Бокарев Д.И. Сварка пластмасс и склеивание металлов - файл n1.doc

приобрести
Бокарев Д.И. Сварка пластмасс и склеивание металлов
скачать (1277.7 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc5900kb.13.03.2006 20:57скачать

n1.doc

  1   2   3   4   5   6   7

_________________________________________________________________ _________________________________________________________________



Д.И. Бокарев




СВАРКА ПЛАСТМАСС

И СКЛЕИВАНИЕ МЕТАЛЛОВ



Учебное пособие





Воронеж 2004



МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Воронежский государственный технический университет
Д.И. Бокарев

СВАРКА ПЛАСТМАСС


И СКЛЕИВАНИЕ МЕТАЛЛОВ

Утверждено Редакционно-издательским советом

университета в качестве учебного пособия

Воронеж 2004
УДК 621.791.46:621.792 (075.8)
Бокарев Д.И. Сварка пластмасс и склеивание металлов: Учеб. пособие. Воронеж: Воронеж. гос. техн. ун-т, 2004. 172 с.
В учебном пособии приведены основные сведения о полимерах, рассмотрены способы сварки пластмасс, вопросы склеивания металлов и выполнения клеесварных соединений.

Данное издание предназначено для студентов специальности 120500 «Оборудование и технология сварочного производства».
Табл. 17. Ил. 71. Библиогр.: 44 назв.


Научный редактор д-р техн. наук, проф. В.В. Пешков

Рецензенты: ОАО «Воронежский экскаватор»;

зам. главного металлурга ВАСО,

д-р техн. наук, проф. А.Б. Коломенский

© Бокарев Д.И., 2004

© Оформление. Воронежский

государственный технический университет, 2004

В
3
ВЕДЕНИЕ



В настоящее время практически нет области, в которой не использовались бы пластмассы. Это не только машиностроение, но и строительство, приборостроение, радиоэлектроника, пищевая промышленность, медицина и т.д. При изготовлении конструкций из полимеров используются различные способы: штамповка, литье, обработка резанием и др. Особое место среди них занимает сварка пластмасс.

Некоторые способы сварки пластмасс аналогичны способам сварки металлов или схожи с ними по своей сущности и природе образования соединений (например, сварка нагретыми газами, экструдируемой присадкой, трением), однако имеют, безусловно, определенные особенности технологии. Другие характерны исключительно для соединения полимеров.

Наряду со сваркой, в технике как метод соединения деталей часто используется склеивание. Соединения на современных клеях имеют высокие показатели прочности, обладают достаточной температурной и коррозионной стойкостью, герметичностью. Склеивание позволяет соединять разнородные материалы и разнотолщинные детали сложной конфигурации. Область применения склеивания также довольно обширна. В данном учебном пособии рассматриваются в основном вопросы склеивания металлов, но приведенные материалы практически в равной степени относятся и к склеиванию пластмасс.

Кроме того, при соединении металлов применяются клеесварные соединения (объединение процессов контактной точечной сварки и склеивания), которые позволяют в значительной степени избежать недостатков, присущих каждому из методов в отдельности и максимально сочетают в себе многие преимущества сварки и склеивания.

_______________

* На обложке фотография машины ROWELD Р 315 W2 для сварки пластмассовых труб под углом (фирма «ROTHENBERGER», Германия) [www.olmax.ru].

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПОЛИМЕРАХ
Применение пластмасс связано с их ценными физико-механическими свойствами – диэлектрической прочностью, стойкостью к агрессивным средам, прозрачностью, малым весом, высокой механической прочностью. Их используют не только как заменители металлов и других материалов, но и как самостоятельные конструкционные материалы. Применение пластмасс позволяет снизить трудоемкость изготовления и себестоимость изделий.

Область применения пластмасс довольно широка. Из пластмасс изготавливают подшипники скольжения, зубчатые и червячные колеса, технологическую оснастку, детали различных транспортных средств, защитные оболочки, трубопроводы. Пластмассы широко используются в электротехнической, радиоэлектронной, пищевой промышленности, в строительстве и медицине.

Основой пластмасс (пластических масс) являются высокомолекулярные соединения, состоящие из гигантских молекул линейной, разветвленной или пространственной (сетчатой) структуры (рис.1). В большинстве случаев эти молекулы содержат многократно повторяющиеся структурные элементарные звенья (группы атомов), соединенные силами химической связи. Такие вещества называют полимерами, а исходные низкомолекулярные продукты - мономерами.




Термин «полимер» впервые введен шведским химиком Й. Я. Берцелиусом в 1833 г.

Пластмассы получают преобразованием естественных продуктов (природные или биополимеры – белки, нуклеиновые кислоты, натуральный каучук) или в большинстве случаев синтетическим путем (полиэтилен, полиамиды, эпоксидные смолы, получаемые методами полимеризации1 и поликонденсации2). Из биополимеров построены клетки всех живых организмов. По природе различают органические, элементоорганические и неорганические полимеры. В органических полимерах молекулярные цепи образуются в основном из атомов углерода, в полуорганических – в основных цепях находятся неорганические вещества (фтор, кремний, кислород), а органические группы образуют побочные цепи.

Свойства полимера зависят от его структуры и типа связи, действующей в нем. Вдоль цепи полимера действуют химические связи, которые обеспечивают высокую прочность цепи. Отдельные цепи между собой связаны межмолекулярными (Ван-дер-Ваальса) силами. Эти связи слабее химических. Однако в больших молекулах, вследствие большой их длины, молекулярные связи становятся настолько прочными, что оказывается легче разорвать молекулу, чем оторвать одну от другой. Наличие в цепях разветвлений приводит к ослаблению межмолекулярных сил и тем самым – к понижению температуры размягчения полимера. Пространственные структуры получаются в результате химической связи (сшивки) отдельных цепей полимеров или в результате поликонденсации или полимеризации.




1 ПОЛИМЕРИЗАЦИЯ - метод синтеза полимеров, при котором взаимодействие молекул мономера не сопровождается обычно выделением побочных низкомолекулярных соединений. Этим методом получают полиолефины, полистирол, полиакрилаты, большинство каучуков.

2 ПОЛИКОНДЕНСАЦИЯ - метод синтеза полимеров, при котором взаимодействие молекул мономера сопровождается обычно выделением побочных низкомолекулярных соединений, например воды, спирта. Используется для получения полиамидов, синтетических смол, кремнийорганических полимеров.

Большое значение для свойств «сшитого» полимера имеет частота поперечных связей. Если эти связи располагаются сравнительно редко, то образуется полимер с сетчатой структурой. Полимеры с линейной структурой молекул хорошо растворяются, так как молекулы растворителя могут внедряться в промежутки между макромолекулами и ослаблять межмолекулярные силы. Полимеры с сетчатой структурой нерастворимы, они лишь набухают. При частом расположении связей полимер становится практически нерастворимым и неплавким.

В зависимости от расположения и взаимосвязи макромолекул полимеры могут находиться в аморфном (с неупорядоченным расположением молекул) или кристаллическом (с упорядоченным расположением молекул) состоянии. При переходе полимеров из аморфного состояния в кристаллическое повышается их прочность и теплостойкость.

По числу компонентов все пластмассы подразделяют на простые и композиционные. Простые (полиэтилен, полистирол и т.д.) состоят из одного компонента – синтетической смолы, композиционные (фенопласты, аминопласты и др.) – из нескольких составляющих, каждая из которых выполняет определенную функциональную роль. В композиционных пластмассах смола является связующим для других составляющих. Содержание связующего в пластмассах составляет 30 – 70 %.

В большинстве случаев пластмассы представляют собой сложные многокомпонентные смеси. В них, помимо высокомолекулярной основы полимера или связующего, входят различные наполнители, пластификаторы, красители, стабилизаторы и другие специальные добавки. Свойства применяемого полимера в значительной степени определяют важнейшие технические свойства пластмасс: электрическое сопротивление, теплоемкость, водостойкость и др. Полимеры обеспечивают монолитность материала и сообщают всей композиции свойства пластичности, характерные для пластмасс.

В пластмассах используют волокнистые и порошкообразные наполнители, увеличивающие механическую прочность получаемых пластмасс. Наполнители уменьшают усадку пластмасс при прессовании из них изделий, позволяют снизить стоимость композиции. С помощью наполнителей можно регулировать диэлектрические свойства пластмасс. В некоторых случаях применяют полимеры без наполнителей (для литых, прозрачных, высокочастотных изоляционных изделий).

Пластификаторы повышают эластичность композиций и улучшают свариваемость пластмасс, но ухудшают механические свойства соединений.

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

Пластмассы могут также содержать смазывающие вещества, увеличивающие текучесть, уменьшающие трение между частицами композиций, устраняющие прилипание к пресс-формам; катализаторы, ускоряющие отвердение пластмасс.

При изготовлении газонаполненных пластмасс (пенопластов и поропластов - первые содержат преимущественно замкнутые, вторые - сообщающиеся поры), в полимеры вводят газообразователи - вещества, которые разлагаются при нагревании с выделением газообразных продуктов. Особый вид газонаполненных пластмасс - синтактические пены, наполнителями в которых служат полые сферические частицы (из синтетических полимеров, стекла и др.), равномерно распределенные в полимерном связующем. Отличаются малой плотностью, хорошими тепло-, звуко- и электроизоляционными свойствами. Применяются в производстве плавучих средств, в качестве тепло- и звукоизоляционного заполнителя облегченных многослойных конструкций, электроизоляции кабелей, фильтров для газов и жидкостей, амортизационного материала. Наиболее широко используются газонаполненные пластики на основе полиуретанов, полистирола, поливинилхлорида.

Многие пластмассы не подвергаются электрохимической коррозии и очень стойки при воздействии различных химически агрессивных сред. Пластмассы хорошие диэлектрики в условиях постоянного и переменного тока. Их широко применяют как высокочастотные диэлектрики. Созданы полимеры, обладающие полупроводниковыми и магнитными свойствами.

Пластмассы обладают достаточно высокими механическими свойствами и позволяют снизить вес конструкции, сохранив ее прочностные характеристики (табл.1). Кроме того, пластмассы имеют высокие антифрикционные свойства.

Могут быть изготовлены прозрачные пластмассы, пропускающие свет в широком диапазоне волн (в частности, ультрафиолетовые). Пластмассы хорошо окрашиваются в любой цвет, как по всему объему, так и по поверхности.

Основными технологическим свойствами пластмасс являются текучесть, усадка, скорость отвердения (реактопластов) и термостабильность (термопластов).

Таблица 1

Свойства сплавов и пластмасс

Материал

Плотность,

г/см3

Предел прочности при растяжении, МПа

Сталь

8,0

1254

Чугун

8,0

147

Дюралюминий

2,4

382

Полипропилен

0,91

27 – 38

Полистирол

1,05

30 – 65

Полихлорид

1,7

686

Винипласт

1,38

559

Полиэтилен

0,91 – 0,96

9 – 33

Поливинилхлорид

1,38 – 1,25

5 – 65

Полиуретан

1,2

< 500

Полиамиды

1,07 – 1,14

50 – 85

Поликарбонат

1,2

65 – 75

Полиметилметакрилат

1,18

68 – 76

Политетрафторэтилен

2,1 – 2,2

100 – 500

Свойства пластмасс существенно отличаются от свойств металлов в процессе их деформирования при комнатной и повышенной температурах. При комнатной температуре характерен особый вид зависимости между деформацией и усилием, ее вызывающим. В отличие от металла, для пластмасс характерна значительная протяженность участка от начала текучести до разрушения. Другое отличие – сравнительно малая твердость пластмасс и отсутствие закономерной зависимости между твердостью и прочностью при разрыве, характерной, например, для стали.

П
9

Общие сведения о полимерах
ри нагреве и действии постоянной нагрузки высокомолекулярные полимеры характеризуются тремя состояниями, соответствующими различным температурным интервалам: стеклообразным I, высокоэластичным II и пластическим III (вязкотекучим) (рис.2). При повышении температуры до температуры стеклования (Тс) деформация при постоянной нагрузке практически не изменяется. Дальнейшее повышение температуры приводит к резкому увеличению деформации до определенного предела, после которого она остается почти постоянной до температуры Тт, называемой температурой текучести (табл.2). В интервале температур Тс – Тт деформация имеет обратимый характер. Ниже температуры стеклования пластмассы ведут себя как хрупкий материал, в интервале температур Тс – Тт – как высокоэластичный материал, выше температуры текучести – как высоковязкая жидкость.

Если материалу, находящемуся в высокоэластичном состоянии, придать какую либо форму, то сохранить ее можно только, охладив изделие ниже температуры стеклования, не снимая нагрузки. При повторном нагреве после снятия нагрузки материал примет первоначальную форму.

Переход пластмассы из одного состояния в другое происходит постепенно, поэтому понятия «температура стеклования» и «температура текучести» соответствуют некоторому температурному интервалу. Длительная выдержка при высокой температуре или дальнейшее повышение температуры вызывает термическое разложение полимера. Повторные нагревы в области допустимых температур могут быть выполнены многократно. Полимеры перерабатываются в вязкотекучем состоянии, поэтому интервал между температурой текучести и температурой разложения (Тр) полимера определяет температурный интервал его переработки и в частности, сварки.



Рис.2. Зависимость деформации и модуля упругости полимеров от температуры при действии постоянной нагрузки

Таблица 2

Температуры стеклования и текучести различных пластмасс

Полимер

Тс, 0С

Тт, 0С

Полиэтилен

- 21

120

Полиамид

55 – 65

200 – 240

Полистирол

70 – 80

220

Поливинилхлорид (ПВХ)

70 – 80

190

Полиметилметакрилат

100 – 110

220


По свариваемости и поведению при нагреве пластмассы разделяются на две группы.

Термореактивные пластмассы (реактопласты) – при нагреве не меняют своих свойств, не переходят в высокоэластичное состояние и при повышенной температуре разлагаются (бакелит, эбонит и др.). Переработка в изделия сопровождается необратимой химической реакцией, приводящей к образованию неплавкого и нерастворимого материала. Процесс твердения таких пластмасс является необратимым, повторная пластификация при сварке невозможна. Поэтому, их можно подвергать нагреву и формированию только один раз в процессе их переработки в изделие. Такие пластмассы характеризуются пространственной структурой, обычными методами не свариваются, их соединяют механическим способом или склеиванием.

Наиболее распространены реактопласты на основе фенолоформальдегидных, полиэфирных, эпоксидных и карбамидных смол. Содержат обычно большие количества наполнителя - стекловолокна, сажи, мела и др.

Термопластичные пластмассы (термопласты) – способны многократно подвергаться нагреву, при этом они переходят в высокоэластичное, а затем, в пластичное состояние, не теряя исходных свойств после снижения температуры (полиэтилен, поливинилхлорид, полистирол, полипропилен, поликарбонат, полиметилметакрилат, полиамиды, фторопласты и др.). Процесс до границы температуры разложения является обратимым. Термопласты имеют линейную или разветвленную структуру. Сваривают такие пластмассы путем нагрева и приложения давления.

В зависимости от механической прочности конструкционные пластмассы подразделяют на три основные группы: низкой, средней и высокой прочности.

К группе пластмасс низкой прочности относят полиэтилены, фторопласты и др. Из полиэтилена изготавливают трубы, детали вентиляционных установок, гальванических ванн и т.д. Фторопласты отличаются высокой химической стойкостью, тепло- и морозоустойчивостью и высокими диэлектрическими свойствами. Детали, изготавливаемые из этих материалов способны работать в агрессивных средах и при значительных колебаниях температуры.

П
11

Материалы для изготовления сварных конструкций
ластмассы средней прочности – это фенопласты, полистиролы, полиамиды и др. Фенопласты – термореактивные пластические массы на основе фенолоформальдегидных смол. Их широко применяют для изготовления электротехнических деталей. Фенопласты характеризуются хорошими технологическими свойствами. Полистирол, отличающийся высокими диэлектрическими свойствами, служит для изготовления деталей радио- и электроаппаратуры. Благодаря сочетанию высокой механической прочности, износостойкости, коррозионной и химической стойкости полиамиды являются одним из важнейших конструкционных материалов. Изготавливаемые из этих материалов зубчатые колеса, подшипники скольжения работают более плавно, с меньшим шумом, имеют меньшую массу и дешевле по сравнению с аналогичными металлическими деталями.

К высокопрочным пластмассам относят стеклопластики (стеклотекстолит и стекловолокнит), представляющие собой композиционные материалы, состоящие из наполнителя (стеклянные ткани, сетки, ленты, волокна, нити) и связующего (эпоксидные, фенолоформальдегидные, кремнийорганические смолы). Процесс получения конструкционного пластика совмещается с формообразованием деталей. Детали из этих материалов получают прессованием. В промышленности применяются термопласты, армированные стекловолокном. При использовании в качестве наполнителя стеклянных волокон теплостойкость и механическая прочность этих материалов повышаются в 3 – 4 раза. Низкий коэффициент линейного расширения и незначительная усадка при формовании обеспечивает получение деталей высокой точности.

Пластики могут быть армированы также углеродом (углеродопласты - карбопласты, углепластики), бором (боропластики), графитом (графитопласты), асбестовыми материалами (асбопластики). Наполненные графитом термопласты (полиамиды, фторопласты) - материалы для деталей машин, работающих в узлах трения без смазки.


2. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СВАРНЫХ
КОНСТРУКЦИЙ


Для изготовления сварных конструкций наиболее широко применяют листы, трубы и пленки из термопластичных полимеров – полиамидов, полиолефинов, хлор- и фторсодержащих полимеров и сополимеров, полиакрилатов, полистирола, поликарбонатов, полиэтилентерефталата и др.

К полиамидам относятся гетерогенные полимеры, содержащие в основной цепи макромолекул амидные группы – СО – NH –. Полиамиды могут быть алифатическими и ароматическими в зависимости от того, с какими радикалами связаны группы – СО – NH –. В большинстве случаев полиамиды – кристаллические вещества с резко выраженной температурой плавления. Ароматические полиамиды характеризуются более высокой теплостойкостью, устойчивы к воздействию растворителей и химических реагентов, трудно воспламеняются, сохраняют физико-механические и диэлектрические показатели при высоких температурах.

Группа хлорсодержащих пластиков включает главным образом материалы на основе полимеров и сополимеров винилхлорида и винилиденхлорида, а также пентапласт. Наибольшее применение получили материалы на основе поливинилхлорида в связи со сравнительно низкой их стоимостью, хорошими физико-механическими и электрическими свойствами, а также способностью перерабатываться практически всеми известными способами. Поливинилхлорид (ПВХ) - полимер линейного строения (– СН2 – СHСl –). ПВХ используется для изготовления винипласта и пластиката.

Винипласт представляет собой жесткий термопластичный материал, в состав которого кроме ПВХ входят наполнители, стабилизаторы, модификаторы и пластифицирующие агенты; выпускается в виде листов, стержней, труб. Пластикат – это техническое название термопластичных смесей пластифицированного ПВХ; применяется для изготовления прокладок, трубок, лент.

На основе ПВХ изготавливают пленки. В зависимости от содержания пластификатора различают пленки жесткие (0,5 % пластификатора), полужесткие (до 15 %) и мягкие (более 15 %). Мягкие пленки называют пленочным пластикатом; жесткие – пленочным винипластом. Поливинилхлорид является основой для получения пенопласта.

Под названием полиолефины принято подразумевать группу материалов на основе высокомолекулярных соединений, образующихся при гомо- или сополимеризации олеофинов. К ним принадлежат полиэтилен, полипропилен, полиизобутилен и др. Наибольшее применение получили полиэтилен [– СН2 – СH2 –]n и полипропилен [– СH2 – CH(CH3) –]n.

В зависимости от способа производства различают полиэтилен высокого давления (ПЭВД), или низкой плотности (ПЭНП), и полиэтилен низкого давления (ПЭНД), или полиэтилен высокой плотности (ПЭВП). ПЭНД отличается от ПЭВД большей прочностью, жесткостью, повышенной теплостойкостью.

Области применения полиэтилена и полипропилена (ПП) очень разнообразны: изготовление пленок, труб, листов, изоляции, строительных деталей, емкостей, контейнеров и других изделий.

Фторопласты – это группа пластиков на основе полимеров различных ненасыщенных фторсодержащих соединений.

Широкое техническое применение получил фторопласт – 4 (фторлон - 4) – политетрафторэтилен, не содержащий никаких добавок и модификаторов. В отличие от других термопластов, фторопласт – 4 не переходит в вязкотекучее состояние даже при температуре деструкции (выше 415 0С) и поэтому не перерабатывается обычными для термопластов методами. Это затрудняет изготовление изделий из него и в ряде случаев исключает возможность практического применения его в конструкции.

Выпускаются плавкие фторопласты, являющиеся термопластичными полимерами и способные к многократной высокотемпературной переработке. Плавкие фторопласты перерабатываются методами прессования, экструзии, литья под давлением и могут быть использованы для изготовления пленок, труб, шлангов, листов, электроизоляционных и стойких к агрессивным средам изделий.

Полистирол – линейный высокомолекулярный полимер легко перерабатывается литьем под давлением, обладает хорошими оптическими свойствами и низким фактором диэлектрических потерь при средних частотах. С другой стороны, полистирол легко подвергается действию многих растворителей, имеет низкую атмосферостойкость, характеризуется низкой теплостойкостью и высокой хрупкостью. Создана серия сополимеров3 стирола отличающихся от полистирола повышенной теплостойкостью и ударной прочностью.

Группа акриловых пластиков включает полимеры и сополимеры акриловой и метакриловой кислот и их производных. Наибольшее значение среди акриловых пластиков имеет полиметилметакрилат (органическое стекло).

Метилметакрилат представляет собой аморфный прозрачный полимер, обладающий высокой проницаемостью для излучения видимого и УФ – спектра. При нагреве до температуре выше 120 0С полиметилметакрилат размягчается, переходит в высокоэластичное состояние и легко формуется; выше температуры 200 0С начинается заметная деполимеризация полимера. Полиметилметакрилат поставляется в основном в виде листового органического стекла.

Достаточно широкое применение получили сополимеры метилметакрилата с акрилонитрилом. Данные сополимеры обладают более высокой твердостью и прочностью и могут применяться для изготовления безосколочного ударопрочного органического стекла.




3 СОПОЛИМЕРЫ - полимеры, молекулы которых содержат звенья мономеров различного химического состава.

К поликарбонатам относятся сложные полиэфиры угольной кислоты с общей формулой (– О – R – О – CO –)n.

Поликарбонат характеризуется более высокой вязкостью расплава, чем другие термопласты, однако может перерабатываться всеми широко распространенными методами. Благодаря низкой склонности полимера к ползучести, изделия из поликарбоната характеризуются высокой стабильностью размеров.
3. КЛАССИФИКАЦИЯ СПОСОБОВ СВАРКИ
  1   2   3   4   5   6   7


Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации