литература / Konstruirovanie_plastmassovykh_izdeliy_dlya_litya_pod_davleniem

Рис. 6.123- Типичные конфигурации соединений деталей из термопластов, выполняемых электромагнитной (индукционной) сваркой

(т. е. прокладка) с ферромагнитным наполнителем может быть либо смесью из этих двух материалов, либо третьей пластмассой, совместимой с ними [77J. В качестве основы присадочного материала можно использовать клеи, наполненные металлом. Они обычно используются для соединения деталей из отвержденных, неразмягчающихся материалов, например, реактопластов [79].

Во время электромагнитной сварки ток, проходящий по рабочей катушке, создает электромагнитное поле в зоне соединения и нагревает материалы, обладающие спо­ собностью поглощать электромагнитное излучение. При этом соединяемые дета­ ли должны быть сделаны из материала, прозрачного к магнитному полю. Теплота передается из присадочного материала к соприкасающимся с ним деталям, поскольку во время сварки прикладывается давление. Пластмасса деталей размягчается и после завершения индукционной сварки служит теплоотводом, способствуя охлаждению и затвердеванию материала. Присадочный материал, наполненный ферромагнитны­ ми добавками, подается в зону сварки в виде экструдированной ленты, прутка или другого профиля или отлитой прокладки. Электромагнитная сварка деталей па осно­ ве гигроскопичных термопластов требует их предварительной сушки. В качестве ма­ териала, поглощающего электромагнитное излучение, можно использовать проволоч­ ную сетку или закладные металлические вставки [43,54].

Конструкции соединений, изготавливаемых индукционной сваркой, отличаются от тех, которые используются в других процессах сварки (см. рис. 6.123). Наиболее прочные швы получают, когда прикладываемое давление приводит к возникновению сдвиговых усилий в сварном соединении. Индукционной сваркой чаще всего изготов­ ляют ступенчатые соединения и соединения типа «шип в паз». Соединения должны быть сконструированы таким образом, чтобы размягченный материал распределился

474 КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИЙ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ

внутри контактной зоны [77]. Индукционная сварка, обладая целым рядом досто­ инств, предоставляет широкие возможности для конструкторов изделий из пласт­ масс. Она позволяет преодолеть ограничения других методов сварки, однако требует дополнительных затрат на присадочный материал. Этот уникальный процесс позво­ ляет сваривать сложные трехмерные поверхности и материалы с очень низким моду­ лем упругости, такие как термопластичные эластомеры, очень толстые детали, ориен­ тированные или чувствительные к нагреву материалы. Индукционная сварка успешно применяется для соединения деталей из материалов с очень высоким содержанием наполнителей или армирующих добавок, которые из-за малого содержания полиме­ ра в поверхностных слоях деталей не могут быть сварены другими методами. В про­ тивоположность другим методам индукционная сварка позволяет проводить процесс соединения повторно, в частности при ремонте и устранении дефектов изделий. До­ пуски для деталей, соединяемых с помощью индукционной сварки, не слишком строги из-за зазора, который заполняет присадочный материал. Результатом сварки являются соединения, которые имеют аккуратный внешний вид и обладают минимальными ос­ таточными напряжениями. Длительность процесса сварки невелика и составляет око­ ло 3-10 с [62]. Процесс может быть экономичен при сварке как мелких деталей, так и крупных деталей длиной до 6 м [43,78]. Кроме необходимости использовать приса­ дочный материал, недостатком метода является его непригодность для соединения деталей, содержащих чувствительные к элетромагнитному полю элементы, напри­ мер, металлические вставки, оплетки.

6.5.6. Резисторная сварка

Другим видом имплаптантной сварки с использованием энергии электрического поля является резисторная сварка. В этом процессе электропроводящие проволоки или оплетка размещаются непосредственно в зоне соединения. Проволока подключена к электрической цепи и нагревается при прохождении электрического тока. Тепло от проволоки передается прилегающему к ней материалу. Давление используется для того, чтобы поддерживать плотный контакт после выключения электрического тока и охлаж­ дения зоны сварки. Этот процесс сварки очень прост и занимает мало времени [54]. Он особенно пригоден для получения соединения по большим поверхностям благодаря минимальным требованиям к оснастке. Недостатком метода является необходимость использования остающегося в шве нагревательного элемента (проволоки, оплетки), что сопровождается дополнительными затратами, и возможность негативного влияния это­ го элемента на прочность соединения.

6.5.7. Сварка нагретым инструментом

Сварка нагретым инструментом, которую также называют сваркой нагретой пли­ той (плоских деталей), представляет собой процесс образования соединения деталей из термопластов, в котором используется металлический инструмент с электриче­ ским нагревом для размягчения соединяемых поверхностей. После нагрева плита или инструмент удаляются, а детали совмещаются под давлением прежде чем произойдет охлаждение и затвердевание их поверхностей. Сварка нагретым инструментом

может быть использована для соединения как имелких, так и крупных деталей из по­ чти любого термопласта. Этот процесс успешно используется для сварки деталей из ПЭ и ПП, которые трудно соединить с помощью другого вида сварки. Этот процесс идеально пригоден для сварки разнородных материалов, когда каждая из рабочих по­ верхностей инструмента нагревается до соответствующих для каждого из термоплас­ тов температур [54]. Этот процесс также пригоден для сварки деталей со сложными поверхностями, расположенными в нескольких плоскостях или деталей с глубокими выемками и с тонкими стенками, которые не могут быть точно соединены сваркой вибротрением [54, 70, 84,85].

Оборудование для сварки нагретым инструментом состоит из пресса, метал­ лического нагревательного инструмента и зажимов, фиксирующих детали. Тем­ пература инструмента обычно очень высока, что приводит к сокращению времени разогрева. Нагревательные инструменты часто покрываются тонким слоем напы­ ленного ПТФЭ (тефлона) или сменной тефлоновой пленкой. Температура покры­ тых ПТФЭ инструментов не должна превышать 270 "С [54, 85, 86]. В качестве альтернативы могут быть использованы другие покрытия с низким коэффициен­ том трения (например, никелевое покрытие, полученное методом химического восстановления и наполненное ПТФЭ). Для преодоления проблемы прилипания, можно применить: 1) бесконтактный нагрев (излучение и конвекция)[54]; 2) пли­ ты с очень высокими температурами нагрева (до 400 °С, при которых прилипший расплав деструктирует, оставляя поверхности инструмента относительно чисты­ ми перед выполнением следующего цикла нагрева. Последний метод пригоден не для всех термопластов и требует применения вентиляции [86].

Основные стадии процесса сварки нагретым инструментом [54,84] показаны схе­ матично на рис. 6.124. Нагретые плита или инструмент устанавливается между под­ лежащими сварке деталями. Нагретый инструмент должен точно соответствовать контуру деталей. На начальной стадии для контактирования нагретого инструмента с деталями необходимо приложить относительно высокое давление, чтобы компенси­ ровать искривления соединяемых поверхностей и их несоответствие друг другу [54, 84,86]. При плавлении происходит удаление загрязнений и выравнивание соединяе­ мых поверхностей. Как только начинается горизонтальное течение расплава в зоне контакта с инструментом давление снижают, в то время как слой расплава увеличи­ вается в результате вытекания расплава. Ограничители перемещения фиксаторов для деталей и инструмента приходят в контакт. Детали удерживаются в контакте с инст­ рументом, пока не произойдет их достаточный нагрев и слой расплава не распростра­ нится на нужную глубину. Важно иметь в виду, что различные слои сварного шва имеют разную «термическую историю», и это может явиться причиной термической деструкции расплава на его границе контакта с инструментом, или термоокислитель­ ной деструкции, когда происходит раскрытие фиксаторов. После нагрева удержива­ ющие детали фиксаторы раскрываются, и нагретый инструмент быстро удаляется из зоны сварки. Затем детали приводятся в контакт под давлением, что сопровождается выдавливанием расплава — образованием наплыва. Ограничители перемещения фиксаторов приходят в контакт друг с другом. После охлаждения сварного шва верх­ ний фиксатор отводится из сварочного узла установки.

Рис. 6.124. Основной принцип, компоненты и этапы процесса сварки деталей из термопластов нагретым инструментом

Детали, изготовленные из гигроскопичных материалов, нуждаются в предвари­ тельной сушке.

При сварке нагретым инструментом обычно используется конструкция соедине­ ний встык. Типичные конфигурации соединений встык показаны на рис. 6.125 [62J. Прочность сварного шва, полученного сваркой нагретым инструментом, очень высо­ ка, если правильно выбраны режимы процесса. Время цикла сварки нагретым инстру­ ментом может длиться от 15 с для мелких деталей до нескольких минут для очень больших [54,85].

Рис. 6.125. Типичные конфигурации соединений встык, используемые при сварке деталей из термопластов нагретым инструментом

Эффективность сварочного производства можно повысить, если сварку различ­ ных изделий осуществлять в течение одинакового цикла при одном и том же рассто­ янии между фиксаторами деталей.

6.5.8. Сварка нагретым газом

Сварка нагретым газом интенсивно используется для соединения очень больших деталей из термопластов в виде профилей и листов. Этот процесс не применяется для соединения пластмассовых деталей, полученных литьем под давлением, так как име­ ется много других более автоматизированных методов сварки. Сварка нагретым га­ зом иногда используется, когда нужно отремонтировать изделие из термопласта или изготовить прототип [54, 87-89]. Оборудование для сварки нагретым газом относи­ тельно недорогое и несложное. Обычно используются портативные аппараты, но су­ ществуют и специальные автоматизированные комплексы.

При сварке нагретым газом в качестве теплоносителя используется воздух (или азот — для материалов, подверженных оксидированию), который одновременно на­ гревает до размягчения соединяемые поверхности деталей и присадочный пруток (рис. 6.126). Присадочный пруток изготавливается из той же марки термопласта, что и обе детали. Процесс сварки обычно осуществляется вручную. Сварочный аппарат удерживается одной рукой, а сварочный пруток подается другой. Сварочный пруток размягчается и вдавливается в полость между деталями. Модифицированный свароч­ ный аппарат с добавлением прижимных башмаков или роликов позволяет увеличить

478 КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИИ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ

Рис. 6.126. В наконечнике сварочного аппарата нагретым газом нагревают соединяемые по­ верхности деталей и присадочный пруток, и создается давление для образования соединения

скорость сварки и повысить качество соединения. Качество сварного соединения зави­ сит от свойств материала, характеристик сварочной оснастки и параметров процесса.

Уже отмечалось, что очень важно, чтобы сварочный пруток был выполнен из того же термопласта, что и соединяемые детали. Присадочные прутки промышленного производства имеют круглое сечение, хотя треугольный или U-образным профиль обеспечивают лучший нагрев и течение материала. Иногда применяют двухкомнонентные прутки, сердцевина которых изготовлена из материала с повышенной проч­ ностью и армированного стекловолокном [87].

Процесс сварки начинается с создания фаски на кромках деталей (рис. 6.127) Кромки должны быть чистыми и сухими. Содержание влаги в деталях и присадоч­ ном прутке имеет значение, когда термопласт гигроскопичен. Температура нагретого газа и скорость его потока подбираются для каждого свариваемого материала с уче­ том толщины деталей. Температуры нагретого воздуха при сварке некоторых термо­ пластов приведены в табл. 6.2 [87J.

Используемый при сварке воздух должен быть сухим и не содержать масла. Для сварки используется «маятниковый метод». Он заключается в том, что дета­

ли и пруток нагреваются чередуясь. Сварка нагретым газом широко используется при монтаже сантехники и ремонте автомобилей, особенно когда необходимо отремон­ тировать бампер или панели корпуса. Исследования, посвященные ремонту бамперов, показали, что наиболее высокая прочность достигается при сварке Х-образных

соединений [89]. Но даже если использовать Х-образные соединения, полностью удов­ летворительных результатов достичь не удается вследствие невозможности создать достаточное давление, когда сварной шов затвердевает и усаживается, и из-за образо­ вания газовых включений в зоне свариваемых поверхностей. Применение нагретого ро­ лика, следующего вслед за сварочным башмаком, позволяет повысить качество швов, а применение прижимных устройств ведет к удалению воздушных включений.

Рис. 6.127. Типичные соединения и конфигурации присадочных прутков при сварке деталей из термопластов нагретым газом

6.5.9. Экструзионная сварка

Экструзионная сварка развивалась из сварки нагретым газом. В процессе экструзионной сварки используется нагретый воздух или газ /тля размягчения зоны V-образно- го соединения путем конвективного нагрева. Канавка между свариваемыми кромками заполняется под давлением присадочным материалом (аналогичным материалу дета­ лей), переведенным с помощью экструдера в вязкотекучее состояние. Как только при­ садочный материал сварочного наполнителя заполняет V-образиую канавку, прикла­ дывается давление с помощью башмака или ролика. Этот процесс используется для автоматической сварки крупногабаритных листовых конструкций [54,87,90].

480 КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИЙ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕ'.'

6.6. Клеевые соединения

6.6.1. Общие положения

Клеевые соединения широко используются для сборки изделий из однородных или разнородных термопластов и реактопластов, и часто изделий, состоящих из поли­ мерных и металлических деталей, которые не могут быть сварены друг с другом. Клеи являются универсальным сборочным средством и предоставляют много преимуществ по сравнению с другими уже рассмотренными средствами. Но при использовании клеев нужно учитывать множество технологических факторов, чтобы получить проч­ ное и надежное соединение. К преимуществам клеевых соединений относятся:

•хороший внешний вид и возможность создания разнообразных конструкций;

•равномерное распределение напряжений;

•возможность соединения разнородных материалов;

•возможность получения погодоустойчивых, водо- и газонепроницаемых соеди­ нений;

•клеи, устойчивые к сдвиговым напряжениям, дают возможность компенсиро­ вать несовпадение температурных коэффициентов линейного расширения у со­ единяемых деталей, а также при использовании гибких, эластичных при сдвиге клеевых прослоек;

•податливые клеевые прослойки могут демпфировать вибрации;

•возможность применения при сборке изделий из тонких и гибких деталей;

•обеспечение электрической и термической изоляции.

Во многих случаях клеевые прослойки выполняют несколько функций. Напри­ мер, создающая полужесткую прослойку полиуретагговая клеевая система может быть использована для присоединения прозрачных линз из ПК к отражателю, изготовлен­ ным из ПА 6.6 в осветительной системе автомобиля. Клеевая прослойка в этом слу­ чае выполняет функцию сборочного средства, имеет хороший внешний вид, служит уплотнителем против проникновения влаги, придает стойкость к вибрациям, воз­ можность распределять или исключать образование напряжений, возникающих из-за различия КЛТР. Однако существует ряд ограничений, связанных с использовани­ ем клеев. Их необходимо принимать во внимание перед выбором рассматриваемого метода соединения; главные из них рассмотрены ниже.

Неопределенность эксплуатационных характеристик соединения

Прочность клеевого соединения трудно предсказать на стадии проектирования при разработке изделия. Основой клеев являются полимеры, и их механические свойства зависят от продолжительности процесса, температуры, влажности и других факторов окружающей среды. Как и у любого другого полимерного материала, объемная, или когезионная, прочность материала клеевого слоя может быть определе­ на экспериментально или данные о ее величине могут быть получены от производите­ ля. Однако прочность клеевого соединения нельзя предсказать, так как «слабое звено - находится на межфазной границе между клеевым слоем и субстратом. Адгезион­ ная, или межфазная, прочность зависит как от свойств клеевого слоя, так и от

Рис. 6.128. Автоматизированное дозирующее устройство для двухупаковочных термореак­ тивных клеев

склеиванию поверхности деталей перед выполнением процесса обычно подвергают специальной подготовке. Хранение деталей в полимерных мешках снижает опасность их загрязнения.

Отсутствие возможности проверки качества соединения

После завершения склеивания нелегко проверить качество полученного соедине­ ния. Невозможно в некоторых случаях точно определить количество клея и его рас­ пределение в зоне соединения. Трудно оценить влияние на прочность соединения неправильного применения клея или недостаточной подготовки поверхностей. При механической сборке наличие или отсутствие крепежных деталей легко определить так же, как и величину крутящего момента, прикладываемого при ее выполнении. Поэтому очень важно, чтобы на всех стадиях процесса склеивания точно соблюда­ лись все возможные требования по управлению качеством соединения; прочность соединения будет высокой, если тщательно контролируются такие операции, как под­ готовка поверхностей и смешение клея. Рекомендуется проводить контроль образцов клеевых соединений, изготавливаемых параллельно с основным производственным процессом.

Время для достижения максимальной прочности

В отличие от механической или тепловой сварки, клеевое соединение достигает своей предельной прочности за большее время. Процесс склеивания включает в себя испарение растворителей или воды; в его основе — химические реакции. Все это тре­ бует определенного времени. Длительность склеивания может составлять от несколь­ ких секунд до нескольких дней. Склеиваемые детали необходимо зафиксировать в течение определенного периода времени, чтобы обеспечить надлежащее смачива­ ние, заданную толщину клеевого слоя и компенсировать коробление. Как только кле­ евой слой достигнет определенной прочности, фиксирующее приспособление может быть удалено или разобрано до момента полного отверждения термореактивного клея. Время отверждения или время испарения растворителя может быть сокращено за счет