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

Свойства сварных соединений. Рассматриваемые сварные соединения имеют сравнительно низкую прочность при ударных и изгибающих нагрузках (особенно стыковые соединения при воздействии нагрузки со стороны корня шва).

Стойкость сварных соединений в агрессивных средах зависит от режимов сварки и максимальна в случае сварных соединений, полученных при оптимальной температуре газа-теплоносителя.

Материал сварного шва, полученного этим методом неоднороден по структуре. В сварном шве имеется явно выраженная граница сплавления основного и присадочного материалов, обусловленная ориентацией пластичного материала в результате давления присадочного прутка. Вдоль этой зоны начинается развитие трещин при воздействии агрессивных сред и происходит разрушение соединений при ударных нагрузках.

В многорядных швах опасной зоной является также граница присадка–присадка, в связи с чем многорядные швы менее стойки к воздействию агрессивных сред, чем однорядные.

В ряде случаев напряжения, возникающие в сварных швах, вызывают деформацию сварных соединений, коробление, трещинообразование и другие дефекты. Особенно велика вероятность таких дефектов в случае сварных соединений с несимметричными V – образными швами, в которых в корне шва усадке подвергается значительно меньший объем материала, чем в верхней его части.

В данном случае эффективно расположение листов под некоторым углом по отношению друг к другу, применение жестких сборочно-сварочных приспособлений с выдержкой в них деталей до полного охлаждения. Жесткое закрепление способствует уменьшению коробления и деформации изделий, однако приводит к значительным внутренним напряжениям.

Сварные соединения не должны подвергаться нагружению сразу после сварки, так как их прочность с течением некоторого времени повышается вследствие кристаллизации и релаксации напряжений. Зачистка и шлифование швов не рекомендуются (дефекты, которые могут появиться по краям шва, перекрыты присадочным материалом, поэтому прочность соединений несколько выше). Если сварное соединение необходимо подвергать обработке, следует уменьшать не только выпуклость шва, но также и слой основного материала толщиной ~ 0,5 мм.

Эффективным средством повышения прочности сварных соединений является увеличение ширины зоны выпуклости с выходом ее за пределы шва путем дополнительной приварки валиков присадочного материала.

При необходимости сварки деталей под углом, кромку одной из деталей нагревают и загибают, переводя угловое соединение в стыковое, более технологичное для этого метода сварки (см. рисунок).

Оборудование для сварки газовыми теплоносителями. Применять горючий газ непосредственно для сварки пластмасс нельзя вследствие высокой температуры пламени. Для сварки подогретыми газами необходимы специальные горелки. В зависимости от способа нагрева различают горелки электрические (рис.9) и газовые (рис.10). В электрических горелках газы нагревают электрическим нагревательным элементом, в газовых - газовым пламенем. В последнем случае возможен прямой и косвенный способы нагрева. При прямом нагреве газ-теплоноситель смешивают с продуктами горения горючего газа, при косвенном – передача теплоты от продуктов горения к газу-теплоносителю происходит через стенку.






На рис. 11. представлен ручной аппарат «ХОТ-ДЖЕТ» (фирма «LEISTER», Швейцария) со встроенной подачей воздуха, регулировкой температуры и расхода воздуха.




Технические характеристики

Напряжение, В

230

Мощность, Вт

460

Частота тока, Гц

50/60

Температура воздуха, 0С

20-600, плавная регулировка

Расход воздуха, л/мин

20-80,  плавная регулировка

Давление воздуха, атм.

0,016

Уровень шума, дБ

59

Размеры, мм

235х70, рукоятка диам. 40

Вес, г

580 с кабелем 3 м


Рис.11. Ручной аппарат «ХОТ-ДЖЕТ» (фирма «LEISTER», Швейцария) [www.olmax.ru]

Используется:

- для сварки листов, пленок, кровельных и гидроизолирующих покрытий, ПВХ-ткани, пластмассовых деталей;

- для пайки SMD;

- для усадки термоусадочных трубок и муфт.

Автомат «УНИВЕРСАЛ» (фирма «LEISTER», Швейцария) используется для сварки внахлест тентовой ткани из ПВХ (при производстве автомобильных тентов, палаток, павильонов, шатров, защитных навесов, покрытий для бассейнов, воздушных и плавательных средств и т.д.); сварки полимерных кровельных покрытий (рис.12). Может сваривать покрытия толщиной до 2 мм. Поставляется в двух исполнениях: на шов 20 мм и на шов 30 мм.




Технические характеристики

Напряжение, В

230

Мощность, Вт

2300

Частота тока, Гц

50/60

Температура воздуха, 0С

20-650, плавная регулировка

Расход воздуха, л/мин

150-190

Скорость, м/мин

0,5-5,5 плавная регулировка

Давление воздуха стат., Па

1500-2100

Уровень шума, дБ

67

Размеры, мм

450х250х215

Вес, кг

10,8



Рис.12. Автомат «УНИВЕРСАЛ» (фирма «LEISTER», Швейцария) [www.olmax.ru]


В качестве горючих газов применяют водород, ацетилен, пропан.

Основным недостатком конструкций горелок с электрическим нагревом является то, что образующаяся на спиралях окалина уносится воздухом и частично попадает в шов, снижая его прочность. Этот недостаток можно устранить заменой проволочной спирали трубчатым змеевиком из нержавеющей стали, к концам которого подведен электрический ток, а внутри движется нагретый газ.
5.2. Сварка нагретым инструментом

(контактно-тепловая сварка)
Источники нагрева – разогретые тела (элементы) передают теплоту путем непосредственного соприкосновения с пластмассой.

Способ сварки нагретыми инструментами (контактно-тепловая сварка) имеет следующие разновидности: сварку оплавлением и проплавлением. В первом случае нагреватель соприкасается непосредственно со свариваемыми поверхностями. 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. Во втором случае тепло к свариваемым поверхностям поступает сквозь толщу деталей, а инструмент контактирует с внешними поверхностями свариваемых деталей. Нагрев может быть одно- или двусторонним. Первый способ используют для сварки деталей значительной толщины (листы, трубы, профиль), второй – для сварки тонких листов и пленок внахлестку. Нагретые инструменты могут быть в виде пластин, дисков, полос, нитей, профилированных планок.

По режиму нагрева деталей при сварке проплавлением различают сварку при длительном нагреве по заранее заданному термическому режиму и сварку термоимпульсную, при которой нагрев деталей осуществляется за счет кратковременного теплового импульса, а скорость охлаждения определяется теплоотводом. Для термоимпульсной сварки используют исключительно малоинерционные нагреватели.

При нагреве всего сечения свариваемых деталей (прямом нагреве) нагретую металлическую пластину 1 помещают между деталями 2. После нагрева свариваемых поверхностей пластину быстро удаляют и сдавливают детали (рис.13). Схватывание расплава с инструментом предотвращают уменьшением времени сварки и повышением температуры нагревателя.

При нагреве термопласты в виду низкой вязкости могут налипать на поверхность нагревательного элемента. Прилипшие частицы разлагаются и при последующей сварке продукты разложения попадают в шов, что приводит к снижению качества сварки под влиянием включений, пор и непроваров. Поверхность нагревательных элементов необходимо полировать и защищать антиадгезионными материалами. При нагреве инструментом, изготовленным из стали, порообразование меньше, чем при нагреве медным и алюминиевым инструментом. Хромирование и никелирование нагревателей не оказывает существенного влияния на интенсивность порообразования.



Этим методом сваривают встык и внахлестку одновременно всю поверхность соединения. Применяется для сварки профилей и труб из мягкого и твердого ПВХ, твердого полиэтилена, полипропилена, полиацетата.

Основные технологические параметры при сварке оплавлением: температура нагревателя, продолжительность нагрева, усилие прижатия сварочного инструмента к деталям (давление оплавления), давление осадки, продолжительность выдержки под давлением после сварки, скорость оплавления, скорость и величина осадки.

Режим сварки некоторых термопластов приведен в табл.6. Указанное в таблице давление нагретого инструмента является начальным, по мере оплавления поверхностей оно должно снижаться для уменьшения вытекания из зоны контакта расплава. После нагрева и осадки охлаждение по всей свариваемой площади должно происходить равномерно, под постоянным давлением.

Таблица 6

Основные параметры режима контактной сварки

пластмасс оплавлением

Термопласт

Температура

инструмента, 0С

Давление, МПа

Время нагрева, с

нагрева

осадки

Полиэтилен

ВП (ПЭНД)

НП (ПЭВД)

240±10

190 – 220

0,2 – 0,5

0,3 – 0,4

1,5 – 3,0

1,5 – 2,0

30 – 180

30 - 80

Винипласт

230 – 250

3,0 – 4,0

5,0 – 9,0

40 – 60

Пластифици-рованный ПВХ

180 – 200

0,1 – 0,3

1,0 – 1,5

20 – 60

Полипропилен

190 – 240

0,3 – 0,4

1,5 – 2,0

30 – 120

Поливинилацеталь

220

0,1 – 0,2

~ 1

10 - 40

Поликарбонат

350 - 400

0,5 – 0,2

0,15 – 0,2

20 – 40

Полистирол

220 - 250

0,5 – 0,1

0,3 – 0,35

10 - 50

Полиамид

220 - 260

0,5 – 0,1

0,15 – 0,25

15 - 50


Диаграммы усилий при сварке нагретым инструментом показаны на рис.14.

Граница оплавления не адекватна плоскости нагревателя: в сечении она имеет параболическую форму и выпуклостью направлена в сторону нагревателя. В центре оплавляемой кромки глубина проплавления минимальна, а у поверхности максимальна. Это происходит вследствие теплоизлучения от нагревателя, выступающего за границу кромок деталей, а также за счет теплоты выносимой вытекающим в грат расплавом.

Глубина проплавления растет с повышением температуры и длительности нагрева, одновременно увеличивается кривизна линии проплавления. Интенсивность роста глубины проплавления с увеличением продолжительности нагрева уменьшается.




Увеличение давления нагревателя при оплавлении приводит к уменьшению глубины проплавления, так как при этом плавящийся полимер выдавливается в грат.

Течение расплава при осадке способствует активному взаимодействию макромолекул не только за счет удаления экранирующих их ингредиентов, но и вследствие того, что при течении происходит благоприятная взаимная ориентация макромолекулярных слоев, способствующая более полной реализации сил Ван-дер-Ваальса. Чем больше площадь контакта свариваемых деталей, тем на большую глубину необходимо их проплавить, чтобы обеспечить полную эвакуацию ингредиентов, препятствующих сварке. С вытеканием из зоны сварки расплава, нагретого до большей температуры и обладающего в связи с этим минимальной вязкостью, удаляются макромолекулярные слои, обладающие наибольшей термодинамической активностью. Вследствие этого в контакт вступают макромолекулы, обладающие меньшей потенциальной энергией, т.е. слои расплава, обладающие большей вязкостью, что не улучшает условия взаимодействия макромолекул. Следовательно, при сварке необходимо находить оптимальное соотношение давления осадки, объема и вязкости расплава, размеров деталей.

Типичная термомеханическая циклограмма контактной тепловой сварки оплавлением встык представлена на рис.15.

Трубы диаметром более 50 мм соединяют встык, диаметром менее 50 мм при толщине стенки 2 мм сваривают враструб. При стыковой сварке торцы труб нагревают плоским инструментом, имеющим форму диска для труб малого диаметра и форму кольца для нагрева труб большого диаметра. Нагрев этих инструментов в зависимости от конструкции можно осуществлять встроенными электронагревателями или газовыми горелками.

При сварке винипласта применяют нагретые инструменты, имеющие ребристую поверхность: высота и шаг пилообразных ребер 0,5 – 1,5 мм. Ориентировочные параметры режима стыковой сварки труб приведены в табл.7.

Соединение враструб – это соединение фасонных деталей полученных литьем под давлением, с трубами, которые должны быть изготовлены из такого же материала, согласованы по посадочному размеру и рассчитаны на одно и тоже номинальное давление. Необходимое сварочное давление можно обеспечить путем прессовой посадки свариваемых деталей, т.е. внутренний диаметр соединительного элемента должен быть меньше наружного диаметра трубы. При этом формирующий инструмент должен обеспечивать оплавление на глубину около 0,2 мм. Соединяемые элементы, нагретые до Тсв, упруго деформируются при введении трубы в раструб соединительного элемента и обеспечивают необходимую для сварки прессовую посадку. Прочность таких соединений составляет 90 – 100 % от прочности материала труб.




Рис.15. Термомеханическая циклограмма сварки оплавлением: Тн – температура нагревателя; Роп1, Роп2 – начальное и вторичное давления; Рос – давление осадки; tоп1, tоп2 - продолжительность начального и вторичного приложения давления; tп – пауза; tос, tвыд, tсв – продолжительность осадки, выдержки при охлаждении, сварки; Vоп1, Vоп1 – скорость оплавления при начальном и вторичном давлениях; Vос – скорость осадки; Sоп1, Sоп2 - укорочение при начальном и вторичном давлениях; Sос – укорочение при осадке


При сварке враструб (рис.16) нагревательный элемент имеет гильзу для оплавления конца трубы и дорн для оплавления внутренней поверхности раструба. Дорн и раструб могут иметь цилиндрическую или коническую форму (конусность




Таблица 7

Технологические параметры контактной стыковой сварки оплавлением труб диаметром 100 – 300 мм

Время охлаждения стыка, мин, при температуре окружающей среды, 0С

+ 40

5

10

12

5

10

5

10

+ 20

4

8

11

4

8

4

8

0

4

6

10

4

6

4

6

- 20

3

5

8

3

5

3

5

Пауза, с

8

5

6

Темпе-ратура нагревателя, 0С

250±10

200±10

240±10

Время нагрева, с

45

55

65

35

50

45

55

Давление, кгс/см2

осадки

1,2 – 1,3

1,4 – 1,6

1,8 – 2,0

1,2 – 1,3

1,4 – 1,7

1,2

1,4

оплавления

0,2 – 0,3

0,4 – 0,5

0,6

0,2 – 0,3

0,4 – 0,5

0,3 0,4

Толщина стенки, мм

2 – 6

7 – 10

11 – 15

2 – 6

7 – 12

2,5 – 5

6,0 – 8,5

Материал

Полиэтилен высокой плотности

Полиэтилен низкой плотности

Полипропилен

1/16 – 1/12). Разность диаметров гильзы и дорна у цилиндрического инструмента должна быть 0,5 – 1 мм. Режим сварки враструб приведен в табл.8. Время выдержки под осевой нагрузкой до частичного отверждения оплавленного материала составляет 5 – 15 с, время между снятием инструмента и осадкой – не более 2 с.

Таблица 8

Основные технологические параметры

контактной сварки труб враструб

Параметр

Полиэтилен

низкой плотности, цилиндрический раструб

высокой плотности, конусный раструб

Температура

сварки, 0С

300

250 – 270

Время оплавления, с, при толщине стенки, мм:

до 4

4 - 5

5 – 8

свыше 8

5 – 10

6 – 15

8 – 18

10 – 20

7 – 12

10 – 15

15 – 20

-




На рис.17. приведена схема сварки тавровых и угловых соединений (сварка с отбортовкой кромок).



Угол заточки инструмента зависит от угла загиба детали. При отбортовке края на 900 применяют инструмент с углом при вершине 700.

Сварка в паз. Свариваемые поверхности соединяемых деталей 1 с помощью нагревательного элемента нагревают до Тсв. Нагревательный элемент 2 образует паз соответствующей формы, в который вставляют другую соединительную деталь, после чего прикладывают давление. Размеры нагревательного элемента соответствуют размерам присоединяемой детали (рис.18). Применяется для сварки плит и труб (тройники).

Для изготовления тройников на одной соединяемой детали делают седлообразную подготовку кромок, отверстие выполняют после сварки с помощью кольцевого сверла.

При методе последовательного нагрева свариваемых поверхностей (нагретым клином) нагретый инструмент (паяльник) 1 помещают между свариваемыми плоскостями и по мере размягчения кромок перемещают вдоль линии сварки (или нагретый инструмент закрепляют, а перемещают по нему детали). При нажатии роликом 2 на верхнюю полосу 4 она приваривается к нижней 3. Возможно использование присадочного материала (по составу аналогичного основному), прикатываемого нажимным роликом. При машинной сварке листового материала давление осуществляется протягиванием через валики. Метод применяется при сварке эластичных материалов (рис.19). Преимуществом является простота и возможность непрерывной сварки с высокой скоростью вручную во всех пространственных положениях и машинным способом в нижнем положении. Режимы сварки приведены в табл.9.







Разновидностью сварки пластмасс оплавлением является сварка закладными нагревателями. При использовании закладного нагревателя нагрев и оплавление в зоне контакта собранных деталей производится при пропускании тока по металлическому проводнику (проволоке, ленте), который закладывается в зону контакта свариваемых деталей при сборке. Усилие в зоне плавления, необходимое для сварки, создается вследствие расширения расплавляемого материала. Нагреватель (одновременно армирующий элемент) может быть заложен внутрь деталей при их изготовлении (прессовании, отливке) (рис.20).

Таблица 9

Ориентировочные параметры сварки пленок толщиной 0,1 – 2 мм нагретым клином внахлестку (скорость сварки 0,04 – 0,3 м/с)

Материал

Температура

инструмента, 0С

Давление ролика, МПа

ПЭНД

300 – 650

30 – 60

ПЭВД

ПП

ПВХ

50 – 60

Пластифицированный полиамид

400 – 650




Соединение в торец полимерных пленок можно получить, оплавляя торцы деталей нагретой проволокой или газовым пламенем (рис.21). В последнем случае способ следует отнести к сварке газовыми теплоносителями. Этот процесс иногда соединяют с разделительной резкой. Так как сварка происходит без давления (с образованием общей зоны плавления), то этот способ можно использовать для тонких профилей, например, пленок с низкой вязкостью расплава.

Схема сварки с нагревом внешних поверхностей (косвенным нагревом) свариваемых деталей (сварка проплавлением) приведена на рис.22. Сварочный инструмент (утюг) 1, нагреваемый электрическим нагревательным элементом 2, перемещают по свариваемым в нахлестку пленкам 3, нагревая их до температуры сварки и сжимая весом инструмента.



Основными технологическими параметрами режима контактной сварки проплавлением являются температура нагревателя, давление при нагреве и сварке, продолжительность нагрева и выдержки под давлением после сварки.

Длительность сварки определяется толщиной и теплопроводностью материала, температурой инструмента. Распределение температуры в зоне сварки представлено на рис.23. Этим способом можно сваривать детали ограниченной толщины, зависящей от теплопроводности пластмассы, так как максимальная температура инструмента определяется температурой разложения пластмассы. Возможно сварка пленок из поливинилхлорида толщиной до 80 мкм, из полиэтилена – до 500 мкм.

Применяется для сварки мягкого ПВХ, полиэтилена и полипропилена. Способ используется при производстве упаковки.

При контактной сварке проплавлением кромки пленок или листов можно нагревать с одной стороны или одновременно с двух сторон. При двустороннем нагреве скорость сварки увеличивают.

На рис.24 приведена схема сварки пленок нагретой лентой (проволокой). Лента 1, нагреваемая электронагревателем 2, перемещается роликами 3 и прижимается ими усилием Р к свариваемым внахлестку пленкам 4.



Для повышения качества сварного соединения, увеличения скорости сварки, предотвращения коробления материала и образования гофр после нагревателя устанавливают охлаждающее устройство.

Схема роликовой сварки пленок представлена на рис.25. Роликовая сварка позволяет выполнять протяженные, герметичные соединения и автоматизировать процесс сварки. Для предотвращения налипания на поверхность пленок помещают разделительную ленту.

При сварке горячим прессованием теплота передается к месту сварки нагретыми поверхностями специальных прессов (рис.26). Свариваемые поверхности пластмасс 2 зажимают в прессе 1, рабочие поверхности которого нагреваются электронагревателем 3. При достижении заданной температуры производится выдержка под давлением. При этом пресс охлаждается водой, проходящей по каналам 4. Способ сварки проплавлением – прессованием позволяет за один цикл соединять изделие по всей поверхности или проводить шаговую сварку при соединении длинных швов. В прессе можно сваривать встык.

Возможно применение термоимпульсной сварки (односторонний и двусторонний импульс). При этом материал нагревается до температуры сварки практически мгновенно в результате пропускания через нагревательные элементы импульса тока большой величины. Форма нагревательного элемента может быть различной: точечной, полосовой, фигурной. Термоимпульсная сварка при точной дозировке теплоты позволяет избежать перегрева пленочных пластмасс в месте сварки. Применяется для сварки пленок из полиамидов толщиной менее 500 мкм.

При контактной тепловой сварке неармированных пленок проплавлением применяется два основных типа соединений: нахлесточное и Т-образное или рантовое. Типы сварных соединений армированных пленок показаны на рис.27. Переплетения армировки оказывают сопротивление течению расплава, однако под воздействием этого течения перемещаются к кромкам нахлестки, образуя сборки – гофры.

Наличие гофр в околошовной зоне сварных оболочковых конструкций резко снижает их несущую способность, приводя к возникновению значительных деформаций, концентрации

напряжений.




Метод сварки нагревательными элементами обеспечивает высокую прочность соединений и достаточную производительность. Этим методом можно сваривать пластмассы, которые не могут быть сварены токами высокой частоты (фторопласт, полиэтилен, полистирол). Наиболее целесообразно применять для стыковых и нахлесточных соединений листовых конструкций небольшой толщины и пленок со швами большой протяженности. При сварке органического стекла в месте соединения сохраняется прозрачность.

Режимы контактной сварки пленок приведены в табл.10.
Таблица 10

Режимы контактной сварки пленок

Материал

Толщина, мкм

Температура инструмента, 0С

Давление, МПа

Выдержка, с

Полиэтилен низкой

плотности

45 – 80

60 – 90

150 – 200

300 – 500

600 – 800

130 – 140

140 – 160

0,5 – 0,6


2 – 3
3 – 5

5 – 10

160 – 180

Полиэтилен высокой плотности

60 – 150

200 – 220

230 - 240

0,6 – 0,8

до 1,0

2 – 3

150 - 300

160 - 170

0,8 – 0,9

Полипропилен

60 – 150

150 – 300

230 – 240

180 – 200

до 1,0

0,9

Полиамид

60 – 150

130 – 200

185 – 200

210 – 220

0,6 – 0,8

0,4 – 0,5

5 – 6

10 – 15

Фторопласт

100 – 200

390 – 400

0,2 – 0,5

120 – 180


Термомеханические циклы сварки термопластов проплавлением представлены на рис. 28.

На рис.29 показаны ручные аппараты ROWELD НЕ (фирма «ROTHENBERGER», Германия) для контактно-тепловой сварки пластмассовых деталей (труб) встык. Данные аппараты имеют сменные нагревательные элементы, защиту от перегрева, электронную регулировку температуры, крепление к верстаку; обеспечивают поддержание заданной температуры и ее равномерное распределение по всей поверхности нагревательного элемента.

Для сварки враструб могут быть использованы аппараты ROWELD P 63-3 Sets (фирма «ROTHENBERGER», Германия) (рис.30). Данные аппараты снабжаются насадками для сварки труб диаметром 16-125 мм, защитой от перегрева, электронной или термостатической регулировкой температуры, креплением к верстаку.





Рис. 28. Термомеханические циклы сварки термопластов проплавлением: а – прессовая сварка пленок; б – цикл с предварительным нагревом под давлением; в – цикл с начальной высокой температурой; г – цикл при импульсной сварке; Рн – начальное давление; Рр – рабочее давление сварки; Ттек – температура текучести; Тохл – предельная температура охлаждения под давлением; Тхх – начальная температура нагревателя; tн, tсв, tи, tохл – продолжительность нагрева, выдержки, импульса, охлаждения





Рис.29. Ручные аппараты ROWELD НЕ (фирма «ROTHENBERGER», Германия) для стыковой сварки [www.olmax.ru]
1   2   3   4   5   6   7


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