Зварювання пластику

25.09.2015

Зварювання пластмас

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

Зварювання пластику

Зварювання пластмас

Зварювання пластику

Зварювання пластмас

Існує велика кількість способів зварювання пластиків. Всі їх можна умовно розділити на дві групи: з’єднання деталей шляхом нагрівання їх поверхонь до в’язкотекучого стану і зварювання без нагрівання або з нагріванням, але нижче температури вязкотекучести — з допомогою розчинників.

Найбільше поширення отримала зварювання з нагріванням до температури вязкотекучести. В залежності від виду споживаної енергії, способу її перетворення і введення в контактну зону, існують наступні види зварювання 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 з допомогою тепла, полімери поділяються на термопласти і реактопласти. Перші при нагріванні до в’язкотекучого 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 переробки у виріб, під впливом нагрівання зазнають незворотних змін 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 зварюваних 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 вязкотекучому стані відбувається перемішування шарів розплаву, внаслідок чого межа розділу зникає, і забезпечується більш висока міцність з’єднання, ніж при високоеластому стані. З’єднання утворюється швидко, особливо при таких видах зварювання, як ультразвукова та високочастотна.

Зварювання нагрітим інструментом

найпростішим способом підведення теплової енергії є контакт зварюваних поверхонь пластмас з нагрітим інструментом. Завдяки простоті технологічного процесу, дешевизні обладнання та 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 (розплавлення) поверхонь, що з’єднуються щільно притиснутим нагрітим інструментом для зварювання;
  • контакт нагрітих поверхонь зварюваних деталей з певним зусиллям і витримка під тиском до охолодження деталей.

Зварювання пластику

Етапи зварювання полімерних труб

Розігрів має обов’язково приводити до оплавлення торців зварюваних 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 зварюваних деталей повинно бути якомога менше, інакше знижується міцність шва з-за швидкого охолодження зварюваних поверхонь.

основними технологічними параметрами зварювання пластмас нагрітим інструментом відносяться:

  • температура нагрівача;
  • тривалість нагрівання;
  • тиск оплавлення (зусилля притискання інструмента до деталі);
  • тиск опади (зусилля стиснення зварюваних деталей);
  • тривалість витримки тиску після зварювання.

У нижченаведеній таблиці наведено приблизні параметри режиму зварювання поліпропіленових та поліетиленових труб нагрітим інструментом.

Зварювання пластику

Режим зварювання поліпропіленових та поліетиленових труб

Перед зварюванням контактуючі поверхні деталей необхідно очистити від сторонніх речовин та забруднень, 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 нагрівачами. В останньому випадку в соединяемую частина (електромуфту, наприклад) закладається нагрівальний елемент (спеціальна металева проволока), нагріваючи при пропусканні через нього електричного струму і плавильника навколишній його полімер.

Обладнання для зварювання нагрітим інструментом. До найбільш простого обладнання для зварювання нагрітим інструментом відносяться зварювальні апарати для зварювання полімерів, призначені для зварювання труб встик і врозтруб. Перші використовуються для оплавлення плоских поверхонь, найчастіше торців труб при стиковому зварюванні. Проте їх можна використовувати для зварювання будь-яких деталей, що мають плоску контактну поверхню.

Зварювання пластику

Апарати для зварювання полімерних труб встик

Зварювання пластику

Апарат для зварювання полімерних труб врозтруб

Робота зі зварювальними апаратами для зварювання встик проста. Після встановлення 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 стані до охолодження шва (докладніше див. у статті Зварювання поліетиленових труб ).

У апаратів для зварювання врозтруб відбувається розігрів зовнішньої поверхні труби і внутрішньої поверхні фітинга або розтруба труби. Діаметри нагрівальних втулок (муфт) і штифтів (дорнов) підібрані таким чином, щоб при з’єднанні труби з фітингом забезпечувався натяг, необхідний для утворення міцного і герметичного з’єднання. Після встановлення температурного режиму і розігріву інструменту, з’єднуються деталі трубопроводу встановлюються з двох сторін на нагріту оправлення — фітінг надівається на штифт (дорн), труба вставляється у втулку (муфту). Після витримки необхідного для нагріву часу, деталі знімаються з оправки і з’єднуються один з одним (докладніше див. у статті Зварювання поліпропіленових труб ).

Нерідко для зварювання пластмас використовують звичайні електропаяльники, які особливо добре підходять для розігріву кромок маленьких деталей.

Зварювання нагрітим газом

Під час зварювання нагрітим газом, розігрів з’єднуваних деталей здійснюється теплом газів, що виходять з сопла пальника або термофеном (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 піддаються впливу кисню, найбільш високу міцність з’єднання забезпечують азот і аргон.

Завдяки дешевизні обладнання, можливості з’єднувати деталі будь-яких розмірів і конфігурацій, простоти 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 та ін

Технологія зварювання пластмас нагрітим газом передбачає два способу отримання з’єднання: з застосуванням присадного матеріалу і без 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.

Зварювання пластику

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

основними технологічними параметрами зварювання нагрітим газом із застосуванням присадного матеріалу відносяться:

  • витрата і температура газу;
  • матеріал і розміри перерізу 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 вязкотекучести 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 з-за його опади при укладанні в шов. При цьому в шві виникають внутрішні напруги з-за поздовжнього стиснення, і пруток згинається з утворенням на його поверхні хвилі. Міцність зчеплення арматури з кромками зменшується, і його можна легко відокремити. Перед зварюванням пруток нагрівають, відгинають під прямим кутом і охолоджують на повітрі.

Зварювання пластику

Нахил присадочного прутка

Зварювання пластику

Зварювання 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 зварювального матеріалу і його товщини і може становити від 4 до 15 м/ч.

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

Пальника і термофени. В якості обладнання для зварювання нагрітим газом застосовуються газові пальники і термофени, в яких газ-теплоносій нагрівається в результаті згоряння пального газу або від нагрівального елемента, за яким пропускається електричний струм. Зварювання 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 у корпус самого фена.

Зварювання пластику

Термофен з вентилятором і термофен з подачею газу від зовнішнього джерела

Для оптимального розподілу газу по зварному шву застосовуються різні насадки.

Зварювання екструдером

Зварювання пластику

Схема роботи зварювального екструдера

Зварювання пластику

Зварювальний екструдер

Для того щоб зварювання могла здійснюватися, температура вихідного розплаву повинна бути на 40-50°C вище температури текучості матеріалу, що зварюється.

Схема зварювання розплавом може бути безконтактної і контактно-екструзійної. При першій апарат для зварювання не контактує із зварюваними деталями, накочення присадки здійснюється притискним роликом. При контактно-екструзійної зварюванні сопло інструменту стосується деталей, що з’єднуються. При такій схемі зменшуються втрати тепла, забезпечується теплопередача від інструменту до зварюваних деталей (в доповнення до тепла присадки) і не потрібні додаткові притискні пристрої.

Зварювання пластику

Схема безконтактної (а) і контактно-екструзійної (б) зварювання розплавом: 1 — мундштук екструдера, 2 — зварювані деталі, 3 — прикатывающий ролик.

Зварювання поліетилену і поліпропілену

За різноманітністю областей застосування і масштабами промислового виробництва, поліетилену і поліпропілену належить перше місце 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 та поліетилену підходять не всі способи зварювання. Зокрема, неможлива зварювання поліетилену і поліпропілену струмами високої частоти — з-за особливостей поведінки їх молекул у високочастотному електричному полі. Не зварюються вони і розчинниками — з-за слабкого набухання в них.

Для поліетилену, що відноситься до м’яких пластмас, не підходить ультразвукове зварювання з-за малого модуля пружності і високого значення коефіцієнта згасання ультразвукових коливань.

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

Зварювання пластмас з допомогою розчинників

Зварювання розчинниками являє собою ряд послідовних операцій: змочування поверхонь, що з’єднуються розчинником, очікування поки полімер набухне і стане липким, приведення деталей в контакт і витримка під тиском до того моменту, коли шов затвердіє. Зварювання пластмас з 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 губки або повстяною прокладці, попередньо просоченої розчинником. Кількість розчинника має 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 з’єднуються матеріалів. Для прискорення випаровування розчинника може бути використаний нагрів деталей.

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

Зварювання з допомогою розчинника — відносно простий і недорогий метод, але з-за шкоди розчинників для здоров’я він застосовується тільки в тих випадках, коли інші методи зварювання непридатні.

Відео:

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

Короткий опис статті: пайка пластмаси

Джерело: Зварювання пластику

Також ви можете прочитати