Пайка металлов. Сварка пластмасс и склеивание

При сварке трением нагрев осуществляется за счет тепла, получаемого в процессе трения свариваемых поверхностей при приложении к ним давления.

Способ сварки ультразвуком основан на преобразовании механических высокочастотных колебаний, возбуждаемых в пластмассе, в тепло. Тепло, развивающееся преимущественно на свариваемых поверхностях, размягчает пластмассу и при приложении давления происходит сваривание деталей. Сварка ультразвуком особенно пригодна для сварки изделий, у которых доступ к месту соединения затруднен, и свариваемый материал не допускает нагрева по всему объему.

При сварке пластмасс инфракрасным излучением нагрев осуществляется за счет источника тепла инфракрасного излучения, получаемого при накаливании стержневых кварцевых ламп и других источников. Применяется преимущественно для сварки полимерных пленок.

3.4 Химическая сварка пластмасс

Химическая сварка пластмасс применяется для сварки термореактивных пластмасс (стеклопластиков, текстолитов, пресспорошков, феноло_формальдегидных, эпоксидных, отвержденых полиэфирных смол).

Химическая сварка пластмасс осуществляется за счет химического взаимодействия свариваемых материалов с веществом, которое вводится в сварочный шов и играет в этом случае роль сшивающей добавки. Эти вещества реагируют с активными группами звеньев молекул, находящихся в зоне контакта.

Рис 3.2. Механизм химической сварки ПЭТ при помощи диизоцианата.

Успех применения этого способа сварки зависит от многих факторов:

1) свариваемый полимер должен содержать высокоактивные функциональные группы достаточной концентрации, чтобы совокупность химических связей, возникших в месте соединения, обеспечивала необходимую механическую прочность.

2) низкомолекулярное вещество, выступающее в роли мостикообразующего, не должно испаряться при температуре сварки.

3) скорость реакции должна быть достаточно высокой.

4) реакция не должна сопровождаться выделением большого количества легко испаряющегося побочного продукта, который не должен разрушать полимер, или адсорбируясь в нем, изменять его качество.

3.5 Сварка пластмасс с помощью растворителей

Сущность сварки пластмасс с помощью растворителей заключается в том, что соединяемые поверхности смачиваются растворителем до тех пор, пока они не станут липкими, затем их складывают и выдерживают под давлением. Давление облегчает взаимную диффузию макромолекул в контактируемых поверхностях при обычной температуре.

Сварка с помощью растворителя применяется, когда полимер находится в аморфном состоянии (полиметилметакрилат, полистирол, поливинилхлорид и другие). Благодаря гибкости молекул в них возникают непрерывно чередующиеся межмолекулярные пустоты, в которых диффундирует растворитель. После заполнения свободных пространств в полимере молекулы растворителя начинают раздвигать молекулы полимера, облегчая их отрыв друг от друга. Эта стадия растворения называется набуханием. Как только межмолекулярное взаимодействие уменьшится настолько, что молекулы приобретают возможность перемещаться, начинается вторая стадия растворения - диффузия молекул полимера в растворитель.

Лекция № 4. Сварка газовым теплоносителем

4.1 Сущность сварки газовым теплоносителем

Сварка газовым теплоносителем (нагретым газом) основана на нагреве соединяемых поверхностей материала до температуры сварки струей нагретого газа. Выполняют ее с применением присадочного материала либо без него с помощью горелок различной конструкции. Нагретый газ, выходящий из сопла горелки, нагревает одновременно свариваемые кромки и присадочный пруток, плотный контакт между которыми создается за счет прижатия прутка рукой сварщика.

При сварке в N2, Ar или СО2 процесс идет в защитной инертной среде, что очень важно в тех случаях, когда требуется избежать окисления материала. Однако чаще всего применяется сжатый воздух, благодаря простоте его получения. Воздух и инертные газы подогревают до температуры сварки за счет прохождения через электронагревательные элементы сварочной аппаратуры или же пламенем горящего газа, а затем подают к месту сварки.

4.1.1 Преимущества сварки газовым теплоносителем

- способ сварки может быть применен для сварки материалов различной толщины;

- позволяет осуществлять сварку протяженных швов сложной конфигурации при различном их положении в пространстве;

- не требует сложного оборудования.

Недостатки сварки газовым теплоносителем:

- низкая производительность процесса сварки;

- недостаточно высокая прочность сварного соединения.

4.1.2 Области применения сварки газовым теплоносителем

Газовым теплоносителем можно сваривать большинство известных термопластов - поливинилхлорид непластифицированный (винипласт), поливинилхлорид пластифицированный (пластикат), полиэтилен высокого давления, полиэтилен низкого давления, полипропилен, полиметилметакрилат, полиамиды.

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

4.2 Виды сварки газовым теплоносителем

Сварку газовыми теплоносителями можно разделить на два вида:

1) Сварка с применением присадочного материала;

Сущность сварки газовым теплоносителем с присадкой заключается в том, что свариваемые детали и присадочный пруток нагревают до вязкотекучего состояния газовым теплоносителем, в качестве которого могут служить воздух, азот, аргон, углекислый газ и другие газы. При надавливании пруток приваривается к размягченным кромкам изделия, образуя сварной шов. Если пластифицированный пруток не выдерживает осевого давления, то используется прикатка его роликом.

Рис. 4.1. Схема сварки нагретым газом с применением присадочного материала:

1 - струя газа; 2 - нагреватель; 3 - присадочный материал; 4 - шов; 5 - свариваемые детали.

Сварка нагретым газом с присадочным материалом может выполняться вручную и механизированным способом.

2) Сварка без применения присадочного материала основана на свойстве материалов прессоваться в нагретом состоянии при определенной температуре. Перед сваркой кромки листов срезают под углом 20 - 25°, листы складывают по кромкам, и последние равномерно нагревают подогретым газом. Непосредственно за струей нагретого газа следуют ролики, создающие давление при сварке. Оставаясь холодными, они не прилипают к материалу. Сварной шов при такой подготовке поверхности деталей под сварку получается незаметным, а изделие имеет одинаковую толщину во всех сечениях.

Сварку без применения присадочного материала можно применять для соединения только плоских деталей.

Рис. 4.2. Схема сварки нагретым газом без присадочного материала: 1 - ролики; 2 - нагреватель; 3 -шов; 4 - свариваемые листы.

4.3 Оборудование для сварки газовым теплоносителем

Для сварки термопластов нагретым газом применяются горелки, которые делятся на:

1) газовые горелки косвенного действия ГГК-1;

2) газовые горелки прямого действия ГГП-1;

3) газовые горелки с электрическим нагревом газа-теплоносителя прямого действия ГЭП-1 и ГЭП-2.

Технические характеристики большинства известных горелок практически одинаковы:

- мощность нагревательных элементов 500-800 Вт;

- расход газа-теплоносителя 0,08 см3/с;

- напряжение не более 36 В;

- скорость подачи воздуха или инертных газов 25 - 30 м/с;

- масса горелок 300 - 600 г.

При использовании газовых горелок косвенного действия передача тепла от продуктов сгорания к газу теплоносителю происходит через стенку, разделяющую эти потоки.

При использовании газовых горелок прямого действия газ - теплоноситель смешивается с продуктами сгорания.

В газовых горелках с электрическим нагревом газа - теплоноситель нагревается джоулевым теплом, выделяющимся при прохождении электрического тока через нагревательный элемент, изготовляемый из материала с высоким удельным сопротивлением. Нагревательный элемент может быть выполнен в виде проволочной спирали, омываемой потоком газа - теплоносителя, или в виде свернутой трубки (змеевика), к концам которой подводится напряжение, а внутри пропускается газ - теплоноситель.

4.4 Технология сварки газовым теплоносителем

Качество сварных швов, полученных сваркой с применением присадочного материала, зависит от свойств основного материала и материала прутка, типа сварного шва, подготовки свариваемого материала и соблюдения сварщиком технологических приемов и режимов сварки.

Прочность и плотность сварного соединения обусловлены его видом и профилем, углом раскрытия и величиной зазора между свариваемыми кромками. Сварные соединения, применяемые при изготовлении изделий из пластмасс можно разделить на четыре вида: а) стыковое; б) нахлесточное; в) тавровое; г) угловое.

Стыковые швы могут быть без предварительной разделки кромок, с V - образной и X - образной разделкой. Разделка кромок не производится при сварке термопластов толщиной до 2 мм. V - образную и X - образную разделку кромок осуществляют при сварке листов толщиной 2 - 6 мм. X - образные швы обеспечивают более высокое качество соединения, чем V - образные, но подготовка кромок более трудоемка.

Угол раскрытия кромок применяют 55 - 60° для листов толщиной менее 5 мм и 70 - 90° - для листов толщиной более 5 мм.

Особое влияние на качество сварного шва оказывают:

1) скорость укладки присадочного прутка;

2) угол наклона прутка при подаче в шов

Сварщик должен подавать пруток под углом 90°. Если угол будет больше 90°, пруток вытягивается, а при дальнейшем охлаждении возникают усадочные напряжения, которые приводят к разрыву прутка. При наклоне прутка под углом меньше 90° он разогреется быстрее, чем основной материал, поэтому пруток не успевает привариваться к свариваемым деталям.

3) расстояния от наконечника горелки

Расстояние между наконечником и поверхностью сварного шва следует поддерживать постоянным (5 - 8 мм), в противном случае температура нагрева материала и присадочного прутка будет колебаться.

4) положение и направление горелки при сварке

Угол наклона наконечника горелки к поверхности шва выбирают в зависимости от толщины материала. При толщине до 5 мм угол наклона наконечника равен 20 - 25°, при толщине более 5 мм - 30 - 45°.

Основными параметрами режима сварки пластмасс газовым теплоносителем являются температура и расход газа, усилие, прикладываемое к присадочному прутку и скорость его укладки в разделку шва.

Образование сварных соединений при сварке газовым теплоносителем возможно только при условии, если соединяемые поверхности материала и присадочного прутка находятся в вязкотекучем состоянии, поэтому температура газа - теплоносителя на выходе из сопла сварочного аппарата должна быть на 50 - 100°С превышать температуру текучести полимера.

Лекция № 5. Сварка экструдируемой присадкой (расплавом)

5.1 Сущность сварки экструдируемой присадкой

Сущность сварки экструдируемой присадкой состоит в том, что расплавленный материал, выходящий из экструдера или другого устройства, непрерывно подается в зазор между соединяемыми поверхностями, нагревает их до температуры сварки и, сплавляясь с ними, образует сварной шов.

Сварка экструдируемой присадкой близка к процессу сварки термопластов газовым теплоносителем с присадочным материалом, а также к сварке металлов плавящимся электродом. Во всех случаях сварное соединение образуется за счет сплавления присадочного материала с кромками соединяемых деталей. Различие между сваркой металлов и полимеров состоит в том, что металл переходит в жидкую фазу, а полимер остается в вязкотекучем состоянии. Поэтому для получения плотного контакта расплавленного присадочного материала с кромками свариваемых деталей необходимо создавать давление.

Теплота Q, вносимая экструдируемой присадкой в зону сплавления, должна перевести в вязкотекучее состояние соединяемые кромки Q1, обеспечить сохранение вязкотекучего состояния присадочного материала Q2 и компенсировать потери теплоты с поверхности шва Q3, т.е.

Q = Q1 + Q2 + Q3.

Температура присадочного материала, при которой его необходимо вносить в зону сплавления, чтобы обеспечить процесс сварки:

Ts = (TT - Tf)(1 +q1c1/(qc)) + Tf ,

где Tf - температура окружающего воздуха, ?С; TT - температура текучести материала, °С; q1 - количество материала, которое необходимо нагреть до температуры текучести, кг; q - количество присадочного материала, вносимого в зону сплавления, кг; с1, с - удельная теплоемкость присадочного и свариваемого материала.

5.1.1 Преимущества сварки экструдируемой присадкой

Этот метод прост, высокопроизводителен, обладает широкими технологическими возможностями и позволяет получать высококачественные соединения.

5.2 Способы сварки экструдируемой присадкой

Существует три способа сварки экструдируемой присадкой:

1) бесконтактная экструзионная сварка или экструзионная сварка;

2) контактно - экструзионная сварка;

3) контактно - экструзионная с предварительным подогревом.

Рис. 5.1. Классификация способов сварки пластмасс экструдируемой присадкой.

При бесконтактной сварке мундштук не контактирует со свариваемыми поверхностями, а устанавливается на определенном расстоянии от них. Это расстояние выбирается таким образом, чтобы расплав, выдавливаемый из экструдера, не успел переохладиться. Из этих же соображений температура расплава на выходе из мундштука должна превышать температуру текучести на 40 - 50°. Для плотного прижатия присадочного материала к свариваемым поверхностям применяются прижимные приспособления (ролики, ползуны и т.п.).

Рис 5.2. Схема экструзионной сварки пластмасс:

1- экструдер; 2 - мундштук экструдера; 3 - свариваемые детали; 4 - прикатывающий ролик.

Экструзионную сварку наиболее целесообразно применять для соединения полимерных пленок и пленочных армированных материалов непрерывным протяженным швом. Преимуществом сварки пленок по данной схеме является то, что исключается возможность утонения материала в зоне шва, которое наблюдается при других методах.

При контактно - экструзионной сварке разогретый мундштук экструдера, имеющий форму разделки кромок, вводят в разделку шва до контакта с кромками и перемещают по стыку под углом 10 - 15° к вертикали, одновременно заполняя его расплавленным присадочным материалом. В результате не только максимально снижаются тепловые потери в окружающую среду, но и дополнительно обеспечивается нагрев соединяемых поверхностей за счет теплопередачи от мундштука экструдера, температура которого близка к температуре выходящего из него расплава. Отсутствие зазора препятствует свободному вытеканию расплава из экструдера, что обеспечивает возможность использования давления, развиваемого в экструдере для создания сварочного давления. Сварочное давление Р зависит от температуры присадки и числа оборотов шнека.

Рис 5.3. Схема контактно-экструзионной сварки пластмасс:

1- экструдер; 2 - мундштук экструдера; 3 - свариваемые детали.

5.3 Технология сварки экструдируемой присадкой

Процесс бесконтактной экструзионной сварки сложный и характеризуется большим числом параметров, наиболее существенные из которых температура присадочного материала на выходе из экструдера Ti,°С, сварочное давление Р, МПа; скорость сварки v, м/с; скорость движения расплава в воздушном зазоре между мундштуком экструдера и материалом v', м/с; количество присадочного материала, выходящего из экструдера в единицу времени G, кг/с; количество присадочного материала, вносимого в зону шва g, кг/с; диаметр присадочного материала d, м; расстояние между мундштуком экструдера и свариваемым материалом S, м; температура присадочного материала, вносимого в зону шва Ts, °С.

Связь основных параметров процесса сварки описывается уравнением:

Ti = ae-xP - kv + c,

где k, c, a, x - константы, учитывающие теплофизические свойства материала и его температуру.

Материал толщиной до 5 мм следует сваривать присадочным материалом диаметром 5 мм, материалы толщиной выше 5 мм - диаметром 10 мм. Увеличение или уменьшение диаметра присадочного материала ухудшает качество соединения.

Оптимальное расстояние между мундштуком экструдера и поверхностью свариваемого материала равно 0,1 м. Увеличение S приводит к значительным потерям присадочным материалом теплоты; уменьшение затрудняет создание сварочного давления, которое должно сообщаться присадочному материалу непосредственно после укладки его в шов.

Процесс контактно-экструзионной сварки характеризуется меньшим числом технологических параметров, чем экструзионная сварка. Основными технологическими параметрами контактно-экструзионной сварки при условии полного заполнения разделки расплавом являются температура присадочного материала на выходе из экструдера Ti,°С, сварочное давление Р, МПа и скорость сварки v, м/с.

Оптимальное значение основных параметров процесса контактно-экструзионной сварки взаимообусловлены и практически не зависят от толщины материала:

Ti = a1e-xP + k1v + c1,

где k1, c1, a1, x - константы, учитывающие теплофизические свойства материала и его температуру.

Уравнение позволяет рассчитывать оптимальные режимы сварки, обеспечивающие получение сварных соединений с максимальной прочностью (90-100% прочности основного материала).

По производительности процесса и прочности сварных соединений контактно-экструзионная сварка практически не отличается от экструзионной. Характерная особенность рассматриваемого процесса - более высокая стабильность качества. Преимуществом является также низкая чувствительность его к состоянию поверхности материала. На режимы сварки и качество сварных соединений при этом способе сварки практически не влияет загрязнение свариваемых поверхностей и воздействие на них климатических факторов, затрудняющих образование качественных сварных соединений.

5.4 Оборудование для сварки экструдируемой присадкой

Для сварки экструдируемой присадкой создана серия малогабаритных сварочных полуавтоматов, различающихся по конструктивному оформлению и производительности. Все полуавтоматы укомплектованы рабочими инструментами - пистолетами - экструдерами, которые в зависимости от способа подачи расплава разделяются на шнековые (когда подача расплава осуществляется шнеком) и прямоточные (когда расплав выталкивается холодным присадочным материалом, загружаемым в экструдер).

Как шнековые, так и прямоточные пистолеты-экструдеры могут включать дополнительные приспособления для нагрева газа теплоносителя. В комплект всех пистолетов входят сменные мундштуки, которые имеют форму, соответствующую форме поперечного сечения разделочных кромок и служат для подачи присадки в разделку и создания сварочного давления. Полуавтоматы могут быть переносными, передвижными и стационарными.

Наиболее широкое применение получили полуавтоматы ПСП-5, ПСП-6 и РЭСУ-50 с прямоточными пистолетами и ПСП-3Э, ПСП-4 со шнековыми пистолетами. На базе полуавтомата ПСП-5 создан специализированный карусельный стенд УСА-1 для сварки чехлов щелочных аккумуляторов из ПЭВД.

Лекция № 6. Контактная тепловая сварка

6.1 Сущность процесса контактной тепловой сварки

Контактная тепловая сварка (термоконтактная) является способом, при котором нагрев соединяемых деталей осуществляется путем контакта с заранее нагретым или нагреваемым в процессе сварки инструментом.

По методам подвода теплоты к свариваемым поверхностям различают сварку оплавлением и сварку проплавлением. Контактная тепловая сварка, при которой нагретый инструмент находится в непосредственном контакте с соединяемыми поверхностями, называется методом сварки оплавлением. Переход термопласта в вязкотекучее состояние при этом методе происходит, начиная с поверхностей, подлежащих соединению, и сопровождается в большинстве случаев вытеканием расплава из-под нагревающего инструмента, т.е. соединяемые поверхности оплавляются. Методом оплавления сваривают, как правило, листы, трубы и профильные заготовки.

Контактная тепловая сварка, при которой теплота поступает к свариваемым поверхностям за счет теплопроводности свариваемого материала от инструмента, прикладываемого к их внешней поверхности, называется методом сварки проплавлением. Примером применения метода сварки проплавлением является соединение пленок внахлестку на прессе, когда теплота подводится от нагревателей, прилагаемых к нахлестке снаружи, а сварка производится внутри.

6.2 Контактно-тепловая сварка проплавлением

По режиму нагрева деталей при сварке проплавлением различают сварку при длительном нагреве по заранее заданному термическому режиму - контактно - тепловую сварку прессованием и термоимпульсную сварку, при которой нагрев свариваемых деталей осуществляется за счет кратковременного теплового импульса, а скорость охлаждения определяется теплоотводом в основание и подложку нагревателя и изделия.

1) При контактно - тепловой сварки прессованием нагреватель представляет собой массивный нагревательный инструмент, который одновременно и спрессовывает детали.

Контактно - тепловую сварку производят с односторонним или двухсторонним нагревом изделия. Чтобы избежать прилипания свариваемого материала к нагревателю сварку ведут через разделительные прокладки из фторопласта или целлофана.

Поскольку толщина материала значительно меньше ширины шва, тепловой поток от нагревателя можно считать направленным в одну сторону вдоль оси Y. Тогда все плоскости, параллельные плоскости XZ, будут изотермическими поверхностями. Температура таких поверхностей является функцией от их координаты Y.

При исследовании тепловых полей задача состоит в определении температур изотермических поверхностей в любой момент времени. Решение должно удовлетворять основному уравнению теплопроводности Фурье для одномерного теплового потока:

где T - температура, °К, t - время, сек, а - коэффициент температуропроводности, м2/сек, у - расстояние по толщине пленки от верхней поверхности, находящейся в контакте с нагревателем.

Рис 6.1. Схема контактно-тепловой сварки прессованием и распределение температуры по сечению свариваемых материалов и прокладок:

а - с односторонним нагревом; б - с двухсторонним нагревом; 1 - нагретый инструмент; 2 - прокладки; 3 - свариваемые материалы; 4 - холодный инструмент.

Из графика распределения температуры по поперечному сечению шва видно, что самая низкая температура устанавливается в месте сварки, а самая высокая - на поверхности материала. Поэтому, чтобы материал в месте соединения достаточно разогрелся, температура нагревательных элементов должна быть выше температуры сварки.

Давление, оказываемое при сварке на шов, в определенной степени зависит от вязкости расплава и геометрических параметров соединения:

,

где - вязкость расплава; l - половина ширины нахлестки; t - продолжительность сварки; - величина осадки; h0 - толщина свариваемого пакета пленок.

Двухсторонний нагрев позволяет скорее разогреть материал до требуемой температуры.

При непрерывной контактно - тепловой сварке перемещение материала относительно инструмента накладывает дополнительные условия на характер распределения температуры по сечению шва. Главной особенностью нагрева материала является неравномерное распределение температуры по длине нагревателя. Наиболее низкую температуру будет иметь передняя часть нагревателя, постоянно вступающая в контакт с холодным материалом. Попытки ускорить контактно - тепловую сварку путем повышения температуры инструмента увеличивают опасность термодеструкции термопласта.

Чтобы избежать прилипания свариваемого материала к нагревателю сварку ведут через разделительные прокладки из фторопласта или целлофана.

2) Термоимпульсная сварка отличается от сварки прессованием тем, что для ее осуществления в качестве нагревательного инструмента используются металлические ленты с большим электрическим сопротивлением (вместо массивных нагревательных приборов большой теплоемкости), которые, нагреваясь импульсом электрического тока, разогревают свариваемый материал за доли секунды. Давление, необходимое для соединения, создается на лентах при помощи дополнительного приспособления.

Свариваемые детали укладываются на неподвижную губку пресса, покрытую термоизоляцией, и прижимаются к нему в месте шва подвижным прижимом. Импульсы тока нагревают металлическую ленту. В зависимости от материала и толщины пленки продолжительность импульса колеблется в пределах 0,1 - 1 сек.

Соединяемые поверхности быстро нагреваются до температуры сварки, а затем быстро охлаждаются прижимом, рассчитанным на создание необходимого сварочного давления. Охлаждение под давлением - основное преимущество термоимпульсной сварки.

Рис. 6.2. Схема термоимпульсной сварки:

1, 7 - прижимные губки; 2 - теплоизоляция; 3, 6 - разделительные пленки; 4 - нагревательные ленты; 5 - свариваемые детали.

6.3 Контактно- тепловая сварка оплавлением

Процесс контактной сварки оплавлением деталей состоит в том, что свариваемые поверхности нагревают до заданной температуры, после чего источник тепла удаляют, а нагретые поверхности быстро соединяют под давлением. Нагрев соединяемых поверхностей осуществляется за счет теплоотдачи. Этим способом выполняют стыковые и нахлесточные соединения.

1) При сварке встык свариваемые кромки деталей по всей длине шва прижимают к нагретому инструменту, геометрическая форма которого соответствует форме стыкуемых поверхностей, и прогревают до вязкотекучего состояния. Затем нагреватель удаляют, а размягченные кромки, легко прижимая, соединяют друг с другом и, не снимая давления, охлаждают. Сваркой встык соединяют детали толщиной 2 - 20 мм.

При сварке большинства пластмасс давление в процессе сплавления размягченного термопласта колеблется в пределах 0,2 - 0,5 МПа. При этом сохраняется необходимая прочность соединения без чрезмерного выплеска материала.

Рис. 6.3. Схема сварки труб встык при нагреве соединяемых поверхностей нагретым инструментом:

а - нагрев; б - соединение и охлаждение; 1, 3 - соединяемые элементы; 2 - инструмент.

2) Сварка внахлестку применяется преимущественно для соединения тонкостенных изделий или пленок термопластов. Соединяемые поверхности нагревают инструментом, образуя шов одновременно по всей длине непрерывным способом.

Рис. 6.4. Непрерывная сварка пленок внахлестку:

а - процесс сварки; б - распределение температуры по толщине пленок; 1 - нагревательный инструмент; 2 - свариваемые пленки; 3 - ролики.

Наибольшее распространение получил способ сварки с механизированной подачей свариваемого материала и неподвижным нагревательным инструментом. Таким способом сваривают пленки толщиной свыше 150 мкм.

6.4 Оборудование для контактной тепловой сварки

Сварочное оборудование для контактной тепловой сварки различают по назначению (например, для сварки пленок, для сварки труб, для сварки листов); по уровню механизации (автоматы, полуавтоматы, устройства для ручной сварки); по мобильности, что чаще всего определяется массой установок для сварки в стационарных, цеховых условиях, для сварки в полевых и монтажных условиях.

Установки и устройства могут быть для непрерывной и циклической (шаговой) сварки, для одностороннего и двустороннего нагрева.

Стационарные установки снабжают следящими устройствами и программным управлением.

Процесс сварки может осуществляться различными нагревательными элементами - стальными пластинами, лентами, роликами, электро-паяльниками, дисками, кольцами и электроутюгами особой конструкции, которые встраиваются в специальные устройства и установки.

Для сварки армированных пленок в монтажных условиях получили распространение полуавтоматические установки для односторонней (ПСП-11, ПСП-16АТ) и двусторонней (ПСП-15, ПСП-16) сварки.

Для сварки в стационарных условиях полимерных пленок разработана серия установок МСП-16, МСП-5М, УСПП-3М, МСП-17М.

Для сварки труб диаметром от 25 до 1200 мм выпускаются устройства типа УСКПТ-12, СА-59, УСП-5, УСКП-6.

Лекция № 7. Сварка в электрическом поле высокой частоты

7.1 Сущность сварки пластмасс токами высокой частоты

Сварка пластмасс токами высокой частоты основана на нагреве в результате преобразования электрической энергии в тепловую непосредственно внутри самого материала. При этом пластмассы нагреваются несколько выше температуры размягчения, однако свариваемый материал не достигает жидкотекучего состояния и сварка происходит в вязкотекучем состоянии с приложением давления.

Свариваемое изделие помещают в переменное электрическое поле высокой частоты. Поскольку пластмассы являются несовершенными диэлектриками, элементарные заряды при внесении диэлектрика в высокочастотное электрическое поле несколько смещаются, небольшое количество имеющихся в диэлектрике свободных зарядов образуют ток проводимости. На смещение заряженных частиц затрачивается работа, которая превращается в тепло благодаря наличию молекулярного трения между материальными частицами. Каждое изменение направления электрического поля влечет за собой выделение некоторого количества тепла. Для сварки пластмасс применяются токи высокой частоты в пределах 12 - 80 Гц.

Рис 7.1. Схема сварки пластмасс токами высокой частоты:

1 - нижний электрод; 2 - свариваемые детали; 3 - верхний электрод; 4 - понижающий трансформатор; 5 - конденсаторная батарея; 6 - генератор высокой частоты.

Области применения сварки пластмасс токами высокой частоты:

В настоящее время токами высокой частоты в основном сваривают изделия из винипласта и полихлорвинилового пластиката толщиной до 5 мм. Этот метод обеспечивает герметичность и высокую прочность сварных швов, отличается высокой производительностью, экономичностью и хорошим качеством соединения.

7.2 Физические основы нагрева пластмасс в электрическом поле высокой частоты

При сварке токами высокой частоты материал находится между металлическими электродами. Электроды и помещенный между ними материал образуют конденсатор, подключенный к источнику высокочастотной электрической энергии. Под действием электрического поля материал диэлектрик поляризуется. В случае переменного электрического поля в диэлектрике происходит переменная поляризация, сопровождающаяся смещением заряженных частиц, входящих в атомы и молекулы вещества.

Движение частиц в диэлектрике происходит с некоторым трением и электрическое поле затрачивает свою энергию на его преодоление. В диэлектриках, обладающих дипольной поляризацией, перемещение частиц происходит с большим трением, что вызывает нагрев диэлектрика. При малой частоте изменения электрического поля диполи диэлектрика ориентируются без запаздывания, а с возрастанием частоты поля увеличивается скорость поворота диполей и, следовательно, растет трение частиц.

Удельную мощность, выделяемую в единице объема диэлектрика, помещенного в переменное электрическое поле, определяют по формуле:

где - диэлектрическая проницаемость материала;

tg - тангенс угла диэлектрических потерь;

f - частота изменения направления поля, Гц;

Е - напряженность поля в материале, Вт/см2.

Коэффициенты , tg у различных материалов различны; чем больше их значение, тем лучше нагревается материал. В связи с этим ТВЧ свариваются только те пластмассы, у которых при температуре +20°С tg составляет не менее 0,01.

Согласно ГОСТ 21139 - 82 для сварки ТВЧ полимерных материалов можно использовать следующие частоты: 13,56 МГц ±0,05%; 27,12 МГц ± 0,6%; 40,68 МГц ± 0,05%; 81,36 МГц ± 1%.

Из формулы видно, что , tg для данного материала при определенных условиях постоянны, частота электрического поля имеет фиксированное значение, следовательно, единственной возможностью управлять интенсивностью нагрева материала при сварке остается изменение напряжения на электродах. Однако напряжение можно увеличивать до определенных пределов, выше которых происходит электрический пробой материала.

Допустимая величина напряжения, подводимого к электродам при сварке различных материалов:

Uдоп=Uпроб/(1,52),

где Uпроб - пробивное напряжение материала, В.

С повышением температуры материала его пробивное напряжение уменьшается. Скорость нагрева материала при сварке ТВЧ мало зависит от теплопроводности полимера. Теплопроводность определяет лишь потери теплоты в околошовную зону материала и металл электродов. При сварке тонких пленок максимальная температура сосредоточена на соединяемых поверхностях, а минимальная - на внешних поверхностях, контактирующих с электродами.

Удельная тепловая мощность (Вт/м2), потребляемая от источника нагрева с учетом тепловых потерь:

,

где - плотность материала, кг/м3;

с - удельная теплоемкость, Дж/(кгК);

Т/t - скорость нагрева материала;

т - термический КПД процесса нагрева, учитывающий потери теплоты в окружающую среду.

7.3 Способы сварки пластмасс токами высокой частоты

В промышленности применяют прессовую, роликовую и точечную сварку. Выбор того или иного способа сварки зависит от конструктивных особенностей изделия.

1) При прессовой сварке материал помещают между обкладками рабочего конденсатора и нагрев места соединения осуществляется с помощью инструмента (электродов), повторяющего внешнюю форму шва.

Сварка изделия производится в прессе, контактные поверхности которого являются электродами, подключенными к высокочастотному генератору. Электроды, кроме подвода энергии к месту сварки, выполняют роль элементов, передающих на материал необходимое давление, и охлаждают его поверхность.

При этом способе сварки нагревается либо одновременно весь шов, либо последовательно отдельные его участки.

Преимуществом прессовой сварки пластмасс по сравнению с другими способами сварки токами высокой частоты является то, что свариваемый материал в месте соединения нагревается одновременно, равномерно и по всей длине шва.

Рис. 7.2. Схема прессовой сварки:

1 - высокочастотный генератор; 2 - электроды; 3 - свариваемые детали.

2) Роликовая сварка, так же как и прессовая шаговая, служит для получения протяженных непрерывных швов. В отличие от прессовой, при роликовой сварке соединение материалов производится двумя вращающимися роликами, выполненными в виде дисков, из которых нижний, ведущий, изолирован от корпуса сварочной машины, а верхний, ведомый, заземлен. Обычно рабочая ширина нижнего электрода берется в 5 - 10 раз больше верхнего, что обеспечивает лучшую подачу свариваемых деталей. Сварка пластмасс происходит по линии, расположенной непосредственно под электродами.

Рис. 7.3. Схема роликовой сварки пластмасс токами высокой частоты.

Под воздействием тока высокой частоты пластмассы нагреваются до температуры вязкотекучего состояния, а давление, приложенное к электродам, создает тесный контакт между свариваемыми поверхностями. Несмотря на свою простоту, способ роликовой сварки токами высокой частоты имеет ряд существенных недостатков. Шов не успевает охладиться под давлением, выходит из-под электродов нагретым, и при охлаждении может произойти его деформация.

Лекция № 8. Ультразвуковая сварка

8.1 Сущность ультразвуковой сварки

Способ ультразвуковой сварки пластмасс заключается в том, что электрические колебания ультразвуковой частоты (20-50 кГц), вырабатываемые генератором, преобразуются в механические продольные колебания магнитострикционного преобразователя и вводятся в свариваемый материал с помощью продольно-колеблющегося инструмента - волновода, расположенного перпендикулярно к свариваемым поверхностям. Подвод механической энергии ультразвуковых колебаний осуществляется за счет контакта излучающей поверхности сварочного инструмента - волновода с одной или несколькими свариваемыми деталями. Такой контакт обеспечивается статическим давлением Рст рабочего торца волновода на свариваемые детали. Это давление способствует также концентрации энергии в зоне соединения.

Динамическое усилие F, возникающее в результате воздействия колеблющегося волновода, приводит к нагреву свариваемого материала, а действие статического давления Рст обеспечивает получение прочного сварного соединения. Силы Рст и F воздействуют на дополнительный присадочный материал (пруток, уложенный в V - образный зазор между свариваемыми деталями). Воздействие ультразвуковых колебаний на пруток приводит к его пластификации, а под действием статического давления пластифицированный материал заполняет зазор, образуя прочное соединение.

Отличительная особенность сварки пластмасс ультразвуком состоит в том, что механические колебания вводятся преимущественно перпендикулярно к свариваемым поверхностям и совпадают с направлением действия давления. Такая схема ввода механических колебаний в материал называется «пластмассовой» в отличие от «металлической» схемы, когда механические колебания действуют в плоскости соединяемых поверхностей, а давление прикладывается перпендикулярно к ним.

сварка пластмасса склеивание пайка

Рис 8.1. Схема ультразвуковой сварки:

а - схема установки: 1 - корпус преобразователя; 2 - преобразователь с обмоткой; 3 - трансформатор упругих колебаний; 4 - волновод; 5 - свариваемые детали; 6 - опора;

б - эпюра амплитуды смещения колебательной системы; в - расположение векторов статического давления Рст и динамического усилия F.

Исследование тепловых процессов, протекающих при ультразвуковой сварки полимерных материалов, показало, что введение механических колебаний ультразвуковой частоты в контактируемые материалы приводит к быстрому их нагреву с преимущественным ростом температуры на контактируемых поверхностях. Нагрев обусловлен поглощением энергии механических колебаний в объеме материала, находящегося под волноводом, а также поглощением энергии в свариваемом контакте и в контакте полимерный материал - волновод. Поглощенная в полимере механическая энергия переходит в теплоту, за счет чего происходит так называемый гистерезисный разогрев полимеров. Выделение теплоты в объеме полимера обусловлено потерями на внутреннее трение. Наиболее интенсивное поглощение энергии и превращение ее в теплоту происходит в отдельных несплошностях материала и на границе раздела.

Рис. 8.2.Схема сварки с дополнительной присадкой:

1 - преобразователь с волноводом-инструментом; 2 - присадочный материал; 3 - свариваемые детали; 4 - шов.

Возникающие при сварке поперечные ультразвуковые колебания могут вызвать поверхностное трение на границе раздела, что также способствует быстрому разогреву материала в этой зоне и переходу его в размягченное состояние. Образовавшаяся мягкая прослойка снижает коэффициент механического трения, однако сама является средой, интенсивно поглощающей механические колебания.

Роль механических ультразвуковых колебаний состоит также в том, что под действием мощных импульсов ультразвуковой частоты происходит выравнивание микронеровностей, разрушение и удаление различных поверхностных пленок и загрязнений.

В значительной степени ультразвуковая сварка отличается от других способов также и в отношении физико-химических процессов, протекающих на границе раздела. Во-первых, воздействие механических колебаний на расплав полимера значительно ускоряет процесс диффузии макромолекул. Во-вторых, при ультразвуковой сварке происходит интенсивное перемешивание расплава, вызванное «насосным» действием поверхности движущегося волновода, при движении вперед волновод отталкивает полимер, а при движении назад не полностью увлекает его за собой, благодаря этому в область разряжения, образующуюся на границе раздела деталей, притекают новые частицы полимера. Это ускоряет процесс образования сварных соединений и обеспечивает возможность качественной сварки при температурах более низких, чем в случае других известных способов сварки.

8.2 Классификация способов ультразвуковой сварки

Классификация процессов ультразвуковой сварки приведена с учетом следующих основных признаков:

1) ввод энергии механических колебаний в свариваемое изделие;

2) передача колебаний к зоне сварки;

3) концентрация энергии в зоне сварки;

4) дозирование вводимой энергии;

5) взаимное перемещение сварочного инструмента и свариваемых деталей для получения швов необходимой конфигурации и протяженности.

Ввод механической энергии ультразвуковых колебаний осуществляется за счет контакта рабочего торца волновода с одной или несколькими свариваемыми деталями. Для интенсификации процесса сварки можно применять двусторонний (от двух преобразователей) подвод энергии к свариваемым поверхностям, что позволяет увеличить выделяющуюся на границе раздела деталей энергию почти в 4 раза.

Характер передачи энергии к границе раздела и распределение ее относительно свариваемых поверхностей при ультразвуковой сварке может быть различным и в зависимости от этого сварка разделена на контактную и передаточную - дистанционную.

При контактной ультразвуковой сварке для равномерного распределения энергии по всей площади контакта свариваемых деталей необходимо, чтобы рабочий торец волновода, соприкасающийся с верхней деталью, имел форму и площадь, идентичную площади и форме плоскости контакта свариваемых поверхностей. Такую схему применяют для сварки полимерных материалов, обладающих низким модулем упругости и большим коэффициентом затухания, как полиэтилен, полипропилен, пленок и синтетических тканей небольшой толщины (0,002-5мм).

Рис. 8.3. Схема контактной ультразвуковой сварки:

а - прессовая; б - шовная; В - волновод; СД - свариваемые детали; РО - ролик опора.

При передаточной ультразвуковой сварке, применяемой при сварке полимерных материалов, обладающих большим модулем упругости и малым коэффициентом затухания, ввод механических колебаний возможен в отдельной точке или на небольшом участке поверхности верхней детали. Благодаря хорошим акустическим свойствам материала изделия энергия ультразвуковой волны незначительно ослабляется при прохождении через деталь, контактирующую с волноводом, и почти полностью транспортируется к границе раздела свариваемых деталей. Передаточную сварку рекомендуют для соединения объемных деталей из жестких пластмасс, как полистирол, полиметилметакрилат и др.

Рис 8.4. Схема передаточной ультразвуковой сварки:

В - волновод; СД - свариваемые детали.

По принципу дозирования вводимой механической энергии ультразвуковую сварку подразделяют на сварку:

а) с фиксированным временем протекания ультразвукового импульса. Продолжительность сварки задается с помощью реле времени, а статическое усилие действует до окончания сварочного цикла.

б) с фиксированной осадкой. Задается осадка , т.е. глубина вдавливания волновода в свариваемую деталь под воздействием статического усилия и ультразвука.

в) с фиксированным зазором. Сущность процесса состоит в том, что сварка происходит только в результате динамических усилий, возникающих при воздействии волновода на свариваемый материал. При этой схеме сварки зазор между рабочим торцом волновода и опорой устанавливается таким, чтобы свариваемый материал деформировался только за счет смещения рабочего торца волновода. В результате воздействия волновода материал утоньшается, а так как сварочная головка зафиксирована и не имеет возможности перемещаться в вертикальном направлении, то контакт волновода с материалом после деформации последнего нарушается и воздействие ультразвука на материал прекращается. Деформация свариваемого материала не превышает удвоенной амплитуды смещения волновода и зависит от исходной толщины материала.

По взаимному перемещению волновода относительно изделия ультразвуковая сварка разделяется на прессовую и непрерывную. Прессовая сварка выполняется за одно рабочее движение волновода. С помощью прессовой сварки получают точечные, прямолинейные и замкнутые швы различного контура, например, в виде окружности, квадрата, прямоугольника, треугольника, эллипса и т.п. (рис. 8.3.) в зависимости от формы рабочего торца волновода.

Непрерывная сварка позволяет получать непрерывные протяженные швы путем относительного перемещения волновода и свариваемого изделия.

Лекция № 9. Сварка трением

9.1 Сущность сварки пластмасс трением

Сварка пластмасс трением основана на нагреве соединяемых поверхностей за счет превращения механической энергии трения в теплоту. Поскольку пластмассы обладают низкой теплопроводностью от зоны контакта деталей, подвергающихся трению, отводится незначительное количество теплоты и поэтому нагрев происходит быстро. За счет выделяющейся при трении теплоты термопластичный материал переходит в вязкотекучее состояние (плавится) и под воздействием прикладываемого при этом усилии часть расплава вытекает в процессе трения (оплавления) свариваемых деталей. При накоплении в стыке необходимого количества расплава процесс трения прекращается и детали сжимаются (осаждаются) - получается неразъемное соединение.

Для осуществления соединения термопластов при сварке необходимо:

1) повышение активности макромолекул сопрягаемых слоев деталей с целью увеличения вероятности их взаимной ориентации, взаимодействия и последующего ассоциирования в надмолекулярные структуры;

2) удаление с поверхности абсорбированных веществ, загрязнений и оксидных пленок с целью образования ювенильных поверхностей;

3) создание физического контакта сопрягаемых поверхностей в пределе до номинальной величины, т.е. до полного контакта по всей поверхности.

При сварке пластмасс трением первое условие выполняется за счет регенерации механической работы трения в тепловую энергию. Второе условие реализуется при износе поверхностей в процессе трения и удаления из зоны контакта свариваемых деталей загрязнений радиальными силами. Третье условие выполняется путем сжатия сопрягаемых деталей внешними силами как в процессе нагрева, так и при осадке.

Преимущество способа сварки трением состоит в том, что при трении в месте контакта разрушаются все поверхностные ингредиенты, образовавшиеся до начала процесса сварки. В процессе сварки расплав защищен от влияния атмосферы, чем в значительной степени исключены процессы окисления макромолекул, находящихся в активированном состоянии.

К преимуществам сварки трением относятся также высокая производительность процесса, малое потребление энергии и мощности, высокое качество сварного соединения, стабильность качества сварных соединений, возможности сварки разнородных пластмасс, гигиеничность процесса.

9.2 Способы сварки трением

В зависимости от условий нагрева свариваемых поверхностей сварку трением можно производить по двум схемам:

а) вращением свариваемых деталей или промежуточного элемента - сварка вращением;

б) вибрацией свариваемых деталей или промежуточного элемента - сварка вибротрением.

Сварку трением вращением применяют при соединении деталей, имеющих форму тел вращения. Вибротрением можно сваривать несимметричные детали практически любой конфигурации.

Кинематически сварка вращением может производится при непосредственном контакте стыкуемых деталей вращением одной из них, либо вращением обеих, а также вращением специальной вставки.

Рис 9.1. Принципиальная схема сварки трением:

а - с использованием вращения одной детали; б - двух деталей; в - вставки; 1, 3 - свариваемые детали; 2 -шов; 4 - вставка.

Наибольшее практическое применение имеет схема сварки вращением, при которой одна из свариваемых деталей неподвижна. В этом случае выделяющаяся тепловая мощность (Вт/см2) может быть определена по формуле:

где P - давление, МПа; f - коэффициент трения; n - относительная скорость вращения, об/мин; R - радиус поверхности трения, см.

Таким способом сваривают между собой стержни, трубы и другие тела вращения сравнительно небольшой длины.

Во втором случае трение в свариваемых поверхностях создается вращением обеих деталей, но в противоположные стороны. Такой способ целесообразно применять, когда необходимы высокие относительные скорости вращения.

Длинные детали, вращение и торможение которых затруднено, можно сваривать при помощи третьей, промежуточной детали - вставки. Вставка может быть остающейся после осадки и представлять собой элемент сварной конструкции. В этом случае вставка должна быть из того же материала, что и свариваемые детали, а конструкция будет иметь два сварных шва. Возможно применение вращающегося элемента, который после оплавления контактирующих с ним деталей удаляется, а детали соединяют путем осадки. Недостатком последнего метода является то, что после удаления вставки расплавленные поверхности контактируют с атмосферой.

При сварке вибротрением детали нагреваются вследствие вибрационных перемещений низкой частоты с амплитудой конечной величины. Свариваемым деталям, прижатым одна к другой усилием Р, сообщается относительное возвратно-поступательное движение, приводящее к разогреву соприкасающихся поверхностей и их соединению после прекращения вибрации. При частоте колебаний 50 Гц и амплитуде 1,5 мм продолжительность сварки термопластов практически не зависит от толщины и размеров свариваемых деталей и не превышает 10 сек. Удельное давление для разных материалов лежит в пределах 2-15 МН/м2.

9.3 Оборудование для сварки пластмасс трением

Сварку пластмасс трением осуществляют на различных металлообрабатывающих станках - токарных, сверлильных, фрезерных и на специальных сварочных машинах.

Машины для сварки трением МСП-1 и МСП-2 имеют следующие основные узлы:

1) механизм для создания осевого давления;

2) зажимные механизмы;

3) систему, воспринимающую осевые усилия;

4) аппаратуру управления.

Очень часто устанавливается электромеханический привод вращения, содержащий асинхронный электродвигатель, клиноременную передачу и шпиндель. На большинстве машин для прекращения вращения деталей применяют фрикционно-тормозные механизмы. Они обеспечивают быструю остановку шпинделя, высокую производительность процесса. Остановку вращения шпинделя можно также осуществлять за счет реверсирования электродвигателя противотоком. Однако это приводит к перегреву электродвигателя и вынужденному перерыву в работе и тем самым снижает производительность процесса.

Для сварки трением применяют зажимные механизмы нескольких типов. Станки, предназначенные для сварки в условиях индивидуального или мелкосерийного производства, снабжены кулачковыми патронами с ручным зажимом деталей, которые позволяют быстро переналадить станок на другой диаметр деталей. В качестве зажимных механизмов для закрепления вращающихся деталей можно использовать самозажимные цанги.

Механизм для создания осевого давления выполняется пневматическим или гидравлическим. Осевое усилие в передней бабке воспринимается, как правило, упорными подшипниками.

Лекция № 10. Сварка излучением

10.1 Сущность сварки излучением

Сварка пластмасс излучением основана на способности пластмасс поглощать лучистую (фотонную) энергию и за счет этого нагреваться. В результате поверхностные слои деталей из термопластов переходят в вязкотекучее состояние и с приложением необходимого давления свариваются.

Соответственно виду источника и характеру генерируемого им излучения различают следующие разновидности сварки:

1) инфракрасным излучением (ИК);

2) светом видимого диапазона (СВД);

3) лазером (оптическим квантовым генератором).

Особенностью сварки излучением является отсутствие непосредственного контакта нагревательного инструмента (излучателя) с нагреваемой поверхностью, что исключает необходимость применения мер по предупреждению адгезии расплава к нагревателям. При нагреве не происходит принудительного вытеснения расплава в первичный грат. При сварке пленки не образуется так называемый подрез по границе шва, возникающий при контактной сварке нагретым инструментом.

...