Сварка нагретым инструментом

Соединяемые детали нагреваются в результате контакта с металличе­скими брусками, пластинами, дисками или с другим инструментом. Нагретые детали спрессовывают, а затем охлаждают. Инструментом может быть нагрета внешняя поверх-ность деталей или сами соединяемые поверхности. В первом слу-чае различают контактнотепловую сварку прессованием (детали нагрева­ют и спрессовывают одновременно) и термоим-пульсную сварку.

При контактно-тепловой сварке прессованием используют постоянно нагретый инструмент с большой теплоемкостью. Детали нагревают с одной или двух сторон (двусторонний нагрев облегчает процесс сварки). Необходимая температура в месте сварки толстостенных деталей устанавли­вается лишь спустя некоторое время после их соприкосновения с инструмен­том. Длительность разогрева материала в месте соединения уменьшается до нескольких минут при использовании инструмента, нагретого на 20-50°С, т.е. выше температуры текучести полимера (в зависимости от толщины детали). Необходимо отметить, что при этом повышается опасность термо­деструкции полимера. Перегрев поверхности нежелателен также и потому, что инструмент, оказывая давление на размягченный материал, деформирует его в зоне шва. Деформирование уменьшают, применяя ограничители хода инструмента или распределяя давление на зону, ширина которой превышает ширину зоны шва. Чтобы исключить прилипание пластических масс к инст­рументу, следует применять разделительные прокладки из фторопласта-4, полиимида, целлофана.

Этим способом сваривают фторопласта-4, полиметилметакрилат, полистирол, полиамиды, поливинилхлорид, полиимиды.

Для термоимпульсной сварки используют малоинерционный нагреватель (ленту или проволоку), через который периодически пропускают электриче­ский ток. При его отключении сварной шов быстро охлаждается. Наиболее распространенная схема термоимпульсной сварки (рис.13) применяется для со­единения пленок, главным образом, полиолефиновых, толщиной 20-250 мкм.

Рис.13. Схема термоимпульсной сварки пленок: 1-пленка; 2-нагреватель; 3-теплоизоляция; 4 - антиадгезион-ный слой стеклоткани или фторопласта-4; 5- подвижная губка; 6- эластичная подложка; 7- неподвижная губка; 8- сварной шов; Р- давление прижима (стрелками показано перемещение подвижной губки)

Сварку можно проводить внахлест или в торец; нахлесточные швы име­ют более высокую прочность при растяжении.

При проплавлении свариваемого пакета по всей его толщине (например, нагревателем в виде проволоки) можно одновременно получить два торцевых шва и разделить изделия или отделить припуск материала. Ускорить охлажде­ние сварного шва в этом случае можно с помощью сжатого воздуха. В зависи­мости от типа материала и его толщины длительность нагрева составляет от десятых долей секунд до нескольких секунд, давление- от 10 (0,1 кгс/см²) до 0,2-0,3 МН/м² (2-3 кгс/см²). Швы длиной более 1,0 -1,5 м могут быть получены при шаговом перемещении материала относительно инструмента.

При сварке способом нагрева инструментом соединяемых поверхностей соединение может быть получено в результате одновременного нагрева всей поверхности шва или последовательного нагрева ее отдельных участков (так на­зываемая непрерывная схема).

Первый способ наиболее широко применяют при стыковке труб, плит, профилей и других полуфабрикатов из жестких термопластов.

После того, как температура поверхности термопласта достигнет Тт, инст­румент удаляют и соединяемые поверхности приводят в контакт. Сварной шов охлаждают под давлением. По непрерывной схеме соединяют встык или вна­хлест мягкие материалы типа эластичного пенополиуретана, а также различные пленки (рис 14)

Рис. 14. Схема непрерывной сварка пленок внахлест при нагреве инструментом соеди­няемых поверхностей: 1 - свариваемые пленки; 2- нагреватель; 5- прижимной ролик; 4- транспорти­рующий ролик; 5 - сварной шов; а - направление сварки; Р- давление

В некоторых случаях нагревательные элементы помещают между соединяемыми поверхностями, нагревают их и оставляют в сварном шве. Если нагрев ведут электрическим током, то в качестве нагревателя применяют спи­раль из металла с высоким электрическим сопротивлением. Наиболее детально этот способ разработан для соединения труб с фитингами (рис. 15).

а б в г

Рис. 15. Схемы сварки оплавлением: а- встык; б- втавр; е- вварказаплаты; г -приварка накладки; 1,2- свариваемые материалы; 3- нагреватель

При нагреве электромагнитным высокочастотным полем используют, кроме металлических вкладышей, тонкоизмельченную окись железа, которую наносят на соединяемые поверхности или вводят в поверхностные слои детали.

Сварка нагретым присадочным материалом

Этот способ также называют сваркой экструдируемой присадкой потому, что для сварки используют поступающий из экструдера присадочный материал (экструдат) в термопластичном состоянии. Сущность сварки термопластов со­стоит в том, что расплавленный материал, выходящий из экструдера или дру­гого устройства, непрерывно плавно под определенным давлением подается в разделку (зазор) между соединяемыми поверхностями, нагревает их до тем­пературы сварки и, сплавляясь с ним, образует сварной шов.

Этот метод высоко производителен, обладает широкими технологиче­скими возможностями и позволяет получать высококачественные сварные со­единения.

Способ сварки, при котором расплавленный присадочный материал не­прерывно поступает в зону соединения из мундштука экструдера, который находится на некотором расстоянии от поверхности свариваемого изделия (рис. 16, а), называют бесконтактной экструзионной сваркой или просто экструзионной. Для обеспечения плотного контакта присадочного материала с соединяемыми поверхностями применяют специальные прижимные устройства.

Наиболее широкое применение в практике сварки как листовых, так и пленочных термопластов, нашла контактно-экструзионная сварка (рис. 16,б) При этом способе разогретый мундштук экструдера, имеющего форму разделки кромок, вводят в разделку шва до контакта с кромками и перемещают по стыку под углом 10-15° к вертикали, одновременно заполняя разделку

расплавленной присадкой. Такой способ позволяет максимально снизить потери теплоты в ок­ружающую среду и дополнительно обеспечить нагрев кромок шва за счет теп­лопередачи от мундштука экструдера, температура которого близка к темпера­туре выходящего из него расплава.

Рис. 16. Схемы бесконтактной (а) и контактно-экструзионной (б) сварки расплавом: 1- экструдер, 2- мундштук экструдера; 3- свариваемые детали; 4— прикатывающий ролик

Для сварки пленок применяется метод, при котором сварка производится непрерывной по­дачей в зазор между соединяемыми поверх­ностями пленок расплава, который вместе с пленками проходит между обжимными роли­ками. Скорость сварки пленок зависит от производительности экструдера и их толщи­ны и может изменяться от 0,5 до 3 м/с.

Разновидностью способов сварки пластмасс экструдируемой присадкой является сварка литьем под давлением. При этом способе расплав подается в золу соединения из литьевой машины периодически. Сварку осуществляют в специальной форме, которая имеет каналы, расположенные по линии разъе­ма. По этим каналам продавливается расплав, который, передавая часть тепло­ты кромкам деталей, расплавляет и соединяет их по линии разъема. Таким спо­собом соединяют заранее отштампованные детали. Данный способ обладает высокой производительностью; его применяют при сварке изделий в трудно­доступных местах по поверхностям сложной конфигурации, когда сварка дру­гими способами невозможна.

Соединяемые поверхности материала перед нагревом их мундштуком экструдера можно предварительно подогреть горячим газом. Способ сварки по этой схеме назван контактно-экструзионной сваркой с предварительным по­догревом.

Наиболее важными технологическими параметрами экструзионной сварки являются температура присадочного материала, сварочное давление и скорость сварки.

Температура присадочного материала, при которой обеспечивается мак­симальная прочность соединения, зависит от величины сварочного давления. При малых давлениях (0,15-0,2 МПа) высокая прочность достигается при бо­лее высоких- температурах присадочного материала. Однако для каж­дого термопласта характерен определенный интервал температур, обеспечи­вающих максимальную прочность сварного соединения: для ПВД 210- 280°С, для ПНД-240-280°С, для ПП-250 - 280°С.

Характерной особенностью процесса экструзионной сварки является то, что оптимальные режимы сварки не зависят от толщины свариваемого материала и с изменением ее от 2 до 30 мм практически остаются постоянными, в том числе и скорость сварки, если производительность применяемого оборудо­вания обеспечивает такую возможность.

Относительная прочность сварных соединений, полученных экструзион­ной сваркой, составляет 90-100% прочности свариваемого материала и не­сколько выше, чем в других известных способах сварки.

Технологический процесс контактно-экструзионной сварки характеризу­ется меньшим числом параметров, чем экструзионная сварка, однако основны­ми технологическими параметрами этого способа сварки остаются также тем­пература присадочного материала - Тм, сварочное давление -Р_св и скорость сварки- υ_св. При этом способе сварки соединения с максимальной прочностью могут быть получены в широком интервале температур: для ПВД 180 - 270°С, для ПНД 200 - 270°С, для ПП 210 - 270ºС.

По производительности процесса и прочности сварных соединений контактно-экструзионная сварка практически не отличается от экструзионной и сварные соединения, полученные при оптимальных режимах, имеют проч­ность 90-100% прочности основного материала. Однако контактно-экструзионный способ сварки обеспечивает более стабильное качество свар­ных соединений при прочих равных условиях.