Напишите нам

Сварка полимерных материалов (часть 1)

Сварка полимерных материалов — один из методов создания неразъемного соединения элементов конструкции. В результате сварки между соединяемыми поверхностями исчезает граница раздела, превращаясь в размытый переходный слой. Прочность соединения обусловливают возникающие в этом слое силы межатомного и межмолекулярного взаимодействия. В случае сварки линейных или разветвленных полимеров (термопластов и термоэластопластов) переходный слой образуется в результате диффузии макромолекул полимера, которая возможна при переходе полимера в вязко текучее состояние. Последнее реализуется при нагревании свариваемых материалов или при действии на них растворителя. В соответствии с этим различают диффузионную тепловую сварку и диффузионную сварку с помощью растворителя. Прочное сварное соединение лестничных или трехмерных полимеров, которые невозможно перевести в расплав или раствор, может быть образовано при химическом взаимодействии макромолекул между собой или с введенным в зону сварки сшивающим агентом. Такой способ создания соединения называется химической сваркой Его используют также для сварки некоторых кристаллических или ориентированных термопластов, когда стремятся в максимальной степени предотвратить нарушение структуры свариваемых материалов.

Источники нагрева при сварке— нагретые газ, инструмент, присадочный материал или тепло, генерируемое в материалах в результате преобразования различных видов энергии — токов высокой частоты (ТВЧ), ультразвука, трения, ИК- или лазерного излучения.
Сварку предпочитают другим методам создания неразъемного соединения полимерных материалов (склеиванию, креплению заклепками, при формовке, прессовой посадке) в тех случаях, когда:

  • соединяемые детали изготовлены из одинаковых материалов или из материалов с близкими значениями плотности энергии когезии;
  • недопустимо присутствие чужеродных по отношению к соединяемым материалам крепежных элементов или клеевых прослоек;
  • важнейшими требованиями к процессу являются высокая производительность и возможность механизации и автоматизации. Неразъемность сварных узлов, трудности, возникающие при соединении разнородных материалов, а также низкая прочность швов при расслаивающих нагрузках ограничивают применение сварки.

Диффузионная сварка

Основные параметры диффузионной тепловой сварки— температура нагрева материала (Гц), продолжительность и давление контакта. Гц связана с временем нагрева Тц принципом температурно-временной суперпозиции: Тн=То ехр (В/ПТ^), где Тд—величина, имеющая размерность времени; О — энергия активации диффузии сегментов макромолекулы; напр., для полиэтилена низкой плотности она равна 21 кдж/молъ (5 ккал/молъ) для поливинилхлорида с различным содержанием пластификатора — 38—51 кдж/ моль (9—15 ккал/молъ). Приведенная формула позволяет определять режим сварки, обеспечивающий необходимую прочность соединения.

Гн варьируют в пределах от темп-ры текучести полимера (Гт) до темп-ры, при к-рой начинается его интенсивная деструкция (Гд). Продолжительность и давление контакта зависят от реологических характеристик (вязкости) материала в указанном интервале температур. При высокой вязкости материала затруднено диффузионное движение макромолекул и, следовательно, достижение необходимого контакта между соединяемыми поверхностями. В этом случае используют присадочный материал, которым заполняют полость сварного шва. Таким материалом служит обычно полимер того же состава, что и в соединяемых деталях, но содержащий пластификатор или имеющий меньшую молярную массу, благодаря чему облегчается его диффузия в граничные слои свариваемых деталей. Разнородные полимерные материалы сваривают при помощи слоя статистического сополимера, содержащего в макромолекуле звенья, которые входят в состав макромолекул обоих соединяемых полимеров.

Сварку можно считать завершенной, как только по всей поверхности соединения будет достигнут молекулярный контакт. При сварке деталей из аморфно-кристаллических полимеров с низкой молярной массой или при использовании присадочного материала (особенно размягченного в результате предварительного нагрева) сварное соединение образуется при низких давлениях практически мгновенно после разогрева шва до температуры сварки.

Нагрев выше Тт при диффузионной сварке ориентированных термопластов обусловливает их разориентацию в зоне шва; охлаждение шва при сварке кристаллических термопластов сопровождается перекристаллизацией материала. Связанное с этим отличие структуры полимера в зоне шва от его структуры в остальном объеме материала может привести к снижению прочности шва в условиях эксплуатации конструкции: при перепадах температуры, контакте с жидкими средами и др.

Локальность нагрева материала (теплоизоляционного по своей природе и имеющего высокий температурный коэффициент объемного расширения) при тепловой сварке или сильное набухание полимера только в зоне шва при сварке с помощью растворителей приводит к тому, что в слоях материала, расположенных в зоне шва, возникают остаточные напряжения, которые постепенно уменьшаются вследствие релаксационных процессов. По этой причине сварные изделия часто передают на эксплуатацию спустя некоторое время после их изготовления. Продолжительность выдержки (иногда до нескольких суток) зависит от типа свариваемого материала, конструкции изделия, условий его хранения и др. Многие эксплуатационные характеристики изделий, получаемых тепловой сваркой, могут снижаться вследствие деструкции полимера в зоне шва или интенсивного расхода стабилизатора, который предотвращает этот процесс.

Термоокислительную деструкцию предупреждают при проведении сварки в инертной среде; расход стабилизатора компенсируют, вводя в зону шва большее его количество, чем в основной материал. Улучшению качества соединений способствует также нагрев только зоны соединяемых поверхностей, термообработка сварных изделий при температуре, близкой к температуре стеклования полимера. введение в зону шва способствующих повышению его прочности структурообразователя и (или) наполнителя.

Сварка нагретым газом.

Соединяемые поверхности нагревают струей разогретого газа и приводят в контакт с нагретым той же струей присадочным материалом или друг с другом. Сваркой с применением присадочного материала соединяют детали из поливинилхлорида, полиолефинов, полиметилметакрилата, полистирола, полиамидов, пентапласта, полиформальдегида. В присадочный материал в виде прутка круглого, прямоугольного или треугольного сечения из того же полимера, что и в свариваемых деталях, может быть добавлен пластификатор (3—10% от массы композиции). Непластифицированный материал предпочтителен при изготовлении изделий, работающих в агрессивных средах и при повышенных температурах.

Для сварки толстостенных изделий за один цикл применяют цилиндрич. прутки диаметром до 10—20 мм. Прутки в виде лент толщиной 1 мм и шириной 10—15 мм используют при сварке тонких листов встык с накладкой, назначение которой — упрочнение и герметизация сварного шва. Размер прутка треугольного сечения соответствует размерам полости между скошенными свариваемыми кромками (так называемая разделка шва). Подготовку к сварке встык проводят в соответствии с рекомендациями, приведенными в табл. 1.

Таблица 1. Условия подготовки листовых термопластов при сварке встык нагретым газом
Термопласты Толщина свариваемых
матер., мм
предвар. обработ.
матер.
Угол
скашивания
стыкуем.
кромок *
Диаметр
присадоч.
прутка,мм
V -шов Х-шов
Полиофелины <5 >3 Cнятие окислов поверхности 25-30 2
Полиметилметакрилат <4 >4 - 25-30 4-6
Полиамиды <6 >4 Выдержка
10 ч при 80 С
20-25 2,5
Жесткий поливинилхлорид <5 >5 - 30-35 3**
* При механизированной сварке угол cкашивания 25°.
** Прутки диаметром < 3 мм пригодны для С. листов толщиной до 2 мм.

Скашивание кромок в этом случае, как и при получении угловых и тавровых швов, повышает прочность соединения. При сварке внахлестку и встык с накладкой кромки не скашивают. При получении стыковых и угловых швов между краями деталей оставляют по всей их толщине зазор 0,5—1мм. Заключительную операцию сварки У-образного шва совершают с обратной стороны детали (со стороны корня шва), предупреждая этим образование в шве участков, не заполненных присадочным материалом

Газом-теплоносителем чаще всего служит воздух; при сварке термопластов, которые подвержены сильной термоокислительной деструкции,— главным образом азот. Температура газа на выходе из сопла сварочного аппарата должна быть на 50—100 ?С выше, чем температура полимера, т. к. на участке между соплом и свариваемой поверхностью теплоноситель охлаждается. Давление газа составляет 35— 100 кн/м2 (0,35—1,0 кгс/см2). С увеличением диаметра присадочного прутка в пределах 2—4 мм усилие, оказываемое рукой на присадочный материал (оно м. б. определено с помощью динамометра), повышают от 10 до 20 н (от 1 до 2 кгс) при сварке полиолефинов и полиамидов и от 15 до —40 н (от 1,5 до 4,0 кгс) — при сварке жесткого поливинилхлорида. Для мягких присадочных прутков, не выдерживающих осевого давления, применяют прикаточные ролики; усилие прижима, оказываемого рукой, составляет 10—30 н (1—3 кгс). Скорость укладки прутка (обычно 0,1—0,2 м/мин), зависящая от температуры газа, с увеличением диаметра прутка уменьшается, однако общая скорость заполнения шва (скорость сварки) при этом возрастает.

Сварка нагретым газом с применением присадочного материала распространена при изготовлении химической аппаратуры, в частности при футеровке электролизных и травильных ванн, а также при стыковке труб, листов линолеума и др. Для ее осуществления применяют различную по конструкции аппаратуру, в которой газ-теплоноситель нагревают при помощи электроэнергии или газового пламени. Недостатки этого метода — низкая производительность, высокая стоимость работ, сложность поддержания постоянных режимов сварки.
Повышению производительности процесса в 3—4 раза (иногда в 5—10 раз) способствует предварительный подогрев основного и присадочного материалов до темп-ры, близкой к Тт. Такая сварка называется скоростной, идет при более высоких температурах теплоносителя; расход газа в этом случае на 5—10 л/мин больше, чем при сварке без подогрева. Скоростная ручная сварка удобна для изготовления протяженных швов на плоских и цнлиндрич. поверхностях. При использовании предварительно подогретого прутка, сечение к-рого соответствует профилю шва, возможна сварка за один прием, т. е. отпадает необходимость в укладке нескольких прутков.

Скоростной сваркой надежно соединяют полиэтилен высокой плотности и полипропилен. Для ее осуществления созданы ручные, полуавтоматические и автоматические сварочные аппараты. В двух последних обеспечивается регулирование скорости и направления подачи присадочного материала, а также температуры нагрева. Скорость сварки возрастает при использовании устройства непрерывного действия, включающего два последовательно расположенных аппарата: с помощью одного заваривают корень шва, с помощью другого заполняют основную полость шва двумя прутками. При этом получают соединение высокого качества, поскольку основной материал нагревается до температуры сварки только один раз.

Сварка нагретым газом без применения присадочного материала возможна по периодичной или непрерывной схеме. В первом случае соединяемые поверхности нагревают целиком, во втором — последовательно их отдельные участки. Один из вариантов сварки по периодичной схеме состоит в следующем: соединение с максимальной прочностью образуется при непрерывной сварке «на ус». При сварке листовых термопластов внахлестку возможно такое перемещение клиновидного наконечника сварочного аппарата, при котором осуществляется контактный подогрев поверхностей. Для соединения последних целесообразно использовать прикаточные ролики. Прочность сварных соединений, получаемых без применения присадочного материала, выше, чем при его применении. Скорость сварки может достигать 0,25— 0,30 м/мин. Метод используют главным образом для соединения плоских изделий прямолинейным швом. Сварка пленок может быть выполнена при подводе тепла к внешним поверхностям свариваемого пакета или к кромкам сложенного пакета, выступающим над поверхностью ограничительных (прижимных) губок. В последнем случае пленки часто оплавляют открытым пламенем; скорость соединения может достигать десятков м/мин.

Сварка нагретым инструментом.

Соединяемые детали нагреваются в результате контакта с металлическими брусками, лентами, дисками, пластинками или с др. инструментом. Нагретые детали спрессовывают, а затем охлаждают. Инструментом может быть нагрета внешняя поверхность деталей или сами соединяемые поверхности. В первом случае различают контактно-тепловую сварку прессованием (детали нагревают и спрессовывают одновременно) и термоимпульсную сварку

При контактно-тепловой сварке прессованием используют постоянно нагретый инструмент с большой теплоемкостью. Детали нагревают с одной или с двух сторон (двухсторонний нагрев облегчает сварку). Необходимая температура в месте сварки толстостенных деталей устанавливается лишь спустя некоторое время (доли ч) после их соприкосновения с инструментом. Длительность разогрева материала в месте соединения уменьшается до нескольких мин при использовании инструмента, нагретого на 20—50°С выше Т т полимера (в зависимости от толщины детали). Однако при этом повышается опасность термодеструкции полимера. Перегрев поверхности нежелателен также и потому, что инструмент, оказывая давление на размягченный материал, деформирует его в зоне шва. Деформирование уменьшают, применяя ограничители хода инструмента или распределяя давление на зону, ширина которой превышает ширину зоны шва. Чтобы исключить прилипание пластмассы к инструменту, применяют разделительные прокладки из фторопласта-4, полиимида, целлофана. Охлаждение под давлением предупреждает коробление изделий, но процесс значительно удлиняется; поэтому такую технологию применяют главным образом в мелкосерийном производстве, при ремонтных работах, а также при сварке фторопласта-4 (в промышленных условиях этот полимер сваривают только таким методом).

Детали могут быть соединены одновременно по всей поверхности шва; протяженные швы образуются в результате ряда последовательных операций. Для непрерывного получения шва значительной длины, напр. при сварке пленочных изделий, может быть использована как ручная, так и механизированная сварка. В первом случае применяют инструмент в виде полоза, во втором—в виде роликовых или ленточных устройств. Использование последних дает возможность охлаждать сварной шов перед снятием давления. Контактно-тепловой сваркой прессованием получают след. типы швов: стыковые с накладкой, нахлесточные, «на ус» и Т-образные. Помимо фторопласта-4, этим способом сваривают полиметилметакрилат, полистирол, полиамиды, поливинилхлорид, полиолефины, полиимиды.

Для термоимпульсной сварки используют малоинерционный нагреватель (ленту или проволоку), через который периодически пропускают электрич. ток. При его отключении сварной шов быстро охлаждается. Наиболее распространенная схема термоимпульсной сварки применяется для соединения пленок, главрым образом полиолефиновых, толщиной 20—250 мкм.Сварку можно проводить внахлестку или в торец; нахлесточные швы имеют более высокую прочность при растяжении.
При проплавлении свариваемого пакета по всей его толщине (например, нагревателем в виде проволоки) можно одновременно получить два торцевых шва и разделить изделия или отделить припуск материала. Ускорить охлаждение сварного шва в этом случае можно с помощью сжатого воздуха. В зависимости от типа материала и его толщины длительность нагрева составляет от десятых долей сек до нескольких сек, давление — от 10 кн/м2 (0,1 кгс/см2} до 0,2—0,3 Мт^2 (2—3 кгс/см2). Швы длиной более 1,0—1,5 м могут быть получены при шаговом перемещении материала относительно инструмента.

При сварке способом нагрева инструментом соединяемых поверхностей соединение м. б. получено в результате одновременного нагрева всей поверхности шва или последовательного нагрева ее отдельных участков (т. н. непрерывная схема). Первый способ наиболее широко применяют при стыковке труб, плит, профилей и др. полуфабрикатов из жестких термопластов.

Таблица 2. Режимы сварки встык термопластов толщиной 3-5 мм при нагреве инструментом соединяемых поверхностей
Термопласт Т на поверхности нагреват. °C Время нагрева, сек Давление кн/м кв (кг/см.кв)
при нагреве поверхн. при соед. поверхн
Полиэтилен низкой плотности 180±10 45±15 50(0,5) 100(1,0)
Полиэтилен высокой плотности 200±10 45±15 75(0,75) 150(1,5)
Полипропилен 220±10 90±30 75(0,75) 150(1,5)
Жесткий поливинилхлорид 230±10 45±15 75(0,75) 150(1,5)

После того как температура поверхности термопласта достигнет Т, инструмент удаляют и соединяемые поверхности приводят в контакт. Сварной шов охлаждают под давлением. По непрерывной схеме соединяют встык или внахлестку мягкие материалы типа эластичного пенополиуретана, а также различные пленки.

В некоторых случаях нагревательные элементы помещают между соединяемыми поверхностями, нагревают их и оставляют в сварном шве. Если нагрев ведут электрическим током, то в качестве нагревателя применяют спираль из металла с высоким электрическим сопротивлением. Наиболее детально этот способ разработан для соединения труб с фитингами. При нагреве электромагнитным высокочастотным полем используют, кроме металлич. вкладышей, тонкоизмельченную окись железа, которую наносят на соединяемые поверхности или вводят в поверхностные слои детали.

Сварка нагретым присадочным материалом

Присадочный материал поступает из нагревательного устройства в зону соединения, где сплавляется с контактирующими с ним поверхностями, отдавая им часть тепла. Процесс осуществляется по непрерывной или периодической схеме. В первом случае присадочный материал поступает из нагревательного устройства непрерывно. Для получения нахлесточного или прямолинейного стыкового шва на изделиях большой протяженности (пленках, листах, трубах и др.) обычно используют экструдируемый присадочный материал. При получении коротких стыковых швов с У-образной разделкой кромок, напр. при футеровке резервуаров, применяют портативное переносное оборудование типа экструзионного пистолета. Предварительный подогрев соединяемых поверхностей способствует ускорению сварки и повышению качества швов.

По второй схеме нагретый присадочный материал периодически поступает в зазор между деталями, установленными в форме. Для подачи присадочного материала используют устройства типа литьевых машин. Такой способ, называется сваркой литьем под давлением и его применяют при сборке замкнутых емкостей с труднодоступным швом. Для стыковки концов кабелей может быть использовано свободное литье.

Высокочастотная сварка

Способ основан на диэлектрическом нагреве приведенных в контакт свариваемых материалов. Сварка возможна с применением присадочного материала и без него. Достоинства способа связаны с особенностями диэлектрического нагрева — высокой скоростью, равномерностью, возможностью избирательного подвода тепла. Сварка осуществляется между металлическими электродами — обкладками конденсатора, включенного в колебательный контур высокочастотного лампового генератора. Электроды не только подводят энергию к зоне шва, но и выполняют роль элементов, передающих давление на материал и охлаждающих его поверхности. Электродами, повторяющими конфигурацию шва, можно сварить его целиком за одну операцию (так называемая прессовая схема). Последовательным соединением при помощи прямоугольного электрода получают протяженные швы.

Высокочастотной сварке подвергают полимерные материалы, коэффициент диэлектрических потерь которых E>0,01,— поливинилхлорид, поливинилиденхлорид, полиамиды, эфиры целлюлозы, сополимеры фторолефинов, полиакрилаты, полиуретаны. При сварке материалов с E <0,01, например полиолефинов, электроды покрывают одним из перечисленных выше полимеров; такой метод называется контактно-диэлектрической сваркой. Иногда прокладку материала, нагревающегося в поле ТВЧ, вводят между соединяемыми поверхностями.

Сварка полиэтилентерефталатных пленок, полиолефинов и фторопласта-4 возможна без применения таких вспомогательных средств при частотах 80—150 Мгц или при сверхвысоких частотах (>300 Мгц) в поле объемного резонатора с использованием энергии магнетронов.

По прессовой схеме получают нахлесточные или Т-образные швы. При сварке встык применяют схемы с одно-или двухсторонним расположением электродов. Выпускаемые промышленностью высокочастотные сварочные установки не дают возможности регулировать частоту электрич. поля (во время сварки она остается практически постоянной — 27,12 Мгц+/- 1,0% или 40,68 Мгц+/-. 1,0%). Напряженность доля должна обеспечивать температуру, при которой свариваемый материал находится в вязкотекучем состоянии.
Давление сварки р [в н/м2 (кгс/см2)] определяется из уравнения:
Р=( (Тд/ Тш)-1) Кдв b2/t Тд2
где Тд — толщина детали до cварки, м(см), Тш — толщина шва, м(см), Кдв — коэфф. динамич. вязкости материала, н 'сек/м2 (кгс 'сек/см2), t—продолжительность cварки, сек, b — ширина электрода, м(см).

Продолжительность высокочастотной сварки пленок поливинилхлорида — доли секунды, пленок сополимеров фторолефинов и полиамидов — несколько секунд Сварка осуществляется на ручных или стационарных установках прессового или роликового типа, включающих генератор ТВЧ, электрододержатели, механизм привода электродов и устройство для их экранирования.


Rambler's Top100 Яндекс.Метрика