Метод контактно-тепловой сварки пластмасс

Пластмассы являются перспективными конструкционными материалами. Их используют как заменители металлов и других материалов, а также как самостоятельный конструкционный материал, обладающий многими положительными свойствами.

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.

Свойства пластмасс определяются их основой - полимером. Основой пластмасс являются высокомолекулярные соединения, которые состоят из гигантских молекул линейной, разветвленной или пространственной структуры.

Пластмассы с линейной структурой макромолекул характеризуется высокой прочностью, значительной упругостью и способностью к высокоэластичными деформациям (натуральный или искусственный каучук, полиэтилен, полистирол).

У полимеров с разветвленной структурой прочность и термостойкость уменьшаются (фенолформальдегидные, полиэфирные).

С пространственной структурой - полная нерастворимость, отсутствие эластичности и пластичности при повышенной температуре, высокая твердость и хрупкость (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. Поэтому они хорошо свариваются тепловыми методами.

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).

Способы сварки пластмасс разделяют на две группы: непосредственное использование разных источников теплоты и преобразование различных источников энергии в теплоту.

К первой группе относятся: сварка газовым теплоносителем, экструдируемой присадкой, нагретым инструментом. Ко второй - сварка токами высокой частоты, ультразвуком, трением, инфракрасным излучением, нейтронным облучением, сварка за счет термохимической реакции.

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.

При контактно-тепловой сварке термопластов образование соединения происходит за счет нагрева соединяемых поверхностей нагревательным инструментом и приложения давления. Существует два основных способа контактно-тепловой сварки: сварка оплавлением и проплавлением.

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.

Основные параметры контактной сварки оплавлением: 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.

Температуру нагревательного элемента обычно устанавливают на 100-120 ⁰С выше температуры плавления термопласта.

Величина давления и скорость осадки при сварке должны обеспечить удаление прослоек (газовая и окисленный слой).

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.

Прочность изделий из пластмасс определяется также конструкцией соединения. Типы сварных соединений выполняемых сваркой оплавлением представлены на рис.2.


Оплавление кромок фигурным нагревателем приводит к повышению прочности сварного соединения за счет увеличения поверхности соединения.

Для интенсификации разрушения поверхностных пленок и перемешивания расплава в начальной стадии осадки рекомендуется одной из свариваемых деталей сообщать осевые или поперечные колебания частотой 1,5-2 Гц с амплитудой 1-3 мм или УЗ колебания.

Сварку оплавлением применяют для соединения листов, сварки пластиковых труб, пластин и блоков с подготовкой кромок механической резкой.

Разновидностью контактной сварки оплавлением является метод сварки закладными нагревателями. Этот метод наиболее широко используется для соединения труб, трубных элементов, блоков. При этом в зону контакта между свариваемыми поверхностями, при сборке закладывают электрический нагреватель сопротивления (металлическая спираль). После сборки и плотного сжатия, снаружи к спирали подводится электрический ток. При сварке трубопроводов используют соединительные детали в виде муфт, в которых при отливке размещают нагревательные элементы. Долговечность сварных соединений при этом методе сварки приближается к долговечности материала труб.

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 рис.3.


Различают сварку в длительном (статическом) режиме, (время сварки может быть продолжительным) и термоимпульсную (быстрый нагрев импульсом тока).