11.4. Сварка полимерных материалов
Термопластичные полимерные материалы можно соединять методами сварки. Соединение полимерных материалов способом сварки основано на том, что макромолекулы, находящиеся в пластичном состоянии, приобретают повышенную подвижность и происходит взаимная диффузия молекулярных цепей или их участков в поверхностные слои сплавляемых деталей. Для того чтобы диффузия проходила достаточно интенсивно, поверхностные слои свариваемых пластиков нагревают до вязкотекучего состояния и соединяют под давлением в 50–100 МПа, обеспечивающем контакт свариваемых поверхностей.
Температурный интервал сварки определяется зоной вязкотекучего состояния пластика. Для некоторых полимеров допустимо некоторое отклонение от средней температуры сварки, а для ряда материалов с узкой зоной вязкотекучего состояния (например, для полиамидов) необходимо точно выдерживать заданную температуру сварки.
Температура сварки и мощность нагревателей зависят от теплофизи-ческих свойств пластика. Эти свойства могут значительно изменяться даже для одного и того же полимера, поэтому сварочные нагреватели изготовляют со значительным запасом мощности.
При увеличении толщины свариваемых деталей должна быть повышена мощность нагревателя. Для каждого полимера имеется такая максимальная толщина, выше которой нельзя получить на данном сварочном аппарате высококачественного сварного шва. Чрезмерное повышение температуры сварки приводит к вытеканию материала у рабочей поверхности. При одинаковой температуре размягчения материалов можно сваривать более толстые детали из того пластика, который имеет более высокий коэффициент теплопроводности и более низкую удельную теплоемкость.
В зависимости от степени пластичности в нагретом состоянии сварку пластмасс производят с применением или без применения присадочного материала. Без присадки сваривают пластмассы, приобретающие высокую пластичность в нагретом состоянии (полиэтилен, полиамиды, органическое стекло и др.).
Присадка применяется при сварке пластмасс, обладающих ограниченной пластичностью при нагреве (винипласт) или лишь размягчающихся в незначительной степени (фторопласт-4).
Выбор метода сварки определяется природой материала, толщиной свариваемых изделий, их конструкцией и т. д.
В зависимости от источника тепла и способа его подведения к свариваемым деталям различают следующие виды сварки:
контактная, основанная на нагреве материала при контакте его с нагревателем;
радиационная, при которой нагрев осуществляется теплом, излучаемым радиатором (облучателем);
фрикционная, основанная на нагреве материала за счет тепла, выделяемого при трении свариваемых деталей;
токами высокой частоты или ультразвуком;
в струе горячего газа или воздуха.
Контактная сварка бывает точечной и роликовой.
Принцип точечной контактной сварки заключается в том, что свариваемые детали (пленки или тонкие плиты) в различных местах попеременно сжимаются между нагретыми электродами. В местах сжатия в течение 15 секунд образуется точечный сварной шов. Для предотвращения прилипания свариваемого материала к электродам последние покрываются веществами с малой адгезией, например целлофаном или силиконовым лаком.
Точечную сварку пластмасс осуществляют с помощью ручных или механических сварочных аппаратов.
Рис. 11.10. Схема роликовой сварки: 1 – свариваемый материал; 2 – ролик, 1 – нагреватель
Схема роликовой сварки изображена на рис. 11.10. Нагрев свариваемых изделий 1 производится нагревателем 3, перемещающимся вдоль свариваемой поверхности предполагаемого шва. Нагретые участки сжимаются роликом 2. Этот способ применяется при сваривании тонких листов внахлестку, производителен и легко поддается автоматизации.
Особенно высокой производительностью отличается сварка горячим клином (рис. 11.11). Клин 1, нагретый до температуры 340–390° С, находится между свариваемыми полосами 3, которые скользят по нему и нагреваются до температуры сварки (200°С). У острия клина пленки сжимаются в валках 2 и свариваются.
К высокопроизводительному способу относится сварка полимерных пленок между двумя вращающимися металлическими электродами, имею-щими форму дисков. Нагрев материала при этом осуществляется токами высокой частоты.
Рис. 11.11. Схема сварки горячим клином: 1 – клин; 2 – валки; 3 – свариваемые полосы
При радиационной сварке детали нагреваются за счет тепла радиатора, а затем сжимаются и выдерживаются до затвердения шва. Схема радиационной сварки труб показана на рис. 11.12. Подготовленные для сварки трубы определенное время выдерживаются у электрического радиатора, а затем сжимаются.
Рис. 11.12. Радиационная сварка труб: 1 – источник тепла; 2 – свариваемые трубы
Фрикционная сварка применяется для соединения различных толстостенных деталей. В процессе фрикционной сварки одна часть вращается со скоростью около 500 об/мин, а другая прижимается к первой. Этот способ отличается быстротой и высоким качеством шва.
С помощью токов высокой частоты производят сварку полимерных материалов, диэлектрическая проницаемость которых выше трех. Заготовки для сварки помещают между электродами, являющимися пластинами конденсатора, соединенного с источником тока высокой частоты. Выделяемое при этом тепло пропорционально диэлектрической постоянной свариваемого материала. Равномерный прогрев при высокочастотной сварке обеспечивает высокое качество шва.
Для сварки пластмасс применяют ламповые высокочастотные генераторы с частотой 106–108 Гц мощностью от сотен ватт до ста и более киловатт. Электроды при высокочастотной сварке могут иметь самый разнообразный вид – от стержней, образующих точечные швы, до полос, изогнутых по сложному рисунку, соответствующему контуру изделия.
Широкое распространение имеет сварка пластмасс в струе горячего воздуха, реже – газа (кислорода или азота). Этот вид сварки похож на газовую сварку металла.
Для нагрева воздуха используется тепло сгораемых газов (водорода, ацетилена, природного газа) или электрической спирали.