:

n.A(-A-)n,

где А - молекула мономера;

(-А-) - молекула полимера;

n - степень полимеризации, т.е. число молекул мономера, образующих одну молекулу полимера.

В случае полимеризации смеси различных мономеров процесс называется сополимеризацией и происходит по схеме:

n.A + n.B(-A-B-)n

Процесс полимеризации может иметь ступенчатый или цепной характер.

Ступенчатая полимеризация заключается в том, что в начале две молекулы соединяются в димер, который, присоединяя еще одну молекулу, дает тример и т.д.

Процесс цепной полимеризации состоит из трех стадий:

1) возбуждение молекул;

2) роста цепи;

3) обрыва цепи.

Важнейшими факторами, определяющими процесс полимеризации, является температура, давление, концентрация инициатора и мономера.

В настоящее время в промышленности применяются следующие методы полимеризации:

1) Блочный метод заключается в том, что смесь мономера с другими компонентами (инициаторами) заливают в форму и прогревают в ней до определенной температуры. Полимер получается в виде сплошного блока, чаще всего имеющего форму пластины или цилиндра. В качестве инициатора применяются чаще всего перекиси, например, перекись бензоила.

2) Полимеризация в растворителях может быть проведена двумя способами. В первом случае применяют растворитель, в котором растворимы как мономер, так и образующийся полимер. Образующийся конечный продукт представляет собой раствор полимера в растворителе. Во втором случае полимеризацию проводят в таком растворителе, в котором растворим только мономер. Образующийся при этом полимер непрерывно осаждается из раствора в виде суспензии и может быть отделен фильтрацией.

3) Полимеризация в водных эмульсиях является наиболее распространенным методом производства полимеров. При эмульсионной полимеризации мономер предварительно эмульгируют путем перемешивания в водной среде с добавкой эмульгаторов и затем добавляют инициатор, растворимый в воде или мономере. При перемешивании или взбалтывании происходит полимеризация. Для выделения полимера прибавляют кислоту или соль, что приводит к разрушению коллоидного раствора и осаждению полимера.

Поликонденсация - химический процесс получения высокомолекулярных органических соединений и различных низкомолекулярных исходных веществ, сопровождающийся отщеплением различных побочных продуктов (воды, спирта, хлористого водорода и т.д.). Образующиеся в результате поликонденсации высокомолекулярные соединения отличаются по составу от исходных веществ, тогда как при полимеризации исходный мономер и образующийся полимер имеет одинаковый состав.

Реакция поликонденсации носит ступенчатый характер.

Рост цепи происходит путем взаимодействия одной молекулы с другой, полученный продукт взаимодействует с третьей молекулой и т.д.

Лекция № 2. Общие сведения о пластмассах

2.1 Физическое состояние полимеров

Полимеры могут быть как в аморфном, так и в кристаллическом состоянии.

Аморфное состояние полимеров характеризуется хаотическим, не имеющим определенной направленности, расположением цепей и звеньев макромолекул.

Для кристаллического состояния свойственна определенная ориентация и направленность цепей и звеньев макромолекул. Способность полимера к кристаллизации зависит от отсутствия значительного разветвления макромолекул и от гибкости молекул. Кристаллизация наблюдается только у линейных полимеров или у полимеров, обладающих очень слабой сетчатой структурой. Кристаллические полимеры никогда не бывает закристаллизованными полностью и содержат как кристаллическую, так и аморфную фазу.

Любой аморфный полимер в зависимости от температуры может находится в трех состояниях: стеклообразном, высокоэластическом и вязкотекучем.

Аморфное твердое состояние полимера называется стеклообразным. Колебательное движение звеньев и перемещение цепи как единого целого отсутствуют.

Высокоэластическое состояние характеризуется наличием колебательного движения звеньев или групп звеньев, вследствие которого цепь полимера приобретает способность распрямляться под воздействием нагрузки и возвращаться в первоначальное состояние после ее снятия.

В вязкотекучем состоянии макромолекулы полимера передвигаются относительно друг друга путем последовательного перемещения сегментов.

Переход полимера из одного физического состояния в другое совершается не при какой-нибудь определенной температуре, а в некотором диапазоне температур. Средние температуры областей перехода называются температурами перехода.

Температурой стеклования Тс называется температура перехода из высокоэластического состояния в стеклообразное.

Температурой текучести Тт называется температура перехода из вязкотекучего в высокоэластическое.

Переработка полимеров в изделия осуществляется в вязкотекучем состоянии, поэтому интервал между температурой текучести и температурой разложения полимера определяет температурный интервал его переработки и, в частности, сварки.

2.2 Области применения пластмасс

Развитие производства пластмасс объясняется широким применением их во всех областях промышленности и техники, а также в быту. Пластмассы стали заменителями металла, дерева, камня, стекла и других материалов.

Пластические массы широко распространены в машиностроении. Из них изготавливают детали машин и станков, такие как подшипники, штурвалы, бесшумные шестерни, рукоятки, щитки и др.

Различные детали легковых и грузовых машин получают из пластмасс. Широко применяются пластмассы в химической промышленности при производстве и облицовке различной аппаратуры, подвергающейся воздействию агрессивных сред.

В электротехнике, радио- и телевизионной технике, а также в приборостроении пластмассы используются как материалы для электроизоляции и изготовления корпусов приборов и установок. Пластмассы являются одним из основных материалов для электро-навигационного и радиотехнического оборудования судов, средств судовой автоматики и связи.

Все более широко применяются пластмассы в строительстве для внутренней облицовки стен и покрытия полов, для производства санитарно-технического оборудования, водопроводных труб и т.д. Гладкие водопроводные трубы из полиэтилена пропускают в полтора раза больше воды, чем металлические трубы при прочих равных условиях.

Пластические массы, допускающие любую расцветку, являются исключительно ценным материалом в архитектуре.

В легкой промышленности пластмассы используются как основной материал для игрушек и изделий галантереи, для обложек и портфелей, авторучек, плащей, накидок и других предметов широкого потребления. Все более широко пластмассы применяются в медицине при создании искусственных кровеносных сосудов, при косметических операциях лица. Сломанные кости в течение нескольких минут прочно склеиваются густой пластмассой, известной под названием остам, через которую легко прорастает костная ткань.

Невозможно назвать отрасль промышленности, где бы не применялись пластические массы. Перспектива их внедрения в различные области народного хозяйства практически неограничены.

2.3 Свойства пластмасс

Пластмассы обладают ценными свойствами, такими как: высокая пластичность, хорошая способность к формированию, небольшой удельный вес, высокая механическая прочность, высокие термо-, звуко- и электроизоляционные свойства, химическая стойкость, светостойкость, хорошая окрашиваемость, отличные клеящие, уплотнительные и термоизолирующие свойства, хорошая способность поглощать и гасить вибрации, образовывать тонкие и прочные волокна.

1) Удельный вес пластмасс колеблется в пределах 0,92-2,4 г/см2, и в среднем равен 1,6 г/см2. Исключение составляют газонаполненные пластмассы, обладающие наименьшими весовыми характеристиками. Самой легкой пластмассой является мипора - поропласт с удельным весом 0,014 г/см2.

2) Механические свойства. В зависимости от применения полимеров и состава наполнителей могут быть получены очень твердые и прочные материалы, а также гибкие высокоэластичные пленки. Механические свойства пластмасс характеризуются пределом прочности при растяжении, сжатии и изгибе, ударной вязкостью, твердостью, относительным удлинением, модулем упругости.

Определение предела прочности при растяжении производят на разрывной машине согласно ГОСТ 11262-80 и ГОСТ 16971-71 при температуре окружающей среды 18-200С. Образцы устанавливают в зажимах разрывной машины и плавно нагружают до разрушения.

Предел прочности при сжатии определяют согласно ГОСТ 4661-40. Испытания проводят на машинах или прессах, нагружая цилиндрический образец диаметром 10±5 мм и высотой 15±1 мм до разрушения.

Предел прочности при сжатии вычисляется по формуле:сж=Рmax/F,

где Рmax - максимальная сжимающая нагрузка, Н;

F - площадь поперечного сечения образца до сжатия, м2.

Предел прочности при статическом изгибе определяется в соответствии с ГОСТ 4648-71. Испытуемый образец, имеющий форму прямоугольного бруска, помещают на опоры с округленными переходами и подвергают действию вертикальной разрушающей силы.

Ударную вязкость определяют в соответствии с ГОСТ 4647-80 на маятниковом копре.

3) Теплостойкость определяется по методу Мартенса или Вика согласно ГОСТ 9551-60. В обоих случаях прибор вместе с испытуемым образцом помещают в термошкаф так, чтобы указатель деформации и нагружающее устройство были вне его объема, и нагревают со скоростью 50? С/ч. За теплостойкость принимают ту температуру, при которой стрелка указателя опустится на 6 мм (по методу Мартенса) или при котором игла погружается в тело образца на 1 мм (по методу Вика).

4) Теплопроводность. Все пластмассы характеризуются, как правило, хорошими теплоизоляционными свойствами и плохо проводят тепло. Коэффициент теплопроводности пластмасс (при 25 0С) находится в пределах (5,8-31,4).10-2 Вт/м.град. Поэтому пластмассы применяются в качестве теплоизоляционных материалов.

5) Антифрикционные свойства. Многие пластмассы характеризуются высокими антифрикционными свойствами. Это позволяет применять их для изготовления подшипников трения. В этом отношении они являются полноценными заменителями дорогих и дефицитных антифрикционных металлических сплавов (оловянистой бронзы, баббита и др.). Показателями антифрикционных свойств пластмасс являются потери объема материала при трении и коэффициент трения.

6) Высокая коррозионная стойкость. Пластмассы как диэлектрики совершенно не подвергаются электрохимической коррозии и очень стойки к химической коррозии, т.е. к воздействию различных агрессивных сред, поэтому в таких средах пластмассы не образуют гальванических пор и не разрушаются.

7) Оптические свойства. На основе полимеров могут быть изготовлены прозрачные пластмассы, не уступающие по оптическим свойствам лучшим сортам стекла. Такие пластмассы пропускают лучи света в широком диапазоне волн и, в частности, ультрафиолетовую часть спектра.

2.4 Классификация пластмасс

Согласно ГОСТ 5752-51 "Пластические массы органического происхождения" пластмассы были разделены по химическому характеру связующего вещества, по характеру и структуре наполнителя. Но в силу своей сложности терминология не получила практического применения.

По классификации НИИ полимеризации пластиков в 1959 г. все пластмассы разделены на основе:

1) высокомолекулярных соединений, получаемых цепной полимеризацией;

2) высокомолекулярных соединений, получаемых поликонденсацией и ступенчатой полимеризацией;

3) химически модифицированных природных полимеров;

4) природных и нефтяных смол, полученных при деструкции различных органических веществ.

По физико-механическим свойствам при 200С:

1) жесткие пластмассы - твердые упругие материалы аморфной структуры с высоким модулем упругости (109Н/м2) и малым удлинением.

2) полужесткие пластмассы - твердые упругие материалы кристаллической структуры со средним модулем упругости (4.108 Н/м2) и высоким относительным удлинением

3) мягкие пластмассы - мягкие и эластичные материалы с низким модулем упругости (2.107 Н/м2) и высоким относительным удлинением.

Все пластмассы по отношению к нагреванию можно разделить на две группы:

1) Термореактивные - пластмассы, которые при повышенном нагреве не переходят через высокопластическое состояние. С повышением температуры они не изменяют своих свойств, а затем, не переходя в эластическое состояние, разлагаются. Подвергаются нагреву только один раз. К ним относятся пластмассы на основе фенол-формальдегидных смол и другие такие, как текстолит, бакелит, эбонит.

2) Термопластические - пластмассы, которые при нагревании размягчаются и становятся пластичными, а при охлаждении возвращаются в исходное состояние. Термопластические материалы могут подвергаться многократному нагреву и охлаждению без заметного изменения структуры и свойств при условии, если они не нагреваются выше температуры разложения. К ним относятся винипласт, полиэтилен, полиамиды, полипропилен, фторопласт и другие.

Лекция №3. Общие сведения о сварке пластмасс

3.1 Особенности сварки пластмасс

По свариваемости пластмассы, как уже упоминалось, можно разделить на две группы: термореактивные, которые преимущественно не свариваются, и термопластические, которые легко подвергаются сварке.

Сваркой пластмасс называется процесс образования неразъемного соединения путем доведения соединяемых поверхностей до вязкотекучего состояния с приложением давления. В результате чего частично или полностью исчезает граница раздела между соединяемыми поверхностями, и прочность материала в месте соединения, а также другие физические свойства приближают к свойствам свариваемого материала.

Процесс сварки термопластических материалов отличается от процессов, протекающих при сварке металлов целым рядом особенностей:

1) При сварке пластмасс не образуется жидкая ванна. Процесс этот может происходить лишь при определенных условиях. Основными из них являются: повышенная температура в месте сварки (температура вязкотекучего состояния материала), наличие плотного контакта свариваемых поверхностей и определенное время протекания процесса. Пластмассы представляют собой большое количество взаимно растворенных полимеров, построенных из одних и тех же звеньев, но отличающихся молекулярным весом, поэтому они не имеют резко выраженной точки плавления, а при нагреве постепенно переходят из твердого состояния в высокоэластичное и далее в вязкотекучее, когда материал становится липким и отдельные детали под давлением могут прочно соединяться между собой, т.е. свариваться.

2) Термопластические массы при высоких температурах начинают разлагаться. При этом степень разложения зависит как от температуры, так и от длительности воздействия этой температуры. Таким образом, при сварке термопластов нагрев материала должен быть возможно более кратковременным, а температура не должна превышать температуру разложения.

3) Пластмассы обладают высоким коэффициентом температурного расширения, в несколько раз большим, чем у металлов.

3.2 Физические основы сварки пластмасс

Сварка полимерных материалов осуществляется в результате протекающей взаимной диффузии молекул полимера в контактирующих поверхностях или в результате химической реакции присоединения между звеньями молекул соединяемых полимеров. В зависимости от степени упорядоченности отдельных участков линейных молекул полимер может находиться в кристаллическом или амфотерном состоянии.

В процессе сварки кристаллических полимеров по мере плавления полимера в нем постепенно нарушается упорядоченное разложение молекул и начинается переход из кристаллической фазы в аморфную. Температура перехода полимера из твердого состояния в жидкое может быть выше температуры плавления кристаллической фазы в нем и зависит от молекулярного веса полимера.

При большом молекулярном весе полимер, нагретый выше температуры плавления, перейдя в аморфную фазу, сохраняет еще твердое агрегатное состояние и только с дальнейшим повышением температуры постепенно переходит в вязкотекучее состояние.

Аморфное твердое состояние полимера характеризуется фиксированным, но разрыхленным расположением макромолекул относительно друг друга и лишь ограниченной подвижностью звеньев. С повышением температуры увеличивается энергия теплового движения макромолекул. Когда эта энергия становится достаточной, чтобы появилась гибкость всей молекулы, полимер переходит в высокоэластическое состояние (температура стеклования). Переход происходит постепенно в интервале температур 15-25С. В высокоэластичном состоянии сравнительно небольшие напряжения вызывают перемещение молекул и их ориентацию в направлении действующей силы. После снятия нагрузки молекулы постепенно приобретают форму, характерную для равновесного состояния. При дальнейшем повышении температуры энергия тепловых движений возрастает настолько, что молекулы приобретают способность перемещаться относительно друг друга (вязкотекучее состояние).

Свариваемость полимеров за счет диффузии возможна только в зоне, допускающей свободное перемещение молекул, т.е. в стадии вязкотекучего состояния. Чем ниже температура перехода полимера в эту стадию и выше его текучесть, тем быстрее удается достигнуть однородности материала в зоне сварного соединения.

3.3 Основные способы сварки пластмасс

В настоящее время применяется целый ряд способов сварки пластмасс, осуществляющихся с нагревом зоны соединения и без него.

Способы сварки с нагревом соединения в зависимости от применяемых источников нагрева можно разделить на две группы. К первой группе относятся способы сварки, в которых используется энергия посторонних источников тепла:

1) газовыми теплоносителями;

2) экструдируемой присадкой;

3) нагревательными элементами.

Во всех приведенных способах тепло передается к свариваемым поверхностям пластмассы за счет конвекции, теплопроводности и частичного лучеиспускания.

Ко второй группе относятся способы сварки, в которых тепло генерируется внутри пластмассы за счет преобразования различных видов энергии. При этом используется энергия:

1) токов высокой частоты;

2) ультразвуковых колебаний;

3) трения;

4) инфракрасного излучения;

5) химических реакций;

6) лазерного излучения.

Без нагрева зоны соединения выполняется сварка с помощью растворителей.

Сварка газовыми теплоносителями относительно проста и позволяет получать разнообразные изделия при минимальных затратах на оборудование. Нагрев свариваемых кромок осуществляется за счет теплоотдачи от нагретого газа, поступающего из горелки. Применяется при изготовлении аппаратуры для химической промышленности.

Рис. 3.1. Классификация способов сварки пластмасс.

Способ сварки экструдируемой присадкой дает хорошие результаты, как при сварке пленок, так и при сварке листов большей толщины. Метод основан на подаче в место сварки присадки, находящейся в вязкотекучем состоянии.

Сварка нагретым инструментом применяется при изготовлении труб, упаковочной тары, чехлов и многих других изделий. Источником нагрева служат разогретые тела, которые передают тепло путем непосредственного соприкосновения с пластмассой.

Метод сварки токами высокой частоты основан на способности некоторых пластмасс нагреваться в высокочастотном электрическом поле, возникающем между электродами, которые одновременно сжимают свариваемые поверхности.

...