Сварка и склеивание пластмасс

Неразъемные соединения из пластмасс получают сваркой и склеиванием. Образование неразъемного соединения является результатом взаимной диффузии молекул полимера в контактирующих поверхностях или химической реакции присоединения.

Прочность сварного соединения зависит от состоя­ния поверхности сварного шва, прочности свариваемо­го материала, прочности присадочного материала и конструкции сварного соединения. Зачистка и зашли­фовка шва может снизить прочность соединения на 25—30%.

В настоящее время применяют сварку с примене­нием теплоносителя (сварка нагретым газом, нагретым инструментом, нагретым присадочным материалом), с нагревом токами высокой частоты, трением, ультра­звуком, с помощью инфракрасного излучения и химиче­скую сварку.

Сварка нагретым воздухом или газом является про­стым и наиболее распространенным методом. Сварку проводят с применением присадочного материала или без него (рис. 435).

При сварке с присадочным материалом (рис. 435, а) свариваемые поверхности деталей 1 и присадочный пруток 3 нагревают до вязко-текучего состояния струей нагретого воздуха или газа, выходящего из сопла спе­циального сварочного пистолета 2. Для получения не­разъемного соединения в большинстве случаев доста­точно небольшое прижатие свариваемых материалов.

Качество сварного шва будет зависеть от теплового режима, сечения присадочного прутка, скорости уклад­ки присадочного прутка, угла его наклона и т. п.

Если нельзя допускать окисления свариваемых ма­териалов, то в качестве теплоносителей применяют азот или углекислый газ.

Сварку с присадочным материалом применяют для соединения труб, изготовления фасонных деталей, ем­костей, химической аппаратуры и т. д.

Этот способ сварки имеет низкую производитель­ность, неэкономичен и дает резкие колебания прочности соединения.

Сварка нагретым газом без присадочного материала (рис. 435,6) позволяет резко повысить скорость про­цесса, улучшить прочностные характеристики соедине­ния. Но при этом способе свариваемые изделия должны иметь одинаковую толщину во всех сечениях сварного шва.

Сварочный пистолет 2 устанавливают в створ сва­риваемых изделий 1 таким образом, чтобы газовая струя направлялась на срезание кромки шва. Давление сварки осуществляют двумя парами прижимных роли­ков. Скорость сварки зависит от толщины листов и до­стигает 4,2—5,6 мм/с,

Сварка нагретым инструментом является наиболее универсальным способом и имеет несколько разновид­ностей в зависимости от применяемой оснастки.

На рис. 436 представлена схема роликовой кон­тактно-тепловой сварки. Соединяемые детали 1 нагре­ваются от соприкосновения с инструментом — роликами 2 и сжимаются под действием силы Р, Такой способ

Рис. 436. Схема роликовой Рис. 437. Схема прессового (о) и роликового контактно-тепловой сварки (б) методов высокочастотной сварки

используют при сварке швов значительной протяженно­сти. Для сварки коротких и фасонных швов используют электронагреватели типа паяльников, электроутюгов. На прочность получаемого соединения оказывают зна­чительное влияние температура, давление и время сварки.

Сварку нагретым инструментом применяют в основ­ном для жестких термопластов: полиметилметакрилата, полистирола, поливинилхлорида, полиамида и некото­рых пленочных материалов (полиэтилена, полипропи­лена и др.).

Сварку полиэтиленовой пленки толщиной от 25 до 100 мкм проводят через прокладку из целлофана или фторопласта на специальных машинах.

Сварка с нагревом токами высокой частоты основа­на на преобразовании электрической энергии в тепло­вую непосредственно внутри материала. При этом до­стигается равномерность нагрева и не происходит пере­грева поверхности. Этот метод сварки наиболее желателен для таких материалов, как поливинилхлорид, который при других способах сварки ввиду перегрева поверхности теряет в соединении 40—60% прочности.

54-481

На рис. 437 представлены схемы прессового и роли­кового методов высокочастотной сварки.

Сварка токами высокой частоты характеризуется высокой производительностью, экономичностью и хоро­шим качеством соединения. Изделия можно сваривать толщиной до 5 мм.

Рис. 439. Схема ультразву­ковой сварки пластмасс

Сварка трением основана на превращении механи­ческой энергии в тепловую (рис, 438). Так как термо-

ША.

■X J- . '

тш

Рис. 438. Принципиальные схемы сварки треиием с ис­пользованием вращения од­ной детали (о), двух дета­лей (б) и вставки (в)

пласты имеют низкую теплопроводность, то при свар- ке трением выделяющееся тепло в основном концент­рируется около контактирующих поверхностей.

Сварку трением можно осуществить вращением свариваемых деталей, вибрацией и вращательно-вибра- ционным движением свариваемых деталей. Наибольшее распространение получила сварка вращением.

Качество получаемого соединения зависит от скоро­сти вращения, давления и продолжительности контакта.

Сварку трением применяют для сваривания изделий из твердых термопластов, для деталей, имеющих форму тел вращения.

Сварка ультразвуком основана на нагреве контак­тирующих поверхностей при превращении энергии ульт­развуковых колебаний в тепловую энергию.

При сварке ультразвуком (рис. 439) изделие 3 за­жимается с некоторым усилием между волноводом 2 и отражателем 4. Сварка происходит при подаче токов высокой частоты (более 20000 Гц) на обмотку магни-
тострикционного вибратора 1, соединенного с волново­дом. Продолжительность процесса сварки зависит от толщины и свойств свариваемого изделия.

Сварка ультразвуком имеет ряд преимуществ перед другими методами сварки: 1) разогрев материала про­исходит только на контактирующих поверхностях, что исключает возможность перегрева; 2) сварку можно осуществлять в труднодоступных местах, так как ульт­развуковые колебания можно подводить на значитель­ные расстояния от места сваривания; 3) на поверхно­сти не остается следов инструмента.

Сварка полимеров с помощью инфракрасного (ИК) излучения является универсальной. Она основана на превращении лучистой энергии в тепловую внутри ма­териала. ИК-лучи могут отражаться, преломляться и поглощаться. Преобладание того или иного явления за­висит от длины волны излучения. Если частота ИК-из- лучения совпадает с собственной частотой колебаний элементарных частиц вещества, то происходит резо­нансное поглощение. Энергетическое распределение по­глощения зависит от типа материала и состояния его поверхности.

Степень поглощения ИК-излучения определяется ко­эффициентом поглощения: отношением поглощенной энергии ко всему количеству энергии излучения, пада­ющей на тело. Полимерные материалы в большинстве случаев поглощают ИК-излучение с длиной волны более 3 мкм.

В качестве источников ИК-излучения используют кварцевые излучатели, силитовые стержни и никель- хромовые сплавы.

54*

На рис. 440 показаны принципиальные схемы свар­ки с помощью инфракрасного излучения внахлестку и торцового соединения. Для сварки внахлестку (рис. 440, а) листы 1 укладывают на подложку 2, изготов­ленную из материала, поглощающего ИК-лучи. При­жимное устройство 3 фиксирует материал в натянутом состоянии и ограничивает зону нагрева. Нагрев осуще­ствляют от источника ИК-лучей 4. Тепловое расшире­ние и размягчение материала приводят к его растяже­нию в месте контакта. В результате листы давят друг на друга и осуществляется их сварка. При этом спосо­бе из-за местного утонения материала и недостаточно плотного контакта снижается качество сварного шва.

Для улучшения качества шва и для обеспечения плот­ного контакта применяют эластичную подложку (рис. 440,6) из микропористой резины или эластичного пенополиуретана. Для получения длинных швов пере­мещают свариваемое изделие или источник излучения.

Толщина свариваемого соединения, режим сварки зависят от условий ИК-излучения, материала заготовок. Так, например, при использовании в качестве источника

Рис. 440. Схема сварки ИК-излученнем при создания давления: о — в результате натяжения материала; б — за счет упругой подложки

а

ИК-лучей силитового стержня, нагретого до 1200° С, предельная толщина сварки полиэтилена низкой плот­ности при одностороннем подходе с использованием микропористой подложки составляет 1,5—2,0 мм при продолжительности сварки 2—4 с.

Относительная прочность сварных соединений при испытании на расслаивание в среднем составляет 75— 85%.

Склеивание пластмассовых изделий получило в про­мышленности широкое распространение благодаря вы­сокой технологичности, прочности и экономичности. Склеиванием можно получать соединения пластмасс между собой (однородных и неоднородных по химиче­ской природе), соединения пластмасс с металлом, ре­зиной, деревом, кожей и т. д.

Термореактивные пластмассы склеивают клеями (ВИАМ, Б-3, КМ и др.), в которых фенолформальде- гидная или меламиноформальдегидная смолы находятся в термореактивной стадии. После нанесения клея на склеиваемые поверхности и их сжатия смола должна пе­рейти в термостабильное состояние. При комнатной температуре отверждение может продолжаться не­сколько месяцев. Поэтому в клей добавляют специ­
альные отвердители и склеенные изделия выдерживают при повышенной температуре.

Склеивание изделий из термопластичных пласт­масс осуществляют специальными клеями или раство­рителями в зависимости от материала. Так, например, оргстекло склеивают дихлорэтаном, полистирол бен­золом, винипласт—хлористым метиленом, ацетоном или дихлорэтаном и т. д. Растворитель, вызывая местное набухание материала, придает ему клейкость.

При склеивании растворителем возникают значи­тельные напряжения в слоях материала, непосредствен­но соприкасающихся с клеевым швом.

Процесс склеивания состоит из ряда последователь­ных операций: подготовки поверхностей соединяемых деталей, нанесения клея, сборки соединения и запрес­совки, выдержки под давлением при заданной темпера­туре.

Клеи с малой концентрацией клеевого вещества (клей типа БФ) наносят на поверхность в несколько слоев, а пленочные клеи (ВК-32-200, МПФ-1 и др.) наносят на подслой из жидкотекучих композиций.

При запрессовке необходимо обеспечить равномер­ную по всей площади заданную толщину клеевого шва, без пустот, пузырей и неплотностей. Давление запрес­совки зависит от технологической вязкости клея и тол? щины материала. Для малотекучих клеев (БФ-2, БФ-4, ВК-32-200) давление запрессовки равно 5—20 кгс/см², й для высокотекучих клеев (ВК-32-ЭМ, BJI-4 и др.) 0,5— 3 кгс/см²,