21 Зварювання неметалевих конструкційних матеріалів

Зварювання застосовують для того, щоб дістати нерозиімні з’єднання деталей з термопластів. Реактопласти при нагріванні не розм’якають, тому їх з’єднують склеюванням.

В основі механізму утворення зварного шва лежить процес реалізації міжмолекулярних сил нагріванням поверхонь деталей, що зварюються, і створення контакту між ними.

Кількісними показниками зварюваності термопластів є ширина темпе­ратурного інтервалу текучості /т і мінімальна в’язкість В у цьому інтервалі.

За цими показниками пластмаси поділяють на чотири групи:

добре зварюються: /т > 50 °С, В < 102 Па • с;

задовільно зварюються: /т < 50 °С, В < І О4 Па • с;

обмежено зварюються: /т <50 °С, В > 10а Па • с;

важко зварюються; в них енергія активації в’язкої текучості більша від енергії хімічних зв’язків макромолекул.

Найчастіше застосовують такі способи зварювання: нагрітим газом, їкструзійне, нагрітим інструментом, тqyгям, з наїріванням випроміню­ванням або СВЧ, ультразвукове.

Зварювання нагрітим газом виконують із застосуванням присадного мате­ріалу (прутка), однакового за своїми властивостями з основним матеріалом.

Теплоносієм в цьому процесі використовують стиснене повітря або інертні гази - азот, аргон та ін. Інертні гази використовують для зварю­вання відповідальних конструкцій з пентапласту і поліолефінів з підви- ценими вимогами до їхньої міцності.

Зварювання пластмас нагрітим газом виконують вручну електрични- ии або газовими пальниками, які забезпечують нагрівання газу і підтри­мання потрібної його температури. В електричних пальниках газ-тепло- іосій наїрівається до температури 250...380 °С при контакті з електрона- рівником потужністю 300...800 Вт при напрузі 36 В. Продуктивність та- <их пальників становить 3...7 м3/год при тиску 0,5 МГІа.

У газових пальниках газ-тсплоносій (повітря, інертні гази) нагріваєть­ся в змійовику пальника полум’ям горючою газу пропан-бутану, прнрод- юго газу, що надходить до пальника підтиском близько 0,1 МПа.

Залежно від застосованих наконечників пальника зварювання внкону- оть у звичайному або швидкісному режимі.

При звичайному зварюванні використовують трубчасті наконечники рис. VII. 14, а), що направляють потік газу віялоподібними рухами на основний матеріал і присадний пруток. Швидкісне зварювання виконують з застосуванням спеціальних наконечників з каналами (рис. VII. 14, б)

для попереднього підігрівання прутка і основного матеріалу. При цьому пруток може укладатися в шов вручну або за допомогою притискних гу­бок чи наконечників (рис. VII. 14, в).

Діаметр прутка вибирають залежно від товщини зварюваних деталей, геометрії зварного шва, швидкості зварювання, потрібної міцності з’єд­нання. Однак застосування прутків діаметром понад 4...5 мм небажане, оскільки важко забезпечити рівномірне прогрівання їх.

Під час зварювання слід зберігати правильне положення прутка при­садного матеріалу і наконечника пальника відносно поверхні шва.

При зварюванні поліпропілену, полівініліденхлорнду пруток нахиляють під кутом >90° (рис. VII. 15, а); при зварюванні жорсткого полівініл­хлориду, органічного скла, поліетилену низького тиску - під кутом 90° (рис. VII. 15,6)\ при зварюванні поліетилену високого тиску, пластифікова­ного полівінілхлориду, поліізобутилену - під кутом 45...50е (рис. VII. 15, в).

Кут а нахилу наконечника пальника (рис. VII. 15, г) до основи шва при товщині зварюваних деталей до 5 мм становить 20...25°, а понад 5 мм- 30—45°.

Для одержання якісного з’єднання присадного матеріалу з основним кінець пругка відгинають і зварювання починають так, щоб пруток ви­ступав за край шва на 10 мм (рис. VII. 15, г). При заміні прутка відігнуту' його частину укладають на кінець перерваного шва з перекриттям 10 мм (рис. VII. 15, д).

Для зменшення і рівномірного розподілу зварних напружень у шві при­садний пруток укладають в шов у визначеній послідовності (рис. VII. 16).

Екструзійне зварювання. Розплавлений присадний матеріал над­ходить із екструдера або іншого пристрою і безперервно під деяким тис- ком подасться в зазор між поверхнями зварюваних деталей, нагріває їх до температури зварювання, сплавляється з ними і утворює зварний шов.

Існує два способи екструзійного зварювання. За одним з них безкон­тактним (рис. VII. 17, а) розплавлений присадний матеріал, що виходить із мундштука, спрямовується в зону шва і притискується роликом до кро­мок зварюваних деталей.

Більш широкого застосування набув спосіб контактно-екструзійного зварювання (рис. VII. 17, б). За цим способом розігрітий мундштук екстру­дера при переміщенні контактує з кромками деталей під кутом близько 15° і заповнює зону шва розплавленою присадкою. Це дає змогу зменши­ти втрати теплоти в зовнішнє середовище і забезпечує додаткове нагрі­вання кромок шва за рахунок тепловіддачі від мундштука екструдера, температура якого близька до температури розплаву.

Екструзійне зварювання відзначається великою продуктивністю, ши­рокими технологічними можливостями, дає можливісгь діставати висо­коякісні зварні з’єднання листів та плівок із термопластів.

Зварювання нагрітим інструментом застосовують для з’єднання плі­вок. листів пластин. Для цього зварювані поверхні розм’якшують нагрі­

тим металевим інструментом (наконечником, лезом, клином, дротом), а потім з’єднують під невеликим тиском.

Нагрітим наконечником зварюють тонкі плівки і листи внапусток. По місцю їхнього з’єднання проводять нагрітим електричним струмом нако­нечником 2 (рис. VII. 18, о), за яким рухається притискний ролик 1 і забез­печує щітьне безперервне зварювання.

Гарячим лезом 3 (рис.VII. 18, б) зварюють пластини. Після нагрівання зварювання відбувається за рахунок бокового тиску.

Зварювання гарячим клином належить до високопродуктивних спосо­бів зварювання плівок з полімерних матеріалів. За цим способом нагрітий електричним струмом до температури близько 350 °С клин 4 (рис. VI1.18, в) розміщують між плівками 5, які протягуються по ньому і обтискуються роликами або валиками 6.

При виготовленні пакетів та мішків із поліетиленової плівки широко застосовують спосіб зварювання ніхромовим дротом на повітряній подуш­ці (рис. VII. 18, г). Розігрітий електричним струмом дріт 7 одночасно зва­рює і розрізає полотно з двох плівок (рукав) 8 з утворенням вузьких міц­них швів. Процес відрізняється великою продуктивністю, легко автома­тизується.

Зварювання тертям пласт­мас грунтується на нагріванні поверхні з’єднуваних деталей за рахунок перетворення меха­нічної енергії тертя на теплову. Оскільки пластмаси мають ни­зьку теплопровідність, від зони тертя деталей відводиться не­значна кількість теплоти, вони швидко нагріваються.

Застосовують зварювання тертям обертання деталей, ик> зварюються, і зварювання коливальними рухами віброгертям.

Зварювання тертям обертання застосовують в основному для з’єднання деталей, які мають форму тіл обертання (рис. VII. 19). Зварювання ним спо­собом виконують так само, як і металів, при безпосередньому контакті де­талей обертанням однієї з них або обох. Більш поширеним є перший спосіб.

Зварювання труб, прутків здійснюють на спеціальних установках, а можливе також на токарних верстатах.

Відносна швидкість обертання деталей при цьому становить 0,15...3 м/с, зусилля притискання в процесі тертя - 0,2. .0,5 МПа.

Вібротертям можна зварювати несиметричні деталі практично будь- якої конфігурації.

Зварювання тертям відзначається рядом переваг: високою продуктив­ністю, малою затратою енергії і потужності, високою якістю зварною з’єд­нання, стабільністю якості, можливістю зварювання різнорідних полі­мерів.

Зварювання сі румом високої частоти (СВЧ) здійснюється за рахунок нагрівання матеріалу в результаті поглинання ним енергії електричного поля. При зварюванні СВЧ матеріал міститься між металевими електро­дами, тобто утворює конденсатор, підключений до джерела високочастот­ної електричної енергії. Під дією електричного поля матсріал-діслсктрик поляризуєт ься. У змінному електричному полі відбувається змінна поля­ризація. Вона супроводжується зміщенням заряджених частинок, які вхо­дять в атоми та молекули діелектрика. Це зміщення відбувається з тертям, тому енергія електричного поля витрачається на йою перемагнічення і в кінцевому результаті (з деяким спрощенням) - на нагрівання матеріалу.

Для зварювання полімерних матеріалів використову­ють обладнання з частотою 13,5 . 81,5 МГц.

Зварювання СВЧ поділяють на пресове і роликове. Пресове зварювання лає змогу одержати за один зварю­вальний цикл з’єднання, яке повторює розміри і конфі- гурацію робочої поверхні електродів. Рояшатш зварю- шнням дістають безперервні шви різної конфігурації Зварювання викону ють двома обертовими роликами, які одночасно виконують роль електродів і засобів перемі­щення матеріалу.

Останнім часом розроблено спосіб зварювання полі­мерів на надвисоких частотах (НВЧ) 915...2450 МГц. Він дає змогу виконувані зварювання при значно мен­шій напруженості електричного поля в мат грат і. Крм тою, ней процес переважає за продуктивністю «варю- ваїшя СВЧ.

Ультразвукове зварюваним пластмас мало відрі V мяється «ід такого самого зварювання мета на

миється від такого самого зварювання металів Для зварювання ультразвуком листові пластинки 2(рис. VII 20) затис­кують між притискачем 3 або роликом і хвилеводом 4 магнітострикцій­ною вібратора 5. При проходженні крізь обмотку вібратора струму час­тотою 20...50 кГц коливання йою осердя підсилюються хвилеводом і пе­редаються на матері» т, що ишркм ться, де й трансформуються в теплоту. І Іри цьому маіеріа.т рошріває іися тільки я зоні контакту поверхонь, що виключає їх перегрів.

За взаємним переміщенням відносно виробу ультразвукове зварюван­ня поділяють nu пресове і безперервне. Ііргсович зварювання.* (V 11.20.6) дістають точкові, прямолінійні та замкнуті шви різного контуру (ко­ла, квадраіи, трикутники та ін.) залежно ви робочого торця хвилеводв. Безперервне зварювання (рис. VI 1.20, а) да с змогу одержувати безпе­рервні зварні шви переміщенням зварного виробу. Цим способом зварю­ють плівки, синтетичні тканини (мішки, фільтри, непромокальний одяг та ін.)

7. Зварюваним випромінюванням грунтується на властивості пластмас поглинати променеву єчіергію і за рахунок цього нагріватись

Залежно від виду джерела енергії і характеру випромінювання, що ге­нерується. розргзн я ют ь такі способи зварювання: інфрачервоним випро­мінюванням (ІЧ>; світлом видимого діапазону, лазером (оптичним кван­товим генератором).

Констру кція зварних з’єднань та схема їх зварювання випромінюван­ням взаємозв'язані. Дія плівок основним типом з’єднання с налусковий Листи, труби і прутки зварюють у стик.

Зварювання плівок внапусток здійснюють нагріванням їх зовні (рис. VII , 21, в. д\ Деталі в стек зварюють. застосовуючи пряме (рис. VII.21. я) або посереднє (рис. У'ІІ.2І,б)опромінЮваиня їхніх торців. При зварюванні груб і фііурних виробів лпя нагрівання ториїв внкорнстовуюгь ІЧ-випро- мінювачі (рис. VII.21.?).

Зварювання випромінюванням маг рад переваг перед іншими способа­ми зварювання. Наприклад, при зварюванні плівок не утворюється під­різ по межі шва, що виникає при контактному зварюванні нагрітим інстру­ментом При зварюванні вмпроміненням немає безпосереднього контакту нагрівального інстру мента (випромінювача) з поверхнею зварюваних деталей, шо виключає адгезію розплаву до нагрівника, а отже, снрошус процес зварювання.

Якість зварювання різних полімерів залежно ви способу зварювання наведено в таблиці на с. 353.

22 Спеціальні способи лиття: в кокіль, відцентрове, лиття під тиском в оболонкові форми

В КОКІЛЬ

Суть способу полягає в тому, що замість разової піщаної форми викорис­товують багаторазову металеву (кокіль). Для утворення у виливку внутріш­ніх порожнин або отворів стрижні часто роблять також металевими. У кокі­лях виготовляють виливки з кольорових сплавів, чавуну і рідко із сталі.

Порівняно з піщаними формами кокіль має ряд переваг: не по­трібні формові суміші і модельно-опокова оснастка; підвищуються точ­ність і чистота поверхні виливків; високі якість і щільність металу вилив­ка; зменшується кількість пилу; значно підвищується продуктивність пра­ці. Щільний метал і дрібнозернисга структура виливка утворюються зав­дяки значній швидкості охолодження і кристалізації сплаву, яка в десят­ки разів вища, ніж у піщаній формі. З цієї ж причини розчинені в металі гази не встигають повністю виділятися, залишаються в розчиненому ста­ні і менш шкідливо впливають на щільність металу виливків.

Недоліки: висока вартість кокілю, тому їх застосовують лише в серійному і масовому виробництві; непіддатливість кокілю, що збільшує небезпечність утворення тріщин у виливках; чавунні виливки, виготовле­ні в кокілі, матимуть вибілену поверхню, що потребує відпалювання ча­вунних виливків.

1. За конструкцією кокілі можуть бути нерознімними витрушуваними (рис. 111.25, я) або рознімними з горизонтальним (рис. 111.25, б) чи верти­кальним (рис. 111.25, в) розняттям.

Рознілишй кокіль складається з двох половин б з напрямними штирями 10. Щоб уникнути жолоблення, кокіль мас ребра жорсгкості 5 або йому нада­ють коробчасгої форми (рис. 111.25, в). Для прискорення охолодження кокі­лю іноді на зовнішній поверхні стінки відливають пальці 8. Отвір (або внут­рішню порожнину) у виливку утворює піщаний 1 або металевий 9 стрижень. Метал заливають у ливникову чашу 3 і по сгояку 4 та живильникам 7 він заповнює порожнину форми 2. Оскільки металеві стрижні непіддатливі, їх видаляють із форми до початку усадки металу. Якшо внутрішня конфігура-

ція виливка дуже складна, то металеві стрижні виконують із кількох частин (рознімними) або замінюють піщаними. Ливникову систему розміщують у площині розняття кокілю. Для виходу повітря із форми в момент заливання крім випорів 11 у площині розняття по всій висоті кокілю прорізують щіли­ни завглибшки 0,3...0,5 мм (на рис. 111.25 не показані). Розкривають кокіль і виштовхують готовий виливок вручну або механізованим способом.

3. Особливості технології виготовлення виливків у кокілях полягають у тому, що перед заливанням внутрішню поверхню кокілю покривають вогнетривкою фарбою для ізолювання форми від стикання з рідким ме­талом, щоб збільшити термін служби його або зменшити швидкість охо­лодження виливка. Вибілюванню чавунних виливків у кокілі запобігають підбиранням хімічного складу чавуну, нагріванням кокілю до 250... 300 °С перед заливанням і зменшенням до мінімуму витримування виливка в ко­кілі. При виготовленні виливків із силуміну в кокілі відпадає потреба у модифікуванні його солями натрію, оскільки швидке охолодження здріб­нює силіцій в евтектиці. Виливання у кокіль мідних сплавів потребує по­криття форми жирними фарбами, для утворення між металом і кокілем газового прошарку, що усуває можливість виникнення пригару і сприяє

у оболонкові форми

Суть способу полягає у використанні у фермовій суміші термореак­тивної смоли з технічним уротропіном (пульвербакслітом), яка при не­значному нагріванні плавиться, а при подальшому нагріванні полімери- зується і необоротно твердіє. За точністю розмірів і чистотою поверхні виливки, виготовлені в оболонкових формах, перевершують виготовлені в піщано-глинистих формах. Цей спосіб застосовують у серійному і масо­вому виробництві дрібних і середніх виливків з будь-яких сплавів.

Виготовлення оболонкових форм починається з нагрівання модельних металевих плит в електричній печі до температури 220.. .280 °С (рис. 111.29, а). Нагріту модельну плиту І (рис. III.29, б) закріплюють моделлю вниз надбункером 2 з формовою сумішшю З, яка складається з піску і домішки 4. ..6 % смоли у вигляді порошку. Бункер разом з модельною плитою по­вертають на 180° (рис. 111.29, в), і формова суміш падає на модельну пли­ту. Смола суміші плавиться і зв’язує зерна піску в напівтверду кірку. По­тім бункер повертається у вихідне положення, формова суміш, що не про­реагувала, падає на дно бункера, а на модельній плиті залишається на­півтверда оболонка 4 завтовшки 6...8 мм (рис. 111.29, г). Далі модельну плиту подають у піч для остаточного затверднення оболонки при темпе­ратурі близько 350.. .500 °С (рис. 111.29, д). Готову тверду оболонку 5 зні­мають з модельної плити 6 за допомогою виштовхувачів 7 (рис. 111.29, е). Таким способом виготовляють обидві половинки оболонкової форми. Стрижні також виготовляють з цієї суміші в металевих стрижневих ящи­ках за такою самою технологією. Заключною операцією є складання обо- лонковоі форми з півформ. Півформи 8 (рис. 111.29, є) скріплюють скоба­ми, струбцинами або склеюють по площині розняття. Складену форму кладуть у металевий ящик 9, засипають навколо крупним піском 10 (або дробом) і заливають металом. Під дією високої температури смола з фор- мової і стрижневої сумішей поступово вигоряє, оболонка втрачає міцність і легко руйнується при вибиванні виливка.

Виготовлення виливків відцентровим виливанням

1. Суть способу полягає в тому, що метал заливають у кокіль, який обер­тається з певною швидкістю. Заповнення кокілю і кристалізація металу відбуваються під дією відцентрових сил, що забезпечує значну щільність металу, оскільки гази і неметалеві домішки важкий метал витискує до внут­рішньої порожнини виливка, а потім їх видаляють при механічній оброб­ці. Перевагою відцентрового виливання є високий вихід придатних вили­вків (до 90 %) завдяки майже повній відсутності витрати металу на лив­никову систему і додатки.

Вісь обертання кокілю може бути горизонтальною (рис. ІІІ.ЗО, а) і вер­тикальною (рис. 111.30, б). В обох випадках вісь обертання збігається з віссю виливка, і тому внутрішня порожнина його утворюється без засто­сування стрижнів. Цей спосіб поширений при виготовленні виливків, що мають форму тіла обертання.

2. Найбільш поширено застосовується відцентрове виливання у вироб­ництві чавунних труб в охолоджувальному кокілі 3 (рис. ІІІ.ЗО, в), який обертається електродвигуном J. Рідкий чавун 5 з ковша по нерухомому жолобу 4 надходить у кокіль. Залежно від заповнення металом кокіль пе­реміщується на рейках ліворуч. Після заливання кокіль перебуває в край­ньому лівому положенні і ще деякий час (до повної кристалізації металу) обертається. Після затверднення металу' електродвигун вимикають, тру­бу разом із стрижнем 2 (він утворює розтруб) видаляють з форми ліво­руч. Одержані чавунні труби на зовнішній поверхні вибілюються, тому їх треба відпалювати при температурі 850.. .920 °С. Цим способом виготов­ляють труби із чавуну діаметром 80...150, 200...300 мм.