Общие сведения о сварке пластмасс

- мощность нагревательных  элементов 500-800 Вт;

- расход газа-теплоносителя  0,08 см³/с;

- напряжение не более  36 В;

- скорость подачи воздуха  или инертных газов 25 – 30 м/с;

- масса горелок 300 –  600 г.

При использовании газовых  горелок косвенного действия передача тепла от продуктов сгорания к  газу теплоносителю происходит через стенку, разделяющую эти потоки.

При использовании газовых  горелок прямого действия газ  – теплоноситель смешивается  с продуктами сгорания.

В газовых горелках с  электрическим нагревом газа – теплоноситель  нагревается джоулевым теплом, выделяющимся при прохождении электрического тока через нагревательный элемент, изготовляемый из материала с высоким удельным сопротивлением. Нагревательный элемент может быть выполнен в виде проволочной спирали, омываемой потоком газа – теплоносителя, или в виде свернутой трубки (змеевика), к концам которой подводится напряжение, а внутри пропускается газ – теплоноситель.

 

 

4.4. Технология сварки газовым теплоносителем

Качество сварных швов, полученных сваркой с применением  присадочного материала, зависит от свойств основного материала и материала прутка, типа сварного шва, подготовки свариваемого материала и соблюдения сварщиком технологических приемов и режимов сварки.

Прочность и плотность  сварного соединения обусловлены его  видом и профилем, углом раскрытия и величиной зазора между свариваемыми кромками. Сварные соединения, применяемые при изготовлении изделий из пластмасс можно разделить на четыре вида: а) стыковое; б) нахлесточное; в) тавровое; г) угловое.

Стыковые швы могут  быть без предварительной разделки кромок, с V – образной и X – образной разделкой. Разделка кромок не производится при сварке термопластов толщиной до 2 мм.  V – образную и X – образную разделку кромок осуществляют при сварке листов толщиной 2 – 6 мм. X – образные швы обеспечивают более высокое качество соединения, чем  V – образные, но подготовка кромок более трудоемка.

Угол раскрытия кромок применяют 55 - 60˚ для листов толщиной менее 5 мм и 70 - 90˚ - для листов толщиной более 5 мм.

Особое влияние на качество сварного шва оказывают:

1) скорость укладки  присадочного прутка;

2) угол наклона прутка  при подаче в шов

Сварщик должен подавать пруток под углом 90˚. Если угол будет  больше 90˚, пруток вытягивается, а при  дальнейшем охлаждении возникают усадочные  напряжения, которые приводят к разрыву прутка. При наклоне прутка под углом меньше 90˚ он разогреется быстрее, чем основной материал, поэтому пруток не успевает привариваться к свариваемым деталям.

3) расстояния от наконечника  горелки

Расстояние между наконечником и поверхностью сварного шва следует поддерживать постоянным (5 – 8 мм), в противном случае температура нагрева материала и присадочного прутка будет колебаться.

4) положение и направление  горелки при сварке

Угол наклона наконечника  горелки к поверхности шва  выбирают в зависимости от толщины материала. При толщине до 5 мм угол наклона наконечника равен 20 – 25˚, при толщине более 5 мм – 30 – 45˚.

Основными параметрами  режима сварки пластмасс газовым  теплоносителем являются температура  и расход газа,  усилие, прикладываемое к  присадочному прутку и скорость его укладки в разделку шва.

Образование сварных  соединений при сварке газовым теплоносителем возможно только при условии, если соединяемые  поверхности материала и присадочного прутка находятся в вязкотекучем состоянии, поэтому температура газа – теплоносителя на выходе из  сопла сварочного аппарата должна быть на 50 - 100˚ С превышать температуру текучести полимера.

 

Контрольные вопросы:

1. В чем состоит  сущность сварки пластмасс газовым  теплоносителем?

2. Каковы преимущества сварки пластмасс газовым теплоносителем?

3. Каковы области применения  сварки пластмасс газовым теплоносителем?

4. Назовите виды сварки  пластмасс газовым теплоносителем.

5. Какое оборудование  применяется при сварке пластмасс  газовым теплоносителем?

6. Какова технология сварки пластмасс газовым теплоносителем?

 

 

Лекция № 5

Сварка экструдируемой присадкой (расплавом)

 

План:

5.1. Сущность сварки экструдируемой присадкой

5.2. Способы сварки экструдируемой присадкой

5.3. Технология сварки экструдируемой присадкой

5.4. Оборудование для сварки экструдируемой присадкой

 

5.1. Сущность сварки экструдируемой присадкой

Сущность сварки экструдируемой присадкой состоит в том, что  расплавленный материал, выходящий  из экструдера или другого устройства, непрерывно подается в зазор между соединяемыми поверхностями, нагревает их до температуры сварки и, сплавляясь с ними, образует сварной шов.

Сварка экструдируемой присадкой близка к процессу сварки термопластов газовым теплоносителем с присадочным материалом, а также к сварке металлов плавящимся электродом. Во всех случаях сварное соединение образуется за счет сплавления присадочного материала с кромками соединяемых деталей. Различие между сваркой металлов и полимеров состоит в том, что металл переходит в жидкую фазу, а полимер остается в вязкотекучем  состоянии. Поэтому для получения плотного контакта расплавленного присадочного материала с кромками свариваемых деталей необходимо создавать давление.

Теплота Q, вносимая экструдируемой присадкой в зону сплавления, должна перевести в вязкотекучее состояние соединяемые кромки Q₁, обеспечить сохранение  вязкотекучего состояния присадочного материала Q₂ и компенсировать потери теплоты с поверхности шва Q₃, т.е.

Q = Q₁ + Q₂ + Q₃.

Температура присадочного материала, при которой его необходимо вносить в зону сплавления, чтобы обеспечить процесс сварки:

T_s = (T_T – T_f)(1 +q₁c₁/(qc)) + T_f ,

где T_f – температура окружающего воздуха, ˚С; T_T – температура текучести материала, ˚С; q₁ – количество материала, которое необходимо нагреть до температуры текучести, кг;  q – количество присадочного материала, вносимого в зону сплавления, кг; с₁, с – удельная теплоемкость присадочного и свариваемого материала.

5.1.1. Преимущества сварки  экструдируемой присадкой.

Этот метод прост, высокопроизводителен, обладает широкими технологическими возможностями и позволяет получать высококачественные соединения.

 

5.2. Способы сварки экструдируемой присадкой

Существует три способа  сварки экструдируемой присадкой:

1) бесконтактная экструзионная  сварка или экструзионная сварка;

2) контактно – экструзионная  сварка;

3) контактно – экструзионная  с предварительным подогревом.

 

Рис. 5.1. Классификация  способов сварки пластмасс экструдируемой присадкой.

При бесконтактной сварке мундштук не контактирует со свариваемыми поверхностями, а устанавливается на определенном расстоянии от них. Это расстояние выбирается таким образом, чтобы расплав, выдавливаемый из экструдера, не успел переохладиться. Из этих же соображений температура расплава на выходе из мундштука должна превышать температуру текучести на 40 – 50˚. Для плотного прижатия присадочного материала к свариваемым поверхностям применяются прижимные приспособления (ролики, ползуны и т.п.).

Рис. 5.2. Схема экструзионной сварки пластмасс:

1- экструдер; 2 – мундштук  экструдера; 3 – свариваемые детали; 4 – прикатывающий ролик.

 Экструзионную сварку  наиболее целесообразно применять  для соединения полимерных пленок  и пленочных армированных материалов  непрерывным протяженным швом. Преимуществом сварки пленок по данной схеме является то, что исключается возможность утонения материала в зоне шва, которое наблюдается при других методах.

При контактно – экструзионной  сварке разогретый мундштук экструдера, имеющий форму разделки кромок, вводят в разделку шва до контакта с кромками и перемещают по стыку под углом 10 - 15˚ к вертикали, одновременно заполняя его расплавленным присадочным материалом. В результате не только максимально снижаются тепловые потери в окружающую среду, но и дополнительно обеспечивается нагрев соединяемых поверхностей за счет теплопередачи от мундштука экструдера, температура которого близка к температуре выходящего из него расплава. Отсутствие зазора препятствует свободному вытеканию расплава из экструдера, что обеспечивает возможность использования давления, развиваемого в экструдере для создания сварочного давления. Сварочное давление Р зависит от температуры присадки и числа оборотов шнека.

Рис. 5.3. Схема контактно-экструзионной сварки пластмасс:

1- экструдер; 2 – мундштук  экструдера; 3 – свариваемые детали.

 

5.3. Технология сварки экструдируемой присадкой

Процесс бесконтактной  экструзионной сварки сложный и  характеризуется большим числом параметров, наиболее существенные из которых температура присадочного материала на выходе из экструдера T_i,˚С, сварочное давление Р, МПа; скорость сварки v, м/с; скорость движения расплава в воздушном зазоре между мундштуком экструдера и материалом v’, м/с; количество присадочного материала, выходящего из экструдера в единицу времени G, кг/с; количество присадочного материала, вносимого в зону шва g, кг/с; диаметр присадочного материала d, м; расстояние между мундштуком экструдера и свариваемым материалом S, м; температура присадочного материала, вносимого в зону шва T_s, ˚С.

Связь основных параметров процесса сварки описывается уравнением:

T_i = a·e^–x·P – k·v + c,

где k, c, a, x – константы, учитывающие теплофизические свойства материала и его температуру.

Материал толщиной до 5 мм следует сваривать присадочным материалом диаметром 5 мм, материалы толщиной выше 5 мм – диаметром 10 мм. Увеличение или уменьшение диаметра присадочного материала ухудшает качество соединения.

Оптимальное расстояние между мундштуком экструдера и поверхностью свариваемого материала равно 0,1 м. Увеличение S  приводит к значительным потерям присадочным материалом теплоты; уменьшение  затрудняет создание сварочного давления, которое должно сообщаться присадочному  материалу непосредственно после укладки его в шов.

Процесс контактно-экструзионной  сварки характеризуется меньшим числом технологических параметров, чем экструзионная сварка. Основными технологическими параметрами контактно-экструзионной сварки при условии полного заполнения разделки расплавом являются  температура присадочного материала на выходе из экструдера T_i,˚С, сварочное давление Р, МПа и скорость сварки v, м/с.

Оптимальное значение основных параметров процесса контактно-экструзионной  сварки взаимообусловлены и практически  не зависят от толщины материала:

T_i = a₁·e^–x·P + k₁·v + c₁,

где k₁, c₁, a₁, x – константы, учитывающие теплофизические свойства материала и его температуру.

Уравнение позволяет  рассчитывать оптимальные режимы сварки, обеспечивающие получение сварных  соединений с максимальной прочностью (90-100% прочности основного материала).

По производительности процесса и прочности сварных  соединений контактно-экструзионная  сварка практически не отличается от экструзионной. Характерная особенность  рассматриваемого процесса – более  высокая стабильность качества. Преимуществом является также низкая чувствительность его к состоянию поверхности материала. На режимы сварки и качество сварных соединений при этом способе сварки практически не влияет загрязнение свариваемых поверхностей и воздействие на них климатических факторов, затрудняющих образование качественных сварных соединений.

 

5.4. Оборудование  для сварки экструдируемой присадкой

Для сварки экструдируемой присадкой создана серия малогабаритных сварочных полуавтоматов, различающихся  по конструктивному оформлению и производительности. Все полуавтоматы укомплектованы рабочими инструментами – пистолетами – экструдерами, которые в зависимости от способа подачи расплава разделяются на шнековые (когда подача расплава осуществляется шнеком) и прямоточные (когда расплав выталкивается холодным присадочным материалом, загружаемым в экструдер).

Как шнековые, так и  прямоточные пистолеты-экструдеры могут включать дополнительные приспособления для нагрева газа теплоносителя. В комплект всех пистолетов входят сменные мундштуки, которые имеют форму, соответствующую форме поперечного сечения разделочных кромок и служат для подачи присадки в разделку и создания сварочного давления. Полуавтоматы могут быть переносными, передвижными и стационарными.

Наиболее широкое применение получили полуавтоматы ПСП-5, ПСП-6 и РЭСУ-50 с прямоточными пистолетами и ПСП-3Э, ПСП-4 со шнековыми пистолетами. На базе полуавтомата ПСП-5 создан специализированный карусельный стенд УСА-1 для сварки чехлов щелочных аккумуляторов из ПЭВД. 

 

Контрольные вопросы:

1. В чем состоит  сущность сварки пластмасс экструдируемой  присадкой?

2. Каковы преимущества  сварки пластмасс экструдируемой  присадкой?

3. Каковы области применения  сварки пластмасс экструдируемой  присадкой?