Сварка пластмасс
ПЕРМСКИЙ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра
"Сварочное производство и технология конструкционных материалов"
Реферат
по
дисциплине "Технология металлов и сварка"
Сварка
пластмасс
Выполнил студент
группы
ВВ-08-1 Пирожков
Никита
Проверил и принял:
профессор, ДТН
Игнатов М. Н.
Пермь
2010
Оглавление
Введение
. Пластмассы и их структурные
свойства
. Основные виды и особенности сварки
пластмасс
Библиографический список
Введение
В настоящее время применение пластмасс все
больше распространяется в строительстве. Пластмассы являются перспективными
конструкционными материалами. Их используют как заменители металлов и других
материалов, как средство защиты металлических конструкций от коррозии, а также
как самостоятельный конструкционный материал, обладающий многими положительными
свойствами. Для эффективного применения пластмасс в конструкциях большое
значение имеет соединение элементов между собой, в частности их сварка.
Технологии сварки пластмасс, получившие за последние годы большое развитие,
достаточно разнообразны. В настоящей работе рассмотрены некоторые из них.
1. Пластмассы и их структурные свойства
Свариваемость пластмасс во многом зависит от их
структурных свойств. Поэтому для выбора подходящей технологии сварки необходимо
знать состав, строение и свойства пластмасс.
Пластические массы
- это разнообразные материалы, полученные на основе синтетических или
естественных полимеров. В полимеры вводят различные добавки: стабилизаторы,
пластификаторы, наполнители, красители.
Стабилизаторы
служат для повышения стойкости полимеров при воздействии света, повышенных
температур и других факторов.
Пластификаторы
- для повышения технологических и эксплуатационных свойств.
Наполнители
- для увеличения прочности, улучшения диэлектрических и других свойств, для
уменьшения расхода полимерной смолы.[1]
Свойства пластмасс определяются их основой -
полимером. Основой пластмасс являются высокомолекулярные соединения, которые
состоят из гигантских молекул линейной, разветвленной или пространственной
структуры.
Рисунок 1. Молекулярная структура
полимеров
Пластмассы с линейной структурой
макромолекул характеризуется высокой прочностью, значительной упругостью и
способностью к высокоэластичным деформациям (натуральный или искусственный
каучук, полиэтилен, полистирол).
У полимеров с разветвленной структурой
прочность и термостойкость уменьшаются (фенолформальдегидные, полиэфирные).
Пластмассы с пространственной структурой
молекул характеризуются полной нерастворимостью, отсутствием эластичности и
пластичности при повышенной температуре, высокой твердостью и хрупкостью
(синтетические смолы в конечной стадии формообразования).
Линейные и разветвленные полимеры служат основой
термопластичных пластмасс (термопластов). Термопласты получают на основе
полимеров, молекулы которых связаны слабыми межмолекулярными силами. Наличие
таких межмолекулярных связей позволяет полимеру многократно размягчатся при
нагревании и твердеть при охлаждении, не теряя своих свойств.
Реактопласты
получают на основе полимеров, молекулы которых наряду с межмолекулярными силами
могут связываться химически. Химические связи возникают при нагревании или
введении отвердителя. При возникновении химических связей полимер превращается
в жесткое неплавящееся и нерастворимое вещество (текстолит, эбонит, бакелит).
. Основные виды и особенности сварки пластмасс
Сварка пластмасс - это процесс неразъёмного
соединения термопластов и реактопластов, в результате которого исчезает граница
раздела между соединяемыми деталями.
Соединение реактопластов осуществляют
способом, основанным на химическом взаимодействии между поверхностями
непосредственно или с участием присадочного материала (т. н. химическая
сварка). Осуществление этого способа требует интенсивного прогрева поверхностей
и интенсификации колебаний звеньев молекул полимера током или ультразвуком.
Далее в работе будет говориться о сварке термопластов.
Сварку термопластов производят с
использованием тепла. В зависимости от того, используются ли непосредственно источники
теплоты или применяется преобразование различных видов энергии в тепловую,
способы сварки термопластов подразделяют на две группы.
К первому виду сварок относятся сварка нагретым
элементом, сварка горячим воздухом (газом), экструзионная и инжекционная
сварка. Ко второму - электрическое соединение, ультразвуковая и высокочастотная
сварка, сварка трением и др. Отличительной особенностью сварки пластмасс
является то, что процесс соединения происходит при температуре выше температуры
размягчения, но ниже температуры разложения при вязко-текучем состоянии
полимера под давлением.
. Сварка нагретым элементом
При контактно-тепловой сварке термопластов,
относящейся к первому типу сварок, образование соединения происходит за счет
нагрева соединяемых поверхностей нагревательным инструментом и приложения
давления. Существует два основных способа контактно-тепловой сварки: сварка оплавлением
и проплавлением.
Рисунок 2.
Сварка нагретым элементом. 1 - свариваемые заготовки; 2 - лента из фторопласта;
3 - прижимной ролик; 4 - нагретый элемент.
При сварке оплавлением нагреватель плотно
прилегает непосредственно к поверхностям, подлежащим сварке, и оплавляет их.
Затем нагревательный элемент удаляют из зоны сварки, детали соединяют,
прикладывают давление и выдерживают некоторое время до остывания сварного шва.
Прочность изделий из пластмасс определяется
также конструкцией соединения. Типы сварных соединений, выполняемых сваркой
оплавлением, представлены на рисунке 3.
Рисунок 3.
Типы сварных соединений, выполняемые контактно-тепловой сваркой оплавлением
Оплавление кромок фигурным нагревателем приводит
к повышению прочности сварного соединения за счет увеличения поверхности
соединения.
Сварку оплавлением применяют для соединения
листов, сварки пластиковых труб, пластин и блоков с подготовкой кромок
механической резкой.
При контактной сварке проплавлением
нагревательный элемент контактирует с внешними поверхностями деталей, и теплота
передается к свариваемым поверхностям за счет теплопроводности сквозь их толщу.
Нагрев деталей осуществляется с одной или двух сторон. Двусторонний нагрев
материала облегчает условия сварки, позволяет быстрее нагреть материал до
требуемой температуры. Можно соединять изделие по всей длине или проводить
шаговую сварку. Для получения непрерывных швов использую роликовые и ленточные
аппараты.
В зависимости от свойств свариваемого материала,
толщины прокладок, температуры инструмента продолжительность сварки составляет
3-5 с. Для предупреждения коробления детали охлаждают под давлением.
Контактно-тепловой сваркой проплавлением
соединяют листы и пленки толщиной до 2-3 мм в нахлестку. Изменяя величину
нахлестки, можно изменять прочность сварного шва в широких пределах. Конструкция
сварных соединений представлена на рисунке 4.
пластмасса полимерный сварка
контактный
Рисунок 4.
Конструкция сварных соединений пленок: а - нахлесточное; б, в - с накладками
. Сварка горячим воздухом (газом)
При этом типе сварки используется горячий воздух
(газ) для нагревания поверхности пластмассы. Окисление пластмассы может
ослабить сварное соединение. При возникновении данной проблемы горячий воздух
заменяют горячим газом (например, азот), поскольку содержащаяся в воздухе
влажность может усиливать окисление. Что касается устойчивости температуры, у
сварочных установок с горячим газом имеется преимущество перед сварочными
установками с горячим воздухом.
Рисунок 5.
Сварка горячим газом. 1 - присадочный пруток; 2 - ролик; 3 - горелка; 4 -
сварной шов; 5 -свариваемые заготовки; 6 - направление сварки
. Экструзионная сварка
В данном виде сварки используется шнековый
механизм (винтовой транспортер), который перемещает стержень или гранулы (в
зависимости от размера электрода) через цилиндр. Внутри цилиндра происходит
смешивание пластмасс, их сжатие и расплавление. Винтовой транспортер толкает
расплавленную пластмассу через сварочную установку сквозь "ползун",
создавая наплавленный валик. Экструзионная сварочная установка осуществляет
предварительное нагревание сварной области с помощью горячего воздуха или
газа.[2]
. Инжекционная сварка
Эта система сварки использует сочетание
разогретого наконечника и давления инжекции для формования сварных соединений.
Горячий (заменяемый) наконечник разогревает поверхность пластмассы и создает
зону сварного соединения, в которую впрыскивается расплавленная пластмасса. При
этом не происходит реального физического смешивания сварного шва и пластмассы.
В охлажденном состоянии это сварное соединение самое прочное из тех, что можно
получить с помощью данной группы технологий. Поскольку наконечник вызывает
растрескивание поверхности пластмассы, нет необходимости осуществлять
подготовку поверхности, если только нет сильного загрязнения. Это позволяет
сэкономить время при производстве сварочных работ.
Далее представлены виды сварочных технологий,
относящиеся ко второму типу:
. Электрическое цокольное соединение
В этой технологии используется электрический
патрон для сварки пластмассовых деталей (таких как полиэтиленовые трубы).
Электрическая энергия нагревает медную проволоку внутри патрона, пластмасса
плавится и расширяется, давление расширения соединяет детали.
. Ультразвуковая сварка
При ультразвуковой сварке используется
акустический инструмент для передачи энергии вибрации через пластмассовые
детали в область сварки. Трение вибрирующих молекул создает тепло, которое
расплавляет и сваривает пластмассу. Когда пластмасса достигает состояния
расплава, вибрация прекращается. Давление применяется по мере отверждения
расплавленной пластмассы. Такая система используется для сваривания мелких
деталей.
Рисунок 6.
Придаточная ультразвуковая сварка. 1 - инструмент-волновод; 2 - свариваемые
детали
. Высокочастотная сварка
Высокочастотная сварка в отличие от
ультразвуковой, соединения которой похожи на штамповку, позволяет достичь
непрерывности сварных соединений. Типичным применением данного типа сварки
является сваривание тонких материалов.
Рисунок 8. Сварка
труб токами высокой частоты.
. Сварка трением
Сваркой трением соединяют круглые пластмассовые
детали с помощью их прижимания друг к другу в процессе кругового вращательного
движения. При этом одну деталь держат неподвижно, а вторую вращают. Трение
между двумя деталями вырабатывает тепло, которое в свою очередь вызывает
расплавление и слияние (при охлаждении).
Рисунок 9.
Сварка трением
. Вибрационная сварка
При данном типе сварки поверхности свариваемых
деталей нагреваются за счет вибрации, что вызывает их расплавление и создание
сварного соединения.
Рисунок 10. Схема
вибрационной сварки
10. Лазерная сварка
Лазерная сварка бывает трех видов: сварка по
контуру, синхронная и квазисинхронная сварка. При сварке по контуру слои
соединяются лазерным лучом, который передвигается и расплавляет пластмассы по
шву, или же прижатые друг к другу слои перемещаются вдоль зафиксированного
лазерного луча.
При синхронной сварке лазерные лучи от
нескольких диодов направлены на линию контура шва, вызывая одновременное
плавление и сваривание всего профиля.
Квазисинхронная сварка представляет собой
сочетание сварки по контуру и синхронной сварки. Зеркала направляют лазерный
луч на больших скоростях вдоль свариваемой детали, в результате чего весь
контур постепенно нагревается и расплавляется.
Рисунок 11.
Лазерная сварка. Слева направо: сварка по контуру, синхронная сварка,
квазисинхронная сварка.
Для всех перечисленных видов сварки характерны
следующие основные параметры: температура сварки, время нагрева (оплавления),
величина давления при нагреве и осадке, время осадки и выдержки под давлением,
величина и скорость осадки, глубина проплавления.
Температура нагрева при сварке с помощью
сварочных аппаратов стыковой сварки и последующее охлаждение определяются кинетикой
тепловых процессов, структурными превращениями в шве и околошовной зоне. При
этом не должно происходить разложение полимера, иначе качество сварного шва
снизится. Температуру нагревательного элемента обычно устанавливают на 100-120 0С
выше температуры плавления термопласта.
Нужно также избегать резкого охлаждения сварного
шва (водой или холодным воздухом), так как это может привести к возрастанию
внутренних напряжений в нем.
Величина давления и скорость осадки при сварке
должны обеспечить удаление прослоек (газовая и окисленный слой). Давление
позволяет молекулам пластмасс смешиваться. При сварке пластмасс наилучшее
соединение получается тогда, когда не происходит реального физического
смешивания пластмассовых материалов. Если давление слишком низкое или слишком
высокое, качество сварного шва ухудшается.
Прочность сварных соединений увеличивается с
повышением длительности сварки и температуры торцов оплавляемых деталей только
до определенного предела, до температуры активного разложения полимера. С увеличением
давления при осадке прочность сварных соединений возрастает.
Прочность по сечению шва имеет максимальное
значение в середине стыка. Это объясняется течением расплава в процессе
формирования и остывания шва. Течение расплава особенно интенсивно в
периферийной зоне.
При производстве сварочных работ нужно помнить
следующее. Во-первых, нельзя сваривать вместе различные виды пластмасс, так как
у каждой пластмассы своя молекулярная структура и температура сварки.
Во-вторых, для сварки с использованием большинства сварочных систем необходимо
провести подготовку поверхности пластмассы, что необходимо для получения
качественного сварного соединения. Подготовка поверхности уменьшает окисление и
удаляет прочие загрязняющие вещества, такие как жир, пыль, устраняет
поверхностные повреждения.
Также нужно помнить и то, что не существует
универсального способа сварки. Вид сварки выбирается в зависимости от
молекулярной структуры и свойств свариваемой пластмассы, а также от размеров
изделия.
Библиографический список
1. Волков С. С., Орлов Ю. Н.,
Астахова Р. Н., Сварка и склеивание пластмасс. М., 1972. - 398 с.;
2. Лекки Б. Сварка пластмасс:
основы. www.omnexus.com;
. Николаев Г. А., Ольшанский
Н. А., Новые методы сварки металлов и пластмасс. М., 1966. - 220 с.;
. Тростянская Е. Б., Комаров
Г. В., Шишкин В. А., Сварка пластмасс. М., 1967. - 365 с.