Список тематических статей

Соединение, выполненное с помощью сварки, является неразъемным

, то есть оно не может быть разобранным без разлома детали. При монолитной сварке макромолекулы соединяемых деталей перемещаются из одного свариваемого элемента в другой по принципу силы взаимодействия.

Используя сварку для соединения деталей достаточно всего лишь сблизить свариваемые элементы на такое расстояние, при котором появляется сила взаимосвязи. Между свариваемыми полимерами также возникает связь, исчезает граница раздела и осуществляется сварка.

Сварка в качестве технологического процесса представляет собой неразъемное соединение элементов изделия, который основан на диффузном и химическом взаимодействии полимерных макромолекул. Результатом таких процессов будет исчезновение границ раздела между соединяемыми поверхностями.

Но даже если соединяемые поверхности имеют идеально гладкую поверхность, то различные помехи в виде загрязнений и адсорбированных газов будут препятствовать такому сближению, поэтому необходимо использование энергоносителей извне: деформационных и тепловых. Энергия деформации способствует преодолению силы отталкивания, которая появляется между атомами сближаемых поверхностей. Тепловая энергия направлена на увеличение развития взаимодействия между поверхностями. В зоне сваривания выделяют два основных процесса:

1. Подводка и преобразование энергии;
2. Превращение веществ.

Зависимо от интенсивности сварки и преобразования энергии и будет определяться ее тип.

Сварка требует активации поверхностей, которые нужно соединить между собой

. Осуществить это можно подводом энергии или ее преобразованием. Использование специальных вспомогательных веществ нужно только при отдельных способах сварки полимеров. Например, при сваривании нагретыми газами с использованием материала присадки, а также при методе сваривания расплавами.

Некоторые виды сварки подразумевают значительное движение веществ, которое в свою очередь обуславливается смешиванием и диффузией в полимере, доведенном до вязко текучего состояния. Химическая реакция активных групп свариваемой поверхности является особым типом движения. Такие группы вступают в реакцию между собой или взаимодействуют с активными элементами промежуточного вещества. Подобные реакции протекают во время подвода энергии от разных типов химической сварки. Со стороны термодинамики можно утверждать, что особой разницы между соединением деталей полимера и металла нет. Сформулировать это определение можно так: сварка — это способ создания монолитного соединения деталей благодаря введению или термодинамическому необратимому преобразованию энергии и вещества в зоне, которую соединяют.

Суть сварки полимеров

Среди всех видов соединений деталей сварка является одним из самых экономичных и надежных методов. Для изделий из пластмасс это утверждение тоже применимо в полной мере. Сварка, как правило, дает изделия хорошего качества, прочные, долговечные. При этом сам процесс может проходить как в промышленных условиях, так и в условиях кустарного производства или частного домохозяйства.
Существует несколько различных типов сварки пластиков, однако все их объединяет общая суть. Тем или иным путем полимер разогревается, его макромолекулы приходят в движение и осуществляется диффузия полимерных компонентов друг в друга с последующим получением общего монолитного изделия.

Не все пластмассы, как и не все другие материалы, подходят для процесса сварки. Главным образом, она подходит для термопластов – полимеров, которые могут перерабатываться многократно путем нагрева, придания формы и охлаждения. Термопластичные материалы, в отличие от термореактивных пластмасс, имеют более подходящие для рассматриваемого процесса свойства. При повышенных температурах термопласты приходят в пластичное состояние и становятся пригодными для рассматриваемой технологии.

Сварка полимеров имеет ряд неоспоримых преимуществ перед прочими методами соединений деталей, например соединения крепежом, клеевые, и т.д. С ее помощью можно получить ровный, без дефектов сварной с ровным распределением внутренних напряжений.

Рис. 1. Контактная сварка встык.

Свариваемость пластмасc

Свариваемость пластмасс характеризует пригодность материала к образованию неразъемного соединения при рациональном технологическом процессе.

В зависимости от свойств полимерных материалов механизм образования неразъемного соединения может быть двух видов:

1. Диффузионно-реологический;
2. Химический.

1. Диффузионно-реологический процесс взаимодействия свариваемых поверхностей наиболее эффективно реализуется в стадии вязкотекучего состояния материала, когда макромолекулы приобретают максимальную подвижность и имеют наименьшую плотность упаковки. В ряде случаев (в аморфных и частично кристаллических полимерных материалах) добиться разрыхленности структуры можно воздействием на полимер растворителей. Степень и скорость диффузии зависят от молекулярной массы полимеров и полярности звеньев макромолекул. С их уменьшением скорость диффузии возрастает.

Молекулярно-массовое распределение, разветвленность молекулярных цепей, полярность молекулярных звеньев могут характеризоваться энергией активизации вязкого течения и в количественном отношении оценивать свариваемость полимеров. В той же мере оценка свариваемости может быть произведена по интервалу температур, в котором полимер может сохранять вязкотекучее состояние, и по характеристике вязкости расплава (табл. 1).

Таблица 1: Критерии оценки свариваемости термопластов

На прочность сварного шва влияет состояние поверхностей свариваемых материалов, в частности их:

• загрязненность,
• степень окисления, особенно в условиях повышенной влажности,
• концентрация наполнителя.

Очистка от загрязнений и обезжиривание являются необходимыми условиями качественной сварки.

Реологический механизм сварки способствует разрыву связей и удалению из зоны шва указанных ингредиентов.

Способность многих термопластичных материалов к упорядоченному расположению макромолекул (кристаллизации) обеспечивает при определенных температурных условиях восстановление структуры сварных швов, близкой к основному материалу.

Ускорение процесса охлаждения сварных швов, допускаемое для аморфных полимеров, у кристаллических вызывает разрыхление структуры шва. Сварные швы кристаллизирующихся полимеров должны остывать естественным путем. Рекристаллизованная структура материала сварного шва улучшает межмолекулярное взаимодействие по линии сварки, увеличивает плотность упаковки макромолекул сварного шва и улучшает его механические характеристики.

Таким образом, на факторы, определяющие оптимальное протекание диффузионно-реологического процесса сварки, можно воздействовать технологическими приемами, экономическая целесообразность которых определяет их практическое применение.

2.Химическая сварка основана на образовании химических связей между полимерными материалами. В отличие от склеивания при химической сварке не образуется самостоятельной непрерывной фазы.

Материалы, которые не поддаются диффузионной сварке (реактопласты, вулкацизаты, редкосетчатые полимеры с лестничной структурой), можно соединить путем химического взаимодействия функциональных групп или с помощью присадочного материала, близкого по активности к каждому из свариваемых полимеров, при этом нагрев и сварочное давление создают необходимые условия для протекания процесса, а присадочные материалы способствуют активации реакционноспособных групп.

Качество химической сварки определяется длиной, концентрацией, подвижностью активных групп контактирующих материалов. Технологическими приемами можно добиться улучшения свариваемости трудиосвариваемых полимеров. Так, предварительная обработка поверхности материала химическим агентом способствует увеличению пластичности поверхностных слоев, а с помощью предварительной механической обработки соединяемых поверхностей удаляется менее реакционноспособный слой материала.

Сварка нагретым инструментом

Этот тип, который называется еще контактной, или термоконтактной сваркой, она является самым простым из всех видов соединений полимерных деталей. Подача тепла на соединяемые поверхности достигается за счет их контакта с нагретым инструментом. Контактный процесс очень часто применяют в трубопроводной технике, изготовлении сосудов и емкостей, прочих изделий и конструкций из пластика.

Чаще всего используют способ прямого нагрева, при котором проводят следующие этапы сварки:

— зачистка и нагрев свариваемых поверхностей прижатым к ним нагреваемым инструментом;

— удаление инструмента и сжатие поверхностей, выдержка в течение определенного технологией времени в сжатом состоянии.

Бытует мнение, что временной интервал от удаления инструмента до сжатия поверхностей между собой должен быть минимальным. Ибо иначе, прочность сварного соединения снижается ввиду быстрого охлаждения из-за контакта поверхностей со средой. Однако, на самом деле, процесс сварки пластиков гораздо сложнее и технологически правильно выдержать определенную паузу перед соединением деталей. За это время свариваемые области, неравномерно разогретые инструментом, приходят в состояние большей подготовленности к процессу диффузии. Технологическая пауза обычно составляет порядка нескольких секунд.

Помимо прямого нагрева, используют метод косвенного нагрева пластмассы и закладные нагреватели. Последний метод получил распространение для соединения труб, обычно большого диаметра, в полевых условиях. На концы труб помещается специальная муфта, в которую заранее помещается нагревательный элемент. Затем при пропускании электричества от полевого генератора внутренний слой муфты расплавляется и создает неразъемное трубное соединение.

Рис.2. Соединение труб термосварной муфтой

Наиболее распространенные виды термоконтактной сварки полимеров – это сварка «в стык» и «в раструб». Оборудование для процесса «в стык» проще и используется чаще.

Аппараты для спаивания в раструб разогревают у одной детали, например трубы, наружную поверхность, а у другой, например фитинга, внутреннюю. Затем свариваемые детали устанавливаются на нагретую оснастку. А уже после выдержки технологического времени на оснастке (дорне и муфте) детали извлекаются и происходит их соединение. Такая технология очень популярна для спаивания труб для холодного и горячего водоснабжения из рандом сополимера полипропилена.

Механический процесс сварки полимеров и их свариваемость

Топохимическая реакция характеризуется тремя поочередными стадиями:

• I. Образование контакта на физическом уровне;
• II. Активизация поверхностей, которые контактируют между собой;
• III. Объемное развитие взаимодействия.

На первой стадии физический контакт возникает, когда к элементам сварки прилаживается давление. Существуют типы сварки, когда в свариваемую зону подают «жидкое» присадочное вещество

. В данном случае контакт может быть обеспечен при небольшом давлении или вообще при его отсутствии. К таким видам сварки относят соединение деталей
нагретыми газами
или
экструзионное сваривание
. Физический контакт может устанавливаться после нагревания свариваемых зон до температуры, при которой обычно происходит соединение деталей или вместе с нагревом. На этапе физического контакта деформируются макро- и микронеровности. При деформировании из участков контакта удаляются еще и инородные включения в виде пузырьков газа, жирных и маслянистых пятен и иных загрязнений. Мягкие полимеры и материалы с волокнистой структурой на данном этапе становятся более плотными из-за уменьшения толщины материала.

Свариваемые поверхности активируются при повышении нагрева

, который в свою очередь приводит к ускорению движения макромолекул. Нагревание происходит из-за тепловой подачи от нагретого сварочного инструмента, газа или материала присадки, а также за счет преобразования иных типов энергии в тепло. Такой энергией может выступать механическая, колебание от ультразвука или трение, высокочастотное электрическое поле конденсатора, электромагнитное поле, инфракрасные лучи, лазер и концентрированный световой луч.

Сварка с преобразованием различной энергии в тепло будет иметь некоторые процессы, которые характерны именно конкретному виду источника этой энергии. Например, сварке высокочастотным током будет характерно смещение диполей; введение и распространение ультразвуковым колебаниям; концентрация и появление тепла от механического колебания характерны использованию ультразвуку; поглощение лучей — ИК сварке.

Температурная активация обычно сопровождается деформацией, т. к. нагрузки от статики и динамики подразумевают внедрение инструмента в поверхность детали, которая с ним контактирует. Здесь также вытесняется шастицированный или расплавленный материал из свариваемого участка.

Объемное развитие взаимодействия подразумевает наличие сложнейших физических и химических процессов. Главенствующую роль этого этапа занимает диффузия, и данная теория несет название — диффузионной. В некоторых случаях основой объемного развития взаимодействия является течение, и такая теория будет называться реологической.

Сварка горячим воздухом (нагретым газом)

Название процесса «сварка горячим газом» изначально происходит от того, что воздух в первых сварочных устройствах на заре переработки пластмасс грелся газовой горелкой. Однако, такой способ был опасным или нетехнологичным, поэтому позже аппараты для сварки стали изготавливать с электрическим нагревом. Современные устройства также электрические, позволяющие регулировать температуру процесса с высокой точностью, но слова про горячий газ в обозначении процесса остались.

Технология соединения нагретым газом подразделяется на два типа: с применением присадочного прутка и без применения присадочного материала.

Сварка горячим газом – непростой процесс. Он используется для соединения труб, плит из пластмассы, профилей и прочего подобного погонажа, при изготовлении различных изделий. При этом свариваемые детали и сварочная проволока нагреваются горячим воздухом до технологической температуры и соединяются под давлением. Нагретый воздух обычно поступает из фильеры сварочного агрегата.

Для технологии этого типа подходит большинство термопластов, но чаще всего она применяется для соединения полиэтилена, полипропилена, поливилихлорида разной твердости, АБС и ПММА (оргстекла). Как правило, за редкими исключениями, сварка разных полимеров невозможна. Соединение ПВХ и полиметиметакрилата теоретически получается, но сварной шов обычно непрочен.

Прочие виды сварки полимеров

Сварка экструзионная. При этом процессе сварочный материал, желательно тот же самый полимер, что и тот, из которого изготовлены свариваемые детали, подается в область сварки в расплавленном виде из ручного экструдера. В этот небольшой экструдер или обогреваемый пистолет непрерывно поступает из бухты присадочный материал в виде прутка.

Рис.3. Работа ручным экструдером

Сварка растворителями. Этот метод заключается в ряде технологических операций: смачивание, пауза для ожидания набухания полимера, контакт между поверхностями, выдержка под нагрузкой. Такая сварка применяется для полимеров, нестойких к действию растворителей, как правило аморфных термопластов.

Сварка трением. Метод, который позволяет почти моментально и без особых затрат получить прочное сварное соединение. Отлично подходит для тел вращения при соединении «в раструб». Обычно одно изделие жестко закрепляется, а второе надевается на оправку, которую приводят во вращение от любого привода. Затем второе изделие перемещают в осевом направлении и соединяют с закрепленным изделием в раструб. От возникшей энергии трения обе детали подплавляются, вращение останавливается и желаемое соединение формируется за считанные секунды.