Сварка пластика

Зварювання - найбільш економічний, технологічний, а часто і безальтернативний спосіб з'єднання деталей з пластмас. Сварка пластиків не тільки забезпечує високу якість з'єднань, але і легко реалізується в самих різних умовах - як масового, так і одиничного виробництва, в промисловості та побуті.

Існує велика кількість способів зварювання пластиків. Всі їх можна умовно розділити на дві групи: з'єднання деталей шляхом нагрівання їх поверхонь до вязкотекучего стану і зварювання без використання нагрівання або з нагріванням, але нижче температури вязкотекучесті - за допомогою розчинників.

Найбільшого поширення набула зварювання з нагрівом до температури вязкотекучесті. Залежно від виду споживаної енергії, способу її перетворення і введення в контактну зону, існують такі види сварок пластмас з нагріванням:

• нагрітим газом;
• розплавленої присадкою;
• нагрітим інструментом;
• світловим, інфрачервоним або лазерним випромінюванням;
• ультразвуком;
• тертям;
• струмами високої частоти.

По своїй поведінці при нагріванні і здатності до зварюваності за допомогою тепла, полімери поділяються на термопласти і реактопласти. Перші при нагріванні до вязкотекучего стану не зазнають скільки-небудь істотного хімічного зміни. Їх можна багаторазово нагрівати, доводити до розм'якшення і знову повертати в початковий стан без порушення їх структури і властивостей. Більшість полімером відносяться до термопластів. Реактопласти, при переробці в виріб, під впливом нагрівання зазнають необоротні зміни і назавжди втрачають здатність переходити у в'язкотекучий стан. Їх не можна зварювати нагріванням.

Процес зварювання полімерів складається з декількох послідовних етапів:

• підведення і перетворення енергії, що забезпечує активацію зварювальних поверхонь;
• взаємодії активованих поверхонь при контакті один з одним;
• формування структури матеріалу в зоні контакту.

Стадія взаємодії зварювальних зон є найважливішою для міцності з'єднання. При вязкотекучем стані відбувається перемішування шарів розплаву, в результаті чого межа розділу зникає, і забезпечується більш висока міцність з'єднання, ніж при високоеластичном стані. З'єднання утворюється швидко, особливо при таких видах зварювання, як ультразвукова і високочастотна.

Сварка нагрітим інструментом

Найпростішим способом підведення теплової енергії є контакт поверхонь, що зварюються пластмас з нагрітим інструментом. Завдяки простоті технологічного процесу, дешевизні устаткування і оснащення, зварювання нагрітим інструментом, звана також контактно-теплової або термоконтакной зварюванням, використовується дуже широко. Її застосовують для з'єднання труб, виготовлення різних ємностей, деталей машин, конструкцій і т.п.

Найбільше застосування знайшов спосіб прямого нагріву. З'єднання при ньому утворюється в два етапи:

• розігрів (оплавлення) поверхонь, що з'єднуються щільно притиснутим нагрітим інструментом для зварювання;
• контакт нагрітих поверхонь деталей, що зварюються з певним зусиллям і витримка під тиском до охолодження деталей.

Етапи зварювання полімерних труб

Розігрів повинен обов'язково призводити до оплавлення зварюються торців на певну глибину. При цьому розплавляються всі нерівності, і забезпечується щільний контакт деталей, необхідний для перемішування шарів матеріалу і утворення міцного з'єднання.

Час між видаленням інструменту і стисненням деталей, що зварюються має бути якомога менше, в іншому випадку знижується міцність шва через швидке охолодження поверхонь, що зварюються.

До основних технологічних параметрів зварювання пластмас нагрітим інструментом відносяться:

• температура нагрівача;
• тривалість нагріву;
• тиск оплавлення (зусилля притиснення інструменту до деталі);
• тиск опади (зусилля стиснення зварюваних деталей);
• тривалість витримки тиску після зварювання.

У наступній таблиці наведено приблизні параметри режиму зварювання поліпропіленових і поліетиленових труб нагрітим інструментом.

Режим зварювання поліпропіленових і поліетиленових труб

Перед зварюванням контактують поверхні деталей необхідно очистити від сторонніх речовин та бруду, що перешкоджають з'єднанню - пилу, масла і ін. Для знежирення можуть використовуватися ацетон або спирт. При необхідності застосовується торцювання (зріз нерівностей з'єднуються крайок) з видаленням утворилася стружки.

У деяких випадках рекомендується шляхом механічної зачистки видаляти верхній шар, насичений окисленим полімером і іншими продуктами окислення, що утворилися під дією сонячного світла і кисню повітря.

Крім способу прямого нагріву, коли нагріте інструмент безпосередньо контактує зі зварюваної деталлю, застосовується і зварювання непрямим нагрівом (з використанням проміжного матеріалу, що піддається нагріванню), а також зварювання з закладними нагрівальними елементами. В останньому випадку в з'єднується частина (електромуфти, наприклад) закладається нагрівальний елемент (спеціальна металевий дріт), що нагрівається при пропущенні через нього електричного струму і розплавляє навколишній полімер.

Устаткування для зварювання нагрітим інструментом. До найбільш простому обладнанню для зварювання нагрітим інструментом відносяться зварювальні апарати для зварювання полімерів, призначені для зварювання труб встик і враструб. Перші використовуються для оплавлення плоских поверхонь, найчастіше торців труб при стиковому зварюванні. Однак їх можна використовувати для зварювання будь-яких деталей, що мають плоску контактну поверхню.

Апарати для зварювання полімерних труб встик

Апарат для зварювання полімерних труб враструб

Робота зі зварювальними апаратами для зварювання встик проста. Після установки температурного режиму і розігріву інструменту, підготовлені кромки деталей, що з'єднуються притискаються до розігрітій поверхні з двох сторін. Після розігріву і оплавлення поверхонь, деталі притискаються один до одного з певним зусиллям і витримуються в такому положенні до охолодження шва (докладніше див. У статті Зварювання поліетиленових труб).

У апаратів для зварювання враструб відбувається розігрів зовнішньої поверхні труби і внутрішньої поверхні фітинга або розтруба труби. Діаметри нагрівальних втулок (муфт) і штифтів (дорнів) підібрані таким чином, щоб при з'єднанні труби з фитингом забезпечувався натяг, необхідний для утворення міцного і герметичного з'єднання. Після установки температурного режиму і розігріву інструменту, з'єднуються деталі трубопроводу встановлюються з двох сторін на нагріту оправлення - фітінг надаватися на штифт (Дорн), труба вставляється у втулку (муфту). Після витримки необхідного для нагрівання часу, деталі знімаються з оправлення і з'єднуються один з одним (докладніше див. У статті Сварка поліпропіленових труб).

Нерідко для зварювання пластмас використовують звичайні електропаяльники, оскільки вони дуже добре підходять для розігріву крайок маленьких деталей.

Сварка нагрітим газом

При зварюванні нагрітим газом, розігрів деталей, що з'єднуються здійснюється теплом газів, що виходять з сопла пальників або термофенов (будівельних фенів) різних конструкцій. В якості газу-теплоносія можуть використовуватися повітря, аргон, вуглекислий газ, азот, продукти горіння горючих газів.

Вид використовуваного газу залежить від властивостей зварювальних пластмас. Найбільш економічним є повітря. Для пластмас, сильно схильні до впливу кисню, найбільш високу міцність з'єднання забезпечують азот і аргон.

Завдяки дешевизні обладнання, можливості з'єднувати деталі будь-яких розмірів і конфігурацій, простоті і зручності користування, зварювання нагрітим газом використовується дуже широко. З її допомогою зварюють в основному конструкції з матеріалу товщиною від 1,5 мм - труби, хімічну апаратуру, всілякі ємності тощо.

Технологія зварювання пластмас нагрітим газом передбачає два способи отримання сполуки: із застосуванням присадочного матеріалу і без використання присадочного матеріалу.

У першому випадку в якості присадки використовується пруток діаметром 2-6 мм або смуга. Присадка виготовляється з того ж матеріалу, що і з'єднуються деталі. Іноді для підвищення пластичності і плинності в неї додають пластифікатори.

Схеми зварювання пластмас присадним прутком: а - зварювання без насадки, б - зварювання з насадкою для твердих термопластів, в - зварювання з насадкою для м'яких термопластів, г - зварювання з насадкою для твердих і м'яких термопластів. 1а - стандартне сопло, 1б - продуктивне сопло, 2 - основний матеріал, 3 - притискної ролик, 4 - присадний пруток, 5 - направляючий канал, P - напрямок тиску на присадний матеріал, V - напрямок зварювання.

До основних технологічних параметрів зварювання нагрітим газом з використанням присадочного матеріалу відносяться:

• витрата і температура газу;
• матеріал і розміри перетину присадочного прутка;
• кут нахилу подається в оброблення прутка;
• зусилля притиску присадки;
• кут нахилу пальника до площини деталі;
• швидкість зварювання.

Температура газу на виході з сопла повинна бути на 50-100 ° C вище температури вязкотекучесті зварюваного матеріалу.

Відстань між поверхнею зварного шва і соплом наконечника потрібно підтримувати постійним, рівним 5-8 мм.

При куті нахилу присадочного прутка більше 90 ° пруток, покладений в шов, подовжується (при охолодженні може лопнути). Так зварюють поліпропілен. При куті нахилу менше 90 ° пруток розігрівається швидше основного матеріалу і на ділянці більшої довжини. Витрата прутка збільшується через його опади при укладанні в шов. При цьому в шві виникає внутрішня напруга через поздовжнього стиснення, і пруток згинається з утворенням на його поверхні хвилі. Міцність зчеплення прутка з крайками зменшується, і його можна легко відокремити. Перед зварюванням пруток нагрівають, відгинають під прямим кутом і охолоджують на повітрі.

Нахил присадочного прутка

Сварка нагрітим газом

Кут нахилу осі пальника до площини виробів на початку зварювання повинен становити 55-65 °, в подальшому зменшуватися до 45 °.

Струмінь газу повинна бути спрямована на основний матеріал, оскільки його маса більше маси присадочного матеріалу.

Швидкість зварювання коливається в широких межах в залежності від марки зварюваного матеріалу і його товщини і може становити від 4 до 15 м / ч.

Стикові шви матеріалу товщиною менше 4 мм виконують без оброблення крайок. Відносно більш товстих матеріалів застосовують односторонню або двосторонню оброблення.

Пальники і термофен. Як устаткування для зварювання нагрітим газом застосовуються газові пальники і термофен, в яких газ-теплоносій нагрівається в результаті згоряння горючого газу або від нагрівального елементу, за яким пропускається електричний струм. Сварка пластиків феном, завдяки своїй простоті, зручності користування і дешевизні, широко використовується в домашніх умовах. Термофени бувають двох типів: з подачею газу від зовнішнього джерела (компресора, балона або мережі) і з вентилятором, вмонтованим в корпус самого фена.

Термофен з вентилятором і термофен з подачею газу від зовнішнього джерела

Для оптимального розподілу газу по зварному шву застосовуються різні насадки.

Сварка екструдером

При зварюванні термопластів розплавом, для освіти шва використовується теплота розплавленого присадочного матеріалу, що подається в зону зварювання зі спеціального апарату. В якості останнього використовуються екструдери або пістолети з нагрівачем, через які безперервно подається присадочний пруток.

Схема роботи зварювального екструдера

Для того щоб зварювання могла здійснюватися, температура виходить розплаву повинна бути на 40-50 ° C вище температури плинності зварюваного матеріалу.

Схема зварювання розплавом може бути безконтактної і контактно-екструзії. При першій апарат для зварювання не контактує зі зварюються деталями, накочення присадки здійснюється притискним роликом. При контактно-екструзії зварюванні сопло інструмента стосується деталей, що з'єднуються. При такій схемі зменшуються втрати тепла, забезпечується теплопередача від інструменту до зварюваних деталей (на додаток до тепла присадки) і не потрібні додаткові притискні пристрої.

Схема безконтактної (а) і контактно-екструзії (б) зварювання розплавом: 1 - мундштук екструдера, 2 - деталі, що зварюються, 3 - ущільнюючий ролик.

Сварка поліетилену і поліпропілену

За різноманітністю областей застосування і масштабами промислового виробництва, поліетилену і поліпропілену належить перше місця серед всіх інших термопластів. Це обумовлено цілою низкою чинників - цінними технічними властивостями матеріалів, легкістю їх переробки в різні вироби, наявністю дешевої сировини. Область застосування цих матеріалів величезна: виготовлення труб, плівок, ізоляції, будівельних деталей, контейнерів, ємностей і безлічі інших виробів.

Для поліпропілену і поліетилену підходять не всі способи зварювання. Зокрема, неможлива зварювання поліетилену і поліпропілену струмами високої частоти - через особливості поведінки їх молекул в електричному високочастотному полі. Чи не зварюються вони і розчинниками - через слабке набухання в них.

Для поліетилену, що відноситься до м'яких пластмас, не підходить ультразвукове зварювання через малого модуля пружності і високого значення коефіцієнта загасання ультразвукових коливань.

Найбільш широко для зварювання поліпропілену і поліетилену застосовується зварювання нагрітими інструментами, газами і розплавленої присадкою (екструдерами).

Сварка пластмас за допомогою розчинників

Сварка розчинниками є ряд послідовних операцій: змочування поверхонь, що з'єднуються розчинником, очікування поки полімер набрякне і стане липким, приведення деталей в контакт і витримка під тиском до того моменту, коли шов затвердіє. Сварка пластмас за допомогою розчинників зазвичай використовується для з'єднання пластмасових деталей з аморфних термопластів, так як частково кристалічні термопласти мають хорошу стійкість до дії розчинників.

Обидві пластмасові деталі просто притискають до губці або повстяної прокладці, попередньо просоченої розчинником. Кількість розчинника повинно бути мінімальним, щоб виключити утворення патьоків і можливо тріщин. Після нанесення розчинника пластмасові вироби повинні бути негайно приведені в контакт і витримані в такому стані короткий час для набухання без надмірної втрати легколетучего розчинника. Потім деталі стискаються і під тиском перебувають протягом необхідного часу, від декількох секунд до декількох хвилин в залежності від конструкції з'єднання і обраного розчинника. Після, протягом декількох годин з'єднання досягає міцності матеріалів, що з'єднуються. Для прискорення випаровування розчинника може бути використаний нагрів деталей.

Підлягають з'єднанню за допомогою розчинника пластикові вироби повинні бути відлиті під тиском з мінімальними залишковими напруженнями, і вони в багатьох випадках піддаються відпалу перед складанням. Литники повинні бути розташовані далеко від зон з'єднання.

Сварка з допомогою розчинника - відносно простий і недорогий метод, але через шкоду розчинників для здоров'я він застосовується тільки в тих випадках, коли інші методи зварювання непридатні.

При використанні змісту даного сайту, потрібно ставити активні посилання на цей сайт, видимі користувачами і пошуковими роботами.