|
ПРЕДИСЛОВИЕ
Основными направлениями экономического и социального развития СССР на 1986 — 1990 годы и на период до 2000 года поставлена задача увеличить применение в машиностроении прогрессивных конструкционных материалов — проката из низколегированной стали, гнутых, фасонных и точных профилей, металлических порошков и пластмасс.
Заключительным этапом при изготовлении изделий и конструкций из пластмасс является сборка. Доля затрат на ее выполнение может составлять от 30 до 70 % общей стоимости производства изделий и конструкций. В связи с этим развитие различных способов соединения пластмасс, среди которых наибольшее применение нашли сварка и склеивание, имеет большое народнохозяйственное значение.
Развитие сварки пластмасс в СССР началось в 60-е годы; в последние годы освоена сварка основных термопластов, применяющихся для изготовления изделий и конструкций различного назначения. Значительная работа проведена в области механизации и автоматизации процессов сварки, разработаны и применены новые способы сварки [10, 15]. Теоретической основой для научной разработки оборудования и технологии сварки пластмасс стали исследования механизма образования сварных соединений материалов на основе полимеров. Первые фундаментальные исследования механизма образования сварных соединений из термопластов были выполнены советскими специалистами под руководством проф. С. С. Воюцкого, а затем развиты в работах других исследователей [ 10, 29]. В настоящее время организованы десятки специализированных участков и цехов, где успешно применяются наиболее эффективные способы сварки, а сама сварка стала важньш и самостоятельным технологическим процессом. В значительно меньших объемах, чем сварка, при изготовлении изделий и конструкций из пластмасс применяется склеивание. Эффективны клеевые соединения при строительстве трубопроводов из поливинилхлорида и конструкций из листовых стеклопластиков.
Для производства работ по сварке и склеиванию создано необходимое оборудование — ручные устройства и аппараты, автоматы и полуавтоматы, механизированные установки, передвижные и стационарные прессы и др. Значительный вклад в создание сварочного оборудования и подготовку его серийного промышленного производства сделал за последние годы Институт электросварки им. Е, О. Питона Академии наук УССР (ИЭС), в катаром в 1979 г. создан отдел сварки и склеивания пластмасс.
В ближайшее время предполагается снижение доли неэкономичных и трудноавтоматизируемых способов сварки, например сварки нагретым газом, а также изыскание новых технологических схем и новых способов сварки. При этом должны быть увеличены объемы применения современных высокопроизводительных способов — стыковой сварки нагретым инструментом, сварки экструдируемой присадкой и ультразвуком [16, 35]. Производительность применяемых в настоящее время способов сварки пластмасс в значительной степени может быть повышена за счет механизации и автоматизации вспомогательных операций, а также за счет совершенствования сварочного оборудования. Совершенствование оборудования для стыковой сварки нагретым инструментом направлено на создание эффективного автоматического управления про-
цессами сварки и разработку профильных нагревательных инструментов, позволяющих увеличить площадь сварки и расширить интервал оптимальных температур сварки, что особенно важно для изделий из поливинилхлорида. Оборудование для сварки нагретым газом совершенствуется в направлении использования полуавтоматических автономных сварочных устройств со специальными насадками, применения присадочных прутков любых требуемых размеров с заданными характеристиками и гарантированного качества.
Эффективное применение сварки и склеивания пластмасс сдерживается отсутствием доступных широкому кругу инженерно-технических работников справочных данных по технологии сварки и склеивания, применяемому оборудованию, методикам определения режимов сварки и склеивания.
Цель издания настоящего справочника — восполнить этот пробел.
Отзывы и пожелания просим направлять по адресу: 252601, Киев, 1, Крещатик, 5, издательство «Техшка».
ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ НАЗВАНИИ ПОЛИМЕРОВ
ABC — сополимер стиролоакрилонитрила с каучуком
АВЦ — ацебутират целлюлозы
АЦ — ацетат целлюлозы
нц — нитрат целлюлозы
ПА — полиамид
ПАР — полиакрилаты
ПВА — поливинилацетат
ПВБ — поливинилбутираль
ПВД — полиэтилен, полученный при высоком давлении
ПВДХ — поливинилиденхлорид
ПВС — поливиниловый спирт
ПВФ — поливинилиденфторид
ПВХ — поливинилхлорид
ПВХ:Ж — поливинилхлорид жесткий
ПВХ-П — поливинилхлорид пластифицированный
ПИ — полиимиды
ПК — поликарбонат
ПММА — полиметилметакрилат
ПНД — полиэтилен, полученный при низком давлении
ПОМ — полиоксиметилен
ПП — полипропилен
ПС — полистирол
птп — пентапласт
ПТФХЭ — политрифторхлорэтилен
ПУ — полиуретан
ПЭ — полиэтилен
ПЭВ — насыщенные полиэфиры
ПЭТФ — лолиэтилентерефталат
САН — сополимер стирола с акрилонитрилом
СВФГФП — сополимер винилиденфторида с гексафторпропилеиом
СВФТРФЭ — сополимер винилиденфторида с трифторэтиленом
СВФТФХЭ — сополимер винилиденфторида с трифторхлорэтиленом
СВФТФЭ — сополимер винилиденфторида с тетрафторэтиленом
СММА — сополимер метилметакрилата с метилакрилатом
СЭП — сополимер этилена с пропиленом
УПС — полистирол ударопрочный
Ф — фторопласты
ЭЦ — этиленцеллюлоза
Глава 1
СПОСОБЫ СВАРКИ ПЛАСТМАСС СВАРИВАЕМОСТЬ ПЛАСТМАСС
Свариваемость характеризует пригодность материала к образованию неразъемного соединения при рациональном технологическом процессе.
В зависимости от свойств полимерных материалов механизм образования неразъемного соединения может быть диффузионно-реологическим и химическим.
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 [10, 15].
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).
На прочность сварного шва влияет состояние поверхностей свариваемых материалов, в частности их загрязненность, степень окисления, особенно в условиях повышенной влажности, а также 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.
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 (реак-топласты, 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 реакционноспособньгх 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.
КЛАССИФИКАЦИЯ СПОСОБОВ СВАРКИ
Сварка пластмасс представляет собой технологический процесс получения неразъемного соединения элементов конструкции посредством диффузионно-реологического или химического взаимодействия макромолекул полимеров, в результате которого между соединяемыми поверхностями исчезает граница раздела и образуется структурный переход от одного полимера к другому [10, 15].
По механизму процесса сварку пластмасс можно разделить на диффузионную и химическую; по методам активирования процесса — на тепловую, сварку растворителями и сварку комбинированием на-гревл и действия растворителей (рис. 1).
При св а рке растворителями необходимая подвижность молекулярных цепей создается за счет набухания контактирующих поверхностей в растворителе или смеси растворителей. Подразделяется она на сварку чистым растворителем (или смесью растворителей), лаковой композицией (раствором полимера в растворителе) и поламеризующейся композицией (раствором 'полимера в мономере).
Тепловая сварка имеет наибольшее число разновидностей. Классифицировать ее можно по способам передачи тепловой энергии, степени механизации, по области применения и т. д. Однако наиболее точно отражает современное состояние технологии сварки пластмасс классификация разновидностей тепловой сварки в зависимости от источника нагрева. При этом выделяют две группы сварки: с исполь зованием внешнего теплоносителя и с генерированием тепла внутри свариваемого материала за счет преобразования различных видов энергии [15, 35].
Группа способов сварки пластмасс с использованием внешнего теплоносителя подразделяется на сварку нагретым газом, нагретым инструментом и расплавом.
Сварка нагретым газом производится путем одновременного разогрева свариваемых изделий струей горячего газа-теплоносителя, нагреваемого в специальном устройстве. Сварку нагретым газом выполняют с применением присадочного материала и без него, вручную или с использованием специальных приспособлений для механизации процесса сварки. Применяется присадочный материал в виде прутков с различной формой сечении. При сварке по классической схеме нагревательное устройство совершает колебательные движения в плоскости, образованной направлением шва и осью присадочного прутка. Сварочный пруток прижимают и удерживают рукой, если он достаточно жесткий, или с помощью ролика, если пруток мягкий. Применяя специальные насадки на нагревательное устройство, обеспечивают одновременный подогрев свариваемых кромок и прутка, при этом пруток втягивается в отверстие насадки при перемещении устройства вручную вдоль шва и прижимается к кромкам выступом на насадке. Сварка без присадочного материала может производиться с подводом тепла непосредственно к свариваемым поверхностям (прямой метод) или с подводом тепла к внешней поверхности деталей (косвенный метод).
Сварка нагдетым инструментом основана на оплавлении поверхностей сварки путем их прямого соприкосновения с нагреваемым инструментом. Подразделяется на сварку инструментом, удаляемым из зоны сварного шва (с подводом тепла как с внешней стороны деталей, так и непосредственно к соединяемым поверхностям), н сварку элементом, остающимся в сварном шве.
При сварке косвенным методом нагретый инструмент соприкасается с внешними поверхностями соединяемых деталей, а тепло передается к перекрывающим друг друга свариваемым поверхностям за счет теплопроводности свариваемого материала. В настоящее время нашли применение ленточная, роликовая, прессовая и термоимпульсная сварка. При ленточной сварке для нагрева свариваемых изделий и создания давления используется нагретый инструмент в виде ленты, а при роликовой — в виде ролика. При прессовой сварке для создания необходимого сварочного давления применяются сварочные прессы, позволяющие осуществлять шаговую сварку. При термоимпульсной сварке используют малоинерционный нагреватель (лента или проволока), по которому периодически пропускают электрический ток; после отключения электроэнергии сварной шов быстро охлаждается.
Из применяемых способов сварки с подводом тепла к соединяемым поверхностям известны сварки стыковая, раструбная (используется преимущественно для соединения труб), сварка нахлесточных соединений (используется для соединения тонкостенных изделий н пленок), а также сварка с одновременным формованием изделий (в паз или изгибанием деталей).
При стыковой и раструбной сварке после оплавления свариваемых поверхностей изделия разводятся, инструмент убирается, а оплавленные поверхности соединяются под небольшим давлением и свариваются. При стыковой сварке соединяются торцы изделий, а в качестве нагревательного инструмента применяется плоский или профилированный диск (кольцо). При раструбной сварке соединяются внутренняя поверхность раструба и наружная поверхность трубы, а нагревательный инструмент имеет два рабочих элемента: гильзу для оплавления наружной поверхности конца трубы и дорн для оплавления внутренней поверхности раструба.
Сварку нахлесточных соединений можно осуществлять одновременным нагревом соединяемых поверхностей по всея длине, а также, перемещая инструмент или свариваемые изделия. Наибольшее распространение получил способ сварки с механизированной подачей свариваемых изделий и неподвижным нагревательным инструментом.
Из способов сварки элементом, остающимся в сварном шве, практическое применение нашли сварка электросопротивлением и индукционная сварка. Сварка электросопротивлением основана на применении закладных нагревательных элементов с высоким электрическим сопротивлением. Закладные элементы в виде сетки или спирали вводятся между соединяемыми поверхностями. При пропускании по закладному элементу электрического тока соединяемые поверхности оплавляются.
При индукционной сварке нагрев закладного элемента происходит в электромагнитном высокочастотном поле, а в качестве нагревательного элемента используются металлические вкладыши или порошки оксидов металлов.
Сварка расплавом основана на использовании тепла расплавленного присадочного материала, подаваемого между соединяемыми поверхностями и передающего часть своего тепла материалу соединяемых изделий, что ведет к его плавлению и получению неразъемного соединения. Подразделяется иа сварку экструдируемой присадкой, расплавленным прутком и литьем под давлением, которые могут выполняться как с предварительным подогревом свариваемых поверхностей нагретым газом или теплоотдачей от мундштука сварочного устройства, так и без подогрева.
При сварке экструдируемой присадкой (экструзионной сварке) расплав получается с помощью экструдера, обеспечивающего непрерывную подачу расплава, а в качестве исходного сырья используется гранулированный материал. При сварке расплавленным прутком расплав получается из присадочного прутка путем его нагрева в устройствах прямоточного типа, откуда расплав выдавливается непрерывно поступающим еще не нагретым присадочным прутком, который сматывается с бухты и подается в нагревательный цилиндр с помощью специальных тянущих роликов. При сварке литьем под давлением для получения расплавленного присадочного материала применяются литьевые машины.
Группа способов сварки пластмасс с генерированием тепла внутри свариваемо;о материала путем преобразования различных видов энергии подразделяется на сварку трением, сварку ультразвуковую, сварку высокочастотную и сварку излучением.
Сварка трением основана на получении тепловой энергии для оплавления свариваемых поверхностей за счет трения. Очень низкая теплопроводность, характерная для термопластов, способствует сохранению тепла лишь в зоне трущихся поверхностей, в то время как температура всего изделия остается практически неизменной. Разделяется на сварку вращением (вращение соединяемых деталей; вращение промежуточных элементов) и вибротрением.
Ультразвуковая сварка основывается на нагреве свариваемых поверхностей до температуры размягчения в результате превращения энергии колебаний ультразвуковой частоты в тепловую энергию, при этом механические колебания ультразвуковой частоты и
давление действуют по одной линии, перпендикулярно к соединяемым поверхностям. В зависимости от взаимного перемещения инструмента и деталей подразделяется на прессовую сварку (точечная, прямошовная, контурная) и роликовую сварку (сварка непрерывным и прерывистым швом). Ультразвуковая сварка может классифицироваться также и по другим признакам: в зависимости от способа подведения энергии, наличия присадочного материала, а также в зависимости от способа дозирования энергии.
Высокочастотная сварка пластмасс основана на диэлектрическом нагреве материала в высокочастотном электромагнитном поле в результате преобразования электрической энергии в тепловую. В зависимости от схемы взаимного перемещения инструмента и свариваемых изделий высокочастотная сварка подразделяется на прессовую и роликовую. Может выполняться в основном поле и в поле рассеивания с нагревом соединяемого материала или материала прокладок, располагаемых как снаружи свариваемых деталей, так и между ними.
Из разновидностей сварки излучением, отличающихся друг от друга источником и характером излучения, используется световая сварка с применением и без применения присадочного материала, сварка лазерная и сеарка инфракрасном излучением с подводом тепла непосредственно к соединяемым поверхностям (прямой метод) или к внешней поверхности соединяемых изделий (косвенный метод). Более широко применяется сварка инфракрасным излучением, которая основывается на свойстве термопластичных материалов поглощать падающие на них инфракрасные лучи и превращать электромагнитную энергию в тепловую.
ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ВЫБОР СПОСОБОВ СВАРКИ
Сварку предпочитают другим методам соединения, если соединяемые детали изготовлены из однородных материалов; если нецелесообразно использование крепежных элементов и клеев; когда необходимо получить конструкцию минимального веса; в случае предъявления особых требований по обеспечению высокой производительности труда, механизации и автоматизации процесса.
Способы сварки изделий из пластмасс отличаются друг от друга своими технологическими параметрами, оснасткой и оборудованием, имеют свои области применения, характеризуются различными условиями труда и технико-экономическими показателями.
Конкретные рекомендации по выбору способа сварки в зависимости от материала и геометрических параметров свариваемых изделий в настоящее время не разработаны, однако при решении данной задачи необходимо учитывать свойства материалов соединяемых изделий, конструктивные требования к соединению и технологичность его выполнения, а также эксплуатационные требования.
Свойства материала соединяемых изделий (см. прил. 1, 2) оказывают наибольшее влияние на выбор способа соединения. Например, при сварке полимеров с пространственной структурой макромолекул (недоотвержденных реактопластов, сшитых термопластов и др.) предпочтение следует отдавать химической сварке, при этом способ нагрева надо выбирать так, чтобы энергия подводилась непосредственно к соединяемым поверхностям, обеспечивалась высокая скорость повышения температуры и поддержание ее на заданном уровне в течение определенного времени. К таким способам относятся высокочастотный и ультразвуковой нагрев толстостенных изделий и подвод тепла от нагреваемых металлических элементов к тонкостенным изделиям.
При выборе тепловых способов сварки следует учитывать теплопроводность материала, интервал между температурами текучести и деструкции, интервал температур плавления, диэлектрические характеристики и др. Например, при сварке труб из жесткого поливинилхлорида в условиях строительной площадки рекомендуется сварка нагретым инструментом с подводом тепла к соединяемым поверхностям с помощью профилированного инструмента, увеличивающего поверхность сварки по сравнению с плоскими инструментами и обеспечивающего повышение прочности соединения при кратковременных испытаниях на растяжение примерно на 30 %. Это связано с тем, что у поливинилхлорида очень узкий интервал оптимальных температур сварки, соблюдение которых возможно лишь при условии выполнения сварки на автоматизированном оборудовании в стационарных условиях, а использование профилированного инструмента позволяет расширить этот интервал.
Сварка расплавом применяется для пластмасс, обладающих относительно низкой температурой размягчения и способных выдерживать значительный перегрев без заметной деструкции. Сварка трением рекомендуется для термопластов, вязкость которых выше температуры плавления меняется плавно (полиолефины, жесткий поливинилхлорид). Высокочастотная сварка неприемлема для полиэтилена, полипропилена и других неполярных плат асе.
Из конструктивных факторов при выборе способа соединения должны учитываться толщина соединяемых изделий, ширина и длина шва. возможность доступа к соединению г. двух сторон.
К технологическим факторам относятся: объем подготовительных работ; необходимость применения индивидуальной оснастки; возможность механизации процессов; трудоемкость и продолжительность работы; технологические параметры; параметры окружающей среды; возможность обеспечения требуемых технологических параметров в условиях изготовления соединения; время, после которого изготовленное соединение может эксплуатироваться; возможность контроля качества соединения; масштабы производства, квалификация рабочего персонала. Например, поскольку сварка нагретым (азом и сварка расплавом характеризуются возможностью подведения тепла непо средгтвенио к соединяемым поверхностям к любому месту конструкции то данные методы сварки рекомендуются для сборки и ремонмэ крупногабаритных конструкций в условиях строительной площадки. При сварке в этих же условиях толстостенных изделий небольших габаритных размеров (например, труб) рекомендуется сварка нагретым инструментом с подводом тепла к соединяемым поверхностям, так как в этом случае скорость сварки не зависит от теплопроводности материала изделия и локализация области прогрева дает возможность уменьшить расход энергии.
Если тепловая сварка ведет к короблению соединяемых изделий, вызывает деструкцию полимера и потерю формы изделия, целесообразно применять сварку с помощью растворителей. Этот способ эффективно используется для соединения листов из полиметилметакри-лата и труб из поливинилхлорида.
Химическая сварка изделий из стеклопластиков применяется только в случае нецелесообразности использования других способов соединения, так как для ее осуществления необходимо при изготовлении изделий обеспечить недоотверждасмость и остаточную пластичность полимера в поверхностном слое в местах соединения, что требует применения сложного оборудования и технологии.
Среди параметров эксплуатации, влияющих на выбор способа соединения, наиболее существенное значение имеют нагрузки на со-
единение в период изготовления и эксплуатации конструкций. Можно выделить три вида нагрузок: отрывающие, сдвигающие и отслаивающие. В большинстве случаев эти нагрузки действуют совместно, но почти всегда одна из них является решающей. Выбор способа соединения производится из условия наилучшего восприятия нагрузок готовым соединением при учете других, указанных выше факторов.
KOHEЦ ФPAГMEHTA КНИГИ
|
