/
Автор: Волков С.С.
Теги: промышленность высокомолекулярных веществ резиновая промышленность промышленность пластмасс технология древесины производства легкой промышленности полиграфическое производство фотокинотехника сварка полимеры сварные конструкции учебное пособие полимерные материалы
ISBN: 5-7245-1089-8
Год: 2001
Текст
С. С, Волков
Сварка
и склеивание
полимерных
материалов
ББК 37.710
В61
УДК 678.029.4
Федеральная
программа
книгоиздания России
Рецензенты: кафедра технологии материалов и сварки Северо-
Западного заочного политехнического института - зав. кафедрой докт.
техн, наук проф. Ю.В. Холопов; зам. генерального директора Всероссий-
ского научно-исследовательского института по строительству трубопрово-
дов докт. техн, наук проф. К.И. Зайцев.
Волков С.С.
В61 Сварка и склеивание полимерных материалов: Учебн.
пособие для вузов. М.: Химия, 2001 - 376 с.: ил.
ISBN 5-7245-1089-8
Приведены краткие сведения о полимерах и методах их пере-
работки в изделия. Подробно описаны способы соединения пле-
нок, труб, деталей из пластмасс сваркой и склеиванием, физико-
химические-основы процессов, технология, оборудование, техни-
ка безопасности.
Для студентов и аспирантов, специализирующихся в произ-
водстве и переработке полимерных материалов, конструировании
изделий и соединении деталей методами сварки и склеивания.
Может быть полезно также для инженерно-технических и науч-
ных работников, занимающихся этими проблемами в различных
отраслях промышленности.
2804070100-030
В ----------------Без объявл.
050(01)—01
ББК 37.710
ISBN 5-7245-1089-8
© С.С. Волков, 2001
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение............................................ 3
Глава 1. Краткие сведения о пластических массах... 11
1.1. Понятие о пластических массах и методах
получения полимеров........................... 11
1.2. Структура и основные свойства полимеров.. 12
1.3. Поведение пластмасс при нагреве и деформи-
ровании. Физические состояния полимеров...... 16
1.4. Характеристика наиболее распространенных
полимеров..................................... 18
1.5. Методы переработки пластмасс.............. 24
1.5.1. Экструзия............................. 24
1.5.2. Литье под давлением................... 30
1.5.3. Вальцевание и каландрование........... 31
1.5.4. Ротационное формование................ 32
1.5.5. Формование изделий из листовых термо-
пластов ..................................... 34
1.5.6. Прессование....................... 35
Глава 2. Общие представления о сварке пластмасс... 37
2.1. Определение понятия сварки................ 37
2.2. Механизм процесса сварки и свариваемость
пластмасс................................... 38
2.3. Классификация способов сварки пластмасс.. 43
Глава 3. Сварка с использованием тепловой энергии. 47
3.1. Сварка нагретым газом..................... 47
3.1.1. Сущность и схемы процесса............. 47
3.1.2. Технология и параметры режима сварки .... 50
3.1.3. Оборудование для сварки нагретым газом.. 55
3.2. Сварка расплавом.......................... 59
3.2.1. Сущность и схемы процесса............. 59
3.2.2. Технология и параметры режима сварки. 60
3.2.3. Оборудование для сварки расплавом.... 64
Глава 4. Сварка с использованием тепловой энергии
и давления......................................... 67
4.1. Сущность и схемы процесса................. 67
4.1.1. Сварка прямым нагревом................ 68
4.1.2. Сварка косвенным нагревом............. 73
4.2. Сварка прямым нагревом при монтаже трубо-
проводов ...................................... 81
4.2.1. Сварка труб встык.................... 81
4.2.2. Сварка труб враструб.................. 85
4.2.3. Оборудование для сварки труб.......... 87
4.3. Сварка косвенным нагревом полимерных пле-
нок................................................ 93
4.3.1. Сварка однослойных пленок................. 93
4.3.2 Сварка армированных пленок................ 94
4.3.3. Сварка фторлоновых пленок.................. 96 -
4.3.4. Оборудование для сварки пленок............ 97
Глава 5. Сварка с использованием механической энер-
гии и давления.............................. 103
5.1. Сварка пластмасс ультразвуком................ 103
5.1.1. Сущность и схемы процесса............. 103
5.1.1.1. Схемы ультразвуковой сварки......... 111
5.1 Л.2. Передача энергии к зоне сварки. 113
5.1.1.3. Концентрация энергии в зоне сварки.
5.1.1.4. Дозирование подводимой энергии...... 116
5.1.1.5. Взаимное перемещение сварочного
инструмента и изделия.................. 118
5.1.2. Параметры режима и рабочие циклы свар-
ки.............................................. 120
5.1.3. Технология ультразвуковой сварки термо-
пластов......................................... 122
5. 1.3.1. Сварка жестких пластмасс........... 122
5.1.3.2. Сварка мягких пластмасс............. 137
5.1.3.3. Сварка полиэтиленовых туб........... 141
5.1.3.4. Сварка синтетических тканей......... 142
5.1.3.5. Сварка искусственных кож............ 145
5.1.3.6. Сварка полимерных пленок............ 146
5.1.3.7. Резка с одновременной сваркой пласт-
масс................................... 149
5.1.4. Оборудование для сварки пластмасс ультра-
звуком ......................................... 152
5.1.4.1. Сварочный узел...................... 152
5.1.4.2. Классификация ультразвуковых сва-
рочных машин................................. 162
5.1.4.3. Устройство некоторых сварочных ма-
шин и установок...................... 162
5.1.4.4. Ультразвуковые генераторы........... 171
5.2. Сварка трением и вибротрением................ 173
5.2.1. Сущность и схемы процесса................ 173
5.2.2. Технология и параметры режима сварки..... 175
5.2.3. Оборудование для сварки трением и вибро-
трением ........................................ 180
Глава 6. Сварка с использованием энергии электрического
и электромагнитного полей........................ 183
6.1. Сварка термопластов током высокой частоты... 183
6.1.1. Сущность и схемы процесса................ 183
4
6.1.2. Технология и параметры режима сварки. 194
6.1.3. Оборудование для сварки током высокой
частоты...................................... 202
6.2. Сварка инфракрасным излучением............ 208
6.2.1. Сущность процесса..................... 208
6.2.2. Технология сварки............ ........ 210
6.2.3. Оборудование для сварки инфракрасным
излучением................................... 212
6.3. Сварка световым лучом..................... 215
6.4. Лазерная сварка........................... 218
Глава 7. Комбинированные способы сварки............ 221
7.1. Сварка изделий из фторопласта-4 теплом и
ультразвуком................................. 221
7.2. Фрикционно-ультразвуковая сварка.......... 230
7.3. ИК-ультразвуковая сварка.................. 237
7.4. Сварка биологических тканей............... 239
7.5. Оборудование для комбинированных спосо-
бов сварки................................... 243
Глава 8. Химическая сварка полимерных материалов.. 253
8.1. Сущность процесса и области применения... 253
8.2. Химическая сварка реактопластов........... 255
8.3. Химическая сварка термопластов............ 258
8.3.1. Пленки из полиэтилентсрефталата..... 258
8.3.2. Полиамиды............................. 260
8.3.3. Фторопласты........................... 261
8.3.4. Резины................................ 262
8.4. Сварка растворителями..................... 265
Глава 9. Технология соединения термопластичных по-
лимерных материалов с металлическими и
неметаллическими материалами....................... 270
9.1. Сущность и схемы процесса................ 270
9.2. Сварка разнородных полимерных материалов.. 276
Глава 10. Склеивание пластмасс..................... 282
10.1. Общие сведения........................... 282
10.2. Процесс формирования клеевого соединения. 291
10.3. Классификация, состав, типы и назначение
клеев.......................................... 299
10.3.1. Клеи на основе термореактивных смол. 303
10.3.2. Клеи на основе термопластичных поли-
меров........................................ 311
10.3.3. Клеи на основе эластомеров........... 316
10.4. Оценка технологических и эксплуатационных
свойств клеевой композиции..................... 317
10.5. Технология склеивания.................... 321
5
10.6. Особенности технологии склеивания некото-
рых видов пластмасс.......................... 335
10.7. Конструирование клеевых соединений.... 343
10.8. Приформовка............................ 349
Глава 11. Контроль качества сварных и клеевых соеди-
нений ........................................... 355
11.1. Дефекты сварных и клеевых соединений.. 355
11.2. Предварительный контроль материалов и из-
делий ....................................... 359
11.3. Контроль процесса сварки......... 361
11.4. Заключительный контроль сварных и клеевых
соединений внешним осмотром и механичес-
кие испытания............................... 365
11.5. Контроль плотности и герметичности клеевых
и сварных швов.............................. 370
11.6. Контроль внутренних дефектов сварного и
клеевого соединений......................... 372
Глава 12. Техника безопасности при сварке и
склеивании...................................... 378
Библиографический список......................... 382
Книга посвящается Георгию
Александровичу Николаеву - мо-
ему учителю, академику, вы-
дающемуся ученому в области
сварочных процессов.
ВВЕДЕНИЕ
Промышленность синтетических смол и пластических масс
относится к наиболее подвижным и быстро развивающимся от-
раслям химии. Масштабы и структура производства этих мате-
риалов являются одним из показателей научно-технического
прогресса. Использование пластмасс позволяет получить боль-
шую экономию текущих и капитальных затрат, высвободить
трудовые ресурсы, сберечь традиционные материалы - черные и
цветные металлы, древесину, натуральные волокна, пищевое
сырье и др.
Пластмассы легко перерабатываются в изделия различными
способами, приобретая при этом любую заданную форму, цвет,
фактуру и не требуя почти никакой дополнительной обработки.
По масштабам выпуска среди полимерных материалов веду-
щее место занимают синтетические смолы и пластмассы, хими-
ческие волокна, синтетические каучуки. С целью их переработ-
ки созданы крупные производства пластмассовых изделий тех-
нического и бытового назначения и полимерных строительных
материалов [1].
Основными методами переработки порошкообразных и во-
локнистых композиций на основе реактопластов являются прес-
сование и литье под давлением. Термопласты перерабатываются
в изделия методами экструзии, выдувного, ротационного, ваку-
ум- и пневмоформования, литья под давлением и центробеж-
ного литья, прессования, механического штампования и т.д. Од-
нако не всегда можно этими методами сразу получить нужное
изделие. Это относится к крупногабаритным изделиям сложной
формы, замкнутым изделиям, трубопроводным системам и т.д.
В этих случаях задача успешно решается путем расчленения
сложного изделия на отдельные технологически простые дета-
ли, их изготовления известными методами и последующего
соединения [1-6]. Применяются сварные, клеевые, резьбовые,
заклепочные, ниточные и другие виды соединений [6-8]. Наи-
более перспективными способами соединения являются сварка
и склеивание. Эти способы могут применяться также в сочета-
нии друг с другом.
7
Процесс сварки пластмасс может происходить лишь при оп-
ределенных условиях: основные из них - повышенная темпера-
тура в месте соединения, плотный контакт свариваемых поверх-
ностей и оптимальное время протекания процесса сварки По-
вышение температуры в процессе сварки является одним из
важнейших факторов, поэтому все применяемые в настоящее
время методы сварки пластмасс связаны с нагревом в месте кон-
такта [9-11).
До настоящего времени идет уточнение терминологии в об-
ласти сварки. В частности, при соединении термопластов пред-
лагается различать сварку: нагретым инструментом; нагретым
газом: расплавом (сварка экструдируемой присадкой); токами
высокой частоты (ТВЧ) и сверхвысокой частоты (СВЧ); ультра-
звуком (УЗ-сварка); трением; ИК-излучением; лазером. Сейчас
уже невозможно выделить какой-либо единственный способ,
который удовлетворял бы всем технологическим, эксплуатаци-
онным и экономическим требованиям. Не все пластмассы могут
свариваться всеми перечисленными способами. Например, бы-
стро окисляющиеся нецелесообразно сваривать излучением, по-
лиолефины не свариваются ТВЧ из-за низкого коэффициента
диэлектрических потерь, без применения специальных приемов
не свариваются ультразвуком пластмассы с низким модулем уп-
ругости и т.л. [12-161.
Если ранее преобладала контактная тепловая сварка, то в на-
стоящее время все шире применяют сварочные процессы с вы-
сокой точностью дозирования вводимой энергии, например
с использованием ультразвука, трения, ТВЧ. По объему приме-
нения, многообразию технологических вариантов, числу различ-
ных типов оборудования и оснастки сварка занимает одно из
важнейших мест среди методов изготовления изделий из пласт-
масс. Сварка в максимальной степени позволяет реализовать
основные достоинства пластмасс. При сварке не нарушается
герметичность и целостность заготовок, не требуется многоста-
дийных технологических процессов. По мере роста объемов
и числа видов пластмасс, выпускаемых промышленностью, уве-
личивается номенклатура сварных изделий из них, в том числе
и ответственных, работающих в экспериментальных условиях
(в космосе, под водой, в коррозионно-активных средах). По
сравнению с другими способами соединения сварка имеет суще-
ственные преимущества: высокую производительность, низкую
трудоемкость, большую прочность и плотность сварных соеди-
нений, экономичность, экологичность и улучшение условий
труда, уменьшение производственных площадей 116-19|.
Склеивание как метод получения неразъемных соединений
широко используется в самых различных отраслях народною
8
хозяйства. Наибольшее практическое применение склеивание
находит там, где необходимо соединение деталей из материалов,
сильно отличающихся по структуре, химическому составу, тсп-
лофизическим, механическим и другим свойствам, когда ис-
пользование традиционных ме годов получения соединения
(сварки, кленки) затруднено или совсем невозможно.
С помощью клея соединяют изделия из термопластичных
и термореактивных полимерных материалов, получая прочные
высококачественные соединения из однородных и разнородных
материалов. Склеиваются также полимерные материалы с непо-
лимерными, например резина с металлом, керамикой и другими
материалами. Склеивание растворимых в растворителях термо-
пластов не вызывает затруднений и осуществляется клеем из
того же материала [6,16,17,20]. Термореактивные пластмассы
склеиваются самоотверждающимися клеями из фенолоальгид-
ных и полиэфирных смол. Прочность склеивания зависит от ха-
рактера и качества подготовки склеиваемых поверхностей, на-
пример от их шероховатости, физической структуры (капиллярности,
пористости, полярности и плотности электрического заряда).
Чрезвычайный интерес представляет применение металлопо-
ли.мерных композиций как для изготовления новых деталей ма-
шин, так и для ремонта и восстановления изношенных узлов и
деталей. В качестве усиливающего наполнителя в композицион-
ных материалах используются также мелкодисперсные частицы,
волокна и хлопья материалов, более прочных, чем связующее.
В качестве полимерного связующего применяются чаще всего
эпоксидные компаунды, а также поликапроамид, полиэтилен,
акриловые, эпоксидно-акриловые композиции и анаэробные
полимерные материалы 11,20,21].
В промышленности широко используются процессы про-
клеивания и пропитки - при изготовлении непромокаемых тка-
ней, картона, шин и т.д. В швейной промышленности намети-
лись тенденции к замене в спецодежде ниточного шва клеевым,
клеесварным и сварным. Интересен опыт применения клеев для
временного (технологического) крепления заготовок, фиксации
резьбовых элементов для предотвращения самоотвинчивания,
установки на клею штифтов, фиксации изделий перед сваркой и
т.д. Обнадеживающие результаты получены в хирургии при
склеивании и сваривании биологических и костных тканей.
Следует ожидать, что в будущем развитие техники сварки и
склеивания пойдет в следующих направлениях: расширение но-
менклатуры изделий, материалов и их сочетаний за счет приме-
нения новых клеящих композиций и сварочных материалов и
в результате использования специальных технологических прие-
мов и конструкторских решений; расширение диапазона усло-
9
вий эксплуатации клеевых, клеесварных и сварных соединений
путем совершенствования клеев (повышения адгезионной и ко-
гезионной прочности клеевой пленки, сопротивления старению,
усталостной прочности, долговечности, создания новых связую-
щих при использовании достижений полимерной химии); со-
кращение длительности отверждения клеев при склеивании
и сварке изделий; совершенствование методики расчета клеевых
и сварных соединений и прогнозирования их работы, в том чис-
ле в силовых конструкциях; автоматизация процессов сварки и
склеивания, в частности с применением робототехнических
комплексов |6,14-17|.
Таким образом, каждый из способов соединений пластмасс
имеет определенные преимущества и недостатки, и в зависимо-
сти от характера материала, вида и назначения изделия, серий-
ности выпуска и т.д. предпочтение может быть отдано тому или
иному из перечисленных способов сварки и склеивания.
Учебное пособие написано на основании анализа отечествен-
ной и зарубежной литературы, с учетом опыта проводимых ра-
бот на предприятиях, а также результатов исследований, выпол-
ненных в МГТУ им. Н.Э. Баумана, ВНИИСТ, МАТИ
им. К.Э. Циолковского, СЗПИ, ОмГТУ, НИАТ, ВНИИТВЧ,
ВНИИЛТЕКМАШ, ИЭС им. Е.С. Патона и в других организа-
циях, и, конечно, с учетом личного опыта автора, много лет по-
святившего сварке и склеиванию пластмасс.
Книга представляет собой учебное пособие, написанное в со-
ответствии с программой специальных дисциплин для высших
учебных заведений по специальности 12.05 “Оборудование и тех-
нология сварочного производства” со специализацией 12.05.06
“Сварка пластмасс и склеивание материалов”.
Автор считает своим долгом выразить признательность рецен-
зентам книги - зав. кафедрой СЗПИ (г. Санкт-Петербург) докт.
техн, наук проф. Ю.В. Холопову и зам. генерального директора
ВНИИСТ докт. техн, наук проф. К.И. Зайцеву, а также научно-
му сотруднику МГТУ им. Н.Э. Баумана И.Н. Гаранину, доцен-
там ОмГТУ Л.А. Шестелю и В.А. Соколову.
Критические замечания и пожелания читателей будут с бла-
годарностью приняты автором.
10
Глава 1
КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О ПЛАСТИЧЕСКИХ
МАССАХ
1.1. ПОНЯТИЕ О ПЛАСТИЧЕСКИХ МАССАХ
И МЕТОДАХ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИМЕРОВ
Пластмассами принято называть многокомпонентные
системы, состоящие из полимера, являющегося основным ком-
понентом, и добавок.
Полимеры - это высокомолекулярные вещества, молекулы
которых (макромолекулы) состоят из большого числа повто-
ряющихся группировок, или мономерных звеньев, соединенных
между собой химическими связями. Число звеньев характеризует
степень полимеризации. Молекулярная масса различных поли-
меров составляет 104 - 107. Они могут иметь естественное
(целлюлоза, натуральный каучук) и искусственное (полиэтилен,
полистирол, полиамиды и др.) происхождение [7-9].
Добавки, которые вводят в смеси при изготовлении пластмасс,
служат для придания им свойств, которыми должны обладать гото-
вые изделия, или для облегчения их переработки. Они могут выпол-
нять роль наполнителей, вспенивающих агентов, пластификаторов,
стабилизаторов, красителей, смазок и т.д. В качестве добавок исполь-
зуют вещества, имеющие полимерную или мономерную природу и
находящиеся в твердом, жидком или газообразном состоянии.
Стабилизаторы (термостабилизаторы и антиоксиданты)
служат для повышения стойкости пластмасс к воздействию све-
та, солнечной радиации, тепла, кислорода воздуха и других фак-
торов. способствующих развитию цепной реакции деструкции
(разложения) полимера.
Пластификаторы улучшают технологические и эксплуа-
тационные свойства полимеров (повышают текучесть, способ-
ность перерабатываться различными методами, пластичность,
эластичность и т.д.).
Наполнители, как правило, способствуют увеличению
прочности химической стойкости, улучшению диэлектрических
свойств полимеров. Их вводят с целью экономии полимерной
основы композиции, т. е. для удешевления материала.
Образование макромолекул связано со способностью некото-
рых мономеров соединяться друг с другом с помощью ковалент-
ных химических связей. Этот химический процесс осуществляется
в результате реакций полимеризации или поликонденсации
И
Полимеризация - процесс образования высокомолекулярного
соединения из ненасыщенных низкомолекулярных соединений
без выделения побочных продуктов. Под воздействием энерге-
тических факторов (света, тепла элементарных частиц и т. д.)
происходит активация мономера, сопровождающаяся раскрыти-
ем кратных связей. Первичный свободный радикал может обра-
зовываться в результате присоединения мономера к катализатору
или распада молекул инициатора. В первом случае реакция на-
зывается каталитической или ионной, во втором - иницииро-
ванной. Процесс полимеризации может проводиться в газовой
фазе, в твердой фазе (в блоке), в растворителях и в водной
эмульсии. К высокомолекулярным соединениям нолимеризаци-
онного типа относятся полиэтилен, полипропилен, полиизобу-
тилен, полистирол, поливинилхлорид и др.
Если в реакции полимеризации участвует не один, а несколь-
ко видов мономеров, то полученные продукты называют сопо-
лимерами. Сополимеризация позволяет значительно расши-
рить номенклатуру полимерных материалов, придав им самые
разнообразные свойства. Примером является ударопрочный по-
листирол, представляющий собой сополимер стирола с бутадие-
ном, обладающий высокой ударной вязкостью [7, 8, 11].
Последовательное соединение сравнительно больших отрез-
ков разных макромолекул образует так называемые блок-
сополимеры, которые сочетают в себе свойства обоих ком-
понентов, из которых они получены. Близко к блок-
сополимерам по характеру сочетания свойств отдельных компо-
нентов стоят привитые полимеры.
Поликонденсация - процесс образования высокомолекуляр-
ных соединений из мономеров одинакового или различного
строения, сопровождающийся выделением побочных низкомо-
лекулярных веществ. К высокомолекулярным соединениям по-
ликонденсационного типа относятся полиэфиры, полиамиды,
полиуретаны, поликарбонаты и др.
1.2. СТРУКТУРА И ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА
ПОЛИМЕРОВ
Свойства полимеров (прочность, теплостойкость, твердость,
газопроницаемость и т. д.) зависят от химического строения
элементарных звеньев, величины структуры и формы макромо-
лекул, а также от надмолекулярной организации.
В значительной степени они зависят от сил, связывающих
атомы в основной цепи макромолекулы, и от взаимодействия
между соседними макромолекулами. Химические связи в цепи
макромолекул действуют на расстояниях 1-1,5А, а силы меж-
молекулярного взаимодействия (силы Ван-дер-Ваальса) - на
12
расстояниях 3-4 А. Так как в любой полимерной молекуле число
мономерных звеньев велико, то сумма сил межмолекулярного
взаимодействия, приложенных к каждому мономерному звену,
всегда больше прочности любого вида связи, существующей в
основной цепи. В связи с этим, в частности, увеличение моле-
кулярной массы приводит к возрастанию прочности полимеров.
Повышение прочности и теплостойкости может быть достиг-
нуто введением в полимер полярных групп, что приводит к воз-
никновению кулоновских сил притяжения между противопо-
ложными полюсами близко расположенных макромолекул. Од-
нако при этом снижается морозостойкость.
По строению макромолекул полимеры делятся на линейные,
разветвленные и пространственные.
Линейные макромолекулы типа
•-М-М-М-М-
состоят из большого числа мономерных единиц, соединенных
ковалентными связями. Длина цепи макромолекулы линейного
типа может достигать 1,25 106 А, а отношение длины к диамет-
ру - 2,54 105. Типичными представителями линейных полиме-
ров являются полиэтилен, поликапроамид и политетрафтор-
этилен.
Разветвленные полимеры содержат в макромолекуле ста-
тистически или ре1улярно расположенные ответвления иного или
того же, что и основная цепь, химического строения, например:
М
I
м - м - м-м - м - м--М - М - М - -
м м
Примером разветвленных полимеров служит полиметилме-
такрилат. Разветвленность макромолекул приводит к значитель-
ному изменению свойств полимера, в частности затрудняется
правильная укладка их при кристаллизации.
Линейные и разветвленные полимеры обычно хорошо рас-
творяются и плавятся. Однако если разветвленность молекулы
большая, она становится настолько громоздкой, чю теряет спо-
собность самопроизвольно переходить в раствор.
13
Пространственные, или сетчатые, полимеры пред-
ставляют собой структуры, в которых макромолекулы соединены
между собой посредством поперечных связей - мостиков, со-
стоящих, в свою очередь, из атомов или групп атомов:
I
R
- - м - м - м----м - м - м - •
I
R
I
• - м - м - м----м - м - м -
I
R
•-М-М-М —
Даже небольшое число поперечных связей приводит к потере
способности плавиться, растворяться и Пластически деформиро-
ваться. При нагревании такие полимеры способны только к боль-
шему или меньшему размягчению, а в растворителях лишь набухают.
В большинстве полимеров отсутствует какая-либо регуляр-
ность в расположении заместителей R относительно основной
цепи макромолекулы. Такие полимеры называют нерегуляр-
н ы м и , или атактическими. Полимеры, у которых замес-
тители в элементарных звеньях расположены в определенном
порядке в пространстве, называются стереорегулярными
(они могут быть изотактическими или синдиотакти-
ческими).
Физические свойства изотактических и синдиотактических
полимеров существенно отличаются от соответствующих свойств
атактических полимеров. Например, атактический полистирол
представляет собой аморфный полимер, который не может быть
закристаллизован. Изотактический же полистирол является час-
тично кристаллическим полимером. Аналогично, атактический
поливинилхлорид является практически аморфным полимером
со степенью кристалличности 10-15%, а синдиотактический
представляет собой высококристаллический полимер со степе-
нью кристалличности до 90% [7,11].
Свойства полимеров в значительной степени определяются
также составом основной полимерной цепи. Последняя может
быть построена только из углеродных атомов (карбоцепные
14
полимеры), может содержать помимо углерода атомы кислорода,
серы, азота (гетероцепные полимеры), а также атомы кремния,
титана, алюминия, никеля, бора (элементоорганические
полимеры) [9,11,12].
Длинные цепные молекулы способны принимать различные
пространственные формы (конформации). Реализация различ-
ных конформаций осуществляется путем поворота одной части
молекулы относительно другой вокруг направления соединяю-
щей их химической связи. Вид конформации молекул (зигзаг,
винтовая, складчатая, клубок) оказывает большое влияние на
свойства пластмасс. Гак, при выпрямлении молекулярных цепей
можно значительно увеличить прочность полимера в этом на-
правлении, что используется при изготовлении волокон и ори-
ентированных пленок. Для получения таких цепей расплав по-
лимера перед его охлаждением подвергается деформациям
сдвига или растяжения.
Основные физические и механические свойства полимеров
зависят не только от их химического строения, но и от надмоле-
кулярной организации. Так, все полимеры можно разделить на
кристал ические и аморфные.
Кристаллические полимеры характеризуются наличием
порядка как в расположении отдельных цепей, так и в располо-
жении отдельных звеньев во всех направлениях в пространстве и
на достаточно больших расстояниях (дальний порядок). Поэтому
строение упорядоченных участков может быть охарактеризовано
параметрами элементарной ячейки, как и для низкомолекуляр-
ных кристаллов. В аморфных полимерах такая однотип-
ная пространственная упорядоченность сохраняется лишь на
малых расстояниях - 10-15 А от любой точки (ближний порядок).
В настоящее время еще не установлены окончательные фор-
мы надмолекулярной организации в аморфных полимерах. Эго
могут быть глобулы, образованные свернутыми макромолекула-
ми, развернутые цепи, собранные в пачки, а также более слож-
ные образования.
Важной особенностью кристаллических полимеров является
то, что они состоят не только из кристаллических, но и аморф-
ных областей, между которыми трудно установить границу. По-
этому такие полимеры называют части ч но-к р и стаял и -
ч е с к и м и . Одна и та же макромолекула в них может находить-
ся в нескольких кристаллитах, проходя при этом через несколь-
ко аморфных областей. Эти проходные цепи принимают на себя
основную нагрузку при деформации полимера, поэтому они
главным образом ответственны за его прочность [7-9, 11-13].
15
1.3. ПОВЕДЕНИЕ ПЛАСТМАСС ПРИ НАГРЕВЕ
И ДЕФОРМИРОВАНИИ. ФИЗИЧЕСКИЕ СОСТОЯНИЯ
ПОЛИМЕРОВ
Большинство методов переработки, в том числе и сварка пла-
стмасс, сопровождается вводом энергии, которая так или иначе
превращается в тепловую энергию, и приложением давления.
Таким образом, способность пластмасс к переработке и свари-
ваемость зависят в первую очередь от поведения при нагревании
и деформировании
По реакции на нагрев пластмассы делятся на гермопластич-
ные и термореактивные. Свойства и строение термопластичных
пластмасс (термопластов) не изменяются при нагревании и
последующем охлаждении Они могут доводиться до размягче-
ния без существенных химических изменений и поэтому свари-
ваются между собой. Пластмассы, которые при нагревании при-
обретают пространственную структуру, необратимо теряя спо7
собность плавиться, называются термореактивными (ре-
актопластами). Реактопласты могут соединяться только за
счет реакции активных групп, расположенных на соединяемых
поверхностях, которая может быть ускорена введением дополни-
тельных веществ. Такой способ соединения называется хими-
ческой сваркой |1-5, 16]. (
Нагрев полимеров приводит к изменению их физического со-
стояния, так как изменение температуры связано с изменением
запаса средней тепловой энергии макромолекул, а следователь-
но, с ее подвижностью. Что касается подвижности макромоле-
кул, то для полимеров она связана с рядом особенностей.
Прежде всего макромолекулы полимера в целом не могут осу-
ществлять одновременные поступательные или даже колебатель-
ные движения, так как для этого потребовалось бы оторвать со-
седние макромолекулы по всей их длине друг от друга. Однако
энергия такого отрыва (полная энергия когезии) гораздо больше
энергии химических связей в основной цепи. т. е. отрыву макро-
молекул друг от друга, если бы это было возможным, предшество-
вала бы деструкция химических связей. Тем не менее относитель-
ное перемещение макромолекул возможно благодаря их гибкости.
В первую очередь гибкость обусловлена длиной макромоле-
кулы, которая в несколько тысяч или десятков тысяч раз пре-
вышает ее поперечник и может быть сравнима с гибкостью
длинной нити. Гибкость также обусловлена деформацией ва-
лентных углов и изменением межчастичных расстояний. Однако
меньших энергетических затрат требует вращение отдельных
частей молекулы вокруг простых химических связей. Такое вра-
щение без разрыва химических связей называется конформаци-
онным.
16
Благодаря значительной гибкости макромолекул их относи-
тельное перемещение происходит частями, в результате тепло-
вого движения отдельных звеньев.
Мерой гибкости макромолекул является величина сегмента -
части макромолекулы, которая при конкретных условиях внеш-
него воздействия ведет себя как самостоятельная кинетическая
единица и положение которой в пространстве не зависит от по-
ложения других звеньев.
Гибкость цепи возрастает с увеличением молекулярной массы
и уменьшается с ростом внутри- и межмолекулярного взаимо-
действия. Среди полимеров с одинаковой молекулярной массой
наибольшей гибкостью будут обладать макромолекулы с наи-
меньшей длиной сегментов.
Для аморфных полимеров известны три физических состоя-
ния, обусловленных гибкостью длинных цепных молекул: стек-
лообразное, высокоэластическое и вязкотекучее.
Стеклообразное состояние, наблюдаемое при понижен-
ных температурах, характеризуется отсутствием сегментальной
подвижности в аморфном полимере, так как количество тепло-
вой энергии недостаточно, чтобы обеспечить перемещение сег-
мента из одного положения в другое. В таком состоянии поли-
мер может пребывать практически неограниченно долго.
По мере повышения температуры “размораживается" сегмен-
тальная подвижность, и полимер переходит в высокоэла-
стическое состояние. Это выражается в том, что макромоле-
кулы стремятся принять самые разнообразные конформации,
соответствующие различным положениям звеньев в пространст-
ве. Наряду с двумя крайними конформациями - полностью вы-
прямленной и полностью свернутой - существует множество
конформаций, обусловленных разной степенью свернутости
макромолекул. Этим объясняется тот факт, что полимер в высо-
коэластичёском состоянии может претерпевать при деформации
значительные относительные удлинения, а после снятия нагруз-
ки сокращается до исходных размеров.
Дальнейший нагрев аморфного полимера приводит к перехо-
ду его в вязкотекучее состояние, когда полимер приобрета-
ет способность необратимо течь под воздействием даже сравни-
тельно небольших внешних воздействий. Это обусловлено ин-
тенсивным движением отдельных звеньев, сегментов и переме-
щением молекул как единого целого.
Переход полимера из одного физического состояния в другое
обычно происходит в некотором интервале температур, поэтому
за температуру перехода принимают среднее значение этого ин-
тервала. Эти переходы хорошо обнаруживаются при регистрации
зависимостей деформации полимера от температуры, которые
называют термомеханическими кривыми.
17
В общем случае на термомеханической кривой можно выде-
лить три участка, соответствующие указанным физическим со-
стояниям полимера (рис. 1.1). Участок /, соответствующий стек-
лообразному состоянию, характеризуется большими значениями
модуля упругости и небольшими упругими деформациями. Кон-
цу участка соответствует температура стеклования Гс, при кото-
рой полимер переходит из стеклообразного состояния в высоко-
эласгическое и обратно. Высокоэластическому состоянию
(участок //) отвечают значительные обратимые деформации и
небольшие значения модуля упругости. Участок III соответству-
ет вязкотекучему состоянию, сопровождающемуся падением мо-
дуля упругости практически до нуля и резким увеличением де-
формации с ростом температуры. Вязкое течение начинает осу-
ществляться при температуре текучести Тт и продолжается
вплоть до температуры разложения 7’р.
Рис /./. Тсрмомсханическая кривая (/)
и изменение модуля упругости в зависимости
от температуры (2) для аморфного полимера.
Пояснения в тексте
Вид термомеханических
кривых определяется мо-
лекулярной массой и
степенью кристаллично-
сти полимерного мате-
риала. Так, вид термоме-
ханической кривой, по-
казанной на рис. 1.1, со-
ответствует полимерам с
большой молекулярной
массой. При малой моле-
кулярной массе отсутст-
вует область высокоэла-
стичности. Для частично-
кристаллических поли-
меров температура стеклования всегда ниже их температуры
кристаллизации, а температура текучести выше температуры
плавления.
Интервал между температурой текучести и температурой раз-
ложения полимеров является очень важной характеристикой их
перерабатываемое™. Чем он шире, тем менее чувствителен по-
лимер к изменению параметров режима и наоборот (4,7-9,11].
1.4. ХАРАКТЕРИСТИКА НАИБОЛЕЕ РАСПРОСТРАНЕННЫХ
ПОЛИМЕРОВ
Полиолефины образуются при гомо- и сополимеризации олефи-
нов. Они обладают сравнительно высокой степенью кристаллично-
сти. Наиболее распространенными представителями этой группы
являются полиэтилен, полиизобутилен, полипропилен и поливи-
нилциклогексан. Из них изготавливают пленки, листы, емкости,
трубы, контейнеры для упаковки различных продуктов и т.д.
18
Из сополимеров олефинов наибольшее значение имеют эги-
ленпропиленовые каучуки. Большинство полиолефинов являют-
ся кристаллическими полимерами со сравнительно высокой сте-
пенью кристаллизации. По масштабу промышленного производ-
ства и разнообразию областей применения первые места среди
полиолефинов принадлежат полиэтилену и полипропилену. Это
обусловлено ценными техническими свойствами этих полиме-
ров, легкостью их переработки в изделия, а также наличием де-
шевого сырья.
Полиэтилен [-СН2-СН2-|„, не содержащий в молекуляр-
ной цепи полярных групп, характеризуется весьма малыми си-
лами межмолекулярного взаимодействия. Этим обусловлены
гибкость его полимерных цепей, а также повышенная морозо-
стойкость и эластичность. Он обладает способностью испыты-
вать даже при комнатной температуре большие обратимые де-
формации.
В зависимости от способа производства различают полиэти-
лен высокого давления, или низкой плотности (ПЭНП), и по-
лиэтилен низкого давления, или высокой плотности (ПЭВП).
В ПЭНП могут образовываться ответвления от главной цепи,
наличие которых снижает плотность упаковки макромолекул.
Поэтому степень кристалличности, прочность, плотность, теп-
лостойкость у него ниже, чем у линейного ПЭВП. Так, плот-
ность ПЭНП равна 0,852 г/см3, а температура плавления 383 К,
в то время как для ПЭВП эти характеристики составляют 1
г/см3 и 413 К соответственно. Температура стеклования полностью
аморфного полиэтилена равна 193 К.
-сн2-сн-
Полипропилен
также получают при
СН3
низком давлении. Продукт обычно представляет собой смесь
стереоре1улярного кристаллического полипропилена с аморфным
атактическим. Первый отличается большей прочностью, повы-
шенной температурой плавления и меньшей растворимостью. На-
личие в повторяющемся звене метильной группы вместо одного
атома водорода (по сравнению с полиэтиленом) приводит к тому,
что полипропилен более прочен и имеет более высокую темпера-
туру плавления (449 К) и стеклования (253 К) [9, 11].
В последние годы полипропиленовые волокна в смеси с та-
кими гидрофильными волокнами, как шерсть, хлопок, вискоз-
ное волокно, используют для изготовления тканей и трикотажа.
Группа хлорсодержащих пластиков включает главным образом
материалы на основе полимеров и сополимеров винилхлорида и
винилиденхлорида, а также пентапласт (поли-3,3-дихлорметил-
оксациклобутан). Наиболее широкое применение получили ма-
19
териалы на основе поливинилхлорида в связи со сравнительно
низкой их стоимостью, хорошими физико-механическими и
электрическими свойствами, а также способностью перерабаты-
ваться практически всеми известными способами. Поливи-
нилхлорид (ПВХ) (-СН2-СНС1-)Л - полимер линейного
строения с молекулярной массой 50000-120000 и степенью кри-
сталлизации до 10%. Основное количество поливинилхлорида,
выпускаемого промышленностью, используется для произведет- .
ва винипласта и пластиката.
Винипласт представляет собой жесткий термопластичный ма-
териал, в состав которого кроме поливинилхлорида входят на-
полнители, стабилизаторы, модификаторы и пластифицирую-
щие агенты; выпускается в виде листов, стержней, труб.
Пластикат - это техническое название термопластических
смесей пластифицированного поливинилхлорида; применяется
для изготовления прокладок, трубок, лент.
Значительный объем в производстве поливинилхлоридных
материалов занимают пленки. В зависимости от содержания
пластификатора различают пленки жесткие (0,5% пластифика-
тора), полужесткие (до 15%) и мягкие (более 15%). Мягкие
пленки называются пленочным пластикатом; жесткие - пленоч-
ным винипластом.
На основе поливинилхлорида изготавливают также пенопла-
сты. Обязательным компонентом смеси для производства пено-
пластов являются пластификаторы, содержание которых опреде-
ляет степень их жесткости. Наиболее известны жесткие пенопо-
ливинилхлориды ПВХ-1, ПВХ-2, ПВС-1 и эластичные - ПХВЭ,
винипор, пеноэласт.
Значительно более ограниченное применение имеет поли-
вин и лиде нхлор ид (-CH2-CC12-)W ввиду затруднений, свя-
занных с его переработкой и стабилизацией. В промышленности
используются главным образом сополимеры винилиденхлорида
с винилхлоридом.
Кристаллический сополимер, содержащий 80-90% винил-
иденхлорида (саран), используют для изготовления пленок, же-
стких и гибких труб и других материалов, аморфный - с содер-
жанием винилиденхлорида до 20% - для изготовления жесткого
листового материала и различных негорючих деталей с точными
размерами [7, 9, 11].
Очень перспективен хлорсодержащий линейный полимер
пен та пласт |-ОСН2С(СН2С1)2СН2-)л, отличающийся высо-
кой химической стойкостью и стойкостью к воздействию орга-
нических растворителей. Пентапласт выпускают в виде листов,
используемых главным образом для футеровки крупногабарит-
ных химических аппаратов.
20
(-СН2-СН-)„
Полистирол | также является полимером вини-
с6н5
левого ряда.
Вместо атома С1 заместителем в повторяющемся звене поли-
стирола является фенильная группа -С^Н^. Введение в состав
элементарного звена ароматической группы увеличивает энер-
гию межмолекулярного сцепления, и полимер становится твер-
дым и хрупким. Полистирол представляет собой аморфный по-
лимер с температурой стеклования 353-373 К и температурой
текучести 423 К. Он хорошо перерабатывается литьем под дав-
лением, обладает хорошими диэлектрическими и оптическими
свойствами, но легко подвергается действию многих растворите-
лей, характеризуется низкой атмосфере- и теплостойкостью,
а также высокой хрупкостью.
Для устранения этих недостатков разработаны новые виды
термопластов, представляющих собой сополимеры стирола
с а-метилстиролом, акрилонитрилом, метилметакрилатом, а
также создана группа акрилонитрилбугадиенстирольных пласти-
ков (АБС-пластиков).
Полистиролы нашли широкое применение для изготовления
товаров народного потребления (сувениров, детских игрушек,
деталей светотехнической арматуры, холодильников, магнито-
фонов и т.п.).
Группа акриловых пластиков включает полимеры и сополиме-
ры акриловой и метакриловой кислот и их производных. Наи-
большее значение среди акриловых пластиков имеет полиме-
тилметакрилат (ПММА), или оргстекло
СН3
I
-сн2- с-
I
СООСНз ,
L -> Jn
который в промышленности получается преимущественно сво-
боднорадикальной полимеризацией метилметакрилата. В зави-
симости от назначения в состав полимеризационной смеси мо-
гут входить пластификаторы, красители, стабилизаторы, а также
другие акриловые мономеры.
Пол и метил метакрилат представляет собой аморфный про-
зрачный полимер, обладающий высокой проницаемостью для
излучения видимого и УФ-спектра. При нагреве до температуры
выше 120 °C полиметилметакрилат размягчается, переходит
в высокоэластическое состояние и легко формуется; выше тем-
21
пературы 200 °C начинается заметная деполимеризация. Поли-
метилметакрилат поставляется главным образом в виде листо-
вого органического стекла.
Достаточно широкое применение получили также сополиме-
ры метилметакрилата с акрилонитрилом. По сравнению с поли-
метилметакрилатом эти сополимеры обладают более высокой
твердостью и прочностью, применяются главным образом для
изготовления безосколочного ударопрочного органического
стекла для самолетов, автобусов и различных сооружений.
Полиамиды - гетероцепные полимеры, содержащие в основ-
ной цепи макромолекулы амидные группы -CO-NH-. В зависи-
мости от вида радикалов, связанных с этими группами, полит
амиды могут быть алифатическими и ароматическими. Послед-
ние характеризуются более высокой теплостойкостью и рядом
других ценных свойств.
Из алифатических полиамидов наиболее распространенным
является поликапроамид (капрон, найлон 6) (-Ь1-(СН2)5-СО-]Л?.
Это кристаллический полимер (степень кристалличности
50-60%), обладающий высокой прочностью. Температура стек-
лования и текучести 533 К, термодеструкции 573 К.
На свойства полиамидов большое влияние оказывают водо-
родные связи, которые могут возникнуть между атомами кисло-
рода карбонильных (О—С<) групп и атомами водорода иминных
(HN<) групп. Энергия водородных связей значительно ниже
энергии валентных связей, однако суммарная энергия большого
числа водородных связей между цепями оказывается достаточ-
ной для существенного изменения свойств полимера. Благодаря
водородным связям увеличивается прочность полимеров, их те-
плостойкость, газопроницаемость. В отличие от валентных свя-
зей между макроцепями водородные мостики не лишают поли-
мер способности плавиться при нагревании, хотя температура
размягчения несколько повышается.
Алифатические полиамиды (капрон, найлон) используются
в основном для изготовления пленок, волокон и деталей машин.
Доля полиамидных волокон в общем объеме производства син-
тетических волокон достигла 30-32%, а среди волокон техниче-
ского назначения составила примерно 90%. Полиамидные во-
локна технического назначения нашли широкое применение для
изготовления тканых лент, используемых в качестве буксиров,
строп, приводных ремней ременных передач, привязных ремней
безопасности, ячеек подборщиков овощей и бахчевых культур и
ряда других изделий.
Из ароматических полиамидов промышленное применение
получил поли-и-фениленамид (фенилон), используемый для
изготовления термостойких волокон и бумаги.
22
Полиэфиры включают в себя группу поликонденсационных
полимеров, среди которых наибольшее применение имеют по-
ликарбонаты и полиэтилентерефталат (лавсан).
К поликарбонатам относятся сложные полиэфиры
угольной кислоты и диоксисоединений обшей формулы
|-ORO-CO-O-R-]>?, где R - алкилен, арилен.
Наличие ароматических ядер в полимерной цепи (а не в от-
ветвлении от нее) обусловливает высокую прочность поликар-
бонатов, мало изменяющуюся в широком интервале температур,
повышенные вязкость расплава и температуру размягчения. Не-
смотря на более высокую, чем у других термопластов, вязкость
расплава, поликарбонаты хорошо перерабатываются в изделия
литьем под давлением, экструзией, прессованием. Температура
стеклования 403 К, плавления 453 К, текучести 573-603 К, тер-
модеструкции 633 К. Благодаря высокой прочности поликарбо-
наты используются для изготовления пленочных покрытий,
электро- и радиодеталей, деталей машин, труб, кранов и т.д.
Полиэтилентерефталат
-С-С6Н4 -С-О-СН2 -СН2 -О-
II II
является полиэфиром терефталевой кислоты и этиленгликоля. Это
кристаллический полимер с температурой стеклования 350 К, плав-
ления 537 К, текучести 553 К и термодеструкции 573 К. Полиэти-
лентерефталат используется для изготовления пленок и волокна
(лавсан). Так, в 1980 г. мировой выпуск полиэфирных волокон со-
ставил половину выпуска всех синтетических волокон [7-12].
Фторопласты (фторлоны) - это группа пластиков на основе
полимеров различных ненасыщенных фторсодержащих соедине-
ний. Наибольшее техническое применение среди фторсодержа-
щих полимеров получил фторопласт-4 (фторлон-4). Фторлон-4
(Ф-4) - это политетрафторэтилен, не содержащий никаких до-
бавок и модификаторов. В отличие от других термопластов
фторлон-4 не переходит в вязкотекучее состояние даже при тем-
пературе разложения (выше 688 К). Это затрудняет изготовление
изделий из фторлона-4 и в ряде случаев исключает возможность
практического использования его в конструкциях.
В настоящее время промышленность выпускает ряд плавких
фторлонов, способных заменить политетрафторэтилен. Это
фторлоны Ф-4М, Ф-40, Ф-42, Ф-3, Ф-32Л, Ф-4Н, Ф-2 и др.
Преимущество плавких фторлонов состоит в том, что они тер-
мопластичны и могут подвергаться многократной высокотемпе-
ратурной переработке высокопроизводительными методами. Не-
которые из плавких фторлонов обладают избирательной раство-
римостью в органических растворителях. К таким растворимым
23
плавким фторлонам относятся фторлоны Ф-42, Ф-32Л, Ф-4Н,
Ф-2, Ф-2М.
Наиболее близки к фторлону-4 по совокупности свойств
фторлон-4М (Ф-4М) и его разновидности (Ф-4МБ, Ф-4МД);.
фторлон-40 (Ф-40) и фторлон-2 (Ф-2) отличаются исключитель-
но высокими атмосферостойкостью и радиационной стойко-
стью; фторлон-42 (Ф-42) способен образовывать прочное волок-
но; фторлон-3 (Ф-3) - практически бездиффузионный материал;
фторлон-26 (Ф-26) отличается высокой эластичностью и исклю-
чительно высокой стойкостью к раздиру. Все плавкие фторлоны
перерабатывают методами прессования, экструзии, литья под
давлением и могут быть использованы для изготовления пленок,
труб, шлангов, листов электроизоляционных и стойких к агрес-
сивным средам изделий 11—4J.
По масштабу промышленного производства и разнообразию
областей применения одно из первых мест среди термопластич-
ных полимерных материалов занимают пленки. Наибольшее
распространение получили пленки из полиамидов, поливинил-
хлорида, полиолефинов, полистирола, поливинилиденхлорида,
полиэтилснтерефталата, поливинилового спирта, фторлонов.
Полимерные пленки находят широкое применение в качестве
упаковочных, электроизоляционных, кинофотоматериалов, де-
коративно-отделочных материалов, для сооружений искусствен-
ных водоемов, каналов, парниковых крыш, теплиц и т.п.
1.5. МЕТОДЫ ПЕРЕРАБОТКИ ПЛАСТМАСС
Рассмотрим основные методы переработки пластмасс [12-16],
позволяющие получать как готовые изделия, так и полуфабрикаты,
которые затем используются при изготовлении сборных конструк-
ций с помощью сварки или других методов соединения [12, 13].
1.5.1. Экструзия
Экструзия представляет собой технологический процесс, за-
ключающийся в продавливании полимерного расплава через ка-
либрующее отверстие, имеющее профиль, соответствующий
профилю изготавливаемого изделия. Такой профиль позволяет
производить изделия непрерывно. При этом обеспечиваются
высокая производительность, экономичность, легкость регули-
рования и автоматизации, а также высокое качество изделий.
Основным устройством экструзионного агрегата является экс-
трудер. Наиболее распространены поршневые и червячные экс-
трудеры. Червячные экструдеры представляют собой одночер-
вячные или (реже) двухчервячные прессы. В случаях, когда тре-
буется обеспечить хорошее качество смешения и нет необходи-
24
мости в применении высоких давлений формования, применяют
дисковые или комбинированные червячно-дисковые экструдеры.
Рис 1.2. Схема олночервямного экструдера.
/- фланец для крепления формующей головки: 2- корпус; 3- нагреватель; 4 - червяк,
5- бункер для загрузки сырья; 6 - редуктор. 7- электролвшагсль главного привода
Одночервячный экструдер (рис. 1.2) включает в себя цилинд-
рический корпус 2, обогреваемый нагревателями 5. Внутри кор-
пуса расположен червяк 4, приводимый во вращение от элек-
тродвигателя 7 через редуктор 6. Редуктор служит для ступенча-
того регулирования частоты вращения червяка. Для плавного
(бесступенчатого) регулирования частоты вращения могут быть
использованы вариаторы различных конструкций.
Полимерный материал в виде гранул или порошка поступает
через бункер 5 в цилиндр экструдера. Продвижение материала
вдоль экструдера происходит за счет захвата его витками червя-
ка. По мере продвижения происходит разогрев материала как за
счет тепла, поступающего от нагревания, так и за счет тепла от
внутреннего трения. Начальный участок, на котором частицы
материала находятся еще в твердом состоянии, называется зоной
загрузки экструдера. Затем материал плавится (зона плавления)
и происходит течение и нагнетание расплава (зона нагнетания,
или выдавливания) в формующую головку, которая крепится к
фланцу 1 экструдера. Для поддержания заданной температуры
цилиндра каждая зона имеет воздушное или водяное охлажде-
ние, позволяющее удалять избыточное количество тепла.
Формующие головки, применяемые при экструзии, представ-
ляют собой профилирующий инструмент, придающий струе по-
лимера, выдавливаемого из головки, необходимую форму. Соот-
ветственно различают головки круглые (для прутков), кольцевые
(для труб и рукавных пленок), щелевые (для листов, плоских
пленок, нанесения покрытий на подложки) и фасонные (для
25
сложных профилей). Наиболее распространенными экструзион-
ными изделиями являются пленки, листы и трубы.
Пленки изготавливают одним из следующих методов: экстру-
зией рукава с последующим его раздувом; поливом экструди-
руемой заготовки на холодный барабан или охлаждающие валки;
поливом в водяную ванну.
Рис. !3 Схема получения рукавной пленки методом экструзии с раздувом:
/ - жечрудер; 2- подача сжатого воздуха; 3 - колыю воздушною охлаждения; 4 - тонко-
стенная труба; 5~ рукав; 6- направляющие щеки; 7- сжимающие валки; 8 натяжные ролики;
9 - намоточное устройство
Наиболее распространенным методом является метод произ-
водства рукавных пленок экструзией с раздувом
(рис. 1.3). Для получения рукава используется экструдер /
с кольцевым формующим каналом, из которого выдавливается
расплав полимера в виде тонкостенной трубы 4. Далее эта труба
подвергается растяжению за счет нагнетания в нее сжатого воз-
духа через устройство 2, в результате чего образуется рукав 5.
Сохранение цилиндрической формы и постоянства толщины
пленочной заготовки достигается быстрым и равномерным ох-
лаждением трубы 4 воздухом, поступающим через кольцо 3. Раз-
работаны различные конструкции охлаждающих колец с ради-
альной, осевой или тангенциальной подачей воздуха в кольцо
и с перпендикулярным или угловым обдувом поверхности рас-
плавленной пленки. Охлаждающее кольцо может располагаться
непосредственно у торца формующей головки или на некотором
расстоянии от пего. Для складывания рукава служат щели 6.
а запирание воздуха в нем осуществляется с помощью сжимаю-
щих валков 7. Через эти валки и натяжные ролики 8 рукав пода-
ется на намоточное устройство 9.
Заданные толщина и ширина пленки обеспечиваются путем
регулирования продольной вытяжки (за счет изменения частоты
вращения сжимающих валков) и степени раздува (за счет изме-
нения давления воздуха в рукаве).
Различают схемы с горизонтальным, вертикальным вверх и
вертикальным вниз движением рукава от головки к приемно-
намоточному устройству. При горизонтальной схеме (см. рис. 1.3)
обеспечивается более простое регулирование рабочей длины ру-
кава, однако охлаждение верхней и нижней частей рукава про-
исходит с разной скоростью.
26
Наиболее широко рукавный метод используется для получе-
ния пленок из полиэтилена низкой плотности толщиной 20-350
мкм и шириной 2-3 м; на это затрачивается около 75% всего
выпускаемого полиэтилена.
Рис 1.4. Схема установки лля экструзии плоской пленки с охлаждением на валках.
/ - экструдер; 2 - п.юскощелевая головка; 3 - валки предварительно!о охлаждения;
4- толщиномер: 5 - приспособление для обрезания кромок; 6 намоточная станция
При изготовлении пленок поливом экструдируемого
расплава на холодный барабан или на охлаж-
дающие валки (рис. 1.4) используется экструдер с плоско-
щелевой формующей головкой с шириной рабочей части до
1500-1800 мм. Расплав, выходящий из головки 2, попадает на
хромированные и полированные валки 3. Валки охлаждаются
водой, что приводит к быстрому затвердеванию пленки. Далее
охлажденная плоская пленка проходит через толщиномер <
приспособление для обрезания кромок 5 и поступает на намо-
точную станцию 6. Этот метод позволяет получить более про-
зрачные пленки, чем рукавный, отсутствует опасность склеива-
ния пленок, упрощаются контроль толщины и намотка пленки.
Повышение качества плоских пленок, получаемых при по-
мощи плоскошелевых формующих головок, а также увеличение
производительности процесса экструзии достигаются при при-
менении способа экструзии в водяную ванну. В этом
случае расплавленная пленка, выходящая из формующей голов-
ки, движется вертикально вниз и попадает в водяную ванну, где
быстро охлаждается. Для обеспечения необходимых механиче-
ских свойств пленок из полиолефинов, поливинилхлорида, са-
рана и других термопластов, получаемых при помощи плоско-
щелевых формующих головок, эти пленки подвергают одноос-
ной или двухосной вытяжке. Вытяжка способствует получению
ориентированной структуры.
Продольная вытяжка осуществляется при пропускании не-
ориентированной плоской пленки через систему обогреваемых
валков, вращающихся с различной скоростью. При этом может
использоваться дополнительная вытяжка с нагреванием между
Вешками. Поперечная вытяжка осуществляется на установках,
снабженных захватывающими боковыми зажимами, которые
обеспечивают растяжение пленки после ее предварительного
27
нагрева. После вытяжки производят термофиксацию пленки пу-
тем ее нагрева при поддержании заданных размеров.
Экструзионный метол широко используется для нанесения
полимерных покрытий на различные подложки в несколько сло-
ев. Такие пленочные материалы называются многослойны-
м и . Многослойные материалы, в состав которых входят непо-
лимерные слои (алюминиевая фольга, бумага), называются
комбинированными. Для нанесения полимерных пленок
на подложку используются плоскощелевые головки. Размягчен-
ная пленка, попадая на подложку, опрессовывается, проходя
между валками. Для повышения адгезии полимера к подложке
последнюю предварительно подогревают. Таким образом полу-
чают многослойные пленки с покрытием полиэтиленом, поли-
пропиленом, пластифицированным поливинилхлоридом, поли-
амидами и другими термопластами.
Для повышения адгезии расплава полиэтилена к подложке
используют обработку подложки коронным разрядом или ульт-
рафиолетовым светом.
При производстве многослойных пленочных материалов на-
ходит применение сочетание экструзионного способа с нанесе-
нием клеев, лаков и различных дисперсий другими методами.
Примером может служить лакирование целлофана поливинил-
хлоридом или его сополимерами, что позволяет получить свари-
вающийся материал.
Разработана технология экструзионного нанесения покрытия,
включающая две стадии. Сначала наносится тонкий слой лака, а
затем, после его высушивания, толстый слой дисперсии поливи-
нилхлорида. Такая технология используется при покрытии алю-
миниевой фольги, толстых пленок из полистирола и неориенти-
рованного полипропилена. Эти материалы используются для
изготовления методом глубокой вытяжки тары для молока, упа-
ковки порошков и таблеток.
Листы изготавливаются в основном методом экструзии, хотя
могут применяться также прессование и литье под давлением.
Листы из термопластов делятся на: рулонные листовые материа-
лы толщиной 0,5-1,5 мм; монолитные листы толщиной 2-2,5 мм;
монолитные блоки толщиной более 20 мм; многослойные лис-
ты; вспененные; фасонные; наполненные.
Наиболее распространенные материалы в производстве листов -
поливинилхлорид, ударопрочный полистирол, АБС-пластик: менее
распространены полиметилметакрилат, полиолефины и поли-
карбонат.
Листы из термопластов предназначены для формования
крупногабаритных изделий, в том числе корпусов лодок, кузовов
для легковых автомобилей, емкостей для жидкостей.
Для изготовления листов используют червячные экструдеры
с диаметром червяка 90—160 мм и плоскошелевые головки. Про-
28
цесс получения листов принципиально не отличается от рас-
смотренного выше процесса получения плоских пленок. Выходя
из формующей головки, плоская заготовка проходит приемно-
гладильное устройство (гладильный каландр). Назначение гла-
дильного каландра - калибрование листов заготовки, охлажде-
ние ее до температуры размягчения данного материала и фор-
мирование поверхности. В состав технологической линии для
изготовления мерных листов входят также рольганги, тянущие
устройства, узлы поперечной и продольной резки, листоуклад-
чики, средства автоматического контроля и регулирования про-
цесса. В линию для изготовления листов из полистирола допол-
нительно могут входить глянцеватель или гладильные каландры
для нанесения на поверхность листа тонкой облицовочной
пленки, улучшающей качество поверхности.
В линиях для изготовления рулонных материалов вместо гла-
дильного каландра применяются охлаждающие валки, а для
приема готового изделия - намоточное устройство.
Для получения многослойных листов используются несколь-
ко червячных прессов и специальные формующие головки. По
принципу двухслойных листов изготавливается и линолеум на
основе поливинилхлорида.
Устройства для резки листов из термопластов, устанавливаемые
в линиях, подразделяются на устройства для поперечной и про-
дольной резки. Поперечная резка применяется для отрезания мер-
ных листов заданной длины или ленты, наматываемой в рулон, при
достижении последним заданного диаметра. Продольная резка
предназначена для обрезания кромок формуемой листовой заготов-
ки и нарезания продольных полос. Для поперечной резки листов
используют гильотинные ножницы,
а в случае хрупких материалов (на-
пример, полиметилметакрилата) -
дисковые фрезы. Для продольной
резки также применяют дисковые
фрезы.
Трубы из термопластов изго-
тавливают на агрегатах, в состав
которых входят: одно- или двух-
червячный экструдер, снабженный
кольцевой формующей головкой;
калибрующее и тянущее устройст-
ва; автоматические пилы для раз-
резания непрерывной трубы на
мерные куски, а также устройства
для укладки или намотки труб.
Формующие головки для произ-
водства труб имеют сложную конструкцию (рис. 1.5). Это обу-
6 Сжатый. 7 6 9
воздух
Рис. 1.5. Схема головки для экстру-
зии труб:
/ - зона успокоения потока; 2 - дор-
нодержатель; 3 - корпус; 4 - лори:
5 - мундштук; 6 - центрирующий винт;
7 - головка дорна; Л’ - нагреватель.
9 - резьба для присоединения головки к
экструдеру
29
словлено необходимостью размещения внутри головки дорна,
предназначенного для образования непрерывной полости внутри
трубы. Для обеспечения заданного диаметра! трубы через дорн
подается сжатый воздух [12, 13, 15|.
1.5.2. Литье под давлением
Литье под давлением в основном применяется для изготовле-
ния изделий из термопластов. Поэтому литьевые машины часто
называют термопластавтоматами.
Рис. 1.6. Схема термопластавтомата:
/ - форма; 2 - изделие; 3 пятниковый канал: 4 - ли шиковал втулка: 5 - червяк.
6- пласт иканионный цилиндр; 7- бункер; 8- привод; 9- редуктор; 10 гидрон ил индр;
/ / - нагрева!ель
Конструктивная схема термопластавтомата приведена на рис. 1.6.
Полимерные гранулы или порошок поступают из бункера 7
в пластикационный (инжекционный) цилиндр 6 литьевой ма-
шины. Здесь материал прогревается при помощи нагревателей
11 до вязкотекучего состояния и перемещается вращающимся
червяком 5. Червяк может не только вращаться, но и совер-
шать возвратно-поступательное движение за счет изменения
давления в гидравлическом цилиндре 10. При таком движении
вязкотекучая полимерная композиция нагнетается в литьевую
форму /. Затвердевая, материал приобретает конфигурацию
внутренней полости формы, после чего форму раскрывают и
выталкивают готовое изделие. Кроме червячных пласгикаторов
в литьевых машинах могут использоваться пластикаторы плун-
жерного типа.
Для увеличения объема впрыска, а следовательно, и объема
получаемою изделия заполнение формы можно проводить при
одновременном поступательном и вращательном движении чер-
вяка. Такой режим литья называется интрузией.
Литьевые формы состоят из двух смыкающихся половин, од-
на из которых - матрица - расположена на неподвижной плите
машины, а вторая - пуансон - на подвижной плите. После смы-
30
кания матрицы и пуансона между ними образуется гнездо, или
оформляющая полость, в которой формуется изделие. Для под-
вода расплава полимера к гнезду в форме имеется литниковая
система в виде различных каналов. Наличие широкого впуск-
ного канала обусловливает образование на изделии большого
литника, который при обламывании или обрезании оставляет
след, требующий зачистки. Кроме того, в пресс-форме преду-
сматриваются размещение выталкивателя готового изделия, сис-
тема обогрева формы и газоотводящие каналы.
Все операции литья под давлением на термопластавтоматах мак-
симально автоматизированы. Имеются системы управления про-
должительностью отдельных этапов литьевого цикла (выдержки
под давлением, охлаждения в форме).
Литье под давлением является высокопроизводительным
процессом (продолжительность цикла литья составляет от не-
скольких секунд до 1-2 минут), позволяющим получать одно-
временно одно или несколько изделий сложной конфигурации.
Масса литьевых изделий - от нескольких граммов до нескольких
килограммов, толщина стенки - до 10 мм. Литье под давлением
целесообразно применять для серийного производства крупных
партий изделий, что связано со сложностью конструирования и
изготовления литьевых форм. Размер партий ограничивается
сроком службы литьевых форм.
Наиболее часто литьем под давлением изготавливаются изде-
лия из термопластов (таких, как полиолефины, полистирол, по-
лиметилметакрилат).
Литьем под давлением можно изготавливать многоцветные
изделия. Для этого применяются специальные тсрмопластавто-
маты, снабженные несколькими пластикационными цилиндра-
ми, содержащими материалы разных цветов. Гнездо пресс-
формы соединено со всеми цилиндрами, из которых поступают
расплавы разных цветов. С этой же целью применяется метод
вставок, при котором часть формы заполняется материалом од-
ного цета, а часть формы перекрыта вставкой; затем вставка
убирается и освободившаяся часть формы заполняется термо-
пластом другого цвета.
L5.3. Вальцевание и каландрование
Процессы вальцевания и каландрования в принципе аналогич-
ны. В том и другом случаях производится пропускание материала
через зазор между вращающимися обогреваемыми валками Разни-
ца заключается в технологических особенностях этих процессов.
Вальцевание позволяет производить смешение, пластикацию,
перетирание, дробление полимерной композиции и другие опера-
ции. Дчя пластикации и придания однородности (гомогенезации)
материал многократно пропускают в зазор между валками. При
31
движении в зазоре материал сжимается, раздавливается и исти-
рается, так как валки имеют различные окружные скорости.
Для смешения отдельных компонентов их вводят постепенно, в
определенной последовательности после размягчения основной
массы материала. Готовый вальцеванный материал можно ис-
пользовать в последующих технологических операциях для по-
лучения пленок, листов, труб и т.д.
Каландрование в отличие от вальцевания предусматривает од-
нократное пропускание размягченного материала в зазоры меж-
ду несколькими параллельно установленными вращающимися
валками. При этом образуется бесконечная лента (лист, полот-
но, пленка) заданной толщины и ширины. Кроме того, на ка-
ландрах можно осуществлять такие технологические процессы,
как листование, промазку тканей, тиснение поверхности, дубли-
рование тканей и листов. Наиболее широко каландрование при-
меняют при переработке поливинилхлорида и его сополимеров,
полиэтилена, эфиров целлюлозы.
Так как каландрование представляет собой заключительный
этап процесса формования, то его широко используют совместно
с другими методами переработки - вальцеванием и экструзией.
Вальцово-каландровый и экструзионно-каландровый методы
применяют, например, для получения пленок из пластифициро-
ванного и непластифицированного поливинилхлорида.
1.5.4. Ротационное формование
Ротационным формованием изготавливают полые изделия из
термопластичных порошков или паст пластизолей. Процесс
включает четыре основные стадии (рис. 1.7). Первая стадия -
это загрузка материала в полую металлическую герметично за-
крывающуюся форму (рис. 1.7,л). Вторая стадия - формование
изделия (рис. 1.7,6). Форма нагревается до температуры плавле-
ния порошкообразного сырья или до набухания пастообразного
сырья в пластификаторе. Одновременно производят вращение
формы в одной плоскости или в двух взаимно перпендикуляр-
ных плоскостях. Третья стадия заключается в охлаждении от-
формованного изделия (рис. 1.7,в) и, наконец, четвертая стадия -
извлечение изделия из формы (рис. 1.7,г).
Рис. 1.7. Пооперационная схема ротационного формования
г
Пояснения в тексте
При вращении формы материал равномерно распределяется
по ее внутренней поверхности, гомогенизируется, и на горячих
стенках формы образуется тонкое монолитное покрытие, кото-
рое удерживается за счет адгезии и центробежных сил. Формы
нагревают либо в печах газовым пламенем, либо горючим возду-
хом. В некоторых случаях обогрев форм осуществляют инфра-
красным излучением или смесью нитридов натрия и койя, ко-
торая плавится при температуре 200-300 °C и разбрызгивается
на вращающиеся формы.
В зависимости от вила изделия и типа перерабатываемого
полимерного материала используют разъемные или неразъем-
ные формы. При формовании изделий из поливинилхлорид-
ных пластизолей пригодны неразъемные формы: готовые изде-
лия извлекают, используя упругую деформацию материала.
Для извлечения изделий из жестких материалов применяют
разъемные формы.
Достоинство ротационного формования состоит в простоте
получения изделий с арматурой. Стоимость переработки материа-
ла в крупногабаритные изделия при ротационном формовании
ниже, чем при других методах. Эго достигается за счет уменьше-
ния числа (или полного исключения) сборочных и отделочных
операций, таких, как сварка, механическая обработка и т.д.
Основной недостаток ротационного формования - большая
продолжительность цикла. Тем не менее наметилась тенденция
к увеличению производства этим методом крупных объемных
изделий, таких, как корпуса аккумуляторов, топливные баки для
автомобилей, багажные принадлежности и т.п.
Методом ротационною формования можно изготавливать не
только закрытые изделия, но и изделия без замкнутых полостей.
При этом получают спаренные формовки, которые затем разре-
зают на два изделия.
При производстве изделий малого и среднего размеров при-
годны литые алюминиевые формы. Пластизоли перерабатывают
в формах с гальваническим покрытием. Крупногабаритные из-
делия получают в формах, изготовленных из стального литья
или листового алюминия.
При вращении формы с большой частотой в материале раз-
виваются значительные давления. По одной технологии формо-
вание можно осуществлять путем выдавливания расплава поли-
этилена, полиамидной смолы или других термопластов из пла-
вильной камеры или экструдера в необогреваемую форму. По
другому методу расплав, например капролактама с добавкой ак-
тиватора, вылавливают в обогреваемую форму, которую затем
приводят во вращение. При изготовлении труб, шестерен, вкла-
дышей загружают на 10-15% материала больше, чем это трсбует-
33
ся по расчету. Это делается с учетом последующей механической
обработки внутренних полостей изделий.
1.5.5. Формование изделий из листовых термопластов
Все виды формования изделий из листовых заготовок основаны
на нагреве последних до температуры размягчения и приложении
усилий, заставляющих разогретый лист принять нужную конфи-
гурацию. Поэтому эти методы называют термоформованием или
компрессионным формованием. Получение изделий из листовых
Рис 1.8, Схема штампования:
1 - Maipiiua: 2 пуансон: 3 nici термопда-
сга: 4 прижимная рама; 5 отнсрсгие xi« вы-
коли воздуха
термопластов может осуще-
ствляться одним из следую-
щих методов: штампованием,
формованием с проскальзы-
ванием листа в прижимной
раме, пневмоформованием,
вакуу мформован ием.
Штампование включает в
себя (рис. 1.8) разогрев лис-
та 3 до температуры размяг-
чения, закрепление его в
прижимной раме 4 и после-
дующее сжатие матриней /
и пуансоном 2. Если темпе-
ратура нагрева листа ниже
те м п е рату р ы 11 л а вл е н и я
(частично-кристаллические
термопласты) или стеклова-
ния (аморфные термопла-
метод холодной вытяжки, или
сты), то метод превращается в
холодного формования.
При формовании с про-
скальзыванием листа в при-
жимной раме разогретый лист
термопластичного материала
натягивается на выпуклую форму
(пуансон). Процесс осуществля-
ется на пневматическом прессе с
верхним it нижним цилиндра-
ми (рис. 1.9).
При пневмоформовании лис-
рамс*
/ - нижняя прижимная подурим»; 2 - верх-
няя прижимная полурама; 3 - пуансон;
4 - лист термоплас । а
После этого
товую заготовку закрепляют по
контуру формы и нагревают до
температуры, при которой по-
лимер переходит в высокоэластическое состояние.
34
Рис. 1.10. Схема п невмоформован if я:
/ матрица. 2 - лис» юрмопласта;
3 прокладка, 4 - oiверстке для выхода
воздуха
Рис. 1.11. Схема вакуум-формования:
/ - вакуумны 11 стол; 2 матрина;
3 - лист термопласт: 4 - прижимная рама;
5- вакуумные каналы
пол действием подогретого сжатого воздуха лист оформляется
в изделие (рис. 1.10).
Вакуум-формование отличается тем, что усилие формования
создается за счет разрежения, создаваемого в пространстве ме-
жду листом и поверхностью формы (рис. 1.11). Этим методом
традиционно перерабатываются поли метилметакрилат, поли-
строл и его сополимеры, полиэтилен и поливинилхлорид.
В последнее время термоформование стало применяться и для
изготовления изделий из полипропилена, поликарбоната, поли-
амидов и полиэтилентерефталата (лавсана).
1.5.6. Прессование
Прессование - один из широко распространенных методов
переработки пластмасс в изделия разнообразной формы, в пер-
вую очередь из термореактивных материалов.
Существуют следующие разновидности прессования: ком-
прессионное (прямое), литьевое (трансферное), роторное, не-
прерывное профильное (шгранг-прессованис). В большинстве
случаев прессование осуществляется двумя основными способа-
ми: компрессионным и литьевым (рис. 1.12). При первом спосо-
бе (рис. 1.12,я) давление действует непосредственно на материал
в полости пресс-формы, во втором (рис. 1.12, б) - в загрузочной
камере, из которой по литниковым каналам расплав выдавлива-
ют в полость пресс-формы.
Компрессионному формованию отдают предпочтение при
изготовлении несложных изделий, при переработке высокона-
полненных материалов, в производстве изделий максимально
чистого цвета (особенно белого) и изделий массой более 1 кг.
Литьевое прессование рационально применять для изготовления
армированных изделий сложной конфигурации, с гонкими
стенками, при повышенных требованиях к точности размеров.
Прессование включает в себя загрузку материала в пресс-форму,
его перевод при нагревании в вязкотекучее состояние, формо-
вание изделия под действием давления и фиксацию заданной
Выталкивание
а
Заполнение
Рис L12. Схемы прессования:
а компрессионного (/ - пуансон; 2- пресс-материал; 3- матрица; 4— выталкиватель;
5 деталь): б листьевою, с верхнем лиру точном камерой (/- пресс-материал. 2- пуансон,
3 - литниковый кашиц 4- текыъ)
конфигурации изделий в результате ускоренного сшивания
олигомеров при повышенной температуре (при переработке ре-
актопластов) или охлаждения материала до температуры стекло-
вания (при формовании термопластов). В цикле прессования
реактопластов одновременно с приданием заданной формы про-
исходит отверждение. Полученное этим метолом изделие, как
правило, обладает формоустойчивостью при повышенной тем-
пературе и не требует охлаждения перед извлечением из пресс-
формы. При прессовании термопластов изделие приобретает
формоустойчивость только при охлаждении под давлением |12|.
Выбор метода и разновидности прессования зависит от приме-
няемого материала и его исходной формы (порошок; волокни-
стый, слоистый или гранулированный материал), конструкции
изделий, тиража, степени автоматизации оборудования и в це-
лом производства. Процесс прессования осуществляют на спе-
циальных прессах (гидравлических или механических) в обогре-
ваемых пресс-формах 112, 13|.
Технологический процесс компрессионного прессования
включает следующие стадии: подготовка и дозирование пресс-
материала, его предварительный подогрев, загрузка пресс-
формы, опускание плит пресса и смыкание пресс-формы, под-
прессовка. выдержка под давлением, подъем подвижной плиты
пресса с пуансоном и разъем пресс-формы, извлечение изделия,
очистка пресс-формы и подготовка ее к следующему рабочему
циклу (к следующей ilзапрессовке").
Готовое изделие после извлечения из пресс-формы освобож-
дают от резьбовых знаков, вставок, грата (облоя) и при необхо-
димости направляют на механическую обработку и окончатель-
ную отделку. Крупногабаритные изделия после извлечения
из формы часто подвергают нормализации.
36
Глава 2
ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СВАРКЕ
ПЛАСТМАСС
2.1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОНЯТИЯ СВАРКИ
Сварные соединения являются неразъемными, т.е. не могут
быть разобраны без поломки деталей. Это свидетельствует о мо-
нолитности (сплошности) сварных соединений. Такая монолит-
ность может быть обеспечена, если между поверхностными мак-
ромолекулами соединяемых деталей возникнут силы взаимодей-
ствия (силы Ван-дер-Ваальса) и произойдет их взаимное пере-
мещение из одной детали в другую, например за счет диффузии.
Казалось бы, достаточно сблизить поверхности на такие рас-
стояния (0.3-0,4 нм), на которых начинают заметно проявляться
эти силы, чтобы между поверхностными макромолекулами сва-
риваемых пластмасс возникли связи, исчезла граница раздела и
произошла сварка. Именно этими соображениями руководству-
ются некоторые авторы, определяя сварку как технологический
процесс получения неразъемного соединения частей изделия,
основанный на взаимной диффузии и химическом взаимодейст-
вии макромолекул полимеров, в результате которых между со-
единяемыми поверхностями исчезает граница раздела.
Однако даже в идеальном случае, когда на соединяемых по-
верхностях отсутствуют микронеровности (идеально гладкие по-
верхности), различные загрязнения, адсорбированные газы и
другие составляющие, препятствующие такому сближению, не-
обходима затрата извне деформационной и тепловой энергии.
Деформационная энергия будет затрачиваться на преодоление
сил отталкивания, возникающих между сближаемыми поверхно-
стными атомами. Тепловая энергия увеличивает вероятность
развития взаимодействия между ними. Если исходить из таких
представлений, то в сварочной зоне можно выдели ib два основ-
ных процесса: первый - подвод и преобразование энергии и
второй - движение (или превращение) вещества. Интенсивность
процесса преобразования энергии и его характер определяют
вид сварки [1-5].
Для осуществления процесса сварки необходима активация
свариваемых поверхностей. Это достигается за счет подвода и, в
некоторых случаях, преобразования энергии. Введение вещества
необходимо только при некоторых видах сварки пластмасс, на-
пример при сварке нагретым газом с применением присалоч-
37
него материала, а также при сварке расплавом. В последнем
случае с присадочным материалом и расплавом подводится и
энергия.
Движение вещества при различных видах сварки пластмасс
может быть значительным. Оно обусловлено перемешиванием и
диффузией, протекающими в материале, нагретом до вязко теку-
чего состояния. Особым видом движения следует считать хими-
ческую реакцию активных групп, расположенных на сваривае-
мых поверхностях, между собой или с активными группами проме- -
жуточного вещества, которая также может протекать при подводе
энергии того или иного вида (химическая сварка) [1.4, 16|.
Исходя из сказанного, можно считать, что в термодинамиче-
ском смысле не может быть разницы в определении сварки пла-
стмасс и металлов. Это определение может быть сформулирова-
но следующим образом: сварка - это процесс получения моно-
литного соединения материалов за счет введения и термодина-
мически необратимого преобразования энергии и вещества
в месте соединения [16—19].
2.2. МЕХАНИЗМ ПРОЦЕССА СВАРКИ И СВАРИВАЕМОСТЬ -
ПЛАСТМАСС
Согласно современным представлениям, процесс сварки сле-
дует рассматривать как топохимическую реакцию, т.е. химиче-
скую реакцию, протекающую по поверхности твердого гсла.
В основе любой химической реакции лежит процесс разрыва
связей в исходных веществах и возникновения новых связей,
приводящий к образованию нового вещества. Таким образом,
механизм образования соединения не должен меняться при пе-
реходе от одного способа сварки к другому и от одного материа-
ла к другому. Изменяется только совокупность явлений на кон-
тактных поверхностях, приводящая их в состояние взаимодейст-
вия. Эти явления могут быть различными и определяются при-
родой материала и способом сварки [1-5, 10, 16. 18|.
Для топохимической реакции характерно протекание в три
стадии: образование физического контакта; активация контакт-
ных поверхностей; объемное развитие взаимодействия.
Образование физического контакта происходит обычно при
приложении к свариваемым деталям давления. В отдельных слу-
чаях, когда в зону сварки поступает расплавленный присадоч-
ный материал, физический контакт между ним и свариваемыми
кромками может осуществляться без приложения давления или
при сравнительно небольшом давлении. Это относится к сварке
нагретым газом и экструзионной сварке.
Установление физического контакта между свариваемыми
поверхностями может предшествовать нагреву, осуществляться
38
после нагрева соединяемых поверхностей до температур сварки
или одновременно с нагревом. В любом случае на этой стадии
происходит пластическое деформирование макро- и микроне-
ровностей. за счет чего происходит сближение контактирующих
поверхностей. Работа деформации затрачивается также на уда-
ление из контактной зоны инородных включений (газовых пу-
зырей, масляных и жировых пятен и других загрязнений). Для
мягких пластмасс и волокнистых материалов на этой сталии ха-
рактерно уплотнение, проявляющееся в уменьшении толщины
материала.
Активация свариваемых поверхностей включает в себя их на-
грев для повышения энергии теплового движения макромоле-
кул. Нагрев может осуществляться либо непосредственно за счет
передачи тепла от нагретых инструмента, газа или присадочного
материала к свариваемым деталям, либо за счет преобразования
других видов энергии в тепловую. Это может быть механическая
энергия ультразвуковых колебаний или трения, энергия высоко-
частотного электрического поля конденсатора, электромагнит-
ная энергия, энергия инфракрасного излучения, лазера и кон-
центрированного светового луча.
При сварке с использованием преобразования различных видов
энергии в тепловую термической активации поверхностей будут
предшествовать процессы, связанные со спецификой данного вида
сварки: смешение диполей - при сварке токами высокой частоты:
ввод и распространение ультразвуковых колебаний, а также кон-
центрация и преобразование энергии механических колебаний в
тепловую энергию - при ультразвуковой сварке; поглощение лучи-
стой энергии - при сварке инфракрасным излучением.
Сталия термической активации может также сопровождаться
развитием деформационных процессов, так как действие стати-
ческой, а при ультразвуковой сварке и динамической нагрузок
приводит к внедрению инструмента в поверхность соприкасаю-
щейся с ним детали, а также к вытеснению пластицированного
или расплавленного материала из зоны сварки.
Объемное развитие взаимодействия сопровождается рядом слож-
ных физико-химических процессов, среди которых наиболее суще-
ственными являются диффузия, течение и физико-химические пре-
вращения. Теория сварки, в которой главенствующая роль на этом
этапе отводится диффузии, названа диффузионной. Теория, в кото-
рой считается, что ответственными за свариваемость являются про-
цессы течения, названа реологической - по названию науки рео-
логии, изучающей закономерности течения.
Согласно диффузи он ной теории, для получения со-
единения необходимо, чтобы при соприкосновении двух по-
верхностей вещества происходило достаточно полное их слияние
(коалесценция). Полная коалесценция двух слоев жидкости
происходит при непосредственном их контакте и сопровождает-
ся исчезновением границы раздела между ними* В случае соеди-
нения полимеров одного контакта для коалесценции недоста-
точно, так как должно еще произойти структурообразован ие в
зоне контакта, которое может быть достигнуто за счет диффузии
макромолекул в целом или отдельных сегментов. Перемещению
сегментов препятствуют их связи с остальной макромолекулой,
поэтому диффузия сегментов вызывает некоторое изменение
конфигурации цепной молекулы. В результате этого большое
число последовательных перемещений сегментов будет приво-
дить не только к изменению формы макромолекул, но и к сме-
щению их центров тяжести. Перемещение сегментов и макро-
молекул в целом получило название микроброуновского и мак-
роброуновского движения соответственно.
Перемещение макромолекул целиком особенно легко может
происходить в том случае, если контакт слоев полимера осуще-
ствляется при температуре выше температуры течения. В этом
случае в зоне контакта сравнительно легко возникает структура,
характерная для полимера. Диффузия отдельных сегментов мак-
ромолекул может происходить и при температурах, отвечающих
высокоэластическому состоянию полимера, при этом перемеще-
ние молекулы в целом затруднено. При таких температурах сте-
пень коалесценции меньше единицы (максимальная степень
коалесценции равна единице и наблюдается только у жидко-
стей). Это объясняется тем, что после перемещения сегментов
на определенную глубину диффузия прекращается из-за напря-
жений, возникающих в молекулярных цепях.
Доказательством диффузионного характера процесса сварки
может служить то обстоятельство, что все меры, способствую-
щие тепловому движению (повышение давления и температуры,
введение пластификаторов и г. д.), вызывают увеличение проч-
ности сварного соединения и. наоборот, факторы, замедляющие
диффузию, снижают прочность.
Сторонники реологической теории указывают, что
если бы за образование соединения была ответственна только
диффузия, то время сварки составляло бы десятки минут. Одна-
ко на практике это время значительно меньше. Кроме того, сле-
дует учитывать, что процессу диффузии неизбежно препятству-
ют воздушные прослойки и загрязнения поверхностных слоев
свариваемых материалов, поэтому время проникновения еще
более увеличивается. Наконец, следует иметь в виду, что коэф-
фициент диффузии не остается постоянным, а непрерывно сни-
жается, так как по мере проникновения участков макромолекул
через границу раздела непрерывно возрастает их торможение.
40
Поэтому сторонники реологической теории предполагают,
что проявлению сил межмолекулярного взаимодействия и диф-
фузии в контактирующих объемах предшествует ряд явлений,
связанных с течением и перемешиванием расплава 11-4, 16|.
Считается, что при контакте расплавленных поверхностей
напряжения, создаваемые усилием прижима (а при ультразвуко-
вой сварке и динамические напряжения), вызывают сдвиг слоев
расплава. При таком сдвиге происходит удаление из зоны со-
единения воздушной прослойки и других инородных включе-
ний, а расплав вылавливается из зоны сварки, что свидетельст-
вует о получении качественного сварного соединения. Скорость
сдвига на различных участках контактирующих поверхностей
может различаться из-за неравномерности распределения темпе-
ратур и напряжений. Все это может привести к перемешиванию
расплава в контактирующих объемах, что особенно вероятно
в случаях сварки с использованием высокочастотных механиче-
ских (ультразвуковая сварка) или электрических (сварка ТВЧ)
колебаний |1-4|.
Явление перемешивания вязкотекучего материала в зоне свар-
ки подтверждено экспериментально при изучении процесса свар-
ки пластмасс нагретым инструментом. По-видимому, для макро-
объемов вязкотекучего материала при сварке характерен процесс
перемешивания, а для микрообъемов - процесс диффузии.
Если сварка проводится в интервале температур высокоэл астич-
ности, преимущественным является диффузионный механизм. При
этом необходим длительный контакт свариваемых поверхностей
друг с другом, сварные швы сохраняют границу раздела, а материал
в зоне соединения не отличается от исходного по надмолекулярной
структуре. Такая сварка протекает при значительных давлениях, что
обусловливает значительные остаточные напряжения в зоне шва
после охлаждения соединения 17-10|.
Если сварка проводится в интервале температур вязкотекуче-
сти (для аморфных полимеров) или в интервале температур
плавления (для частично-кристаллических полимеров), процесс
подобен сварке металлов. Под воздействием внешних сил про-
исходит быстрая коалесценция расплава, сопровождающаяся
перемещением и перемешиванием слоев. При этом слои распла-
ва, содержащие газовые и оксидные включения, удаляются из
зоны сварки, что облегчает дальнейшую взаимную диффузию
участков молекулярных пеней и целых макромолекул в микро-
объемах. В сварных швах таких соединений практически отсут-
ствует граница раздела соединяемых поверхностей Они не раз-
рушаются по первоначальной плоскости контакта, а надмолеку-
лярная структура может изменяться в зависимости от условий
охлаждения расплава (9-11].
41
В связи с тем, что сварка плавлением на заключительном
этапе связана с течением расплава, свариваемость пластмасс
оценивают по таким характеристикам, как энергия активации
вязкого течения, температурный интервал вязкотекучего состоя-
ния и вязкость расплава. В свете этих представлений становится
очевидным, чго чем меньше энергия активации вязкого течения
и вязкость расплава и чем больше температурный интервал вяз-
котекучести, тем более вероятно образование высококачествен-
ного сварного соединения. По реологическим свойствам пласт-
массы могут быть разделены на три группы |1, 4, 10, 16, 18, 19|.
К первой группе можно отнести неориентированные термо-
пласты, у которых энергия активации вязкого течения значи-
тельно меньше энергии химической связи и не превышает
150 кДж/моль; температурный интервал вязкотекучего состояния
(7] - 7р, где Гт - температура текучести, а Гр - температура разложе-
ния) превышает 50 °C; вязкость расплава составляет 102-105 Па - с.
Такие термопласты при нагреве переходят в вязкотекучее со-
стояние без термодеструкции и пребывают в вязкотекучем со-
стоянии в достаточно широком интервале температур; при этом
вязкость расплава такова, что при незначительных усилиях мо-
жет быть обеспечена быстрая и полная его коалесценция. Эти
термопласты хорошо свариваются плавлением различными ме-
тодами сварки в широком интервале режимов. Наиболее типич-
ные представители этой группы термопластов - полиолефины.
Ко второй группе можно отнести ориентированные термо-
пласты с указанными выше реологическими свойствами; неори-
ентированные и ориентированные термопласты с высокой
энергией активации вязкого течения (близкой к энергии хими-
ческой связи); термопласты с узким интервалом между темпера-
турой текучести и температурой разложения (менее 50 °C) и
сравнительно высокой вязкостью расплавов.
Для термопластов с высокой энергией активации вязкого те-
чения существует опасность деструкции при нагреве до вязкоте-
кучего состояния. Термопласты с узким температурным интер-
валом между /у и Гр могу г разлагаться при незначительном пе-
регреве. В ориентированных термопластах при нагреве до вязко-
текучего состояния неизбежно нарушав гея ориентированная
структура, обеспечивающая прочность материала. У термопла-
стов с высокой вязкостью расплавов трудно обеспечить полную
коалесценцию и перемешивание расплава.
Такие термопласты могут свариваться плавлением только при
некоторых обязательных условиях. Для ориентированных мате-
риалов и материалов с узким интервалом между Г, и 7’р сварка
плавлением не должна вызывать разориентацию и деструкцию
материала, чго возможно только при условии быстрого и ло-
42
кального нагрева до температуры текучести свариваемых по-
верхностей без проплавления материала по всей толщине. Что
касается термопластов с вязкостью расплавов выше 1(Р Па • с, то
сварка их плавлением возможна только при условии снижения
вязкости расплава в процессе сварки. Следовательно, для обес-
печения возможности сварки плавлением термопластов, принад-
лежащих к этой группе, необходимо в каждом конкретном слу-
чае изыскивать оптимальные способы и технологические прие-
мы сварки.
К этой группе относятся поливинилхлорид, поливинилиден-
хлорид, пентапласт, полиэтилентерефталат, поликарбонат, плав-
кие фторопласты и другие термопласты.
К третьей группе относятся термопласты, энергия активации
вязкого течения которых превышает энергию химической связи,
а также термопласты с вязкостью расплава 10й - 1012 Па • с. Эти
термопласты не могут быть переведены в вязкотекучее состоя-
ние, т.е. не могул свариваться плавлением. К ним относятся, на-
пример, фторопласт-4, ацетат целлюлозы, пол и вин ил ацетат. Об-
разование соединений таких термопластов возможно только по
механизму диффузионной сварки с нагревом поверхностей до
температур высокоэластического состояния, с длительной вы-
держкой под давлением, равным пределу вынужденной эластич-
ности свариваемых материалов, при максимально возможной
температуре.
Ускорение диффузионной сварки может быть достигнуто
применением растворителей, в которых данный термопласт спо-
собен набухать и растворяться. Растворители увеличивают под-
вижность макромолекул, поэтому температура сварки может
быть снижена.
23, КЛАССИФИКАЦИЯ СПОСОБОВ СВАРКИ
ПЛАСТМАСС
Классификация способов сварки пластмасс проводится по
основным физическим, техническим и технологическим призна-
кам. По физическим признакам сварка пластмасс делится на
классы и вилы.
Из определения понятия сварки, данного в разд. 2.1, следует,
что деление на классы нужно проводить по видам энергии, ис-
пользуемой для сварки, т.е. подводимой к свариваемым мате-
риалам. Все известные в настоящее время процессы сварки пла-
стмасс осуществляются с использованием тепловой, механиче-
ской, электромагнитной энергии или различных комбинаций
этих видов энергии. В связи с этим следует различать следую-
щие классы сварки: термическая, механическая и электромаг-
43
нитная. Кроме тою, существуют методы термомеханической и
электромагнигномеханической сварки.
К термическим относятся виды сварки, при которых давле-
ние не играет существенной роли в образовании сварного со-
единения (например, сварка пламенем, нагретым газом или рас-
плавом). Образование сварного соединения в этом случае опре-
деляется в основном количеством подводимой энергии.
К термомеханическим относятся виды сварки, при которых
неразъемное соединение образуется вследствие подвода тепло-
вой энергии и приложения давления (например, сварка нагре-
тым инструментом или нагретым закладным элементом).
При механических видах сварки тепловая энергия генериру-
ется внутри свариваемых деталей за счет превращения механи-
ческой энергии, подведенной извне, в тепловую. Это может
быть механическая энергия трения или вибротрения сваривае-
мых поверхностей, превращающаяся в тепловую, которая вслед-
ствие малой теплопроводности пластмасс локализуется в сва-
рочной зоне (сварка трением), или механическая энергия упру-
гих колебаний (ультразвуковая сварка).
При электромагнитномеханических видах сварки, осуществ-
ляемых путем подвода электромагнитной энергии к сваривае-
мым деталям, тепловая энергия также генерируется в них либо
за счет способности звеньев макромолекул полимеров поляризо-
ваться при наложении внешнего электрического поля (высоко-
частотная и сверхвысокочастотная сварка), либо за счет поглощения
энергии электромагнитных колебаний (сварка инфракрасным излу-
чением, сварка лазером) с наложением сварочного давления.
Из всех существующих видов сварки пластмасс невозможно
выделить один, который бы удовлетворял экономическим, тех-
нологическим и эксплуатационным требованиям. Применяемые
источники энергии, технологические принципы, положенные в
основу процесса сварки, степень механизации и автоматизации
в немалой степени зависят от физической формы, которая при-
дана пластмассам. По этому признаку можно выделить: моно-
литные изделия - трехмерные материалы, применяемые для из-
готовления деталей машин, емкостей, труб, профилей, плит, фа-
сонных деталей; пленочные - двухмерные материалы, которые
используются в качестве упаковки, покрытий, подложек, изоли-
рующих конструкций и т. л.; волокна - одномерные материалы,
применяемые для получения нетканых полотен, бытовых и тех-
нических тканей. Комбинацией последних двух физических
форм являются волокнистые материалы, имеющие полимерное
покрытие, - искусственные кожи.
В зависимости от физической формы полимера и вида изде-
лия используется гот или другой вид сварки (табл.2.1).
44
Каждый из видов сварки пластмасс имеет свои преимущества
и недостатки, и в зависимости от физико-механических свойств
материала. назначения изделия, серийности выпуска и т.д.
предпочтение может быть отдано тому или иному из перечис-
ленных видов сварки. Например, сварка нагретым газом и на-
гретым инструментом - наиболее простые и экономичные спо-
собы, характеризующиеся достаточно высокими прочностными
характеристиками соединения. В последние годы эти виды свар-
ки получили очень широкое распространение для соединения
пластмассовых трубопроводов. Однако поскольку при этом виде
сварки получается зона разогрева значительных размеров, он не
применяется для консервации легковоспламеняющихся веществ,
пищевых продуктов и лекарственных препаратов, портящихся
при повышенных температурах. Вследствие загрязнения поверх-
ностей свариваемых изделий значительно уменьшается проч-
ность сварных соединений в этих случаях.
Таблица 2.1 Виды сварки пластмасс
Форма материала Изделия Источники энергии, применяемые в процессе сварки (вид сварки) Степень механизации и a tn оматиза ни и процесса
Трехмерный Трубы. ПЛИТЫ Горячий газ. нагретый инструмент, трение, горячая присадка П ре и му шее 1 ве н но руч - ной, механизирован- ный или частично а вто м ати зирова н н ы й
Фасонные летали Ультра звук, нагретый инструмент, трение или вибротрснис Автомати зи рова н н ый
Двухмерный Пленочная Токи высокой часто- П ре и м у шествс н но
упаковка. ты. ультразвук, на- автоматизированный и
покрытия, подложка гретый инструмент, излучение меха н изи рова н н ы й
Одномерный Волокнистые нетканые материалы Нагретый инстру- мент. ультразвук То же
Ткани из синтетичес- ких волокон Ультразвук, токи вы- сокой час1огы. на- 1 ретый и нструмент, излучение ИЪ
Комбиниро- ванный Волокнистые материалы с пленочным покрытием (искусствен- ные кожи) То же
Высокочастотная сварка отличается высокой производитель-
ностью, но она неприменима для некоторых типов пластмасс
45
(полиэтилена, полипропилена и т.д.). При сварке токами высо-
кой частоты емкостей из поливинилхлорида, наполненных жид-
костями, может происходить электрический пробой, приводя-
щий к разрушению изделия.
Сварку расплавом целесообразно применять для получения
протяженных швов при соединении материалов достаточно
большой толщины и не всегда целесообразно - для соединения
пленочных материалов.
Ультразвуковая сварка может заменить механические методы
соединения и склеивания целой группы полимеров, например
полистирола, лавсана и капрона. Она широко применяется при
изготовлении изделий пищевой и легкой промышленности,
парфюмерии, радиоэлектроники и электротехники, товаров ши-
рокого потребления из пластмасс.
В последующих главах рассматриваются более конкретно
сущность процесса, особенности технологии основных видов
сварки и соответствующее оборудование. Там же приводится их
классификация по технологическим и технологическим призна-
кам. Из-за ограниченности объема книги рассматривается толь-
ко сварка термопластов 113, 5|.
_________________Глава 3
СВАРКА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕПЛОВОЙ
ЭНЕРГИИ
3.1. СВАРКА НАГРЕТЫМ ГАЗОМ
3.1,1. Сущность и схемы процесса
Сварка нагретым газом основана на использовании тепловой
энергии последнего для разогрева свариваемых поверхностей и
присадочного материала до вязкотекучего состояния. Подвод
тепла осуществляется непосредственно к соединяемым поверх-
ностям и последовательно от одного участка шва к другому.
Сварка может осуществляться с применением присадочного ма-
териала и без него.
При сварке с присадочным материалом (рис.3.1) поверхности де-
талей сначала нагревают струей разогретого газа, а затем приводят
в контакт с нагретым той же струей присадочным материалом. При-
садочный материал в виде прутка вводится в сварочную зону легким
нажатием руки. Если пластинированный пруток не выдерживает осе-
вого давления, то используется прикатка его роликом (рис.3.2).
Рис. 3.1. Схема сварки нагрсням газом с
применением присадочного материала:
/ свариваемые яс шли; 2 cipyii на-
гретою газа; 3- наконечник ншревателя; 4
- присадочный пругок, 5 - сварной шов; а -
направление сварки, А - юна шнрева;
Р - давление на пруюк
Рис. 3.2. Схема сварки нагретым газом с
прикаткой присадочного прутка роликом:
/ - присадочный пруток; 2 - прижимной
ролик; 3 - сопло; 4 сварной шов: 5 соеди-
няемые летали; а - направление сварки, б - на-
правление манипулирования сварной горелкой
Скорость сварки может быть увеличена более чем в 4 раза
при использовании нагревателей с несколькими каналами,
предназначенными для предварительного нагрева зоны сварки и
присадочного прутка. Такие нагреватели одновременно с зоной
сварки позволяют нагревать основной материал через паз у ос-
нования сопла и присадку в направляющем канале.
47
Сварка нагретым газом с присадочным материалом может
выполняться вручную и механизированным способом.
При ручной сварке рабочий держит в руках сварочную горел-
ку и присадочный материал. Этот способ сварки очень трудо-
емок и не позволяет получать сварные швы высокого качества.
Вручную трудно обеспечить равномерную подачу присадочного
материала и равномерно прогреть свариваемые поверхности.
Наблюдается большой разброс показателей прочности по длине
сварного шва. Прочность сварного шва и его качество зависят от
квалификации сварщика.
В процессе механизированной сварки сварщик .перемещает
установку. Подача присадочного материала и давление связаны с
движением ведущего ролика вдоль шва. Вся установка помещена
на тележке, на которой по направляющим с помощью винта пе-
ремещается груз, соединенный с присадочным прутком. Размяг-
ченный в месте сварки пруток под действием груза ложится в
разделку шва. Направление перемещения тележки обеспечивает-
ся передним колесом тележки, два задних колеса катятся по по-
верхности свариваемого изделия. Скорость сварки поддержива-
ется автоматически.
Преимуществами механизированной сварки нагретым газом
являются возможность увеличения скорости сварки, применение
более толстых прутков, получение сварных швов лучшего каче-
ства, меньший разброс прочностных показателей. Сварщик мо-
жет обслуживать несколько установок одновременно.
Сварка с использованием присадочного материала применя-
ется при изготовлении конструкций из толстолистового поливи-
нилхлорида, политетрафторэтилена, полиэтилена, полипропиле-
на, полиамидов, полистирола и т. д. К таким конструкциям от-
носятся трубы, фасонные детали, различная химическая аппара-
тура, емкости, ванны для травления и т.д. Особенно широко
сварка нагретым тазом с использованием присадочного материа-
ла применяется при изготовлении сварных конструкций практи-
чески любых размеров и конфигураций из винипласта.
В ряде случаев конструкция изделий позволяет сваривать
пластмассы без присадочного материала. Сварка без применения
присадочного прутка осуществляется за счет размягчения и
сдавливания кромок деталей, соединяемых внахлестку (рис.3.3).
Этот способ применяется для соединения пленок из полиамида,
полиэтилена низкой плотности, полиэтилентерефлата, а также
изделий из ненластифицированного и пластифицированного
поливинилхлорида и других пластмасс толщиной 3 мм и более.
Кромки листов 1 перед сваркой “на ус” срезают под углом
20-25°. Листы большой толщины предварительно равномерно
подогревают на ширину 150-200 мм в каждую сторону до темпе-
48
ратуры 330 340 К. Нагреватель 2 устанавливают в таком поло-
жении, чтобы газовая струя попадала в зону контакта сваривае-
мых деталей и нагревала срезанные кромки.
Рис. 3.4. Схема сварки ншретым газом
полимерных пленок:
/ - свариваемые пленки, 2 - струя газа;
3 ~ oi ран мнительные* ленты; 4 - упругая под-
ложка: 5 - наконечник нагрева! ели:
6 - жесткое основание
Рис. 3.3. Сварка нагретым газом без присадочного материала.
/ - свариваемые листы: 2 - нагреватель; 3 прижимные ролики. 4- сварной шов
Усилие прижима осуществляется двумя последовательно рас-
положенными парами прижимных роликов 3, между которыми
равномерно перемещаются свариваемые листы. В гех случаях,
когда размеры изделия не позволяют его передвигать, переме-
щаются источник нагрева и механизм давления. Скорость свар-
ки составляет 30-150 м/ч. Прочность сварных швов 4 достигает
80-90% прочности основного материала.
Сварка термопластов нагретым газом без присадочного мате-
риала имеет ограниченное применение. Сварку осуществляют
механизированно с помощью специальных стендов и машин.
При сварке пленок нагре-
тым газом без присадки при-
меняется способ, при котором
сварные соединения получают
путем одностороннего нагрева
струей газа приведенных в
контакт соединяемых мате-
риалов. Зона нагрева (ширина
шва) ограничивается двумя
бесконечными лентами, с по-
мощью которых перемещается
сварочная головка (в подвиж-
ных сварочных машинах) или
протя ги вас гея с вароч 11 ы й ма -
териал (в установках стационарного типа). Пленочный материал
укладывается на упругую подложку из микропористой резины.
За счет своей упругости подложка вдавливается в щель, образуе-
мую О1 раничительными лентами, что совместно с силой струи
нагретого газа обеспечивает плотный контакт между соединяе-
мыми поверхностями (рис.3.4). Необходимость в применении
прокладок между газом-теплоносителем и свариваемым матс-
49
риалом отсутствует. В качестве газа-теплоносителя можно ис-
пользовать воздух; для полиэтиленовых пленок лучше приме-
нять азот или инертный газ |1, 4, 10, 16|.
Температура по толщине свариваемого материала при рассмат-
риваемом способе сварки распределяется неравномерно: на со-
единяемых поверхностях она всегда нескопько ниже, чем на по-
верхности верхней пленки, подвергающейся воздействию струи
газа-теплоносителя. Разность температур возрастает с увеличени-
ем толщины пленки, поэтому рассматриваемый способ рекомен-
дуется только для соединения тонких пленок. Этот способ сварки
ограничен 1акжс и в отношении жесткости свариваемых пленок,
таких, как пленки из ПЭВП и ПП, а также армированных пленок
на основе ПЭНП; обеспечить необходимый контакт между со-
единяемыми поверхностями за счет упругих свойств подложки и
давления струи газа-теплоносителя не представляется возможным.
Наиболее целесообразно использовать этот метод сварки дпя со-
единения пленок из ПЭНП толщиной 20-200 мкм.
Рис. 3.5. Схема сварки пленок открытым пламенем с оплавлением кромок
а - с подготовкой свариваемых кромок; б без подготовки свариваемых кромок; / - до
сварки; //- после сварки; /- свариваемые пленки; 2- пламя горелки: 3 наконечник газо-
вой горелки; 4- сварной шов: 5 зажимные губки
Разновидностью способа беспрутковой сварки нагретым газом
является сварка открытым пламенем. Свариваемые материалы, в
основном пленочные и листовые, помещают между двумя при-
жимными металлическими планками-рейками в вертикальном
положении, оставляя неприжатыми края пленок на расстоянии 2-
3 мм. Затем выступающие края пленок нагревают и оплавляют
пламенем газовой горелки (рис.3.5). Этим способом можно свари-
вать лишь те материалы, которые при нагревании становятся дос-
таточно вязкотекучими (например, полиэтилен) |1, 16|.
3.1.2. Технология и параметры режима сварки
Сварку нагретым газом применяют для получения практиче-
ски всех видов сварных соединений: стыковых, нахлесточных,
угловых и тавровых. Типы швов, условные обозначения и разме-
ры конструктивных элементов регламентированы ГОСТ 16310-70.
50
Стыковые швы без разделки кромок (рис. З.бу/) выполняют в ос-
новном при сварке тонких листов или труб толщиной менее 4 мм
В этом случае между
свари ваемыми деталя-
ми необходимо оста-
вить зазор 1-1,5 мм
для лучшего заполне-
ния сварного шва при-
садоч н ы м материал ом,
т.е. для лучшего про-
вара по всей высоте
шва. Соединяемые час-
ти деталей должны
быть установлены в
зажимы для обеспече-
ния одинакового зазо-
ра по всей длине шва.
Однако сварку листов
толщиной до 2 мм сле-
дует проводить без за-
зора, чтобы уменьшить
вероятность непроваров
и коробления листов.
С этой же целью для
сварки тонких листов
используются текстоли-
товые подкладки, к ко-
торым свариваемые лис-
ты прижимают с по-
мощью струбцин или
других приспособлений.
Сварку без разделки
кромок лучше прово-
дить с двухсторонним
наложением швов, что
обес г 1 е ч и вает п ол н ы й
провар по всему сече-
нию 11, 5, 10].
Стыковые швы
с разделкой кромок
(рис.3.6,б-d) применя-
ют при толщине дета-
лей от 4 до 20 мм. Об-
работка кромок произ-
водится фрезеровани-
Рис. 3.6. Конструкции стыковых сварных соеди-
нений Пояснения в тексте
ем, строганием, опиловкой. В зависимости от толщины листов
фаски могут сниматься за несколько проходов.
51
Используются одно- (рис.3.6,0 и двухсторонняя V-образная
(рис.3.6,0, а также Х-образная (рис.3.6,г,г)) разделки кромок.
Оптимальный угол раскрытия шва лежит в пределах 50-90° и
зависит от толщины и материала листов. Для листов толщиной
4-10 мм он составляет 70°, а для листов толщиной свыше 12 мм -
60° и меньше. Для жесткого поливинилхлорида рекомендуется
применять угол раскрытия 60-70°, для полиметилметакрилата -
50°, для полиамидов - 80-90°. При больших углах раскрытия
создаются большие удобства для выполнения сварочных работ и
уменьшается возможность непроваров. Однако при этом увели-
чивается объем, заполняемый присадочным материалом, что
приводит к уменьшению производительности и увеличению де-
формаций свариваемого изделия.
Х-образные разделки более предпочтительны, чем V-об-
разные. так как позволяют в 1,6-1,7 раза уменьшить объем при-
садочного материала, необходимого для заполнения шва. Кроме
того, достигается симметричное расположение швов, что
уменьшает сварочные деформации.
Тавровые и угловые соединения используются, если сваривае-
мые элементы расположены во взаимно перпендикулярных
плоскостях.
При толщине вертикального элемента менее 4 мм тавровые
соединения выполняются без разделки кромок, а при толщине
4-20 мм - с одно- или двухсторонней разделкой.
Угловые соединения, используемые при сварке днищ, кры-
шек, фланцев и т.п., выполняются только с разделкой кромок.
Это позволяет избежать непроваров вершины шва.
Нахлесточные соединения применять нежелательно, так как
при их сварке возникают большие остаточные деформации.
Прочность такого соединения почти в 6 раз меньше прочности
соединения встык. В случае необходимости их выполняют угло-
вым швом с катетом (1/Зч-1)5 и величиной нахлестки (4-2)5,
где о - толщина листа.
Основные технологические параметры режима сварки нагретым
газом: температура и расход газа; материал, диаметр и форма се-
чения присадочного прутка; угол наклона прутка при укладке в
разделку; давление, прикладываемое к прутку; угол наклона на-
гревателя (горелки) к плоскости свариваемого материала.
Температура газа на выходе из сопла нагревателя уста-
навливается обычно на 50—100 К выше температуры вязкотеку-
чего состояния свариваемых термопластов. Визуально правиль-
ность выбора температуры газа можно определить по окраске
в коричневый цвет бумаги, картона или деревянной палочки,
помещенных на расстоянии 5 мм от среза сопла, по истечении
5-7 с после внесения их в струю нагретого газа. С правильным
52
выбором температуры связана и скорость сварки. Так, при сварке
непластифицированного поливинилхлорида при температуре газа
453 К скорость сварки составляет 4,5 м/ч, а при 623 К - 15 м/ч.
Расход нагретого газа устанавливается обычно для
горелок косвенного действия (см. ниже) и с электрическим нагре-
вом - 1-2 м3/ч, а для горелок прямого действия - 1,0-3,5 м3/ч.
Расход контролируется поплавковыми ротаметрами или по давле-
нию на входе в горелку. Малые расходы нагретого газа снижают
производительность процесса и приводят к непроварам.
Присадочный материал обычно выбирают того же
состава, что и основной свариваемый материал.
Часто пользуются прутками с добавками пластификаторов:
для сварки полиэтилена - прутком из полиэтилена с добавкой
5-10% полиизобутилена; для сварки непластифицированного
поливинилхлорида - прутком с добавкой 10% пластификатора. Од-
нако пластифицированные прутки не следует применять при свар-
ке изделий, работающих в агрессивных средах и при повышенной
температуре, так как в процессе эксплуатации может происходить
постепенное разрушение и выкрашивание пластификатора.
Сварку пол и метил метакрилата выполняют прутками из пла-
стифицированных прозрачных составов поливинилхлорида. Это
позволяет избежать деструкции полиметилметакрилата, который
при температурах выше температуры текучести разлагается с вы-
делением газообразных продуктов.
Для сварки нагретым газом выпускают прутки диаметров
2 -г 6 мм, а также спаренные прутки в виде ленты размером 2x3 мм.
Следует стремиться выполнять шов меньшим числом прутков
большего диаметра. Перед сваркой прутки зачищают наждачной
бумагой или циклевкой, что повышает прочность соединения.
Число проходов может быть уменьшено за счет применения
профильных (треугольных, прямоугольных) прутков с размера-
ми, соответствующими размерам разделки кромок.
Положение сварочного прутка и наконечни-
ка нагревателя по отношению к поверхности шва
(рис. 3.7) значительно влияет на получение плотного и ровного
шва с достаточной прочностью.
При угле наклона больше 90° (рис.3.7,а) усилие, действующее
на пруток, раскладывается на две составляющие: горизонталь-
ную и вертикальную. Под действием горизонтального усилия
пруток, уложенный в шов, удлиняется, вследствие чего при ох-
лаждении он может лопнуть. Под тупым углом располагают пру-
ток при сварке поливинилиденхлорида и полипропилена.
Под прямым углом (рис. 3.7,6) держат пруток при сварке не-
пластифицированного поливинилхлорида, полиметилметакрила
и полиэтилена высокой плотности.
53
Рис. 3.7. Положение горелки и присадочного прутка при сварке нагретым газом:
/ - присааочный пруток; 2 - наконечник горелки: 3 - направление сварки. 4 - схема
действующих сил; п-в - пояснения в тексте
При угле наклона меньше 90° (рис. 3.7,в) пруток разогревается
быстрее основного материала и на участке большей длины. Рас-
ход прутка при укладке швов увеличивается в результате его
осадки; при этом в шве возникают внутренние напряжения из-
за продольного сжатия, и пруток изгибается с образованием на
его поверхности волны. Механическая прочность сцепления
прутка с кромками свариваемого материала уменьшается, и его
легко можно отделить от поверхности сварного шва. При этом
значительно снижается скорость сварки. При сварке полиэтилена
низкой плотности, пластифицированного, поливинилхлорида и
пол и изобучил сна сварочный пруток наклоняют под углом 45-50°.
Для получения сварного соединения высокого качества конец
прутка в начале шва нагревают, отгибают под прямым углом и
охлаждают на воздухе. Перед началом сварки пруток устанавли-
вают на расстоянии 10-15 мм от шва (рис. 3.7,г). При смене
прутка отогнутую часть нового прутка укладывают на конец
прерванного шва с перекрытием 10 мм (рис. 3.7,д).
Угол наклона продольной оси мундштука горелки к плоско-
сти свариваемого изделия (угол а) вначале должен быть равен
60°, а в процессе сварки должен уменьшаться до 45°.
Струя нагретого газа в течение большего времени должна быть
направлена на основной материал, масса которого больше, чем
масса присадочного материала. Манипулируя горелкой, сваршик
направляет поток то на присадочный материал, то на основной.
Давление на присадочный п р у т о к для предотвра-
щения чрезмерного его удлинения должно быть небольшим и со-
ставлять 0,05б/ (в ньютонах), где d - диаметр прутка (в миллимет-
рах). Для полимеров с большой молекулярной массой и высокой
степенью кристалличности это давление должно быть больше, чем
для полимеров с малой молекулярной массой. Для аморфных по-
лимеров оно выбирается большим, чем для кристаллических.
54
Порядок укладки прутков при сварке нагретым га-
зом зависит от толщины свариваемых материалов и формы раз-
делки кромок (рис.3.8).
Материал толщиной 1-2 мм сваривают за один проход. Швы на
изделиях толщиной более 2 мм выполнить за один проход не удается.
Шов заполняют последователь- _____________________________
ной приваркой отдельных валиков
сварочного прудка. При этом особое
внимание обращают на приварку
первого валика в основании корня
шва, применяя для этого приездом -
Рис. З.Я Последовательность ук-
ладки присадочного прутка при
«_• J 1 11 l/i 1 I 1 1VZ1 X.* 1 1 Y 1 1 1 LZ> I
ныи пруток, диаметр которого спаркс:
меньше диаметров Прутков. КОТО- а - Х-сбриэньш шов, б - V-образный
рыми затем заполняют весь шов. 1,ювс ’«о^рком корня шва
При зазоре стыкового соединения, равном 1 мм, корень раз-
делки заваривают прутками диаметром 2 и 3 мм. При сварке
V- и Х-образных стыковых соединений на первый уложенный
пруток наваривают два других большего диаметра, затем на них
наваривают три последующих и так до окончательного заполне-
ния разделки. На рис.3.8. приведена примерная схема последо-
вательной укладки сварочных прутков при заполнении V-образ-
ных (рис.3.8,а) и Х-образных (рис.3.8,6) соединений.
Такая технология исключает появление трещин в швах при
сварке изделий большой толщины и в узлах большой жесткости.
Для стыковых, кольцевых и замкнутых швов на трубах со стен-
ками толщиной 10-20 мм с V-образной разделкой кромок, чтобы
избежать появления в швах трещин, применяют многопроход-
ную сварку, обеспечивающую надежное сцепление прутков меж-
ду собой и с основным материалом [1, 4, 5, 10, 16|.
3.1.3. Оборудование для сварки нагретым газом
Для сварки термопластов нагретым газом применяются го-
релки, которые подразделяются на газовые косвенного действия,
газовые прямого действия и горелки с электронагревом.
Горелка косвенного действия ГГК-1 конструкции ВНИИАвто-
генмаш выполнена на базе ацетиленокислородной горелки
“Малютка”. Горючий газ подогревает стенки змеевика, по кото-
рому подается газ-теплоноситель, используемый для сварки.
Горелка нормально работает при расходе пропана до 0,12 м3/ч
или природного газа до 0,36 м3/ч. Она комплектуется одним на-
конечником с соплом диаметром 3 мм. К недостаткам горелок
косвенного действия следует отнести перегрев кожуха и возмож-
ное прогорание змеевика при малых расходах газа-теплоносителя.
Горелка прямого действия ГГП-1 работает по принципу вихре-
вой системы смешения и сжигания газов в малом объеме каме-
55
ры сгорания. Это позволяет сваривать термопласты продуктами
горения в смеси с воздухом.
Горелка работает на пропане или природном газе и на возду-
хе, подаваемом под давлением соответственно 0,01-0,1 или 0,08-
0.5 МПа. Она обеспечивает получение до 2,5-3,5 м3/ч смеси
продуктов сгорания (ССЪ, Н2О, N?) и воздуха. При расходе про-
пана 0,25-0,4 м3/ч или природного газа 0,3—1,1 м3/ч тепловая
мощность пламени эквивалентна мощности электронагреватель-
ного устройства (600-800 В г).
Получили также промышленное применение горелки пря-
мого действия с инжекционной камерой на базе ацетиленокис-
лородной горелки “Звездочка” |1, 17].
Горелки с электронагревом могут быть двух типов: горелки с
электронагревом и подачей газа от внешнего источника (ком-
прессора, баллона или воздушной магистрали); горелки с элек-
тронагревом и автономным питанием.
Горелки с автономным питанием отличаются от горелок с
подачей газа от внешнего источника тем, что подача газового
теплоносителя осуществляется нагнетателем, вмонтированным в
корпус горелки или присоединенным к горелке. Такие горелки
имеют небольшую мощность и применяются для сварки малога-
баритных и тонкостенных изделий.
Из горелок с электрона!ревом нашла применение горелка
ГЭП-1-67, серийно выпускаемая Московским заводом кисло-
родного машиностроения и предназначенная для сварки рулон-
ного линолеума и других полимерных материалов (винипласта,
полиэтилена, пол и изобутиле на, полимстилметакрила, пенопо-
лиуретана и др.). Обычно горелка ГЭП-1-67 работает от пере-
носного сварочного поста, в комплект которого входят сама го-
релка, воздушный компрессор С-45 и однофазный понижающий
трансформатор серии ТБС-3.
Горелка работает при напряжении 36 В, мощность нагреватель-
ного элемента 500 Вт, расход газообразного теплоносителя 3 м3/ч,
его температура на выходе из сопла горелки регулируется коли-
чеством подаваемого воздуха в требуемых пределах. Спираль
электронагревательного элемента горелки изготавливается из
сплавов с высоким омическим сопротивлением марок XI5H60,
Х15Н60-Н, Х20Н180. Электроспирали из проволок этих марок
обладают наибольшей долговечностью. Чтобы избежать замыка-
ния элсктроспирали с металлической трубкой наконечника
электрогорелки. применяется фарфоровая трубка или трубки из
асбеста или жаропрочной бумаги. Трубки из асбестожаропроч-
ной бумаги не разрушаются при прохождении через них воз-
духа, нагретого до температуры 523 К, и этот материал явля-
ется хорошим диэлектриком. Для питания электрогорелок при-
меняют однофазные трансформаторы типа ТБСЗ-0,63. Мощ-
ность такого трансформатора 630 Вт, напряжение 220/36 В, мае-
56
Рис. 3.9. Электрическая горелка с воздуш-
ным охлаждением электрической спирали.
/ ~ сопло; 2 - наконечник; 3 спираль, 4 -
корпус; 5- трубка для подачи воздуха; б подвоя
тока
са - не более 7 кг. Успешно используются при параллельном
подключении два трансформатора ТБСЗ-0,25 или ТБСЗ-0,4. Все
три типа указанных трансформаторов предназначены для работы
при любом рабочем положении в пространстве, а также при
температуре окружающей среды от 233 до 313 К.
Основным недостатком горелок с электрическим нагревом яв-
ляется сильный разогрев кожуха. Кроме того, образующиеся на
спиралях окалина и нагар уносятся воздухом и частично попадают
в шов, снижая его прочность. Этот недостаток горелок устраняет-
ся, если заменить проволочную спираль трубчатым змеевиком, к
концам которого подведен электрический гок, а внутри движется
нагреваемый газ. Рабочее напряжение горелки составляет 4-5 В,
мощность 0,5 кВт. Недостаток горелки - применение проводов
большого сечения, увеличи-
вающих ее массу и затруд-
няющих маневрирование ею
во время работы.
На рис.3.9 показана го-
релка, в которой нагреватель
представляет собой трубу,
внутри которой на изоляторах
уложена электрическая спи-
раль. Горелка имеет электро-
провод в корпусе рукоятки.
охлаждаемый воздухом, что
увеличивает долговечность
клеммного соединения. Го-
релка работает от сети переменного тока напряжением 12 и 36 В.
Повышение качества сварных соединений и увеличение про-
и звод ител ьн ости дости гаются
применением механизирован-
ных устройств для сварки нагре-
тым газом. Для получения про-
тяженных прямолинейных швов
Рис. з.ю. Схема сварочной головки к нашли применение специализи-
машинам МСП-5М и СПК.-М для рованные полуавтоматы ПГП-1
непрерывном сварки пленок газовым и “ПчСЛКа”, а ДЛЯ СВЗрки ПЛе-
тсплоноситслсм: л мгп cw
/- ролики; 2 - ограничительная лента; ^ОК — МИШИНЫ МСП-5М И
3 нагреватель; 4 - свариваемые материалы СПК-М |1, 10, 17, 19, 20|.
Конструкция машин включает специальную сменную сварочную
головку, которая позволяет осуществлять сварку нагретым газом без
присадки непрерывных прямолинейных протяженных швов нахле-
сточных и Т-образных сварных соединений.
Головка (рис.3.10) состоит из двух роликов 7, один из кото-
рых является ведущим. На роликах натянуты две бесконечные
гибкие металлические ограничительные лепты 2 Между лен1ами
57
имеется зазор, в который направляется струя на1ретого газа из нагре-
вателя (калорифера) 3. Калорифер имеет девятнадцать отверстий
диаметром 1,5 мм для выхода газа, расположенных на одной ли-
нии на расстоянии 3 мм друг от друга. Ширина сварного шва оп-
ределяется расстоянием между металлическими лентами.
Машина СПК-М предназначена для сварки крупногабарит-
ных полотнищ полиэтиленовой пленки неограниченной длины.
Перемещение материала осуществляется с помощью транспор-
терной ленты; необходимый прижим сварочной головки к
транспортерной ленте обеспечивается весом головки.
Универсальная машина МСП-5М может использоваться в
стационарном варианте или перемещаться по направляющим
вдоль свариваемого материала. Перемещение материала в случае
стационарного варианта осуществляется с помощью двух беско-
нечных лент на сварочной головке и бесконечной передвижной
ленты на нижней опорной головке.
Рис. З.П. Полуавтомат ПГП-1 для сварки термопластов газовыми теплоносите-
лями с присадочным материалом:
/ - cymtopi; 2 - ось откидывания суппорта; 3 - упор juim удержания суппорта в верхнем
положении. 4 - самоходная тележка; 5 - рукоятка; 6 - регулятор скорости; 7 и 8 - тумблеры
для включения нагрешпеля и горелки, 9 ! 1 - ролики, обеспечивающие движение полуавю-
мата. 12 шпильки для подвешивания грузов, создающих давление на присадку, /3 - лыжи;
14- шланга с прижимным роликом; 15- нагреватель для подогрева присадки, 16- горелка
На рис.3.11 представлен специальный полуавтомат ПГП-1,
который предназначен для сварки нагретым газом с применени-
ем присадочного материала прямолинейных протяжных швов в
нижнем положении. При механизированной сварке на таком
полуавтомате достигается стабилизация основных параметров
режима (температуры, скорости, давления), обеспечивается ста-
бильный угол наклона сопла аппарата и присадочного прутка к
поверхности свариваемого материала, представляется возмож-
ным использовать различные приемы для предварительного по-
58
логрева присадочного материала и благодаря этому несколько сни-
зить оптимальную температуру газа-теплоносителя (на 10-15 К).
Однако механизированная сварка лишена основного достоинст-
ва ручной сварки - гибкости и маневренности [I, 5-17|.
Механизированная сварка применяется только для выполнения
протяженных прямолинейных швов, а для получения швов в других
пространственных положениях (потолочных, вертикальных) ис-
пользование механизированной сварки пока затруднено [1|.
3.2. СВАРКА РАСПЛАВОМ
3.2.1. Сущность и схемы процесса
Сварка термопластов расплавом основана на использовании
тепла расплава присадочного материала, подаваемого из нагре-
вательного устройства в зону сварки, и передаче тепла соеди-
няемым кромкам. Подача расплава может осуществляться не-
прерывно или периодически. Для непрерывной подачи расплава
обычно используется либо экструдер, либо пистолеты с нагрева-
телем прямоточного типа, через который непрерывно подается
присадочный пруток. В первом случае сварка называется экс-
трузионной, или сваркой экструдированной при-
садкой, во втором случае - сваркой нагретым прутком.
Для периодической подачи расплава в зону сварки обычно
используются литьевые машины. Поэтому такой способ получил
название сварки литьем пол давлением.
Рис. 3J2. Схемы бесконтактной (л) и контактно-экструзионной (б) сварки рас-
плавом:
/ - экструдер; 2- мундштук экструдера; 3- спариваемые летали; 4- прикатывающий ролик
Экструзионная сварка может осуществляться по бесконтакт-
ной и контактной схемам (рис.3.12).
При бесконтактной сварке (рис.3.12,^) мундштук экс-
трудера не контактирует со свариваемыми поверхностями, а ус-
танавливается на определенном расстоянии от них. Это расстоя-
ние выбирается таким образом, чтобы расплав, вылавливаемый
из экструдера, не успевал переохладиться. Из этих же соображе-
ний температура расплава на выходе из мундштука должна пре-
вышать температуру текучести на 40-50 К. Для плотного поджа-
59
тая присадочного материала к свариваемым поверхностям при-
меняются прижимные приспособления (ролики, ползуны и т.п.).
При контактно-экструзионной сварке (рис.3.12,6)
мундштук экструдера касается кромок соединяемых деталей.
За счет этого уменьшаются потери тепла в окружающую среду и
осуществляется дополнительный подогрев кромок. Давления, раз-
виваемого в экструдере, достаточно для создания необходимого
контакта присадочного материала с соединяемыми кромками, по-
этому дополнительных прижимных устройств не требуется. В не-
которых случаях к мундштуку экструдера присоединяют нагретый
инструмент с рифлениями, обеспечивающими перемещение при-
садочного материала параллельно направлению сварки.
3.2.2. Технология и параметры режима сварки
Рис 3J3 Схема бесконтакт-
ной экструзионной сварки
полимерных пленок-
/ - экструдер; 2 - присад-
ка, выходящая из экструдера;
3 - свариваемые пленки; 4 - при-
жимные ролики: 5 - сварное соеди-
нен ис
Экструзионная сварка обычно применяется для термопластов
с широким температурным интервалом вязкотекучести и низкой
температурой текучести, способных выдерживать значительный
перегрев без деструкции. К ним относятся полиэтилен, поли-
пропилен, пластифицированный поливинилхлорид и др. '
Бесконтактную экструзионную сварку
целесообразно применять для соединения
материалов небольшой толщины (до 3 мм).
Это в первую очередь одно- и много-
слойные пленки и армированные пле-
ночные материалы. Сварка производится
путем непрерывной подачи в зазор между
соединяемыми поверхностями пленок
расплава, который вместе с пленками
проходит между прижимными роликами
(рис. 3.13). Скорость сварки пленок за-
висит от производительности экструдера
и их толщины и может изменяться от 0,5
до 3 м/с. Меньшие значения соот-
ветствуют малой производи гельв ости
экструдера - до 0,25 кг/ч и толщине
пленки 0,4 мм, а большие значения - производительности
2,5 кг/ч и толщине 0,1 мм. 1
Тонкие полиэтиленовые и полипропиленовые пленки тол-
щиной до 60 мкм можно сваривать путем подачи присадочного
материала поверх двух слоев пленок. Толщину присадочного ма-
териала при сварке однослойных и армированных пленочных
материалов выбирают равной толщине пленки, а ширину нахле-
стки - 3-?4 мм (для пленок толщиной до 400 мкм). |
Сварку экструдируемой присадкой можно использовать для
выполнения стыковых, угловых, тавровых и нахлесточных со
единений. Основные типы швов и размеры конструктивных
60
элементов регламентированы ГОСТ 16310—80 и определяются
толщиной материала, нагрузкой, действующей на сварную кон-
струкцию, и доступностью к месту сварки.
Экструзионная сварка листовых материалов толщиной до 3 мм
выполняется без разделки кромок только контактным методом,
так как в этом случае разделка осуществляется при движении
мундштука в процессе сварки. При больших толщинах следует
применять V- или Х-образную разделку кромок.
Прочность стыкового соединения зависит от угла раскрытия
кромок. При угле раскрытия кромок до 100° для образцов
с V-образной разделкой и до 80° для образцов с Х-образной раз-
делкой прочность сварного соединения возрастает с увеличен и -
1 ем этого угла, достигая прочности основного материала. При
I дальнейшем увеличении угла раскрытия кромок повышается
расход присадочного материала, а следовательно, и число про-
ходов, что приводит к снижению скорости сварки и получению
। швов с воздушными включениями. Так, при сварке полиэтилена
высокой и низкой плотности угол раскрытия кромок следует
I выдерживать для Х-образной разделки в интервале 60-80°. для
I V-образной разделки 70-100°.
I Для получения прочных и герметичных сварных соединений
I следует применять сварку с зазором 1,5-2,5 мм. Нахлесточные
соединения, полученные экструзионной сваркой, приближаются
I по прочности к соединениям с V-образной разделкой. Соедине-
I. ния с V-образной и Х-образной разделкой кромок могут приме-
няться при футеровке емкостей, при изготовлении труб боль-
। того диаметра и других изделий из пластмасс.
Ручной сваркой даже при наличии зазора трудно обеспечить
I стабильное проплавление корня шва по всей его длине. В этом
I случае соединения выполняют с подваркой корня шва с обрат-
ной стороны. Если обратная сторона недоступна, применяют
I подкладки (съемные или остающиеся). Подкладка - деталь или
I приспособление, устанавливаемое под кромки свариваемых час-
I гей для формирования сварного шва. Сварка с подкладками
I имеет ряд преимуществ: работа ведется с одной стороны шва;
I производительность труда возрастает, так как сварщик работает
I на допустимых повышенных режимах. Подкладки необходимо
I изготавливать из материалов с малой теплопроводностью: ксра-
I мические, полимерные, металлические с полимерным покрыти-
I ем. При двухсторонней сварке швов с Х-образной разделкой
кромок перед сваркой второго шва необходимо удалять только
I наплавленный присадочный материал, врезание в основной Ma-
В. териал не допускается.
I Разнотолщинность свариваемых материалов в случае стыко-
I вых соединений не должна превышать 1 мм. Если разность тол-
I щин свариваемых листов S ~ S превышает 1 мм, то на листах
(деталях) большей толщины 5j делается скос под углом 15 ± 5° с
61
одной или двух сторон до толщины более тонкого листа 5
(рис.3.14). Подготовку кромок под сварку можно выполнять ре-
заками (вручную), а также на фрезерном или токарном станке.
Рис. 3.14. Подготовка кромок разнотолшинных материалов. Пояснения в тексте
При сварке стыковых и угловых соединений число наносимых
слоев (число проходов) определяется толщиной соединяемого мате-
риала и производительностью экструдера. При толщине материала i
до 6 мм указанные соединения можно выполнять за один проход, I
при толщине более 6 мм - за несколько проходов Ц, 5, 16]. |
В случае многопроходной сварки корень шва должен быть
тщательно проварен, затем накладывают последующие слои та- I
ким образом, чтобы каждый последующий валик был более ши- I
роким, чем предыдущий. Перед наложением каждого валика no- I
верхность предыдущего должна быть тщательно очищена от пы- I
ли и окислительного слоя. При сварке экструдируемой приезд- I
кой конструкций из полимерных пленок следует применять на- I
хлесточные соединения. II
Основными технологическими параметрами экструзионной
сварки являются: температура присадочного материала, скорость
сварки и давление на расплав. Оптимальные значения скоростей
сварки лежат в интервале 1,6 10 3 - 8,3 • 10 ? м/с, а оптималь- I
ные значения давлений на расплав - в интервале 0,05-0,6 МПа. I
Чем выше температура материала на выходе из экструдера, темЯ
меньше давление и больше скорость сварки 111 В
При температуре присадочного материала ниже 443 К для
полиэтилена низкой плотности и ниже 473 К для полиэтилена!
высокой плотности прочность сварных соединений не превыша-1
ет 70% прочности основного материала. В этом случае теплосо- j
держание присадочного материала недостаточно для нагрева по- I
верхности кромок свариваемого материала до температуры, обеспе-1
чивающей его переход в вязкотекучее состояние, поэтому образова-
ние сварного соединения обусловлено диффузией только отдельных
звеньев макромолекул. С повышением температуры прочность
сварного соединения повышается и в интервале температур приса- '
дочного материала 493-553 К для ПЭВП и 513-553 К для ПЭНП
прочность сварного соединения сохраняется постоянной и при-1
ближается к прочности основного материала. Дальнейшее по-
вышение температуры приводит к резкому росту деструкции
присадочного материала, снижению прочности сварных соеди
нений и увеличению хрупкости. С ростом температуры приса-
дочного материала изменяется и структура материала шва.
Таким образом, оптимальный температурный интервал нагре-
ва присадки при бесконтактной сварке для полиэтилена низкой
плотности и сополимеров этилена с изобутиленом составляет
483-553 К, для полиэтилена высокой плотности и сополимера
этилена с пропиленом 503-553 К и для полипропилена 513-553 К.
При контактно-экструзионной сварке эти температуры могут
быть понижены на 20-30 К.
Сварка в оптимальных режимах обеспечивает прочность
сварных соединений, близкую к прочности основного материа-
ла, причем оптимальные значения параметров режима не зави-
сят от толщины материалов.
Лучшие результаты достигаются при использовании присадки
из того же материала, что и свариваемые. При бесконтактной
сварке число проходов, необходимое для разделки кромок, на-
значают не более трех, а при контактно-экструзионной - до пяти
Сварка нагретым прутком
ных условиях, где возникает
ных малогабаритных уст-
ройств. Расплавленный ма-
териал подается в зону
сварки непрерывно посту-
пающими в нагревательный
цилиндр устройства свароч-
ными прутками. Нагрев
прутка в цилиндре осущест-
вляется горячим воздухом.
Для сварки листового поли-
этилена толщиной 1,5-2 мм
хорошие результаты дости-
гаются при температуре
присадочного прутка 500 К
и расходе воздуха 20-25
л/мин. Иногда этот способ
используют совместно с
предварительным подогре-
вом свариваемого материала
горячим воздухом. Рекомендуется использовать присадочные
прутки диаметром от 2,5 до 6 мм.
Разновидностью способов сварки термопластов экструдиро-
ванной присадкой является сварка литьем под давлением. В этом
случае расплав полается в зону соединения из литьевой машины
периодически (рис.3.15). Таким способом соединяют заранее от-
штампованные детали. Сварку осуществляют в специальной фор-
ме, которая имеет каналы, расположенные по линии разъема. По
чаще всего используется в монтаж-
необходимость в применении руч-
Рис. 3.15. Схема сварки метолом литья под
давлением корпуса и днища бутыли:
I корпус бутыли: 2- днище; Эи 4 - половины
пресс-формы; 5 - литьевая машина; 6 - присадоч-
ным материал; 7 - контрольные отверстия;
Л - сварной шов; а - направление движения рас-
п явленного материала
63
этим каналам продавливается расплав. Расплав, передавая часть те-
пла кромкам соединяемых деталей, плавит и соединяет их но
линии разъема. Данный способ обладает высокой производи-
тельностью, его используют при сварке изделий в труднодоступ-
ных местах по поверхностям сложной конфигурации, когда
сварка другими способами невозможна.
3.2.3. Оборудование для сварки расплавом
Разработана серия малогабаритных полуавтоматов ПСП-5,
ПСП-5М, ПСП-6 и РЭСУ с прямоточными пистолетами и
ПСП-ЗЭ, ПСП-4 со шнековыми пистолетами [I, 5, 10, 16, 17|.
Сварочный полуавтомат ПСП-ЗЭ включает в себя ручной пис-
толет-экструдер массой 6,1 кг и шкаф с электроаппаратурой. Пис-
толет представляет собой малогабаритный эксгрудер, состоящий из
цилиндра, в котором вращается червяк (шнек) диаметром 12 мм и
длиной, равной 15 диаметрам червяка, выполненный из стали.
Передача вращения червяка обеспечивается через планетарный
редуктор от электродвигателя СД-150. Цилиндр имеет зону на-
грузки материала, охлаждаемую водой, и зону электрообогрева,
температура которой регулируется посредством изменения силы
тока в нагревательном элементе. К передней части цилиндра кре-
пится сменный мундштук, внешняя форма которого соответствует
форме разделки кромок свариваемого материала. Производитель-
ность пистолета - 0,5 кг расплава в час.
Полуавтомат ПСП-4 отличается от ПСП-ЗЭ тем, что вращение
червяка обеспечивается приводом от пневмоотвертки РПО-350.
Замена привода обеспечивает снижение массы пистолета до 3,3 кг.
Конструкция не-
которых п истолетов
шнекового типа для
получения расплава
позволяет использо-
вать не пру гок, л
гранул ы пол и мер-
ного материала
(рис.3.16). Для этого
на корпусе пистоле-
та монтируется бун-
кер для гранул, гор-
ловина бункера со-
общается с цен-
Рис. 3.16. Схема пистолета шнекового типа с бунке-
ром для загрузки гранулята для сварки термопластов:
/ - штуцер; 2- шнек: 3 - мунлпиук; 4 - канал подачи газа
тепло!юешеля, 5 - корпус; 6 - электрона! реваз ель; 7 - канал
подачи присадки: 8- электродвигатель
тральным каналом пистолета, в котором вращается шнек, а на
боковой поверхности мундштука выполнены отверстия для по-
дачи нагретого газа-те пл он ос и геля.
Такая конструкция пистолета шнекового типа вмонтирована в
сварочный полуавтомат ПСП-ЗЭ производительностью 0,57 кг/ч и
64
массой пистолета 6,1 кг. Охлаждение пистолета водяное. Ско-
рость подачи присадочного материала регулируется изменением
числа оборотов шнека. Вращение шнека осуществляется элек-
тродвигателем через планетарный редуктор. Пистолет состоит из
цилиндра со шнеком и привода. Цилиндр имеет зону загрузки
материала, охлаждаемую водой, и зону электрообогрева, темпе-
ратура которой регулируется. К передней части цилиндра при-
креплен сменный мундштук, форма которого соответствует
форме разделки кромок свариваемого материала. Бункер с при-
садочным материалом или гранулами полимерного материала
крепится с помощью кронштейна на корпусе редуктора и может
быть легко заменен в процессе работы [1].
Полуавтомат
ПСП-5 включает в
себя пистолет-экстру-
дер п ря мо гоч ного
типа, пулы управ-
ления, электричес-
кий кабель и рези-
новые шланги для
подвода охлаждаю-
щей воды (рис.3.17).
П истолет-экструдер,
ние. 3.17. Схема пистолета-экструдера полуавтомата
ПСП-5:
I - электродвигатель: 2 ручка: 3 редуктор. 4 - подающие
ролики: 5 - цилиндр; 6 - электроегшраль: 7 - охлади ic.il».
6* - бункер для присадочного прутка. V- присадочный пруток
в свою очередь, вклю-
чает в себя механизм
подачи присадоч-
ного прутка, состоя-
ший из электродвигателя и редуктора с подающими роликами.
Один из роликов подпружинен и позволяет регулировать усилие
сцепления тянущего ролика с присадочным прутком. Положе-
ние другого ролика регулируется винтом, что даст возможность
настраивать подачу присадочного прутка диаметром 3-6 мм. Для
плавления присадочного материала служит цилиндр с электри-
ческим нагревательным элементом. Цилиндр ввинчен в охлади-
тель, который омывается водой и охлаждает входную зону ци-
линдра для предотвращения преждевременного размягчения
присадочного материала. Охладитель и редуктор смонтированы в
корпусе пистолета, в котором установлены также электродвига-
тель и микровыключатель [I].
На передней панели пульта расположены позиционный пере-
ключатель, амперметр, тумблеры включения сети, подачи при-
садочного материала, тока на нагревательный элемент, резистор
регулирования скорости подачи присадки. Производительность
ПСП-5 равна 0,25 кг расплава в час. Максимальная скорость
сварки полуавтоматом ПСП-5 при толщине материала 0,08 мм и
более составляет до 1 м/с, диаметр присадочных прутков 3,5-4
65
мм, мощность привода 25 Вт, масса пистолета 1,2 кг, масса по-
луавтомата 20 кг. С его помощью можно качественно сваривать
толстые и тонкие листы и различные конструкционные элемен-
ты любой конфигурации [1].
Полуавтомат ПСП-5М отличается от ПСП-5 тем, что на ци-
линдре пистолета-экструдера смонтирована винтообразная труб-
ка для нагрева газа-теплоносителя; расход газа - до 0.5 м3/ч.
Нагрев газа-теплоносителя и плавление присадочного материала
осуществляется одной электроспиралью. Применение газа-тепло-
носителя позволяет качественно сваривать материалы с узким ин-
тервалом температур вязкотекучего состояния (пентапласт, поли-
пропилен и др.).
По этому же принципу работают ручные пистолеты серии
РЭСУ производительностью 0,5-1 кг/ч. Отличие заключается в
том, что в них нагрев газа осуществляется от самостоятельного
нагревателя.
На базе полуавтомата ПСП-5 разработан ряд специализиро-
ванных установок. Примером является карусельная установка
УСА-1 для сварки чехлов щелочных аккумуляторов из полиэти-
лена низкой и высокой плотности.
Все полуавтоматы укомплектованы рабочими инструментами -
пистолетами-экструдерами, которые в зависимости от способа
подачи расплава подразделяются на шнековые (подача расплава
осуществляется шнеком) и прямоточные (расплав выталкивается
холодным присадочным материалом в экструдер) |1|.
Как шнековые, так и прямоточные пистолеты-экструдеры
могут включать в себя дополнительные приспособления для
нагрева газа-теплоносителя. В комплект всех пистолетов-экстру-
деров входят сменные мундштуки, которые имеют форму, соот-
ветствующую форме поперечного сечения подготовленных кро-
мок, и служат для подачи присадки в разделку шва и создания
сварочного давления. Полуавтоматы могут быть переносными,
передвижными и стационарными.
Мощность прямоточных сварочных экструдеров, необходи-
мую для выталкивания расплава, можно определить по формуле
где Q - производительность экструдера, м3/с; р - давление, необходимое для
проталкивания расплава через цилиндр экструдера. Па.
Давление р зависит от параметров цилиндра и вязкости про-
талкиваемого расплава:
р = q 4Q • 2/ = л/4,
где q - вязкость при Гср = (7\ + 7j)/2, Па с; Г, и Т2 - температура присадоч-
ного материала на входе в цилиндр и на выходе из него соответственно. / и г -
длина и радиус цилиндра экструдера, м (1].
66
Глава 4
СВАРКА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕПЛОВОЙ
ЭНЕРГИИ И ДАВЛЕНИЯ
4.1. СУЩНОСТЬ И СХЕМЫ ПРОЦЕССА
Подвод тепловой энергии, необходимой для сварки термо-
пластов. наиболее просто может быть осуществлен за счет кон-
такта свариваемых деталей с нагретым инструментом. Вид свар-
ки, основанный на этом принципе, чаще всего называют
сваркой нагретым инструментом. Можно встретить
также термины контактно-тепловая или термокон-
тактная сварка, подчеркивающие контактный способ пере-
дачи теплоты от инструмента к деталям [1-3, 5, 10, 17, 19].
В кон такт с нагретым инструментом можно вводить как поверх-
ности, подлежащие сварке, так и внешние поверхности деталей.
Рис. 4.1. Схемы сварки прямым нагревом нагретым инструментом:
а - стержней встык; о - труб встык; в - соединения “на ус”; / - нагретый инструмент; 2,
3 - свариваемые детали, 4 - прижимные ролики; 5 - сварной шов; слева - нагрев, справа -
осадка; Рпс - давление осадки, Р - давление прижима
В первом случае (рис.4.1) нагрев поверхностей, подлежащих
сварке, до температур, превышающих температуры плавления
термопластов, осуществляется за счет теплоотдачи от плотно
поджатого к ним нагретого инструмента. Для того чтобы под-
черкнуть, что тепловая энергия подводится в этом случае непо-
67
средственно к поверхностям, подлежащим сварке, такую схему
называют сваркой прямым нагревом 14]. Можно встре-
тить также термин сварка оплавлением, отражающий гот
факт, что перед сваркой соединяемые поверхности должны быть
оплавлены 11, 4|.
Рис. 4.2. Схемы сварки нагретым инструментом косвенным нагревом нахле-
сточных соединений при одностороннем (а) и двустороннем (б) подводе тепло-
вой энергии:
/ - нагретый инструмент; 2- прокладка; 3 свариваемые детали: 4 холодный инстру-
мент. /\-Тд - распределение icMiicpaiyp по гол шине деталей
Во втором случае (рис.4.2) нагрев поверхностей, подлежащих
сварке, осуществляется за счет теплопроводности слоя термо-
пласта, расположенного между соединяемыми поверхностями и
поверхностями, с которыми контактирует нагретый инструмент.
Чтобы подчеркнуть непрямой характер подвода тепловой энер-
гии к соединяемым поверхностям, такую сварку называют
сваркой косвенным нагревом [5] или сваркой
проплавлением [1,2, 4, 10|.
4.1.1. Сварка прямым нагревом
Этот способ сварки нашел широкое распространение благо-
даря простоте технологического процесса, оборудования и осна-
стки. Сварка может производиться работниками, не обладаю-
щими высокой квалификацией. Ее используют для изготовления
пластмассовых трубопроводов различного назначения, емкостей
из формованных деталей, деталей машин, рамных конструкций
из профилей, для наращивания деталей и т.д. Наиболее просто
таким методом получают стыковые сварные соединения стерж-
ней, труб, плит, профилей из полиэтилена, полипропилена и
поливинилхлорида толщиной 2-20 мм (см. рис.4.1), а также уг-
ловые соединения при изготовлении соединительных деталей
пластмассовых трубопроводов (одно- и двухсскторных отходов,
равнопроходных и переходных тройников, крестовин и т.п.) из
пластмассовых труб диаметром 63-110 мм (рис.4.3). При изго-
68
товлении отводов концы труб скашивают под большим углом
(рис.4.3,я), а при изготовлении тройников в трубе вырезают со-
ответствующий угловой паз (рис.4.3,6) [1, 17-20|.
Рис 43. Сварка труб при угловом соединении (я) и при изготовлении отводов (6):
/ - свариваемые детали; 2 - готовые изделия
Прямой характер на!рева свариваемых поверхностей во всех
указанных выше случаях предопределяет прерывистость процес-
са, так как чтобы соединить разогретые поверхности, необходи-
мо сначала удалить из зоны сварки инструмент, а затем сдавить
свариваемые детали (см.рис.4.1). Соответственно, в таком про-
цессе можно выделить три этапа: разогрев, или оплавление по-
верхностей, подлежащих сварке (стыкуемых кромок); техноло-
гическая пауза, необходимая для удаления или перемещения из
зоны сварки нагретого инструмента; осадка свариваемых деталей
путем приложения давления и выдержки под давлением до дос-
тижения необходимой температуры охлаждения 119-21].
Основные технологические параметры при сварке деталей
прямым нагревом - температура нагревателя Гн; продолжитель-
ность нагрева гн; усилие прижатия сварочного инструмента к
свариваемым деталям (давление оплавления) Роп; давление осад-
ки и продолжительность выдержки под давлением после
сварки /OXJI. Иногда указывают скорость оплавления Иоп и ско-
рость осадки Иос, а также величину осадки Дос. При сварке оп-
лавлением пленок основными технологическими параметрами
являются температура сварочного инструмента (горячего клина)
Г„, скорость его перемещения, равная скорости и усилие
прижатия роликом нахлестки Рр. От правильного выбора техно-
логических параметров в значительной степени зависит кинети-
ка тепловых и реологических процессов, структурных превраще-
ний в шве и околошовной зоне, возникновения и развития по-
лей собственных напряжений и их релаксации [19, 21].
Кинетика процесса оплавления. При контактной сварке оплав-
лением деталей из термопластов (труб, листов, профильных из-
делий, блоков) встык нагревательный инструмент вводят в непо-
средственный контакт с кромками заготовок, подлежащих свар-
ке. В процессе нагрева происходит оплавление (укорочение) де-
69
Рис. 4.4. Кинетика оплавления при
контактном нагреве в зависимости
от температуры нагревателя
5 - величина угонения материала при
оплавлении; 1\ и 7э - темпера гуры нагре-
вателя. гн - продолжительность наг-рева;
ГО|] - скорость оплавления; /llh ги? - инку-
бационное время; /у|, гу2 - время нас гул-
яния квазистационарного (уста-
новившегося) процесса оплавления;
Л() - глубина проплавления
тали на некоторую величину 5 в
связи с тем, что часть расплавлен-
ного материала под давлением ин-
струмента вытекает из зоны кон-
такта. Кинетика оплавления, т.е.
изменение величины 5 во време-
ни, представлена на рис. 4.4. Уко-
рочение оплавляемой детали про-
исходит не сразу. В первый мо-
мент вследствие объемного рас-
ширения при нагреве деталь удли-
няется и только спустя некоторое
время /и, названное инкубацион-
ным, начинает укорачиваться вслед-
ствие оплавления. Кривая укороче-
ния в зависимости от времени на
определенном этапе имеет парабо-
лический характер, но спустя неко-
торое время переходит в прямую.
Если продифференцировать изме-
нение 5 по времени, получим кри-
вую изменения скорости оплавления
во времени |4, 10, 16, 19|. Ско-
рость оплавления возрастает до
определенного момента /у, после
которого она практически не рас-
тет - процесс оплавления переходит в квазистационарный (уста-
новившийся) и характеризуется тем, что наступает равновесие между
скоростью оплавления и скоростью проплавления (Ипр « ^п). Эф-
фективность нагрева при квазистационарном процессе мини-
мальна, так как глубина проплавления при нем практически пе-
рестает расти. Время наступления квазистационарного процесса
зависит от параметров режима сварки [1|; например, чем больше
температура нагревателя, тем раньше он наступает (см. рис. 4.4).
Увеличение давления оплавления Рол ведет к уменьшению
инкубационного времени и сокращению времени перехода про-
цесса оплавления в квазистационарный. Это происходит вслед-
ствие того, что в первый момент за счет большого давления
происходит смятие неровностей поверхности и сразу же обеспе-
чивается плотный контакт между нагревателем и нагреваемыми
деталями, но далее, при переходе пластмассы в вязкотекучее со-
стояние, при большем давлении раньше начинается процесс вы-
текания расплава из зоны контакта в грат. Следовательно, чтобы
уменьшить количество первичного грата, т.е. объем вытекаю-
щего в грат расплава, в процессе нафева по мере оплавления
70
необходимо уменьшать давление, т.е. в идеале эго давление должно
обеспечивать лишь контакт инструмент с расплавом, необходимый
для теплопередачи за счет теплопроводности |1, 4, 16, 19].
Характерно, что основные параметры режима сварки связаны с
вязкостью расплава ц и величи-
ной осадки А, которые в свою
очередь зависят от температуры
нагревателя и продолжительно-
сти нагрева.
В настоящее время при свар-
ке прямым нагревом (оплав-
лением) наблюдаются две тен-
денции: первая - сварку вы-
полняют в режимах, исклю-
чающих деструкцию полимера
при оплавлении, т. е. свароч-
ный инструмент имеет темпе-
ратуру, незначительно превы-
шающую температуру текуче-
сти свариваемых материалов;
вторая - инструмент нагрева-
ется на 100-150 К выше тем-
пературы текучести, но при
этом продолжительность оп-
лавления резко сокращается.
Типичная термомеханическая
циклограмма контактной теп-
Рис. 4.5. Термомсханическая цикло-
грамма контактной тепловой снарки
прямым нагревом
/ min оплавление; И этап - осадка оп-
лавленного материала; 7’н - температура нагре-
вателя; Роп)1 Ро„2 - начальное и вторичное
давление оплавления; - давление осадки;
“ продолжительность приложения
начального и вторичного давления. ;п - пауза;
W /иыя» _ продолжительность осадки, вы-
держки, сварки; Г^П|. Коп2 - скорость оплавле-
ния при начальном и вторичном давлении;
Кк - скорость осадки, SOI11. Sl]Il2 - укорочение
при начальном и вторичном давлении,
Л'ое - укорочение при осадке
ловой сварки прямым нагревом (оплавлением) встык представле-
на на рис. 4.5 11, 21].
Разновидности сварки прямым нагревом Сварка прямым на-
гревом может быть использована и при изготовлении труб из
листовых заготовок. В этом случае технологический процесс
включает в себя: нагрев листовой заготовки в термошкафу; фор-
мование на цилиндрической оправке трубы из нагретого листа и
охлаждение полученной заготовки; оплавление продольных
кромок по всей длине трубы прямым нагревом с введением в
зазор между кромками нагретого инструмента; удаление инстру-
мента и боковое сжатие заготовки трубы по оправке, на которую
она посажена, до плотного смыкания размягченных кромок с
образованием сварного шва |2, 19].
Сваркой прямым нагревом из листовых заготовок могут быть
изготовлены не только трубы, но и изделия типа уголков или замк-
нутых профилей. Для этого один или несколько нагретых инстру-
ментов, имеющих клиновидную форму с углом 75°, внедряют в
листовую заготовку на глубину около 2/3 - 3/4 толщины листа.
71
После удаления нагретого инструмента листы изгибают по месту
выдавленной впадины с образованием в зоне перегиба сварного
шва. Такая схема получила название сварки с формова-
нием изделия [5] или сварки с перегибом |16].
Разновидностью сварки прямым нагревом является сварка
нагретым элементом, остающимся в сварном
шве (рис. 4.6). Нагрев такого закладного элемента можно про-
води гь, пропуская по нему электрический ток (сварка элек-
тросопротивлением) или помещая его в электромагни г-
ное поле соленоидного или петлевого индуктора (индук-
ционная сварка).
Рис. 4.6. Схемы сварки нагретым элементом, остающимся в сварном шве:
а - стыковое соединение; б соединение с накладкой; / - нагревательная спираль, ос-
тающаяся в сварном шве; 2, - свариваемые детали; 4- накладка
В первом случае (при сварке электросопротивлением) в каче-
стве закладного элемента используется спираль из металла с вы-
соким электрическим сопротивлением, например из нихрома.
Спираль может укладываться в пазы в виде канавок спиралеоб-
разной формы, выполненных предварительно на свариваемых
поверхностях, или вводиться в детали в процессе их формова-
ния. Последний способ широко используется при сварке груб с
соединительными деталями, когда спираль предварительно уста-
навливают в раструбы муфт, угольников или тройников при из-
готовлении их литьем под давлением. По спирали пропускают
электрический гок. За счет этого спираль нагревается, что вызы-
вает оплавление прилегающих к ней слоев термопласта. При
этом благодаря высокой вязкости расплава и низкой теплопро-
водности термопласта необходимое давление может быть созда-
но за счет прессовой посадки. После того как сварка заканчива-
ется. провода, подводящие электрический ток. обрезают.
Во втором случае (при индукционной сварке) в качестве за-
кладных нагревателей могут использоваться вкладыши из стали,
никеля, кобальта, а также тонкоизмельченный оксид железа с
размером частиц до 20 мкм. Могут использоваться и проволока
диаметром 0,25-0,75 мм, лента, сетка, а также перфорированная
фольга [ 16. 19. 211.
Сварку нагретым элементом, остающимся в сварном шве, це-
лесообразно использовать при соединении в труднодоступных
местах, при прокладке трубопроводов в стесненных условиях,
трубопроводов с большим числом соединений на вертикальных
участках, на эстакадах и т.д.
72
Рис. 4.7. Схемы сварки нагреш.м клином с ручным перемещением инструмента
(«) и с механизированной подачей свариваемых пленок (#):
/ - нагретый клин; 2, 3 - свариваемые пленки. 4 - сварной шов: 5 прижимном ролик,
б, 7 - подающие ролики
Сварка нахлесточных соединений из листовых эластичных
юрмопластов и пленок прямым нагревом (рис. 4.7) может вы-
полняться непрерывно. На рис. 4.7,« показана схема непрерыв-
ной сварки пленок, уложенных внахлестку, между которыми
вручную перемешается наконечник нагретого инструмента 7,
выполненного в виде клина. Контакт клипа с внутренними по-
верхностями пленок 2 и 3 приводит к их разогреву до темпера-
туры сварки. Сварной шов 4 образуется за счет прижатия разо-
гретых поверхностей друг к другу роликом 5, перекатывающим-
ся вслед за инструментом. Такая схема сварки получила назва-
ние сварки нагретым клином. Ручная сварка нагретым
клином применяется для соединения пленок толщиной не менее
500 мкм. При меньшей толщине пленок трудно, разогрев соеди-
няемые поверхности, не продавить верхнюю пленку прижимным
роликом. Для сварки пленок толщиной до 150 мкм следует при-
менять механизированную сварку, при которой осуществляют
механизированное перемещение инструмента или свариваемою
материала. Большое распространение получила схема сварки
неподвижным нагретым клином с механизированной подачей
свариваемого материала роликами (рис. 4.7,6). Однако при тол-
щине пленок менее 150 мкм хорошее соединение таким способом
получить не удается, так как при скольжении по нагревателю
пленки размягчаются по всей толщине, теряют форму или прили-
пают к инструменту и врашаюшимся прижимным роликам.
4Л.2. Сварка косвенным нагревом
Контактную сварку косвенным нагревом, как правило, при-
меняют для изготовления пленочных оболочковых конструкций
из армированных и неармированных пленок толщиной не более
2,5 мм. Пленки толщиной 0,5-2,5 мм сваривают на прессах ша-
говым способом. Пленки толщиной менее 1 мм можно свари-
вать непрерывно (нагретым роликом, ленточными машинами)
либо шаговым способом вручную (нагретым полозом). Пленки
толщиной менее 500 мкм могут быть сварены термоимпульсным
способом [1].
73
Кинетика процесса проплавления Основными технологиче-
скими параметрами режима контактной сварки косвенным на-
гревом являются температура нагревателя 7jn давление при на-
греве Ри и рабочее давление Рр, продолжительность нагрева
время выдержки под давлением после сварки /охл [1,4, 16|,
При сварке на прессах пленка в месте нахлестки может про-
греваться с одной стороны или одновременно с двух сторон. Но
в любом случае течение материала в зоне контакта пленок будет
происходить лишь тогда, когда температура в зоне раздела дос-
тигнет значений, превышающих температуру текучести. Такое
состояние наступает не сразу, а постепенно - по мере передачи
тепла за счет теплопроводности с поверхностей, контактирую-
щих с нагревателями. При контактной сварке косвенным нагре-
вом собранную на столе пресса пленку сжимают в месте нахле-
стки под рабочим давлением, одновременно включают нагрева-
тель (рис. 4.8,п). По мерс нагрева и размягчения пленки с по-
верхности начинается ее течение. Этот эффект тем сильнее, чем
толще пленка. При сварке толстых пленок, особенно армиро-
ванных, целесообразно вначале создавать давление Ри, которое
обеспечивало бы плотный контакт пленок и их прогрев, и толь-
ко спустя некоторое время /н (рис. 4.8Д) сдавливать нахлестку
под рабочим давлением Pv для создания условий течения рас-
плава в месте контакта свариваемых пленок. Охлаждение свар-
ного соединения должно происходить обязательно под давлени-
ем до температур Тохл перехода в стеклообразное состояние (для
аморфных полимеров) или в кристаллическое (для кристалли-
зующихся полимеров).
Рис. 4.8. Термомеханические никлы сварки термопластов косвенным нагревом
(проплавлен нем):
а - наиболее распространенный способ прессовой сварки пленок; б - никл с предваритель-
ным нш ревом пол давлением и осадкой; в - цикл с начальной высокой температурой;
г - цикл при импульсном сварке; Ри начальное давление: Р$ - рабочее давление сварки;
Гл - температура 1скучести; Т<П1 предельная темпера! ура охлаждения под давлением:
/’„<> - начальная температура ншреватсля, /н, /си. Гц. /пхл - продолжительность ширена. вы-
держки, импульса, охлаждения соответственно
Для сокращения цикла нагрев инструмента после сборки на-
чинается с температуры 50-60 °C (рис. 4.8,в). При сварке тонких
пленок (менее 500 мкм) нагреватель (обычно тонкая стальная
лента или проволка) нагревается мгновенно в результате про-
пускания импульса тока. Пленки в этот момент сжаты под рабо-
74
Рис. 4.9. Изменение скорости деформации
пленки И при сварке косвенным на» ревом
по термическому циклу, приведенному на
кривой Г, при различных давлениях:
/ - 0,2 МПа: 2-0.4 МПа: 3- 0,6 МПа
процесс сварки следует на первом
вмешиваясь в реологический про-
чим давлением (рис. 4.8,г). Охлаждение при такой термоим-
пульсной сварке происходит в основном за счет отвода тепла в
массу сварочного инструмента.
Кинетика сварки пленок на прессах, выполняемой по схеме
гермомеханического никла (см. рис.4.8,rz), характеризуется ин-
тенсивностью реологического процесса на трех этанах (рис. 4.9):
1) быстрое нарастание температуры и соответственно быстрый
рост скорости деформации; 2) достижение предельной темпера-
туры, соответствующей температуре сварки, снижение интен-
сивности деформации в зоне
сварки до нуля к концу пе-
риода выдержки; 3) охлажде-
ние, деформационные про-
цессы в шве (при условии,
чго рабочее давление не
снято) практически не про-
текают. Следовательно, ак-
тивные реологические про-
цессы в зоне сварки проис-
ходят лишь в начальный
момент. А так как они опре-
деляют качество и полноту
образования сварного со-
единения, то и регулировать
этапе, тем или иным путем
цесс, например сдвигая свариваемые пленки относительно друг
друга. Такое механическое вмешательство возможно при сварке
армированных пленок |1, 4, 5, 16|.
Разновидности сварки косвенным нагревом. Сварка косвенным
нагревом подразделяется на прессовую и термоимпульсную.
Прессовая сварка осуществляется постоянно нагретым
инструментом с большой теплоемкостью, причем нагрев соеди-
няемых деталей и их сжатие осуществляются одновременно.
Сварка может проводиться с односторонним (см. рис. 4.2,я) или
двусторонним (см. рис. 4.2,6) подводом тепловой энергии. Чтобы
предотвратить прилипание пластмассы к нагретому инструменту,
между ними помешают разделительные прокладки из фторопласта-4,
полиамида, целлофана, полиэтилентерефталата толщиной до 0,1 мм.
Как уже отмечалось, нагрев свариваемых поверхностей при
прессовой сварке происходит за счет теплопроводности слоев,
расположенных между поверхностью контакта нагретого инстру-
мента с термопластом и поверхностью контакта свариваемых де-
талей друг с другом. Поэтому нагрев до необходимой температуры
происходит не мгновенно, а за какое-то определенное время, за-
висящее от температуры нагрева инструмента, теплофизических
свойств материала свариваемых деталей и их толщины. По этой
75
же причине температура распределяется неравномерно по толщи-
не деталей (см. рис. 4.2), причем наиболее высокая температура
устанавливается на поверхности контакта инструмент-деталь. Эта
температура должна быть выше температуры текучести.
Увеличение скорости разогрева может быть достигнуто при-
менением двустороннего подвода тепловой энергии и повыше-
нием температуры нагретого инструмента. Последнее не всегда
возможно, так как возрастают вероятность разложения термо-
пласта в зоне контакта его с инструментом, а также деформация
за счет вдавливания инструмента в размягченный материал.
Чтобы уменьшить эту деформацию, применяют схему сварки с
приложением давления нс только к зоне сварки, но и к около-
шовной зоне. Для этого используют инструмент с дополнитель-
ными боковыми неохлажденными или охлажденными губками.
Для получения непрерывных швов сварка косвенным нагре-
вом может осуществляться по схеме роликовой или ленточной
сварки (рис. 4.10), а также их комбинации.
Рис 4 10. Схемы непрерывной сварки нагретым инструментом косвенным на-
гревом:
а - роликовая сварка, о - леи точная двусторонняя сварка: 1 свариваемый материал;
2 - нагретый ролик: 3 - прижимной ролик; 4 - стальная лента; 5 - нагревательные губки;
6- охлаждающие |убки; 7 сварной шов
При роликовой сварке (рис. 4.10,а) перемещение сва-
риваемых материалов осуществляется между роликами, один из
которых является приводным. Ролик или ролики могут выпол-
нять и функции нагретых инструментов.
При ленточной сварке (рис. 4.10,(5) свариваемые мате-
риалы захватываются движущимися бесконечными металлическими
лентами и перемещаются ими через зону нагрева и охлаждения.
В зоне нагрева устанавливают два или несколько нагревателей.
Обычно один из нагревателей закреплен неподвижно, а другой
подпружинен, чго позволяет устанавливать необходимый зазор ме-
жду ними. После выхода из зоны нафсва сварочные ленты с зажа-
тыми свариваемыми материалами попадают в зону охлаждения. I
При комбинированном способе для перемещения материала
используют непрерывно движущуюся ленту и прижимной ролик.
Движение ленты осуществляется по принципу ременной персда-
76
Рис. 4 !1. Схема термоимпульс-
ной сварки:
/ - подвижная прижимная 1убка.
z - теплой золя пион пая прокладка.
3 - раздели гея ьн а я пленка (анти*
ад|езионная). 4 - на i ре нательная
лента (термоэлемент); 5 - сваривае-
мые пленки. 6 - пластичная тепло-
изоляция. 7 неподвижная прижим-
ная 1убка
чи, причем один из шкивов этой передачи, расположенный
в зоне сварки, нагревается. Теплота от нагретого прижимного
ролика передается ленте, а от нее - свариваемому изделию.
Термоимпульсная сварка осуществляется с помощью
малоинерционных нагревательных элементов, по которым пропус-
кают кратковременные, но мощные импульсы тока (рис. 4.11).
В качестве нагревательных элементов
используется металлическая лента
или проволока. Соединение осущест-
вляется по схеме прессовой сварки с
одно- или двусторонним подводом
энергии. В паузах между импульсами
электрического тока сварной шов
охлаждается под давлением.
Термоимпульсная сварка приме-
няется в основном для соединения
пленок из полиолефинов толщиной
20-250 мкм. При большей толщине
свариваемых материалов нс удается
*а короткий промежуток времени ра-
зогреть соединяемые поверхности до
температур сварки без значительного
перегрева внешних поверхностей,
контактирующих с нагревательными
элементами. По этой же причине
термоимпульсная сварка применяется
в основном для соединения между
переходом в вязкотекучее состояние и деструкцией.
В зависимости от толщины свариваемых материалов дли-
тельность импульсов составляет 0,1-1 с, частота импульсов -1 с-1
при удельной мощности 0,03 Вт/м2.
Термоимпульсную сварку можно совмещать с резкой или отде-
лением припуска материала путем проплавления пакета пленок
по всей толщине проволочным нагревателем. При этом одновре-
менно получают два изделия с рантовыми (торцевыми) швами.
Как указывалось выше, процесс сварки прямым нагревом состо-
ит из трех этапов - оплавления, паузы и осадки. Каждый из этих
этапов характеризуется своими технологическими параметрами.
Этап оплавления необходим для равномерного прогрева тор-
цов свариваемых стержней на определенную глубину. Для обес-
печения эффективности такого прогрева необходимо в первую
очередь достаточно быстро обеспечить плотный контакт свари-
ваемых торцов стержней с нагретым инструментом. Это достига-
ется за счет оплавления микронеровностей на поверхностях сва-
риваемых торцов и удаления образующегося при этом расплава
иод действием давления. Чем быстрее пройдут эти процессы,
77
т.е. чем выше будут температура инструмента и давление и чем
ниже вязкость расплава, тем быстрее установится плотный фи-
зический контакт поверхностей свариваемых торцов с инстру-
ментом. Во время установления такого контакта основная часть
тепловой энергии затрачивается на оплавление микронеровно-
стей, а слои, удаленные от торцов, практически не разогревают-
ся. Поэтому это время называют инкубационным .пе-
риодом оплавления. Для обеспечения высокой произво-
дительности за счет сокращения инкубационного периода необ-
ходимо проводить эту (первую) стадию этапа оплавления при
максимальном давлении 0,05-0,08 МПа.
После установления физического контакта свариваемых тор-
цов с нагретым инструментом начинается вторая стадия этапа
оплавления - продвижение теплового потока в глубь сваривае-
мых деталей. Чтобы быстро достичь температуры плавления в
сечениях, удаленных от торцов стержней, необходимо, чтобы
температура инструмента была на 50-100 К выше температуры
плавления термопласта, но не выше температуры интенсивной
деструкции. Скорость продвижения теплового фронта с темпе-
ратурой, равной температуре плавления (изотермы плавления),
называется скоростью оплавления, а глубина продвиже-
ния изотермы плавления - глубиной оплавления. Ско-
рость и глубина оплавления зависят в основном от теплофизиче-
ских свойств термопласта (теплоемкости, коэффициента тепло-
проводности, плотности), температур инструмента и окружаю-
щего воздуха и геометрических размеров свариваемых деталей.
Если бы инструмент и свариваемые торцы стержней на этой
стадии были неподвижны относительно друг друга, то глубина
оплавления возросла бы с увеличением продолжительности на-
грева и плотности контакта торцов с инструментом. Однако од-
новременно с процессом оплавления интенсивно развивается
процесс собственно оплавления, заключающийся в вытеснении
расплава за счет действия на него давления за зону контакта то-
рец-инструмент, с образованием здесь так называемого пер-
вичного грата. Количественно оплавление может быть из-
мерено перемещением торца. Очевидно, что величина и ско-
рость такого перемещения (скорость оплавления) будут зависеть
от всех факторов, от которых зависит течение расплава. Они тем
больше, чем выше температура инструмента и давление, чем
ниже вязкость расплава и меньше толщина стенки свариваемых
деталей. Вытеснение расплава в грат на этой стадии этапа оп-
лавления нежелательно, так как его может не хватить для завер-
шения сварки на этапе осадки.
Таким образом, движение зоны оплавления в глубь сваривае-
мых деталей можно представить себе как сумму движений теп-
лового потока и механического перемещения торцов.
78
Кроме этих факторов следует учитывать еще одну особен-
ность сварки прямым нагревом, связанную с тем, что глубина
оплавления у краев торцов больше, чем в середине. Это обу-
словлено тем, что к краям торцов поступает не только энергия
от линейного теплового потока непосредственно от нагретого
инструмента (60%), но и энергия теплового излучения от участ-
ков инструмента, выступающих за пределы торцов (20%),
от расплава, поступающего сюда и перегретого в процессе тече-
ния (12%), отраженного потока от границы стенка-воздух (8%).
Неравномерность распределения температур и связанная с ней
кривизна зоны проплавления приводят к неравномерности рас-
пределения механических свойств сварного соединения по тол-
щине стыкуемых торцов. Кривизну зоны оплавления можно
уменьшить путем охлаждения кромок вблизи нагреваемых торцов.
Еще одно обстоятельство, которое следует учитывать при вы-
боре технологических параметров режима этапа оплавления, -
образование кромок серповидной формы после отрыва нагре-
того инструмента от оплавленного торца. Серповилность обу-
словлена неравномерностью распределения тепловых деформа-
ций, а также адгезией расплава к инструменту. Она затрудняет
дальнейшую стыковку деталей на этапе осадки. Глубина серпо-
видносги увеличивается с увеличением длительности нагрева и
толщины стенки детали.
Из сказанного следует, что для получения необходимой глу-
бины оплавления с минимальным первичным гратом и значи-
тельной кривизной зоны оплавления и серповидности профиля
оплавленного торца вторую стадию этапа оплавления следует
проводить при плавном уменьшении давления до 0,005-0,01
МПа в течение времени, требуемого для полного оплавления
торцов стержней.
Пауза, необходимая для удаления инструмента, равна време-
ни перехода от этапа оплавления к этапу осадки. За это время
расплавленные торцы не должны сильно переохладиться. Кроме
того, при длительной паузе интенсивно развивается процесс
термоокислительной деструкции, начавшийся при контакте тор-
цов с инструментом без доступа воздуха. Этот процесс сопрово-
ждается выделением газов. В связи с этим продолжительность
паузы не должна превышать 1-3 с в зависимости от типа сва-
рочной установки, ее привода и геометрии изделия.
Осадка свариваемых изделий на заключительной стадии про-
цесса приводит к сближению макромолекул на расстояния, со-
измеримые с радиусом действия сил Ван-дер-Ваальса. Возник-
новению межмолекулярного взаимодействия могут препятство-
вать пузырьки воздуха, захваченные расплавом полимерного
79
материала, окисленный поверхностный слой, а также различные
загрязнения. На рис. 4.12 показано, как происходит захват и за-
Рис. 4.12. Схема захвата воздуха
при стыковке серповидных торцов
на этапе осадки:
/ - распзанлснныи материал; 2 - воз-
душны! 1 пузырь
цепление воздушного пузыря при
соединении серповидных торцов.
При этом увеличение давления
осадки приводит к увеличению
давления в воздушном пузыре,
что, в свою очередь, интенсифи-
цирует п родол жа юши й ся про не сс
термоокислительной деструкции.
Удаление воздушных прослоек,
продуктов гермоокислительной
деструкции и других загрязнений
возможно только при развитом течении расплава за зону сварки
с образованием вторичного грата. Для этого давление
должно быть снова значительно повышено и обеспечена необ-
ходимая скорость осадки. Так, при скорости осадки для поли-
этилена меньше 0,005 м/с происходит пластическое течение
приповерхностного слоя с последующим полным выталкивани-
ем его за зону сварки. Однако при больших скоростях осадки
упругие напряжения, возникающие в расплаве, могут достигать
больших значений. За счет этого при снятии усилия осадки соз-
дается поле собственных напряжений, соизмеримых с разру-
шающими напряжениями при растяжении, что может вызвать
разрушение соединения. Избежать этого можно только путем
выдержки в течение достаточного времени стыка под давлением,
пока не произойдет его естественное охлаждение и релаксация
напряжений. J
Процессу течения способствует также увеличение плошали
контакта в зоне стыка, для чего применяются соединения “на ус*’
и фшурные разделки кромок (зигзагообразные, шиповые и т.п.).
Однако течение вдоль стыка приводит к тому, что макромо-
лекулы после кристаллизации ориентируются также вдоль сты-
ка, т.е. перпендикулярно направлению приложения эксплуата-
ционной нагрузки. Такая ориентация наряду с неполным вытес-
нением газовых прослоек и загрязнений снижает прочность
сварных соединений. Этого недостатка в некоторой степени
.можно избежать, применяя вместо плоского профилированный
инструмент (рис. 4.13) с остроугольным профилем поверхности
с углом при вершине, равным 60°. При этом выступы зубцов на
одном торце инструмента соответствуют впадинам между зубца-
ми на другом горне. Это позволяет совместить оформленные на
торцах стыкуемых элементов рельефы друг с другом. Благодаря
увеличенной поверхности контакта в этом случае можно полу-
чить сварное соединение, равное по прочности основному мате-
80
риалу. Разновидностью профилированного инструмента является
нагревательный элемент с гофрированной поверхностью Такой
инструмент используется для сварки оконных рам и других изде-
лий из профилей. Следует отметить, что профилированный инст-
румент позволяет также уменьшить кривизну зоны оплавления.
Рас- 4.13. Схема сварки встык нагретым профилированным инструментом.
1 - соединяемые дспыи; 2 - инструмент: 3 - шов: Ри - давление при нагреве; Р„ - давление
при осадке
Ориентировочные значения параметров режима сварки пря-
мым нагревом некоторых термопластов, найденные с учетом вы-
сказанных выше соображений, приведены в табл. 4.1 [1, 4, 5, 10].
В последнее время для борьбы с прилипанием размягченного
материала к нагретому инструменту получает распространение
нагрев инструмента до высоких температур при малых временах
нагрева. Такая технология получила название высокотемпе-
ратурной сварки (1,2, 10, 16].
4.2. СВАРКА ПРЯМЫМ НАГРЕВОМ
ПРИ МОНТАЖЕ ТРУБОПРОВОДОВ
4.2.1. Сварка труб встык
Пластмассовые трубопроводы получили в последние годы
широкое применение как у нас в стране, так и за рубежом. Та-
кое широкое использование пластмассовых трубопроводов обу-
словлено тем, что они в 4-5 раз легче стальных, проявляют вы-
сокую стойкость к агрессивным средам и имеют меньшее гид-
равлическое сопротивление. Затраты труда на монтаж и эксплуа-
тацию трубопроводов из пластмасс в среднем в 2 раза меньше,
чем трубопроводов из углеродистых качественных сталей, и в 3-
4 раза, - чем трубопроводов из нержавеющих сталей.
Наибольшее применение имеют трубы из полиэтилена низ-
кой и высокой плотности, полипропилена и поливинилхлорида
диаметром до 315 мм. В ближайшем будущем намечено приме-
нение труб из полиэтилена высокой плотности диаметром до
630 мм. Основной тип соединения таких труб при строительстве
трубопроводов - сварка встык.
81
Таблица 41 Ориентировочные значения параметров режима сварки некоторых
термопластов нагретым инструментом (прямым нагревом)
Термотаст Температура инструмента, К Время на- грева, с Время вы- держки после сварки,с Давление (Усадки МПа
Полиэтилен высо- кой плотности* 493-523 25-30 30-40 0,1-0.2
Полиэтилен низ- кой плотности 473-493 20-25 30-40 0,1-0,15
Полипропилен 513-533 30-50 30 0,2
П ол и изобутиле н 523 30 30 0,15 0,2
П ол и эти л ентерс - фталат (лавсан) 593 20-25 30 0,15-0,2
Пол и ви н ил хлорид (винипласт) 513-523 40-50 30 0,4-0.5
Полиамид 6 673-713 15 30 0,8-1,0
Полистирол 433-453 25-30 30-60 2,0-2,5
*Светостабипизиронан техническим углеродом.
Высокое качество сварных соединений пластмассовых трубо-
проводов обеспечивается при проведении комплекса мероприя-
тий по контролю на различных стадиях производства. Этот ком-
плекс включает три этапа: предупредительный контроль (до на-
чала сварки), активный (в процессе сварки) и приемочный
(после завершения сварки) [5, 10, 16, 19].
Предупредительный контроль включает в себя контроль каче-
ства свариваемых материалов, выбор сварочного оборудования с
учетом показателей его эффективности, проверку квалификации
сварщиков и контроль технологической подготовки производства.
При поступлении на склад необходимо сортировать трубы
так, чтобы на сборку поступали трубы, близкие по геометриче-
ским параметрам. На их поверхности и по торцам не должно
быть трещин, пузырей, раковин и посторонних включений, ви-
димых простым глазом, следов холодных спаев и разложения
материала.
Условия хранения труб должны исключить попадание на них
прямых солнечных лучей, так как при этом возможно не только
снижение прочности материала труб, но и значительное ухуд-
шение их свариваемости.
Перед сваркой трубы подвергаются механическим и термоме-
ханическим испытаниям.
Гарантийный срок хранения труб - два года со дня изготов-
ления. По истечении указанного срока трубы перед использова-
нием должны подвергаться повторной проверке.
Большое значение имеет подготовка труб к сборке и сварке.
Внутреннюю и наружную поверхности концов свариваемых труб
на расстоянии не менее 30 мм от торца очищают от пыли, мас-
ла, технического углерода и других загрязнений, отрицательно
82
влияющих на свариваемость и вызывающих растрескивание
сварного шва в процессе эксплуатации. Соединяемые поверхно-
сти труб, зажатых в сварочной установке, после очистки под-
вергают торцовке. Стружку, образовавшуюся при торцовке, уда-
ляют чистой тряпкой или другим способом, исключающим за-
грязнение торцов заготовок. В некоторых случаях применяется
обезжиривание свариваемых концов расгворителем (ацетоном,
спиртом). Деформированные, порванные или имеющие забоины
концы труб обрезаются. Режущий инструмент перед обработкой
кромок должен быть обезжирен. Запрещается применять при
этом охлаждающие эмульсии и смазки.
Следующими важными операциями являются сборка и цен-
тровка труб перед сваркой. Эти операции должны осуществлять-
ся на специальном устройстве или на установке, на которой бу-
дет вестись сварка. Концы стыкуемых труб должны крепиться
в кольцевых зажимах (центраторах) сварочной установки таким
образом, чтобы вылет труб составлял 60-70 мм. После сборки
между обработанными торцами труб, приведенных в соприкос-
новение, не должно быть зазоров, превышающих 0,5 мм при диа-
метрах труб до 110 мм и 0,7 мм - при диаметрах более 110 мм.
Смещение соединяемых концов труб, подготовленных к сварке,
по наружному периметру не должно превышать 10% толщины
стенки труб.
Контроль в процессе сварки проводится с целью строгого со-
блюдения основных параметров режима и цикла сварки. Ориен-
тировочные значения основных параметров стыковой сварки труб
прямым нагревом приведены в табл. 4.2 [1, 2, 4, 5, 10, 16, 19|.
Основным параметром процесса является температура нагре-
ва сварочного инструмента, которую необходимо поддерживать
постоянной с точностью до ±10 К. Время нагрева - оплавления
торцов свариваемых труб сварочным инструментом - зависит от
температуры окружающей среды, толщины стенки труб, подго-
товки торцов труб под сварку. Сокращение продолжительности
нагрева при постоянной температуре инструмента приводит к
недостаточному размягчению материала и, как следствие, к
ухудшению качества сварного шва. Точное соблюдение времени
нагрева не всегда гарантирует стабильную глубину прогрева, она
может изменяться в зависимости от условий окружающей среды.
При нагреве сварочный инструмент должен касаться кромок
труб по всему периметру. При правильном ведении процесса по
всему периметру трубы должен образовываться равномерный
грат расплавленного материала в виде валика высотой не более
2-3 мм.
После оплавления концов труб необходимо быстро удалить
нагреватель и произвести осадку труб. Время между удалением
нагревателя и осадкой труб не должно превышать 1-2 с, иначе
83
происходит снижение прочности сварного шва в результате бы-
строго охлаждения свариваемых поверхностей. При увеличении
давления происходит чрезмерное выдавливание оплавленного
материала наружу и внутрь трубы, что ухудшает качество свар-
ного соединения. Продолжительность охлаждения под давлени-
ем определяется с учетом толщины стенки свариваемых труб,
температуры окружающего воздуха и типа пластмассы. Сварен-
ный стык необходимо выдерживать под давлением до полного
затвердевания материала, так как перемещение концов груб сра-
зу же после сварки может привести к созданию в стыке допол-
нительных внутренних напряжений.
Таблица 4.2, Ориентировочные значения параметров режима стыковой сварки
труб нагретым инструментом
Параметры Материал труб*
ПЭНП ПЭВП ПН ПВХ
Температура сварки (инстру- мента), К 493+10 473±10 473+10 482±5
Давление сжатия при ншревс торнов труб, МПа Время нагрева (с) при толщи- не стенки трубы (мм)**; 0,02-0,05 0,02-0.05 0,04-0,08 0.05-0,08
4 35 50 60 35
6 50 70 80 45
8 70 90 90 50
10 85 НО 100 60
12 100 130 150 70
14 120 160 180 —
16 160 180 230 —
Давление осадки, МПа Время (мин) охлаждения сты- ка под давлением при толщи- не стенки трубы (мм): 0,1-0,2 0,2-0,3 0,2-0,3 0,2-0,3
4-6 3-4 3-5 3-5 2-3
7-12 5-8 6-9 6-10 У 5
14-16 10-15 10-15 12-16 —
* ПЭНП и ПЭВП - полиэтилен низкой и высокой плотности соответственно. ПП - поли- пропилен; ПВХ - поливинилхлорид. * * При температуре окружающего воздуха 293 К.
Оставшийся после сварки на сварочном инструменте рас-
плавленный материал необходимо удалить при помощи скреб-
ков, металлических щеток и ветоши. I
Правильность соблюдения технологического процесса сварки
может быть установлена но внешнему виду и форме сварного
соединения. Наиболее высокое качество сварного соединения
соответствует образованию двойного плавно скругленного вали-
ка грата равномерной по всему периметру шва толщины.
84
4.2.2. Сварка труб враструб
Стыковая сварка труб малого диаметра (16—50 мм) и с толщи-
ной стенки менее 4 мм становится неэффективной из-за боль-
ших деформаций сдвига, возможного смещения торцевых по-
верхностей друг относительно друга и значительного перекрытия
внутреннего сечения труб гратом. В этих случаях рекомендуется
применять сварку враструб.
Сварка враструб нагретым инструментом имеет две разновидно-
сти. В первом случае в качестве соединительных элементов стыкуе-
мых труб используют литые детали (муфты, угольники, тройники,
переходы и др.), изготавливаемые методом литья под давлением
(рис. 4.14), во втором - на самой трубе формуют раструб.
Для формования раструба и
последующей сварки исполь-
зуют фигурный инструмент,
состоящий из гильзы с внут-
ренним диаметром, равным
диаметру свариваемых труб, и
дорна (см, рис. 4.14), диаметр
которого на 0,5 мм больше но-
минального внутреннего диа-
метра трубы.
Технологические параметры
формования раструбов зависят
------?— - L—I
Рис. 4.14 Схема сварки враструб
(стадия нагрева):
/ - соединительный литой элемент; 2 - дорн,
3 ншреватель, 4- гильза; 5- 1руба
от толщины стенки труб и для полиэтилена низкой плотности
при температуре формования раструба 423 К ориентировочно
составляют:
Толщина стенки, мм................
Время, с:
прогрева.........................
охлаждения.....................
2 3 4
50-60 80-90 120-130
120 180 300
При сварке враструб используют инструмент, состоящий из
гильзы и дорна (см. рис.4.14). Гильза служит для оплавления
наружной поверхности конца трубы, а дорн предназначен для
оплавления внутренней поверхности раструба.
Технологический процесс сварки нагретым инструментом
враструб включает в себя следующие операции: очистку и обез-
жиривание труб; установку и центровку в зажимах сварочного
устройства; ввод нагревательного инструмента и стыковку со-
единяемых труб; охлаждение сварного соединения.
Для фиксации глубины вдвигания грубы в раструб использу-
ют ограничительные хомуты, которые устанавливают на рас-
стоянии / от торца трубы (/ - глубина раструба). Боковые плос-
кости ограничительных хомутов должны быть соответствующим
образом обработаны, чтобы обеспечивалось уплотнение и фор-
85
мование выдавленного наружу грата. Так как в большинстве
случаев сечение тонкостенных труб диаметром до 50 мм имеет
эллипсность, то для исправления этого дефекта необходимо
плотное закрепление ограничительного хомута на трубе.
Основными технологическими параметрами сварки враструб
являются: температура нагретого инструмента, скорость надви-
гания трубы на инструмент, время оплавления соединяемых де-
талей и давление на сварной шов.
Давление возникает за счет разности наружного диаметра оп-
лавленного конца трубы и внутреннего диаметра оплавленного
раструба, т.е. натяга. Натяг создается тем, что дорн имеет на-
ружный диаметр на 0,3-0,6 мм меньше внутреннего диаметра
гильзы. Это обеспечивает достижение толщины размягченного
слоя, равной 50-75% толщины стенки трубы.
Для труб из полиэтилена низкой плотности диаметром 16-50 мм
удовлетворительная сдвиговая прочность сварных соединений
при сварке враструб может быть достигнута в широком интерва-
ле температур нагретого инструмента (от 548 до 593 К). При по-
ниженных температурах (и, соответственно, длительном нагреве)
возможны перегрев и потеря устойчивости трубы при соедине-
нии ее с раструбом, что особенно характерно для тонкостенных
труб. При повышенных температурах существует опасность раз-
рушения сварных соединений по поперечным сечениям в зоне
торна трубы и раструба.
Скорость надвигания трубы на нагретый инструмент должна
быть максимально возможной. Медленное надвигание приводит
к прогреву трубы или раструба на всю толщину и потере устой-
чивости.
При оплавлении сначала вводят нагреватель дорном в рас-
труб, а затем через 10-15 с прямой конец трубы вводят в гильзу.
Время оплавления (выдержку на нагретом инструменте) вы-
бирают из условия равномерного проплавления всей площади
сварки на глубину 1-1,5 мм. При большей глубине оплавления
возможны потеря устойчивости концов трубы и раструба и их
деформация при вдвигании трубы в раструб (осадке). При пра-
вильном выборе времени оплавления у кромок торца раструба и
на трубе по всему периметру образуется грат высотой 1-2 мм.
Промежуток времени между оплавлением и осадкой, необходи-
мый для удаления инструмента, должен быть как можно короче.
На стадии осадки после полного вдвигания конца трубы в раструб
не допускается проворачивание труб относительно друг друш.
Раструбы могут применяться и для соединения пластмассо-
вых труб с металлическими. Для этого предварительно на внут-
ренней кромке пластмассовой трубы снимают фаску под углом
45°, после чего трубу нагревают до размягчения и формуют рас-
труб длиной не менее 1,2 наружного диаметра [1, 10, 16|.
86
Подготовка металлической трубы, на которую будет насажи-
ваться пластмассовая, заключается в механической обработке
поверхности и придании острым кромкам конца трубы овальной
формы. На обработанной поверхности через каждые 10-20 мм
наносят канавки глубиной 0,5-0,8 мм и шириной 1-2 мм, что
позволяет получить достаточно прочное механическое сцепле-
ние труб при заполнении канавок расплавом пластмассы. С це-
лью увеличения прочности соединения может применяться пред-
варительное напыление слоя пластмассы толщиной 0,3-0,5 мм на
конец металлической трубы, нагретый до 393-423 К. Далее, не
допуская охлаждения нагретого напыленного конца трубы, на
него надвигают пластмассовую трубу и выдерживают соединение
до полного естественного охлаждения |2|.
4.2.3. Оборудование для сварки труб
Большая номенклатура типоразмеров труб и необходимость
изготовления фасонных соединительных элементов (поворотов,
тройников и т.п.) обусловили создание широкой гаммы различ-
ных сварочных установок, устройств и оснастки для стыковой и
раструбной сварки. В настоящее время созданием трубосвароч-
ного оборудования занимаются такие организации, как ИЭС
им. Е.О. Патона, ВНИИМонтажспецстрой, ВНИИСТ. МГТУ
им. Н.Э. Баумана, НИИМосстрой и др., а также ряд зарубежных
фирм.
Основными конструктивными элементами установок являют-
ся: центрирующие устройства, электронагревательные элементы
и вспомогательные приспособления. Центрирующие устройства
имеют зажимные хомуты, элементы управления и контрольные
приборы. Разработаны устройства, которые могут перемещаться
вручную за счет разборки их на отдельные узлы. Перемещение
подвижных хомутов устройства осуществляется при помощи
гидравлического привода, а для облегчения центровки и пере-
мещения труб используются подъемные ролики [1|.
Сварку труб встык оплавлением выполняют либо дисковыми,
либо кольцевыми плоскими нагревателями, изготовленными пре-
имущественно литьем из алюминиевых сплавов. Для этого в кокиль
закладывают теплоэлектронагреватель (ТЭН), изогнутый по тре-
буемой форме для обеспечения равномерного по диску теплового
поля, и заливают расплавом. Чтобы уменьшить толщину нагрева-
тельного инструмента, для его электрических элементов можно ис-
пользовать нихромовую проволоку диаметром 0,8-1 мм. Электриче-
ские элементы сопротивления должны быть плоскими, поэтому
плетут косички из трех проволочек с шагом 5-8 мм [1, 4|.
На поверхностях нагревателей после оплавления труб из тер-
мопластов остается нагар - часть расплава, прилипшего вследст-
87
вне адгезии к инструменту. Поэтому после каждого цикла свар-
ки такой инструмент необходимо очишать от нагара. Чтобы из-
бежать этого, поверхность нагревательных инструментов покры-
вают антиадгезионной пленкой - лакотканью на основе фторо-
пласта-4Д. Все большее применение получают нагреватели, по-
крытые фторопластом, нанесенным путем напыления. Толщина
напыленного слоя составляет 0,5-0,8 мм. Применяются также не-
органические покрытия, обладающие высокой температуростой-
костью при удовлетворительных антиалгезионных свойствах [1].
Трубы небольшого диа-
метра сваривают ручным ин-
струментом клещевого типа.
Усилие осадки, как правило,
регламентируется тариро-
ванной пружиной. Устройст-
ва клещевого типа приме-
няют для сварки труб диа-
метром до 90 мм. Трубы диа-
метром свыше 90 мм пред-
почитают сваривать с помо-
щью переносных устройств,
имеющих несущую раму, на
которой закреплены непод-
вижный центратор (хомут) и
центратор (хомут), переме-
щающийся ручным рычаж-
ным механизмом (рис. 4.15).
Рис. 4.15 Переносное устройство для стыко-
вой сварки труб в монтажных условиях:
/ - рукоятки подвижного зижима; 2 - под-
вижной зажим, - торнснатель: 4 - неподвиж-
ный зажим: 5 - направляющие. 6 - станина:
7- пружинным механизм
При сварке труб диаметром более 160 мм сварочное устройства
снабжают механическим или гидравлическим приводом. Цен-
тровку собираемых труб можно выполнять либо относительно
нижней образующей трубы, либо относительно их осей. В по-
следнем случае при возможных различиях диаметров стыкуемых
труб смешение кромок распределяется равномерно по всему пе-
риметру. Для этого на центраторах устанавливают цанговые за-
жимы. Сварка труб диаметром свыше 200 мм требует от опера-
тора особого навыка и строгого соблюдения режима, так как
при большой свариваемой площади любые отклонения от режи-
ма приведут к получению некачественного соединения. Чтобы
исключить влияние субъективных факторов и обеспечить ста-
бильность режима сварки, создают трубосварочные установки с
программным управлением [1,4, 10].
Для сварки полиэтиленовых труб диаметром до 320 мм при
строительстве водопроводных и канализационных сетей непо-
средственно на месте прокладки НИИМосстроем и СКБМос-
строем разработана передвижная установка, которая представля-
88
ег собой комплект механизмов и устройств, смонтированных на
передвижной тележке и выполняющих все операции, входящие
в технологический процесс сварки. На рис. 4.16 и рис. 4.17
представлены установки для сварки труб диаметром от 160 до
630 мм при строительстве трубопроводов в городских условиях,
смонтированные на тележках.
Рис. 4.16. Установка для стыковой сварки пластмассовых труб диаметром 160 315 мм:
/ - тележка; 2 - узел непочвижного хомута; 3 - электронагрева t ел ьный элемент; 4 - ме-
ханизм обработки торцов труб, 5 - узел подвижного хомута
Большое число ручных, переносных и передвижных, полу-
стационарных и стационарных установок с рычажным и гидрав-
лическим приводом механизма создания давления и с электри-
ческим или газовым нагревом инструмента разработал ВНИИСТ
(1,4, 10, 16].
2
Рис. 4.17. Установка для стыковой сварки пластмассовых труб диаметром 335 630 мм:
/ - платформа; 2 - тент; 3 - насосная станция; 4 - роликовая опора
Хорошо зарекомендовали себя установки для сварки соеди-
нительных деталей и устройства для сварки замыкающих стыков
пластмассовых трубопроводов, разработанные Киевским филиа-
лом СКБ ВНИИМонтажспецстроя. Установки для сварки со-
89
единительных деталей укомплектованы устройствами для обра-
ботки торцов свариваемых труб, электрическими нагревателями
напряжением 36 В с автоматическим регулированием температу-
ры нагрева; привод установок - ручной; необходимое давление
обеспечивается специальным пружинным устройством.
Современные разработки ЙЭС им. Е.О. Патона - установки
ОБ-2373 для сварки полиэтиленовых труб диаметром 125-225 мм
и ОБ-2419 диаметром 250-400 мм. Установки выполняют следую-
щие основные операции: центровку и фиксацию свариваемых
заготовок; подготовку торцов свариваемых заготовок к сварке;
нагрев торцов и осадку стыка.
В подготовку торцов заготовок входит: очистка их от пыли,
грязи и посторонних веществ, обработка при помощи торцева-
теля. Подготовленные торцы труб из полиэтилена высокой
плотности нагревают до температуры 493 ± 10 К нагревателем,
установленным между ними на направляющие центратора со-
гласно принятому технологическому процессу. Необходимое
усилие прижатия заготовок к нагревателю обеспечивается цен-
тратором и контролируется указателями давления, расположен-
ными на направляющих. Температура нагревателя поддержива-
ется в заданном режиме автоматически
По истечении положенного времени нагревания торцы труб отво-
дят от нагревателя, затем нагреватель убирают, а торцы труб при-
жимают друг к другу. В дальнейшем трубы сжимают в центраторе,
повышая давление до 0,2 ± 0,05 МПа, и охлаждают под давлением
осадки в течение времени, указанного в ОСТ 16-19-505-79.
Рис 4.18. Общий вид установки ОБ-2373 для сварки полиэтиленовых труб диа-
метром 125 225 мм:
/ - uein ритор; 2- блок питания: J- ториеиагсль; 4 - нагреватель
Общий вид установки ОБ-2373 представлен на рис. 4.18. Цен-
тратор / состоит из неподвижного и подвижного зажимов, уста-
новленных на двух цилиндрических направляющих. Со стороны
подвижного хомута направляющие соединены между собой ва-
лом с помощью двух секторов. На валу с двух сторон крепятся
две втулки, в которые вставляется П-образный рычаг. Усилие от
90
рычага через тяги и датчик передается на подвижный зажим.
Горцеватедь 3 состоит из двух дисков, на которых крепятся че-
тыре ножа. Нагреватель 4 представляет собой корпус, в котором
находится нагревательный элемент из нихромовой проволоки,
изолированной от корпуса керамической смесью. В корпусе
нагревателя расположен датчик температуры, сигнал с которого
поступает в блок питания 2 для автоматического контроля и
стабилизации температуры нагрева. Установки комплектуются
также приспособлением для приваривания переходных деталей.
В ИЭС им. Е.О. Патона разработана также установка для
сварки враструб труб из полиэтилена низкой плотности диамет-
ром 16-50 мм, включающей операцию предварительного формо-
вания раструба на одном из концов трубы. В комплект установ-
ки входят блок питания, нагреватель с набором сменных гильз и
дорнов, набор торцующих приспособлений и ограничительный
хомут. Блок питания установки служит источником понижен-
ною переменного напряжения, подаваемого на нагреватель, и
обеспечивает автоматическое поддержание температуры на ра-
бочей поверхности нагревателя.
Основные технические характеристики блока питания:
Напряжение, В:
сети переменного тока........................... 220 ± 20
питания нагревателя .......... ..............42 ±4
Выходная мощность, кВА ......................... ]
Температура поверхности нагревателя. К............(473 ч- 673) ± 10
Большая работа в области создания сварочного оборудования
для труб проведена Центральным институтом сварочной техники
(ZIS, ФРГ).
Разработана и внедрена в опытное производство установка
ZIS-665 для сварки из отдельных сегментов трубных колен. Сег-
менты получают из труб диаметром 110-400 мм из непластифи-
цированного поливинилхлорида.
Установка ZIS-894 включает в себя профилированный нагре-
вательный элемент с остроугольными выступами на поверхности
с углом при вершине выступа 60°. Такие профили позволяют
получать качественное соединение в широком интервале пара-
метров сварки.
Для сварки труб диаметром 110-200 мм разработана установка
ZIS-919 с номинальной мощностью 1,5 кВт. Установка скомпо-
нована на колесном шасси и предназначена для использования в
стесненных монтажных условиях. Имеется возможность обра-
ботки торцов труб с помощью ручного шлифовального диска.
На создании оборудования для сварки труб из термопластов
специализируются такие зарубежные фирмы, как “Биломатик",
'Мессер Грисхайм", ‘'Хармсдорф’1 (ФРГ); АО “Объединенные
пластзаводы" (Финляндия); “Синьэцу Порима” (Япония) и др.
91
Рис. 4.19. Приспособление для свар-
ки труб наружным диаметром до
1500 мм (с полухомутами, зажимае-
мыми при помоши гидравлических
цилиндров) фирмы “Биломатик"
(ФРГ):
/ - затяжные хомуты: 2 - затяжкой
цилиндр; 3 - привариваемая труба,
4- роликовая опора; 5 нырэвлический
цилиндр; 6- уложенная ip\6a: 7- упор-
ная деталь
Для сварки труб диаметром 560 -
1200 мм фирма “Биломатик" раз-
работала переносное устройство,
состоящее по существу из одних
самоцентрирующихся хомутов. За-
жим труб в хомутах и их передви-
жение осуществляются с помощью
гидравлической системы. Для свар-
ки труб диаметром до 400 мм мож-
но использовать легкие перенос-
ные приспособления типа рычаж-
ных клещей. При сварке труб диа-
метром более 400 мм для создания
давления 1фименяются гидравличе-
ские цилиндры, питаемые от порта-
тивного гидропресса (рис. 4.19). Та-
кие устройства могут быть исполь-
зованы для сварки труб диаметром
до 1500 мм даже в узких траншеях.
Фирма “Мессер Грисхайм” применяет гонкие электронагре-
вательные кольца. Конструкция кольца (рис. 4.20) обеспечивает
равномерность распределения темпе-
ратуры (колебания не более ±10 К)
по всей поверхности нагревательного
элемента. Питание электронагрева-
тельного кольца осуществляется че-
рез трансформатор с регулирующим
устройством, которое обеспечивает
нагрев кольца до различных темпера-
тур, автоматически поддерживаемых
на заданном уровне и не зависящих от
атмосферных условий благодаря уста-
новке на кольце датчика температур.
Для сварки труб диаметром от 500-
1200 мм применяют установки, веду-
щие весь процесс сварки автоматиче-
ски непрерывно или (в случае необ-
ходимости) циклически по операци-
ям. Механизм торцовки труб выпол-
нен в виде двух дисков с электропри-
водом, в которых крепятся по два
сменных ножа, устанавливаемых в
соответствии с диаметром труб. Кон-
Рис. 4.20. Электронагрсватель-
ный инструмент для сварке
труб диаметром 630 м.м свароч-
ной установки фирмы ‘’Мессер
Грисхайм" (ФРГ). Цифрами ука*
завы температуры нагрева ин-
струмента в различных точках
тактное давление при оплавлении и осадке создается гидроприво-
дом. Параметры режима сварки и торцовки заранее задаются с
пульта управления и точно выдерживаются в процессе сварки.
92
4.3. СВАРКА КОСВЕННЫМ НАГРЕВОМ ПОЛИМЕРНЫХ
ПЛЕНОК
4.3.1. Сварка однослойных пленок
Сварка однослойных полимерных пленок косвенным одно- и
двусторонним нагревом в длительном или термоимпульсном ре-
жиме не представляет особых трудностей. Исключение состав-
ляют фторопластовые пленки, технологические особенности
сварки которых рассмотрены ниже.
Пленки толщиной до 150 мкм рекомендуется сваривать по схеме
с односторонним подводом тепловой энергии, а пленки толщиной
более 150 мкм - с двусторонним подводом тепловой энергии.
Большое влияние на сварку пленок оказывают текучесть рас-
плава полимера и ориентация пленки [1J. Для компенсации
ухудшения текучести при снижении показателя расплава необ-
ходимо снижать скорость сварки.
Определенные затруденения возникают и при увеличении моле-
кулярной массы полимера. Большей подвижности макромолекул в
этом случае можно достичь, повышая температуру сварки, которая
для коротких макромолекул будет ниже, чем для длинных.
Выбор температуры сварки зависит и от направления ориен-
тации пленки. При расположении сварного шва вдоль направ-
ления ориентации температура ниже, чем при поперечном рас-
положении шва, а разница температур сварки тем больше, чем
выше степень ориентации пленки. Однако следует избегать зна-
чительного перегрева, так как это приводит к разориентации
пленок и уменьшению прочности сварного соединения.
/W. 4.21. Виды сварных соединений пленок:
л - однослойные внахлестку; б - однослойные внахлестку с накладкой; в - однослойные
веник с накладкой; г - армированные внахлестку с накладками из основной и армирующей
пленок, д - армированные внахлестку с накладками из основной и двух слоев армирующей
пленки; е - Т-образное с рантовым швом
Основные соединения однослойных пленок - внахлестку, ра-
ботающие на сдвиг, и Т-образное, работающее на расслаивание
(рис. 4.21). В Т-образных соединениях неравномерность распре-
деления напряжений в различных точках сварного соединения и
93
околошовной зоне больше, чем в нахлесточных, поэтому их
прочность всегда ниже. Для нахлесточных соединений можно
добиться равнопрочности соединения и основного материала за
счет выбора соответствующей ширины нахлестки.
Ориентировочные режимы сварки различных пленок косвен-
ным нагревом приведены в табл. 4.3 [2].
Для сварки радиационно-облученных пленок в качестве при-
садочного материала используют промежуточный слой из ли-
нейного полиэтилена или низкомолекулярных веществ, способ-
ствующих образованию поперечных химических связей и пред-
ставляющих собой пероксидные соединения, которые наносят
непосредственно на свариваемые поверхности или обрабатывают
ими присадочную пленку. В качестве такого реагента использу-
ют пероксид дикумила. Сварку выполняют на прессах косвен-
ным нагревом (проплавлением) при давлениях 0,2-0,3 МПа.
Таблица 4.3. Ориентировочные значения параметров режима сварки полимерных
пленок косвенным односторонним нагревом*
Материал • Толщина пленки, мкм Температура инструмента. К Давление. МПа
пэнп 30-45 403-413 0,05-0.06
60-90 413-433 0.05-0,06
150-200 433-453 0,05-0,06
пэвп 60-150 473-493 0,06-0,08
пп 60-150 503-513 До 0,1
Сополимер этилена с пропиленом СЭП-10 60-150 473-493 0,06-0,08
Полиамид 60-150 458-473 0,06-0,08
* Время сварки для всех пленок, к^юме полиамидной, равно 2-3 с. дня полиамидной - 5-6 с
4.3.2. Сварка армированных пленок
В последние годы армированные пленки нашли широкое
применение для создания оригинальных строительных и обо-
лочковых конструкций. Это каркасно-тентовые сооружения, в
которых оболочка монтируется на легкоразборных каркасах, а
также воздухоопорные и пневмокаркасные оболочки, где опора
создается за счет избыточного давления воздуха. J
Армировка, как правило, является силовым элементом, т. е.
элементом, воспринимающим нагрузки и, следовательно, обла-
дающим в несколько раз большей прочностью, чем обычная
пленка, а также более высокой температурой плавления. Пере-
плетения армировки оказывают сопротивление течению распла-
ва, однако под воздействием этого течения перемешаются вме-
сте с потоком расплава к кромкам нахлестки, образуя там сбор-
94
Гофры
Рис. 4.22. Схема течения полимерной
матрицы в процессе сварки и образо-
вание гофр армировки в околошовной
зоне
ки-гофры (рис. 4.22). Наличие
гофр в околошовной зоне свар-
ных оболочковых конструкций
резко снижает их несушую спо-
собность, приводя к возникнове-
нию значительных деформаций, к
концентрации напряжений, пре-
вышающих предел прочности
армировки, и следовательно, к
разгерметизации и разрушению
сварного соединения.
Основная трудность при
сварке армированных пленок
связана с тем, что армирование препятствует протеканию про-
цессов взаимодействия макромолекул свариваемых поверхно-
стей. В связи с этим рекомендуется при сварке армированных
пленок выбирать значения сварочного давления и времени вы-
держки при температурах сварки большими, чем при сварке
обычных пленок. Причем чем меньше толщина термопластич-
ного слоя, покрывающего арматуру, тем выше должно быть дав-
ление. Кроме того, сварочное оборудование должно обеспечи-
вать протекание интенсивной деформации в зоне приложения
давления и ограничение ее в околошовной зоне, где иначе могут
образовываться складки армирующего слоя, по которым про-
изойдет разрушение в процессе эксплуатации конструкции. Для
предотвращения деформации околошовной зоны используют
нагревательный инструмент, снабженный боковыми губками
или ограничителями.
Сварка осуществляется путем как одностороннего, так и дву-
стороннего нагрева. Однако при одностороннем нагреве всегда
можно заметить следы перегрева материала, примыкающего к
инструменту, т.е. качество сварного соединения хуже, чем при
двустороннем нагреве.
Типы сварных соединений армированных пленок (см. рис. 4.21),
а также конструктивные элементы свариваемых деталей, их раз-
меры, размеры швов и их предельные отклонения должны соот-
ветствовать требованиям стандарта (ОСТ 10247-78 “Сварка кон-
тактная тепловая армированных пленок. Швы сварных соедине-
ний”). Для улучшения условий протекания процесса в зону кон-
такта можно закладывать присадочный материал из пленки того
же состава, что и пленка, покрывающая арматуру.
Для предотвращения налипания на инструмент расплавлен-
ного материала, как и при сварке обычных пленок, используют-
ся антиадгезионные прокладки из фторопласта-4, полиамидов,
целлофана, лавсана и т.д.
95
Оптимальную длину нахлестки в каждом конкретном случае
определяют экспериментально.
При сварке изделий, работающих на циклический изгиб
(транспортерная лента, приводные ремни и т.п.), нахлестку сле-
дует сваривать так, чтобы была заплавлена армирующая пленка,
выходящая на торцы кромок. Заплавление может быть проведе-
но за счет термопластичного покрытия арматуры, для чего про-
должительность прогрева шва следует увеличить на 60-120 с, а
давление - на 0,2-0.3 МПа. Если толщина покрытия мала, то
для заплавления используют полоски присадочного материала -
того же. что и материал покрытия.
4.3.3. Сварка фторлоновых пленок
Сварка нагретым инструментом является наиболее подходя-
щей для соединения фторлоновых пленок преимущественно
двусторонним нагревом [I, 4, 5, 10|.
Наибольшие трудности представляет сварка пленок из не-
плавких фторлонов Ф-4 и Ф-26. Хорошее соединение Ф-4 мо-
жет быть получено только при длительном времени сварки (до
2-3 мин) и постоянстве в течение всего процесса температуры
на соединяемых поверхностях (в пределах 653-663 К). При тем-
пературах ниже 653 К соединение не образуется лаже при очень
больших временах сварки, а при перегреве выше 663 К происхо-
ди г разрушение пленки.
При применении инерционных нагревателей указанные усло-
вия достигаются, если температура инструмента превышает тем-
пературу сварки на 20-25 К. При сварке малоинерционными
нагревателями (термоимпульсная сварка) необходимо макси-
мально быстро прогреть зону соединения до температуры свар-
ки, а затем снизить скорость теплоотвода, чтобы эта температура
поддерживалась постоянной в течение всего сварочного цикла.
Дня этого в сварочном устройстве должно быть предусмотрено
ступенчатое регулирование мощности. При отсутствии такого
регулирования следует обеспечить очень медленное нарастание
температуры в интервале 638-663 К.
Давление при сварке неплавких фторлонов должно быть не-
большим (0,05-0,2 МПа), а охлаждение под давлением достаточ-
но быстрым. Для повышения равномерности распределения дав-
ления и уменьшения вероятности непроваров рекомендуется
между свариваемыми пленками вводить прокладку из плавкого
фторлона Ф-4МБ толщиной 100-150 мкм. I
Необходимая прочность нахлесточных соединений как при
комнатной, так и при повышенных температурах достигается
выбором соответствующей длины нахлестки. Так, при длине на-
хлестки 25 мм и температуре эксплуатации до 523 К сварные
96
соединения пленок Ф-4 толщиной 100-300 мкм равнопрочны с
основным материалом.
Пленки из Ф-26 обладают меньшей температурой текучести и
являются растворимыми, поэтому свариваются лучше, чем плен-
ки из Ф-4. Свойство Ф-26 растворяться используется для повы-
шения прочности сварного соединения. Промазывание свари-
ваемых поверхностей перед сваркой ацетоном или лаком, со-
держащим равное количество ацетона, этилацетата и изоамил-
ацетата с добавкой 10% Ф-26, приводит к тому, что вместо рас-
слаивающихся удается получить нерасслаивающиеся соединения
с обрывом при испытаниях на сдвиг в околошовной зоне.
Свариваемость пленок из Ф-26 зависит и от материала под-
ножки, на которую они отливались. Так, свариваемость пленок,
отлитых на никелевую подложку, хуже, чем отлитых на медную
подложку.
Свариваемость плавких фторлонов Ф-4М, Ф-40, Ф-42, Ф-4Н,
Ф-2, Ф-2М, Ф-3, Ф-ЗМ и других зависит от показателя текуче-
сти расплава, способа получения пленок и термического воздей-
ствия, которому подвергается пленка при формовании из нее раз-
личных элементов пленочных конструкций при армировании,
дублировании и других операциях, предшествующих сварке.
Свариваемость пленок, полученных экструзией из расплава,
лучше, чем полученных поливом из раствора. При этом в пер-
вом случае температура сварки на 10 20 К ниже, а относитель-
ная прочность несколько выше, чем во втором. Однако свари-
ваемость пленок, полученных поливом из раствора, в отличие от
экструзионных, практически не зависит от термического воздей-
ствия, предшествующего сварке.
Наиболее значительно влияние термического воздействия на
пленку Ф-4МБ, которая перестает свариваться после пребыва-
ния в среде воздуха или аргона при температуре выше 513 К.
Другие пленки (Ф-10, Ф-100, Ф-2, Ф-2М) хотя и не теряют спо-
собности свариваться после термического воздействия, но для
их сварки требуются значительно более жесткие режимы. При
увеличении толщины пленок на каждые 100 мкм необходимо
повышать температуру сварки на 10-20 К. Для исключения при-
липания расплава к нагревателю следует применять прокладки
из Ф-4 или ПМ-1 [1, 4, 10, 16, 17].
4.3.4. Оборудование для сварки пленок
Для сварки пленок разработана широкая гамма ручных, полу-
автоматических и стационарных установок.
При сварке коротких швов, заварке дефектов и ремонте пле-
ночной упаковки широко используются клеши типа КС
Они позволяют за один цикл сваривать швы длиной 180-200 мм
97
и шириной 4-6 мм. Клещи снабжены разнообразными электро-
дами, что позволяет применять их для сварки Т-образных, на-
хлесточных и контурных (кольцевых, полукольцевых и др.)
швов. Нагреватели в электродах выполнены в виде тонкой ме-
таллической ленты с высоким омическим сопротивлением, на-
грев двусторонний. Давление создается при помощи тарирован-
ных пружин и регулируется в широких пределах. Благодаря пор-
тативному источнику питания клещи могут использоваться как в
цеховых, так и в полевых условиях. Они предназначены в ос-
новном для сварки полиолефиновых пленок, но после незначи-
тельной переналадки и увеличения мощности нагревателей мо-
гут применяться и для сварки других термопластичных пленок,
вплоть до трудносвариваемых фторопластовых.
По типу клещей выпущено несколько разновидностей сва-
рочных установок, разработанных Центральным институтом
сварочной техники (ZIS, ФРГ). Среди них - переносные клещи
ZIS—178/5 для термоимпульсной сварки пакетов из полиэтиле-
новой пленки. Клещи используются в химической, пищевой от-
раслях промышленности и в сельском хозяйстве. На корпусе
клещей, изготовленных из штампованных конструкций, распо-
ложены два нагревательных элемента, приводимых в работу вы-
ключателем в рукоятке клешей. Потребляемая мощность 1 кВт.
Длина сварного шва 250 мм, ширина 4 мм. Подвод теплоты -
двусторонний. 1
Для работы в автоматическом цикле разработаны клещи ZIS-519,
предназначенные для термоимпульсной сварки полиэтиленовой
пленки толщиной от 0,3 до 2 мм при длине сварного шва 650 мм
и ширине шва 4 мм. Аппарат универсален и находит примене-
ние в машиностроении, сельском хозяйстве, строительстве, при
упаковке различных продуктов.
В монтажных условиях в нашей стране получили распростра-
нение полуавтоматические установки для односторонней (ПСП-
11, ПСП-16, ПСП-16АТ) и двусторонней (ПСП-15, ПСП-15М)
сварки [1, 2, 4, 5, 10, 16, 19]. I
Полуавтомат ПСП-15, предназначенный для сварки полио-
лефинов толщиной до 500 мкм, снабжен портативным источни-
ком питания и инерционным нагревателем. В его модификации
ПСП-15М свариваемые пленки перемещаются между двумя на-
гревателями и двумя гребенчатыми охладителями. Перемещение
осуществляется двумя загнутыми транспортерными лентами,
выполненными из металла или стеклоткани, пропитанной фтор-
лоном Ф-4Д Ленты надеты на две пары роликов, приводимых
во вращение от двигателя ДР-1,5р через открытый редуктор.
Сварка производится Т-образными швами при строго установ-
ленном зазоре между нагревателями. Максимальная температура
98
на рабочей поверхности нагревателя 523 К, максимальная ско-
рость сварки 5 м/мин 117|_
Еще одна разновидность - полуавтомат ПСП-16АТ, выпол-
ненный в виде механизированной передвижной каретки, приво-
димой в движение от электродвигателя ДР-1,5р. Ленточный на-
греватель, по которому пропускают электрический ток, находит-
ся внутри карегки. Для передвижения каретки служит замкнутая
лента из стеклоткани с фторлоновой пропиткой, которая одно-
временно выполняет роль антиадгезионной прокладки. Скорость
сварки изменяется ступенчато (6, 8, 10 и 12 м/мин). Полуавто-
мат целесообразно использовать для нахлесточных соединений
крупногабаритных конструкций из полиэтиленовой пленки
толщиной до 150 .мкм.
Для сварки в стандартных условиях разработана серия уста-
новок типа ТСП и МСП.
1550
Рис. 4.23. Машина МСП-8 для стыковой сварки листов термопластов:
1 - базовый узел со шкафом управления. 2 - стол; 3 - прижимная балка; 4 - привод на-
гревателя
На рис. 4.23 представлена машина МСП-8, предназначенная
для сварки листов из термопластов встык или в иус" в стацио-
нарных или цеховых условиях.
Из последних модификаций установок типа МСП наиболее
совершенна установка МСП-17Н1М. Она предназначена для
сварки ответственных изделий сложной пространственной фор-
99
Рис. 4.24. Схема сварки трубчатой заготов-
ки на установке МСП 26:
/ - рулон с пленкой: 2- шпуля; 3, 6 - ролики;
< 8 - замкнутые ленты; 5 - опорная головка;
7 - сварочная головка: 9 - консоль
мы из фторпластовых пленок. Нагреватели изготовлены из ме-
таллической ленты с высоким омическим сопротивлением.
Сварка осуществляется короткими швами с шаговым перемеще-
нием пленки и перекрытием швов. Источник питания установки
выполнен в виде отдельного блока.
Для сварки трубчатых элементов из полиэтиленовой пленки
толщиной до 150 мкм спиральным швом предназначена уста-
новка МСП-26 (рис. 4.24) ]1, 5, 16, 17, 19].
Рулон / с пленкой, на-
мотанной на шпулю 2, раз-
мещен перед сваркой в ста-
нине установки на свободно
вращающихся подпружи-
ненных конусах. Конец
пленки проводится по на-
правляющим валкам через
консоль 9 так, чтобы про-
дольный край пленки А
оказался между опорной 5 и
сварочной 7 головками ус-
тановки. Опорная головка 5
жестко закреплена на ста-
нине установки, а сварочная головка 7 подвешена на консоли 9.
Далее пленка захватывается тянущими резиновыми роликами и
подается на поворотный стол. После поворота стола на один
оборот противоположная кромка пленки Б располагается также
в зазоре между головками; верхняя сварочная головка опускает-
ся на пленки, включается привод установки и производится
сварка кромок нахлесточным швом. В результате этого получа-
ется труба заданных размеров.
Сварочная головка 7 состоит из системы роликов 6, на кото-
рые натянута замкнутая лента 8 из армированного фторлена,
нагревателя с электроспиралями и гребенчатого воздушного ох-
ладителя. Опорная головка содержит два ролика 3 с замкнутой
лентой 4 из прорезиненной ткани. Привод обеих головок осуще-
ствляется синхронно с вращением тянущих пленку роликов. I
Поворотный стол вращается от самостоятельного привода. Со-
отношение скоростей сварки и вращения стола выбирается в за-
висимости от диаметра изготавливаемого трубчатого элемента.
При диаметре крышки стола 10 м на установке может быть сварен
трубчатый элемент диаметром 50 м и длиной 100 м при толщине
пленки 60 мкм. После продольного разрезания такого элемента
получается прямоугольное полотнище размером 150x100 м. I
Для изготовления крупногабаритных пленочных оболочек
разработана установка УСПП-3. Она позволяет сваривать поли-
100
мерные пленки встык с накладкой. Накладка предварительно
наматывается на бобину, которая укреплена на специальной на-
правляющей, расположенной на корпусе сварочной головки.
При сварке накладка сматывается с бобины, проходит через на-
правляющую, складывается пополам и, обхватывая свариваемые
пленки с двух сторон, приваривается к ним. После сварки обе
свариваемые половины разворачиваются, образуя единое полот-
нище. Таким образом удобно сваривать многослойные пленки
толщиной до 300 мкм, у которых свариваемый полимер нанесен
на одну сторону. При сварке однослойных пленок между ними
располагают прокладку из материала, не сваривающегося с мате-
риалом пленки, что предотвращает образование Т-образного шва
Как уже отмечалось, для сварки армированных пленок и пле-
нок сложной композиции требуются более высокое сварочное
давление и большая длительность выдержки при температурах
сварки, чем для соединения обычных пленок. Поэтому для со-
единения таких пленок используются мощные прессы, позво-
ляющие обеспечивать указанные условия сварки.
Для сварки в стационарных условиях применяются разрабо-
танные во ВНИИСТ прессы портального типа ПС-12 и ПС-400,
а в монтажных условиях - ОСП-5 и ССП-7, позволяющие полу-
чать за один сварочный цикл шов длиной от 370 мм до 25 м.
Эксплуатация этих прессов выявила присущие им недостатки:
большое время сварочного цикла, местные передавливания ма-
териала в околошовной зоне и т.д. Эти недостатки устранены в
сварочных прессах ПСТП-2, ПСТП-4, ПСТП-4М и ПСТП-0,5У,
разработанных Минским ЭКТБ кожгалантерейной и фурнитур-
ной промышленности.
Прессы ПСТП-2, ПСТП-4 и ПСТП-4М предназначены для
шовно-шаговой сварки с длиной шва за один цикл, равной 4000
мм, а пресс ПСТП-0,5У - для сварки угловых швов.
Наиболее совершенным является пресс ПСТП-4М порталь-
но-консольного типа, позволяющий осуществлять подачу круп-
ногабаритных полотнищ как напроход, так и шаговым способом
и допускающий обслуживание его как с передней, так и с тыль-
ной стороны.
Пресс ПСТП-4М (рис. 4.25) состоит из основания 9, стоек 1
и 7, верхней 6 и нижней 8 траверс, стола 5, прижимов 4, све-
тильников Л пульта управления 2, станции гидропривода 10 и
поддона II.
Светильники предназначены для освещения при точной ук-
ладке полотнищ внахлестку на нагревательный элемент. Све-
тильники расположены с двух сторон верхней траверсы.
Нижняя траверса выполнена в виде П-образной сварной бал-
ки, на которой монтируется быстросъемный рабочий стол для
101
укладки свариваемого материала, нижний нагреватель и аппара-
тура управления гидроприводом.
Рис. 4.25. Общий вид пресса ПСТП-4М:
/, 7- стойки; 2 - пульт управления; 3 - светильник; 4 - прижим; 5 - стол; 6 - верхняя
траверса; 8- нижняя траверса; 9- основание; Ю- гидропривод; //- поддон
Сварочный узел пресса включает в себя верхнюю и нижнюю
секции с ленточными нагревателями. Для охлаждения свароч-
ного шва в герметичных полостях верхнего нагревателя цирку-
лирует вода. Ленточные нагреватели выполнены из нержавею-
щей стали 08Х18Н10Т или Х25Н20Т с высоким омическим со-
противлением толщиной 0,3-0,8 мм и шириной 30-100 мм.
В прессах подобного типа используют малоинерционные нагре-
ватели на гидравлической подушке.
Глава
СВАРКА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕХАНИЧЕСКОЙ
ЭНЕРГИИ И ДАВЛЕНИЯ
5.1. СВАРКА ПЛАСТМАСС УЛЬТРАЗВУКОМ
Способ разработан в 1958 г. учеными МГТУ им. Н.Э. Баумана
под руководством академика I А. Николаева. Основными досто-
инствами ультразвуковой сварки (УЗС) пластмасс являются: воз-
можность выполнения соединений в труднодоступных местах;
возможность получения неразъемного соединения при сварке же-
стких пластмасс на большом удалении от точки ввода ультразву-
ковой энергии; возможность сварки по поверхностям, загрязнен-
ным различными продуктами; локальное выделение тепла в зоне
сварки, что исключает перегрев пластмассы (как это имеет место
при сварке нагретым инструментом, нагретыми газами и т.д.); бы-
строта нагрева материала до температуры вязкотекучего состояния
(время нагрева исчисляется секундами и долями секунды).
В настоящее время существуют различные схемы, по которым
может осуществляться ультразвуковая сварка полимерных материа-
лов. Это обусловлено разнообразием свойств и структуры сваривае-
мых материалов, конфигурации и размеров детали, требований,
предъявляемых к сварным швам и свариваемому изделию в целом.
Полная классификация схем ультразвуковой сварки пластмасс
должна производиться с учетом всех основных признаков.
К этим признакам относятся: I) подвод энергии механических
колебаний к свариваемому изделию; 2) передача механической
энергии к зоне сварки; 3) концентрация энергии в зоне сварки;
4) дозирование вводимой энергии; 5) взаимное перемещение
сварочного волновода-инструмента и свариваемых деталей для
получения швов необходимой конфигурации и протяженности.
Классификация схем ультразвуковой сварки с учетом этих при-
знаков [2] приведена на рис. 5.1.
5.1.1. Сущность и схемы процесса
5.1.1. L Схемы ультразвуковой сварки
Способ ультразвуковой сварки пластмасс заключается в сле-
дующем. Электрические колебания ультразвуковой частоты (18-
50 кГц), вырабатываемые генератором, преобразуются в механи-
ческие продольные колебания магнитострикционного преобра-
зователя 2, вводятся в свариваемый материал 5 с помощью про-
дольно-колеблющегося инструмента-волновода 4, расположен-
103
Рис. 5. /. Классификация схем ультразвуковой сварки пластмасс
а 6 6
Рис. 5.2. Ультразвуковая
сварка с нормальным вво-
дом колебаний:
п - схема установки; б ~ эпюра
амплитуды смещения колебатель-
ной системы; в - расположение
векторов статического давления
Рст и динамического усилия F; А
- амплитуда смещения волново-
да; / - корпус преобразователя;
2 ' преобразователь с обмоткой;
3 - трансформатор упругих ко-
лебаний; 4 - волновод; 5 - сва-
риваемые детали; 6 - опора
ного перпендикулярно свариваемым
поверхностям (рис. 5.2). Часть энергии
механических колебаний переходит в
тепловую, что приводит к нагреву зоны
контакта соединяемых деталей до тем-
пературы вязкотекучего состояния.
Надлежащие условия ввода механиче-
ских колебаний и создание тесного
контакта свариваемых деталей, распо-
ложенных на опоре 6, обеспечиваются
статическим давлением Рст рабочего
торца волновода на свариваемые дета-
ли. Это давление способствует также
концентрации энергии в зоне соедине-
ния. Динамическое усилие возникаю-
щее в результате воздействия колеблю-
щегося волновода, приводит к нагреву
свариваемого материала, а действие
статического давления РС1 обеспечивает
получение прочного сварного соедине-
ния. Механические колебания и дав-
ление в этом случае действуют вдоль
одной линии: перпендикулярно к сва-
риваемым поверхностям. Такая схема
ввода энергии применяется для ульт-
развуковой сварки пластмасс, в отличие от
сварки металлов, когда механические коле-
бания действуют в плоскости соединяемых
поверхностей, а давление прикладывается
перпендикулярно к ним. Подвод энергии от
волновода может быть односторонним и
двусторонним.
По основной схеме осуществляется также
подвод энергии к свариваемым деталям, изо-
браженным на рис. 5.3. Здесь силы Рст и F
воздействуют на дополнительный присадоч-
ный материал (пруток, уложенный в V-образ-
ный зазор между свариваемыми деталями).
Воздействие ультразвуковых колебаний на
пруток приводит к его пластикации, а под
действием статического давления пластициро-
ванный материал заполняет зазор, образуя
прочное соединение. Для получения протя-
женных швов перемещают сварочную головку
вдоль присадочного прутка. Аналогичный
Рис. 5.3. Схема свар-
ки с дополнительным
присадочным мате-
риалом:
/ - преобразователь с
вол поводом -и нет руме н -
том: 2 - присадочный
материал: 3 - сварива-
емое изделие; 4 - свар-
ной шов
105
эффект может быть получен при заполнении зазора между
кромками свариваемых деталей гранулами или стружкой из со-
ответствующего полимерного материала. Такая схема сварки по-
зволяет расширить номенклатуру изделий, которые могут быть
изготовлены с помощью ультразвуковой сварки; в частности,
можно получать стыковые, тавровые и угловые соединения раз-
личных листов на большой протяженности. Кроме того, по та-
кой схеме можно производить сварку однослойных и много-
слойных листов большой толщины (до 10 мм) и протяженности
по прямолинейному, криволинейному и замкнутому контурам.
Рис. 5.4. Схема ультразвуковой сварки вытесненным расплавом:
а - начало сварки; б - ее окончание; / - прижим; 2 - свариваемые летали, 3 - опора;
4 - технологические детали, подвергающиеся ультразвуковому воздействию; 5 - упор;
6 - волновод; Лпр - давление прижатия; Рст - статическое сварное давление; 6 и b - толщина
и ширина техноло1 ического зазора соответственно
Близка к описанной выше схема, приведенная на рис. 5.4,
разработанная применительно к сварке мягких пластмасс типа
полиэтилена. Здесь соединение образуется за счет расплава, вы-
давливаемого волноводом-инструментом из зоны
вспомогательных технологических термопластичных
контакта
деталей,
играющих роль присадочного материала (сварка вытесненным
расплавом). Последние две схемы сварки могут использоваться
для однослойной или многослойной сварки встык и рантовым
швом листовых изделий большой толщины и протяженности по
прямолинейному и замкнутому контурам.
При нормальном по отношению к соединяемым поверхно-
стям вводе энергии упругих колебаний трудно, а зачастую не-
возможно получить стыковые соединения листов или деталей.
имеющих форму стержней значительной длины.
В
этих случаях
наиболее благоприятным является ввод в изделие энергии коле-
баний в непосредственной близости от зоны сварки. Конструк-
ции стыковых соединений при сварке с дополнительным усили-
ем сжатия Рсж, перпендикулярным Рст, приведены на рис. 5.5.
По одной из таких схем (рис. 5.5,я) ультразвуковые колебания
вводятся
в изделие
параллельно соединяемому стыку за
счет
прижатия к нему волновода усилием
ст,
необходимым
только
для осуществления акустического контакта. Для создания осадки
106
материала в зоне сварки перпендикулярно к свариваемому стыку
прикладывается дополнительное усилие сжатия Рсж > Рст. Разно-
видностями такой схемы являются: сварка “замкового" соедине-
ния (рис. 5.5,6), соединения “в ус” (рис. 5.5,<?) и соединения с
концентраторами напряжений в зоне стыка (рис. 5.5,г).
Рис. 5.5. Конструкции стыковых соединений при сварке с дополнительным
усилием сжатия Рсж. перпендикулярным Рст:
« - “плоский стык”; б - “замковое соединение"; с - соединение “в ус”; г - соединение
с концентраторами напряжений в зоне сварки; / - сварочный инструмент-волновод;
2 - свариваемые летали; 3 - опора; 4 - виды концентраторов напряжения; 6 - тол шина изде-
лия; В толщина полки ммкового соединения; D - ширина свариваемого участка, равная
ныметру волновода; X - участок опасного сечения при сварке
Другими способами ввода энергии упругих колебаний в непо-
средственной близости от зоны сварки являются сварка с тан-
генциальным вводом колебаний и относительным перемещени-
ем элементов в плоскости стыка (рис. 5.6,«) и сварка с двусто-
роним тангенциальным вводом колебаний (рис. 5.6,6). Сущест-
венным недостатком первой схемы является происходящее
вследствие совместного действия статических и динамических
напряжений разрушение детали в зоне закрепления ее в зажиме
сварочной машины. Кроме того, между стержнями, сваренными
по схеме рис. 5.6,я, всегда образуется некоторый угол а, что яв-
ляется одной из причин снижения прочности соединения. Вто-
рая схема лишена этих недостатков, так как здесь в зоне заделки
(зажим 3 на рис. 5.6,6) возникают только динамические напря-
жения, действие которых может быть значительно снижено пу-
тем использования резиновых прокладок 5.
Сварку производят следующим образом. Образцы I и 2 за-
крепляют в неподвижном 3 и подвижном 4 зажимах. Между ни-
ми создается давление Рсж. В контакт с образцом 1 вступают два
волновода, которые прижимаются к нему статическим давлени-
ем Рст. Волноводы соединены с преобразователями, работающи-
ми в противофазе. При включении ультразвуковых колебаний
зона сварки разогревается за счет относительного перемещения
контактирующих торцов стержней. В результате совместного
действия температуры и статического давления образуется не-
разъемное соединение.
107
Рис. 5.7. Ультразвуковая сварка впрессов-
кой в постоянный («) и в переменный (о)
5
Рис. 5.6. Схема стыковой ультразвуковой сварки с тангенциальным вводом ко-
лебаний:
а - с относительным перемещением элементов (отдельно показано сварное соединение,
полученное по такой схеме): б - с двусторонним вводом колебаний и относительным пере-
мещением элементов; 1.2- образцы; 3 - неподвижный зажим; 4 - подвижный зажим;
5 резиновая прокладка; /1Н и /„> - длины вылета образцов; /и - расстояние от боковой по-
верх н ости во, 11 юводов до зон ы с варк и. / - нрогнб обра зца
Сварка с нормальным вводом колебаний, а также крутиль-
ными и продольно-крутильными колебаниями может с успехом
применяться для соединения впрессовкой в постоянный и пере-
менный зазор (рис. 5.7) [18]. При ультразвуковой сварке впрес-
совкой в постоянный зазор (рис. 5.7,6?) ультразвуковые колебания
передаются в зону сварки
через соединительный эле-
мент-вкладыш 7, размеры
которого определяют рас-
стояние между соединяемы- |
ми пластинами 2, располо-
женными параллельно друг
другу в специальном кондук- I
торе. Расстояние между пла-
стинами b равно ширине
вкладыша а плюс технологи-
ческий зазор с. Сварка проис-
ходит за счет расплавления V-
заз°Р: образного выступа и материи-
/- соединительным элемент-вкладыш; 2 - со- r J г
единяемыс пластины; 3 - установочный вкла- ЛЗ ПЛЭСТИН. гДССТОЯНИС Между!
дыш; 4 - кондуктор; у - угол V-образного высту-
па; d - высота соединительного элемента-
вкладыша; Л - высота V-образного выступа;
пластинами в процессе сварки
остается постоянным, так как
/) - толщина соединительных пластин
оно предварительно задается
установочным вкладышем 3 и кондуктором 4.
При ультразвуковой сварке впрессовкой в переменный зазор
(рис. 5.7,(5) ультразвуковые колебания также передаются в зону
108
сварки через соединительный элемент-вкладыш /, который за-
жат между свариваемыми пластинами 2, сжатыми давлением
РсЖ* Сварка происходит за счет расплавления прилегающих друг
к другу слоев вкладыша и пластин. В процессе сварки расплав-
ленный полимер выдавливается из зоны контакта пластин
с вкладышем, и свариваемые пластины сближаются, т.е. рас-
I стояние между пластинами уменьшается.
Как видно из рис. 5.2,а, для отбора энергии от преобразова-
теля используется один из его торцов. Другой торец преобразо-
вателя в этом случае соединяется с экраном, которым может
служить либо герметичная коробка с воздухом, либо специаль-
ная акустическая или губчатая резина. При одностороннем от-
боре звуковые колебания, отражаясь от нерабочего торца преоб-
разователя, достигают излу-
I чающей поверхности (рабо-
чего торца) в соотвстствую-
| щей фазе, при этом амплиту-
I да колебаний увеличивается
I примерно в 2 раза, а излучае-
мая мощность - в 4 раза.
Отбор механической энер-
I гии от преобразователя мо-
I жет осуществляться и с двух
I его торцов, в этом случае к
ним присоединяют прямые
I или загнутые волноводы
I (рис. 5.8). Необходимо учи-
I тывать, что системы с двусторонним отбором энергии обеспечи-
вают меньшую амплитуду колебаний рабочего торца инструмента
по сравнению с системами с односторонним отбором энергии.
I Подвод энергии от колеблющегося волновода к свариваемой
I детали может быть односторонним или двусторонним. Односто-
ронний ввод энергии характеризуется простотой кинематиче-
ских схем сварочных устройств. Свариваемое изделие располага-
ется между рабочим торцом волновода и опорой (см. рис. 5.2,п).
I При двустороннем подводе энергии используются сварочные
I устройства более сложной конструкции (рис. 5.9).
При одностороннем отборе энергии от преобразователя для
I двустороннего подвода необходимо наличие двух сварочных го-
I ловок, располагаемых симметрично с обеих сторон свариваемого
I изделия (рис. 5.9,я)- При двустороннем отборе энергии возмо-
I жен как односторонний подвод энергии, так и двусторонний.
I Двусторонний подвод энергии в этом случае осуществляется
волноводами, соединенными с обоими торцами преобразователя
и направленными навстречу друг другу (рис. 5.9,6). Необходи-
Рис. 5.8. Схемы сварки с двусторонним
отбором энергии от преобразователя:
/ - преобразователь; 2 - волновод; 3 - свари-
ваемые летали
109
/ 2 J 2 /
а
Рис. 5.9. Схемы двустороннего подвода
энергии с помощью двух сварочных голо-
вок («), загнутых волноводов (б) и раздво-
енного волновода (я):
/ - преобразователь; 2 - волновод; 3 - свари-
ваемые детали
мый акустический контакт ।
между частями изделия и I
волноводами обеспечивается I
при этом за счет того, что
зазор между торцами водно- I
водов устанавливается не- fl
сколько меньше суммарной
толщины свариваемых дета- I
лей. На рис. 5.9,<? показано
устройство для сварки с дву- Ц
сторонним отбором энергии
от преобразователя и двусто-
ронним подводом энергии, в
котором рабочие торцы вол-]
новодов выполнены раздво-
енными и загнутыми на-1
встречу друг другу. Исполь-1
зование такого устройства позволяет производить одновремен-
ную сварку двух изделий с двусторонним подводом энергии, ис-
пользуя лишь один преобразователь.
При сварке в отдельных случаях может осуществляться и
многосторонний подвод энергии к свариваемому изделию. При
этом могут применяться как обычные сварочные головки, так и
головки с гибкой акустической связью преобразователя с коль-
цевым инструментом, предназначенные для сварки цилиндриче-i
ских деталей [18]. И
Интенсивность подвода энергии, тепловыделение и деформа*?
ция полимера в значительной степени зависят от условий тепло*1
отвода от нагретого изделия к волноводу. Изменение условий
теплоотвода может осуществляться различными приемами. Из-
вестен способ ультразвуковой сварки с обдувом поверхности
контактирования волновода с изделием струей воздуха. При
этом происходит незначительное изменение температурного ре-*
жима, но даже оно может в отдельных случаях заметно» пере*
строить тепловой режим сварки, устраняя одновременно дефор-
мацию и выплески размягченного материала и улучшая внеш*
ний вид сварного соединения. При многослойной сварке поли*
мерных пленок иногда применяется дополнительный подогрев
волновода или опоры. Часто для изменения теплоотвода исполь-
зуются теплоизоляционные прокладки, помещаемые между вол-
новодом и изделием или между опорой и изделием. В качестве
прокладок используют бумагу, целлофан, фторопласт, а такая
полимерные пленки с температурой плавления более высокой,
чем у свариваемого материала [3, 4, 10|. М
5. Z. 1.2. Передача энергии к зоне сварки
рст
Рис. 5.10. Схемы контактной ультразвуко-
вой сварки:
а прессовая; б - шовная; я - возможные формы
рабочего торца волновода; / - волновод:
2 - свариваемые летали: 3 ~ опора
сваркой (рис. 5.10). Контактная
По характеру передачи энергии к границе раздела и распределе-
ния ее по свариваемым поверхностям ультразвуковая сварка может
быть разделена на контактную и передаточную [3, 18, 22, 23|.
Возможность передачи механической энергии к зоне сварки
зависит от упругих свойств и коэффициента затухания котебаний
в свариваемых материалах.
Контактная ультразвуковая
сварка. Есл и пол и мерн ы й
м атер и ал ха ра кте р и зуется
низким модулем упругости и
бол ьши м коэффи циентом
затухания, то сварное соеди-
нение можно получить лишь
на малом удалении от плос-
кости ввода колебаний. Для
равномерного распределения
энергии по всей площади
контакта свариваемых дета-
лей необходимо, чтобы ра-
бочий торец волновода, со-
прикасающийся с верхней
деталью, имел площадь и
форму, идентичную площади
и форме плоскости контакта
свариваемых деталей. Сварка
по такой схеме называется
кон гактной ультразвуковой
ультразвуковая сварка обычно применяется для соединения из-
делий из мягких пластмасс, таких, как полиэтилен, полипропи-
лен, а также пленок и синтетических тканей небольшой толщи-
ны - от 0,02 до 5 мм. При этом способе сварки наиболее рас-
пространены соединения внахлестку. Так как плоскость ввода
механических колебаний (плоскость контакта волновод - поли-
мер) располагается на незначительном расстоянии от плоскости
раздела свариваемых материалов, определяемом толщиной верх-
ней детали, контактную ультразвуковую сварку иногда называют
гб л иж н е й ” или “сваркой в бл и ж н е м поле”.
Передаточная ультразвуковая сварка. Если полимерный мате-
риал обладает высоким модулем упругости и низким коэффици-
ентом затухания, то сварное соединение можно получить на
большом удалении от поверхности ввода механических колеба-
ний. В этом случае ввод механических колебаний может осуще-
ствляться в точке или на небольшом участке поверхности верх-
ней детали. Благодаря хорошим акустическим свойствам мате-
111
риала изделия энергия ульт-
развуковой волны незначи-
тельно ослабляется при
проходе через деталь, кон-
тактирующую с волноводом,
к границе раздела сваривае-
мых деталей. Тепловыделе-
ние на границе раздела в
этом случае зависит от кон-
фигурации изделия, а пло-
щадь сварки значительно
отличается от площади ра-
Рис. 5J1. Схема передаточной ультразву-
ковой сварки:
/ - вол повод-инструмент; 2 - свариваемое
изделие
бочего торца волновода. Сварка по такой схеме называется пе-
редаточной ультразвуковой сваркой. Передаточную сварку реко-
мендуется применять для соединения объемных деталей из же-
стких пластмасс, таких, как полистирол, полиметилметакрилат и
др. Наиболее рационально выполнение таким способом соеди-
нений встык или втавр (рис. 5.11). I
При передаточной сварке волновод желательно располагать
по оси симметрии свариваемого изделия. Удаление поверхности
ввода механических колебаний от плоскости раздела сваривае
мых деталей зависит от упругих свойств материала и может со-
ставлять от 10 до 250 мм. Поэтому передаточную сварку иногда
называют‘"дал ь ней ”, “сваркой в дальнем поле” или
“дистанционной”. В
Как уже отмечалось, возможность эффективной передачи
энергии определяется физико-механическими свойствами сва-
риваемого материала. Изменение этих свойств, в частности по-
вышение модуля упругости и уменьшение коэффициента за ту*
хания, может значительно изменить характер передачи энергии
и расширить тем самым технологические возможности процесса.
Необходимое изменение физико-механических свойств может
быть достигнуто охлаждением свариваемых деталей до темперам
туры стеклования полимера (или несколько ниже). I
Выбор температуры охлаждения зависит от типа полимерного
материала. Для полиэтилена она составляет 203 К, для полипро^
пилена 243 К, пластифицированного поливинилхлорида 253 К.
непластифицированного поливинилхлорида 263 К. Охлаждение
ниже указанных температур недопустимо, так как повышенная
хрупкость материала при механическом воздействии волновод.»
может привести к появлению трещин в свариваемом материале.
Охлаждение свариваемых деталей целесообразно лишь в облас-
ти, лежащей между зоной сварки и рабочим торцом волновода
Охлаждение позволяет в отдельных случаях осуществлять пере-
даточную сварку таких материалов, как полипропилен, полиэти»
112
лен и другие, уменьшать потребляемую мощность сварочною
оборудования и устранять дефекты, вызываемые перегревом де-
lajieii вне зоны сварки [18, 24 .
Свариваемость отдельных видов полимерных материалов за-
висит также от содержащихся в них наполнителей, красителей,
способа получения заготовки и т.п. Условием получения высо-
кокачественного соединения при сварке двух полимерных мате-
риалов является их приблизительно одинаковая температура
плавления и химическое сродство. В табл. 5.1 приведены харак-
теристики материалов на основе различных полимеров с точки
зрения свариваемости и пригодности к другим видам соедине-
ния с помощью ультразвука.
Габмща 5.1. Способность различных полимеров к соединению
с помощью ультразвука
Материал Сварка Заклепоч- ное соеди- нение Прессовое соединение
контактная передаточ- ная
Полистирол 1 1 1 1
АБС-пластик 1 2 1 1
Сополимер стирола с акрило- ниiрилом 1 1 1 1
П пли мстил мет акрилат 1 1 1 э
Поликарбонат 1 1 1 1
Полиамид 2 3,4 2 2
Полиэфир П ол и ви н ил хлорил: 1 3 3 3
нспластифи ни рован ны й 1,2 2,3 1 1
пластифицирован ный 2 4 2 3,4
Полиэтилен 2 4 2 3,4
Полипропилен т 4 2 3.4
Примечание. Обо им чем и я качества сварного, заклепочною и прессовою сое щ-
нснип I - очень высокое. 2 - высокое, 3 - удовлетворительное. 4 - неудовлетворительное
5.1.1.3. Концентрация энергии в зоне сварки
Введение энергии механических колебаний и передача ее к
зоне сварки является необходимым, но не достаточным услови-
ем образования сварного соединения. Эксперименты показыва-
ют, что при ультразвуковой сварке образцов из материалов с хо-
рошими акустическими свойствами (полистирол, полиметилме-
гакрилат), ио с плоской поверхностью контакта и при равно-
мерном распределении статического давления получить сварное
соединение оказывается трудно, а порой и просто невозможно.
Сварка в этом случае осуществляется не по всей поверхности, а
лишь в отдельных точках или небольших зонах поверхности.
I
Установлено, что развитие и образование сварного соедине-
ния зависит от степени концентрации напряжений в зоне свар-
ки и может быть интенсифицировано за счет создания искусст-
венных концентраторов напряжений. Наиболее распространен-
ным способом сварки с использованием искусственных концен-
траторов является сварка с разделкой кромок, причем наилуч-
шие результаты получают, когда одна из деталей имеет V-
образный выступ. В зависимости от режима процесса и угла раз-
делки сварка может протекать с преимущественным оплавлени-
ем выступа или с преимущественным внедрением его в другую
деталь 118, 24|.
Соединения, сваренные с преимущественным оплавлением,
нашли применение при изготовлении изделий, которые в про-
цессе эксплуатации подвергаются значительным нагрузкам, та-
ких, как бачки, шаровые емкости и т.п. Соединения, сваренные
с преимущественным внедрением V-образного выступа в деталь,
используются при изготовлении декоративных изделий, сувени-
ров, корпусов приборов бытовой техники и т.п., так как они ха-
ра ктсризу ются м и н и мал ьн ы м гратообразован ием. Такая схе ма
сварки позволяет также получить соединение разнородных, не-
совместимых но своим свойствам и структуре полимерных мате-
риалов. При этом “внедряться” должна деталь с большим моду-
лем упругости. I
В случае сварки многослойных изделий в пакете повышение
качества сварного соединения может быть достигнуто за счет того,
что разделка кромок каждой из деталей в пакете имеет угол, из-
меняющийся по высоте изделия. Выступы-концентраторы с более
острой заточкой располагаются в той части изделия, в которой
интенсивность ультразвуковых колебаний уменьшается. За счет
увеличения концентрации механических напряжений в выступах
происходит выравнивание теплового режима на всех контакти-
рующих поверхностях элементов свариваемых деталей. 1
Другой путь повышения концентрации энергии на стыкуемых
поверхностях заключается во введении между ними мягких про-
кладок с отношением динамического модуля упругости к коэф-
фициенту механических потерь меныпим, чем у материала свари-
ваемых деталей, совместимых с основным материалом. Темпера-
тура плавления или перехода в вязкотекучее состояние материала
прокладки должна быть ниже, а показатель текучести расплава -
выше, чем аналогичные характеристики основного материала. 1
Концентрация напряжений может быть создана также при
увеличении шероховатости контактирующих поверхностей. Так,
для повышения качества соединения деталей с плоскими кон-
тактирующими поверхностями между последними равномерно
насыпают крошку из того же полимерного материала. Частицы
114
полимера, создавая микрозоны повышенного механического на-
пряжения, способствуют возникновению равномерно распреде-
ленных очагов повышенной температуры и обеспечивают высоко-
качественное соединение. Для достижения необходимого техно-
логического эффекта в каждом конкретном случае необходимо
выбирать оптимальные размеры крошки, се количество и состав.
Зоны с повышенной концентрацией напряжений могут быть
получены при действии на детали дополнительных сжимающих
усилий Рсж, создаваемых с помощью отдельного механизма, не
связанного с волноводом. Сварка по такой схеме получила на-
звание сварки с независимым давлением. Если при
рассмотренном выше основном способе подвода энергии усилие
Рсг использовалось как для создания акустического контакта
между волноводом и изделием, так и для концентрации динами-
ческих напряжений в зоне сварки, то при сварке с независимым
давлением последняя функция возложена на специальные меха-
низмы давления. В этом случае усилие РС1 гораздо меньше Рсж и
необходимо только для осуществления акустического контакта.
Вектор Рсж может совпадать по
направлению с вектором Рс1. Так, на
рис. 5.12,а приведена схема сварки,
при которой векторы Рсж и Рст па-
раллельны друг apyiy. Схемы, изобра-
женные на рис. 5.12,6 и на рис. 5.5,
характерны тем, что векторы Рсж и
Рсг взаимно перпендикулярны, при-
чем вектор Рсг действует в плоскости
контактирования свариваемых дета-
лей. Для усиления концентрации
энергии в этом случае могут приме-
няться специальные вырезы в местах
приложения Рсж. Сварка с таким
способом концентрации энергии
Рис. 5 12. Создание зон с повы-
шенной кон цен J рацией механи-
ческих напряжений за счет спе-
циального механизма давления:
а - Р^ и РСА параллельны, б -
и Р^ взаимно перпендикулярны
может быть применена в тех случаях, когда конструкция изделия
не позволяет расположить сварочный узел перпендикулярно
1раницс раздела свариваемых деталей.
Повышение тепловыделения в зоне сварки может быть достиг-
нуто с помощью локального подогрева зоны сварки. Местное по-
вышение температуры приводит к более четкой фиксации зоны
тепловыделения и увеличивает производительность процесса
сварки. Оптимальная темпера!ура подогрева зависит от материала
свариваемых деталей и составляет примерно 323-373 К.
Комбинированный способ сварки с нагревом соединяемых
поверхностей и охлаждением свариваемых деталей (рис. 5.13)
также может быть весьма полезен в ряде случаев. Для комбини-
115
Рис. 5.13. Схема сварки с на! ревом
юны сварки и охлаждением зоны
детали, контактирующей с волно-
водом:
I но.нюнол; 2 - смариваемые .icia.-iu:
3 - ме LHt.ic pa.utu юры. 7 к'рмоСкнарся
грсва в области образования
рованного нагрева-охлаждения
свариваемых деталей несложной
формы авторами была применена
термобатарея с перепадом темпе-
ратур между горячим и холодным
слоями, равным 313 К. Пониже-
ние температуры изделия в облас-
ти контакта с волноводом и по-
вышение ее в области образова-
ния сварною соединения сущест-
венно перестраивают температур-
ный режим сварки, увеличивая
производительность процесса, фик-
сируя зону максимального разо-
сварного соединения и устраняя
подавление и перегрев материала в зоне контакта с волноводом.
5.1.1.4. Дозирование подводимой энергии
Возможность получения сварных соединений определяется
количеством тепловой энергии, выделяющейся в зоне сварки,
и теплоотводом из этой зоны. Так как количество энергии, вы-
деляющейся в зоне сварки, связано с количеством энергии, под-
водимой к свариваемому изделию, то возникает необходимость
до з и ро ва ния п ос л ед н с й. ।
Способ дозирования подводимой к деталям механической
энергии колебаний определяет схему управления процессом
ультразвуковой сварки, состоящую из системы устройств, осу-
ществляющих включение и выключение ультразвуковых колеба-
ний в необходимый момент времени.
В зависимости оттого, какой критерий закладывается в осно-
ву выбора момента выключения ультразвуковых колебаний, раз-
личают следующие схемы управления процессом сварки: по
фиксированному времени, по деформационному критерию (по
фиксированной осадке) и по кинетической характеристике.
В свою очередь, схемы управления по деформационному крите-
рию делятся на схемы сварки по фиксированной осадке, фикси-
рованному зазору, изменению знака ускорения деформирования
и по заданной толщине шва. 1
Сварка по фиксированному времени нашла наиболее широкое
распространение и используется практически во всех серийно
выпускаемых ультразвуковых сварочных машинах как у нас
в стране, так и за рубежом. Сварка однотипных изделий в этом
случае производится с помощью реле времени, которое отклю!
чает ультразвуковые колебания через один и тот же промежуток
времени после начала процесса. Однако небольшие изменения
116
параметров режима сварки, геометрии деталей и свойств мате-
риалов moivt привести к юму, что требуемое время сварки ока-
жется больше или меньше времени, установленного реле. Как
следствие в первом случае будут наблюдаться непровары, во
втором - пережоги. Именно этим объясняется наблюдаемая на
практике нестабильность результатов, получаемых при сварке по
фиксированному времени. Повышения качества в этом случае
стремятся достигнуть за счет поддержания постоянства парамет-
ров режима сварки, однако это значительно усложняет конст-
рукцию оборудования.
Сварка по деформационном)
критерию (по фиксированной осад-
ке) во многом позволяет избежать
указанных недостатков. При ис-
пользовании этой схемы сварки
задается осадка полимера 8, т.с.
глубина вдавливания волновода в
свариваемую деталь в результате
воздействия статического усилия и
ультразвука. Должно соблюдаться
условие <5 > 2Л, где 2/1 - удвоенная
а м пл и туда кол еба н и й рабочего
i орца вол повода - и н стру мента. В
простейшем случае (рис. 5.14,л)
отключение ультразвука осуществ-
ляется размыкающимися контак-
том и нажимным штифтом, укре-
пленными на подвижной и непод-
Рис. 5. /4 Сварка по схеме с фик-
сированной осадкой (г/) и фикси-
рованным зазором (б):
! - преобразователь: 2 волновод.
3 - сваринаемып материал! 4 pciy.inpo-
вочныи винт-опора. 5 рпулпровачныи
винт для отключения ультра щука
вижной частях сварочной машины. Расстояние между контактом
и штифтом соответствует заданной осадке, величина которой
определяется при отработке режимов сварки. Статическое уси-
лие действует до окончания сварочного никла.
При сварке изделий из мягких пластмасс (пластифициро-
ванного поливинилхлорида, полиэтилена) толщиной от 0,7 до
1,2 мм неконтролируемая деформация зоны сварки после вы-
ключения ультразвука может привести к существенному ухуд-
шению внешнего вида и прочностных характеристик соедине-
ния. С целью предотвращения такой деформации целесообразно
обеспечить ограничение перемещения сварочной головки после
выключения ультразвука за счет установки специального фикса-
тора или снятия статического давления Рст без подъема свароч-
ной головки.
Отличительным признаком схемы сварки с фиксированным
зазором является то, что статическое давление отсутствует и
сварка происходит только за счет действия динамических уси-
117
лий, возникающих при воздействии волновода на свариваемый
материал. При этой схеме (рис. 5.14,6) зазор между рабочим
торцом волновода и опорой устанавливается таким, чтобы сва-
риваемый материал деформировался только за счет смешения
рабочего торца волновода. В результате воздействия волновода
материал утоняется, а так как сварочная головка зафиксирована
и не имеет возможности перемешаться в вертикальном направ-
лении, то контакт волновода с материалом после деформации
последнего нарушается и воздействие ультразвука на материал
прекращается. Деформация свариваемого материала при схеме
сварки с фиксированным зазором не превышает удвоенной ам-
плитуды смещения волновода (А < 2А) и выбирается в зависимо-
сти от исходной толщины свариваемого материала и его свойств.
Сущность способа дозирования подводимой энергии по кине-
тической характеристике состоит в том, что опора выполняется в
виде датчика амплитуды, и отключение ультразвуковых колеба-
ний осуществляется вручную оператором или автоматически при
соответствии электрического сигнала датчика-опоры минимуму
амплитуды смещения. 1
5.LL5. Взаимное перемещение сварочного инструмента и изделия
В зависимости от перемещения волновода относительно из-
делия ультразвуковая сварка разделяется на прессовую и непре-
рывную. I
Прессовая сварка выполняется за одно рабочее движение
волновода. По этой схеме может осуществляться как контактная,
так и передаточная ультразвуковая сварка. С помощью контакт-
ной прессовой сварки (см. рис. 5.10) получают точечные, пря-
молинейные и замкнутые швы различного контура, например в
виде окружности, квадрата, прямоугольника, треугольника, эл-
липса и т.д. (в зависимости от формы рабочего торна волново-
да). При использовании в сварочной головке одного преобразо-
вателя с потребляемой мощностью 1,5-4 кВт развернутая длина
сварного шва в виде квадрата, прямоугольника и треугольника
составляет 200-240 мм, длина прямолинейных швов - 300 мм;
при сварке круглым волноводом максимальный диаметр контура
шва составляет 120 - 250 мм; при точечной сварке диаметр точ-
ки не должен превышать 15 мм. Этим способом хорошо свари-
ваются такие материалы, как винипласт, полиэтилен, полиме-
тилметакрилат, полистирол, а также ткани из синтетических во-
локон (капрон, лавсан). |
Прессовая сварка может быть одно- и многопозиционной.
Многопозиционная сварка, в частности, может осуществляться с
помощью схемы с загнутыми волноводами, как было показано
на рис. 5.8. Другим приемом, используемым при многопозици-
118
онной прессовой сварке, является применение устройств, позво-
ляющих преобразовать продольные колебания в изгибные и на-
оборот. Например, при соединении длинной планки с транс-
форматором продольных колебаний в ней возникают изгибные
колебания. Если в пучность этих колебаний поместить волново-
ды продольных колебаний, то последние будут усиливать ампли-
туду смещения; таким образом, каждый из них может быть ис-
пользован для сварки самостоятельного изделия.
Непрерывная сварка обеспечивает получение непрерывных
протяженных сварных швов за счет относительного перемеще-
ния волновода и свариваемого изделия. Она используется для
сварки изделий из полимерных пленок и синтетических тканей:
мешков, непроницаемой одежды, фильтров и т.д. Для непре-
рывной сварки используют схемы с фиксированной осадкой и с
фиксированным зазором.
По степени механизации непрерывная сварка делится на
ручную и механизированную.
При ручной непрерывной сварке для получения
непрерывных швов любой протяженности оператор вручную пе-
ремещает сварочную головку, а изделие остается неподвижным.
При этом за счет клинообразной заточки инструмента и незна-
чительной толщины свариваемых материалов инструмент кон-
тактирует с небольшим объемом полимера. Таким способом
можно соединять многослойные пакеты из полиэтилентерефта-
латной пленки, а также полипропиленовые и полиамидные
пленки типа ПА-4, имеющие металлизированное, фотоэмульси-
онное или ферролаковое покрытие, без предварительного удале-
ния последнего и т.д. Такую разновидность сварки называют
также сваркой скользящим инструментом |10]. Руч-
ная сварка полиэтиленовых пленок затруднена из-за периодиче-
ского налипания размя!ченного полимера на инструмент, что в
конечном счете приводит к прожогам свариваемого материала.
Для устранения этого недостатка можно применять при сварке
технологические прокладки из полимерных материалов
(фторопласт и др.), металлической фольги, чертежной кальки и
др. Ручную сварку можно использовать для соединения в труд-
нодоступных местах, а также для прихватки деталей перед меха-
низированной сваркой. В последнее время ручные ультразвуко-
вые пистолеты нашли применение для сварки, наплавки и резки
костных и других биологических тканей 118, 23, 24).
Механизированная непрерывная сварка, как
правило, осуществляется при перемещении свариваемого изде-
лия, а сварочный волновод остается неподвижным. В зависимо-
сти от способа перемещения свариваемого материала механизи-
рованная сварка делится на шовно-шаговую и шовную.
119
Рис. 5.15. Схема шовной сварки “на протяг”
с односторонним («) и двусторонним (<5)
подводом ультразвуковых колебаний:
/ - преобразователь; 2 - волновод: .7 - свари-
ваемый матсриа.1. 4- сварной шов: 5 - опора
Шовно-шаговая сварка явтяе гея разновидностью прессовой
сварки. Сущность этого способа заключается в том, что после
сварки шва материал освобождается из-под волновода и пере-
двигается на шаг сварки, причем каждый последующий шов пе-
рекрывает предыдущий. В момент перемещения свариваемого
материала давление снимается. Этот способ сварки применяется
для изготовления одежды из синтетических тканей и соедине-
ния различных пластмасс толщиной от 0,1 до 3 мм.
Шовная сварка может осу-
ществляться по схеме “ня
протяг", (рис. 5.15), когда из-
делие протягивается между
колеблющимся торцом волно-
вода и опорой, и на вращаю-
щемся ролике (см. рис. 5.10,6).
В обоих случаях для ограни-
чения подводимой механи-
ческой энергии можно при-
менять схему с фиксирован-
ным зазором или комбинированную схему с фиксированной
осадкой и фиксированным зазором. Сварка “на протяг" может
быть также осуществлена при протягивании свариваемого мате-
риала через зазор, образованный загнутыми инструментами или
расщепленным волноводом (см. рис. 5.9,6,#). Такие схемы чаще
всего используются в специализированных установках для свар-
ки деталей определенной толщины, так как зазор между волно-
водами не регулируется. Двусторонний подвод энергии при
шовной сварке можег осуществляться и от двух сварочных голо-
вок, питающихся от одного генератора (см. рис. 5.9,#).
При сварке на вращающемся ролике вращение последнего
обеспечивает перемещение свариваемого материала под волно-
водом и позволяет регулировать скорость сварки. Этот способ
можно использовать для получения швов любой конфигурации
(прямолинейных, криволинейных и т. л.). Для непрерывной
шовной сварки нашли применение также конструкции, в кото-
рых используются вращающиеся преобразователи.
5.1.2. Параметры режима и рабочие циклы сварки
Основные параметры ультразвуковой сварки, характеризующие
выделение энергии в зоне соединения: амплитуда колебаний
рабочего торца волновода Л (мкм); частота колебаний / (кГц);
продолжительность ультразвукового импульса zCB (с) или в слу-
чае непрерывной сварки - скорость сварки Исн (м/с); сварочное
статическое давление Рсг (Па) или усилие прижатия b (Н) вол-
новода к материалу.
Дополнительные параметры режима сварки - размеры, форма и
материал опоры и волновода, материал теплоизоляционных про-
кишок, температура предварительного подогрева волновода и т. д.
Основные параметры режима взаимосвязаны. Время, необхо-
димое для сварки, зависит от амплитуды колебаний и свароч-
ного давления. При более высоких амплитудах необходимые
свойства сварных соединений могут быть достигнуты при мень-
шем времени сварки и наоборот. Определяющим параметром
режима ультразвуковой сварки является амплитуда колебаний рабо-
чего горца волновода, которая выбирается в пределах 30-70 мкм.
Оптимальному значению амплитуды соответствуют максималь-
ная прочность и наилучшее качество сварного соединения. Ам-
плитуда колебаний, необходимая для обеспечения качественной
сварки, связана со сварочным давлением и, кроме того, зависит
от геометрических размеров свариваемых деталей, типа свари-
ваемых полимеров и опоры, определяющих распределение ха-
рактеристик звукового ноля.
Оптимальные параметры режима сварки зависят от свойств
свариваемого материала, от толщины и формы изделия и от
других факторов и устанавливаются в каждом конкретном случае
жсперименгально применительно к реальным изделиям. Оцен-
ка режима обычно проводится по показателям прочности свар-
ного соединения. Кроме того, проверяют его на герметичность,
деформацию и другие характеристики.
Свойства сварных соединений зависят не только от парамет-
ров режима сварки, но и от рабочего цикла.
Рабочий цикл определяется последовательностью приложения
давления, включения, прохождения и выключения ультразвукового
импульса, выдержки изделия под давлением и снятия давления.
Цикл сварки служит основой для выбора схемы приложения давле-
ния и включения ультразвуковых колебаний сварочных машин.
Рис 5.16. Рабочие циклы при ультразвуковой сварке Пояснения в тексте
Наиболее распространенный рабочий цикл ультразвуковой
сварки (статическое давление - ультразвук) представлен на
рис. 5.16,<7. Статическое давление Рст прикладывается до вклю-
чения ультразвуковых колебаний (/„ - время предварительного
сжатия), остается постоянным в течение всего цикла и снимает-
ся с запаздыванием на /3. Охлаждение .материала сварного шва
начинается, когда детали ешс сжаты между волноводом и опо-
рой. В течение всей операции сварки ультразвуковые колебания
вводятся без перерыва в виде одного импульса. Такой цикл
сварки используется на ультразвуковых установках МТУ-1,5,
УПК-15, УПМ-21 и др. 1
При цикле ультразвук - статическое давление (рис. 5.16,6)
ультразвуковые колебания включаются до приложения давления.
Первоначальное включение ультразвука позволяет очистить сва-
риваемые поверхности от загрязнений. I
При сварке изделий из жестких полимеров применяется ра-
бочий цикл, представленный на рис. 5.16,е. В этом случае с це-
лью уплотнения и повышения прочности сварного шва непо-
средственно после выключения ультразвуковых колебаний уве-
личивается давление на волновод. Повышенное давление Рк
(ковочное усилие) должно следовать за выключением ультразву-
ковых колебаний через небольшой, строго контролируемый ин-
тервал времени гзк (время контролируемого запаздывания). При
большом /зк применение проковки не дает результатов, так как
свариваемый материал успевает остыть до ее начала. При очень
малом /зк возможно выдавливание расплавленного материала из
места сварки пол действием значительного ковочного усилия Рк.
В этом случае возможны выплески и прожоги полимера. Приве-
денный рабочий цикл целесообразно использовать при необходи-
мости получить герметичный шов на объемных деталях, выполнен-
ных из ударопрочного полистирола. При этом применяются специ-
альные разделки шва в виде замковых и клиновидных канавок.
На рис. 5.16,г показан нежелательный вариант рабочего цик-
ла ультразвуковой сварки, в котором выключение ультразвуко-
вых колебаний происходит при снятом сварочном давлении.
5.1.3. Технология ультразвуковой сварки термопластов
5.1. 3. 7. Сварка жестких пластмасс
Сварка полистирола, сополимеров стирола, полиметилмет-
акрилата, винипласта, капролона, поликарбоната и других по-
лимеров, имеющих высокий модуль упругости и низкий коэф-
фициент затухания, широко применяется при изготовлении раз-
личных объемных деталей и конструкций: от контейнеров и со-
судов до товаров народного потребления (спортивных изделий и
игрушек). В этом случае ультразвуковая сварка позволяет значи-
тельно снизить трудоемкость процесса, увеличить производи-
тельность труда, повысить культуру производства и освободиться
от применения токсичных клеев, вредных для здоровья человека
[1-4, 10, 18].
В зависимости от формы изделия и материала может приме-
I пяться контактная и передаточная сварка или комбинация этих
I способов. При передаточной сварке нет необходимости разогре-
вать весь объем материала. Сварной шов получается в результате
| расплавления полимера в зоне контакта деталей. Ясно, что в
процессе сварки следует стремиться к концентрации энергии
ультразвуковых колебаний непосредственно на стыкуемых по-
верхностях. Изменением геометрии свариваемых деталей можно
концентрировать энергию ультразвуковых колебаний в том или
I ином сечении, что позволяет ускорять процесс сварки.
Уменьшение площади контакта деталей значительно повыша-
ет статические и динамические напряжения на стыках, что, в
I свою очередь, ведет к понижению температуры перехода поли-
мера в вязкогекучее состояние и также способствует сокраще-
I нию продолжительности сварки.
I Рекомендуются разнообразные формы и размеры стыков де-
I талей под ультразвуковую сварку в зависимости от конкретных
I изделий и материалов, но наиболее распространенной является
V-образная разделка кромок, которая проста в изготовлении и
I дает хорошие показатели прочности сварных соединений. Наи-
более эффективным углом при вершине V-образного выступа
I является угол 90°, при котором обеспечивается минимальная
площадь контакта деталей перед сваркой 116, 21, 23|.
Пропускание ультразвуковых колебаний ведет к увеличению
динамических напряжений в выступе, который под их воздейст-
вием быстро разогревается. Расплавляясь, материал выступа рас-
текается между свариваемыми кромками, что вызывает интен-
I сивный разогрев и оплавление материала деталей. С момента
I начала размягчения вершины выступа на продолжительность
сварки значительное влияние оказывает вязкость расплава сва-
риваемого полимера. Чем ниже вязкость расплава, тем быстрее
I растекается материал выступа между свариваемыми кромками и
тем быстрее заполняет он зазоры.
Вид разделки стыкуемых кромок (рис. 5.17) зависит от требо-
ваний к готовой продукции и тенлофизичсских характеристик
свариваемого материала.
I Требования к готовой продукции определяются ее назначение
I ем. Их можно разбить на три основные группы: прочность, гер-
метичность, внешний вид.
Разделка кромок, показанная на рис. 5.17,4/, обеспечивает
значительное повышение прочности и герметичности сварного
I шва. Такая разделка требует точной подгонки углубления в од-
ной из стыкуемых деталей к выступу на другой, что вызывает
ряд производственных трудностей. Конструкция разделки свар-
ного шва, изображенная на рис. 5.17,6, не требует такой тща-
тельной подгонки, как шов, показанный на рис. 5.17,<z.
123
Рис. 5.17. Конструкция кромок стыкуемых деталей при сварке жестких пли
с 1 масс; а = 0,1 мм. Пояснения в тексте
При сварке изделий, к которым предъявляются повышенные
эстетические требования, можно использовать разделку стыков,
приведенную на рис. 5.17,#.
Разделки стыкуемых кромок, применяемые при сварке емко-
стей или контейнеров, изображены на рис. 5.17,г. При исполь-
зовании разделок, показанных на рис. 5.17,ci.6, происходит обра-
зование видимого валика за счет выплесков расплавленной пла-
стмассы. Применение разделок, приведенных на рис. 5.17,#,г,
исключает видимый валик или делает его малозаметным. I
При изготовлении газо- и водонепроницаемых баллонов пред-
почтение следует отдать разделкам, показанным на рис. 5.17,г, ко-
торые обеспечивают достаточно высокую прочность и отвечаю!
эстетическим требованиям. Разделку кромок в этом случае ре-
комендуется использовать для материалов, обладающих узким
интервалом температур вязкотекучего состояния, например для
полиацетатной смолы. Прочность сварных соединений достига-
ется увеличением площади шва, герметичность - конструирова-
нием шва в виде ломаной линии, эстетичность - принудитель-
ным выдавливанием грата на невидимую сторону шва.
В некоторых случаях конструкция разделки проектируется с
углами, отличными от 90°: может быть разделка кромок с углом
при вершине V-образпого выступа в 60 и в 45°. Между сопря-
гаемыми по вертикали деталями необходимо предусматривать
за юр, примерно равный 0,1 мм.
Часто возникает необходимость жесткой посадки одной дета-
ли в другую (рис. 5.18). Эту операцию можно успешно выпот
нить при помощи ультразвуковой сварки. Для этого на ввари
ваемой детали делаются выступы (буртики), которые выполняю!
роль концентраторов напряжений и присадочного материала
Оптимальные размеры буртика приведены на рис. 5.18,#. Есчв
свариваемая деталь имеет большую высоту, то необходимо пре
дусмотреть несколько буртиков.
При сварке пластмассовой детали квадратного сечения с тон-
костенной камерой достигается экономичное использование
124
энергии ультразвуковых колебаний за счет формы детали. На
1вух сторонах квадратной детали делают треугольные выступы
(рис. 5.18Д). Внешний размер ввариваемой летали должен быть
подобран так, чтобы после сварки он был равен размеру камеры
в свету. Деталь жестко вставляется в камеру, стенки которой не-
значительно (на 0,3-0,5 мм) выгибаются наружу. Волновод уста-
навливается с одной стороны камеры над V-образным выступом.
После включения ультразвука осуществляется одновременно
контактная и передаточная сварка выступов детали со стенками
камеры. V-образные выступы расплавляются, и камера прини-
мает свои исходные размеры.
Л/с. 5. /сУ. Технологическая подготовка кромок в случаях:
а улыратнукового прессования: б - сварки в двух плоскостях: в - мною немец i нои
снарки; а - 0.01 = 0.25 мм. b - 0.25 1.25 мм: с = 0.25 - 1.25 мм
Одновременная сварка нескольких слоев термопласгичных
атериалов
сопровождается
как большой деформацией
верхнего
слоя, так и неравнопрочностью соединений между слоями. Ка-
чество сварки можно существенно улучшить соответствующей
подготовкой стыкуемых поверхностей (рис. 5.18.6*): площадь
контакта между отдельными слоями должна быть рассчитана из
условий равномерного распределения энергии в зонах контакта.
Изменить площадь контакта можно, варьируя выступы в форме
ранении с различной площадью основания.
Наличие разделки кромок оказывает существенное влияние на
кинетику образования сварных соединений жестких пластмасс.
Анализ термических циклов и поперечных сечений сварных
образцов из жестких термопластов показал, что образование
сварного соединения в этом случае может происходить по двум
схемам: “с преимущественным внедрением'’ и “с преимущест-
венным оплавлением”.
По схеме "с преимущественным внедрением” соединение об-
разуется за счет внедрения V-образного выступа в нижнюю де-
таль без заметного его оплавления. Глубина внедрения может
составлять от 1 до 3 мм и определяется в основном углом раз-
делки кромок.
Так, при сварке тавровых соединений из капролона В
(размеры полки 15x15x6 мм, размеры стенки 60x16x6 мм) на
125
толстой стальной плите в диапазоне режимов А = Зэ мкм и
РС1 = 4 6 Н преимущественное внедрение наблюдалось при
углах разделки менее 30°. Внедрение может быть значительно
увеличено за счет предварительного подогрева нижней детали,
так как при этом уменьшается сопротивление ее пластическим
деформациям. I
При сварке “с преимущественным оплавлением” (рис. 5.19) в те-
чение первых 0,3-1 с видимых превращений в полимере не происхо-
Рнс. 5.19. Снарка по схеме “с преиму-
щественным оплавлением
« - без принудительного чачскания \iaie-
риала; о - с принудительным затеканием
расплавленного материала, 1 свариваемые
детали: 2 - фаска: J - расплавленный мате-
риал
дит, а затем начинается интен-
сивное расплавление V-образного
выступа, сопровождаемое обра-
зованием грата, равномерно вьм
давливасмого по обе стороны
верхней детали (рис. 5.19,л).|
Уменьшение грата, улучшение
внешнего вида изделия и по-
вышение прочности соединен
ния могут быть достигнуты за
счет при н уди тел ьного зате ка 4
ния размягченной массы по-
лимера в специальные отвер-
стия или полости нижней лета-
ли (рис. 5.19,6).
Рис. 5.20. Фикси-
рующие штифты на
соединяемых деталях
Соединения, сваренные ис преимущественным оплавлени-
ем”, обладают повышенной прочностью, поэтому их следует
применять при изготовлении изделий, которые в процессе экс-
плуатации подвергаются значительным нагрузкам (таких, как
бачки, шаровые емкости, колеса насосов и\
т.д.). Соединения, сваренные по схеме ‘*с
преимущественным внедрением”, могут быть
использованы при изготовлении декоративно-
прикладных изделий, так как они характери-
зуются минимальным гратообразованием. Бо-
лее того, применение схемы “с преимущест-
венным внедрением” дало возможность обра-
зовывать соединения из несовместимых
(разнородных) по своим теплофизическим
свойствам полимерных .материалов за счет чисто механического
сцепления. При этом внедряться обязательно должен образец
с большим модулем упругости. Так были получены соединения
капролона В с полистиролом, капролона В с пол и .метил мег
акрилатом. Для того чтобы свариваемые детали не сдвигались
друг относительно друга, их фиксируют штифтами (рис. 5.20)
Для повышения прочности шва длина штифтов должна быть
несколько больше (на 0.1-0,15 мм), чем глубина отверстия. При
126
ном соединение нс должно быть плотным, так как при плотном
соединении уменьшается возможность растекания размягчен-
ного полимера
Рис. 5.21 Расположение волновода при сварке деталей несложной формы
Рис. 5.22. Схема сварки круп-
ногабаритных изделий:
а - волновод; о - очаги схватывания.
<? - свариваемые детали; 1, 2, 3 -
последовательность приложения
волновода к изделию
Мало1абаритныс детали несложной симметричной формы
свариваются за один контакт волновода с изделием, причем
волновод устанавливается перпендикулярно к свариваемым по-
верхностям по оси симметрии соеди-
нения (рис. 5.21). Если деталь слож-
ная и длина сварного шва значитель-
ная, то количество точек и место
введения ультразвуковых колебаний
(рис. 5.22) определяются экснеримен-
шльно. В зависимости от формы лить-
евого изделия для сварки могут быть
использованы волноводы с плоской
или фигурной рабочей поверхностью.
В последнем случае рабочий торец
волновода прилегает к поверхности
свариваемых деталей, копируя ее фор-
му. Это необходимо в гом случае, ко-
гда нужно получить герметичный шов.
Изделие, предварительно уложенное в удерживающее при-
способление (опору), размещается на столе. Если изделие плохо
закреплено, то сварка происходит неравномерно и сопровожда-
ется значительной деформацией свариваемых поверхностей. В
зависимости от формы изделия для фиксации деталей в процес-
се сварки могут применяться различные опоры. Использование
опор-держателей преследует три цели: предотвратить смещение
одной части изделия относительно другой; предотвратить сме-
щение в процессе сварки изделия относительно волновода; пре-
дотвратить контакт изделий с руками сварщика-оператора. Не-
которые конструкции опор-держателей обеспечивают также
возможность создания давления на свариваемое изделие, что
может повысить качество соединения.
Конструкция опор-держателей зависит от формы изделия,
подлежащего сварке, и частично от материала, из которого изго-
127
товлено изделие. Плоские изделия простой формы, в которых
предусмотрена взаимная фиксация свариваемых частей, можно
сваривать и без специальных опор-держателей, устанавливая и
фиксируя их на сварочном столе под волноводом руками. Однако
качество сварки и производительность процесса при этом невы-
соки. Наиболее распространенный тип опор-держателей - гнездо-
образная опора (рис. 5.23). Гнезда в опорах такого типа должны
точно соответствовать нижней части изделия, укладываемой
в опору. Иногда на дно и стенки такой опоры приклеивают рези-
новые прокладки для выборки возможных зазоров, а также для
предотвращения повреждения поверхности изделия при сварке.
Рис. 5.23. Опоры и/. б, л), применяемые для ультразвуковой сварки объемны
изделий
/ - волновод; 2 - иислпе. 3 - резиновая прокладка; 4- опора
Наиболее высокое качество соединений может быть достиг
Рис. 5-24. Гнездообразная опора
с прижимным устройством:
стоики; 2 - ось; 3 - зоны
- кулачок; 6 - плоские
7 - изделие, 8 - основа-
рукоятка; 10 - пружина
нуто при сварке в гнездообразнь:
опорах-держателях, снабженных до
полнительными прижимными устрой
ствами. Необходимость в дополни
тельных прижимных устройствах воз
пикает в тех случаях, когда при сварю
изделия в какой-либо одной точк
происходит деформация остал ы юй
части изделия.
Конструкция прижи мн ых уст •
ройств может быть различной. Они
могут состоять из пружин, рычагов,
прижимных реек, клиньев и т.д. в
зависимости от конфигурации свари-
ваемого изделия. На рис. 5.24 пред-
ставлена опора с прижимным устрой}
ством, применяемая при сварке ци-
линдрического изделия. В случае
сварки крупногабаритных изделий
п оджати с летал ей одно вре менно
сварки: 5
пружины:
нис; 9
фиксатора
в нескольких точках обеспечивает равномерное прилегание всех
128
сопрягаемых поверхностей и отсутствие деформации изделия
при сварке.
При использовании волноводов с большой излучающей по-
верхностью (ножевых, контурных и т.д.) обязательным условием
получения сварного соединения хорошего качества является
строгая параллельность рабочего торца волновода и поверхности
свариваемого изделия. Если соприкосновение торца контурного
волновода с поверхностью изделия неравномерно, то сварка
также осуществляется неравномерно. Равномерность соприкос-
новения торца волновода с поверхностью изделия может быть
достигнута при использовании прокладки из пористой резины
или пружинной подушки. Для этой цели можно применять так-
же подвижную сферическую опору, имеющую выпуклую форму
(см. рис. 5.23,#). Она состоит из полусферы, которая опирается
1ибо на шарикоподшипники, либо на гнездо со сферической
поверхностью и может свободно перемещаться. На плоской по-
верхности полусферы располагается свариваемое изделие. Такие
опоры в основном применяются при сварке изделий с большой
разнотолщинностыо по периметру.
На свариваемость жестких пластмасс большее влияние ока-
зывают условия хранения соединяемых деталей. Длительное
хранение деталей до сварки приводит к уменьшению прочности
соединения при сварке деталей, длительно хранившихся в атмо-
сферных условиях. Сварку необходимо производить сразу после
отливки деталей, при необходимости следует хранить литьевые
детали в темных холодных помещениях. Хранение деталей в ат-
мосферных условиях при наличии солнечной радиации, влаги и
т.д. недопустимо.
Особое значение при изготовлении изделий из жестких пла-
стмасс имеет однородность материала. Если, например, изделие
изготовлено из отходов производства, в которых содержится по-
листирол различных марок с различными красителями, то при
сварке за счет неоднородности акустических свойств может про-
исходить существенное уменьшение амплитуды смещения по
мере распространения колебаний через деталь к границе контак-
та полимеров. В местах плохого смешения возможна концентра-
ция ультразвуковых колебаний, приводящая к тепловому разру-
шению (прожогу) изделия. Смешение полистирола разных ма-
рок (особенно из отходов производства) приводит также к неко-
торому увеличению времени сварки, а в отдельных случаях - к
ухудшению товарного вида изделия. Для достижения лучшего
качества сварного соединения в этих случаях приходится пере-
ходить от передаточной сварки к контактной, максимально при-
ближая место подвода ультразвуковых колебаний к плоскости
соединяемых поверхностей.
129
Амплитуда смещения волновода и давление выбираются та*
кими, чтобы время сварки не превышало 2 с. Изделия неболь-
ших размеров могут быть сварены за доли секунды. Если время
операции превышает 3-5 с, то материал расплавляется в месте
соприкосновения волновода с поверхностью изделия
Оптимальный режим сварки: время сварки 1-2 с; амплитуда
смещения рабочего торца волновода 25-30 мкм; статическое
усилие прижима 50—100 Н. Изделия, сваренные на этих режи-
мах, имеют хороший внешний вид и успешно проходят испыта-
ния на удар. I
Сварка полистирола. Полистирол является материалом, по от-
ношению к которому ультразвуковая сварка оказалась уникаль-
ным процессом, позволяющим в доли секунды получить качест-
венное соединение; это позволило полностью отказаться oi
склеивания дихлорэтаном, толуолом, бутилацетато.м и другими
вредными для организма человека веществами.
В настоящее время выпускается блочный, суспензионный,
эмульсионный и ударопрочный полистирол. Ниже приведены
значения модуля упругости и ударной вязкости для полистирола
различных типов:
Блочный Суспензион- ный Эмульсион- ный Уларопроч- ный
Модуль упругости при изгибе. 2700 3100 2600 2200
Мпа
Ударная вязкость, кДж/м2 18 20 22 24-35
Ввиду того, что значения этих показателей резко отличаются
друг от друга, можно предположить, что акустическое сопротив-
ление этих материалов также различно. Поэтому для их соеди- I
нения используются разные параметры сварки. Сварка полисти-
рола при изготовлении изделий сложной формы изучалась авто
рами [6|. Экспериментами установлено, что наилучшей свари-•!
ваемостью обладает блочный полистирол. Для получения соеди
нений той же прочности из полистирола других марок требуется
значительно большее время сварки. Благодаря малому времени
сварки при соединении деталей из блочного полистирола в зоне
соприкосновения волновода с изделием не остается следов. ’
Наихудшие результаты получены при сварке ударопрочного по-1
листирола, так как он имеет повышенный коэффициент затуха- ’
ния колебаний и небольшой модуль упругости.
Режимы сварки изделий из полистирола во многом опреде-
ляются формой и размерами (в частности, толщиной стенки)
свариваемых деталей. Амплитуда смешения рабочего торца вол-
новода может быть равна 20-40 мкм. Если амплитуда смешения
волновода слишком велика, то, как правило, происходит раз- ’
130
мягчение и подплавление материала непосредственно под вол-
новодом или поломка изделия.
Статическое усилие прижима при использовании точечных
L волноводов диаметром 15 мм находится в пределах от 20 до 400 Н.
Для круглых контейнеров диаметром от 60 мм требуется усилие
прижима от 50-100 Н. Однако если изделие имеет тонкие стен-
ки, давление должно быть доведено до минимума. Для каждой
I партии изделий сварочное давление выбирается практическим
путем. Если давление слишком велико, наблюдается растрески-
I вание изделия по всему объему. Необходимо, чтобы сварочное
давление прикладывалось постепенно с помошыо прижимных
I или пневматических механизмов и не менялось в процессе свар-
I ки. Как правило, применяется сварочный цикл давление - ульт-
развук (с выдержкой изделия под давлением после выключения
I ультразвуковых колебаний).
При сварке шаров ультразвуком были использованы две схе-
I мы подвода ультразвуковых колебаний: контактная (сварка кон-
турным волноводом - рис. 5.23,я) и передаточная (сварка точеч-
ным волноводом - рис. 5.23,6). При контактной сварке шаров по
I кольцу использовались также волновод трапецеидальной формы
и самоустанавливающаяся опора (рис. 5.23,#)- Диаметр рабочей
поверхности волновода на I мм меньше наибольшего диаметра
свариваемого шара, что дает возможность вводить ультразвуко-
вые колебания в непосредственной близости от сварного шва.
Недостаток схемы заключается в том, что в месте приложения
волновода на изделии оставался след. При передаточной сварке
шаров диаметром до 40-50 мм из блочного полистирола исполь-
зовались следующие режимы: время сварки 0,6-1 с; сварочное
давление 20 Н; амплитуда колебаний 30-32 мкм. Для сварки ша-
ров диаметром 80 мм и больше разработана схема подвода ульт-
развуковых колебаний с двух сторон (см. рис. 5.9,п). Преобразо-
ватели работают от одного генератора мощностью 400 Вт. При
этом используются точечные волноводы с амплитудой колеба-
ний, равной 30-35 мкм, время сварки 1-1,5 с. При двустороннем
подводе колебаний возможна сварка изделий из блочного поли-
стирола и из смеси блочного полистирола с ударопрочным и
суспензионным.
Хорошие результаты получаются при сварке полистирола по
схеме с фиксированной осадкой. При контактной сварке пла-
стин 5 + 5 мм из ударопрочного и суспензионного полистирола
оптимальная осадка зависит от интенсивности режима сварки:
жесткий режим - 0,025 -г 0,03 мм; средний режим - 0,05 мм;
мягкий режим - 0,08 мм.
Большое влияние на качество соединений из полистирола и
производительность ультразвуковой сварки оказывают красители
131
и наполнители, вводимые в полимер. Для окрашивания пластмасс
применяют органические пигменты и жирорастворимые красите-
ли, а также неорганические красители. В качестве наполнителей
широко используются ор[анические и неорганические вещества в
виде порошка, волокон, зерен из карбоната кальция, кремния,
слюды, криолита, порошкообразной металлической пудры, асбе-
ста, кварца, известняка, диоксида кремния и т.д.
Основными свойствами красителей и наполнителей, которые
в гой или иной мере влияют на прочность соединения и произ-
водительность процесса, являются термостойкость, светопогодо-
устойчивость, дисперсность и укрывистость (способность пере-
крывать цвет полимера).
Очевидно, что в материал изделий, предназначенных для
ультразвуковой сварки, должны вводиться термостойкие краси-
тели, так как максимальная температура при сварке полистирола
может превышать 530-550 К. В этом случае в качестве красите-
лей целесообразно использовать органические пигменты, обла-
дающие высокой теплостойкостью. При этом среди них следует
выбирать такие, которые в меньших концентрациях дают нуж-
ный цветовой эффект. Например, широко применяемый в кон-
центрациях 1,5-2,02 г/кг пигмент “голубой фталоцианиновый’* л
термостойкостью 480 К следует заменить на пигмент “синий
антрахиноновый ОА’\ термостойкость которого составляет 530
К, а нужный цветовой эффект достигается при гораздо меньших
концентрациях - 0,1 4- 0,5 г/кг. При этом не только ликвидиру-
ется выгорание красителей и деструкция в месте сварки пласт-
массы, но и повышается производительность процесса и качест-
во соединения [18].
Органические пигменты не всегда дают нужный цветовой
эффект, поэтому приходится применять менее термостойкие
(480-500 К) жирорастворимые красители. Но и в этом случае
следует выбирать такие красители, концентрация которых могла
бы не превышать 0,1-0,5 г/кг. При больших концентрациях жи-
рорастворимых красителей свариваемость ухудшается. Это объ-
ясняется неспособностью к растворению довольно больших мо-
лекул органических красителей в полимерной основе и значи-
тельным их выгоранием. Так, например, используемый на праю
тике жирорастворимый краситель “красный Ж" в коцентрацин
2,5-3 г/кг может быть заменен на краситель “темно-красный Ж"
который в концентрациях до 1 г/кг дает тот же цветовой эффект и
при этом не вызывает ухудшения свариваемости материала. |
При использовании неорганических красителей и наполните^
лей важно, чтобы они обладали высокой укрывистостью и дио
персностыо, что снижает их концентрацию в полимере. Так как
неорганические вещества не растворяются в полимерной основе
132
io для соблюдения однородности свойств по всему объему изде-
лия они должны быть равномерно распределены в ней. По-
скольку более равномерное распределение красителей и напол-
нителей достигается при меньшей их дисперсности, то и свари-
ваемость при этом улучшается. Экспериментально установлено,
что оптимальной концентрацией неорганических красителей и
наполнителей является 5-12 г/кг; отклонение от этих значений в
меньшую или большую сторону приводит к понижению прочно-
сти сварных соединений 118).
В качестве примера неорганического пигмента-наполнителя
можно привести литопон, который позволяет получить белый
цвет, а в сочетании с другими красителями - разные непрозрач-
ные цвета. Порошкообразный литопон обладает невысокой дис-
персностью (размер частиц 1-3 мкм), недостаточной кроющей
способностью (120-140 г/м2), поэтому для получения материала
с требуемыми свойствами он добавляется в полимер в концен-
трациях 20-25 г/кг. Такое большое количество наполнителя за-
трудняет как отливку отдельных деталей, так и получение проч-
ного и качественного изделия. В результате исследований для
устранения указанных недостатков предложено заменить лито-
пон диоксидом титана. Последний также представляет собой
порошок белого цвета, но по сравнению с литопоном он облада-
ет более высокими дисперсностью (размер частиц 0.2-0.8 мкм) и
кроющей способностью (15-25 г/м2), благодаря чему для дости-
жения нужного эффекта его можно вводить в полимер в мень-
ших концентрациях (5-10 г/кг). Кроме того, диоксид титана об-
ладает большей термостойкостью и светопогодоустойчивостью.
При использовании диоксида титана брак во время отливки
I деталей уменьшается на 15%, прочность сварного соединения
увеличивается на 20%, а изменение прочности при длительном
хранении с воздействием различных климатических условий
значительно уменьшается.
При ультразвуковой сварке пластмасс по наиболее распро-
страненной схеме (см. рис. 5.2) передача энергии ультразвука к
границе раздела свариваемых деталей осуществляется через де-
таль, непосредственно примыкающую к рабочему горцу волно-
вода. Это обусловливает ряд недостатков: вследствие затухания
энергии ультразвука в детали, примыкающей к волноводу, к
границе раздела подводится только часть вводимой механиче-
ской энергии, что уменьшает производительность процесса; по-
лучение высококачественного соединения в ряде случаев зависит
от геометрии свариваемых деталей, что сужает номенклатуру из-
делий, которые могут быть изготовлены с помощью ультразву-
ковой сварки; невозможно получать стыковые, тавровые и угло-
вые соединения большой протяженности.
В связи с этим представляется целесообразным вводить ульт-
развуковые колебания непосредственно в зону соединения, ис-
133
пользуя, например, сварку с применением присадочного мате-
риала (см. рис. 5.3). Разделку кромок в этом случае можно про-
изводить также за счет ультразвукового воздействия. Для этого
при стыковой сварке пластин их собирают встык без зазора,
фиксируют в таком положении с помощью зажимов и распола-
гают под волноводом таким образом, чтобы продольная ось ра-
бочего торца волновода совпала с линией стыка. Под действием
статического и динамического ультразвукового усилий происхо-
дит внедрение рабочего торца волновода в изделие и формиро-
вание необходимой разделки кромок. I
Эксперименты показали, что вытеснение пластинированного
материала при этом происходит не только вверх с образованием
грата на поверхности деталей, но и вниз, в зону контакта дета-
лей, что приводит к провалу корня шва. Началу течения незави-
симо от режима сварки соответствует внедрение волновода на
глубину около 1,5 мм, т.е. на 25% от толщины деталей. Действи-
тельно, во всех случаях при таком внедрении наблюдалось обра-
зование провара корня шва за счет выдавленной массы. При не-
сколько большем внедрении, равном 2 мм, наблюдалось равно-
мерное и полное заполнение зоны контакта между деталями.
Разрывная нагрузка при этом составляла 0,56 разрывной нагруз-
ки основного материала. Из этого следует, что дальнейшее уве-
личение глубины разделки нецелесообразно.
Заполнение разделки присадочными материалами привело к по-
вышению несущей способности сварных соединений (рис. 5.25).
Рис. 5.25. Влияние диаметра d и числа
п присадочных прутков на коэффици-
ент прочности К|1р. Значения d (мм) и
п соответственно-
/ - без присадки; 2-5,1 и I; 3 - 5,5 и
1; 4 - 5,7 и 1; 5 - 6,0 и 1; 6 - 4,5 и 2; 7 - 4.8 и
2; <9 - 4.3 и 3
При этом несущая способность
оценивалась по коэффициенту
прочности /Гпр как отношение
разрывной нагрузки сваривас*!
мых соединений Рр к разрыв-1
ной нагрузке основного мате- *
риала Росн на образцах шири-
ной 15 мм и длиной рабочей
части 120 мм.
Из рис. 5.25 видно, что
варьирование числа и диамет»!
присадочных прутков не иривер
ло к существенному изменению
коэффициента прочности, зна-
чения которого колебались в
пределах 0,72-0,87. Такие коле-
бания практически соответствуют доверительным границам для
генеральной средней при уровне значимости о = 0,5, рассчитан-
ным с помощью критерия Стьюдента (пунктирные линии на
рис. 5.25).
134
Таким образом, предлагаемая технология позволяет получить
достаточно прочные стыковые соединения с одновременной
разделкой кромок и заваркой корня шва. Способ обладает рядом
преимуществ перед существующими способами сварки пласт-
масс с присадочным материалом [2, 10], так как отпадает необ-
ходимость механической разделки кромок, зачистки и обезжи-
ривания их, сборки деталей на прихватках или в специальных
приспособлениях, обеспечивающих необходимый для сварки
газор между стыкуемыми кромками.
Сварка полиметилметакрилата. Большинство исследователей
относят полиметилметакрилат (органическое стекло) к материа-
лам, хорошо сваривающимся как контактной, так и передаточ-
ной ультразвуковой сваркой. Ультразвуковая сварка также ши-
роко применяется для соединения сополимеров метилметакри-
лата с метилакрилатом (дакрил-2М) и тройных сополимеров
стирола с метилметакрилатом и акрилонитрилом (МСМ-1,
iMCM-2, МСМ-3) при изготовлении приборов и светотехниче-
ской арматуры автомобилей (катафотов-отражателей).
Основная трудность, с которой приходится сталкиваться при
ультразвуковой сварке полиметилметакрилата, состоит в том,
что при сварке на интенсивных режимах максимальные темпе-
ратуры могут превышать 580 К, т.е. температуру разложения ма-
териала. Уже в первых работах [2, 10] отмечалось, что сварка
полиметилметакрилата должна протекать в интервале темпера-
тур 470-550 К, когда материал находится в вязкотекучем состоя-
нии. Однако поскольку скорость нагрева в интервале температур
от 340 К (переход из стеклообразного в высокоэластическое со-
стояние) до 490 К чрезвычайно велика и составляет от 200-300 К/с
(толщина образцов 10 + 10 мм; А = 30 ч- 35 мкм; Рст = 7,5 МПа;
/“20 кГц) до 800 К/с (толщина образцов 5 ± 5 мм; А == 48
мкм: Рст = 12 МПа;/ = 20 кГц), то мгновенно остановить про-
цесс в области температур сварки практически невозможно.
Вследствие этого в сварных соединениях, получаемых при ин-
тенсивных режимах, всегда наблюдаются продукты деструкции.
Значения максимальных температур, развивающихся на гра-
нице раздела деталей, для пол и метил метакрилата еще в большей
степени зависят от статического давления, чем для полиэтилена.
Приложение Рст > 2 МПа приводит к такому интенсивному
процессу выдавливания материала из зоны сварки, что посту-
пающие в нее новые порции материала не успевают пршревать-
ся. Так, при Рсг = 4 МПа температура в зоне сварки не превы-
шает температуры высокоэластического состояния. Вследствие
этого прочность сварных соединений сильно уменьшается при
увеличении давления.
Учитывая сказанное, сварку полиметилметакрилата следует
вести на мягких режимах, когда А < 20 мкм и Рст < 1,5 МПа. Од-
нако низкий уровень давления не позволяет в полной мере раз-
виться объемным взаимодействиям в зоне сварки. Поэтому для
получения качественного сварного соединения следует приме-
нять цикл сварки (см. рис. 5.16,6*) с переменным давлением,
увеличивающимся после отключения ультразвука. Такой цикл
позволяет повысить прочность соединения деталей из дакрила-
2М при изготовлении автомобильных катафотов-отражателей
в 1,2 раза, а производительность процесса - в 1,5-2 раза по сравне-
нию с таковой в процессе сварки при постоянном давлении.
Для ультразвуковой сварки полиметилметакрилата может
применяться предварительная обработка свариваемых поверхно-
стей растворителями (дихлорэтаном, хлороформом, толуолом и
др.). При этом в достаточно широком диапазоне режимов
(А = 40 50 мкм, Рст = 3,0 ч- 5,0 МПа) можно получить соеди-
нения, равные по прочности основному материалу. Оптималь-
ное время действия растворителя тр > 4 мин, при этом время
ультразвукового воздействия сокращается в 4-5 раз по сравнению
с временем сварки деталей, не обработанных растворителями. |
Сварка винипласта. Винипласт относится к материалам, хорошо
сваривающимся ультразвуком. Температура в зоне сварки должна
составлять 473-533 К, а время пребывания при этой температуре
не должно быть слишком большим, так как при температурах
свыше 413 К может происходить разложение материала. I
Ультразвуковая сварка винипласта может применяться для
получения нахлесточных соединений листов толщиной до 10
мм, стыковых соединений отрезков стержней и труб небольшого
диаметра длиной до 60 мм, угловых и тавровых соединений.
Наилучшие результаты получаются при сварке листов внахлест-
ку точечными швами. При диаметре точки 15 мм максималь-
ная прочность сварных соединений листов толщиной 10+10 мм
на сдвиг (до 80-90% о г прочности основного материала) дос-
тигается в широком диапазоне режимов: А = 40 -г 70 мкм;
Рсг = 1,2 4- 1,3 кН; /св = 1,3 4- 2 с. Длина нахлестки при этом не
должна значительно превышать диаметр точки сварного шва,
так как это нс приводит к повышению прочности сварного со-
единения на сдвиг:
Длина нахлестки. мм...............—................ 15 30 45
Прочность сварной точки на сдвиг. кН ............... 2.3 2,2 1.6
Примечание: диаметр рабочего торца волновода 15 .мм; ширина на-
хяеегки 15 мм; материал - винипласт толщиной 5 мм: продолжительность
сварки 1,4 с; усилие 1,3 кН.
Использование метода точечной ультразвуковой сварки при
изготовлении крупногабаритных панелей из винипласта позво-
ляет увеличить производительность процесса соединений при-
близительно в 10 раз по сравнению с производительностью при
сварке газовыми теплоносителями с присадочным прутком.
136
Несколько худшие результаты получаются при сварке нахле-
сточных соединений ножевыми волноводами поперек нахлестки.
I В этом случае прочность на сдвиг может быть повышена более
чем в 2 раза, а разброс прочностных показателей уменьшен за
I счет зачистки свариваемых поверхностей грубой шкуркой (в
числителе - максимальная, в знаменателе - минимальная проч-
ность на сдвиг, кН):
( варка без зачистки поверхности....................... 2,25/0,95
( варка с зачисткой поверхности....................... 3,50/1.90
Примечание: число испытанных образцов 15; толщи-
на листов 5 + 5 мм; статическое усилие 1 кН; амплитуда 48
мкм; время сварки 5 с.
При ультразвуковой сварке стыковых соединений опреде-
ляющим фактором является величина Рсж. При малых се значе-
I ниях прочность соединений остается невысокой при любых из-
I мснениях параметров режима сварки. С увеличением усилия
I сжатия возрастает и прочность соединений. Экспериментальным
путем установлено, что наибольшая прочность стыковых соёди-
нений достигается при Рсж = (0,5 + 0,7) Гст [18, 211.
5.1.3.2. Сварка мягких пластмасс
‘ При сварке мягких пластмасс, характеризующихся низким
Г модулем упругости и большим коэффициентом затухания ульт-
I развуковых колебаний, в основном используется контактная
I ультразвуковая сварка. Типичными представителями этих пласт-
масс являются полиэтилен высокой и низкой плотности, поли-
I пропилен, пластифицированный поливинилхлорид и др. Харак-
I терная особенность ультразвуковой сварки этих материалов со-
I стоит в значительном тепловыделении не только на границе
раздела свариваемых материалов, но и в объемах, прилегающих
I к волноводу и опоре. Эго приводит к существенной деформации
поверхностей свариваемых деталей, проявляющейся во внедре-
I нии рабочего торца волновода в пластмассу с вытеснением пла-
I стифи пиро ванного материала, причем глубина внедрения может
I составлять более 50% от суммарной толщины деталей. Поэтому
ультразвуковую сварку мягких пластмасс рекомендуется исполь-
ювать для соединения по контуру, чаще с одновременным обре-
t займем материала, выступающего за внешний контур рабочего
I торца волновода. Такие соединения широко применяются при
изготовлении емкостей, контейнеров и труб, использующихся,
I* как правило, для хранения пищевых продуктов, косметики или
продуктов бытовой химии. Поэтому при разработке технологии
сварки таких изделий из мягких пластмасс следует в первую
очередь обращать внимание на влияние затариваемых продуктов
на свариваемость.
137
При исследовании влияния жидких веществ на свариваемость
(спирт или 60%-й раствор поваренной соли в воде) либо по-
верхность образцов смачивалась этими веществами, либо сварка
проводилась при полном погружении образцов в среду. В случае
прослоек пасты (таких, как технический вазелин) или сыпучих
веществ (таких, как технический углерод и мука) последние на-
носились на контактные поверхности ровным слоем толщиной
от 0,03 до 0,1 мм. При сварке с прослойками из 60%-го раствора
соли в воде, технического вазелина и спирта прочность сварных
соединений уменьшается на 3-8% по сравнению с прочностью
соединений, сваренных по чистым поверхностям, а время свар-
ки практически не изменяется. В случае прослоек в виде техни-
ческого углерода и краски прочность понижается на 15-20%, а
время сварки увеличивается. 1
При сварке с прослойками из сыпучих веществ (таких, как
мука, мел, цемент, зубной порошок и т.п.) прочность уменьша-
ется на 40%, и получение соединения становится затруднитель-
ным. Порошкообразные прослойки собираются в комки, созда-
вая очаги непроваров. При размягчении полимера под воздейст-
вием ультразвуковых колебаний часть поверхности очищается
путем выталкивания посторонних включений за пределы шва,
однако некоторая доля прослойки остается и налипает на раз-
мягченную поверхность, препятствуя свариванию. Повышение
прочности сварных соединений в случае сварки по загрязнена
ным поверхностям с жидкими прослойками может быть достиг-
нуто применением сварочного цикла ультразвук - статическое
давление (см. рис. 5.16,и). I
Надежная герметизация продукта обеспечивается не только
правильным выбором режимов ультразвуковой сварки с учетом
предварительной обработки деталей и условий их хранения до
сварки, но и соблюдением специальных условий, снижающих
вероятность образования различных дефектов в сварных соеди-
нениях. Такими дефектами при ультразвуковой сварке мягких
пластмасс являются подрезы, непровары и свищи.
Дефекты могут быть обусловлены следующими причинами: 1)
некачественная заточка рабочего горца волновода; 2) кавитаци-
онные явления в жидкости, заполняющей свариваемую коробку,
вызванные ультразвуковыми колебаниями, что влечет за собой
постоянное загрязнение свариваемых поверхностей; 3) разно-
голщинность свариваемых деталей; 4) ориентация полимера при
отливке в форму. Например, подрезы образуются вследствие
того, чго при сварке торец волновода под действием сварочного
давления внедряется в поверхностный слой, вытесняя размяг-
ченную прослойку. В результате в месте контакта волновода с
деталью происходит утонение соединения. Место утонения яв-
138
ляется концентратором напряжений, Поэтому при приложении
небольшого внешнего усилия в нем происходит разрушение.
Утонение полимера в зоне сварного шва может явиться также
причиной образования свищей, чему способствует явление
“ультразвукового ветра”. “Ультразвуковой ветер” представляет
собой поток воздуха, направленный от торцевой поверхности
волновода к поверхности жидкости. Под действием этого потока
происходит возмущение жидкости. В емкости создается давле-
ние, в результате чего жидкость поднимается по стенкам и стре-
мится выйти наружу. Давление поднимающейся жидкости может
быть настолько значительным, что происходит разрыв полимера в
утоненной зоне шва, т. с. образование свища. Если в процессе
сварки вокруг волновода возникает туман, это свидетельствует о
наличии свищей в сварном соединении. Эти же явления обуслов-
ливают в большинстве случаев и непровары, так как поднимаю-
щаяся по стенкам жидкость поступает па поверхность раздела
свариваемых изделий, препятствуя протеканию процессов сварки.
Очевидно, чем больше вязкость жидкости, тем меньше веро-
ятность ее подъема под действием
“ультразвукового ветра” до поверхности
раздела деталей и тем, следовательно,
меньше вероятность образования свищей
и непроваров. Действительно, иаилучшие
результаты получаются при герметизации
жидких продуктов вязкостью более 4 Пас
пли при замене жидкости воздушной
средой, а наихудшие при герметизации
жидкостей вязкостью (14-500) 10 3 Па с
(вода, спирт). При контактной сварке
для частичного предотвращения “ультра-
звукового ветра” может применяться аку-
стический экран, который собирается из
звукопоглощающих материалов, таких,
как пористая резина, пенопласты и т.п., и
крепится к торцу волновода (рис. 5.26).
Непровары при ультразвуковой свар-
ке могут быть обусловлены также разно-
гол щи н ностыо с вар и ва с м ых и зде л и й.
Исследования по свариваемости мате-
риалов различной толщины (по нери-
Рис. 5.26. Схема сварки ци-
линдрического изделия кон-
турным волноводом с аку-
стическим экраном:
/ - контурный волновод;
2 - звукопоглощающие пласти-
ны; 3 - крышка изделия;
4 - банка; 5 - стакан-опора,
6 - подожка
метру) показали, что для емкостей, наполненных жидкими про-
дуктами, вязкость которых не превышает 1 Пас, допускаемая
разнотолщинность должна составлять не более 6-8%. При свар-
ке емкостей, наполненных жидкостями, имеющими вязкость
4 Па с и более, допускается разнотолщинность до 15%.
Специальная заточка рабочего торца волновода (рис. 5.27) да-
ст возможность избежать подрезов и свищей в зоне сварного
139
шва. а также добиться уменьшения грата. Наиболее хорошее
формирование и усиление шва было достигнуто при нанесении
насечки или накатки на рабочую поверхность волновода. При
этом выступы насечки во избежание просекания изделия необ-
ходимо делать закругленными, без острых углов. При контакт-
ной сварке банок с крышками на внешней стороне волновода
необходимо иметь выступ высотой 0,1 мм и шириной 0,4 мм
(см. рис. 5.27), который, подплавляя края буртика банки и
крышки, препятствует вытеканию жидкости из изделия. При
увеличении высоты выступа до 0,3 мм происходит чрезмерное
полплавление буртиков, в результате чего края имеют вырывы и
ухудшается внешний вид изделия.
Рис. 5.27. Форма загонки поверхности рабочего ториа волновода для сварки
мягких пластмасс толщиной;
п-в - 0.6-1.5 мм <с отрезанием хиостовой части изделия); г-е - 0,3-0,9 мм
При сварке контурным волноводом в центре крышки может
возникать прожог или пробой материала. Было показано, чго!
прожог обусловлен колебаниями крышки с собственной часто-’
той колебаний волновода. Крышка в этом случае колеблется!
аналогично тонкой мембране, зажатой по контуру. При опреде-|
ленных условиях наибольшие динамические напряжения возни-1
кают в центре крышки, чго приводит к усталостному разруше-|
нию. Отсюда следует, что наиболее рациональным способом
предотвращения разрушения крышки является демпфирование
ее в процессе сварки. В качестве демпфера можно использовать
металлическую шайбу, плотно поджатую к крышке пористой
резиной. Эксперименты показали, что при таком демпфиро-1
вании. когда воздушный зазор между демпфером и крышкой
полностью выбран, крышка нс разрушается.
Существенное влияние на качество сварного соединения ока
зываюг форма и расположение опоры по отношению к волновЬ!
ду. При изготовлении системы опора - волновод необходимо
соблюдать соосность и параллельность рабочих поверхностей
волновода и опорных стаканов. При контурной сварке края
опоры, соприкасающиеся с буртиком банки, должны быть за
140
круглены. Хорошие результаты получены при сварке изделий на
четвертьволновой опоре длиной закрепленной на резиновой
подложке. При этом наилучшее качество и стабильность сварного
соединения достигаются только тогда, коша ширина буртика опо-
ры почти равна ширине рабочей поверхности волновода.
5.1.3.3. Сварка полиэтиленовых туб
Ультразвуковая сварка может с успехом применяться для
сварки туб, заполненных пищевыми продуктами (плавленый
сыр, сметана, сгущенное молоко и т.д.) или продуктами бытовой
химии (кремы, шампуни, вазелин, клей
и т.д.), а также шприц-тюбиков, предна-
значенных для одноразовой инъекции
лекарственных растворов. Так как сварка
производится по поверхностям, загряз-
ненным различными продуктами, терми-
ческие способы сварки в данном случае
непригодны.
Процесс затаривания и герметизации
зубы состоит в следующем. Туба с навер-
нутым бушоном устанавливается головкой
Рис. 5.28. Сварка туб:
/ - волновод: 2 - туба,
J - опора
вниз в гнездо стола машины и заполняет-
ся продуктом, а затем хвостовая часть сва-
ривается ультразвуком (рис. 5.28).
Аналогично производится сварка шприц-тюбиков, представ-
ляющих собой тонкостенную полиэтиленовую оболочку, на горло-
Рис. 5.29. Зависимость прочности шприц-
иобика от времени ультразвуковой сварки
Гсп; статическое давление Рсг равно:
/ - 1.5 МПа; 2- 2,2: 3-3,5: 4- 5 МПа
вине которой укреплен метал-
лический колпачок с инфек-
ционной иглой, защищенной
пластмассовым кожухом. Со-
суд, заполненный стерильным
л е карстве! i н ы м раствором,
заваривается в перевернутом
положении по краю оболочки
герметичным швом.
В обоих случаях полиэти-
леновая оболочка имеет тол-
щину от 0,3 до 1 мм.
Общие закономерности
сварки такого рода изделий остаются такими же, как и в опи-
санных выше случаях: повышение интенсивности режима при-
водит к уменьшению времени сварки; наибольшая прочность
достигается при полном передавливании свариваемого материа-
ла с одновременным обрезанием хвостовой части изделия,
вследствие чего на зависимости прочность - время сварки на-
блюдается участок насыщения (рис. 5.29).
141
При выборе режимов сварки такого рода изделий следует ис-
ходить не только из требований обеспечения максимальной произ-
водительности процесса. Применение интенсивных режимов свар-
ки приводит к такому быстрому увеличению скорости внедрении
волновода в пластмассу, чго полное передавливание свариваемого
материала происходит раньше, нежели температура в зоне сварки
достигнет необходимого значения, что приводит к значительному
понижению прочности сварных соединений. В связи с этим ампли-
туда смещения не должна превышать 20-25 мкм.
Понижение прочности сварных соединений с увеличением
статического давления может быть связано и с разнотолшинно-
стыо туб, что довольно часто встречается на практике.
На прочность сварных соединений из полиэтилена значи-
тельное влияние оказывает время проковки (выдержки под дав-
лением после отключения ультразвука). Так, при остывании швч
под нагруженным волноводом в течение 3 с прочность соедине-
ния повышается на 40-45%.
Рис. 5.30. Ультразвуковая
сварка горловин полиэтиле-
новых мешков *'в гармошку"
Ультразвук применяется также для
заварки горловин мешков из полиэти-
лена, наполненных различными’ про-
дуктами. Герметизировать мешки можно
с помощью роликовой сварки по шири-
не мешка, сварки “в пучок” и сварки г
гармошку”. Сварка “в пучок” и “в гар-
мошку” производится за один ход вол-
новода (рис. 5.30). При использовании
этих схем производительность процесс
увеличивается в 3-5 раз по сравнению с обкаткой роликами.
Метки и тубы сваривают ножевым волноводом. Контурная
ультразвуковая сварка позволяет производить укупорку рыбных
продуктов в полиэтиленовые банки диаметром 110 мм. Сварка
происходит за один ход волновода и обеспечивает надежную
герметизацию продуктов при длительном хранении.
5.1.3.4. Сварка синтетических тканей
Ткани на основе капрона, нитрона, лавсана, полипропилена,
хлорина и др. широко применяются для изготовления изделий
технического назначения, фильтров, а также различной одежды,
брезентов, палаток, нетканых материалов и других изделий. 1
Соединение тканей из термопластичных волокон нитками
имеет ряд недостатков. Так, при ниточном соединении тканей,
обладающих большой упругостью, неизбежно образование вол-ч
нистости и гофров, шов делается морщинистым, вследствие чего
ухудшается внешний вид изделия и нарушается герметичность.
Из-за больших скоростей сшивания наблюдаются частые обры-
142
вы нити в результате сильною нагрева ушка иглы. В связи с
этим применяется ультразвуковая сварка синтетических тканей.
Ультразвуковая сварка синтетических тканей, как и пленочных
материалов, может выполняться двумя способами: ткань непод-
вижна, двигается ультразвуковой инструмент-пистолет; ткань
подвижна, сварочная головка закреплена на стационарной уста-
новке. В этих случаях сварка можег быть: шовная, шовно-
шаговая и профильно-прессовая. Свариваются не только синте-
тические ткани, но и ткани с добавлением до 50% натуральных
волокон толщиной от 40 до 4000 мкм.
Для сварки тканей используются ножевые и точечные волно-
воды экспоненциальной формы из титанового и алюминиевого
сплавов.
Капроновую, лавсановую и полипропиленовую ткани толщиной
80-150 мкм сваривают вручную сварочным пистолетом на стальной
шлифовальной опоре. Скорость сварки (1,1-- 1,3) I0 2 м/с, амплиту-
да 30-40 мкм, сварочное давление 1,0-1,4 МПа. Скорость сварки
этих же тканей толщиной 200-450 мкм при шовной сварке на
опоре-ролике составляет (0,6-Д),8) 10"2 м/с.
Особое место в швейной промышленности заняла ультразву-
ковая сварка при изготовлении клапанов, воротничков, петель,
швов рукавов и т.д. Здесь происходит одновременная сварка и
резка ткани. При этом производительность по сравнению с ни-
точным соединением увеличена в 5-6 раз.
В тех случаях, когда требуется высокая производительность
процесса, для сварки синтетических тканей нужно применять
мощные источники питания (от 400 Вт до 1,5 кВт) и металличе-
ские магнитострикционные преобразователи. В других случаях
целесообразно применять более экономичные пьезокерамиче-
ские преобразователи или сварочные головки с ферритовыми
преобразователями мощностью до 400 Вт. Прочность сварных
соединений синтетических тканей и режимы сварки в значи-
тельной степени зависят от материала, из которого изготовлены
волновод и опора. Так, время сварки, необходимое для получе-
ния сварных соединений с максимальной прочностью, при ис-
пользовании волноводов из стали значительно больше, чем при
использовании алюминиевых волноводов. Прочность сварных
соединений, выполненных на стальной и алюминиевой опорах,
почти одинакова, в то время как при сварке на опорах из дерева
и стекла прочность меньше приблизительно на 40% в случае
лавсановой и капроновой тканей и практически равно нулю для
полипропиленовой ткани. При этом сварные швы сильно рас-
плавляются со стороны опоры, теряется их эластичность и уве-
личивается жесткость. Это объясняется низкой теплопроводно-
стью дерева и стекла и, следовательно, слабым теплоотводом из
зоны сварки.
143
Рис. 5.31. Сварные швы синтетических тканей,
выполненные ультразвуковой сваркой
{а - стачные, б - накладные) и схема ис-
пытания накладных сварных швов (в)
На прочность сварных со-
единений влияет также кон-
струкция сварных швов. В
зависимости от назначения
синтетических тканей ис<
пользуются различные конст-
рукции швов (рис. 5.31).
Наибольшее применение no-f
лучили стачные (рис. 5.31,л)
и накладные (рис. 5.31/7)
швы. Ниже приводятся дан-
ные о прочности (в кН/м)
этих швов (в числителе - на-
кладного, в знаменателе - стачного) для трех видов тканей:
Лавсановая (арт. 21710/3) ............13,8/7.2
Капроновая (арт. 22059) ........... ..16,0/8,8
Полипропиленовая (арт 24259/1) .... ..12,3/6.0
Как следует из этих данных, прочность накладных швов поч-
ти на 50% выше прочности стачных швов. Это обусловлено раз-
личной работой этих швов при приложении к ним растягиваю-!
щей нагрузки. Стачные швы при приложении растягивающей
нагрузки к верхнему и нижнему слоям ткани в направлении,
перпендикулярном шву (по такой схеме проводились испытав
ния), работают на расслаивание. Накладные же швы при этом
работают в основном на сдвиг. Составляющая Р\ (рис. 5.31,в),
которая образуется вследствие того, что шов под действием ре-
активного момента занимает равновесное положение, достигает
не более 17% от внешней нагрузки Р, поэтому расслаиванием в
этом случае можно пренебречь.
При многослойной сварке трикотажно-лавсановой тканиЛ
применяемой для фильтрации стерильно чистых веществ, время
сварки с увеличением числа слоев возрастает, а прочность от-«
дельных слоев определяется изменением характера тепловыде^
ления и теплоотвода при увеличении числа слоев ткани.
Разработан новый способ изготовления нетканых материалов, 1
согласно которому волокна холста, ориентированные или рас
пределенные случайно, скрепляются посредством ультразвуке- !
вой сварки (рис. 5.32). При этом холст может состоять из термо-
пластичных волокон (полипропилена, капрона, лавсана, хлорина
и др.) или из смеси этих волокон с хлопком, вискозой, шерстью
и другими нетермопластичными волокнами. В последнем случае
размягченная термопластическая составляющая обволакивает
нетермопластичные волокна, тем самым образуя прочные со-
единения. I
Поскольку волокнистые холсты характеризуются большим
коэффициентом затухания, то их скрепление может произво-
144
литься по схеме контактной ультразвуковой сварки. Для непре-
рывного осуществления процесса наиболее приемлем способ
шовной сварки с шаговым перемещением материала, так как в
этом случае предотвращаются деформации и разрывы нескреп-
|енного холста как в процессе сварки, так и в процессе транс-
портировки готового материала на заданный шаг. При этом
сварные швы могут укладываться как в направлении, перпенди-
кулярном продольной оси холста, так и под углом к оси (рис.
5.32,я,б). Протяженные швы могут быть получены при исполь-
зовании нескольких сварочных головок, установленных таким
образом, чтобы обеспечивалось необходимое перекрытие свар-
ных швов (рис. 5.32,в).
IV AV
а б
Рис. 5.32. Схемы расположения сварных швов при изготовлении нетканых по-
лотен (л. 6) и схема расположения сварочных волноводов (в):
/ - волокнистый холст; 2- сварной шов; 3 - волноводы
5.1.3.5. Сварка искусственных кож
Искусственные кожи (ИК) получают нанесением полимерного
материала на тканую основу из натуральных или синтетических
волокон. Для изделий, не подвергающихся в процессе эксплуата-
ции растягивающим нагрузкам, используются И К без основы -
пленочные материалы, имеющие низкий предел прочности при
растяжении и очень высокое удлинение. При повышенных требо-
ваниях к прочности изделия используются И К с основой из нату-
ральных и синтетических тканей различных переплетений
(полотняного, атласного, саржевого) и нетканых материалов.
Из всего ассортимента выпускаемых в настоящее время И К
70% составляют кожи с поливинилхлоридным (ПВХ) покрыти-
ем. ПВХ-покрытие является многокомпонентной системой,
включающей добавки стабилизаторов, пластификаторов, напол-
нителей, модификаторов и других компонентов, введение кото-
рых позволяет значительно изменить свойства полимера. Так, в
зависимости от вида и количества пластификаторов температура
текучести ПВХ-покрытия находится в интервале от 370 до 440 К.
Ультразвуковая сварка выгодно отличается от других спосо-
бов сварки И К тем, что позволяет получить качественное свар-
145
ное соединение даже тогда, когда в контакте находятся нетермопла-
стичная основа и термопластичное покрытие. Ультразвуковой свар-
кой можно успешно сваривать И К через нетермопластичные лис-
товые или пленочные подложки из материала, совместимого с ма-
териалом покрытия И К, а также при наличии промежуточного
слоя, например из пенополиуретана (ППУ), между слоями ИК или
И К и подложкой. Это обусловлено тем, что при ультразвуковом
воздействии на И К термопластичные покрытия, переходя в вязко-
текучее состояние, могут проникать (фильтроваться) через поры
основы. В момент, когда фронты проникающих материалов встре-
чаются, начинается объемное развитие взаимодействия, приводя-
щее к образованию сварного соединения. 1
При изготовлении элементов отделки салонов транспортных
средств и интерьеров возникает необходимость соединять ИК с
ПВХ-подложкой через промежуточный слой ППУ. В этом слу-
чае моменту окончания фильтрации материала ПВХ-покрытия
через пористую основу и образованию физического контакта
расплава покрытия с ПВХ-подложкой предшествует переход
ППУ в вязкотекучее состояние и удаление его из зоны сварки.
На прочность сварных соединений ИК и стабильность меха-
нических свойств большое влияние оказывает схема управления
процессом сварки. Лучшие результаты достигаются при сварке с
ограничением толщины шва в пределах 0,7-0,9 от суммарной
толшины покрытий или покрытия и ПВХ-подложки. При испы-
таниях сварных соединений на расслаивание разрушение проис-
ходит путем отслаивания покрытия от основы. I
5.1.3.6, Сварка полимерных пленок
Для соединения изделий из полимерных пленок протяжен-
ными швами используют непрерывную сварку, обеспечивающую
получение непрерывных протяженных швов за счет относитель-
ного перемещения волновода и свариваемого изделия. По сте-
пени механизации непрерывная сварка делится на ручную и ме*
ханизированную.
При ручной сварке для получения непрерывных швов любой
протяженности оператор вручную перемещает сварочную голов-
ку, а изделие остается неподвижным. Для этого разработан спо-
соб непрерывной сварки скользящим инструментом
[4, 10, 16, 18]. 1
Механизированная непрерывная сварка осуществляется путем
протягивания материала между колеблющимся торцом волново-
да и опорой или путем перемещения материала с помощью
вращающегося ролика, применяемого в качестве опоры
(сварка на вращающемся ролике) Я
На процесс сварки пленок скользящим инструментом наиболь-
шее влияние оказывает амплитуда смещения волновода-инстру-
146
мента, которую выбирают в зависимости от толщины сваривае-
мою материала в пределах от 20 мкм (при толщине пленок 12 +
+ 12 мкм) до 30 мкм (при толщине пленок 40 + 40 мкм). При
большой амплитуде происходит утонение в зоне шва, и в силу
этого прочность соединений понижается. В случае же малой ам-
плитуды вводимой ультразвуковой энергии недостаточно для
образования прочного сварного соединения.
Меньшее влияние на прочность соединений оказывает изме-
нение силы прижима инструмента к материалу. Установлено, что
максимальная прочность соединений пленок достигается при си-
ле прижима от 4 до 15 Н. Поэтому масса сварочных головок рег-
ламентируется в соответствии с необходимой силой прижима.
Прочность соединений резко падает при перемещении инст-
румента по материалу со скоростью более 3,3 10-2 м/с. В го же
время уменьшение скорости не оказывает существенного влия-
ния на прочность соединений. Установлено, что оптимальная
скорость сварки составляет (2,5^3,3) 10“2 м/с.
Сварка полимерных пленок скользящим инструментом обес-
печивается лишь при определенных условиях. Так, сварное со-
единение удается получить лишь при клинообразной заточке
рабочей части инструмента. Наиболее эффективной формой
следует считать заточку под клин с углом в 35°, имеющий на
конце закругление радиусом 1 мм. В процессе работы инстру-
мент срабатывается, теряет первоначальную форму, и прочность
соединений уменьшается. Поэтому рекомендуется периодически
проверять рабочую часть инструмента. Инструмент следует изго-
тавливать из алюминиевых и титановых сплавов. Эти материалы
имеют малые механические потери, и изготовленный из них ин-
струмент при работе почти не нагревается и не повреждает сва-
риваемую пленку. Максимальную прочность соединений можно
получить, применяя инструмент из Д16, однако этот материал
имеет малую износостойкость.
Кроме перечисленных условий прочность соединений зависит
от подложки, на которую укладывается материал при сварке. Сте-
пень этого влияния определяется чистотой обработки поверхности
и твердостью материала, используемого в качестве подложки.
Влияние этого фактора исследовано при сварке пленки полиэти-
ле нтерефталата толщиной 40 мкм. В результате установлено, что
более высокие прочностные показатели могут быть получены на
стальной подложке с шлифованной поверхностью:
Материал подложки Прочность сварного соединения* Толщина шва, мкм Место разрушения
Сталь 68 79-78 В околошовной зоне
Стекло 43 63-50 По шву
*В % от прочности оскоиного материала, равной 220 МПа
147
Наличие теплоотвода в волновод и опору обусловливает зна-
чительные трудности при сварке тонких пленок. Улучшение
свариваемости тонких пленок достигается за счет увеличении
обшей толщины свариваемого материала. Для этого используют-
ся прокладки, изготовленные как из свариваемого материала,
так и из другого материала, имеющего температуру текучести
выше, чем у свариваемых пленок. Прокладку располагают либо
между инструментом и пленкой (верхнее положение), либо ме-
жду пленкой и опорой (нижнее положение).
Ниже приведены значения прочности сварных соединений (в
Н/м) полиэтилентерефталатной пленки толщиной 5 + 5 мкм
(прочностью 522 Н/м), полученных с применением прокладок
из различных материалов толщиной 5:
Целлофан (6 = 50 мкм).............180-200
Бумага (б = 65-^70 мкм) ..........250-340
Пленка ПЭТФ (6=12 мкм) ...........242-325
Ультразвуковой сваркой могут соединяться лавсановые плен-
ки, имеющие металлизированное покрытие (М РТУ-6-05-1065
68). Ниже приведены режимы сварки таких пленок толщиной 1
мкм и их прочностные показатели при сдвиге: I]
ПЭТФ ПЭТФ ПА
Режим сварки:
амплитуда колебаний инструмента, мкм .15-20 20 25
скорость сварки, м/с .................2 • 10“’ 2 • 10 2
Прочность сварных соединений при сдвиге* * 165-386 205-455
’ 55 55
* В числшелс прочность в Н/м. в знаменателе - в от основного материала.
Основной особенностью сварки на вращающемся ролике явля-
ется деформация материала под рабочим торцом волновода, обу-
словленная термоползучестью и выдавливанием пластицирован-
ного материала из зоны сварки. При поддержании заданных
давления и условий зафиксировано явление, названное автоста-
билизацией толщины шва. В этом случае толщина шва остается
постоянной и практически не зависит от исходной толщины
свариваемых пленок. I
Явление автостабилизации толщины шва объясняется сле-
дующим образом. В процессе термоползучести и вытеснения
пластицированного материала происходит приближение холод-
ного рабочего торца волновода к зоне максимального тепловы-
деления. Это вызывает увеличение теплоотвода из зоны сварки.
При некотором определенном значении остаточной толщины
шва устанавливается динамическое равновесие между тепловы-
делением и теплоотводом или даже количество отводимого тепла
превалирует над количеством тепла, выделяющегося вследствие-
гистерезисных потерь. В результате температура в зоне сварки
становится ниже температуры вязкотекучего состояния, и даль-
нейшее утонение шва прекращается.
148
С технологической точки зрения весьма важным является то,
чго в случае сварки с автостабилизацией толщины шва неста-
бильность режима сварки (в частности, непостоянство скорости
сварки и толщины свариваемых пленок) не оказывает сущест-
венного влияния на прочность сварного соединения, обеспечи-
вая ее высокие значения.
Шовная сварка может осуществляться по схеме “на про-
гяг”, когда пленка протягивается между неподвижной опорой и
колеблющимся торцом волновода (см. рис. 5.15,я) или между
двумя загнутыми волноводами (см. рис. 5.15,6). В обоих случаях
для ограничения вводимой механической энергии можно при-
менять схему “с фиксированным зазором”. Сварка “на протяг”
между двумя загнутыми волноводами позволяет расширить ин-
тервал толщин, при которых еще удается получить сварное со-
единение пленочных материалов в сторону как уменьшения, так
и увеличения толщины изделий.
При протягивании материала через зазор между двумя волно-
водами возможность получения сварного соединения обусловле-
на тем, что уменьшается теплоотвод от разогретой зоны, так как
вместо массивной опоры в схеме используется один из колеб-
лющихся волноводов. В этом случае зона максимального разо-
грева сдвигается к 1ранице контакта свариваемых поверхностей
вследствие того, что теплоотвод в массивную опору отсутствует.
Кроме того, двусторонний подвод механической энергии позво-
ляет значительно увеличить производительность процесса.
5. L3.7. Резка с одновременной сваркой пластмасс
В последнее время получают широкое применение в про-
мышленности и медицине методы ультразвуковой резки с одно-
временной сваркой пластмасс и биологических тканей. В этом
случае производительность возрастает в 10 раз по сравнению с
механическими методами резки.
Сущность способа заключается в том, что на инструмент-
волновод, геометрия которого определяется плотностью разре-
заемого материала, накладываются упругие механические коле-
бания ультразвуковой частоты. Это позволяет значительно сни-
зить усилия резания, улучшает качество обработанной поверхно-
сти при полном отсутствии деструкции полимеров. Микропере-
мещения ревущей кромки способствуют внедрению режущего
клина в обрабатываемую деталь.
Используемые инструменты-волноводы представляют собой
экспоненциальные стержни с режущей частью в виде ножа со
специальной заточкой. В качестве материалов для изготовления
волноводов используются титановые сплавы, а также стали 45 и
ЗОХГСА. В процессе обработки пластмасс волноводы выполняют
функцию колеблющегося с частотой 16-24 кГц ножа.
149
Рис. 5.33. Схема ультразву-
ковой резки пластмасс:
/ - волновод-нож; 2 - вырав-
нивающая грань; 3 - режущая
грань; 4 - срезаемый материал;
5 - опора; А - амплитуда смеше-
ния волновода
При резке пластмасс (рис. 5.33) мож-
но перемещать либо сам волновод-нож,
либо деталь. Волновод-нож / в процессе
перерезания отодвигает срезаемый ма-
териал 4 вверх с помощью продольного
скоса (режущей грани) J, а другой сто-
роной 2 производит выравнивание по-
верхности детали. В этом случае нет от-
ходов в виде стружки и опилок и полу-
чается хорошее качество реза. 1
Режущая часть инструментов-вол по-
водов может быть самой разнообразной
геометрической формы в зависимости
от требуемых геометрических парамет-
ров изделия: круглой, квадратной, пря-
моугольной, дисковой и др. Например,
применяя контурные волноводы со спе-
циальной заточкой, можно получать ме-
тодом ультразвуковой резки из листового материала круглые,
квадратные, прямоугольные, треугольные детали из полистиро-
ла, оргстекла, полипропилена, полиэтилена и др. (рис. 5.34).
Рис. 5.34. Контурные волноводы для резки пластмасс:
п - общий вид применяемых волноводов; б - размеры и форма заточки рабочего торца I
волновода (варианты места И); в- геометрические формы получаемых изделий
Методы сварки и резки можно применять комбинированно. I
Это дает значительный эффект, например, если необходимо
сварить по концам две детали и одновременно отделить их вдоль
150
сварного шва друг от друга (рис. 5.35). Такой метод позволяет
укупоривать продукты в полиэтиленовые тубы.
Рис. 5.35. Схема ультразвуковой сварки с одновременной резкой изделий из
пластмасс;
/ - волновод-нож; 2 - опора с пазом; 3,4 - части разрезаемой детали; 5 - режущая грань
ножа - вол новода
Применяя волновод, показанный на рис. 5.36,6/, можно про
изводить подготовку кромок (рис. 5.36,6), одновременное про
плавление корня шва и по-
следующую сварку соедине-
ния. Материал, вытесняе-
мый в процессе внедрения
инструмента-волновода в
деталь, идет на заполнение
корня шва (рис. 5.36,в). Ес-
ли затем в зону сварки по-
дать расплав полимера, пред-
варительно подняв волно-
вод-инструмент над издели-
ем, можно окончательно зава-
Рис. 5.36. Форма волновода (д), приме-
няемого для V-образной разделки свари-
ваемых кромок (6) с одновременным про-
плавлением корня шва (в) и последующей
сваркой (г):
/ - волновод-нож; 2 - пластмассовый приса-
дочный пруток; 3 - свариваемые детачи
рить шов другой частью этого
же волновода (рис. 5.36, г).
Применяя специальные
волноводы-ножи, плоские
скальпели со специальной
заточкой, можно разрезать
синтетические ткани и пленки в несколько слоев, одновременно
прорезать и сваривать петли на одежде. К рабочему торцу волно-
вода в этом случае предъявляют особые требования. Он должен
обеспечивать резку и сварку контура петли, внешний вид которой
должен отвечать эстетическим и декоративным требованиям.
К особенностям процесса ультразвуковой резки следует отне-
сти то, что режущая кромка торца инструмента не только режет,
но одновременно и оплавляет место разреза ткани, тем самым
151
предупреждая ее осыпание. Кромки разрезанных тканей имею!
красивый внешний вид
5.L4. Оборудование для сварки пластмасс ультразвуком
В настоящее время выпущены два отраслевых стандарта 4
ОСТ 16 0.539.080-79 и ОСТ 0.800.875-81. Первый документ ус-
танавливает единые требования к разработке, изготовлению, ис-
пытанию и приемке машин для ультразвуковой сварки, а второй
устанавливает рациональную номенклатуру машин (их основные
параметры и размеры). 1
Для облегчения обмена научной информацией и проектно-
конструкторской документацией на основе тщательного анализа
структуры технологического оборудования разработана унифи-
цированная терминология для основных узлов сварочных ма-
шин, к которым относятся:
сварочный узел (акустическая система), включающий в себя,
преобразователь энергии, который может быть как магнитоелрик-
ционным, так и пьезоэлектрическим; трансформатор упругих коле-
баний, являющийся согласующим акустическим элементом между
волноводом и преобразователем; волновод-инструмент, через рабо-
чий торец которого ультразвук вводится в свариваемое изделие;
механизм давления, обеспечивающий сжатие свариваемого ма-
териала между волноводом и опорой; I
вспомогательные устройства, обеспечивающие транспортиро-
вание материала;
станина, предназначенная для размещения названных выше
элементов и узлов;
блок управления, служащий для контроля и управления про-
цессом сварки. 1
5.1.4.1. Сварочный узел
Сварочный узел является электромеханической колебатель-
ной системой. Эта система служит для: преобразования электри-
ческой энергии в механическую; передачи этой энергии в зону
сварки: согласования сопротивления нагрузки с внутренним со-
противлением системы и геометрических размеров зоны ввода
энергии с размерами излучателя; концентрирования энергии и
получения необходимой колебательной скорости излучателя.
Система должна работать с максимальным к.п.д. на резонансной
частоте независимо от изменения сопротивления нагрузки.
На рис. 5.37 показана принципиальная схема ультразвуковой
установки для сварки пластмасс. |
Магнитострикционные преобразователи служат для преобразо-
вания электрических колебаний в механические при ультразву-
ковой сварке; их действие основано на машитострикционном
Рис 5.37 Прин ципИ’
льная схема ультра-
звуковой установки для
сварки пластмасс
/ у дыра звуковой ге-
нератор; 2 - устроит во
включения и выключения
v;iы развуковых колебани й;
./ - механизм давления;
•/ - сварочный узел (магнито-
l гр< ткиионны й преобрп зо ва -
ic.-ib); 5 - свариваемые
изделия: 6 - опора
Рис. 5.38. Конструкция
трансформатора у п руги х
колебаний (/), соединен-
ного с пакетом лрсоб|зазова-
теля (2). Частота 21 кГц; сЦ =
60 мм, 3} = 40 мм
эффекте. Послед-
ний заключается в
том, что при про-
пускании через об-
мотку стержня, вы-
полненного из фер-
ромагнитного мате-
риала. переменного
тока высокой часто-
ты происходит из-
менение размера
стержня с частотой,
равной частоте тока.
Магнитострикцион-
ные преобразовате-
л и и з гота вл и ва ют
из ферромагнитных
материалов, никеля,
пермендюра марок
К49Ф5 и К65, аль-
фера марок Ю14 и
Ю12 (рис. 5.38). В
табл. 5.2 представ-
лены свойства неко-
торых магнитострикционных материалов.
Гибли ца 5.2. Свойства некоторых мегаллических магнитострикционных .материалов
Матерна i Химический состав (Д//Л-10-6 с К) \ м/с А 7’кК р. г/см5 £10\ МПа /МО4. Ом
Никель >98% Ni 35 5,0 0,25 653 8.90 2,0 7
Пермендюр К49Ф2 49% Со (1.5-1.81% V. остальное Fc 70 5,2 0.25- 0,37 1253 8,08 2,1 26
Пермендюр К65 65% Со, ос- тальное Fc 90 5.0 0,2 — 8.25 2,2 8
Альфср 13.8% Al. остальное Fc 40 5.1 0.28 773 6.70 1.3-1,8 90
Гиперник 50% Ni, ос- тальное Fe 25 — 0.20 8.30 1,4 46
Для уменьшения потерь на вихревые токи преобразователь
(пакет) собирается из пластин толщиной от 0,1 до 0,2 мм
(рис. 5.39). Преобразователи могут выполняться с обратной аку-
стической связью, что дает возможность осуществлять автопод-
с тройку генератора на частоту механического резонанса преоб-
разователя. В ультразвуковых сварочных кабинах используют в
основном стандартные преобразователи типа ПМС, работающие
на частотах 18-25 кГц.
153
е
н
Рис. 5.39. Двухстсржнс вон преобра-
зователь (пакет).
/ длина пакета, Н ширина и гол-
шина пакета; h - длина окна: е - ширина
окна, b - накладки: а - ширина стержня
В случае индивидуального изго-
то вл е н и я п ре образо вател я сл е ду е i
производить его геометрический и
электрический расчет.
Методика расчета магнитост-
рикционного преобразователя со-
стоит в следующем. При выборе
размеров преобразователя исходят
из мощности, рабочей частоты и
скорости звука в материале. Для
сварки пластмасс наиболее часто
применяется частота 18-25 кГц. Ес
ли известна электрическая мощ-
ность (т.е. мощность Ру ультразву-
кового генератора), подводимая к
преобразователю, и удельная мощ-
ность Руд (Вт/мм2) для применяе-
мого материала преобразователя, го
площадь сечения стержня преобра
зователя определяезся по формуле
' J/ 1 ул- J J
Удельная мощность для материалов преобразователя равн г
для никеля - 0,5-0,8; для пермендюра - 0,9-1,1; для альфера *
0,6-0,8; для феррита - 0,1-0,15 Вт/мм2. I
Ширина окна е (см. рис. 5.29) должна приниматься с учетом
размещения обмотки и в зависимости от мощности Ру: Ц
Рл, кВт...0,25-0.5 0,5-1.0
Е, мм.......8-10 10 14
При квадратном (наиболее часто применяемом на практике)
сечении пакета ширина пластины Н подсчитывается по формуле
1,0-2.2 2.0-3.0
14 16 15-18
где 5 определяется по уравнению (5.1) и равна 5 = На. Тогда ширина ка
стержня составит
а - (И - е)/2 (5.3)
Размер накладки b должен быть по возможности малым, гак
как с его ростом амплитуда смещения излучающей поверхности
уменьшается за счет возникновения изгибных колебаний. I
Размер b определяется из условия I
в > а (Во + (5.4)
где Вс - индукция подмагничивания; Bttl - амплитуда переменной составляю
шей индукции; Bs - индукция насыщения материала магнитопровода.
На практике размер накладки b принимается равным
154
Длина окна пластины h определяется из уравнения собствен-
ных частот двухстержневого преобразователя, которое может
иметь вид
. с (2л 2п/Ъ _
h = — arctg — etg , (5.5)
л/ Н с
|де < скорость распространения звука в материале пакета; f- частота.
Производя расчеты по уравнениям (5.1)-(5.5), можно с доста-
гочной для практики точностью определить длину пластин /:
/ = 2b + h. (5.6)
Число витков обмотки двухстержневого преобразователя п
определяется из выражения
л= 10'°t//(4,44fiCT5/), (5.7)
Г1С и - напряжение возбуждения. В; В,„ - индукция. Т, 5 - плошадь поперсч-
ного сечения стержня преобразователя, мм2; f - частота колебаний. Гц.
Значение индукции в сердечниках магнитострикционных
преобразователей выбирается обычно в пределах: для пермендю-
ра - 0.09-0,12 Т, для никеля - 0,04-0,05 Т. При этих значениях
используется около 0,25 кривой магнитострикции в ее наиболее
крутой восходяшей части.
Ток возбуждения /в равен
4 = (5.8)
Ток подмагничивания /п рассчитывается по формуле
41 = //о//(0,8лл), (5.9)
где - напряженность магнитного поля, которая для пермендюровых преоб-
разователей может быть принята равной 2500 А/м (при частоте f = 21 кГц и
Н.„ = О. I Т)
При общей обмотке возбуждения и подмагничивания значе-
ние тока через обмотку /обш составит
4>бт “ + / п • (5.10)
Сечение провода обмотки преобразователя при этом будет равно
S ~ /общ /Jf (5.11)
Где у - плотность тока в обмотке преобразователя.
При охлаждении обмотки водой значение j может быть при-
нято в пределах 8-10 А/мм2.
После проведения электрического расчета преобразователя по
формулам (5.7)-(5.11) производится проверка возможности раз-
мещения обмотки на стержнях преобразователя. При этом воз-
можное число витков равно
«о = Л(4фЛ),
|дс t/llp - диаметр провода (г/пр = 2 / к ); К - коэффициент укладки, который
может быть принят равным 0.9.
При правильном расчете должно соблюдаться условие > п.
155
Ниже приведены рекомендуемые размеры рабочего сечения и
длины пакетов преобразователей (в числителе - из никеля, в
знаменателе - из пермендюра) для различных значений потреб
ляемой мощности (рабочая частота равна 22 кГц):
Мощность. кВ1 Размеры, мм Мощность, кВт Размеры, мм
0,2 20x10x106 17x16x115 1.5 55x55x107 45x45x112
0,5 35x35x105 25х25х114 2.0 60x60x10S 55x55x111
1.0 45х45х106 35x35x113 2.5 75x75x109 бОхбОх110
Ферритовые преобразователи, нашед i и и е применение
для
ультразвуковой сварки пленок и синтетических тканей, изготав-
ливают из смешанных в определенной пропорции оксидов желе-
за и других металлов (Ni: Со, Мп, Mg, Си) путем прессования и
последующего отжига. Подмагничивание ферритовых преобра-
зователей создается с помощью постоянных магнитов, в качест-
ве которых используются ферритовые магниты; охлаждения
преобразователей не требуется.
Разработаны ферритовые преобразователи с резонансными
частотами 21, 23, 27. 75 и 155 кГц. При резонансных частотах 2л
и 27 кГц ферритовые преобразователи могут устойчиво работать
с амплитудой 3 мкм; максимальная удельная акустическая мощ-
ность излучения при этом составляет 70 кВт/м2. 1
В пьезоэлектрических преобразователях, относящихся к i руппе
электромеханических преобразователей, преобразование элетя
гричсской энергии в механическую и наоборот основано на
свойстве некоторых природных минералов - пьезоэлектриче-
ском эффекте. Пьезоэлектрический эффект заключается в том,
что на гранях специально вырезанных кристаллов при приложе-
нии к ним механического воздействия возникают электрические
заряды. Возможен и обратный эффект: при сообщении граням
кристалла электрических зарядов кристалл изменяет свои гео-
метрические размеры - деформируется. L
Если пластину из кристаллов подключить к электрическому те
нератору высокой частоты, она преобразует электрические колеба
ния в упругие механические волны. Мощность этих колебаний бу
дет зависеть от частоты, площади кристалла и приложенного к не
му напряжения. Пьезоэлектрическими свойствами обладают при
родные кристаллы таких веществ, как кварц, турмалин, сегнегоц
соль. Эти свойства имеют и искусственно выращиваемые кристал-
лы: метаниобат свинца, ниобат лития, сульфат лития и дру
Находят применение преобразователи из поликрисгаллическич
материалов, получаемых из порошкообразного сырья обычными
методами порошковой технологии. К наиболее известным поли-
кристаллическим керамическим материалам относятся: титанаI
бария, цирконат-титанат свинца и метаниобат свинца. д
156
В мощных ультразвуковых пьезокерамических преобразовате-
1ях обычно применяют пластинки или кольца из материалов на
базе твердых растворов РЬТЮз-РЬ7Юз, вытеснивших ранее ис-
пользовавшийся титанат бария. Выпускаются пьезокерамические
элементы различных форм, диаметров и толщин и разного на-
значения. Их преимущества заключаются прежде всего в высо-
кой активности, достаточно большом коэффициенте механиче-
ской добротности и малом коэффициенте электрических потерь.
Кроме того, такая пьезокерамика отличается относительно вы-
сокой механической прочностью.
Пьезоэлектрические преобразователи с накладками, предло-
женные Ланжевсном, особенно часто применяются в мощных
ультразвуковых установках. Это определяется их свойствами и
теми преимуществами, которыми они обладают по сравнению с
другими типами преобразователей: затраты на материалы для
преобразователей с накладками малы в связи с использованием
небольших тонких керамических дисков или колец (диаметром
30-70 мм); преобразователь с накладками легко согласуется по
частоте в принятом диапазоне, его несложно соединить с согла-
сующими элементами, т.е. приспособить к любой нагрузке при
выполнении технологических операций; электроакустический
к.п.д. такого преобразователя довольно высок (примерно вдвое
выше, чем у магнитострикционных преобразователей), он дос-
читает 90% даже при мощном возбуждении; благодаря большой
емкости преобразователей и низкому электрическому сопротив-
чеиию облегчается их сопряжение с питающим полупроводни-
ковым генератором; пьезокерамика устойчиво работает при тем-
пературах до 493-510 К; охлаждение естественное, воздушное.
Около 80% выпускаемых преобразователей составляют пьезо-
керамические преобразователи с накладками. Для сварки пласт-
масс выпускают преобразователи с накладками мощностью от 5
до 5000 Вт. В Словакии выпускаются пьезоксрамическис преоб-
разователи с накладками мощностью 5, 20, 500, 1000 и 1600 В г,
предназначенные для периодической и непрерывной работы в
машинах для микросварки и сварки пластмасс и металлов.
Схема преобразователя с накладками (рис. 5.40) проста и
удобна. Преобразователь состоит из двух пьезоксрамических
дисков-колец 2 толщиной 6 мм с нанесенным с обеих сторон
серебряным покрытием. К этим покрытиям прикладывается
электрическое напряжение возбуждения, создаваемое генерато-
ром. Для питания применен электрод 3 толщиной 0,1-5 мм.
Электроды большой толщины предназначены еще и для отвода
тепла с внутренней стороны керамических дисков. Параллель-
ное соединение двух дисков обеспечивается металлическими
накладками 1 и 4. Внешние электроды заземлены, а средний
электрод, обозначенный (+), представляет собой так называемый
“живой” провод из луралюмина, латуни или фольги из фос-
157
фористои бронзы. Накладки I ул 4 скрепляют болтом. Надежная
механическая связь между дисками, электродами и накладками
обеспечивается склеиванием или пришлифовкой. Заднюю ци-
линдрическую металлическую накладку называют отражателем, а
переднюю 4 - радиатором или
излучателем, с помощью кото-
рого ультразвуковые волны
передаются непосредственно в
зону сварки через волноводы-
инструменты. Подбирая соот-
ношения волновых сопротив-
лений пьезокерамического
диска и накладок / и 4. можно
добиться того, что преобразо-
ватель будет излучать энергию
преимущественно в одном на-
правлении, т.е. в направлении
радиатора 4 с большой ампли-
тудой смещения, как полувол-
изготавливают из дуралюмина.
Рис 5.40. Пьеюкерамический преобразователь с
накладками
а - модель полуволнового преобразователя и
характеристики смешения Л и механического
напряжения о; б - конструкция преобразователя
(7 - отражатель: 2 - пьезоксрамическос кольцо:
3 - электрод; 4 - радиатор; 5 - стяжной болт)
новой преобразователь. Радиатор 4
магния, а отражатель - из стали, латуни, алюминиевой бронзы.
Независимо от типа применяемого преобразователя амплитуда
смешения его невелика и составляет 3-5 мкм. Для увеличения
амплитуды колебаний к преобразователю присоединяется транс- 1
форматор упругих колебаний, а к последнему - волновод. Зада-
ваясь определенным законом изменения площади поперечного
сечения трансформатора и волновода, можно увеличить ампли-
туду смешения торца преобразователя в 5-10 раз. В
Трансформатор упругих колебаний и волновод. Трансформатор I
упругих колебаний является промежуточным звеном между пре- I
образователем и волноводом и служит для согласования пара-
метров преобразователя и нагрузки, а также для увеличения ам-
плитуды колебаний на его выходном торце (см рис. 5.38), I
В большинстве случаев используются ступенчатые трансформа-Я
торы, имеющие наибольший коэффициент усиления (отно- ‘
шение амплитуды на выходе к амплитуде на входе). Трансформа-1
тор упругих колебаний имеет на выходном горце резьбовое отвер-
стие для присоединения к нему волновода, что позволяет путем
смены волноводов сваривать на одной установке изделия различ-
ной конфигурации. Волновод предназначен для усиления ампли-
туды колебаний выходного торца трансформатора и передачи ме-1
ханической энергии от последнего к нагрузке (к месту сварки).
Материал, предназначенный для изготовления волноводов и
трансформаторов упругих колебаний, должен обладать хороши-
ми упругими свойствами, низким декрементом затухания, высо-
кой усталостной прочностью, хорошей обрабатываемостью рсзани-
158
ем и невысокой стоимостью. К таким материалам относятся алю-
миниевые и штановые сплавы, а также стой ЗОХГСА, 45 и 40Х.
В табл. 5,3 приведены значения плотности р, модуля Юнга Е и
скорости продольных волн с в стержне для некоторых материалов,
используемых при изготовлении элементов колебательной системы
в ультразвуковых установках для сварки полимерных материалов.
Габмца 5.3. Свойства материалов, используемых при изготовлении элементов
колебательной системы
Материал р. г/см-' Е. МПа с, м/с Материал р, г/см-' Е. МПа с. м/с
Алюминий 2.7 7100 5080 Алюминиевый 2,6 7] 00 5200 сплав AM Г Сталь 45 7.8 21000 5175 Сталь ЗОХГСА 7.8 21000 5200 Титановый сплав: ВТ-1 4.55 11300 5072 ОТ-4 4.55 11300 5141 ВТЗ-1 4.55 11300 5178 ВТ-4 4,55 11300 5130 Феррит 5.27 17900 5940 Никель HI, 8.9 20000 5090 Н2 Альфср. Ю-12 6,7 18000 4850 IO-14 6,65 18000 5100 Пермендюр- К49Ф2 8,15 21100 5200 К5ОФ2 8.29 21800 5100 К65 8,25 22000 5000 К70 8.25 22000 5000 Пермалон 8,25 22000 4100
Трансформатор упругих кочебаний соединяют с магнитост-
рикционными металлическими преобразователями преимущест-
венно с помощью пайки. Широкое применение для этой цели
получили высокотемпературные припои на основе серебра,
алюминия, меди и других металлов.
Трансформатор с ферритовыми преобразователями соединя-
ют с помощью специальных клеевых составов на основе эпок-
сидных смол.
50-60 мкм 30-Ь0мнм 25-30 мкм 10~15мнм
а $ 6 г
Рис 5.41. Зависимость амплитуды колебания Л от формы волновода:
а - ступенчатый; 6 - катеноида л ьный; в - экспоненциальный, г — коническип
Усиление амплитуды колебаний достигается использованием
сужающихся по определенному закону волноводов (рис. 5.41). Для
сварки в основном применяются волноводы четырех типов: ци-
линдрические (ступенчатые), экспоненциальные, катеноидальные
и конические волноводы с точечной, ножевой (прямоугольной),
контурной, клиновидной рабочей (излучающей) поверхностью.
В последнее время созданы волноводы новых форм: контурные с
диаметром рабочего торца до 120 мм; ножевые с длиной рабочей
части, достигающей 300 мм; волноводы с изменяемым направ-
лением колебаний и др. В габл. 5.4 приведены формулы для
расчета волноводов и трансформаторов упругих колебаний.
159
Таблица 5.4. Формулы для расчета основных характеристик волноводов круглого поперечного сечения
Волновод
Ступенчатый,
цилиндрический
Экспоненциальный
Волновод
Экспоненциальный
Катеноида льный
Закон изменения
образующей
при 0 < х <.1/2
Dx- Т>2
при 1/2 <. х<>1
Dx = П|г'рт
Теоретический коэффициент усиления амплитуды Резонансная полуволновая длина, мм Координата узла смешения, мм Координат максимального напряжения, мм
fZ)|V 2 Л = — = N2 у IpJ /Л=-£- 2 2/ / с х° = 2 ' 4/ / С Хт " 2 “ 4/
Окончание табл 5 4
Закон изменения образующей Теоретический коэффициент усиления амплитуды Резонансная полуволновая длина, мм Координата узла смещения, мм
Dx = jDj( 1 ~а*х) ...iA ку = J ,+ ~ \ Л / :Г<Л’ (а 1 J X а/ = ГТ /) - корни урав- нения; tg(a/) = а/ / ( сс х = - arctg 0 a Va'7 св а = — с
1 ^2JL+t S-N)2
Dx = Z>|Chv(/ - х) 1 v = - arcchA Лу 2V , X т х0=77х Л (к' л х arctgl —etgv/1
cos(£7) 1 — — X 2
ky> N X- к (k'l)2 +(arcch/V)2
1 п~ (к'1) - корни уравнения; 7+(gO7)_= -J1——arcchV v .v2
к =^а -v“
Координата
максимального
напряжения, мм
5. 1.4.2. Классификация ультразвуковых сварочных машин
Современные ультразвуковые сварочные машины можно
классифицировать по следующим признакам:
по видам свариваемых соединений - на машины для точечной,
многоточечной, контурно-рельефной, шовной и шовно-шаговой
сварки. Первые три типа машин позволяют осуществлять прессо-
вую контактную или передаточную ультразвуковую сварку;
по-
следние два типа машин служат для получения непрерывных про
тяженных прямолинейных или криволинейных швов;
по степени автоматизации - на автоматы, полуавтоматы и ма
шины с ручным управлением основными и
вспомогательными
операциями;
по назначению - универсальные машины общего назначения
позволяющие производить сварку изделий широкой номенкла
туры, и специализированные машины;
по характеру установки машины - на стационарные и пере-
носные; стационарными являются, как правило, машины для
прессовой и шовной ультразвуковой сварки; к переносным ма-
шинам относятся, например, ручные пистолеты небольшой
мощности;
по характеру взаимного перемещения свариваемого материала
и волновода - на машины с подвижным и неподвижным акусти- ]
ческим узлом;
по способу создания статического давления - на машины, и
которых давление осуществляется через волновод и через опору;;
по количеству рабочих позиций - на одно-, двух- и многопо-
зиционные; однопозиционные машины имеют одну рабочую
позицию, на которой может осуществляться односторонняя или
двусторонняя сварка; в многопозиционных машинах сварка из-
делий может производиться одновременно или поочередно с
помощью нескольких акустических головок от одного или не-
скольких сварочных генераторов.
5. 1.4.3. Устройство некоторых сварочных машин и установок
Стационарная универсальная сварочная машина модели УПМ-21,
разработанная в МГТУ им. Н.Э.Баумана, предназначена для
контактной и передаточной ультразвуковой сварки сложных из-
делий из полистирола различных марок и других пластмасс, «I
также для запрессовки в них металлической арматуры [18].
Машина УПМ-21 (рис. 5.42) состоит из станины 3 со столом
/5, на котором закреплен кронштейн 14. По направляющим
кронштейна 14 перемещается платформа 13 с закрепленным на
ней установочным кронштейном 12, в котором крепится сва-
рочный узел 10. В состав сварочного узла входит волновод 9,
соединяемый с трансформатором упругих колебаний резьбовой
162
Рис. 542. Устройство свароч-
ной машины УПМ-21:
/ - пеаа.п>. 2, Л* - тяги; .? - ста-
нина: 4 - рейдирующий винт;
5 - механизм ia идеи ня; 6 - кой-
не пои выключатель; 7 - пружин-
। f ая опора; 9 вол i ювол-
ииструмент; 10 - сварочный узел
(акустическая система); 11 - шлан-
III .ня подвода охлаждающей
воды. 12. 14 кронштейны;
13 - платформа; 15 ~ стол;
/6 - штуцер; 17 - противовес:
18 - пружина; 19 - клеммная
коробка
шпилькой. Перемещение платформы 13 осуществляется при на-
жатии на педаль I. Педаль и платформа связаны тягами 2 и 8.
Для возвращения сварочного узла в верхнее положение служат
пружина 18 и противовес 77
Укладка изделий производится в мо-
мент нахождения сварочного узла 10 в
верхнем положении. Изделие, предвари-
тельно уложенное в кондуктор, распо-
лагается на столе 15 (на пружинной
опоре 7). При нажатии педали 7 проис-
ходит опускание кронштейна 12. преоб-
разователя и волновода 9, в результате
чего изделие с некоторой силой зажима-
ется между волноводом и опорой. Дав-
ление регулируется со стороны опорного
стопа-опоры винтом 4. В момент зажа-
тия изделия включается ультразвук и
производится сварка.
Коммутирующие элементы обеспечи-
вают включение и выключение ультра-
звуковых колебаний в ручном режиме -
с помощью кнопки, установленной на
генераторе, и в автоматическом режиме -
с помощью концевого выключателя 6,
установленного под рабочим столом
машины 75.
В машине могут быть использованы два
типа преобразователей: ПМС 1М МВТУ
(материал пакета - пермендюр; частота
21,5 кГц; мощность 1,6 кВт) и ПМС 2М
МВТУ (материал пакета - никель; частота
21,5 кГц; мощность 0,6 кВт). Охлаждение
в обоих случаях водяное. После незначи-
тельных конструктивных изменений машину можно применять
для двусторонней сварки.
В машине используются сменные волноводы (ножевые, кон-
турные или точечные) в зависимости от формы свариваемых из-
делий и характера сварки.
Время сварки одного изделия от 0,1 до 10 с. Усилие прижима
от 0 до 500 Н. Максимальное расстояние между рабочим торцом
волновода и опорой до 200 мм. В комплекте с машиной УПМ-21
возможно применение ультразвуковых генераторов типа УЗГ 5-1,6/22
и УЗГ 3-0,4, габаритные размеры машины 530x740x1300, масса 85 кг.
Универсальная стационарная сварочная машина типа МТУ-1,5-ЗУ4
Разработана ВНИИЭСО и серийно выпускается Калининград-
163
ским заводом "Электросварка”. Она предназначена для точеч-
ной и контурной ультразвуковой сварки изделий из полимерных
материалов. На машине можно получать нахлесточные, тавровые
и угловые соединения изделий различной конфигурации из по-
листирола, полиамидов, капрона, полиметилметакрилата, поли-
этилена {22-24J.
Машина состоит из сварочного устройства и источника пита-
ния - ультразвукового генератора УЗГ 5-1,6/22 или УЗГ 13-1,6.
Рис. 5.43. Схема сварочной машины МТУ-1,5~ЗУ4:
/ - сварная стойка; 2 - коробка для слива воды; 3 - реле для контроля воды; 4 - регулятор
давления; 5, 6 - кожухи; 7 - регулятор цикла сварки; 8 - подшипник; 9 - пружина; 10 - шток
пневмоцилиндра; // - ползун; 12 - сварочный узел; 13 - кронштейн; 14 - волновод; 15 - опора;
16 - кнопка аварийного отключения; 17 - кнопка включения; 18- зажим сварочного узла
Сварочное устройство (рис. 5.43) крепится на сварной стойке
7, на верхнем кронштейне которой в направляющих на под-
шипниках качения 8 перемещается ползун 11с Г-образным
кронштейном 13. На переднем конце кронштейна находится
сварочный узел 72 Ползун 11 соединен со штоком пневмоци-
линдра 10, корпус которого закреплен на вертикальной стенке
кронштейна стойки 1.
На машине предусмотрено плавное регулирование расстоя-
ния по высоте (на 200 мм) между сменным волноводом 14 сва-
рочного узла и сменной опорой 75, предназначенной для уста-
164
новки свариваемых деталей. Вылет акустического узла 300 мм.
Две пружины 9 предназначены для компенсации веса подвиж-
ных частей. На верхней плоскости стола установлены регулятор
цикла сварки 7 и панель 4 с кнопками управления, манометром
и воздушным редуктором. Все элементы сварочного устройства
прикрыты съемными кожухами 5 и 6.
Внутри вертикальной части стойки установлено реле Л кон-
тролирующее поток воды в системе охлаждения.
Включение сварочного цикла машины производится с помо-
щью двух кнопок 77, для аварийного же отключения предназна-
чена кнопка !6.
Электрическое устройство включает в себя регулятор цикла
сварки (РЦС) и элементы, обеспечивающие включение, выклю-
чение, сигнализацию и защиту сварочного устройства. Регулятор
цикла сварки обеспечивает автоматическое управление машиной
по следующему циклу: опускание сварочного узла; включение и
выключение ультразвуковых колебаний; дополнительное сжатие и
выдержка изделия под давлением без действия ультразвуковых
колебаний; подъем сварочного узла.
В машине предусмотрена возможность работы по сложной
циклограмме приложения сварочного (от 80 до 400 Н) и проко-
вочного усилия с увеличением последнего после окончания воз-
действия ультразвуковых колебаний от 160 до 800 Н или с вы-
держкой свариваемых деталей под давлением, равным свароч-
ному. Мощность преобразователя 1,5 кВт, частота 22 кГц; мате-
риал - пермендюр; охлаждение водяное; привод механизма дав-
ления - пневматический; время сварки регулируется от 0,1 до 10
с; масса машины (с генератором) 445 кг. Машина может приме-
няться в различных отраслях народного хозяйства.
Специализированная стационарная сварочная машина типа
УПК-15М1, разработанная в МГТУ им. Н.Э. Баумана, предна-
значена для сварки емкостей из полиэтилена (рис. 5.44). Сва-
рочная операция по всему контуру изделия осуществляется за
одно движение волновода. Применение контурного волновода
диаметром 110 мм позволяет производить надежную герметиза-
цию изделия за 2-6 с при толщине изделия от 0,4 до 1,5 мм.
Машина предназначена для выпуска крупных серий продукции
при работе в неблагоприятных условиях (попадание на установ-
ку воды и агрессивных сред). Машина многопозиционная, имеет
один вертикально перемещающийся сварочный узел и поворот-
ный стол с шестью гнездами-опорами 118].
Машина УПК-15М1 работает следующим образом. Коробки
из полимера, наполненные пищевыми продуктами и закрытые
крышками, вручную укладываются в стаканы 9 поворотного сто-
ла 10. При повороте стола на 60° толкатель 2 сходит с выступа
кулачка 7, в результате чего опускается кронштейн 3 со свароч-
165
УЗГ
Рис. 5.44. Устройство сварочной ма-
шины типа УПК-15М1:
/ - выступ кулачка. 2. 8 - толкатели.
-7 - кронштейн; 4 - поджимные пружины.
5 - прижимная ийка; 6 - сварочный узел
(акустическая система); 7 - волновод-
инструмент; 9 - опорный стакан. Ю - пово-
ротный стол
ным узлом 6, который с опре-
деленной силой (регулируемой
подвижной пружиной 4) зажи-
мает коробку между волново-
дом и стаканом. В момент зажа-
тия коробки включается ультра-
звук и производится сварка из-
делия. Поворот стола осуществ-
ляется с помощью мальтий-
ского креста. Во время сварки»
когда стол неподвижен, кулачок
продолжает вращаться; при
подходе выступа 1 к толкателю
2 последний поднимает сва-
рочный узел 6; стол 10 повора-
чивается в следующую пози-
цию, а сваренная коробка сни-
мается с машины толкателем 8
Ре гул и ро ва н ие п ол оже н и я
сварочного узла 6 выполняется
шестью винтами, расположен-
ными в кронштейне под ним
При помощи этих винтов уда-
ется обеспечить точное и бы-
строе регулирование парал-
лельности поверхности кон-
турного волновода 7 и поверх-
ности опорных стаканов 9.
В целях стабилизации механических свойств сварного шва
выбран способ отключения ультразвукового импульса по задан-
ной деформации или по остаточной толщине сварного шва.
Мощность преобразователя 2,5 кВт; частота 19,5 кГц; материал 1
пермендюр; статическое усилие прижима от 10 до 700 Н; произ-
водительность до 7800 изделий в смену; генератор УЗГ 3-4М. J
Полуавтоматическая стационарная универсальная машина УЗП-5.
разработанная Исследовательским институтом механизации и
автоматизации (Словакия), предназначена для получения ком-
бинированных соединений пластмасс с металлами путем запрес-
совки заклепок и металлических винтов в предварительно про-
сверленные отверстия. Кроме того, на машине производится
сварка изделий из полистирола различных марок. Машина мо-
жет работать как в дискретном режиме (мощность колебатель-
ной системы варьируется в течение технологического сварочною
цикла от 60 до 630 Вт), так и в непрерывном режиме при уста-
новленной постоянной мощности.
166
Рис. 5.45. Схема сварочного
пресса типа УПУ-1
/ - кронштейн, 2- 1ьчак|юрма:
3 - передняя крышка; 4 - крыш-
ка е пазом; 5 - корпус. 6 - сва-
рочный узел; 7 - педаль: Л’ - cia-
нина
Транзисторный ультразвуковой генератор обеспечивает по-
стоянство установленной амплитуды колебаний рабочего торца
волновода в течение всего цикла сварки. Мощность генератора
630 Вт; преобразователь - пьезокерамический типа “сэндвич",
диаметр пьезокерамических пластин 38 мм; статическое усилие до
100 Н; рабочий ход волновода до 50 мм.
Стационарный специализированный
сварочный пресс типа УПУ-1 (рис. 5.45)
разработан ВН ИИЛтекмашем совместно
с МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Ультразвуковой сварочный пресс УПУ-1
предназначен для изготовления петель и
закрепок размерен 10x40 мм на деталях
одежды, изготовленных из ткани и три-
котажа с содержанием не менее 65% по-
чиамидных и полиэфирных волокон.
Пресс монтируется на индивидуаль-
ном рабочем столе. Сварочный узел рас-
положен под крышкой рабочего стола и
крепится к платформе тремя винтами.
Фиксированный зазор между опорой и
волноводом регулируется ог 0 до 1,0 мм.
Управление прессом осуществляется
с помощью педали, которая служит для
включения пневмопривода. Включение
блока управления - кнопочное; кнопка
установлена справа в передней части панели стола.
Пресс УПУ-1 снабжен набором сменных рабочих инструмен-
тов-волноводов ножевого типа, изготовленных из титанового
сплава ВТЗ-1 и дуралюмина Д-16. Дчя придания прочности, эла-
стичности и красивого внешнего вида сварным швам на торце
волноводов сделаны рифления. На рабочем торце волновода,
предназначенного для ультразвуковой сварки петель, имеется паз
глубиной 10 мм и шириной 0,8 мм для прохода ножа. Мощность
преобразователя 1,6 кВт; частота 22 кГц; материал - пермендюр;
статическое усилие прижима от 50 до 5000 Н; производительность
4800 петель в смену; толщина свариваемого материала до 5 мм;
генератор УЗГ 5-1,6/22; масса машины (без генератора) 50 кг.
Стационарная полуавтоматическая машина модели УПШ-12, раз-
работанная в МГТУ им. Н.Э. Баумана, предназначена для сварки
синтетических тканей из лавсанового, полипропиленового и ка-
пронового волокон толщиной от 100 до 1000 мкм (рис. 5.46). Осо-
бенность машины УПШ-12 состоит в том, что для повышения
прочности сварного соединения за волноводом установлен прока-
тывающий ролик, укрепленный на кронштейне станины. Вслед-
167
ствие того, что ткани имеют большую теплоемкость и малый ко-
эффициент теплоотдачи, сварной шов подходит к ролику еще не
остывшим, поэтому прокатка происходит при повышенной тем-
пературе. В результате прокатки прочность сварного соединения
повышается на 4-5% по сравнению с прочностью сварного шва,
полученного без прокатки. Предусмотрено регулирование поло-
жения прокатывающего ролика в зависимости от толщины свари-
ваемой ткани, что позволяет при сварке прокатывать ткань с раз-
личной силой прижима. Установочный винт служит для регули-
рования зазора между торцом волновода и опорой от 0 до 5 мм.
Рис. 5.46. Устройство сварочной машины модели УПШ-12:
/ - преобразователь; 2 - трансформатор упругих колебаний; 3 - волновод-инструмент;
4 - опора-ролик; 5 - рабочий стол; 6 - ограждение преобразователя (сварочного узла).
7 - прокатывающим ролик; 8 - протягивающие ролики; 9 - установочный винт и ганка
Ю - станина; / / - подвижная панель
Установка УПШ-12 комплектуется никелевым преобразователем
мощностью 0,4 кВт с частотой 22 кГц, работающим от ультразвуко-
вого генератора УЗГ 3-04. При использовании генератора малой
мощности (20 Вт) в машине может быть использован ферритовый
преобразователь с воздушным охлаждением. Скорость перемеще-
ния ткани до 0,07 м/с; статическое усилие прижима до 300 Н. I
Полуавтоматическая стационарная машина УПШ-19*, разрабо-
танная в МГТУ им. Н.Э. Баумана, предназначена для шовной
'Машины типа УПМ-21, УПК-15М1. УПШ-12 и УПШ-19 разработаны автором
совместно с И.Н. Гараниным. Ю Н. Орловым. В.И. Николаевым, Р.Е. Астаховой и
Л Л. Варламовой.
168
сварки дублированных пленочных материалов типа полиэтилен
целлофан (ПЦ-2) и полиэтилен-лавсан толщиной 70-90 мкм.
В машине используется схема автостабилизации толщины свар-
ного шва. Сварка пленок производится по загрязненным по-
верхностям. Машина позволяет сваривать швы любой протя-
женности; мощность электродвигателя равна 0,15 кВг,
Машина УПШ-19 применяется для изготовления рукавов и
пакетов при упаковке пищевых продуктов.
Схема машины приведена на рис. 5.47. На станине 2 свароч-
ной машины крепятся следующие основные узлы и механизмы:
преобразователь 4 и протягивающие ролики 5, связанные по-
средством цепной передачи с электродвигателем 8. Свариваемая
пленка, перемещаясь между роликом-опорой 6 и волноводом 5,
поджимается к последнему пружиной 7. Сваренная пленка на-
матывается на приемный барабан или поступает для дальнейшей
обработки на рабочий стол. Сварочное усилие прижима регули-
руется пружиной 7. Сварка с роликом при постоянном давлении
позволяет на машине УПШ-19 выдерживать стабильную толщи-
ну сварного шва при колебаниях исходной толщины материала
до 25%, скорости сварки - до 15% и амплитуды смещения вол-
новода -до 10%. Мощность преобразователя 1,5 кВт, частота 22
кГц; материал - пермендюр; охлаждение водяное; статическое
усилие прижима от 0 до 400 Н; скорость сварки 0,13-0,16 м/с;
используется генератор УЗГ5-1,6/22.
Рис. 5А7. Схема сварочной машины УПШ-12:
/ - пружина. 2 - станина; 3 - волновод: 4 - преобразователь; 5 - протягивающие ролики.
6 — ролик-опора; 7 - электромагнит опоры; 8 - электродвигатель
Стационарная машина БШМ-1 разработана Оршанским заводом
‘Легмаш” (ОЗЛМ) совместно с ВНИИЛтекмашем и ВНИИТВЧ
им. В.П.Вологдина и серийно выпускается производственным
объединением “Промшвеймаш" (г. Орша). Предназначена для
соединения материалов, содержащих синтетические волокна, с
помощью ультразвуковой сварки (рис. 5.48).
169
Рис 5.48. Общий вид сварочной машины
БШМ-1:
/ - ст о.1: 2 - ультра шуконоп генератор; 3 - сва-
рочный узел, 4- привод; 5- сварочная головка
Машина БШМ-1 состояi
из сварочной головки 51 j
выполненной на базе голов- I
ки швейной машины 102J
кл., и ультразвукового ге-
нератора 2. Сварочный узел
3 жестко крепится к плат*
форме сварочной головки.
Сварочная головка 5 и улы-1
развуковой генератор 2 раз-1
мешены на промышленном
с голе / стандартной швегМ
ной машины ОЗЛМ. В ка- 1
чествс привода 4 сварочной
головке 5 применен фрик-
ционный привод промыт-
ленных сварочных машин.
В машине БШМ-1 примеЯ
ней комбинированный способ дозирования вводимой механической
энергии с фиксированным временем и с фиксированным зазором.
Механизм перемещения свариваемого материала может пода-1
вать его как в прямом, так и в обратном направлении, шаг стром - I
ки регулируется плавно до 5,5 мм, толщина материала до 3 мм. В
Сварочный узел имеет специальную систему охлаждения пре Л
образователя, концентратора и волновода, что позволяет повысить
стабильность прочности сварного шва. Мощность преобразоваге-
ля 400 Вт; частота 22 кГц; материал - пермендюр; охлаждение во-1
дяное; статическое усилие прижима от 5 до 100 Н; масса 120 кг.
Ультразвуковой генератор выполнен полностью на транзи-1
сторах. Синхронизация работы генератора и механизмов маши»!
ны осуществляется с помощью фотодагчика, установленного в
головке машины.
Переносная установка РУСУ-44-250 предназначена для точеч- I
ной сварки полистирола, запрессовки крепежной металлической
арматуры в детали из термопластов и проведения клепки пласт*!
массовыми заклепками при использовании волноводов опреде-1
ленной формы. Установку можно использовать для сварки и
резки пленочных материалов и синтетических тканей. Установка
состоит из сварочного пистолета и генератора, выполненного на
мощных транзисторах. В генераторе использована схема само-
возбуждения, обеспечивающая автоматическую подстройку час-1
тоты, амплитуды и мощности выходного каскада пропорции1
нально нагрузке на волновод. Акустическая система сварочного
пистолета работает на двух дисковых преобразователях из высо-
коэффективной пьезокерамики ЦБТС-17. В сварочном пистоле- 1
те используется несколько типов волноводов, выполненных и»
170
гитановых сплавов. Охлаждение системы - естественное. Мощ-
ность генератора 250 Вт; частота 44 кГц; амплитуда колебаний
волновода 35-45 мкм; масса пистолета 1,5 кг; размеры генерато-
ра 380x320x180 мм.
Переносная установка типа ЦИС-864, разработанная в Цен-
тральном институте сварки (Германия), предназначена для ульт-
развуковой сварки, клепки и формирования мелких полимерных
деталей, резки пластмасс и запрессовки металлических деталей в
пластмассовые фасонные изделия. Различное применение обес-
печивается сменными волноводами. Малая масса и эргономиче-
ское оформление позволяют применять пистолет как при руч-
ной сварке, так и в механических устройствах типа сверлильного
сганка или тележки. В пистолете применяется пьезокерамиче-
ский преобразователь типа “сэндвич". Плоскопараллельное
включение двух пьезокерамических пластин обеспечивает уд-
воение амплитуды. Пистолет работает от транзисторного генера-
тора УЗГ 48-200. Генератор имеет электронное управление вре-
менем цикла, автополстройку частоты и амплитуды. Мощность
генератора регулируется в пределах от 0 до 200 Вт; время сварки
0,07-7 с; время охлаждения 0,5-5 с; масса пистолета 1,6 кг; мас-
са генератора 18 кг.
Переносная установка УРСК-7Н предназначена для проведения
хирургических операций в клинических условиях по ультразвуко-
вой сварке, восстановлению и резке биологических тканей. Уста-
новка разработана в МГТУ им. Н.Э. Баумана и серийно выпуска-
ется на Ульяновском приборостроительном заводе. Установка со-
стоит из генератора УЗУ-1-0,25-0, трех акустических узлов, герме-
тичного контейнера для их хранения и стерилизации.
В комплект установки входят инструменты-волноводы пяти
гипоразмеров: один для сварки и четыре для резки биологиче-
ских тканей (скальпель для рассечения кожи, мышц, сухожилий,
пила для рассечения костных тканей; прямое и желобовидное
полога для снятия тонкой стружки на поверхности шириной 8
мм, а также для выравнивания поверхностей). Волноводы изго-
ювлены из титановых сплавов.
В генераторе предусмотрена автоматическая подстройка час-
тоты. Для этих целей введен индикатор резонанса, с помощью
которого существенно облегчается управление установкой.
Мощность преобразователя 90 Вт, частота 26,5 кГц, материал -
никель; диаметр корпусе! сварочного узла 52 мм; длина без вол-
новода 160 мм; масса 420 г.
5.L4.4. Ультразвуковые генераторы
Ультразвуковые генераторы предназначены для питания маг-
нитострикционных или пьезокерамических преобразователей
сварочных машин током повышенной частоты (20-60 кГц). Ос-
171
новными электрическими характеристиками ультразвуковых ге-|
нераторов являются следующие параметры: рабочий диапазон
частот; выходная мощность и напряжение; согласованность ге-
нератора с нагрузкой; режим работы. Частота переменного тока
генератора должна совпадать с собственной частотой колеба-1
тельной системы сварочного узла, для чего существует плавное
или ступенчатое регулирование частоты генератора. Для ультра-
звуковых генераторов промышленного назначения выделен ряд
диапазонов, из которых для ультразвуковой сварки используют-1
ся в настоящее время следующие: 18±1,35 кГц; 22±1,65 кГп;
44±4,4 кГп; 66+6,6 кГц.
В пределах поддиапазонов возможна плавная перестройка I
частоты генераторов. Возможна плавная перестройка сразу и
пределах нескольких диапазонов.
Выбор выходной мощности генератора зависит прежде всего от
необходимых для сварки размеров рабочего торца волновода. Ори
ентировочно она может быть определена из следующих данных:
Рабочая поверхность волновода
(площадь сварки), мм2 ..............12 60 150 250 400 600
Выходная мощность генератора. кВт ..0.25 0,40 1,00 1.60 2,50 4.001
По ГОСТ 9865-68 установлен следующий ряд номинальных
мощностей: 0,04; 0,063; ОД; 0.25; 0,4; 0,63; 1.0; 1,6; 2,5; 4,0; 6,3ж
10,0 кВг. Для сварки синтетических тканей, биологических тка
ней и заклепок используются генераторы мощностью от 0,04 дм
0.63 кВт, а для сварки объемных деталей из пластмасс - мошной
стью от 0,4 до 2,5 кВт. Напряжение на выходе генераторов per*
ламентировано и может быть определено из следующих данных.
Мощность преобразователя. кВт... 0.1 0,25-0.63 1.0-1.6 2.5 I
Номинальное напряжение на обмотке
преобразователя, В.........................................55 110 220 440
При выборе генератора по мощности необходимо учитыванж
характеристику волноводно-акустической системы.
При использовании высокодобротных систем изменение час
тоты генератора или технологических параметров (давления,
температуры нагрева и т.д.) приводит к существенному измене
нию амплитуды колебаний волновода. У систем с низкой до<>>
ротностыо изменение параметров приводит к незначительному
изменению амплитуды. Выбор акустических систем с пологой
частотной характеристикой существенно повышает стабильности
процесса сварки. Однако для получения необходимой амплиту
ды колебаний волновода к колебательной системе дочжна бы и.
подведена большая мощность. Акустические системы с острой
резонансной характеристикой требуют для получения гех же ам
плигуд колебаний волновода в холостом режиме значительно
меньшей мощности генератора. Для поддержания постоянной
точности настройки генератора в резонанс с акустической ск»
172
темой разработаны различные варианты схем, основанные на
автоматической подстройке частоты посредством акустической
обратной связи (АОС) колебательной системы с генератором.
В настоящее время выпускаются генераторы типа УЗГ 3-0,4;
УЗГ 3-4; УЗГ 2-4М; УЗГ 3-10; УЗГ 5-1,6/22; УЗГ 13-1,6 и УЗГ 1-
1М. Выпускаемые нашей промышленностью генераторы рабо-
тают в диапазоне частот от 18 до 75 кГц.
5.2. СВАРКА ТРЕНИЕМ И ВИБРОТРЕНИЕМ
5.2.1. Сущность и схемы процесса
Сварка трением основана на превращении механической
)нергии трения в тепловую энергию. Поскольку пластмассы об-
ладают низкой теплопроводностью, от зоны контакта деталей,
подвергающихся трению, отводится незначительное количество
тепла, поэтому нагрев их происходит быстро. Используют сварку
грением путем вращения соединяемых деталей и сварку путем
колебательных движений - вибротрением. Сварку трением вра-
щения применяют при соединении деталей, имеющих форму тел
вращения. Вибротрением можно сваривать несимметричные де-
тали практически любой конфигурации. Процесс состоит из
двух стадий: нагрева и осадки.
На стадии нагрева детали приводят в соприкосновение друг с
другом за счет приложения давления и осуществляют их взаим-
ное перемещение. В начале процесса за счет действия давления
и высоких скоростей перемещения трущихся тел происходит
разрушение микронеровностей в зоне контакта. Затем разруша-
ются поверхностные пленки и во взаимодействие вступают чис-
ibie поверхности. Это приводит не только к заметному выделению
гспла, но и к образованию очагов схватывания. В конце процесса
устанавливается равномерный режим нагрева и оплавления, со-
провождающийся адгезией по всей трущейся поверхности.
В зависимости от условий нагрева свариваемых поверхностей
сварку трением проводят по трем схемам: вращением сваривае-
мых деталей или промежуточного элемента - сварка вра-
щением; вибрацией свариваемых деталей или промежуточного
элемента - сварка вибротрением; вращательно-
вибрационным движением свариваемых деталей или
промежуточного элемента.
При сварке трением вращения (рис. 5.49) могут быть исполь-
зованы различные схемы. Так, одна деталь может быть закреплена
неподвижно, а вторая вращаться (рис. 5.49,а). На сопряженных
торцевых поверхностях возникают силы трения, вызывающие ин-
тенсивный нагрев и оплавление торцов. При накоплении в стыке
необходимого количества расплава вращение прекращают, и про-
изводится осадка до образования сварного соединения.
173
6
Рис. 5.49. Схема сварки тре-
нием с использованием вра-
щения одной детали (а), обе-
их деталей (о) и вставки (в):
I - вращающаяся деталь;
2 - неподвижная деталь; .3 - свар-
ной шов; 4 - вставка
Схема, при которой вращение свари
ваемых деталей производят в разные
стороны (рис. 5.49,6), не нашла практи-
ческого применения из-за технических
сложностей. Длинные и громоздкие де-
тали, вращение (и особенно быстрое
торможение) которых затруднительно,
можно сваривать при помощи третьей,
промежуточной детали (вставки). Для
этого длинные детали закрепляют непод-
вижно, а вставку вращают вокруг обшей
оси свариваемых деталей (рис. 5.49,в). 1
Наибольшее практическое примене
ние имеет схема сварки вращением,
при которой одна из свариваемых дета-
лей неподвижна. В этом случае выде-
ляющаяся тепловая мощность (Вт/см2)
может быть определена по формуле
/V- 2/ЗлР/лЛ Ю"2,
где Р - давление. МПа; f - коэффициент трения; п - относительная частота
вращения, об/мин; R — радиус поверхности трения, см.
Преимущество способа сварки термопластов трением состоит в
том, что при трении в месте контакта разрушаются все поверхно-
стные ингредиенты, образовавшиеся до начала процесса сварки
В процессе сварки расплав защищен от влияния атмосферы, за
счет чего в значительной степени исключены процессы окис
ления макромолекул, находящихся в активированном состоянии
Несмотря на кажущуюся простоту способа сварки трением, меха
низм образования сварного соединения в действительности
достаточно сложен. Механизм образования соединения очевиден
в том, что при сближении ювенильных и идеально параллельных
поверхностей между ними могли бы возникнуть силы взаимо
действия, достаточные для образования неразъемного соединение
самопроизвольно, без затрат энергии извне. Однако реальны»
поверхности, имеющие неровности и загрязнения, при сближений
могут иметь в лучшем случае дискретный физический контакт [1,5].
Следовательно, для осуществления соединения термопластов
при сварке необходимо: 1) повышение активности макро-
молекул сопрягаемых слоев деталей с целью увеличения
вероятности их взаимной ориентации, взаимодействия и по
следующего ассоциирования в надмолекулярные структуры,
2) удаление с поверхности адсорбированных веществ, загряз
нений и оксидных пленок с целью создания ювенильных
поверхностей; 3) создание физического контакта сопрягаемых
поверхностей в пределе до полного контакта по всей плоскости
[1,4,16]. 1
174
При сварке термопластов трением первое условие выполняет-
ся за счет регенерации механической работы трения в тепловую
шергию. Второе условие реализуется при износе поверхностей в
процессе трения и эвакуации из зоны контакта свариваемых де-
талей загрязнений радиальными силами. Третье условие выпол-
няется путем сжатия сопрягаемых деталей внешними силами как
в процессе нагрева, так и при осадке. На всех этих стадиях важ-
нейшими являются реологические процессы, без которых не
может происходить ни сближение, ни взаимная ориентация
макромолекул, ни удаление экранирующих ингредиентов и, сле-
довательно, ни образование сварного соединения (I, 10].
Сварка трением может применяться практически лля всех
термопластов: полиолефинов, полиамидов, полиметил метакри-
лата, полистирола и др.
Сварка трением обладает рядом важных преимуществ: высо-
кой производительностью, малым потреблением энергии и
мощности, высоким качеством сварного соединения, стабильно-
стью качества сварных соединений, возможностью сварки раз-
нородных пластмасс, гигиеничностью процесса, простотой кон-
струкций оборудования и т.д.
В последнее время (особенно для соединения несимметрич-
ных деталей) нашла применение сварка вибротрением. Сопря-
гаемые детали при этом могут совершать возвратно-
поступательное движение в плоскости стыка или вокруг опреде-
ленной оси (18].
5.2.2. Технология и параметры режима сварки
Известно, что мощность трения прямо пропорциональна ско-
рости вращения, контактному давлению, коэффициенту трения
и радиусу трущихся поверхностей. Из этого следует, что на ста-
дии нагрева и на стадии осадки, как и при сварке нагретым ин-
струментом, основными технологическими параметрами режима
сварки трением являются: частота вращения (число оборотов в
единицу времени), усилие прижатия деталей в процессе трения
(усилие оплавления), время трения (время нагрева) и усилие
осадки (рис. 5.50).
Частота вращения и давление при нагреве являются взаимо-
связанными параметрами и выбираются так, чтобы за время
нагрева не произошло местных перегревов и деструкции мате-
риала в зоне сварки. Обычно время нагрева составляет 3-25 с.
Для кристаллических полимеров с узким интервалом температур
плавления оно может быть уменьшено до 0,5-1 с. При этом ско-
рость вращения в зависимости от свариваемых материалов и
геометрии деталей может изменяться в широких пределах: от
0,15 до 3 м/с. Так, например, пятикратное увеличение скорости
175
вращения с пропорциональным увеличением нагрева при тре-
нии приводит к незначительному
мента (рис. 5.50,л).
Ыцр,Н‘М
уменьшению крутящего м
Von.MMfC
О ч в РОП'МПа.
о ч 8Роп,мпа.
Рис. 5.50. Характер изменения параметров
режима сварки трением вращения некото-
рых термопластов.
/ - полиамид 66; 2 - ноли.метил метакрилат;
.? - вииип >аст; Л/Кр - крутящий момент; ГО11 -
скорость оплавления; И1р - скорость трения;
Рпг1 - осевое давление (давление оплавления)
Давление на стадии осади
ки выбирают меньшим, чем
при сварке нагретым инст-
рументом, так как загрязне- |
ния и оксидные пленки при
сварке трением удаляются и*
сварочной зоны еще на ста-
дии нагрева. Кроме того, н
этом случае оказывается
большей и глубина плавле-
ния. Обычно давление осад-
ки составляет 0,07-1,4 МПа.
Увеличение осевого давле-
ния (давления оплавлении
РОП |) ведет к росту крутя
щего момента (рис. 5.50,е).
При давлении до 3 МПа кру-
тящий момент, находящийся
в линейной зависимости от
давления, быстро нарастает; н
пределах давления 3-4 МПа
наблюдается переходной
процесс, а при дальнейшем
повышении давления крутящий момент снижается на порядок.
Оптимальные параметры режима сварки зависят от многих
факторов даже для одного и того же материала. Лучшие механи-
ческие свойства шва достигаются при более продолжительном
нагреве. Для полиэтилена температура сварки выше оптималь-
ной оказывает менее вредное влияние, чем ниже оптимальной. J
Прочность сварного соединения не слишком зависит от осе*
во го давления в диапазоне 0,1-0,6 МПа. При меньшем давлении
свойства соединения оказываются нестабильными. Анализ
большинства полученных результатов показывает, что при свар-
ке встык прочность зависит от температуры поверхности разде
ла, продолжительности периода нагрева и количества вытеснен-
ного расплава во время процесса оплавления [1, 4, 5, 10, 16].
Низкое давление осадки приводит к получению сварных со
единений плохого качества, но вместе с тем применение высо
ких давлений также нежелательно. Высокое давление вызывай
вытекание всего расплава из зоны стыка и создает условия дл«
полной поперечной переориентации полимера в сварном шве
Последнее приводит к тому, что материал шва при нагрузки*
176
работает совершенно в других условиях, нежели основной мате-
риал, и его механические свойства, особенно длительная проч-
ность, резко снижаются. Следовательно, осевое давление при
сварке должно быть оптимальным. Например, при сварке поли-
метилметакрилата для поддержания высокой температуры и по
возможности более продолжительного времени нагрева исполь-
ювали комбинацию низких осевых давлений (0,5-2 МПа) и от-
носительно низких скоростей трения (1,8-2 м/с). При этом об-
наружено, что с увеличением осевого давления до 2 МПа проч-
ность сварного соединения повышается. Так, при скорости тре-
ния 2 м/с и осевом давлении 0.7 МПа прочность сварного со-
единения составила 0,8 прочности основного материала, а при
давлении 2 МПа прочность увеличилась до 0,87 |1, 5, 16. 19|.
Для повышения качества сварных соединений желательно
применять сварочный цикл с переменным давлением. На стадии
нагрева оно должно составлять 0,2 0,6 давления на стадии осадки.
При сварке кристаллических полимеров с узким интервалом
плавления следует ограничить время торможения шпинделя сва-
рочной установки после окончания стадии нагрева. В противном
случае вращение в процессе остывания термопласта .может при-
вести к зарождению в сварочной зоне надрывов.
Большое значение при сварке трением имеет геометрия сты-
куемых поверхностей. Так как окружная скорость точки вра-
щающейся поверхности зависит от расстояния ее до центра
вращения, то мощность трения, а следовательно, и тепловыде-
ление распределены неравномерно по поверхности трения. По-
этому если необходимо соединять сплошные поверхности боль-
шой протяженности, нужно в зоне контакта придавать им сфе-
рическую или коническую форму. Это приводит к более равно-
мерному прогреву стыка. Из этих же соображений сварка коль-
цевых стыков, как это имеет место при сварке труб, более пред-
почтительна. чем сварка сплошных поверхностей.
При сварке тонкостенных деталей с массивными тепло, вы-
деляющееся в зоне трения, отводится в массивную деталь, чго
приводит к несимметричному распределению температур. В
этом случае рекомендуется на массивной детали выполнять пе-
реходные выступы, соответствующие по размерам тонкостенной
летали. Такой прием применяют, например, при соединении
труб и стержней с плитами, при приваривании к трубам доныш-
ков и фланцев. Длина выступа составляет 0,7-1,0 толщины стен-
ки трубы.
При сварке труб часто применяют фигурные разделки сты-
куемых поверхностей (рис. 5.51). Такие разделки позволяют уве-
личить площадь контакта стыкуемых поверхностей. Кроме того,
обеспечивается более точная центровка стыка по всему пери-
177
метру и предотвращается смешение кромок, что повышает рабо-
тоспособность сварного соединения. Перед сваркой поверхности
торцов груб очищают и выравнивают. Одну из труб закрепляю»
в патроне не ближе, чем на 10 мм от торца. После центровки
стыкуемые поверхности сводят до соприкосновения и трубу, км
жа»ую в патроне, приводят во вращение. Достижение не-
обходимой степени нагрева определяется по появлению зоны по-
темневшего размягченного материала глубиной 1-1,5 мм в каж-
дую сторону от плоскости сварки. После осадки свариваемый
стык должен охлаждаться под давлением не менее 5-15 мин.
Рис 5.51. Типы разделки кромок при стыковой сварке труб вращением.
а - «шипом в паз»: б - «на ус». а - vciviiom; г - V-o6pajn:in
Повышение температуры в стыке зависит от теплофизических
свойств материала, а также от коэффициента трения. Различна и
температура в стыке при сварке. Например, при одинаковых ус-1
товиях сварки труб из винипласта и полиамида-66 температура
расплава в стыке у полиамидных труб в 2 раза выше, чем в сты- L
кс труб из винипласта. При этом скорость теплообразования у
полиамида-66 оказалась также выше, чем у винипласта. В этом
определенную роль играет коэффициент трения, который при
измерении в условиях сварки трением для труб с наружным
диаметром 12,75 мм и внутренним 7,45 мм для винипласта со-1
ставляет 0,35, для пол и метил метакрилата - 0.41 и полиамида -1
0,66-0.76 |1, 4, 10, 16|.
По физической сущности эти коэффициенты близки к коэф-
фициентам вязкости при сдвиге и изменяются при изменении
температуры в стыке. Следовательно, изменение технологиче*!
ских параметров ведет к изменению коэффициента трения. На-
пример. в процессе сварки труб при давлении 6,2 МПа с разной
скоростью коэффициент трения для некоторых материалов име-
ет следующие значения: S
Скорость трения, м/с Винипласт Поли метилметакрилат Полиамид-66
0.2 0.085 0.12 0.22
2.0 0.063 0.084 0.12
Скорость оплавления ИО||1 с увеличением скорости трения
растет. Однако этот рост для разных материалов неодинаков
178
(см. рис. 5.50.6). Например, винипласт, рассматриваемый обыч-
но как материал, имеющий высокую вязкость, на самом деле
показывает более высокую скорость оплавления по сравнению с
другими термопластами |1, 4].
Одно из возможных объяснений этого явления заключается в
юм, чго расплавление и вытекание в грат расплава при сварке
।рением ПВХ происходит равномерно. При сварке других мате-
риалов на поверхности раздела образуется тонкий слой с очень
низкой вязкостью, который под давлением вытекает, и в кон-
(ак! вступают вновь относительно холодные поверхности. По-
лому хотя вязкотекучий слой образуется быстро, непрерывный
процесс его восстановления приводит к низкой скорости оплав-
ления. Толщина слоя, переходящего в вязкотекучее состояние, у
свариваемых трением деталей обычно невелика, в связи с этим
его остывание происходит быстро. Поэтому ею избежание раз-
рушения соединения по сварному шву или образования в шве
надрывов необходимо избегать просколвзывания соединяемых
деталей в процессе их осадки после оплавления. Следовательно,
требуется строгое ограничение времени торможения по оконча-
нии оплавления 11, 10|.
Увеличение осевого давления до 2 МПа при постоянной ско-
рости трения ведет к росту скорости оплавления (см. рис. 5.50,г).
Повышение давления свыше 4 МПа приводит к снижению ин-
тенсивности роста скорости оплавления. При этом следует обра-
тив внимание на то. что оплавление ПВХ происходит с большей
скоростью, чем оплавление других термопластов 11, 16, 21|.
При сварке вибротрснием основными параметрами режима яв-
ляются амплитуда и частота колебаний. Обычно используются
низкочастотные колебания в диапазоне 50-400 Гн. Амплитуда при
возвратно-поступательном колебательном движении в плоскости
стыка ("прямолинейная" сварка) составляет 1-4 мм, а угол пово-
рота при колебаниях с поворотом вокруг оси ("криволинейная"
сварка) - сотые доли радиана.
Отл и ч ите л ьн ы м и черта м и сварк и вибро тре н и е м я вл я ются
возможность сварки несимметричных деталей и равномерное
тепловыделение по всей плоскости стыка. Продолжительность
сварки практически не зависит от толщины и размеров свари-
ваемых деталей и составляет 6 -Ю с. Давление сжатия деталей 2-
I0 МПа: осадка 0,3-0,4 мм.
Сваркой вибротрением соединяют не только хорошо свари-
вающиеся термопласты, но и фторлоны, полиэфирные эласто-
меры и другие полимеры, которые не свариваются ультразвуком.
Размеры соединяемых деталей в плане составляют от 30x30 до
300x300 мм. Способ нашел широкое распространение при изго-
товлении резервуаров, водопроводной арматуры, крыльчаток
насосов, помп и т.д.
179
5.2.3. Оборудование для сварки трением и вибротрением
Сварку трением путем вращения осуществляют на различных
металлообрабатывающих станках (токарных, сверлильных, фре-
зерных) и на специальных сварочных машинах. Могут использо-
ваться машины типа МСТ, предназначенные для сварки метал-
лических деталей. Все установки, применяемые для сварки тре-
нием вращения, состоят из привода вращения, механизма для
остановки вращения изделия, механизма для создания осевого
давления, зажимного приспособления, системы, воспринимаю-
щей осевое усилие, аппаратуры управления. I
Остановка вращения шпинделя осуществляется применением
фракционно-тормозного механизма, в этом случае двигатель ра-
ботает непрерывно. I
Зажимные приспособления могут быть различными. Так.
станки для мелкосерийного или единичного производства снаб-
жены кулачковыми патронами с ручным зажимным механизмом.
Иногда используются самозажимные цанги.
Механизм для создания зажимного усилия выполняется пру-
жинным, пневматическим или гидравлическим. Осевое усилие
воспринимается в средней бабке установки упорными или ради-
ал ьно-упориы ми подши 11 н и ка ми.
Основным элементом установок для сварки вибротрением яв-
ляется вибратор, который приводится в действие электродвига-
телем через кривошипно-кулачковый или другие механизмы. 1
Оборудование для сварки деталей из термопластов трением
при вращении можно подразделить на оборудование, имеющее
горизонтальную ось вращения (например, машины для сварки
трубопроводов) и вертикальную ось вращения (например, стан-
ки для сварки бутылей, тары для консервации, мелких деталей).
Полуавтоматы общего назначения типа МСТ имеют горизон-
тальную ось вращения свариваемых деталей. Примером такой
установки является настольная малогабаритная установка, пред
назначенная для сварки деталей диаметром до 70 мм и состоя
щая из механизмов центрирования свариваемых деталей относи
тельно их осей вращения, сжатия свариваемых деталей при
их
нагреве и осадке по окончании сварки, электродвигателя, ре
менного привода. Все эти узлы крепятся в сварном металл и че
ском корпусе.
Свариваемые заготовки закрепляются
в
стаканах
передающих им крутящий момент. Основными элементами лю
бой установки для сварки деталей трением при вращении явля
ются патрон для захвата и вращения детали, а также
механизм
для остановки.
Для обеспечения сварки
нельзя допустить,
чтобы
в процессе
сварки происходило вращение одной детали относительно дру
гой. Применяют две кинематические схемы. Одна схема обеспе
180
чивает торможение вращающегося патрона с деталью после на-
грева (оплавления) свариваемых поверхностей перед осадкой.
По второй схеме торможение после окончания нагрева происхо-
дит за счет трения при вращении одной детали относительно
тругой, находящейся в неподвижном состоянии в процессе на-
грева (оплавления). В процессе осадки покоящаяся деталь спус-
кается с тормоза и начинает вращаться со скоростью первой де-
тали, т.е. в стыке не происходит вращения одной детали относи-
тельно другой. Для дозирования энер-
гии, идущей па вращение одной детали
относительно другой, может быть ис-
пользована энергия маховой массы.
Конструкция патрона, обеспечивающего
работу по такому принципу, приведена
на рис. 5.52. При вращении шпинделя /
происходит одновременное вращение
всего патрона с закрепленной в нем за-
готовкой. При подаче шпинделя с за-
крепленной в патроне заготовкой вниз
до стыковки со свариваемой заготовкой.
Piu. 5.52 Конструкция па-
фона с маховой массой для
сварки де шлей из термопла-
стов трением при крашении
laioioHML
/ - шпиндель: 2 - конусный
диск: 3 - пружин:!, 4 - маховая
масса. 5 - подшипник
находящейся в неподвижном состоянии,
происходит сжатие пружины 5. и махо-
вая масса 4 отделяется от конусною
диска 2 и продолжает вращаться на
подшипнике 5. Вращение шпинделя
может быть прокрашено, а трение одной
заготовки относительно другой будет
происходить за счет инерции массы 4 Массу и скорость враще-
ния выбирают такими, чтобы полное торможение и остановка
массы 4 происходили в момент расплавления термопласта по по-
верхности сварки, в этот момент может быть произведена осадка.
т.е. получено неразъемное соединение заготовок в изделие.
В случае, если соединяемые детали имеют иные формы,
можно использовать сварку вибротрением, для выполнения ко-
торой предложен ряд схем. В основном это механические систе-
мы, обеспечивающие возвратно-поступательное или угловое пе-
ремещение одной детали относительно другой. Трение может
осуществляться также с помощью электромагнитных или аку-
стических систем. Амплитуда смещения составляет максимум 4
8 мм при частоте до 120 Гц. хотя имеется тенденция к повыше-
нию частоты до 250-300 Гц и уменьшению амплитуды до 0,75-
1.5 мм. Благодаря уменьшению амплитуды тепло, выделяющееся
вследствие трения детали о деталь, концентрируется в более узкой
зоне, что ускоряет переход термопласта в текучее состояние и по-
зволяет получить сварное соединение с меньшим допуском и
лучшего внешнего вида (меньше грат, меньше смещение кромок).
181
8 7
Рис. 5.53. Схема устройства для сварки вибротрснисм:
I - сварная станина: 2- подвижная обойма: 3- неподвижная обойма: 4 - шток: 5 - основной
ци.тннлр: 6 - дополнительные цилиндры. 7- центрирующая пиья; 8 — заготовка
Сварочная установка для сварки шаровидных изделий из по-
лиолефинов включает в себя сварную станину / коробчатого сеЯ
чения (рис. 5.53). В станине обойма 2 с закрепленной заготов-
кой 8 совершает колебательные движения. Неподвижная обойма
3 с закрепленной в ней заготовкой соосно с обоймой 2 связана
со штоком 4 основного цилиндра 5 механизма прижима. С варка
изделия происходит в два этапа. После закрепления сваривае-
мые заготовки сжимаются под необходимым давлением с помо-
щью силового цилиндра, затем подвижной обойме придается
возвратно-поступательное движение (специальным приводом)
относительно неподвижной обоймы. В зго время дополнитесь
ныс цилиндры 6 отключены и центрирующая гильза 7 находи гея
в исходном положении. После достижения на свариваемых
кромках необходимой температуры привод подвижной обойму
отключается, центрирующие гильзы совмещают оси обойм с поЛ
мощью привода дополнительных цилиндров и создастся допол-
нительное давление на свариваемые заготовки, необходимое для
сварки. Остывание сварного шва происходит под давлением.
182
Глава 6
СВАРКА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭНЕРГИИ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО И ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО
ПОЛЕЙ
6.1. СВАРКА ТЕРМОПЛАСТОВ ТОКОМ ВЫСОКОЙ
ЧАСТОТЫ
6.1.1. Сущность и схемы процесса
Сварка током высокой частоты (ТВЧ) основана на особенно-
стях поведения пластмасс в электрическом поле конденсатора.
Рассмотрим эти особенности на примере плоского конденсатора
(рис. 6.1). состоящего из пластин, подключенных к зажимам ге-
нератора тока 11, 25, 26|.
Рис 6.1 Виды 11о;|яр|вации ди lickфнкив
ii - электронная: о - ионная (NaCI): в - дипольная
При постоянном токе обкладка конденсатора, подключенная к
положительному полюсу генератора, будет иметь положительный
1арял, а обкладка, подключенная к отрицательному полюсу генера-
тора. - отрицательный заряд. Если в пространстве такого конденса-
тора поместить не связанные друг с другом заряженные частицы -
электроны и ионы (т.с. атомы, потерявшие электроны или имею-
щие их избыток), то они будут перемешаться: положительно заря-
женные частицы - к отрицательно заряженной обкладке конденсато-
ра, а отрицательно заряженные частицы - к положительно заря-
женной обкладке. Такие заряды называются свободными.
183
Бели вещество, помещенное между обкладками конденсатора,
не содержит свободных зарядов, т.е. нс проводит электрический
ток, то оно называется идеальным диэлектриком. Охп 1
нако в диэлектриках имеются так называемые связанные заряды,
т.е. заряды, связанные внутренними силами (как, например, си
лы взаимодействия между ядром и электронами в нейтральном
атоме). Эти заряды будут ориентироваться в электрическом ноле
конденсатора гак, что часть, несущая положительный заряд, повер
нется в сторону отрицательно заряженной обкладки конденсатора,
а часть, несущая отрицательный заряд, - в противоположную сто-
рону. Однако они не смогут разойтись на большие расстояния, так
как этому препятствуют силы взаимодействия между ними. W
Таким образом, связанные заряды - это всегда пары равных
но величине и противоположных по знаку зарядов. Такие пары
называются диполями, а явление смещения заряженных час*
тип диэлектрика во внешнем электрическом поле называете!
н ол я р и за ц и е й диэлектрика.
В результате поляризации на границе диэлектрика появляют*
ся некомпенсированные связанные заряды. Так, на границе с
положительно заряженной обкладкой конденсатора появляется
отрицательный связанный заряд, а на границе с отрицательно
заряженной обкладкой - положительный связанный заряд. Эго
приводит к ослаблению электрического поля между обкладками
конденсатора. Сила, действующая со стороны поля на единичный
положительный заряд, находящийся в данной точке поля, или на
пряженность поля, в ео1И раз меньше, чем в случае, когда конден-
сатор помещен в вакуум. Величину еотн называют ли эле kJ
т р и ч е с к о й проницаемостью диэлектрика. Будучи
умноженной на так называемую электрическую постоянную Е(> он i
дает величину проницаемости диэлектрика е, т.е. г = Е()Ео1||.
Различают несколько видов поляризации: электронную, ион
ную, дипольную и др. На рис. 6.1 х/ показано, как происходи!
электронная поляризация атома, имеющего положи-
тельно заряженное ядро и один электрон, вращающийся вокруг
ядра по некоторой орбите. При внесении такого атома в элек-
трическое поле конденсатора ядро будет испытывать действие
силы, заставляющей его смещаться к отрицательно заряженной
обкладке конденсатора, а электрон - действие такой же силы,
но направленной в сторону положительно заряженной обкладки.
За счет этого атом деформируется и центры орбиты электрона и
ядра будут смещены относительно друг друга.
Ионная поляризация (рис. 6.1,6) характерна для ве-
ществ (например, поваренная соль NaCl). имеющих кристалл»
чсскую решетку, в узлах которой в чередующемся порядке рас-
положены положительные и отрицательные ионы. Под действ»
184
см электрического поля решетка деформируется за счет смеше-
ния ионов к обкладкам противоположного заряда.
Наибольший интерес для понимания сущности сварки ТВЧ
представляет механизм поляризации материалов, имеющих гото-
вые диполи - полярные молекулы - лаже при отсутствии внеш-
него электрического поля (рис. 6.1,я). Примером могут служить
макромолекулы поливинилхлорида, состоящие из звеньев:
2
сн —
Cl
Несимметричность строения обусловливает смещение центра от-
рицательного заряда к атому углерода, связанному с хлором, т.е.
звено представляет собой микродиполь.
При внесении такого вещества в электрическое поле конденса-
тора микродиполи будут ориентироваться так, что положитель-
ные заряды повернутся к отрицательно заряженной обкладке, а
отрицательные - к положительно заряженной обкладке конден-
сатора. Такой вид поляризации называется дипольной по-
л я р и з а ц и е й .
Следует указать, что в одном и том же веществе может одно-
временно существовать несколько видов поляризации.
Теперь рассмотрим электромагнитные процессы, протекающие в
плоском конденсаторе, обкладки которого подключены к генератору
переменного тока. Так как напряженность электрического поля будет
изменяться с некоторой частотой, то при смене знака заряда на об-
кладках конденсатора будет меняться и ориентация участков макро-
молекул. Однако при дипольной поляризации частицы диэлектрика
смещаются с запаздыванием по отношению к напряженности элек-
трическою поля. Такое запаздывание объясняется тем, что смеще-
нию звеньев будут препятствовать внутренние силы, связывающие их
с соседними звеньями той же макромолекулы, или соседние макро-
молекулы. Электромагнитная энергия, затрачиваемая на преодоление
этих сил, выделяется в виде тепла в диэлектрике, что и приводит к
его разогреву до температуры сварки. Это запаздывание, а следова-
тельно, и скорость превращения электромагнитной энергии в тепло-
вую характеризуются углом диэлектрических п о г е р ь 5.
Таким образом, нагрев диэлектрика при поляризации в пере-
менном электрическом поле определяется диэлектрической
проницаемостью е и тангенсом угла диэлектрических потерь tg§,
произведение которых называют фактором потерь:
к = Etg6.
185
Величина к может использоваться для количественной оцеп*
ки свариваемости пластмасс в высокочастотном электрическом
поле. Принято считать, что .методом ТВЧ хороню свариваются
материалы, для которых фактор потерь к > 0,01. К таким мате-
рикам относятся поливинилхлорид (к — 0,04+0,4), поливинили*
денхлорид (к — 0,15+0,4), полиамиды (к = 0,025+0,128), полиме-
тилметакрилат (к = 0,058+0,096) и др. Очень низок фактор по-
терь у полиэтилена (к — 0,00022+0,00096), полистирола (к =*
=0,0024+0,0054), полиэтилентерефталата (к = 0,006). В связи с
этим сварка ТВЧ этих материалов без вспомогательных средств
невозможна.
Основные диэлектрические характеристики пластмасс приве-
дены в табл. 6.1.
Таблица 6 / Основные диэлектрические характеристики пластмасс
Maicpna'i ческая Проницае- мость с Тангенс угла ЛИЛ4СК1|ШЧССК11\ потерь Igo Фака op .uixieKipu- ЧССКИЧ llOICpb к ~ =41 go
Поливинилхлорид.
жесткий 2. К-3.4 O.OI5-O.O8 0.042-0.272 1
плас шфиии рован ныи 3.3 4,5 0.04 0.16 0.132 0.720
Поливинилидснхлорид 3.0 5.0 0.1)5-0.08 0.15-0,40
П ОЛ И В11 н и л бути р:ь I ь 3,3 3.9 0.06 0.198 0.234
П ол и в и и 11 л а встал ь 2.7 0.016 0,042
П ол и ви н и лфор мал ь 4.8 0.023 0,11
Полиамиды (найлон, капрон) 3.8-4.5 0.025-0,04 0.025-0,180
П ол и ка п рола кта м 4.0-5.0 0.06-0.08 0.24 0,40
Капролон 5.9 0.028 0.161
А ист ил пел л юл о за 3.2-7,0 0.01-0.10 0.032-7,0
Ai 1стобут11 рат 11слл голо ля 3.2-6.2 0.01-0,04 0.032 0.248
Пол и мстил метакрилат 2,9 3.2 0.02 0.03 0.058 0,096
Пенопласт 2,8 0.01 0.028
П ол и ка рбо наты 3.0 0.01 0.030
П ол итрифтор Viop 3 ГИ. 1С н 2.5-3.0 0.01 0,025-0,03
Политстрафтор этилен 1.9-2,2 0.00025 0.000475 O.OOO55
Полиэтилснтсрсфгалат (лавсан) 3.0 0.002 0.006
Полиэтилен 2.2-2,4 0.0001-0.0004 0,00022-0,0009
Полипропилен 2.0 0,0001 0.0002
Полистирол 2,4-2.7 0,0001-0,0002 0.00024-0.0054
Полин юбутилен 2,4-2,9 0.0005 0,0012-0.00145
( тс к лоте кстол нт:
КАСТ- В 5.1 0.01 0.051
ВФГ-С 4.2-4.5 0.01 0,042 0.045
ЭФ-32-301 5.0 0.01 0.05
ПН-1 4.6 0.015 0.069
СТ-911 4.5 0,02 0.09
Пресс-порошок К-18-2 6.0-7.0 0.04 0.24-0.28
Пресс-материи i АГ-4В 6.7-8,9 0,028-0.052 0.188-0.436
186
Удельную мощность Рул. выделяемую в единице объема ди-
ыскгрика. помещенного в переменное электрическое поле, оп-
ределяют по формуле
Py i = 0,555r:tg5/E 2 КГ12 (Вт/см2).
где »: - диэ |ск|ричсская проницаемость материала; tg<S - uihichc угла диэлск-
тричсских потерь материала: / частота изменений направления поля. Гц. £ -
напряженное!ь поля в материале. В/см.
Эта формула устанавливает зависимость нагрева материала о г
его электрических характеристик и параметров электрического
поля. Электрические характеристики материала (е, tg6) зависят
от температуры и частоты изменения электрического поля.
Согласно ГОСТ 21139-82, для сварки ТВЧ полимерных мате-
риалов можно использовать строго определенные частоты: 13,56
МГц±0,05%; 27.12 МГн±0,6%; 40,68 МГц±0,05%; 81,36
МГц±1%. Оборудование для сварки ТВЧ. выпускаемое отечест-
венной промышленностью, соответствует этим требованиям и
работает на одной из выделенных частот.
При сварке ТВЧ обкладками конденсатора являются электро-
ды сварочной установки. Сварка может осущесчвлиться по прес-
совой и роликовой схемам (рис. 6.2).
Рис 6.2. Прессовая (а) и роликовая (6) высокочастотная сварка пластмасс:
/ - заземленная обкладка конденсатора. 2 - сварной шов. 3 - свариваемый материал.
4 - iciicpaiop высокой частоты: 5 - злектрол. 6- высоко!ютенпнальная обкладка конденсаю-
ра: 7- iiiiJKono'icHHiia.'ibiihiii ролик: <V - высокопотенпиальный ролик
При прессовой сварке (рис. 6.2,а) соединение получают за
один рабочий цикл. Конфигурация сварных швов соответствует
конфигурации электродов. Сварной шов укладывается одновре-
менно по всему контуру, т.е. все участки шва свариваются в од-
ном и том же режиме, нагрев происходит равномерно, что обес-
печивает высокое качество сварного соединения. Электроды при
прессовой сварке служат не только для подвода энергии к зоне
соединения, но и для создания сварочного давления на эту зону
и регулирования теплоотвода из нее.
Разновидностью прессовой сварки является шовно-
шаговая сварка. В этом случае материалы сваривают уча-
187
стками с определенным шагом либо с перекрытием для получе-
ния строчки или непрерывного шва. Подача материалов на mai
осуществляется в момент подъема электродов. При сварке син-
тетических тканей и пленок для этого используют машины типи
швейных, оборудованные точечными электродами и механизмом
шаговой подачи материалов на 1-2 мм. 1
Роликовая сварка (рис. 6.2,6) используется .для получения не-
прерывных протяженных швов. Электродами при этом служат
ролики или диски, вращающиеся в противоположном направле-
нии. Один электрод-ролик соединяется с высокопотенциальным
выводом генератора ТВЧ, а другой заземлен. Роликовая сварка
обладает следующими недостатками, затрудняющими ее исполь-
зование. Во-первых, при большой скорости сварки сварной шов
не успевает охладиться под давлением и выходит из-под электродов-
роликов в на1ретом состоянии. Это приводит к значительным де-
формациям шва, особенно при больших толщинах свариваемого ма-
териала. Во-вторых, электрическая емкость между роликами мала,
что также не позволяет достичь больших скоростей сварки. Указан-
ные недостатки обусловливают целесообразность применения роли-
ковой сварки ТВЧ только для соединения тонких пленок, так как с
повышением толщины пленок скорость сварки значительно снижа-
ется. Так, при толщине пленки 100 мкм оптимальная скорость свар-
ки составляет 6 м/мин, а при толщине 200 мкм - 2 м/мин.
Рис 6.3. Виды сварных соединений и схемы размещения электродов при сварке:
а. б, в - внахлестку; г, д, е - встык; ж. з - с отбортовкой кромок; (+) - высоковольтный
электрод; (-) - заземленный электрод
Прессовая сварка ТВЧ позволяет получить соединения внахле-
стку (рис. б.З.л-в), встык (рис. 6.3,г~е), встык с одной или двумя
накладками, втавр,. на ус, с отбортовкой кромок (рис. 6.3,ж,з) и
т.д. Для достижения более полного контакта между соединяемы-1
ми поверхностями может применяться присадочный материал.
При использовании электродов (рис. 6.3, я,6,ж) сварка можо
производиться с одновременной отделкой шва и обрезанием по
его краю. В случае обрезания электроды имеют специальную
188
кромку (рис. 6.4), при кон-
струировании которой ре-
коме ндуе гея руководство-
ваться следующими соот-
ношениями: = 0.6бмл;
а - 6ш - 0,25; b = 5мл - а\
= с + 0,65Z>; d2 = 1.3(я + 6);
d = d{ + d2\ т = d\ + 0,5Л
(все размеры в мм); здесь л -
число свариваемых слоев.
Для получения сварных
швов с различной конфигу-
рацией и с одновременным
вырезанием изделия широ-
кое распространение нахо-
дят электроды, представ-
ленные на рис. 6.5. При ра-
боте с указанными электро-
дами с целью исключения
Рис 6.4. Форма электрода для сварки с
одновременным обрезанием:
/ - часть электрода для сварки основного
шва; 2 - линия раздела в случае применения
составного электрода: 3 - часть элск гроза. фор-
мующая и обрезпюшая кромку, 4 - изоляционная
прокладка; 5 - плита пресса
электрического пробоя электрод, совмещенный с нижней пли-
той сварочного пресса, рекомендуется покрывать листом мате-
риала, имеющим высокие диэлектрические характеристики, на-
пример гетинаксом [1, 5, 16, 26].
г д
Рис. 6.5. Конструкция электродов для высокочастотной сварки с одновремен-
ным вырезанием изделия:
а 9 электрод с двусторонним скосом; б - электрод с односторонним скосом; в. г, д - комби-
нированные электроды для отделки шва и обрезки; / — верхний элск1род;
2 - свариваемые пленки; 3 - предохрани тельная прокладка; 4 - нижний электрод
Расположение электродов, приведенное на рис. 6.3,ду исполь-
зуется при сварке труб встык, а также в случаях, когда невоз-
189
Рис. 6.6. Схема свар-
ки кольцевых швов
винипластовых труб:
/ - свариваемые
трубы. 2 - электроды;
3 сварной шов
можно расположить электроды с двух противо-
положных сторон сварного шва, например при
сварке встык линолеума на теплоизоляционной
прокладке. Сварка кольцевых (поперечных)
стыков винипласговых 1руб но схеме, пока-
занной на рис. 6.3,d, осуществляется с помо-
щью разъемных или неразъемных электродов
(рис. 6.6). Разъемные электроды представляю!
собой устройства с хомутами, выполненными
из медных или латунных полуколец, изолиро-
ванных друг от друга. В качестве изоляцион-
ного материала применяется микалекс. Ос-
тальные части, служащие для крепления элек
тродов, изготавливаются из дуба, вы-
сушенного до абсолютно сухого со-
стояния и пропитанного парафином.
Вся конструкция скрепляется
шпильками, выполненными из изо-
ляционного материала. Так как внут-
ренняя поверхность трубы не должна
иметь шероховатостей, внутрь ее
вставляется вкладыш, выполненный
из материала с малыми диэлектриче-
скими потерями. Для облегчения
Рис. 6.7. Элек । роды для сварки
с од| 1 оврсме ины м обрс за н нем
/-верхним jjcKipoi, 2 нижний
электрод: Э - обрезной нож. / - свари
ваемын материал. 5 - изоляционная
прокладка
удаления вкладыш выполняют разъ-
емным. Подвод тока при такой кон-
струкции значительно облегчен.
Более простые электроды для свар-
ки с одновременным обрезанием при-
ведены на рис. 6.7.
Электрод имеет поверхность для сварки и обрезной нож. Та
кой электрод изготавливают из полосы латуни,
к которой
вин-
тами крепится обрезной нож, выполненный из стальной ленты.
Рис. 6.8. Электрод с накладка-
ми:
Высота обрезного ножа но отноше-
нию к рабочей плоскости электрона
должна составлять 0,3-0,45 мм для
пакета ПВХ-плепки толщиной 0,21
0,3 мм. Нож закрепляют на электро-
де, шлифуют, затем затачивают пол
углом 30°. Сварку электродами с об-
/. 2 - электроды: 3 - накладка: рСЗНЫМ НОЖОМ ВЫПОЛНЯЮТ на ПОД-
4- свариваемый материал ЛОЖКС ИЗ КЗрТОНЗ ИЛИ ГСТИНаКСЗ.
Чтобы уменьшить продавливание свариваемого материала и
этим увеличить его прочность в околошовной зоне, применяю!
электроды с накладками (рис. 6.8), выполненными из лиэлек-
190
Рис. 6.9. Электроды с
манкой рабочей по-
верхностью
а - in .luHlbl. н IB
челном сетки; / - лепта
(се i ка): 2 - pc in нона я
no.i южка. .» - корпус
jMCKipo.ia. 4 - прижим-
ные планки
фрезеруют и тер-
фического материала, например из фторопласта-4, который не
нагревается в поле ТВЧ |1, 5, 26—28].
Пересекающиеся швы при сварке материа-
лов. имеющих высокую вязкость расплава,
выполняют электродами с мягкой рабочей
поверхностью (рис. 6.9). На поверхности та-
ких электродов укладывают термостойкую
резину марки ФКС, на которой закрепляют
полоску из мелкой сетки или медной ленты
(8 = 0,3-нО.5 мм), соединенной с массой элек-
трода. При сварке такой электрод за счет эла-
стичности резины позволит равномерно распре-
делить давление при изменении толщин мате-
риалов и обеспечить полный провар соединения
и надежную его герметичность 11, 29].
Для поддержания стабильной температуры
при сварке используют охлаждаемые электро-
ды. внутренняя полость которых соединена
выводными штуцерами со шлангами, по ко-
торым поступает проточная вола. При изго-
товлении электродов их внутреннюю полость
мстично запаивают.
При сварке термопластов, имеющих малый фактор диэлек-
трических потерь, применяют электроды, нагреваемые током
промышленной частоты. В полости электрода устанавливают
помешенную в кварцевую или керамическую трубку электриче-
скую спираль. Электрод нагревается до необходимой температу-
ры. а затем включается ТВЧ, причем в этот момент электрод от
сети промышленной частоты полностью отключается. Эго ис-
ключает образование побочных цепей, вызывающих пробои
изоляции подводящих проводов.
Электроды для контурной сварки
(рис. 6.10) имеют рабочую поверхность,
повторяющую конфигурацию и размеры
сварного шва. Обычно такие электроды
имеют вид рамки, изготовленной из полос
латуни, соединенных болтами или пайкой.
Рамка крепится на плите толщиной 10-15 мм,
установленной на нижней или верхней плите пресса. Полость
внутри рамки заполнена дельта-древесиной или асбестоцемен-
том. Это необходимо при расположении электрода на нижней
плите пресса для исключения провисания материала. .
При необходимости обрезания материала одновременно с его
сваркой на рабочих элементах электродов устанавливают обрез-
ные ножи. Оснастку с подпружиненными ножами (рис. 6.11)
Рис. 6. И). Электроды для
контурной сварки (пояс-
нения в тексте)
191
жинснными ножами:
/ - электрод; 2 - нож
обычно применяют для сварки
коль-
цевых швов- Наличие пружин создаш
дополнительное усилие на ножи при
их сжатии плитами пресса и улучшай
обрезание материала.
В некоторых случаях мощности ге-
нератора не хватает, чтобы сварить
все изделие, помешенное в пресс.
Сваривать шаговым методом не все-
гда удается, так как затрудняется со-
вмещение швов или рисунков.
Решить эту задачу можно применением
электродов (рис. 6.12), состоящих из нескольких изолированных
друг от друга секций, которые подклю-
чаются к генератору поочередно с по- £
мощью коммутатора. В процессе сварки
все изделие прижато по зоне сварки в
прессе и получение швов обеспечивает-
ся последовательно без перестыковок.
Для сварки объемных изделий при-
меняют оснастку, имеющую элементы,
обеспечивающие подгибание и фиксацию материала перед свар-
кой. На рис. 6.13 приведена такая оснастка для сварки чемода-
нов. Оснастка размещается между плитами / и 2 сварного прес-
са. Боковые стенки изделия 5, предварительно соединенные
в кольцо, надевают на внутренний электрод 4, имеющий форму
изделия, и фиксируют на нем (рис. 6.13,а). С помощью специ-
альною ручного
к о м м у та ц и о н н ы х
Рис. 6.12. Коммутационные
электроды
привода прижимные планки 5, раегюложенны
Рис. 6.13. Оснастка для сварки объемных изделий:
1,2- алиты сварного пресса; 3 - боковая с гонка изделия; 4 - внутренний электрод
5~ прижимная планка; 6 - дно изделия; 7- верхний электрод; а, б. « - см текст
по контуру изделия,
перемещаются в горизонтальной
плоское
ги
и пригибают край боковой стенки. Затем на внутренний элек-
трод укладывают дно 6 изделия (рис. 6.13.6). Верхний электрод
опускают на изделие, и прижимные планки, имеющие неболь
шую толщину, отводят приводом из зоны
(рис. 6.13,г?). Плиты пресса смыкают для
соединения наружу
создания
давления
192
в зоне соединения и выполнения сварки. Для сварки объемных
изделий применяемая оснастка позволяет одновременно выполнять
швы, расположенные в горизонтальной и вертикальной плоскостях.
Усилие в зоне соединений в вертикальной плоскости создается
подвижными электродами, на которые усилие от плит пресса пере-
дается с помощью нескольких пар клиньев |1, 16, 25, 26|.
Для приварки днища к цилиндрическим деталям из пленоч-
ных материалов используют оснастку, имеющую форму кольца
(рис. 6.14). Внутрь цилиндрической заготовки вставлено кольцо
или трубка, служащая нижним электродом. Края заготовки от-
гибают внутрь и фиксируют распорным кольцом. Сварку вы-
полняют кольцевым электродом. Полученное изделие имеет
сварной шов, работающий на сдвиг.
- 3
~-2
к и лниш цилиндрических
емкостей из пленочных ма-
териалов:
/. 2 - мекпхзлы: - сва-
риваемые заготовки пленочного
материала. 4 - распорное кольцо
Рис. 6/4 Оснастка для свар**
Рис. 6/5. Оснастка для сварки сильфонов из
пленочных материалов:
а - оснастка зля сварки bttyipeiniifx шнов
(/ - потенциальный гк-кт рол: 2 заземленный злек-
трол. 3 - заготовка сильфона; 4 - центрирую!пая вставка
из диэлектрического материала); б - оснастка ыя свар-
ки внешних швов (/ - потенциальный электрод;
2 - заземленный электрод: 3 - сильфон)
Сильфоны из ПВХ-пленки, используемые для защиты на-
правляющих станков и приборов, представляют собой гофриро-
ванные трубки круглого и прямоугольного сечения.
Сварку сильфонов выполняют на специальной оснастке в два
приема (рис. 6.15). Прежде сваривают внешние сварные швы
заготовок из колец, вырезанных из пленки. Затем на других
электродах проводят последовательную сварку заготовок внут-
ренними швами. Готовый сильфон по мере его сварки опускается
по нижнему электроду. Таким образом возможно сварить сильфон
любой длины [1, 25, 26].
Сварка продольных швов труб из пластифицированного ПВХ
может производиться шаговым способом (рис. 6.16). За одну
193
операцию сваривается шов длиной 500-700 мм. Каждый преды-
дущий шов перекрывается последующим на 10 мм. Заземленным
электродом является так называемый шарнирный электрод 5, а
высоковольтный электрод 2 представляет собой нож шириной 4
мм, укрепленный в электродержателе. Такая же схема сварки мо«
жет быть использована для соединения нахлесточным швом мя!
ких лент при изготовлении рукавов, шлангов и т.н. (рис. 6.17)
При этом нижний электрод выполняют рогообразным.
Рис. 6.16. Схема сварки продоль-
ных швов труб из ПВХ:
/ - Труба. 2 - высоковольтным элсктроя.
3- заземленный шарнирный электрод
Рис. 6.17. Схема сварки рукавов из
пленки продольным швом.
/ - верхним ) текгрод. 2 - нижний эяекцюл.
3- рулонный материал; 4- сварной шов
При сварке футляров, портсигаров и других подобных изделий
применяется сварка встречными электродами (см. рис. 6.3,я).
Сварка ТВЧ может быть использована и для изготовления
объемных изделий, для чего служат электроды сложной формы.
6.1.2. Технология и параметры режима сварки
Сварку ТВЧ лучше всего использовать тогда, когда важно до-
биться высокой скорости и равномерности нагрева, быстрого
охлаждения материала шва, а также точного дозирования коли
чества тепла по большой длине шва. Такие требования обычно
предъявляют к сварке больших партий изделий из пластифини4
роваиного и непластифицированного поливинилхлорида, много-
слойных полиамидных и фторсодержащих пленок. 1
Особенно широко используется сварка ТВЧ для изготовлении
упаковки из полимерных пленок. При этом процесс сварки упако-
вочных чехлов и собственно упаковка и герметизация изделия или
продукта могут быть разделены или выполняться одновременно. J
В первом случае упаковочный чехол изготавливают на ста-
ционарных сварочных установках, затем в него укладывают из-
делие и производят герметизацию путей наложения замыкаю-
щего шва с помощью переносной установки типа сварочных
клещей.
Во втором случае сварку производят на прессовых установ-
ках, а пленка может подаваться непосредственно из рулона. I
Сварка, как правило, производится с одновременным обреза-
нием лишнего материала. Таким методом упаковывают, напри
мер, медикаменты, инструменты и прочие изделия.
194
Из непластифицированных термопластичных материалов,
сварка ТВЧ которых наиболее целесообразна, следует назвать
винипласты, изготавливаемые на основе поливинилхлоридной
смолы, и полиамиды марок П-68, П-6, П-8, П-10 и др.
Винипласты выпускаются в виде листов (1500x550 мм) толщи-
ной 0.3-20 мм, труб с внутренним диаметром 8-150 мм и толщи-
ной стенки 2-6 мм, стержней диаметров 2,8-58 мм. уголков
30x30x3 мм. Длина труб, стержней и профилей составляет 1.5-3 м.
Высокочастотная сварка этих материалов может применяться
при изготовлении стойких против коррозии трубопроводов для
газов и жидкостей, герметичных сосудов для химических реак-
швов, аккумуляторных батарей и т.д.
К основным параметрам режима сварки ТВЧ, как и
любых других способов Сварки термопластов, относятся те пара-
метры, которые непосредственно влияют на мощность, выделяю-
щуюся в виде тепла в диэлектрике, помещенной в электрическое
поле. Такими параметрами являются: частота тока, напряжен-
ность электрического поля, время сварки (продолжительность
нагрева) и сварочное давление.
К дополнительным параметрам режима сварки
ТВЧ относятся параметры, с помощью которых можно регули-
ровать непроизводительные затраты энергии (энергия, рассеи-
ваемая вне зоны сварки, теплоотвод в электроды, неравномер-
ное распределение напряженности и теплового поля по длине
электродов и т.п.). К дополнительным параметрам относятся, в
частности: размеры, форма и материал электродов, материал и
размеры прокладок, укладываемых между электродами и свари-
ваемыми деталями.
Все перечисленные основные и дополнительные параметры
находятся в тесной взаимосвязи друг с другом.
Частота тока при сварке ТВЧ является основным параметром,
е помощью которого можно регулировать удельную тепловую
мощность (мощность, рассеиваемую в виде тепла в единице объ-
ема диэлектрика). Это объясняется тем, что при постоянных
факторе потерь и напряженности электрического поля удельная
тепловая мощность прямо пропорциональна частоте тока. Отсю-
да следует, что для повышения производительности процесса
сварки за счет роста скорости нафева следует увеличивать час-
тоту тока.
Однако увеличение частоты тока не может проводиться без
учета длины сварочных электродов, что обусловлено волновыми
процессами. Дело в том. что при подключении пластин конден-
сатора - электродов - к генератору в нагреваемом материале
возникает электромагнитная волна. Дойдя до противоположного
края, волна отражается от боковой грани электрода.
195
Вози и кшая волна встреча# i
отраженную волну. В результате
многократного отражения вол! <
от концов конденсатора уста-
навливается режим так называе-
мой стоячей волны (рис. 6.18).
при котором в любой момен!
времени в материале как бы
существуют две электромаг-
нитные волны, движущиеся в
противоположных направлени-
ях. Суммарная стоячая волна
имеет пучности и узлы, т.е. на-
пряженность электрического
поля распределена неравномер-
но. Это в свою очередь вызывал
ет неравномерность гепловыле*
лсния по длине электродов: в
зонах, прилегающих к пучно-
сти м электромагн ил iой вол н ы,
тепловыделение максимально; в
зонах, прилегающих к узлам,
тепловыделение отсутствует, поэтому разогрева, а следовательно,
и сварки нс происходит. Для достижения равномерное™ рас-
пределения напряженности электрического поля необходимо
длину электродов / выбирать значительно меньше длины 1 элек-
тромагнитной волны (см рис. 6.18). Чтобы неравномерность
электрического поля не превышала 5%, следует назначать / не
больше (0,04±0,05)Х. Но длина волны X обратно пропорциональна
частоте тока: X — c/f (где с - скорость электромагнитной волны,
зависящая только от физической природы диэлектрика). Поэтому
увеличение частоты тока приводит к необходимости уменьшения
длины электродов.
Выравнивания распределения напряженности электрического
поля между электродами при больших длинах электродов можно
достичь, изменяя схему подключения их к высокочастотному
генератору. Так, если подключение осуществлять к средней час-
ти электродов или замкнуть их противоположные ио отношению
к точке подключения концы через специально подобранную ин-
дуктивность, го длина электродов может быть увеличена в два
раза по сравнению с подключением высокочастотного генерато-
ра с одной стороны электродов. Если при центральном подклю-
чении замкнуть электроды через индуктивности с обеих сторон,
го их длина может быть увеличена в четыре раза. Однако допол-
нительные индуктивности используются редко ввиду их сложно-
сти, громоздкости и не технологичности конструкции.
196
Диапазон частот, при котором можно осуществлять быстрый
нагрев термопластов при сварке ТВЧ, составляет 30-160 МГн.
Так как удельная тепловая мощность прямо пропорциональна
нс только частоте тока, но и фактору потерь, то чем меньше зна-
чение фактора потерь свариваемого материала, тем больше долж-
на быть частота тока. Так, полиамиды и синтетические ткани из
капрона (к = 0,025-^0,128) хорошо свариваются при частоте 27
МГц, лавсановые ткани (к = 0,006) - только при повышенных
частотах (80-150 МГц), а полипропиленовые (к — 0.0002) вообще
не свариваются. Для непластифицированного поливинилхлорида
оптимальным является интервал частот 60-75 МГц, а для пла-
стифицированного - 30-50 МГц. Для сварки линолеума этот ин-
тервал сужается до 30-40 МГц. Равномерный нагрев винипласта
в процессе сварки обеспечивается при частоте 40-75 МГн. Более
высокие частоты можно допускать при меньших размерах элек-
тродов. При этом для получения качественного и равномерного
шва толщина свариваемого материала не должна превышать 6-8
мм, а длина сварного шва, получаемого за один ход электрода,
должна быть не больше 1-1,2 м.
Напряженность электрического поля также является парамет-
ром высокочастотной сварки, увеличение которого приводит к
росту удельной мощности, генерируемой внутри термопласта,
находящегося в высокочастотном электрическом поле. Причем
удельная мощность пропорциональна квадрату напряженности
электрического поля.
Однако увеличение напряженности электрического поля ог-
раничено возможностью электрического пробоя слоев пластмас-
сы, находящихся между электродами сварочной машины. Это
обусловлено тем, чго каждый диэлектрик, находясь в электриче-
ском поле, теряет свои изоляционные свойства, когда напря-
женность поля превышает некоторое критическое значение, на-
зываемое пробивной напряженностью. Ниже приведе-
ны значения пробивной напряженности £11р для некоторых ди-
электриков (в первой колонке приведены данные для сваривае-
мых пластмасс, а во второй - для материалов, используемых в
качестве технологических прокладок между электродами и дета-
лями и изоляторов в сварочной машине):
Г11р. кВ/мм £пр. кВ/мм
Поливинилхлорид 12 Парафи н 20-30
Винипласт 15 Гети паке- 10-30
П ол и меч ил мета к рилат IN те коалит 2- N
(оргстекло, плексиглас) Прессшпан 9-12
Полис । и рол 25-50 Шеллачный Лак 20-30
Капролон 36
На пробивную напряженность пом и мо ма гериала длэлектри-
ка оказывает влияние ряд Других факторов: форма электриче-
197
ского поля, наличие воздушных зазоров, частота тока, состояние
поверхности диэлектрика, давление и температура воздушной
среды, наличие в воздушном зазоре примесей. Поэтому значок
нис допустимой напряженности при сварке ТВЧ рекомендуется
принимать в 1,5-2 раза меньшим, чем значение пробивного на-
пряжения, указанное выше.
Обычно оптимальное значение напряженности электриче-
ского поля подбирается экспериментально. При этом следует
пользоваться следующими практическими рекомендациями по
выбору напряженности: для сварки поливинилхлорида 8OO-2OOQ
В/мм, линолеума 250-350, полиамидов 600-650, пенополистиро-
ла 50 В/мм. I
При сварке винипласта нужно учитывать, что перегрев свыше
433 К приводит к снижению его прочности. Поэтому напряжен-
ность электрического поля при сварке винипласта не следует на<
значать слишком большой (1400-1500 В/мм) (1, 5, 16, 26|.
Давление при сварке ТВЧ, как и при других видах сварки,
служит для создания физического контакта свариваемых по-
верхностей, обеспечения вытекания расплава в зоне сварки и
более полного протекания диффузионных процессов. Опги-
Рис. 6.19. Схема образования “сварочной
гусеницы” и стеснения ее за счет боковых
губок:
а - нормальные электроды; б - элскцхыы с
боковыми губками; / - свариваемые пленки:
2~ *сва|ючная гусеница»: 3 - элскгроды; 4 - боковые
губки
мальные значения давления
составляют для пластифици-
рованного п ол и ви н ил хл ори
да 0.7-2 МПа, линодсу М
0,05-0,15, полиамидов 1,5-
2,0, винипласта 2-5 МПа. |
Применяя верхние преде
лы давления, можно сокра
тить время сварки и умень-
шить мощность нагрева. Од
нако при этом могут на
блюдаться значительное уто
нение сварного шва
до 40% от исходной тол ши
ны) и образование “сварочной гусеницы'1 (рис. 6.19,а) за смет
Утонение
шва приводи!
выдавливания расплава за зону сварки.
к понижению прочности сварного соединения. Во избежапи
этого рекомендуется устанавливать на сварочных машинах огра
ничитсли хода электродов. Образование “сварочной гусеницы'
способствует повышению жесткости сварного соединения.
также снижает его прочность. Иногда, чтобы повысить эластич
ность сварного шва, ограничивают вытекание расплава, что пре
пятствует
образованию “сварочной гусеницы"
Это дос
игастся за
счет применения электродов с боковыми губками (рис. 6.19.0)
Губки изготавливают, например, из фторопласта, поэтому
зогы
198
давления получается меньшей, чем зона нагрева. Однако этот
прием, равносильный снижению давления на сварной шов, хотя и
приводит к уменьшению размеров “сварочной гусеницы", все же
не позволяет получить более прочные швы, чем при сварке узким
электродом. Это объясняется тем, что стеснение выдавливания
расплава ухудшает условия протекания диффузионных процессов.
Время сварки определяется временем нагрева границы раздела
свариваемых деталей до температур сварки. Время нагрева рассчи-
1ывастся из баланса энергии: количество тепла, рассеиваемое в
материале, должно быть равно сумме количества тепла, необхо-
димого для разогрева материала до заданной температуры, и ко-
личества тепла, заходящего из зоны сварки за счет теплопровод-
ности в околошовную зону и в электроды. Эти составляющие
энергетического баланса в немалой степени зависят от толщины
свариваемых материалов и площади сварки. Поэтому между
временем сварки, удельной мощностью, толщиной материалов и
максимальной площадью сварки существует тесная взаимосвязь.
Так, например, при сварке пленок из винипласта толщиной
около 100 мкм удельная мощность составляет 1,60-1,20 Вт/мм2
при изменении времени сварки от 0,1 до 5 с. Но уже при сварке
листов толщиной 0,5-1,0 мм она падает при гех же временах
сварки до 1,0-0,2 Вт/мм2. Дальнейшее увеличение толщины
снова приводит к возрастанию удельной мощности - тем более
резкому, чем меньше время сварки. Это объясняется тем, что
при сварке тонких пленок большая часть тепла, рассеиваемая в
материале, теряется за счет теплоотвода в электроды. Для ком-
пенсации этих потерь и сохранения требуемой производитель-
ности процесса приходится увеличивать удельную мощность.
Последующий рост толщины приводит к возрастанию объема
разогреваемого материала, поэтому сле-
дует тибо удлинять продолжительность
сварки при сохранении удельной мощ-
ности, либо увеличивать удельную мощ-
ность при сохранении производитель-
ности. Для повышения интенсивности
нагрева и, следовательно, уменьшения
времени сварки за счет уменьшения те-
плоотвода в электроды используют сле-
дующие приемы.
При прессовой сварке детали уклады-
вают между на!ретыми с помощью элек-
тронагревателя электродами (рис. 6.20).
Подо! рев в этом случае приводит к вы-
Рис. 6.20. Схема сварки с
подогревом электродов.
/ - свариваемые детали: 2 - элек-
трод; J - >лск1 poi ЮЛО1 ренатель.
Цюл * напряжение подо! река;
- напряжение высокой час-
тоты
равниванию распределения температуры по толщине сваривае-
мых деталей и некоторому увеличению фактора диэлек-
199
тричсских потерь, что также способствует сокращению времени
сварки. Я
При сварке тонких пленочных материалов применяют прокладки
из термоизоляционного термореактивного материала с меньшей теп
лопроводностью (например, из электротехнического картона),
уменьшающие тепловые потери в электроды. Использование
прокладок позволяет также, не опасаясь электрического пробоя,
повысить напряженность электрического поля и тем самым ешс
больше сократить время сварки. Чтобы обеспечить симметрия
ность теплового поля и предотвратить смещение максимума
температур от Гранины раздела свариваемых деталей, прокладки
следует устанавливать как со стороны верхнего, так и со сторо-
ны нижнего электрода. fl
Оптимальное время сварки в значительной мерс зависит ot
физической природы свариваемых материалов. Так, сварка пла
стифицированного поливинилхлорида происходит за десятые
доли секунды, а полиамидов - за 10-15 с. Во всех случаях не
следует сокращать время сварки до минимума, так как при этом
могут не успеть завершиться диффузионные процессы в зоне
контакта свариваемых деталей.
На потери электрической мощности большое влияние оказы-
вает неравномерность электрического поля по ширине электро*
дов. Из рис. 6.21 видно, что частично силовые линии поля за
мыкаются вне зоны сварки, т.е. часть энергии тратится на не-
нужный нагрев околошовной зоны. В связи с этим увеличивает-
ся время сварки или повышается минимальная мощность, неоИ
ходи мая для сварки.
Рис 6.21. Влияние формы электродов на поле рассеивания:
а - нижний электрод с более широкой поверхнос i ью; б - электроды одинаковой iimpii
ны, / - электроды; 2- свариваемы!! материал. 3 - силовые линии
Для уменьшения поля рассеивания рекомендуется верхний и
нижний электроды выполнять одинаковых размеров (рис. 6.21м
При сварке пленок из пластифицированного поливинилхлорида
ширину электродов следует назначать равной двойной толшийк
свариваемого пакета, но не менее 0,8 мм. Из-за возможного пе-
регрева материала в местах, контактирующих с углами бочее уз-
200
кого электрода, кромки электродов необходимо округлять ра-
диусом, равным 1/8 ширины электрода.
Еще больше неравномерность электрического поля сказыва-
ется при стыковой сварке труб по схеме, приведенной выше на
рис. 6.3,d. Неравномерность электрического поля, а следова-
тельно, и неравномерность распределения температур по тол-
щине зависят от расстояния между электродами. При любом
расстоянии между электродами напряженность и температура на
наружной поверхности трубы больше, чем на внутренней. С
увеличением расстояния между электродами неравномерность
электрического и температурного полей уменьшается, но время
разогрева увеличивается. Так, при сварке труб с толщиной стен-
ки 3 мм и расстоянии между электродами 2 мм разность в зна-
чениях напряженностей составляет 60% от напряженности на
наружной поверхности трубы, а при расстоянии 6 мм - 10%.
Однако время высокочастотного нагрева возрастает при этом с
20 до 160 с. Не снижая значительно производительности про-
цесса сварки труб, рекомендуется расстояние между электрода-
ми выбирать таким, чтобы время нагрева было несколько боль-
ше времени, необходимого для выравнивания температур по
толщине трубы.
Иногда увеличение производительности может быть достиг-
нуто снижением начальной температуры размягчения термопла-
ста. Так, при сварке полиамидов с этой целью иногда сваривае-
мые поверхности покрывают трикрезолом, а при сварке изделий
из винипласта - дибутил фтал атом. Эти приемы позволяют также
повысить эластичность сварного шва.
При сварке материалов с низким значением фактора диэлектри-
ческих потерь часто используют прием, заключающийся во вве-
дении в зону сварки материала с высоким значением этого фак-
тора. В этом случае разогрев зоны сварки обеспечивается на!ре-
вом материала с высоким фактором диэлектрических потерь
вследствие рассеивания в нем энергии электрического поля и по-
следующей передачи генерированного тепла свариваемому мате-
риалу за счет теплопроводности по механизму сварки нагретым
инструментом. Поэтому такую сварку иногда называют кон-
тактно-диэлектрической.
Введение в зону сварки материалов с высоким фактором диэлек-
трических потерь может осуществляться за счет покрытия этими
материалами (например, поливинилхлоридом или прессшпаном)
сварочных электродов, закладных деталей, остающихся в свар-
ном шве, либо прокладок, располагаемых между свариваемыми
деталями.
Закладные детали, остающиеся в сварном шве, должны обла-
дать не только высокими диэлектрическими потерями, но и хо-
201
роши.ми адгезионными свойствами, нс разлагаться при нагреве
до температур плавления и иметь достаточную вязкое!ь распла-
ва. При сварке полиэтилена и полипропилена хорошие резуль-
таты достигаются введением между свариваемыми деталями ди-
фенила или волокнистого целлюлозного материала типа бумаги,
содержавшего 5-8% воды. При сварке пенопласта использую!
прослойку из модифицированного пентапласта.
По механизму контактно-диэлектрической сварки протекает
и высокочастотная сварка металлонанолненных пластмасс. Теп
ло для сварки в этом случае создается за счет вихревых гоков,
возбуждаемых в металлических частицах. Такой вид сварки мо-
жет также применяться для соединения пластмасс с металличе-
скими деталями и металлонаполненных материалов - с немсгал-
л и чески м и м атериал а м и. 1
В последние годы получила развитие техника, основанная на
использовании энергии сверхвысокочастотного (СВ1!) электро-
магнитного поля (частота свыше 2000 МГц). Сварка СВЧ
позволяет получить качественно новые результаты примени-
тельно к таким трудносваривающимся материалам, как фго-
рсодержащие полимерные пленки (фторлоны Ф-2М. Ф-ЗБ.
Ф-30. Ф-40, Ф-40ЛД, Ф-42, Ф-4МА). При частоте генерации
2375 МГн СВЧ-нагрев указанных материалов обеспечивает по-
лучение нерасслаиваюшихся соединений с высокой прочностью
за 1-2 с без предварительной обработки свариваемых поверхнос-
тей. Такой быстрый нагрев обусловлен не только повышением
удельной мощности за счет применения сверхвысоких частот, но
и уменьшением сил взаимодействия между макромолекулами
полимеров в результате ориентационной поляризации [1, 25-29|.
6.1.3. Оборудование для сварки током высокой частоты
Установки для сварки ТВЧ включают в себя высокочастот-
ный генератор и технологические устройства. Высокочастотный
1енератор является источником электромагнитной энергии, под-
водимой к сварочным электродам.
Технологические устройства включают в себя собственно сва-
рочное устройство и элементы, обеспечивающие механизацию и
автомашзашпо процесса, например загрузочные устройства. I
Для согласования выходных параметров генератора с электри-
ческими параметрами рабочего конденсатора, которые изменя-
ются при переходе на сварку нового изделия, в сварочное уст-
ройство встраиваются согласующие устройства.
Передача высокочастотной энергии ог генератора к сварочно-
му устройству осуществчяется с помощью фидерных устройств.
В состав технологических устройств могут входить различные
элементы, обеспечивающие механизацию и автоматизацию про-
цесса: загрузочные устройства, обеспечивающие автоматическую
202
подачу свариваемого изделия в рабочую
зону; согласующие устройства, предна-
значенные для согласования входных и
выходных параметров высокочастотного
Генератора с электрическими параметра-
ми рабочего конленсаюра, изменяющи-
мися в общем случае при переходе на
сварку нового изделия; фидерные устрой-
ства, предназначенные для передачи высо-
кочастотной энергии от лампового генера-
тора к сварочному устройству 11, 25, 26].
На рис. 6.22 показано расположение
элементов сварочной установки с выне-
сенным в данном случае за пределы
станины прессом с маслонасосной
станцией, обеспечивающей подачу под
давлением рабочей жидкости в шдро-
цилиндры силовых и подвижных эле-
ментов установки.
Для нагрева диэлектрических мате-
риалов в электрическом поле высокой
частоты используют ламповые и транзи-
сторные автогенераторы с частотой тока
Рис 6.22. Схема размещения
элементов высокочастотной
сварочной установки.
/ - ламповый rvitcpuiop.
2 - маслонасосная станция.
J - высокочастотным евпрочныи
пресс. 4. 5 - загрузочные столы.
6 - высокочастотный коаксиаль-
ный филер и согласующее уст-
ройство
от нескольких десятков
до нескольких тысяч мегагерц.
Рис. 6.23. Конструктивная
схема высокочастотного
сварочного пресса:
/ привоя рабочей пяты;
2 - высокопотеициа 1ьная рабо-
чая или.и 3 - экран под ви а ном
рабочей 11.1ШЫ, 4 - низкопотении-
альная н.впа: 5 - приводная часть
ра лампою экрана: б- привод «pa-
ua: 7 с 1 ан ина пресса
Увеличение к.п.д. генераторов возмож-
но iiyicM применения теристоров, транзи-
сторов, а также генераторных ламп с маг-
нитной фокусировкой, улучшения схем
колебательных контуров и усовершен-
ствования схем автоматизации |1, 25|_
Главные функции технологического
устройства, осу ществл я ю ше го с вароч -
ный процесс, - разогрев термопласта до
те м п е ратур вя зко те куч е го состоя 11 ия
вдоль линии сварного соединения и
прижим свариваемых материалов в ра-
зогретой зоне друг к другу с заданной
силой.
Развитие техники высокочастотной
сварки пошло в направлении совершен-
ствования прессовых технологических
устройств. В настоящее время практиче-
ски все изготавливаемые высокочастот-
ным методом сварные соединения получают с помощью высо-
кочастотных прессов (рис. 6.23).
203
Рабочис плиты пресса в своей совокупности образуют электри
веский конденсатор, подключенный к генератору параллельно I
рабочим конденсатором сварочного устройства. Емкость послед<
него должна быть значительно больше емкости рабочих пли г
Удовлетворительное соотношение получается, если расстояние
между рабочими плитами в момент сварки сохраняется не менее
20- 40 мм (принимая большие значения для плит большего размера). (
С точки зрения формирования сварного соединения одна п«
двух рабочих плит должна быть высокопотенциальной (верхняя
или нижняя - не имеет значения). Однако если конструкция вы-
сокочастотного пресса предполагает укладку заготовок непосред-
ственно на нижней плиге, ее целесообразно выполнять низкопо-
тенциальной. Это уменьшает вероятность получения ожогов при
случайном подключении к прессу высокочастотного напряжения.
Подвижной (силовой) может
выполняться одна из двух рабо-
чих пли г. Это зависит от кон
кретных требований к коней
руки и и уста н овк и: особе н i ю
стей загрузочных ус гройепк
элементов экранирования и т.н
При ручной загрузке заготовок
на нижней плите пресса целе-
сообразно выполнять ее непод-
вижной. I
Загрузочные устройства
общем виде представляют со-
бой столы, подаваемые тем или
иным способом из загрузочных
позиций в позицию сварки и
обратно. Размеры загрузочных
с голов соответствуют парамст •*
рам рабочих плит пресса. По
способу подачи столов раз-
личают: загрузочные устройств.!
с в ы л ви ж н ы м и за гру зоч и ы м и
столами, когда столам придает-
вы-
Рис. 6.24 Схемы расположения
движных загрузочных столов {1-4 -
рабочие места)
ся возвратно-поступательное перемещение (рис. 6.24); загрузоч-
ные устройства с поворотными платформами (карусельные),
когда загрузочным столам придается вращательное движение, и
конвейерные загрузочные устройства с поступательным движе-
нием загрузочных столов.
Карусельные и конвейерные загрузочные устройства осуще-
ствляют движение загрузочных столов сквозь рабочее простран-
ство пресса в одном направлении. Возможное число загрузочных
204
позиций сварочной установки зависит от типа загрузочного уст-
ройства и конструктивного исполнения высокочастотного пресса.
Консольный пресс допускает применение любых из перечис-
ленных выше загрузочных устройств. Портальный пресс в четы-
рехколонном исполнении может быть снабжен четырьмя выдвиж-
ными загрузочными столами, но не может работать с поворотной
платформой. Конвейерные загрузочные устройства можно приме-
нять с любыми прессами. Все выше перечисленные загрузочные
устройства используются в автомобилестроении, вагоностроении,
самолетостроении, при изготовлении бытовой техники.
К высокочастотным сварочным установкам как к источникам
электромагнитных излучений предъявляются весьма жесткие
требования в области соблюдения норм допустимых индустри-
альных помех, санитарных норм и правил при работе с источ-
никами электромагнитных полей высоких, ультразвуковых и
сверхвысоких частот.
В соответствии с нормами на рабочих частотах и iармониках
от 0,15 до 300 МГц в пределах выделенных частотных полос на
расстоянии 30 м от установки или 10 м от границы производст-
венной территории напряженность поля радиопомех не должна
превышать 70 дБ.
В соответствии с санитарными нормами интенсивность элек-
трической составляющей поля на рабочих местах не должна
превышать 20 В/м в диапазоне частот 100 кГц - 30 МГц и 5 В/м
в диапазоне частот 30-300 МГц. Магнитная составляющая поля
при сварке пренебрежимо мала.
Опыт показывает, что удержание интенсивности электромаг-
нитных полей и напряженности поля радиопомех на заданных
уровнях надежно обеспечивается только путем тщательного эк-
ранирования всех токоведуших элементов сварочных установок.
Объектами экранирования в сварочных установках являются
генераторный блок генератора, рабочий конденсатор сварочного
устройства, согласующие и токоведущис устройства.
Ламповые генераторы, питающие современные высокочастот-
ные сварочные установки, представляют собой генераторы с са-
мовозбуждением или автогенераторы.
Испускаемые в настоящее время ламповые генераторы для
сварки ТВЧ работают исключительно на частоте 27,12 МГц=1%.
Напряжение питающей трехфазной сети 380 В, частота 50 Гц,
коэффициент мощности не менее 0,85.
Создано новое поколение сварочных ламповых генераторов
серии ВЧГ (ВЧГ1-1,6/27, ВЧГ4-4/27 и ВЧГ2-10/27), обеспечи-
вающих заданную стабильность частоты, устойчивую работу ав-
тогенератора и сравнительно небольшое изменение генератора в
процессе сварки.
205
Повышение надежности в этих генераторах достигнуто ис-
пользованием для анодного выпрямителя полупроводниковых
вентилей, обладающих большим сроком службы. Управление
выпрямителем осуществляется тиристорным ключом, располо-
женным на первичной стороне анодного трансформа юра. Рогу*
лирование и стабилизация выпрямленного напряжения осущест-
вляются за счет изменения момента включения силовых тири-
сторов ключа. При этом выпрямленное напряжение регу-
лируется в пределах от 15 до 100% и поддерживается постоям
ным (с точностью ±0,1%) в пределах от 25 до 85% от его макси-
мального значения при снижении напряжения питающей ccili
на ±10% от номинального значения. Кроме того, строгая повто-
ряемость режима работы генератора при сварке независимо oi
напряжения в сети, строгое дозирование высокочастотной
энергии, легкая и точная перестройка режима сварки при смене
свариваемых изделий в генераторах обеспечиваются: феррорезо-
нансным стабилизатором напряжения накала генераторной лам-
пы; выносным согласующим устройством тонкой регулировки
анодного напряжения и высокочастотной мощности; генератор-
ной лампой и анодным трансформатором с большим запасом по
мощности; реле времени большой точности. Контроль режима
при сварке и управление наладочными работами осуществляются
с помощью индикатора напряжения на рабочем конденсаторе. |
Конструктивно генераторы выполнены в виде двух блоков:
генераторного; управления и стабилизации. Генераторы снабже-
ны системой аварийного отключения анодного напряжения С
целью зашиты электродов при электрическом пробое в рабочем
конденсаторе.
Сварочные устройства в зависимости оз используемой схемы
сварки делятся на прессовые стационарные, ручные типа кле
щей и роликовые шовные установки. Наибольшее распростра-
нение имеют сварочные прессы. 1
При укладывании свариваемых деталей на нижнюю плиту
пресса ее выполняют низкопотенциальной. Это снижает вероят
ность получения ожогов при случайной подаче на пресс высо
кого напряжения. 1
Подвижной выполняется любая из рабочих плит, но при руч-
ной укладке деталей обычно нижняя плита выполняется непод-
вижной. I
По конструкции станины высокочастотные прессы делятся на
консольные и портальные. Портальные прессы обладают боль
шей жесткостью, поэтому их целесообразно применять для
мощных установок с размерами плит более 1,0-1,5 м. I
Дня совмещения во времени операций сборки заготовок и
сварки, а также для предотвращения доступа человека в рабочее
206
пространство пресса установки для сварки ТВЧ снабжаются за-
1рузочными устройствами (см. выше).
Привод рабочих плит и подвижных элементов сварочных
прессов может быть электромеханическим или гидравлическим.
В мощных установках с рабочим усилием более 3 кН использу-
ется в основном шдропривод.
ВНИИТВЧ разработал серию сварочных высокочастотных ус-
тановок типа ВЧД с потребляемой мощностью от 4 до 25 кВт и
мощностью высокой частоты от 1,6 до 10 кВт. Длина сварных
швов от 3 до 10 м при ширине 2 мм.
Установка ВЧД2-4/27 включает в себя сварочный пресс
ПВЧ1-4 с потребляемой мощностью 10 кВт и ламповый генера-
тор мощностью 4 кВт, рабочее усилие при сварке изменяется от
12 до 14 кН. Максимальное время сварки 10 с, производитель-
ность 180 циклов сварки в час.
Сварочная установка ВЧД6-4/27 предназначена для сварки
изделий из поливинилхлорида. Мощность генератора 4 кВт. В
комплект установки входит сварочный пресс с гидравлическим
приводом. Максимальное усилие пресса 15 кН. Пресс снабжен
двумя рабочими столами (500x600 мм), поочередно подаваемыми
в рабочее пространство, где производится сварка. Расстояние
между плитами пресса может плавно регулироваться с помощью
электропривода, максимальное расстояние 250 мм, что позволя-
ет производить сварку не только плоских, но и объемных изде-
лий. Режим работы пресса полуавтоматический, производитель-
ность до 500 циклов сварки в час. Предусмотрена также воз-
можность ручного управления прессом при производстве нала-
дочных работ.
Сварочная установка ВЧД6-10/27 с ламповым генератором
мощностью 10 кВт и прессом с рабочим усилием 100 кН позво-
ляет сваривать швы протяженностью до 10 м. Установка снаб-
жена двумя связанными друг с другом двухэтажными загрузоч-
ными столами. Такая компоновка столов позволяет значительно
сократить производственную площадь, занимаемую прессом.
Установка работает в автоматическом цикле, ее производитель-
ность 180 циклов сварки в час.
Установка ВЧД7-10/27 предназначена для сварки изделий из
рулонного материала шириной I м. Мощность лампового гене-
ратора 10 кВт. рабочее усилие пресса 100 кН, производитель-
ность установки 190-260 циклов сварки в час.
Высокочастотные сварочные установки являются источника-
ми электромагнитных излучений. Поэтому к ним предъявляются
жесткие требования в отношении соблюдения норм допускае-
мых радиопомех, санитарных норм и правил при работе с ис-
точниками электромагнитных полей высоких, ультравысоких и
сверхвысоких частот.
207
Безопасность работы обеспечивается не только соблюдением
этих норм, но и тщательным экранированием следующих эле-
ментов установки: генераторного блока лампового генератора;
рабочего конденсатора сварочного устройства; согласующих и
токоведущих устройств. Очень тщательно выполняют в экранах
различные разъемы, отверстия, смотровые окна и т.п., необхо-
димые для подачи деталей в рабочий конденсатор и техниче-
ского обслуживания установки.
6.2. СВАРКА ИНФРАКРАСНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ
Рис. 6.25. Схема нагрева
материала И К - и пучением:
/ - источник излучения:
2 - отражатель; 3 - облучае-
мое тело; а - испускаемые
световые и инфракрасные
лучи; б - отраженная часть
излучения: а - поглощенная
часть излучения (превра-
щенная в тепло внутри ма-
териала); г - пропущенная
часть излучения
6.2.1. Сущность процесса
Инфракрасные лучи имеют электромагнитную природу и
обусловлены колебательным и вращательным движением эле-
ментарных частиц вещества. Спектр этого излучения занимает
область от красной границы видимого
света до коротковолновой части милли-
метрового диапазона, что соответствует
длинам волн от 0,4 до 1000 мкм. fl
ИК-лучи, как и лучи видимого спек-
тра, Moiyr отражаться, преломляться и
поглощаться веществом облучаемого тела.
Поглощенная электромагнитная энер! ия
ИК-излучения переходит в тепловую
энергию внутри тела. Поглощаемость И К
лучей телами и использована для сварки.
Механизм преобразования ИК-лучей н
тепло внутри материала заключается в
следующем. Известно, что элементарные
частицы тел имеют собственную частоту
колебаний, а для полимеров эти частоты
колебаний определяются структурой мо-
лекул, размерами атомов, внутри- и меж-
молекулярными связями. И если частота
ИК-лучей совпадает с собственной часто
той колебаний элементарных частиц об-
лучаемого тела, то происходит так назы
ваемое резонансное поглощение, т.е. пре-
вращение электромагнитной энергии в те-
пловую (рис. 6.25). Важной характеристик
кой нагрева ИК-лучами служит степень
поглощения термопластами лучистой
энергии |2. 10, 16, 17|. I
Степень поглощения энергии ИК-лучей зависит от природы
полимера, наличия добавок (красителей, наполнителей и т.д.) и
208
толщины свариваемых материалов. В порядке убывания степени
поглощения, а следовательно, и возможности разогрева И Ко-
лунами термопласты можно расположить в следующий ряд: пен-
тапласт, полиамиды, полиэтилснтерсфталаг, поливинилхлорид,
пол иол ефи н ы, фторо! ыасты.
Поглощающая способность увеличивается с введением в по-
лимер красителей и наполнителей, а также с увеличением тол-
щины свариваемых материалов.
Особенностью сварки излучением является отсутствие непо-
средственного контакта нафевательного инструмента (излучателя)
с нагреваемой поверхностью, что исключает необходимость
применения мер по предупреждению адгезии расплава к нагре-
вателям. При нагреве поверхностей деталей нс происходит при-
нудительного вытеснения расплава в первичный грат. При свар-
ке пленок не образуется так называемый “подрез” по границе
шва. как это имеет место при контактной сварке нагретым ин-
струментом [1]
Интенсивность ИК-излучения пропорциональна четвертой
степени температуры излучающего инструмента:
= gzFT\
где - мощность излучения, <т - постоянная Стефа на-Больцман a; F - площадь
поверхности излучателя; с - степень черноты поверхности; Т - абсолютная тем-
пература излучателя |1].
Распределение температур при сварке ИК-излучения неравно-
мерно. Это обусловлено неравномерностью поглощения энергии
ИК-лучей по мере распространения их в глубь тела, а также на-
личием теплоотвода с поверхностей свариваемых деталей. Если в
излучении преобладают длины волн, для которых свариваемые
детали непрозрачны, то большая часть электромагнитной энергии
переходит в тепловую уже в слоях, прилегающих к облучаемым
поверхностям. Так как эти поверхности имеют конвективный те-
плообмен с окружающей средой, которая, как правило, холоднее
свариваемых материалов, то зона максимальных температур не-
сколько сместится от облучаемой поверхности в глубь тела. Чем
более прозрачен материал для ИК-лучей, тем глубже будет распо-
лагаться зона максимальных температур.
Если материал обладает высокой степенью проницаемости,
как, например, в случае сварки тонких пленок, сварку произво-
дят на подложках, обладающих высокой поглощающей способ-
ностью. ИК-лучи, пройдя через проницаемую пленку, поглоща-
ются материалом подложки. Подложка, разогреваясь, передаст
тепло контактирующим с ней слоям пленки так же. как в случае
сварки нагретым инструментом косвенным нагревом. Такие
подложки следует выполнять из черных бумаги, полиуретана,
микропористой резины или прорезиненных тканей |1, 2, 10. 16|.
209
6.2.2. Технология сварки
Сварка ИК-излучением используется для получения нахлс
сточных и рантовых соединений тонких пленок, а также стыки
вых соединений листов, труб и профилей.
Основными параметрами процесса сварки И К-излучсниим
являются: мощность излучения (температура нагревателя); времи
нагрева свариваемых поверхностей, усилие и скорость осадки
после нагрева 11].
Технологические параметры сварки ИК-излучением труб из
термопластов зависят от типа излучателя. При нагреве торцов
труб для стыковой сварки плоским нагревателем могут быть рЯ
комендованы режимы, приведенные в табл. 6.2. I
Прочность сварных соединений при сварке пленок ИК-излу-
чением составляет 0,6-0,7 прочности свариваемой пленки |1, 16, 17|. 1
Стыковые соединения листовых материалов из термопласта,
сваренные с помощью устройства “Пил ад-220” (при односторон
нем нагреве с технологическим зазором), имеют прочность (при
кратковременных нагружениях) 0,75-0,85 прочности основною
материала. Прочность при растяжении стыковых соединений ли*
нолеума из ПВХ, сваренных с односторонним нагревом этим уст^
ройством, зависит от технологического зазора:
Технологический зазор, мм ...0.5 I 1.5 2 2.5 3
Прочность при растяжении. МПа ..8-9,5 7.8-9 8-9 7-8 6,6-7 5.5 6
Стыки труб из полиэтилена, сваренные плоскими ИК-
излучателями кольцевого и ленточного типа, при кратковремен-
ных испытаниях имеют прочность 0,9-1 прочности основного
материала труб.
Сварка ИК-излучением имеет единственный незначительный
недостаток: при нагреве оплавляемые поверхности на протяжении
всего цикла находятся в контакте с окружающей средой, что ведет
к развитию окислительных и деструктивных процессов в распла-
вах термопластов. Для устранения этого недостатка используются
системы для сварки в среде инертных газов 11, 4, 10, 16, 17|. I
Сварка пленок осуществляется по нескольким схемам в зави-
симости от принципа создания давления в зоне соединения. I
Таблица 6.2. Параметры режима сварки труб из термопластов ИК-излучением
Материал Темпера! ура излуча- теля. °C П родолж । и е. । ы юсть ширена. с Давление осадки, МПа
ПЭНД 840-860 18-20 0.2 1
пэвд 820 840 16 0,15
ПП 820 840 27 0,3
Винил част 820-840 31-32 20
П р и \1 е ч а н и е : Зазор меж чу торцами 20 мм; скорость осадки 20 мм/с.
-------------------------------- — —................................... —д
При сварке по схеме, приведенной на рис. 6.26, используется
жесткая выпуклая подложка 5, на которую натягиваются свари-
210
Рис. 6.26. Сварка И К-излучением
на жесткой подложке с созданием
давления путем натяжения свари-
ваемых материалов:
/ - губки ограничителен зоны облуче-
ния; 2 - нагреватель; 3 - свариваемые плен-
ки; 4 сварной шов; 5 - подложка,
/1 - ИК-луч; Б - направление шпяжения:
Р - давление прижима
5 Б 4
Рис. 6.27. Сварка ИК-
излучением при создании
давления за счет упругой
подложки. Обозначения см.
на рис. 6.26
ваемые материалы 3. Материалы
прижимаются к подложке парой
губок /, которые одновременно
служат для ограничения зоны
нагрева. Давление в контакте
пленок возникает при их растя-
жении за счет разогрева. При
этом возникает утонение в зоне
соединения, что является не-
достатком такой схемы.
Лучшее качество соединения
обеспечивает схема, при которой
в роли подложки используется
эластичный материал (рис. 6.27).
г)ластичность позволяет создать
натяжение пленок в зоне облуче-
ния (направление натяжения показано стрелкой на рис. 6.27) за
давлением, приложенным через ограни-
чители 1 зоны сварки. Подложка, кро-
ме того, должна обладать некоторой
адгезией к расплаву полимера. В про-
тивном случае образуются узкие жгуто-
образные швы с низкой морозостойко-
стью. Всем этим требованиям в наи-
большей мере удовлетворяют подложки
из черной микропористой резины, пе-
нополиуретана и прорезиненных тканей.
Хорошие результаты достигаются и
при создании дарления за счет перегиба
материалов в зоне соединения.
Соединение рантовыми швами производят путем оплавления
кромок пленок, выпушенных на небольшое расстояние из за-
жимных губок. При этом может применяться импульсный ре-
жим облучения.
Непрерывные протяженные швы для всех схем сварки пленок
ИК-излучением получают взаимным перемещением излучателя
или пленок.
ИК-излучением хорошо свариваются пленки из пентапласта,
поливинилхлорида и полиэтилена низкой плотности, нестабили-
зированных и стабилизированных техническим углеродом. Тол-
щина пленок обычно составляет 100-300 мкм. Температура на-
гревателя (силилового стержня) до 473 К, расстояние от нагрева-
теля до пленок 12-14 мм, скорость сварки 0,02-0.06 м/с. Мень-
шая скорость соответствует сварке поливинилхлорида, а боль-
шая - полиэтилена, наполненого техническим углеродом.
211
Предельная толщина пакета пленок достигает 1,5-2 мм, но
время сварки увеличивается при этом до 15-20 с.
Этапы сварки стыковых соединений труб и профильных эле-
ментов сходны с этапами сварки нагретым инструментом, толь-
ко стадия оплавления протекает без контакта нагревателя со
свариваемыми торцами.
6.2.3. Оборудование для сварки инфракрасным излучением
Большинство полимерных материалов имеет максимум по
глотающей способности, соответствующий ИК-излучению с
длинами волн более 2,5-3 мкм. Для создания излучения с таки-
ми длинами волн используются стержневые кварцевые лампы,
силиговые стержни и нагреватели из хромистых сталей.
Кварцевые лампы стержневого типа выпускаются в ви-
де газозаполненных трубок с токопроводящей вольфрамовой
спиралью. Спираль в трубке укрепляется с помощью титановых
держателей. Такие лампы создают большую плотность облуче-
ния (до 1 Вт/мм2) при работе короткими импульсами длитель-
ностью до 1-5 с. Однако они находят ограниченное применение
из-за чувствительности к сотрясениям и из-за высокой стоимо-
сти. Имеется ручное устройство “Пилад” с кварцевой лампой,
предназначенное для сварки линолеума с поливинилхлоридным
покрытием, и несколько других устройств. I
С и лиговые стержни изготавливают по принципу про-
изводства керамики путем обжига композиции из карбида крем
ния, кристаллического кремния и углерода. Концы стержней
металлизируют, чтобы обеспечить возможность подключения их
к источнику электрической энергии. Так как материал обладае!
большим удельным электрическим сопротивлением, то при про»
пускании электрического тока стержни могут накаляться до 1527
К. При этом спектр излучения имеет максимум на участке, со
ответствующем длинам волн 5-6 мкм, что позволяет разогреть
свариваемый материал до необходимой температуры на расстоя
нии 10 мм от излучателя. Недостатки силиговых излучателей
малый срок службы (1000 ч) и возможность разрушения пол
действием кислорода, влаги и паров углекислоты.
Излучатели и з нихрома и жаропрочных хромистых
сталей изготавливают в виде спирали из проволок диаметром
0,5-0,8 мм или ленты, наматываемых на кварцевую или фарфо-
ровую трубку диаметром 8-10 мм. Ширина лен гы обычно выби-
рается равной ширине сварного шва. Форма таких нагревателей
зависит от конфигурации сварного шва.
При потребляемой мощности 1,5-2 кВт температура нагрева
хромоникелевых нагревателей составляет 1273-1373 К. Я
Из стержневых и полосовых элементов изготавливают пло-
ские прямоугольные или фигурные ИК-излучатели, предназна-
ченные для стыковой сварки листов, стержней и труб. Плоские
прямоугольные нагреватели используют для сварки труб диамет-
ром до 100 мм. При диаметре более 100 мм целесообразнее ис-
пользовать кольцевые нагреватели, наружный диаметр которых
на 25-35 мм больше, а внутренний - на столько же меньше диа-
метра труб.
В современных сварочных устройствах источники лучистой
энергии компонуют в зависимости от конкретных условий, дик-
туемых конструкцией свариваемых узлов, видом материала и
условиями сварки. Например, оптическая система излучателя
“Пилат-220м для сварки линолеума (рис. 6.28//) состоит из двух
кварцевых ламп КИ 220-1000, являющихся источниками излуче-
ния / (мощностью 1 кВт); двух параболических отражателей 2,
изготовленных из сплава АК-6 и креняшихся с помощью хво-
стовиков к корпусу устройства; двухступенчатого коллектора 3,
< у которого вторая ступень 4 одновременно служи! прижимной
рамкой, обеспечивающей совмещение кромок свариваемого ма-
териала 5 в одной плоскости. Коллекторы изготавливают из вы-
соколегированной стали с полированными скосами [1, 16, 17].
75 мм
О б
Рис 6 28. Оптическая система излучателя «Пинал-220» и характер изменения
теплового поля поперек шва в зависимости от ориентации рефлекторов:
/ - пшенники и пучения; 2 - отражатели; 3. 4 - двухступенчатый коллектор; 5 - свариваемый
\iaicpiKli
В зависимости от взаимного расположения источников излу-
чения в оптической системе меняется характер теплового поля
на нагреваемых деталях. Например, меняя угол наклона отража-
телей 2 (рефлекторов) вокруг их продольной оси (рис. 6.28,6),
меняют интенсивность теплового поля по ширине зоны нагрева.
При этом изменяется угол падения лучевых потоков, а соответ-
ственно, при угле а = 20° тепловое поле близко к равномерному
в зоне стыкуемых деталей (кривая /). При а < 20° (кривая 2) по-
213
думается резкое снижение температуры вдоль оси шва (своего
рода “двухгорбое поле"). Если угол наклона а > 20\ то вследст-
вие суммирования потоков лучистой энергии вдоль оси проис-
ходит резкая концентрация температуры (кривая 3), что ведет к
перефсву поверхностей свариваемых деталей и деструкции по-
лимера [1, 17|. I
Распределение температуры вдоль нагреваемого стыка также
зависит от взаимного расположения источников лучистой
энергии и деталей. При изменении угла наклона ламп до 4° от-
носительно облучаемой плоскости температура нагрева изменя-
ется (рис. 6.29,л) в пределах 50 °C. Это недопустимо для термо-
пластов, так как при минимальной температуре будет непровар,
а при превышении оптимальной на 50 °C снизится прочность
вследствие деструкции (1,4, 10. 1б|.
Рис. 6.29. Распределение температуры вдоль свариваемого шва:
а - при изменении наклона излучателей относительно позиции А (/ - юризонзальн
2 - под углом 2°; 3 - пол углом 4°); о - при сварке линолеума из ПВХ (расстояние ю ii.iocki
сти Haipena 55 мм)
Поэтому устройство “Пилад-220" не рекомендуется для ша
говой сварки. Его используют при
монтажных
работах для
свар-
ки ковров в цеховых условиях при непрерывном скольжении.
Для осуществления давления на соединяемые кромки после их
сплавления на второй ступени коллектора имеется специальный
полоз, который при движении корпуса сварочного устройства
обеспечивает течение термопласта, находящегося в расплавлен-
ном состоянии. Оптимальное распределение температур вдоль
шва при сварке линолеума на основе ПВХ устройством “ Пил ад-
220" принято таким, как показано на рис. 6.29.6. J
Сварка пленок ИК-излучением может осуществляться с по-
мощью машин МСП-5М, СПК-М и других, предназначенных
для сварки нагретым газом, путем замены сварочной головки. В
качестве излучателей в этих машинах устанавливают селитовый
стержень с охлаждающим рефлектором. Зона сварки ограничи-
вается двумя бесконечными стальными лентами, натянутыми на
ролики. Давление в зоне сварки создается за счет упругой де-
формации подложки по схеме, изображенной на рис. 6.27.
Схема сварочной головки машин МСП-5М и СПК-М пред-
ставлена на рис. 6.30. Под сварочную головку непрерывно пода’
214
<5
Л
Рис. 6.30. Схема сварочной головки для
непрерывной сварки пленки ИК-
и пучением:
/, 2 - свариваемые пленки: 3 - замкнутые
стальные лен гы. 4 - подложка; 5 - источник ИК-
излучения; 6 - рефлектор; 7 - прижимные ролики
1 2 3
егся собранная внахлестку
пленка /, 2 Кромки нахле-
стки прижимаются к под-
ложке 4 двумя стальными
замкнутыми лентами 3. ко-
торые непрерывно захваты-
вают поступающую под го-
ловку пленку и перемещают
ее без проскальзывания с
| помощью вращающихся ро-
I ликов. Подложка 4 пред-
ставляет собой непрерывное
полотнище из прорезинен-
ной ткани или армирован-
ной волокном микропорис-
той резины, натянутое на ролики опорного стола и перемещаю-
щееся со скоростью сварки. Благодаря этому происходит подача
пленки под сварочную головку. Упругая подложка обеспечивает
поджатие, необходимое для сварки пленки, проведенной в теку-
чее состояние в зоне контакта. Между прижимными роликами 7
подвешен источник ИК-излучения 5 длиной 200-250 мм с отра-
жающим рефлектором 6.
Рефлектор 6 непрерывно охлаждается проточной водой. За
излучателем (по ходу сварки) расположена многосопловая или
щелевая головка, через которую на только что сваренный шов
подается струя холодного воздуха [I, 10, 16, 17|.
Для стыковой сварки листов с использованием присадочного
материала созданы сварочные тракторы (механизированные тележ-
ки), обеспечивающие предварительный на! рев разделки кромок и
нагрев конца присадочного прутка двумя отдельными на1ревателя-
ми и последующую прикатку размягченного прутка роликом.
Трубосварочные установки для соединения пластмассовых труб
диаметром 100-300 мм ИК-излученисм в стационарных и мон-
тажных условиях снабжены механизмом стыковки и сжатия сва-
риваемых труб с электромагнитными зажимными устройствами.
Типичная сварочная установка такого конструктивного решения
УСПТ-ИК-1С предназначена для автоматической сварки труб с
наружным диаметром до 140 мм в монтажных условиях [ 16|.
6.3. СВАРКА СВЕТОВЫМ ЛУЧОМ
Принципиально сварка световым лучом (рис. 6.31) не отлича-
ется от сварки ИК-излучением. Для осуществления этого метода
используется излучение с диапазоном длин волн 0,5-0,7 мкм, в
основном этот метод применяется для сварки пленок и сварки
листов встык |29|
215
1
Рис. 6.31. Сварка пленок световым лучом
прямым (а) и косвенным (б) нагревом:
1 - источники света; 2 - свариваемый мате-
риал : 3 - прижимные ролики; 4 - прокладка:
5 - кварцевый диск
центрацией энергии - до 4 Вт/мм2.
Сварка пленок может
производиться как прямым
(рис. 6.31,п), так и косвен-
ным (рис. 6.31,6) нагревом.
При сварке прямым нагре*
вом скорость сварки поли-
этиленовых пленок может
достигать 0,5 м/с, а поливи-
нилхлоридных с черным
пигментом - 1,6 м/с. Такая
высокая производительность
обусловлена большой кон-
Получила распространение схема сварки световым излучени-
ем листовых термопластов с применением присадочного мате-1
риала (рис. 6.32). В этом случае используются два нагревателя:
стержневой излучатель - для
предварительного нагрева
кромок и точечный излуча-
тель - для нагрева прутка и
кромок. Пруток дополни-
тельно нагревается в подог-
ревателе. Прижим размяг-
Рис. 6.32. Схема сварки листового термо-
ченного присадочного мате- пласта световым излучением с применс-
ри ал а п ро и з водится рол и -
ком. Для получения непре-
рывных швов сварочное уст-
ройство перемешается с ио-
нием присадочного материала.
/ - присадочный пруток: 2 - подогревать,
3 - точечный излучатель; 4 - стержневой излуча
гель; 5, 7 - ролики: 6 - листовой термоцлас!;
А* - пружина
мощью транспортирующих роликов |1, 16, 19, 29|.
При сварке оптически прозрачных пленок, при односторон-
нем нагреве в качестве источника тепла можно использовать
подложку, на которой уложена свариваемая собранная внахлест-
ку прозрачная пленка. Наиболее пригодна для этой цели рези-
новая подложка с саржевым наполнителем. Такая подложка об-
ладает высоким коэффициентом поглощения, быстро нагревает-
ся и отдает тепло пленке при непосредственном контакте с ней
за счет теплопроводности 11, 5, 16, 29]. 1
При сварке излучением пленки толщиной более 500 мкм све-
товой луч направляют на поверхность между пленками, т.е. до
максимальной температуры нагреваются непосредственно со-
единяемые поверхности нахлестки [1, 16, 17]. I
После нагрева пленки до вязкотекучего состояния их сжимаю!
обычно роликом с антиадгезионным покрытием. Давление, при-
кладываемое к роликам, должно быть таким, чтобы, с одной сторо-
ны. обеспечить течение расплава на участке, соединяемом внахле-
216
стку. а с другой стороны, чтобы рабочее давление не вытягивало
пленку во избежание образования по всему шву поперечных гофр.
1 ермомеханические цик-
лы сварки пленки внахлест-
ку и сварки листов, про-
фильных изделий (в том
числе труб) отличаются (рис.
6.33) как по времени проте-
кания процесса, так и по
значениям параметров свар-
ки. Тонкая пленка быстро
прогревается под воздейст-
вием энергии излучения,
поэтому время нагрева ее гн
до температуры текучести
как при сварке проплавле-
нием, так и оплавлением
невелико (рис. 6.33,я).
Скорость нагрева составля-
ет более 100 °С/с. Нагревать
можно как сфокусированным
f (ейным (вытянутым 11учком
стержнем или трубчатой кварцевом лампой. В последнем случае
можно в несколько раз увеличить линейную скорость непрерывной
ptl
mux
охл
’К
ки световым излучением
а - пленки с прикаткой роликом; б - лисюв.
труб и других изделий встык при нагреве пло-
ским излучателем; /Н1.1Х, Tf - максима lb на я гем-
нерат\ра и температура ц-кучесчи: Р - давлен не
при осадке или давление прижатия роликом
(полозом); /н. гси. ruV1. га - продолжительность
нагрева, сварки, охлаждения и всего термомеха-
пического сварочного цикла соответственно:
/„ — технологическая пауза
(точечным) источником, так и ди-
излучения), например силитовым
Рис. 6.34. Схема сварки световым излучением:
а - пленки внахлестку оплавлением с прокаткой роликами сварного шва, б, в, г ~ груб,
изделий встык при нагреве свариваемых торнов; / - источник света; 2 - рефлектор. 3. 4 - свари-
ваемые делали; 5 - прижимные ролики; 6 - отклоняющее лучи зеркало
сварки пленки. Непосредственно за излучателем должен следован»
прижимной ролик для прикатки свариваемой нахлестки. т.е. для
обеспечения течения в зоне контакта свариваемых пленок и одно-
временного охлаждения шва. В случае недостаточного охлаждения
шва после сварки под давлением происходит его коробление. По-
этому при значительных скоростях применяют несколько роликов,
следующих один за другим (рис. 6.34,tf) 11, 29]. Я
В случае сварки излучением труб, листов, профильных изде-
лий встык источник излучения, как правило, размешают между
подготовленными под сварку торцами, т.е. подогнанными и
очищенными от загрязнений (рис. 6.34,6,#,г). Время нагрева /н
(рис. 6.33,6) в этом случае значительно больше, чем при сварке
пленок (хотя и зависит от мощности источника излучения и
природы свариваемого термопласта). После нагрева торцов,
подлежащих соединению, нагреватель удаляют из зоны стыка,
на что необходимо определенное время, называемое технологи-
ческой паузой ги. После удаления инструмента нагретые выше
температуры текучести торцы стыкуют под давлением Рос, т.е.
осаживают. При осадке из зоны контакта вытекает расплав, об-
разуя на поверхности наплыв - грат. Объем выдавливаемого в
грат расплава зависит главным образом от глубины проплавле-
ния деталей и давления осадки. Сваренный стык выдерживают
под давлением до тех пор, пока температура его не снизится ниже
40-50 °C. Используя сфокусированный луч, сварку излучением
можно выполнять с присадкой (прутком, лентой) |1, 16, I7|. I
В качестве источника светового излучения используют глав-
ным образом галлоидные кварцевые лампы с точечными, стерж-
невыми или кольцевыми излучателями. В меньшей степени на-
ходят применение для этих целей зеркальные лампы накалива-
ния. что связано с их малой механической прочностью и срав-
нительно невысокой удельной мощностью |1, 3. 10|. 1
6.4. ЛАЗЕРНАЯ СВАРКА
Сварка лазерным излучением, в отличие от сварки световым
и ИК-излучением, позволяет получать очень высокие степени
концентрации энергии в зоне сварки. При этом сварка пласт-
масс может выполняться как в непрерывном, так и в импульс-
ном режимах излучения. Более широкое применение находит
непрерывный режим сварки. При импульсном режиме излуче-
ния в существующих технологических сварочных установках с
твердотельными лазерами в качестве активных элементов при-
меняются стержни из стекла с неодимом или алюмоиттриевого
граната с неодимом, которые генерируют излучение на длине
волны А = 1,06 мкм. Последние вследствие высоких частот им-
218
пульсов накачки (до 100 Гн) при средней мощности излучения по-
рядка 100 Вт могут использоваться для шовной сварки [1, 16, 271.
Лазерная сварка осуществляется с помощью луча так назы-
ваемого оптического квантового генератора (ОКГ) - собственно
лазера. Слово “лазер" происходит от первых букв английских
слов, которые в переводе означают “усиление света посредством
индуцирования эмиссии излучения". Индуцированное излучение
является результатом взаимодействия фотона с возбужденным
атомом, в результате чего атом испускает второй фотон. Таким
образом, происходит умножение числа фотонов, причем с высо-
кой степенью когерентности (фа
Энергия фотонов может
i юглошаться веществом, что
приводит к повышению темпе-
ратуры в облучаемой точке. На
этом свойстве и основано при-
менение лазеров для сварки и
резки материалов (рис. 6.35).
Луч лазера может быть сфоку-
сирован специальными опти-
ческими устройствами в узкий
пучок, достигающий в диамет-
ре десятых долей миллиметра.
Это даст возможность получить
очень большую плотность
энергии, достаточную, чтобы
за чрезвычайно короткое время
нагреть поверхность до темпе-
ратуры плавления термопласта.
го совпадения) [27, 29].
Рис. 6.35 Схема сварки пленки лучом
лазера:
/ - лазер; 2 - луч; 3 - отклоняющее зерка-
ло; 4 - фокусирующая линза; 5 - пружинный
ролик; 6 - транспортирующий ролик;
7 - свариваемые пленки
Так, для СОт-лазеров мощностью 1 кВт плотность энергии на
фокальном пятне диаметром 0,1 мм достигает ЗЮ5 Вт/мм2.
Выделение большого количества энергии на малой поверхно-
сти указывает на целесообразность применения лазеров для
сварки тонких пленок при больших скоростях сварки. Напри-
мер, пленки из полиэтилена низкой плотности толщиной 50-150
мкм сваривают ССЬ-лазсром со скоростью 3,3-4 м/с. Однако
К.П.Д. процесса невысокий, так как пленка поглощает только 20-
25% энергии лазера 127, 29].
При сварке лазерным излучением используются газовые СО?-
лазеры с длиной волны 10.6 мкм марок Л Г-17, ЛГ-22, “Катунь”,
рассчитанные на непрерывный режим работы и имеющие мощ-
ность соответственно 25, 40 и 80 Вт, а также марки ТИЛУ с им-
пульсным режимом работы и средней мощностью 2 кВт.
В последние годы СО?-лазер стали применять для резки тер-
мопластов, а также для раскроя синтетических тканей, трикота-
219
жа, искусственных кож и т.п При этом средняя скорость рас-
кроя составляет I м/с и зависит от количества слоев материала,
его свойств и мощности луча. В этом случае используются ла-
зерные установки мощностью до 250 Вт с расходом газовой сме-
си гелия, диоксида углерода и азога от 30 до 40 л/ч. |
Преимущества лазерной сварки и резки термопластов - высо-
кая производительность и автоматизация процесса. Однако име-
ется ряд существенных недостатков, сдерживающих практиче-
ское применение этого способа: высокая стоимость и сложность
оборудования.
При сварке с использованием энергии светового, инфракрас-
ного и лазерного излучения нагрев свариваемой поверхности про-
исходит без механического воздействия на нее. Поэтому дефор-
мации, а также течение расплавленной пластмассы могул возни-
кать лишь в результате нагрева. Хотя деформации носят местный
характер, их следует учитывать при назначении схемы оборки и
сварки пластмассовой конструкции. При сварке ИК-излучением и
световым излучением непрозрачных пленок толщиной до 500 мкм
внахлестку со сквозным проплавлением нагревать можно как
с одной стороны, гак и одновременно с двух сторон |1, 27|.
220
_________________Глава 7
КОМБИНИРОВАННЫЕ СПОСОБЫ СВАРКИ*
В последние годы начали разрабатываться процессы сварки
полимеров, основанные на использовании двух и более видов
энергии. Особенно эффективными оказались сочетания энергии
ультразвука с другими видами энергии: тепловой, световой, тре-
ния, энергии поверхностно-активных веществ и др. [30—33].
Основное достоинство такого сочетания состоит в расшире-
нии технологических возможностей сочетающихся видов энер-
гии, повышении качества полимерных сварных соединений
(ПСС) и стабильности процесса. Важным является и то, что
комбинированные процессы сварки проще управляются, менее
чувствительны к отклонениям параметров режимов сварки и к
влиянию различных побочных факторов. Эти процессы облада-
ют также высокой универсальностью [3, 30].
7.1. СВАРКА ИЗДЕЛИЙ ИЗ ФТОРОПЛАСТА-4 ТЕПЛОМ
И УЛЬТРАЗВУКОМ
Фторопласт-4 (Ф-4) - политетрафторэтилен выпускается под
названием “фторлон-4”.
Политетрафторэтилен в различных странах называется по-раз-
ному: в США - “тефлон”, в Англии - “флюон”, в ФРГ - “хостафон”,
в Италии - “алгофон”, во Франции - “сорефлон”. Все эти полимеры
отличаются по технологическим свойствам от фторопласта-4.
Ф-4 - выпускается в виде белого порошка, уплотняющегося при
прессовании и спекающегося при температуре 370-390 X в сплошную
беспористую массу. Ф-4 обладает исключительными свойствами: вы-
сокой теплостойкостью, химической стойкостью, прочностью и др.
Ф-4 - кристаллический полимер. Температура плавления крис-
таллов 327 °C. Даже при температуре выше температуры разложе-
ния (415 °C) Ф-4 не переходит в вязкотекучее состояние. При 370 °C
его вязкость составляет около I010 Па с, т.е. в I06 раз больше вяз-
кости, необходимой для литья под давлением, поэтому перера-
ботка его возможна только методом спекания после опрессовки.
По этим же причинам затруднена и сварка деталей из фторо-
пласта-4. Сваривают Ф-4 в основном термическими методами,
при которых нагретые до 390-395 °C соединяемые детали выдср-
Работы проводились в Омском государственном техническом университете
доцентами ИВ. Мозговым. B.A. Соколовым, Л.А. Шестелем совместно с авто-
ром данного учебного пособия.
221
Рис. 7.1. Образец (а) и схема термо-
ультразвуковой сварки (б):
1 - вол ново, ьинструмсит; 2 - нагрева-
тели; .3 - поверхности образна; 4 - опора
живают длительное время, исчисляемое десятками минут. Проч-
ность сварных соединений Ф-4 при термических процессах сварки
не превышает 50-60% основного материала. Таким образом, терми-
ческий процесс сварки Ф-4, являясь единственно возможным, нс
обеспечивает достаточной прочности соединений, отличается край-
не низкой производительностью и высокой стоимостью.
Разработан процесс термоультразвуковой сварки блочного Ф-4
|3, 30]. Выполнялась сварка “в ус” образцов сечением 4x5 мм
(рис. 7.1,л) по схеме, в которой рабочий волновод-инструмет
ультразвуковой головки / и сю
опоры 4 использовались для пере-
дачи тепла от электрических на-
гревателей 2 к поверхностям об-
разцов 3 (рис. 7.1,6). Основные
условия сварки: температура мате*
риала в зоне соединения контроли-
ровалась потенциометром КСП-4;
температура излучающей поверхно-
сти инструмента и его опоры ре-*
гулировалась автоматическим по-
тенциометром в пределах 380-390 С,
продолжительность цикла сварки
задавалась электронным реле врс^
мсни; амплитуда колебаний ульт-
развукового волновода-инструмента измерялась оптическим
способом при помощи микроскопа МГ. Качество сварного со-
единения оценивали испытаниями образцов на расстояние h i
разрывной машине [30]. I
Оказалось, что интенсивность ультразвуковых колебаний
влияет на скорость и характер разогрева полимера, а также со-
вместное воздействие тепло-
вого и ультразвукового по-
лей влияет на скорость на-
грева, прочность соединения
и продолжительность сварки.
Цикл сварки имеет три
этапа (рис. 7.2): нагрев по-
лимера до температуры
сварки (380 °C); выдержка
соединяемых поверхностей
при температуре сварки; ох-
лаждение деталей под дав-
лением. Вследствие низкой
г/с
J0D
200
/00
о
г 4 6 8 10 12 t.MuH
Рис. 7.2. Технологический цикл сварки:
I - разогрев полимера; 1! - выдержка при
температуре сварки; /// - охлаждение под дав ie
кием; 1 ~ тепловая еварка: 2 - сварка теплом й
наложением ультразвуковых колебаний
теплопроводности фторопласта-4 продолжительность первого эта-
па зависит от толщины свариваемых деталей и для <5 = 2-6 мм
222
составляет 2-4 мин. Сокращение времени нагрева путем повы-
шения температуры нагревателей приводи! к деструкции поли-
мера на поверхностях, прилегающих к нафевателЯхМ, и к сниже-
нию качества соединения (рис. 7.3,п). Наложение ультразву-
ковых колебаний одновременно с введением тепла в зону соеди-
нения позволяет сократить время разогрева полимера на 30-40%
(рис. 7.1, 7.2). При амплитудах ультразвуковых колебаний 20
мкм и более нагрев материала в зоне соединения неравномер-
ный, т.е. отдельные участки могут нагреваться до температуры
деструкции материала (более 400 СС), тогда как температура со-
седних участков остается невысокой. Какой-либо закономерно-
сти выявить не удалось. При амплитудах ультразвуковых коле-
баний (УЗК) 5-15 мкм перегрева отдельных участков полимера
не происходит, но температура зоны соединения не достигает
сварочной даже при длительном воздействии УЗК. При совме-
щении ультразвукового и теплового нагрева деструкция и пере-
грев наблюдались уже при амплитудах УЗКИ мкм и выше, и
лишь при амплитудах 5-10 мкм разогрев полимера в зоне соеди-
нения происходит равномерно и достижение сварочных темпе-
ратур не сопровождается деструкцией [10, 30].
Рис. 7.3. Зависимость прочности соединения ст*:
а - от температуры нагревателей; б - от л'нгтелыюсги второго этапа никла сырки при температуре
нагрсыге ieit 4(Ю °C: / - сварка теплом: 2 — сварка теплом с наложением ультразвуковых колебаний
Второй этап цикла сварки фторопласта-4 оказывает основное
влияние на прочность соединения и в целом на его качество.
Продолжительность этого этапа определяется скоростью диффу-
зионных процессов, наложение ультразвуковых колебаний по-
зволяет ускорить диффузию макромолекул и тем самым сокра-
тить время второго этапа сварки, а также повысить качество со-
единения (рис. 7.2; 7.3,6).
На третьем, последнем этапе сварки после отключения ульт-
развуковых колебаний и тепловой энергии материал в зоне со-
единения охлаждается, при этом важным показателем является
скорость охлаждения, которая в интервале 390-250 °C не должна
превышать 50 град/мин, так как при этих температурах укреп-
ляются вновь образовавшиеся межмолекулярные связи и растут
надмолекулярные образования. Характер протекания этих про-
223
цессов заметно влияет на качество соединения, поэтому сокра-
щение третьего этапа сварочного цикла нежелательно.
Соединение фторопластовых пленок ввиду их малой толщины
может осуществляться термическими способами сварки путем
двустороннего контактного нагрева [1-10|. Однако высокая вяз-
кость расплава полимера, требующая большой продолжительно-
сти сварочного цикла, и узкий температурный интервал сварки
делают этот процесс малопроизводительным и нестабильным. I
П роцесс термоул ьтразву-
ковой сварки [30| пленок из
Ф-4 осуществляется по схе-
ме, показанной на рис. 7J4
при этом нагрев УЗ волно-
вода-инструмента и опоры
производится путем конвек-
тивного и лучистого тепло-
обмс на расположен 11 ых на
Рис. 7.4. Циклограмма процесса сварки близком расстоянии на-
пленки из Ф-4. гревателей. Температура свар-
им - температура магериала в тоне сварки f регулируется ПуТСМ
при его iialpuBC, выдержке и охлаждении (/, // и __ ... ,
///-периоды никла сварки) ИЗМеНСНИЯ ТСМПерЛТурЫ И На
струмента и опоры. Варьи-
руются также время нагрева время выдержки /в зоны шва при
Тсв, длительность включения УЗК гу (рис. 7.4), сварочное давле-
ние Рсв и в целом продолжительность сварочного цикла tn. На-
чалом цикла следует считать момент приложения сварочною
давления и включения УЗК. Инструмент и опора к этому вре-
мени должны быть нагреты до Тсв. I
В процессе обработки режимов сварки сварочное давление
Рсв изменилось в пределах 0,02-0,03 МПа, амплитуда смещений
торца УЗ волновода-инструмента - в пределах 0-30 мкм.
Цикл тепловой сварки пленочного Ф-4 с наложением УЗК,
как и при сварке листового Ф-4, состоит из трех периодов (см
рис. 7.4): нагрев материала в зоне соединения до /св; изотерми-
ческая выдержка при Tcli под действием Рсв; охлаждение под
давлением. Время первого и третьего периодов цикла в допус-
тимых пределах можно сокращать путем более сильного нагрева
инструмента и ускоренного принудительного охлаждения шва
после сварки. Сокращение же второго этапа, характеризующего-
ся диффузионными процессами аутогезии, при чисто тепловой
сварке приводит к снижению прочности соединения, чго обу’
словлено несплавлением (/в мало) или частичной деструкцией
полимера (высокая Гсв). Иная картина процесса сварки пленок
из Ф-4 наблюдается при наложении на зону шва УЗК. Заметно
сокращается /н, а время нагрева /н можно свести к минимуму.
Амплитуда колебаний торца инструмента Avi влияет на проч-
224
№
6J°
80
2/71
0 W 15 20 25 R, мкм
Рис. 7.5. Зависимость прочности со-
единения а/, от амплитуды /1
/ - испыкшис обрати ни расе, шина н не,
(7UI -= 380 ..390 С.
МИН, А. = I МИН В
2 - испытание на сдни(
/>сн = 0.03 МПа: “ 3
начале hiiicki)
ность соединений при различ-
ных Гсв, rB, ty (рис. 7.5). Из за-
висимости следует, что приме-
нение УЗК с Ли = 15^-20 мкм и
больше приводит к снижению
прочности сув швов, причем оно
настолько значительно, что при
Ли = 25 мкм ов составлял око-
ло 77% прочности основного
материала, а при А„ = 35 мкм
сун = 28%. При этом А„ = 25
мкм, rB = I мин, а при сварке
только теплом /в == 24-2,5 мин,
о/, * 70% основного материала.
При сварке пленок из Ф-4 толщиной 6 = 100 мкм оптимальными
оказались следующие значения режимов сварки: т1и = 10^15 мкм:
Рсн = 0.03 МПа; /у = /в = (14-2) мин. Замер температур в зоне
сварке показал, что при = (154-20) мкм и более нарастание
температур и их распределение в зоне сварки крайне неравно-
мерны. Неравномерность температур вызывает появление в зоне
сварки ‘"очагов деструкции”, где полимер в силу локальною тепло-
выделения превращался в порошок, минуя сталию высокоэластиче-
ского состояния. Это приводит к снижению прочности швов.
Прочность соединений фторопластовых пленок, испытывае-
мых на расслаивание (раздир Т-образного соединения), оказа-
лась ниже, чем прочность со-
еди нений, ис! I ыты вае м ых на
сдвиг (нахлесточное соедине-
ние). Поэтому далее образцы
испытывали на раздир, так как
такие соединения более чувст-
вительны к изменению пара-
метров режима сварки и влия-
нию различных факторов [30].
Испытания на прочность
образцов, полученных сваркой
теплом и теплом с наложением
УЗК (рис. 7.6), показали, что
0 12 5^5
Рис. 7.6. Зависимость прочности соеди-
нения п/, от времени выдержки
/ - сварка таном; 2 - сварка таном с нало-
жением ультразвуковых колебаний (7[н — 390 °C:
4„ = 10... 15 мкм, /*св = 0.03 МПа; fx ~ /„)
УЗК при АИ = 10-Н5 мкм позволяют получать оптимальную
прочность при /в = (1,5-2) мин, а при сварке без УЗК такая
прочность обеспечивается при = (44-5) мин. Однако если при
сварке теплом увеличение гп до 10 мин и более приводит лишь к
незначительному уменьшению ов, то при наложении УЗК уже
при /v = 5 мин ов снижается до 50% основного материала.
Рис. 7.7. Зависимость прочности
соединения от температуры сварки:
/ - сварка теплом при zH = 4 мин;
2 - сварка тепчом с наложением ультра-
звуковых колебании при /в = /у = 2 мин;
Рс'в -= 0,03 МПа: Лм = 10...15 мкм
На процесс сварки существенно
влияет и Тсв (рис. 7.7). При выпол-
нении сварки только теплом oIJOIH
достигается при Гсп = (380-5-395) °C,
Снижение и повышение Тсв при-
водило к уменьшению ов. При на-
ложении УЗК ово1П наблюдалось
при более низких температурах
Гсв = (37(к380)оС, а диапазон тем-
ператур, при которых получалась
удовлетворительная прочность со-
единений. значительно расширял-
ся и составлял 360-390°С, т.е. УЗК расширяют температурный
интервал свариваемости (ТИС) пленок из Ф-4.
Как показано выше, комбинированное действие тепла и
ультразвука при сварке фторопласта-4 позволяет в 2 раза сокра-
тить время сварки и повысить прочность соединений благодаря
интенсификации диффузионных процессов. Представляет науч-
ный интерес исследование механизма ультразвукового воздейст-
вия на фторопласт-4.
С целью раскрытия механизма воздействия УЗК и процессов,
протекающих во фторопласте, изучали |10] структуру, инфра-
красные спектры и механические свойства материала шва.
В процессе исследований изменялись интенсивность и продол-
жительность /у. Образцы, подвергшиеся воздействию УЗК, ис-
пытывали на растяжение и получали термомеханические харак-
теристики [30].
Исследования с помощью электронного микроскопа, фторо-
пласга-4, подвергаемого воздействию УЗК и тепла, показали,
что если на образец воздействовали теплом или теплом и УЗК,
то продолжительность УЗК и интенсивность тепла были малыми
|/у = (5ч-15) с, АИ = (34-5) мкм], а структура Ф-4 получалась одно-
родной. идентичной той, которая получается в результате закал-
ки. С повышением значений Ли и /у появились участки, имею
щие различную дисперсность надмолекулярной структуры.
Дальнейшее увеличение АИ и гу приводило к появлению участков
с неоднородной и разрушенной структурой. Такие структурные
превращения объясняются крайней неравномерностью диссипа-
ции энергии УЗК в полимере. Это подтверждается и неравно-
мерностью тепловыделения вследствие локализации энергии
УЗК в отдельных участках среды, что и вызывает разрушение
надмолекулярной структуры. 1
Изменение прочности материала шва (рис. 7.8), заключающее-
ся в повышении его пластичности при воздействии тепла и ульт-
развуковых колебаний по сравнению с обработкой только теплом.
226
обра шов фторопласта-4.
1 - из исходною ьтерихкн 2 - под-
вергнутых тепловой обработке. ,? - под-
верг! п ты х COBMCCTI1ом у НО }ДС ист нию
iciua и у. пира звуковых ко 1ебании
также подтверждает увеличение
аморфности полимера и, следова-
тельно, значительную неупорядо-
ченность его структуры.
С учетом полученных экспери-
ментальных данных можно дать
следующее объяснение механизма
ультразвукового воздействия на Ф-4
при его сварке. В зоне соединения
пол влиянием тепловой энергии
протекают диффузионные процес-
сы, т.е. происходит взаимное про-
никновение макромолекул контак-
тирующих поверхностей. Однако
для обеспечения высокой прочно-
сти требуется большая продолжительность контактирования по-
верхностей, так как Ф-4 не плавится и характеризуется крайне
малой подвижностью .макромолекул из-за их жесткости. Нали-
чие совершенных кристаллических образований в полимере
также приводит к тому, чго энергия активации макромолекул
должна быть большой, достигающей энергии связей главной це-
пи. Поэтому введение тепловой энергии ускоряет диффузию,
однако становится заметной и деструкция полимера. Наложение
УЗК ослабляет межмолекулярное взаимодействие и как бы вы-
свобождает макромолекулы из кристаллических упорядоченных
структур, обладающих большой внутренней энергией, сосредо-
точенной в форме потенциальной энергии связей. УЗК создают
силовые поля, обеспечивающие течение полимерной среды, ус-
коряют диффузионные процессы. И наконец, под действием
УЗК возможен механокрекинг с образованием временных ак-
тивных радикалов, рекомбинация которых также приводит к по-
вышению прочности соединений.
Рациональным способом совмещения контактного нагрева с
ультразвуковым воздействием является радиационный или ин-
ду кцио! г н ый I гагрсв ул ьтразвукового вол новода -и нструмента
стандартной расчетной формы и его опоры с передачей этого
тепла контактным способом свариваемым деталям.
В качестве рабочего элемента конструкций нагревателей ра-
диационного тина могут быть применены электроспираль со-
противления, нихромовая полоса или лента не других высоко-
омных сплавов. Такие нагреватели просты в изготовлении, за-
данную температуру можно поддерживать, изменяя напряжение
их питания или путем отключения напряжения блоком ршули-
рования температуры. В целях повышения надежности работы
электрической спирали напряжение ее питания обычно должно
227
быть пониженным (24 36 В), при этом
диаметр проволоки спирали выбщ юг
в пределах 0,8-2 мм (рис. 7.9). Л
Со стороны, обращенной к ульт|
развуковому волноводу-инструменту,
устанавливают экран из хорошо про-
водящего тепло материала, например
слюды или керамики; с наружной
стороны нагреватель защищают ас-
бестовой оболочкой, заключенной в
стальной кожух. В процессе работы
нагреватель не должен контактиро-
вать с инструментом, поэтому крон-
штейн для его закрепления связыва-
ют с корпусом ультразвукового пре-
образователя или с диафрагмой
Рис.
онного ^лекфонагрешпеля ульт-
развуконого волноюда-инслрумсн-
ш ножевого тина
/ - сварном геплозашмгныи кожух;
2 - спираль л.-н-ктросопротцвления;
3 - гсилопроводный жран
трансформатора колебаний. Ультразвуковые колебания, попадая
на электроспираль, находящуюся при температуре 800-900сС,
мгновенно разрушают ее. Варианты крепления нагревателя к
сварочному узлу показаны на рис. 7.10.
Варианты
крепления
Рис. 7.Ю.
нагревателя к сварочному узлу:
1 - корпус сварочною узла; 2 - кре-
пежный хомут. 2 - крепежная скоба;
4- ул ырл звуковой вол повод-инструмент,
5 - клекциинпрсватель
Для поддержания температуры
инструмента постоянном в задан-
ных пределах при сварке по схеме
“на протяг’' нагреватель должен
обладать достаточной температур
ной инерцией, г.е. должен бьпь
массивным. В противном случае
температура инструмента при не
прерывной сварке “на протяГ'
вследствие постоянного контак »а
инструмента со все новыми слоя
ми свариваемого материала сни
жается, что отрицательно сказы-
вается на качестве сварного со-
единения. Электрическая мош
ность нагревателя рассчитывается
по теплоемкости материала и его
теплосодержанию, определяемому
температурой сварки и объемом
разе гре вас м ого матер и ала.
Нагреватели опорного элемента, а также нагреватели для
сварки трубопроводов в конструктивном отношении аналогичны
нагревателям для разогрева ультразвукового инструмента. При
использовании вращающейся опоры для сварки “на претим
электрическую спираль размешают на неподвижных частях кор
пуса с одной или с двух сторон вращающегося опорного ролика
228
(рис. 7.11). Кольцевые же нагреватели для сварки фторопласто-
вых трубопроводов выполняют в виде расположенного по ок-
ружности трубы набора прямолинейных стержней, подвижно
соединенных между собой.
нихромовый
Рис. 7.11. Опорный ролик с односто-
ронним обогревом:
1 - опорный рашк: 2 - ни приводи вра-
щения ролика: 3 - спираль jjcfoptMarpeiuTe-
ля. - корпус нагрегспидя. 5 - кро| шпгин
крепления । кн рева гели
Ленточный
нагрева гель.
/ - корпус сварочного vjjiu. 2 кольни
крепления. 3 - y.ibipu Жуковой волновод-
инструмент; J - полоса (ировоюка) иг
высокоомною металла (нихром)
При сварке пленочных плавких фторопластов возможно также
применение нагревателей в виде нихромовой полосы с попереч-
ным сечением, обеспечивающим ей сохранение жесткости в про-
цессе работы в нагретом состоянии. Полосу пометают между
торцом ультразвукового инструмента и свариваемой деталью, пе-
редавая к зоне соединения и ультразвуковые колебания, и свароч-
ное давление от инструмента. Такие нагреватели надежны в работе,
олнако требуют тщательного экспериментального подбора напря-
жения питания в зависимости от скорости сварки (рис. 7.12).
7.2. ФРИКЦИОННО-УЛЬТРАЗВУКОВАЯ СВАРКА
Сварка полимеров грением имеет недостатки: в зоне шва соз-
даются неравномерный нагрев и напряжения, снижающие каче-
ство соединений; большое количество грата и концентрация на-
пряжений; перегрев и деструкция материала; ограниченность
применения процесса и др.
Комбинирование трения и ультразвука |30| позволило избе-
жать ряда недостатков, присущих как процессу трения, так и
УЗК. и получать новые эффекты процесса сварки, обеспечи-
вающие качественные соединения полимеров, имеющих неудов-
летворительную свариваемость, например полиамидов.
Этот способ оказался особенно эффективен при сварке изделий
из полиамида. Полиамиды |9] обладают хорошими механическими
свойствами и высокой химической стойкостью к агрессивным сре*
дам. Из них изготавливаются самые различные детали, работающие
в широком интервале температур и при высоких механических на-
грузках. При изготовлении этих деталей в большинстве случаев не-
обходимо получать неразъемные соединения. Большое распростра-
нение нашли полиамиды марок ПА-610 и ПА-6, из которых, в ча-
стности, изготавливаются цилиндрические емкости для хранения
горючих жидкостей под давлением до 1,5 МПа. 1
Полиамиды относятся к плохо сваривающимся полимерам,
так как имеют высокую температуру плавления (217-222°С),
плавятся в узком интервале температур (5-7°С) и резко перехо-
дят в жидкотекучее состояние с низкой вязкостью расплава
(200-400 Пас). В расплавленном состоянии полиамиды интен-
сивно подвергаются термоокислительной деструкции, вызываю
Рис. 7 13. Схема установки для фрикцион-
но-ультразвуковой сварки и схема креп-
ления образцов (узел 1)
шей ухудшение механиче-
ских свойств материала. По-
этому как сварка трением,
так и сварка ультразвуком,
применяемые в отдельности,
не обеспечивают высокого
качества соеди не i < и й. П ри
сварке трением жидкий ма-
ловязкий расплав вытесняет-
ся из зоны трения, а в кон-
такт входят более холодны*.*
твердые слои, что затрудняет
протекание диффузионных
процессов и не обеспечиваев
высокой прочности соедине-
ний. При УЗС из-за малок»
интервала времени сварки
полиамидов появляются очаги
деструкции и неравномер-
ность нагрева и образования
сварного соединения.
При разработке процесса
фрикционно-ультразвуковой сварки определение оптимальных
параметров режима производилось по схеме (рис. 7.13). обеспе-
чивающей регулирование в широких пределах следующих пара-
метров режима сварки: Ртр - статическое усилие сжатия образ-
цов при трении; - скорость относительного движения дета-
лей (скорость трения); г1р - время трения; - амплитуда коле-
баний инструмента; /у - время действия УЗК; Рсв - давление при
230
действии ультразвука. Критери-
ем оценки качества соединений
являлись испытания образцов
на прочность (рис. 7.14).
Эксперименты показали, что
лля получения качественных
соединений важной является
п осл с до вател ь 11 ость де й стви я
фения и ультразвука, т.е. ха-
рактер циклограммы процесса
Рис. 7.14. Схема вырезки образцов для
испытания на растяжение
сварки. Могут быть предложены различные сочетания включе-
ния трения и ультразвука, многие из которых были испытаны.
Рис. 7. /5. Цикл ы фри кцион но-ультра зву-
ковой сварки, термограммы (Тр)| и осни-
лограммы осадки (6) при = 2.06 м/с;
= 25 мкм'
л - цикл с посзедователы1ы\1 воздействием зре-
ния и ультразвука; п - шнсл. при котором воздейст-
вие трения продолжасгся после снятия ультразвука;
в - цикл. при котором ультразвуковое воздействие и
rpci11!с Iipekpj]Ш1Ю1ся uniющх*мс»ню
циклограмма (рис. 7.15), при
которой включение УЗК про-
изводилось в момент, когда в
зоне соединения температура
достигала 190-200°С. При
этом процесс прения про-
должается совместно с дей-
ствием ультразвука до пол-
ного и равномерного рас-
плавления материала по
всему стыку. После этого
трение и ультразвук выклю-
чались одновременно. Такой
цикл сварки (рис. 7.15,в)
обеспечивает равномерное
распределение температуры
по периметру стыка (пере-
пад не превышает 5-10°С).
что обеспечивается тепло-
массообменом между труши-
мися поверхностями, сущ-
ность которого объясняется
с позиций саморегулирова-
ния процесса теплообразо-
вания |30|. При образовании
очагов перегрева, как это
часто происходит при УЗС,
и оплавлении полимера по-
следний в результате отно-
сительного движения дета-
лей попадает на соседние
более холодные участки, пе-
редавая им тепло. При этом
0,2 0,** 0,6 h,HN
г- 7.16. Зависимость прочности сварного
а от глубины проплавления Л
Рис. 7.17 Зависимость температуры мате-
риала в зоне стыка и необходимой
амп.ппулы колебаний инструмент Д, ог
величины статического давления (давле-
ния сварки /V»)
наблюдается не только относительное перемещение свариваемых
деталей, но и перемещение по периметру стыка массы рас-
плавленного материала, увлекаемого в результате схватывания,
возникающего на отдельных участках шва. Все это и обеспечи-
вает равномерный нагрев по всей свариваемой поверхности. ]
Совместное примене-
нис трения и ультразвука
позволило снизить давле-
ние в зоне соединения и °’G
гем самым обеспечить
усиление глубины про- сь
плавления материала за
счет уменьшения его пла-
стического течения и вы- о,*
давливания из зоны шва.
Увеличение глубины про-
п л а вл е н ия not 1 и мера иг-
рает существенную роль в ?и
обеспечении оптималь- ш|
ной прочности соединений (рис. 7.16).
На глубину проплавления, а следовательно, и на прочность
соединений, в значительной степени влияют Рсв и Ли. Поэтому
большое значение имеет оптимизация этих двух параметров ре-
жима сварки.
Установлено, что повышение давления на трущихся поверх-
ностях приводит к снижению температуры установившегося те-
плового равновесия. С повышением Рсв необходимо увеличить
(рис. 7.17). чтобы компенсировать тепловыделение, однако
это приводит лишь к увели-
чен и ю гратообразован ия, а
толщина прослойки расплав
ленного полимера в зоне
шва не возрастает.
Для повышения темпера-
туры ус rai ю ви вн ie гося теп-
лового равновесия при тре-
нии необходимо снижать
статическое давление. Одна-
ко снижение РС|1 ниже опти-
мального приводит к умень-
шен и ю а м пл и гул пых зн ачс-
н и й с ме щс п и й и 11стру мены
в свариваемом изделии. По-
этому и необходимо оптимизировать значения и /1и. Одним
из путей решения возникающего противоречия является умень-
232
шение площади торца УЗ-инструмента при неизменной площа-
ди торца изделия в зоне сварки |30|. Это приводит к увеличению
давления торца волновода-инструмент на полимер, при этом
устраняется отрыв волновода-инструмента от поверхности сва-
риваемой детали, увеличиваются смещения инструмента в по-
лимере, снижается давление в зоне шва. что и предупреждает
интенсивное удаление расплава из зоны сварки.
Представляет интерес влияние амплитуды смещений УЗ-инст-
румента на технологические параметры процесса фрикционно-
ультразвуковой сварки. При УЗС полимеров значения колсба-
юльных смещений среды являются одним из основных парамет-
ров УЗ-сварки. Однако увеличение смещений выше определен-
ных значений приводит к неравномерности нагрева полимера в
зоне сварки. Типичные явления обнаруживаются и при фрикци-
онно-ультразвуковой сварке: прослойка разогретого материала
иод действием статического давления и звукового давления, по-
вышающегося с увеличением Ли, также вытесняется в грат. Это
подтверждается резким возрастанием скорости осадки сваривае-
мых образцов. Вместе с вьнесненны.м расплавом уносится часть
тепловой энергии, это ведет к снижению температуры в стыке, а
затем к ее стабилизации. Процесс саморегулирования является
важным преимуществом фрикционно-ультразвуковой сварки, гак
как исключаются перегрев материала и его деструкция. При ма-
лых значениях Ли, равных 5-15 мкм, температура в зоне соеди-
нения не возрастает, а иногда наблюдается лаже ее снижение.
Установлено, что в диапазоне Ли = <5^15) мкм происходит рез-
кое снижение момента трения, а скорость осадки остается прак-
тически неизменной. Это свидетельствует о том, что под дейст-
вием ультразвуковых колебаний происходит снижение коэффи-
циента трения, это в свою очередь ведет к снижению тепловой
энергии, выделяющейся за счет трения, а только одной энергии
УЗК недостаточно для компенсации потерь. По мере увеличения
количество ультразвуковой энергии возрастает и вызывает
возрастание температуры на стыке.
Оптимальным диапазоном значений амнлигуды смещений
вол повода-инструмента является диапазон = (20:35) мкм.
В этом диапазоне амплитуд наблюдается наибольшее влияние
колебаний на тепловую обстановку в зоне шва.
При фрикционно-ультразвуковой сварке высокочастотные коле-
бания кроме тепловых процессов вызывают и ряд других процес-
сов, положительно влияющих на качество сварных соединений.
При малых не оказывающих существенного влияния на
рост температуры в шве. значительно повышается прочность
соединений. Существует несколько явлений, возникающих
в ультразвуковом ноле и приводящих к повышению прочности
соединений.
Известно, что нод действием внешних нагрузок полиамиды
склонны к пространственной ориентации (вытяжке). Это свой-
ство используют для получения высокоорентированных прочных
ни гей. В зоне соединения под действием относительного движе-
ния при трении также происходит пространственная ориентации
материала, при этом полимер ориентируется в плоскости стыка.
Поэтому разрушающая нагрузка, приложенная нормально к
плоскости стыка, значительно меньше нагрузки, направленной
вдоль ориентации. Ультразвуковые колебания даже малой ин-
тенсивности нарушают ориентацию и тем самым повышают
прочность соединений.
Разрушая ориентацию структуры, возникающую при трении,
УЗК способствуют ускорению диффузии. Интенсификация
диффузионных процессов способствует устранению микродс-
фектов в шве, взаимному проникновению макромолекул, чем
обеспечивается когезионная прочность.
Ультразвуковые колебания создают также и макрореологиче-
скис процессы |30|. способствующие премешиванию полимера н
зоне шва, и в результате - повышению прочности соединения. ]
При сварке изделий из полиамидов в зоне шва при быстром
охлаждении возникает закалочная структура материала, изме-
няющая его механические свойства. Закалочная структура поли-
мера - эю высокоаморфная фаза, отличающаяся пониженными
прочностными показателями.
На заключительном этапе процесса фрикционно-ультразвуковой
сварки оказалось возможным с помощью УЗК устранять и зака-
лочную структуру- Это достигается путем применения ультра-
звуковых импульсов малой интенсивности, обеспечивающих
медленное охлаждение полимера и кристаллизацию. 1
Анализ явлений, протекающих в зоне соединения при фрик-
ционно-ультразвуковой сварке, позволяет разделить весь про-
цесс на три стадии: первая стадия - это предварительный разогрев
материала на стыкуемых поверхностях за счет трения - стадия
подготовки стыка; вторая стадия - совместное действие трения и
сварочного импульса ультразвука - стадия сварки; третья стадия -
воздействие термообрабатывающего импульса ультразвука. I
На первой стадии протекает процесс сглаживания неровно-
стей и происходит локализованный по толщине и равномерный
по периметру разогрев материала на стыкуемых поверхностях.
Скорость разорена и температура материала в стыке определя-
ются скоростью относительного движения и давления. Первая
стадия завершается установившимся температурным равновеси-
ем в стыке, которое обусловлено конкуренцией двух явлений -
тепловыделения за счет трения и тсплопотерь за счет вытесняе-
мого в грат расплава. Основное влияние на температуру равно-
234
весил в стыке оказывает сварочное давление, при возрастании
которого температура снижается в результате активации вязкого
течения полимера под действием давления. Глубина проплавле-
ния свариваемых кромок на этой сталии незначительна, гак как
по мере перехода полимера в текучее состояние он вытесняется
в грат, а в контакт вступают непрогретые слои материала. Де-
формирование нерасплавленного полимера приводит к его ори-
ентации, вызывающей анизотропию свойств материала шва и
снижение прочности соединения.
Вторая стадия характеризуется совместным действием трения
и ультразвука. На данной стадии происходит несколько взаи не-
конкурирующих процессов, от которых зависит прочность свар-
ного соединения. Как и на первой стадии процесса сварки, на
второй стадии устанавливается температурное равновесие в зоне
шва. обусловленное тепловыделением в результате гратообразо-
вания. Температурная обстановка в шве регламентируется сва-
рочным давлением, амплитудой смешения волновода-инстру-
мента и скоростью трения. При этом возникает явление само-
регулирования температуры. Для получения качественных со-
единений важно обеспечить такие режимы процесса сварки, ко-
торые способствовали бы саморегулированию на уровне темпе-
ратурного интервала сварки. Другими взаимоконкурируюши.ми
процессами являются ориентация макромолекул в стыке в ре-
зультате относительного движения и разориентация под дейст-
вием УЗК и тепломассопереноса при трении. Прекращение дей-
ствия одного из источников или отклонение параметров за пре-
делы допустимой нормы вызывает нарушение равновесия, и как
результат - низкое качество сварного соединения. Так, прекра-
шение трения приводит к образованию очагов перегрева на от-
дельных участках, а выключение ультразвука - к образованию
очагов перегрева в материале зоны стыка и появлению прожогов
на этих участках, а также к ориентации материала в зоне стыка,
к снижению глубины проплавления свариваемых кромок и
прочности соединения. Аналогичные явления возникают и при
отклонении режимов сварки от номинальных.
Третья стадия характеризуется действием УЗК на образовав-
шийся расплав с целью замедления скорости охлаждения мате-
риала в диапазоне температур кристаллизации. При этом в на-
чальный период действия термообрабатывающего ультразвуко-
вого импульса, когда в зоне стыка полимер находится в виде
расплава, продолжаются реологические процессы, уплотняющие
надмолекулярную структуру и делающие полимер более проч-
ным. Параллельно с этим процессом происходит и теплообразо-
вание, частично компенсирующее теплопогери в окружающую
среду. На этой стадии процесса сварки целесообразно с прекра-
шепнем процесса трения уменьшать сварочное давление, чгооы
прекратилось вытеснение расплава из стыка и увеличилась глу-
бина проплавления. Однако снимать давление до полного охла-
ждения материала в зоне шва не следует, так как материал в зо-
не охлаждения, находящийся длительное время без давления,
может оказаться рыхлым и непрочным.
7.3. ИК-УЛЬТРАЗВУКОВАЯ СВАРКА
Так как из полимерных материалов изготавливаются различ-
ные конструкции, то возникает необходимость получать также
различные по конструкции соединения. Например, при изготов-
лении уплотнительных манжет из полиамида к прессам большой
мощности приходится соединять стыковым швом V-образный
профиль, имеющий переменное сечение.
Термические процессы сварки не позволяют получать соедине-
ния, удовлетворяющие эксплуатационным требованиям |30|.
Высококачественные сварные соединения на полиамидных
изделиях сложной формы стало возможным получать путем со-
четания двух видов энергии - ИК-излучения и ультразвука.
Процесс ИК-ультразвуковой сварки имеет следующие осо-
бенности. В связи с разнотолшинностью сечения стыкуемых
профилей необходимо ИК-излучаюший элемент проектирован»
так, чтобы происходил равномерный нагрев полимера но всему
сечению на глубину 0,8-1,5 мм до температуры 190-200°С.
При получении стыковых соединений УЗК необходимо вво-
дить так, чтобы в зоне стыка траектории колебаний были ориен-
тированы нормально соединяемым поверхностям.
Как полиамиды, так и любые другие полимерные материалы
не допускается длительное время подвергать воздействию высо-
ких температур и перегреву, поэтому предварительный ИК-
нагрев должен удовлетворять этим требованиям.
И К-ультра звуковая сварка встык |30| изделий из полиамида вы-
полняется по схеме, представленной на рис. 7.18, и включает сле-
дующие этапы: нагрев стыкуемых поверхностей инфракрасными
лучами: удаление нагревателя из зоны сварки; сближение стыкуе-
мых поверхностей и их осадка с усилием Р(>с = (0,09-0,11) МПа;
включение УЗК и создание импульса длительностью 0.5-2 с;
выключение УЗК и охлаждение шва пол давлением Foc. I
В ИК-ультразвуковом процессе важным является получение в
зоне шва колебаний частиц среды, направленных нормально к
плоскости стыка. Такие колебания получаются в результате рас-
ширения (сдвига) полимера под действием сжатия его в зоне,
расположенной под УЗ-инструмснтом. При этом под действием
продольных смешений, направленных коллинеарно направле-
236
нию распространения основной УЗ-волны (Л11К), возникают
продольные колебания, направленные перпендикулярно направ-
лению распространения основной волны (Ли11).
Рис. 7.18 Этапы И К-ультразвуковой сварки полимеров встык:
/ - ИК-!|;1Г|х*в: 11 - ультразвуковое комейепше; /// - охлаждение. ! - свариваемые летали;
2 - неподвижные зажимы; 3 - подвижные зажимы; 4 - резиновая опора; 5 - ИК-nai -
ремнель. 6- ультразвуковой 1юлновол-инсгрумен1: 7— шов
УЗК могут вводиться как в один из свариваемых элементов,
гак и в оба элемента. При малой площади сечения свариваемых
элементов УЗК следует вводить в один из стыкуемых элементов.
При площади стыкуемых элементов, превышающей 7-9 см2, ко-
лебания вводят в оба элемента.
Ввод УЗК в подвижный стыкуемый элемент предпочтитель-
нее, так как в процессе включения УЗК позволяет устранить
подплавление полимера под инструментом путем подачи под
инструмент в результате перемещения подвижной летали новых
холодных участков детали.
Сущность процесса ИК-ультразвуковой сварки состоит в сле-
дующем. На стадии / (см. рис. 7.18) энергией ИК-излучения по-
237
лимер прогревается до температуры 190-200 °C на глубину до 1,5
мм. Такой глубокий прогрев необходим для создания опреде-
ленного объема размягченного полимера, чтобы, с одной сторо-
ны, локализовать теплообразование, с другой - создать опти-
мальные условия для протекания реологических процессов пол
действием энергии УЗ-поля 116. 17, 30|.
На сталии // после включения УЗК происходит преимущест-
венный разогрев полимера в зоне размягченной прослойки и
повышение температуры на этом участке до 210-225 °C, т.е. до
температур сварки и выше. Образующийся расплав под действи-
ем давления осадки частично вытесняется в граг. При этом из
зоны сварки удаляется полимер, подвергшийся при ИК-нагреве
окислительной деструкции, а в зону соединения подводится
чистый полимерный материал, подогреваемый энергией УЗК ю
температуры сварки. Кроме того, ультразвуковые колебания уст-
раняют и возникающую ориентацию в зоне стыка. УЗК создают
реологические процессы и ускоряют диффузию. Комплекс этих
явлений, обусловленных УЗ-полем, обеспечивает получение ка-
чественных соединений.
На стадии III УЗК отключаются, а давление осадки может ос-
таваться неизменным или понижаться до значений, при которых
прекращается вытеснение расплава из зоны шва. Происходи!
охлаждение материала в зоне шва под незначительным избыточ-
ным давлением, что исключает появление пор и несплошностей
в шве, а также обеспечивает необходимую кристалличность по-
лимера, чем гарантируется прочность и пластичность материала.
И К-ультразвуковая сварка позволяет получать соединения на
таких трудносвариваюшихся полимерах, как полиамиды ПА-610
и АК80/20. Прочность соединений при этом достигает 90-~92%
основного материала. а пластичность не отличается от пластич-
ности основного полимера [31, 32|.
Разработанный процесс ИК-упыразвуковой сварки может ус-
пешно применяться для получения соединений на изделиях и а
любых термопластичных полимеров |3, 17, 30]. 1
7.4. СВАРКА БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ
Процесс ультразвуковой сварки (УЗС) живых тканей, интен-
сивно внедряемый в последние годы в хирургическую практику,
направлен на решение задачи обеспечения технологической на-
дежности Н, биологических сварных соединений (БСС) и сокра-
щение продолжительности технологического цикла Тп |30. 31, 33|.
Хирургия, руководствуясь главным принципом “не навреди”,
создала и создает хирургические методы лечения, сущность ко-
торых основана на минимально возможном вредном действии на
238
соединяемые поверхности живых тканей. В связи с этим при
выполнении традиционных хирургических операций соединяе-
мые поверхности с целью получения биологических соединений
(БС) плотно прижимают друг к другу с помощью внешних уст-
ройств (ниточные швы, металлические конструкции и др.) и за-
держивают в таком состоянии в течение регенерационного пе-
риода. В этом случае исходная прочность БС отсутствует, начи-
нает возрастать с нуля в течение периода регенерации и через
определенное время достигает прочности исходной биоткани.
Недостатками традиционных операций являются травматичность
и шинельный цикл регенерации (заживления), сложность, а
иногда и невозможность выполнения многих операций, зависи-
мость от субъективных факторов, низкая надежность.
При ультразвуковой сварке стремятся получать максимально
возможную прочность за счет БСС, ликвидируя внешние удер-
живающие устройства. Однако, как показала практика, простой
перенос положений сварочной науки и техники на живые объ-
екты не приводит к ожидаемой адекватности [331.
Живые ткани, обладая свойствами самосохранения, не терпят
вмешательств, нарушающих их состояние, отторгают инородные
тела, регенерируют нарушенную физическую, химическую и в
целом биологическую исходную целостность. Это приводит к бы-
строй и значительной потере прочности БСС и его разрушению
до появления достаточной биологической прочности Конкури-
руют два явления. С одной стороны, монолитность и прочно-
плотное удержание соединяемых поверхностей ускоряет регене-
рацию, с другой стороны, регенерация замедляется из-за наруше-
ния биологической целостности прилегающего к соединяемым
поверхностям биополимера, подвергавшегося воздействию энер-
гии ультразвука. Определить вклад этих явлений в образование
БСС невозможно, поэтому процесс УЗС биополимеров следует
считать трудноуправляемым или вовсе неуправляемым, а надеж-
ность БСС неудовлетворительной. Эти проблемы не позволяют
широко применять процесс УЗС в медицине, хотя он и таит в се-
бе значительные потенциальные возможности [30, 31, 33|.
В настоящее время определились три основных направления
применения ультразвука в медицине: сварка (соединение), на-
плавка (воссоздание) и обработка биологических тканей [32J.
При ультразвуковой сварке и наплавке костных тканей ис-
пользуется присадочный материал, состоящий из жидкого по-
лимерного вещества циакрина и наполнителя на основе костной
стружки.
Сущность процесса соединения биотканей состоит в том, что
ультразвуковые колебания, вводимые в присадочный материал,
ускоряют процессы диффузии и процессы полимеризации циак-
239
рина с образованием твердого костно-циакринового конгломе-
рата, который в процессе заживания раны замещается новообра-
зованными костными клетками. Конструкция сварных соедине-
ний при этом ничем не отличается от традиционно применяе-
мых в хирургии.
При сварке мягких биологических тканей присадочный мате-
риал не применяется. Соединение образуется за счет расплавле-
ния коллагена и его диффузии в соединяемые ткани. При этом
соединяемые ткани предварительно сжимают и затем воздейству
ют на них ультразвуком. С целью повышения прочности БСС и
его долговечности в зону соединения вводят “сшивающие" реа-
генты, такие, как глутаральдегид, аминокислотные остатки и хр
Для увеличения содержания в ткани коллагена в зону шва вводя!
Рис. 7.19. Зависимость прочности п
биологического сварного соединения
(БСС) и биоло!ического соединения
(БС) от времени регенерации t и
«сшиваюших» добавок:
/ - прочность БСС без cniiiuaiouieio агента:
2 - характер нарасишия прочности БС:
.? - прочность БСС. стабилизированного глу-
таровым a iwieiaTOM. 4 - прочность БСС + БС
в процессе регенерации живой ткани;
5- зона прочности пехотной живой ткани
выделенные из живых обьектон
и синтезированные коллаген,
желатин, плазму [30, 331.
Механизм процесса сварки
ультразвуком мягких биотканей
состоит в следующем. Воздей
ствуя энергией ультразвука на
мягкую ткань, содержащую до
40% коллагена, нагревают био-
полимер в зоне шва до темпе-
ратуры 60сС. Нагрев должен
быть кратковре ме н н ы м, чтобы
не вызвать некроза тканей. При
температуре 40-60 °C коллаген
становится жидким и интен-
сивно диффундирует через со-
единяемые поверхности живых
тканей. Граница раздела исче-
зает. Плавится и введенный
извне коллаген или желатин,
увеличивая процентное содер-
жание коллагена в ткани. По
еле прекращения действия УЗК
зона шва охлаждается, и коллаген приобретает исходную проч
ность (рис. 7.19), а шов - прочность живой ткани. Однако кол
лаген подвержен растворению в биологических жидкостях жи-
вого организма, и БСС в процессе регенерации быстро теряе!
прочность (см. рис. 7.19, кривая /). При этом скорость сниже-
ния прочности БСС больше скорости увеличения прочности Б(
(кривая 2). Через 1,5-2 сут после операции суммарная прочность
БСС + БС не превышает 7-10% от прочности основного мате
риала, что может привести к разрушению БСС.
240
Ввод в зону шва сшивающего реагента делает коллаген час-
тично нерастворимым и неплавким, что не позволяет получать
БСС, равнопрочные основному материалу в момент операции,
однако и скорость снижения прочности такого БСС ниже, чем
без реагента (кривая 5), и стабилизируется при 18-20% от проч-
ности основного материала спустя 6-7 сут после операции. За
это время БС набирает прочность до 15-20% от основного мате-
риала, а суммарная прочность (кривая 4) имеет минимальное
критическое значение на третьи сутки послеоперационного пе-
риода и не уменьшается ниже 30% ог прочности основного ма-
териала. В большинстве операций такой прочности достаточно,
чтобы не допустить разрушения БСС.
Практика использования процессов сварки в хирургии нахо-
дится на начальной стадии, и в настоящее время ведется интен-
сивный поиск путей повышения надежности БСС. В этой облас-
ти определены следующие основные направления.
1. При ультразвуковом способе получения БСС следует обес-
печивать в зоне сварки биологически приемлемые химические и
физические процессы: агрегацию макромолекул коллагена;
внутримолекулярные превращения; структурирование; снижение
вязкости, температуры плавления; расширение температурного
интервала сваривания (ТИС) за счет смещения его в область
низких температур. Реализация этих процессов должна осущест-
вляться по принципу “не навреди”, т.е. без денатурации биообъ-
екта и без превышения предельных температур и механических
напряжений, выдерживаемых биоматериалом. Следует отказать-
ся от технологических режимов, используемых при ультразвуко-
вой сварке полимеров, характеризуемых как “жесткие” - повы-
шения температуры, давления, амплитуды смещений и др. Реа-
лизация физико-химических превращений на базе существую-
щего процентного соотношения компонентов биоткани не все-
гда возможна и требует ввода в зону соединения до-
полнительных веществ. Это определяет второй путь повышения
технологической надежности БСС [30).
2. С целью обеспечения химических, физических и биологи-
ческих процессов в зону БСС следует вводить биологически
приемлемые вещества (БПВ), выделенные из живых объектов
или синтезированные, такие, как коллаген, желатин, плазма,
аминокислотные остатки, альдегиды и др. При этом следует
считать важным процесс предварительной подготовки БПВ, рас-
сматривая это вещество как сварочный присадочный материал.
Например, для обеспечения реакций структурирования коллаге-
на биообъекта, предотвращающих потерю прочности БСС при
гидратации и гидролизе, необходимо такие сшивающие агенты,
как глутаровый альдегид, обработать ультразвуком, создавая
241
временно дезактивированные радикалы, проявляющие свою ак-
тивность в процессе получения БСС.
Для ускорения диффузионных процессов присадочное БПВ
также следует обрабатывать ультразвуком с целью снижения мо-
лекулярной массы, что приводит к снижению температуры плав-
ления БПВ, повышает скорость его диффузии, расширяет ТИС. J
3. Следует добиваться ускорения с помощью ультразвука яв-
лений физического, химического, а возможно, и биологического
характера, протекающих в зоне соединения тканей при выпол-
нении БС традиционными методами. В этом спучае энергия
ультразвука и вызываемые ею процессы, типичные для сварки,
играют вспомогательную роль, однако способны значительно
ускорить регенерацию, повысить технологическую надежность
Нт и сократить продолжительность технологического никла /и, в
частности за счет ускорения диффузионных процессов при реге-
нерации, ускорения роста новых биотканей и др. '
4. Реализация путей, намеченных в п.п. 1-3, возможна при
обеспечивании управления параметрами режима УЗС и процес-
сами, протекающими в объектах воздействия ультразвука. Необ-
ходимо так варьировать режимы УЗС, чтобы не вызывать дена-
турации среды. В более широком диапазоне следует изменять час-
тоту колебаний ультразвука, применять импульсные колебания,
циклирование, строгое дозирование энергии ультразвука и др. I
Некоторые из перечисленных выше путей повышения Н3
частично уже реализованы на практике и продолжают реализо-
вываться. В частности, при трансплантации барабанной пере-
понки, в процессах ультразвукового лечения тонзиллита, в гине-
кологии, торакальной хирургии применены сшивающие агенты,
присадочные материалы и др. |
7.5. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ КОМБИНИРОВАННЫХ
СПОСОБОВ СВАРКИ
Для комбинированных способов сварки пластмасс Омским
государственным техническим университетом совместно с МГТУ
им. Н.Э.Баумана разработан ряд установок—машин для сварки, в
основном фторопластов, с использованием комбинированных
способов нагрева соединяемых поверхностей.
Установка У СМ-45 представляет собой универсальную сва-
рочную установку, предназначенную для механизированной
сварки фторсодержащих пленочных материалов термоконтакт-
ным, термоультразвуковым и ультразвуковым методами |2, 3|.
Благодаря возможности регулировать скорость сварки, темпера-
туру нагревательных элементов, а также параметры ультразвуко-
вых колебаний в широких пределах установка может быть при-
менена и для сварки других полимерных материалов - поливинил-
хлоридного пластика, полиэтилена, полиэтилентерефталата и др
242
В состав установки (рис. J.20) входят сварочный узел Л ме-
ханизм перемещения сварочного узла и создания сварочного
давления 9, механизм перемещения сварочного материала в виде
опорного ролика с приводом & блок управления 6, сварной кар-
кас 10. Акустический узел (сварочный узел) состоит из магнито-
стрикционного преобразователя из никеля с рабочим сечением
пакета, обеспечивающим выходную мощность до 1,5 кВт, и
трансформатора упругих колебаний, выполненного из стали 40Х
Узел снабжен сварочными инструментами с различными коэф-
фициентами усиления.
Рис 7.20. Ультразвуковая сварочная уста-
новка УСМ-45:
I - кронштейн; 2 - подвижная штанга; 3 - сва-
рочный укл; 4 - опорный ролик; 5 - нагреватель
опорною ролика; 6 - блок управления: 7 - блок
терморегулятора; 6’ - механизм перемещения сва-
риваемою материи га; 9 - механизм создания сва-
рочного давления, 10 - сварной каркас, // - пе-
даль перемещения сварочною узла
Рис 7.21 Механизм подъема
сварочного узла и создания
сварочного давления установ-
ки УСМ-45:
/ - подвижная штанга; 2 - ком-
пенсирующая пружина; 3 - направ-
ляющая втулка; 4 - силовая пружи-
на: 5 - стойка; 6 - педаль подъема
Механизм перемещения сварочного узла и создания свароч-
ного давления (рис. 7.21) представляет собой рычажно-
пружинный механизм, обеспечивающий плавное регулирование
сварочного давления в пределах от 0 до 500 Н. Основными узла-
ми механизма являются подвижная штанга 7, направляющая
втулка 5, пружины 2 и 4. педаль подъема 6 и стойка рамы 5.
При опущенной педали 6 сварочный узел, связанный жестко с
подвижной штангой 7, под действием своего веса и пружин 2 и
4 перемещается вниз до соприкосновения сварочного инстру-
мента со свариваемыми деталями или с опорной установкой.
243
Сварочное усилие при этом представляет собой результирующую
действия веса подвижной части механизма и действия пружин.
Механизм перемещения свариваемого материала (рис. 7.22)
Рис. 7.22. Механизм перемещения свари-
ваемого материала установки УСМ-45:
/ - шестерня; 2 — электродвигатель - редуктор.
3 - корпус привода; 4 - вал; 5 - опорный ролик;
6 - нагревательный элемент
представляет собой опор-
ный ролик 5. снабженный
нагревательным элементом 6,
неподвижно закрепленным
на каркасе, а также приво-
дом в виде закрепленного в
подшипниках вала 4, свя-
занного посредством шесте-
рен 1 с электродвигателем-
редуктором 2. Электродвига-
тель постоянного тока по-
зволяет регулировать ско-
рость вращения опорного
ролика в широких пределах.
Для регулирования темпера-
туры в контакте с поверхно-
стью ролика установлена хромель-копелевая термопара.
Блок управления обеспечивает поддержание в заданных пре-
делах температуры нагревательных элементов, скорости переме-
щения свариваемого материала, а также параметров процесса
ультразвуковой обработки зоны соединения во время сварки. 1
Перед началом сварки подают напряжение на нагревательные
элементы, при достижении последними температуры сварки по-
мещают свариваемый материал на разогретую опору и, опуская
педаль, прижимают свариваемые пленки, одновременно подавая
ультразвуковые колебания. Под действием нагрева от контакта с
нагретым инструментом и опорным роликом и ультразвуковых
колебаний пленочный материал разогревается до температуры
сварки и, перемещаясь относительно рабочих инструментов, вы-
ходит из зазора между ними, образуя сварное соединение. Ис-
пользование ультразвуковых колебаний облегчает перемещение
материала относительно инструмента, исключая деформацию
свариваемых пленок. Краткие технические данные установки
УСМ-45 приведены ниже:
Мощность акустического узла, кВт.........................0,3-1,5
Амплитуда колебаний инструмента, мкм ..........15-45
Рабочая частота, кГц .................-..........20
Сварочное усилие, Н ..........................До 500
Интервал регулирования температуры, °C .......100-420
Скорость сварки, м/мин ...................... 0,01-2,0
Толщина свариваемого материала, мм ...........0,05-1,5
Габариты установки, мм ................... 1000x600x1400
Масса, кг ...............................-.......80
244
Конструкция крепления сварочного узла позволяет осуществ-
лять сварку наклонным инструментом, обеспечивая возможность
ультразвуковой сварки металлизированных пленок |3, 18, 30].
Сварочная установка УСМ-46 предназначена для термоультра-
звуковой сварки листов фторонласта-4 встык со скосом и без
скоса кромок |3] при непосредственном действии ультразвуко-
вых колебаний на соединяемые поверхности в процессе их ра-
зогрева от температуры плавления кристаллической фазы до
температуры сварки.
На сварном каркасе корпуса 5 установки (рис. 7.23) размеще-
ны подвижные платформы, снабженные пневмоприводами,
прижимами и двумя парами нафевательных элементов /.
В средней части каркаса находится ультразвуковой сварочный
узел 2, который снабжен электроприводом для перемещения его
по направляющим 3. Внутри каркаса встроены элементы пнев-
мопривода и электрической схемы управления установкой.
Рис. 7.23. Установка УСМ-46 для термоультразвуковой сварки листового фторо-
пласта-4
/ - линейные электронагреватели: 2 - ультразвуковой сварочный узе.-i с ножевым волно-
водом; 3 - направляющие и привод перемещения ультразвукового сварочного узла вдоль
стыка; 4- подвижные платформы для закрепления свариваемых листов; 5- корпус установки
Для нагрева используются прямолинейные трубчатые элек-
тронагреватели (ТЭН), заключенные в стальную оболочку с ка-
налом охлаждения. На одной из свободных плоскостей нагрева-
телей закреплены термопары, электрически связанные с регуля-
тором температуры, в качестве которого используют автоматиче-
ский регулирующий потенциометр КСП-4. размещенный в
низшей части каркаса. Крепление и конструкция нагревателей
245
позволяют выполнять сварку стыковых и угловых
листового фторопласта-4 длиной до 350 мм.
соединении
Акустический (сварочный) узел с магнитострикционным пре!
образователем мощностью 0,4 кВт и резонансной частотой 20 к! п
разметается в охлаждаемом водой бачке, который закреплен на
подвижной платформе. Платформа с помощью винтовой пере-
дачи и электродвигателя может перемещаться по направляющей,
расположенной перпендикулярно направлению перемещения
подвижных платформ установки. Акустический узел снабжен
ультразвуковым инструментом ножевого типа.
Электрическая схема установки включает элементы регулиро-
вания температуры нагревателей, автоматическое реле времени
для управления процессом сварки, обеспечивающее последова-
тельное выполнение операций нагрева свариваемых кромок, ульт-
развуковой их обработки в процессе нагрева, изотермической вы-
держки сжатых деталей и охлаждения стыка пол давлением 13]. I
Пневмосистема установки обеспечивает подготовку воздуха и
подачу его в систему установки, ручное и полуавтоматическое
управление подвижными платформами и создание усилия осад-
ки на сварном стыке. После разогрева нагревателей на подвиж-
ные тележки укладывают листы фторопласта, подготовленные к
сварке, и зажимают их с помощью траверс и узлов нагружения
нагревателей. Рукояткой управления пневмоприводом создается
сварочное давление. При достижении температуры плавления
кристаллической фазы полимера (327сС) по сигналу с потен-
циометра включается электродвигатель перемещения акусгиче
ского узла и подается сигнал на включение ультразвуковых ко-
лебаний. При достижении температуры сварки ультразвуковые
колебания отключаются, акустический узел возвращается в исход-
ное положение и начинается изотермическая выдержка, по окон-
чании которой реле времени отключает питание нагревателей и
включает клапан подачи охлаждающего воздуха. После охлажде-
ния стыка ниже температуры кристаллизации сваренные чисты
освобождают от зажимов и вынимают из установки. Краткие тех-
нические данные установки УСМ-46 приведены ниже:
Напряжение питающей сети. В ............ 220
Мощность. кВт:
нагревательных элементов .. 4x0.5
акустического узла .. . .. .... 0,4
Рабочая частота, кГц ... ... 20,5
Сварочное усилие. Н....... ..... 0—10
Габариты установки, мм ............ 750X1150X1230
Масса, кг ......................... .... 90
Установка предназначена для сварки листового фторопласта
при
изготовлении
элементов футеровки
сосудов, работающих
в
агрессивных средах.
246
Термоультразвуковая сва -
рочная установка УСМ-47Т
предназначена для сварки
встык трубопроводов из
фторопласта-4 диаметром
50-120 мм и толщиной
стенки 2,5-10 мм. Установка
(рис. 7.24) включает в себя
кол ьце в ые на гре вател ьн ые
элементы 5. снабженные
разъемными гильзами из
теплопроводного материала,
механизм создания свароч-
ного усилия 5, пластину для
ториевого’ разогрева сва-
Рнс. 7.24. Установка УСМ-47Т для гермо-
ультразвуковой сварки встык труб и j фто-
ропласта-4:
1 - корпус установки; 2 - ультразвуковой сва-
рочный узел: 3 - кольцевые иагреватсаи, 4 - icii-
лопроволяшее резонирующее кольцо; 5 меха*
низм создания сварочного усилия. 6 - блок
управления и апиарагура терморегулирования
риваемых кромок и передачи
им касательных ультразвуко-
вых колебаний, акустический
узел 2, сварную станину и
блок питания нагревателей и
управления установкой 6,
Узел нагревателей представляет собой пару разъемных гильз
(рис. 7.25) с продольными прорезями, позволяющими компен-
сировать в процессе термическое расширение материала трубо-
провода в радиальном
кольцевою Hai ревателя для
сварки (фторопластовых труб.
/ разъемный кольцевой
на|рев;пель; 2 - гилью из укру-
пни len.ioiipoBo.'iiioit) металла:
» - учасюк свариваемой грубы
направлении. Снаружи гильз расположе-
ны разъемные кольца нагревателя, на-
бранные из пальцевых нихромовых из-
лучателей. Механизм создания свароч-
ною давления представляет собой пару
калиброванных пружин сжатия, частич-
но компенсирующих термическое рас-
ширение материала трубопроводов в
осевом направлении.
В качестве акустическою узла в уста-
новке использован унифицированный маг-
нитострикцион ный преобразовател ь и з
никеля с резонансной частотой 20,5 кГц и
выходной мощностью 1,5 кВт. Акусти-
ческий узел снабжен ножевым инстру-
ментом и передающей ультразвуковые
колебания гонкой пластиной.
Блок питания и управления установ-
кой включает поникающий трансформатор питания электрона-
гревателя, реле времени, управляющее циклом сварки, рейди-
рующую и коммутирующую аппаратуру.
247
В процессе работы свариваемые участки трубопровода зажи-
мают в теплопроводных гильзах, плотно прижимая соединяемые
торцы к теплопроводной пластине. Затем замыкают кольцевые
нагреватели, разогретые до температуры сварки, при этом с по-
мощью реле времени включается ультразвуковой генератор и
начинается нагрев сварного стыка. По окончании нагрева из зо-
ны сварки удаляется торцевая пластина, ультразвуковой генера-
тор отключается, и сжатые торцы свариваемых труб подвергают-
ся изотермической выдержке. После этого внешние кольцевые
нагреватели размыкаются, а сварной стык охлаждается на возду-
хе вместе с гильзами. При достижении температуры 300-330°С
гильзы и сварное соединение вынимают из сварочного устройства.
Краткие технические данные установки УСМ-47Т приведены ниже:
Мощность, потребляемая из сети, кВт ........ 4
Напряжение пигаюшей сети. В ............... 220
Частота питающей сети. Гц .................. 50
Рабочая частота, кГц .............. ....... 20,5
Мощность акустического узла, кВт............ 1,5
Сварочное давление, МПа ................. 0,2-0,5
Интервал регулирования температуры, °C ...100-420
Габариты установки, мм ............... 1540x1200x400
Масса, кг........ ........ .... .. 56
Установка предназначена для работы в ремонтных цехах неф-
теперерабатывающих предприятий. 1
Установка УСМ-48 для сварки тонкостенных труб из фторопла-
ста-4Д представляет собой полуавтомат, обеспечивающий тер-
моконтактную сварку в автоматическом режиме концов труб, соб-
ранных предварительно в раструб. Установка состоит (рис. 7.26)
из размещенного на сварном каркасе сварочного узла, вклю-
чающего в себя разъемные кольцевые нагреватели, подпружи-
ненные в осевом направлении рычажные зажимы со сменными
обоймами в виде полуколец, пневмопривод для зажатия свари-
ваемых заготовок, кронштейн со штангой, на которой закрепля-
ется распорная оправка, помещаемая внутрь свариваемой трубы.
На полукольцах зажимного механизма укреплены замки для
удержания полуколец нагревателя, управляемые с помощью
электромагнитов [3, 18].
Блок управления установкой выполнен в виде отдельного
шкафа, который связан через электроразъемы с основной уста-
новкой и можег устанавливаться в стороне от нее или навеши-
ваться на установку. Блок управления включает силовой пони-
жающий трансформатор для питания нагревательного устройст-
ва, многопозиционный ре!улятор времени для управления цик-
лом сварки, автоматический регулирующий потенциометр КСП1
4 для регулирования и поддержания заданной гемпературы. Ус-
тановка снабжена также местным отсосом продуктов разложения
свариваемого материала.
248
Рис. 7.26. Установка для сварки тонкостенных труб из фторопласта-4Д:
I - корпус установки; 2 - разъемные геп юпроволные i ильзы внешнего нагрева; 3 - внут-
ренняя теплопроводная ш шза; 4 - внешний нагреватель; 5 - внутренний нт реши ель
Собранные враструб тонкостенные фторопластовые трубы
помешают в рабочее пространство нагревательного устройства и
фиксируют там с помощью пневмозажима. Одновременно с за-
жимами вокруг зоны соединения смыкают и полукольца внеш-
него нагревателя, после чего внутрь заготовки вводят укреплен-
ную на штанге цилиндрическую оправку. С внешней стороны
трубы между ее поверхностью и излучающей поверхностью на-
гревателя также располагается оправка. Зазор между внешней и
внутренней оправками зависит от толщины стенок свариваемых
труб. После нагрева зоны сварки включается реле времени и на-
чинается отсчет времени изотермической выдержки; затем сра-
батывают электромагниты защелок и с раскрытием полуколец
нагревателя отключается обогрев; после достижения темпе-
ратуры кристаллизации размыкают зажимы и освобождают сва-
ренную заготовку 131.
Для сварки труб различных диаметров установка снабжена
комплектом сменных вставок в зажимы и набором соответст-
вующих гильз. Краткие технические данные установки УСМ-48
приведены ниже:
Напряжение питающей сети, В .................. 220
Потребляемая мощность. кВт ................... 2,5
Напряжение питания натревателей, В ........... 36
Температура нагревателей, °C ............... До 500
Интервал диаметров свариваемых труб, мм .... 75 -200
Габариты установки, мм ............... 20050х600х 156г
Масса, кг..................................... 120
249
Установка комплексе гея также специальным устройством для
калибрования трубных заготовок перся сваркой и формования
раструбного соединения заготовок. Устройство представляет со
бой кольцевой нагреватель, снабженный сменными оправками
соответствующих диаметров и конфигураций. Нагреватель за
креплен на отдельном каркасе и имеет свой трансформатор л1и
питания электронагревателя и терморегулирующее устройство.
Описанные выше установки и машины разработаны и созданы
В.А.Соколовым, Л.А.Шестелем, Н.Е.Дмитриевы.м, Н.Н Даниль-1
циным, С.А.Старковым, Ю.А.Саяпиным и В.Я.Никулиным.
Глава 8
ХИМИЧЕСКАЯ СВАРКА ПОЛИМЕРНЫХ
МАТЕРИАЛОВ
8.L СУЩНОСТЬ ПРОЦЕССА И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
Сущность процессов, протекающих при химической сварке,
заключается во взаимном смачивании соединяемых поверхно-
стей и в образовании химических связей между макромолекула-
ми полимера, находящимися на приведенных в контакт соеди-
няемых поверхностях. Прочность и другие характеристики свар-
ного шва обусловлены не только действием в зоне соединения
сил межмолекулярного взаимодействия, как это имеет место при
диффузионно-реологической сварке, но, главным образом, воз-
никновением химических связей в указанной зоне (1, 16|.
Химической сваркой соединяют как полимерные материалы,
не соединяемые диффузионно-реологической сваркой (не пол-
ностью отвержденные реактопласты, вулканизаты, редкосетчатые
термопласты и линейные полициклические полимеры, некоторые
разнородные полимерные материалы), так и отдельные виды тер-
мопластов с кристаллической и ориентированной структурами,
способные соединяться диффузионно-реологической сваркой 111.
Как разновидность химической сварки можно рассматривать
соединение листовых полуфабрикатов из реактопластов в неот-
вержденном состоянии, осуществляемое подобно прессованию
слоистых пластиков, а также более легко осуществляемое, чем
сварка вулканизатов, соединение листовых сырых резиновых
смесей, в том числе и разнородных.
Химической сваркой можно считать соединение некоторых
термопластов с металлами, выполняемое с помощью веществ,
которые создают химические связи между соединяемыми по-
верхностями.
К особой разновидности химической сварки можно отнести
соединение, получившее название в отечественной литературе
"склеивание механохимическим способом" |1, 16], а в зарубеж-
ной литературе - "вибрационное склеивание" |20], а также со-
единение с помощью промежуточных полимерных слоев
(клеевых прослоек) по поверхности полимерного материала,
подвергнутой химической модификации различными методами,
хотя по технологическим признакам эти соединения мало похо-
жи на сварку, одна из основных особенностей которой - высо-
кая производительность сборки |1, 16].
251
Техноло! ический процесс химической сварки в общем слу-
чае, независимо от типа полимерного материала, состоит из сле-
дующих операций: подготовка (главным образом, очистка со-
единяемых поверхностей); нанесение присадочного материала
(реагента): приведение соединяемых участков в контакт; прогрев
или облучение зоны шва при условиях, обеспечивающих образо-
вание химических связей в свариваемых слоях.
Некоторые полимерные материалы (например, реактопласты, I
отвержденные по реакции поликонденсации) приобретают спо-
собность к химической сварке (или более легко свариваются)
после предварительной обработки агентами, изменяющими хи I
мическую структуру полимера. При этом в последних появлякм
ся реакционноспособные группы. Кроме того, их структура
“разрыхляется", придавая материалу большую пластичность и
облегчая достижение более полного контакта. Подобный эффект
наблюдается в случае механической обработки соединяемых по-
верхностей, в результате которой с них снимается более отвер-
жденный или вулканизованный слой. На поверхности мною- I
компонентных полимерных материалов может находиться слой,
отличающийся от глубинных слоев, например, содержанием
низкомолекулярных веществ, препятствующих протеканию хи- 1
мической реакции. Поэтому перед химической сваркой он дол-
жен быть удален |1, 29J.
При ознакомлении с технологическим процессом химической
сварки может показаться, что она идентична склеиванию, по-
скольку в обоих случаях используются промежуточные слои
Однако в отличие от склеивания при химической сварке проме- *
жуточные слои или присадочные реагенты не образуют само-
стоятельной непрерывной фазы, которая своими свойствами
существенно отличается от свойств соединяемых материалов.
Можно выделить две разновидности химической сварки: без
присадочного материала и с применением присадочных мате-<
риалов, вводимых в зону контакта соединяемых поверхностей
Однако в настоящее время химическую сварку удобнее расе мат
ривать в зависимости от типа свариваемого материала.
Решающее влияние на выбор условия и режимов химической
сварки оказывает химическая структура полимера - основного
компонента полимерного материала. Вместе с тем другие ком-
поненты также могут влиять на технологию химической сварки
Именно химическая структура полимера определяет механизм
вторичных химических реакций в зоне контакта соединяемых
поверхностей, на которых основана сварка рассматриваемым
способом.
Процесс химической сварки является более производитель-
ным, чем склеивание, легко поддается механизации и автомати-
252
зации; соединение можно нагружать сразу же после его изготов-
ления, параметры окружающей среды не имеют существенного
влияния на качество изготовления соединения. К основным не-
достаткам способа можно отнести необходимость применения
индивидуальной специальной оснастки, отсутствие возможности
визуального контроля процесса сварки, сложность применения в
монтажных условиях [16, 19, 29].
4
8.2. ХИМИЧЕСКАЯ СВАРКА РЕАКТОПЛАСТОВ
При химической сварке реактопластов используется способ-
ность поверхностных слоев отвержденного стеклопластика к
эластическим и пластическим деформациям и к химической ре-
акции дальнейшего отверждения. Это создает условия для фор-
мирования взаимным смачиванием контакта оксидных пленок
соединяемых поверхностей деталей и непосредственного хими-
ческого взаимодействия связующего на соединяемых поверхно-
стях [1]. Сварка отвержденных реактопластов зависит от приро-
ды функциональных групп полимера, механизма и степени от-
верждения материала, поскольку степень отверждения влияет на
концентрацию функциональных групп и пластичность материа-
ла и может служить критерием способности реактопластов сва-
риваться. Отсутствие пластических деформаций в материале с
высокой степенью отверждения существенно сказывается на
прочностных характеристиках соединения и нс позволяет полу-
чить соединение с удовлетворительной прочностью [19, 29].
Основные свойства деталей из реактопластов, которые будут
определять их способность к химической сварке, следующие:
1) химическая активность, или реакционная способность слоев
реактопластов, проявляющаяся в наличии в них функциональ-
ных групп; 2) определенная степень отверждения поверхностной
полимерной пленки и ее способность к пластическим и эласти-
ческим деформациям; 3) способность поверхностного рельефа
деформироваться и образовывать площадь контакта на соеди-
няемых поверхностях, равную номинальной; 4) определенная
толщина поверхностей полимерной пленки (нс менее 0.1 мм);
5) высокая когезионная прочность поверхностной пленки,
прочная связь с последующими слоями и отсутствие на ней ан-
тиадгезионных смазок и других загрязняющих веществ [I, 16].
Для химической сварки отвержденных реактопластов необхо-
димо в процессе формирования деталей, идущих на сборку,
обеспечить недоотвержденность и остаточную пластичность по-
лимера в поверхностном слое; сплошность поверхностного слоя
полимера и отсутствие на нем антиалгезионных смазок и других
загрязняющих поверхность веществ; волнистость поверхности не
выше V-VI класса [1, 29].
253
При малой толшине поверхностной оксидной пленки на пла
стике и высокой степени его отверждения (более 85%) рекомен-
дуется применять химическую сварку с присадкой, в качестве
которой используется одно- или двухкомпонентное вещество
(связующее аналогичной природы), способное реагировать а
функциональными группами связующего отвержденного пла-
стика. Количество присадки, наносимой на соединяемые по»
верхности, должно быть минимальным (5 мг/см2), но достаточ
ным для заполнения межвыступного пространства микрорельеф.»
поверхности детали. На практике в качестве присадочного мате-
риала часто применяют пленку реактопласта на основе связую-
щего, аналогичного связующему свариваемого материала, но г
меньшей степенью отверждения (16, 29|. V
При сварке реактопластов на основе ненасыщенных поли-
эфиров используют привитую сополимеризацию, для чего нл
соединяемые поверхности наносят раствор инициатора полимер
ризании (например, раствор пероксида бензоила в ненасытен
ном мономере - стироле, винилтолуоле. диаллил фталате) или
неотвержденную полиэфирную смолу в виде тонкой пленки
Сварка пластмасс на основе отвержденных кремнийорганиче*
ских смол производится с помощью органических пероксидов
или растворов кремнийорганических соединений, а на основе
эпоксидных полимеров - с помощью метилолфенолов |16|. I
При сварке эпоксидных реактопластов в качестве присадки
используют любые отвердители эпоксидных смол: амины, ан-
гидриды, кислоты, различные смолы (фенолоформальдегидные,
эпоксидные и др.), способные реагировать с гидроксильными
группами отвержденной эпоксидной смолы. В наибольшей сте-
пени перечисленным требованиям удовлетворяют фенолофар-
мальдегидные смолы (в виде спиртового раствора) и композит
ции эпоксидных смол с аминами 116, 29]. I
Доверительный интервал прочности на сдвиг при растяжении
сварных соединений стеклопластика ВПС-7 в этом \ I tr-
ветствует 17-20 МПа.
При химической сварке фенольных реактопластов в качестве
присадочного материала целесообразно использовать вещества
одинаковой с ним химической природы: резольную фенолофор-
мальдегидную смолу, ее модификации, а также, например, оли-
гомер три метилол фенол. |
Количество наносимой присадки зависит от рельефа поверхности.
Таким образом, свариваемость реактопластов определяется
типом связующего, степенью его отверждения и присадкой.
Технологический процесс сварки отвержденных реактопла-
стов включает в себя следующие операции: подготовку поверх-
ностей, в том числе механическую: нанесение присадки; сбли-
254
жсние поверхностен за счет эластических и пластических де-
формаций поверхностного слоя смолы и всего объема детали;
выдержка (от десятков секунд до нескольких минуг) соединения
при температуре до 180-22СГС и давлении 4-6 МПа. В процессе
последней операции происходит формирование контакта по-
верхностей на молекулярном уровне и образование соединения
за счет химической реакции доотверждения.
Процесс химической сварки можно регулировать, изменяя
режим нагревания, осуществляя подготовку поверхностей, регу-
лируя степень отверждения связующего на сталии формирова-
ния деталей. Увеличение температуры нагрева шва и давления
сварки расширяет возможные области проведения химической
сварки, поэтому с ростом степени отверждения связующего в
пластике необходимо повышать давление и температуру сварки.
Химическую сварку реактопластов можно осуществлять на
оборудовании для сварки с использованием тепловой энергии и
давления прессовым и роликовым способами. Сварку точками
для повышения производительности процесса целесообразнее
всего осуществлять с использованием высокочастотного нагрева
в поле рассеяния, так как в этом случае создаются более благо-
приятные условия формирования контакта поверхностей соеди-
няемых изделий: исключается краевой эффект у потенциального
электрода; равномерно передается нагрузка на свариваемые по-
верхности; исключается коробление свариваемого материала по
границам сварной точки; обеспечиваются благоприятные усло-
вия для увеличения плошади сварной точки. Прочностные ха-
рактеристики сварного точечного соединения определяют в ос-
новном усилием, приложенным к электродному устройству в
процессе сварки, С увеличением сварного усилия растет пло-
щадь сварной точки (больше площади электрода) и одновремен-
но увеличивается разрушающая нагрузка на сварную точку:
Сварочное усилие, H _ 0 200 400 800 1200 1600
Разрушающее усилие
на сварную точку. кН ...0.54-0.8 2.3-2.35 3-3.5 3.1-3.6 3.5-4.3 3.7-3.8
Механическая подготовка соединяемых поверхностей при
химической сварке отвержденных пластмасс в отличие от склеи-
вания не играет существенной роли [29).
8.3. ХИМИЧЕСКАЯ СВАРКА ТЕРМОПЛАСТОВ
Химическая сварка термопластов осуществляется преимуще-
ственно с помошыо присадочных материалов, способных обра-
зовать переходный слой, структура которого аналогична струк-
туре материала соединяемых деталей. Для нанесения на соеди-
няемые поверхности присадочные материалы растворяют в под-
ходящем растворителе. Рекомендуемые присадочные материалы
для химической сварки термопластов [16, 29] приведены ниже: I
Соединяемый полимерный материал Присадочный материал
Сшитый полиэтилен .............. Пероксиды и другие соединения
Сшитый поливинилхлорид .........Полиамины
Поли имиды .................... Полиамины, пол и изоцианаты
П ол иэтилентерефталат .........П ерокс иды. пол и и юциа! i аты
Полиамиды ....-.................Многоосновные кислоты и их ангидриды
Ф~орсополимеры .................Полиамины
Химическая сварка термопласгов с использованием приса-
дочных материалов возможна при следующих условиях [16]:
скорость взаимодействия присадки с термопластом должна бып»
больше скорости диффузионных процессов; пластическое тече-
ние аморфной фазы материала должно обеспечиваться только в
соединяемых слоях, а остальной материал должен иметь темпе-
ратуру ниже температуры плавления или разориентации кри-
сталлической фазы полимера; растворитель для присадки дол-
жен вызывать набухание полимера и быстро испаряться с его
поверхности. Г
Химическая сварка термопластов без применения присадоч
ных материалов может быть выполнена при действии на матери
ал в зоне шва нейтронного или рентгеновского излучения доста
точной мощности 116].
8.3. L Пленки из полиэтилентерефталата
В процессе химической сварки пленок из ПЭТФ могут при-
нимать участие как метиленовые группы внутри цепи макромо
лекул, так и концевые гидроксильные и карбоксильные группы.
Для вовлечения метиленовых групп в реакцию химического^
соединения макромолекул ПЭТФ предложено в качестве приса-
дочного реагента использовать пероксидные соединения. Пола-
гают, что их распад на радикалы вызывает реакцию передачи
кинетической цепи на макрорадикалы, а затем рекомбинацию
макрорадикалов с образованием поперечных связей. Для взаи-
модействия с концевыми группами макромолекул ПЭТФ подоб-
раны полифункциональные низкомолекулярные вещества, кото-
рые могут вступать в реакцию в заданных условиях с макси
мально высокой степенью конверсии. I
На основании исследований в качестве присадочных реаген-
тов для пленки ПЭТФ выбраны пероксид бензоила (ПБ) и гек-
саметилендиизоцианат (ГМДИЦ).
Расход присадочного реагента на единицу по-
верхности шва регулируют изменением концентрации его рас-
твора, количества подаваемого за один прием раствора и числа
наносимых слоев. Оптимальное количество присадочного мате-
риала удается нанести за один прием (например, кистью непо-
256
средственно на соединяемые поверхности или окунанием ленты
из ПЭТФ толщиной 12 мкм), если использовать 10%-й раствор
низкомолекулярных веществ в ацетоне и 5%-й раствор смеси
сополиэфиров с химическими реагентами в метиле н хлориде.
Температура нагрева должна быть достаточной для
проявления эластичности материала в объеме и пластичности в
граничных контактирующих слоях пленок и активизирования
реакции взаимодействия присадочного реагента с функциональ-
ными группами на соединяемых поверхностях. С учетом термо-
механических свойств пленок ПЭТФ (его температура стеклова-
ния 80 °C, температура начала интенсивной разориентаиии 170—
180 °C, температура плавления 225-230 °C) приемлемый интервал
температур химическом сварки находится в пределах 130-180.°С.
С увеличением продолжительности сварки при по-
стоянной температуре прочность соединения пленки ПЭТФ тол-
щиной 20 мкм возрастает, стремясь к определенному пределу.
С повышением температуры в зоне соединения максималь-
ные показатели прочности достигаются за более короткий пери-
од нагрева. При 130 °C сварка осуществляется лишь при вы-
держке более 1,5 мин, при 165-170 °C высокопрочное соедине-
ние с помощью ПБ можно получить за 5 с. Однако швы, полу-
ченные за столь короткое время, имеют нестабильные показате-
ли прочности, особенно в набухшем состоянии, что указывает
на низкую концентрацию химических связей в зоне шва.
Давление прижима играет большую роль при сварке
толстых пленок с помощью низкомолекулярных присадочных
реагентов, не оказывающих растворяющего действия на ПЭТФ.
Прочность соединений пленок ПЭГФ-ПА, изготовленных при
температуре 190 °C и продолжительности нагрева 30 с, растет с
повышением давления прижима до определенного предела, по-
сле которого образцы, разрушаясь по основному материалу,
имеют постоянные показатели прочности. Такие показатели
прочности, как и в случае сварки по поверхностям полимер-
полимер, связаны с улучшением контакта и ростом числа меж-
молекулярных связей между поверхностями.
Прочность сварных соединений пленок ПЭТФ толщиной 20-
40 мкм не зависит от изменения давления в пределах 0Л-0,5
МПа, в связи с чем давление при сварке этих пленок выбрано
равным 0,2 МПа.
Химическая сварка пленок нашла применение при изготов-
лении емкостей из формованных заготовок, полотнищ и рукавов
из рулонных пленок ПЭТФ, сотового заполнителя из гофриро-
ванных или плоских заготовок; при создании полимерных ком-
позиционных материалов из лавсановых волокон |1].
257
8.3.2. Полиамиды
Для большинства полиамидов характерны узкий интервал
температуры плавления и низкая вязкость в вязкотскучем со-
стоянии. Поэтому диффузионно-реологическая сварка этих ма-
териалов ставит ряд проблем, решить которые удается примене-
нием растворителей или химической сварки |1|.
Для осуществления химическое сварки полиамидов использо-
вали их высокую реакционную способность по отношению ко
многим полифункциональным соединениям. В полиамидах к
числу реакционноспособных относятся аминные, карбоксиль-
ные и амидные группы [1, 16 ]. I
Специфические условия сшивания, происходящего за корот-
кий период соединения поверхностей, существенно ограничи-
вают выбор присадочных реагентов. Основным требованием к
таким реагентам является высокая скорость реакции их с поли-
амидом при температуре, лежащей не только ниже температуры
плавления, но и ниже температуры быстро протекающей разо-
риентации пленки или волокон.
Применительно к полиамидным пленкам и волокнистым ма-
териалам наиболее приемлемыми (с точки зрения достижения
высокой прочности соединения за короткий промежуток време-
ни) для химической сварки среди низкомолекулярных приса-
дочных материалов оказались многоосновные кислоты, их ан-
гидриды и хл оран гидриды. а также соединения, содержащие
гидроксильные группы (димегилолпаракрезол, дифенилолпро-
пан) [1, 16, 29|. I
Низкомолекулярные присадочные материалы наносят на со-
единяемые поверхности пленок поливом из щелевого сопла или
кистью в виде растворов в растворителях, вызывающих набуха-
ние полиамидов и не оказывающих воздействия на присадочные
реагенты. Порошок не полностью отвержденной фенолофор-
мальдегидной смолы наносят методом опудривания.
Для сварки полиамидов наиболее пригоден высокочастотный
диэлектрический нагрев, позволяющий достигнуть оптимального
распределения температуры по толщине и активизировать реак-
цию полимера с присадочными материалами [I, 25, 26|.
8.3.3. Фторопласты |
Химическая сварка фторопластов |3, 10| заключается во вза-
имном смачивании соединяемых поверхностей с образованием
химических связей между ними.
Технологический процесс химической сварки включает под-
готовку (главным образом очистку) соединяемых поверхностей,
нанесение присадочного материала, приведение соединяемых
поверхностей в контакт, прогрев или облучение зоны шва в ус-
ловиях, обеспечивающих образование химических связей.
258
Химическую сварку фторполимеров, полученных на основе
нс полностью фторированных мономеров, проводят с примене-
нием присадочного реагента. В качестве присадочных реагентов
используют многоосновные кислоты, диамины и пероксид бен-
зоила. Их можно наносить на соединяемые поверхности из рас-
творов, содержащих соединяемый фторполимер. Наиболее эф-
фективны диамины и пероксид бензоила. Прочность сварных
швов, полученных с их помощью, выше прочности швов, сва-
ренных без присадочного материала или с использованием других
химических реагентов. Предполагается, что механизм химической
сварки аналогичен механизму сшивания полимеров с помощью
этих веществ [34].
При химической сварке, например фтороплас га-26 его опти-
мальное содержание в ацетоновом растворе, содержащем
0.5±0,1% пероксида бензоила или диамина, составляет 10%.
Присадочный материал готовят, смешивая мелкозернистую
пленку Ф-26, пероксид бензоила или диамин и ацетон и выдер-
живают его в плотно закрытом сосуде в течение примерно 5 ч
при 20 °C до образования однородной массы. Приготовленный
присадочный материал можно хранить при 20 °C не менее 15 сут.
Свариваемые пленки тщательно очищают тканевыми тампона-
ми, смоченными этиловым спиртом. Присадочный материал (в
количестве 2±0,5 мг/см3) наносят мягкой кистью или через ще-
левое сопло. Присадочные реагенты (10%-е растворы в ацетоне)
наносят из расчета 0,2 мг сухого состава на 1 см2 поверхности
пленки. Открытая выдержка при 20-25 °C должна составлять не
менее 25 мин. Допустимый срок хранения заготовок с нанесен-
ным присадочным материалом 60 мин.
Нагрев целесообразно производить в высокочастотном ноле
[3, 25, 26]. Температуру нагрева выбирают с учетом реакционной
способности химического реагента, термомеханических и реоло-
гических свойств фторопластов. При использовании в качестве
присадочных реагентов пероксида бензоила (ПБ) и гексамети-
лендиамина (ГМДА) оптимальная температура сварки пленок
Ф-26 и Ф-42 составляет 130-150 °C. В случае прогрева пленок
между прокладками из ткани типа “молескин’' и поливинилхло-
ридной пластифицированной пленки толщиной 100 мкм эти тем-
пературы достигаются при напряженности поля ТВЧ 12-13 кВ/см;
увеличение продолжительности сварки более 20 с не вызывает
роста прочности швов при расслаивании. Оптимальное свароч-
ное давление составляет 0,3-0,5 МПа [25].
Возможна химическая сварка фторопластовых пленок (Ф-32-20)
с полиимидными (ПМ-1) [10] в условиях, аналогичных описан-
ным выше. В качестве реагентов использовали гексаметилен-
диамин, диэтилентриамин, триэтилентетрамин и полиэтиленпо-
259
диамин. Оптимальные результаты получены при использовании
в качестве присадочного материала полиэтиленполиамин»»
(0.2±0,05 мг/см2) при температуре нагревателей 220 °C, длитель-
ности контакта при этой температуре 30 с и давлении прижим.»
0,5 МПа.
8.3.4. Резины I
При химической сварке резин на основе фторкаучуков в ка-
честве присадочных реагентов рекомендуются полиамины и ос-
нования Шиффа.
Для равномерного распределения присадочного реагента и
зоне сварки, а также для удобства варьирования его расхода
применяют растворитель реагента. Так, при химической сварке
фторкаучука СКФ-26 с помощью бисфурилиденгексаметилен-
диимина используют инертный растворитель хлороформ
(концентрация раствора 10%).
Свариваемую резину тщательно очищают с помощью тампо-
нов, смоченных в растворителе, для удаления смазки, ингибито-
ров и других компонентов резины, выступающих на ее поверх-
ности при хранении. Затем поверхность подвергают механиче-
ской обработке шлифовальной шкуркой или шлифовальным
кругом с последующей очисткой растворителями. Для очистки
желательно выбирать гот же растворитель, который используют
для растворения присадочного реагента. После очистки требует-
ся открытая выдержка для удаления растворителя в течение 15
20 мин. Расход присадочного материала для фторкаучука СКФ-26
составляет 0,5-1,0 мг/см2. Для полного удаления инертного раство-
рителя после нанесения раствора присадочного материала рекомен-
дуется давать открытую выдержку при 20 °C не менее 30 мин.
Нагрев при сварке, как правило, проводят в поле ТВЧ. Однако
в случае сварки ненаполненного фторкаучука его разогрев в поле
токов высокой частоты затруднителен, поэтому для изделий тол-
щиной до 4-5 мм рекомендуется термоконтактный нагрев. i
Оптимальная температура химической сварки обычна близка
к температуре вулканизации соответствующих резин и при ис-
пользовании полиаминов и оснований Шиффа составляет 190—
200 °C. Оптимальная продолжительность сварки определяется
задаваемой прочностью сварного шва. а также необходимостью
сохранения свойств свариваемых материалов. В случае сварки
СКФ это время составляет 3 мин. Оптимальное сварочное дав-
ление 4 МПа. Прочность соединений, полученных по такой
технологии, достигает 20 Н/см. «
Химическая сварка может применяться и для соединения
фторопластов с металлами [16] при нагреве приведенных в кон-
такт поверхностей. Прочность соединений зависит от темпера-
260
туры и достигает максимальных значении при температурах,
близких к температуре деструкции полимера. Проведение про-
цесса при повышенных температурах необходимо для снижения
вязкости расплава полимера и лучшего заполнения микронеров-
ностей поверхности металла. Кроме того, при высоких темпера-
турах между полимером и металлом возникают химические свя-
зи. Так, в случае фторопласта-4 может произойти отрыв атомов
фтора с образованием фторидов металлов и ковалентных связей
Me-С и Ме-О-С.
Однако при высоких температурах после предварительной
дробеструйной обработки соединяемых поверхностей металла не
удается получить достаточно прочных соединений. Так, проч-
ность при расслаивании соединений Ф-4-металл не превышает
1,23 кН/м даже при температуре нагрева 420-435 °C. Значитель-
но увеличить прочность связи полимер-металл можно путем
предварительного химического модифицирования поверхности
металла, которое позволяет, кроме того, несколько снизить тем-
пературу нагрева при сварке.
Разработана технология сварки пленки фторопласга-4МБ
толщиной 0,4 мм с деталями из стали и сплавов алюминия (Д-16)
и титана (ОТ4). Перед сваркой металлическую поверхность под-
вергают дробеструйной обработке (глубина 15-20 мкм), а затем
окунанием, промазкой кистью или напылением наносят моди-
фикатор - 3%-й раствор кремнийорганического полиуретана в
толуоле. После сушки на воздухе в течение 24 с соединение вы-
держивают в прессе 10 мин при температуре 330-350 °C и давле-
нии 0,4-0,5 МПа. Прочность получаемых соединений при от-
слаивании составляет 4-5 кН/м, при отрыве - 11-16 МПа.
Диффузионно-реологическая сварка вулканизованных резин
(вулканизатов) невозможна ввиду пространственного строения
макромолекул полимерной матрицы. Для сварки вулкани-
зованного эластомера между соединяемыми участками
предлагается вводить пленку из термопласта (полиэтилена, по-
липропилена, полибутена или сополимеров олефинов) и нагре-
вать соединение до температуры, при которой идет диффузия
макромолекул термопласта в межмолекулярное пространство
эластомера. При этом указывается, что полимерная основа эла-
стомера должна иметь аналогичный состав с полимером проме-
жуточного слоя. Можно с большей вероятностью утверждать
что структурные различия промежуточного слоя и соединяемого
материала не способствуют высокой теплостойкости и химиче-
ской стойкости швов |1, 16].
Необходимость разработки химической сварки резин продик-
тована тем, что существующие уже способы соединения, и в
первую очередь склеивание, не удовлетворяли технологов по
261
производительности, организации процесса (по причине много-
операционности) из-за сложности подбора клеев, а конструкто-
ров - по показателям прочности соединительных швов. В боль-
шинстве же случаев химическую сварку резин осуществляют с
помощью присадочных реагентов [1, 161. 1
В качестве присадочных реагентов используют химические
соединения, способные при соответствующих условиях быстро
вступать в реакцию с функциональными группами макромоле-
кул вулканизата и создавать химические связи между контакта-
рующими поверхностями.
Наиболее эффективный реагент можно выбирать по данным
о вулканизующей способности последнего по отношению к кау-
чукам свариваемых резин. В числе рекомендуемых присадочных
реагентов: пероксид бензоила [для резин на основе полибута-
диена и его сополимеров со стиролом (СКС), метилстиролом
(СКМС) или акрилонитрилом (СКН), а также на основе поли-
силоксана и СКЭПТ]; диазоаминобензол [для резин, указанных
выше, а также резин на основе натурального каучука (НК) или
бутилкаучука); полиамины и основания Шиффа (для резин на
основе фторкаучуков); метилолфенолы (для резин на основе
СКС, СКН, полихлоропрена и смесей различных каучуков); тст-
рахлорхинон (хлоранил) (для резин на основе каучуков, допус-
кающих нагрев до 200 °C). Кроме указанных веществ для хими-
ческой сварки резин используют реагенты, вызывающие вулка- '
низацию резин на основе различных каучуков: гексахлорпарак- V 1
силол, сульфазан “R” и др.
Полихлоропреновые резины могут свариваться без введения
присадочного реагента в зону шва путем использования способ-
ности полихлоропрена к сшиванию за счет самопроизвольной
полимеризации. Однако применение в качестве присадочных
реагентов ультраускорителя вулканизации - таомочевины или
“мостикообразующего” химического соединения - диметилол-
паракрезола - в некоторых случаях (при сварке наполненных
техническим углеродом резин на основе наирита КРА) позволи- I
ло повысить прочность соединения на 15 20% по сравнению с
прочностью швов, изготовленных без присадочного реагента.
Активированием того небольшого количества вулканизующих
агентов, которое остается в резине после завершения вулканиза- I
ции, удалось ускорить процесс соединения, не изменяя в зоне
сварки температуру и давление [I, 16, 29).
Подготовка свариваемых поверхностей преследует цель соз-
дать наиболее благоприятные условия для прохождения химиче*
ских реакций между макромолекулами вулканизата.
Сложность достижения этой цели при сварке резин обуслов-
лена многокомпонентностью состава последних и наличием вяз-
комолекулярных ингредиентов на поверхности.
262
8.4. СВАРКА РАСТВОРИТЕЛЯМИ
Соединение с помощью растворителей по механизму образо-
вания шва можно отнести к диффузионной сварке, а по техно-
логическим признакам - к склеиванию.
Сварка растворителями в обычных условиях применяется для
соединения аморфных гермопластичных полимеров, а в некото-
рых случаях и кристаллизующихся полимеров при температуре,
близкой к температуре плавления кристаллической фазы. Так,
способ широко применяют для соединения деталей, изготовлен-
ных из полиэфиров метакриловой кислоты, полистирола, поли-
винилхлорида, полиамида, поликарбонатов, эфиров целлюлозы
и различных сополимеров, однако метод практически неприго-
ден для полиэтилена, политетрафторэтилена и полипропилена
вследствие их слабого набухания в растворителях J16, 29].
Поскольку скорость диффузии макромолекул в поверхност-
ном слое полимера при смачивании растворителем значительно
ниже, чем скорость диффузии макромолекул того же полимера,
нагретого до температуры, превышающей температуру его теку-
чести, то сварка растворителем требует значительно большего
времени для образования прочного соединения по сравнению со
сваркой нагревом |29].
Основными видами соединений при сварке растворителем
листовых и пленочных термопластов являются нахлесточные
соединения, соединения “на ус” и стыковые с односторонней
накладкой. Для толстостенных изделий и стержней применяют-
ся стыковые соединения без накладок, для труб - раструбные
соединения. Выбор того или иного вида соединения определяет-
ся условиями работы конструкции. При сварке листовых термо-
пластов длины перекрытия в нахлесточном соединении, “уса” и
накладки в стыковом соединении должны быть не меньше соот-
ветственно четырех-, пяти-, и восьмикратной толщины листа ]16|.
Сварка растворителями применяется в тех случаях, когда ме-
тоды тепловой сварки не обеспечивают надежного соединения
или нерациональны (нарушаются формы и размеры деталей), в
индивидуальном производстве, а также для соединения прозрач-
ных термопластов - полиакрилатов, поликарбоната, полистирола,
сварные швы которых должны иметь не только достаточно высо-
кую прочность, но и хороший внешний вид, должны быть про-
зрачными. Например, практикой установлено, что сварка раство-
рителями весьма эффективна для выполнения соединений напор-
ных трубопроводов из непластифицированного ПВХ и АБС.
Сочетание сварки растворителями с другими способами свар-
ки позволяет эффективно соединять детали из грудносваривае-
мых материалов.
263
Основным достоинством сварки растворителями являются
малые капитальные затраты на ее проведение, так как сварка
может осуществляться с помощью простых приспособлений, д
недостатками являются токсичность растворителей, длительным
цикл сварки, большая трудоемкость.
При выборе растворителя исходят из того, чтобы разность ме-
жду характеристиками растворимости полимера и растворителя
не превышала 2,5 (МДж/м3)*/2. В производственной практике
применяют растворители и смеси растворителей. Растворители и
их смеси, рекомендуемые [29| для сварки различных термопла-
стов, приведены ниже:
Пол и меры Рс коме ндус м ые растворится и
АБС ......Мстилэтил кетон; метил изобутил кетон; толуол/мстилэтилкетон
(50/50); кс илол/метил изобутил кетон (25/75);
АБЦ, АЦ ....Ацетон; этилацетат; мстилацстат; ацетон/этиллактат (90/10),
ацетон/метоксиэтилацетат (80/20); аиетон/метилацетат (70/30).
бутилацетат/ацетон/мстилацетат (50/30/20)
НЦ........Аиетон; этилацстат; метилацетат
ПА .......Концентрированная муравьиная кислота; расплавленные фенол
и резорцин; спиртовые растворы хлорида кальция; уксусная ки-
слота (ледяная)
ПВС ......Глицсрин/вода (15/85)
ПВХ ........Метил эти л кетон; метили зобутил кетон: ксилол; тетрагидрофран/
циклогексанон (80/20)
ПК .......Этилендихлорид; тетрахлорэтан; трихлорэтан; этилендихлорид/
метиленхлорид (50/50); метиленхлорид/мономср метилметакри-
лата (60/40) 1
ПММА......Этилендихлорид; мономер метилметакрилата; дихлорэтан; ме-
тиле нхлорид/мономер метилметакрилата (60/40 или 50/50)
ПС .......Этилацстат; метиленхлорид; мети л этил кетон; тстрахлорэти пен,
толуол; трихлорэтилсн
САН ......Этилацетат; мсти л эти л кетон; бутиланстат (мономер метилме-
такрилата (40/60)
ЭИ .......Этиланетат/этиловый спирт (80/20); толуол/эти л оный спирт
(90/10)
Примечание: АБС - сополимер стирола и акрилонитрила с каучуком; АБЦ - эпе-
тобутират це.ыюлозы; АЦ - ацетат целлюлозы: НЦ - нитрат целлюлозы; ПА - полиамил.
ПВС - поливиниловый спирт; ПВХ - поливинилхлорид; ПК - поликарбонат; ПММА -
пол и мети, i мега крил ат. ПС полистирол; САН - сополимер стирола с акрилонитрилом; )Ц
- этичен целлюлоза: ПЭ - полиэтилен; ПЭТФ - полиэтилен терефталат; ПII — полипропилен;
ПВА - пол и ви пил ацетат; ПВС’ - поливиниловый спирт.
Использование смеси растворителей позволяет регулировать
скорость размягчения полимера и предупреждать испарение рас-
творителя с поверхности во время набухания. С целью ускоре-
ния процесса и повышения прочности соединения применяю!
растворы свариваемого полимера в растворителе (лаковые ком-
позиции) или в мономере (полимеризующиеся композиции)
Последние обеспечивают наилучшее качество соединения и
наиболее широко применяются для сварки деталей из полиак-
264
рилатов и полистирола. Повышение качества соединения обу-
словлено тем, что растворитель выполняет функцию пластифи-
катора в околошовной зоне, повышая в ней эластичность поли-
мера, снижая температуру стеклования и прочность материала;
кроме того, с присутствием растворителя связано и некоторое
увеличение объема полимера в зоне шва, чго приводит вместе
с тем к появлению внутренних напряжений. В случае примене-
ния раствора в мономере после окончания диффузии макромолекул
из раствора в поверхностные слои соединяемых деталей и из них -
в присадочный материал - происходит полимеризация мономе-
ра. Превращение мономера-растворителя в полимер устраняет
недостатки сварного соединения, пластифицированного жидким
компонентом. В гех случаях, когда мономер свариваемого поли-
мера при комнатной температуре находится в газообразном со-
стоянии, применяют жидкий мономер иного состава, раство-
ряющий соединяемый полимер и совмещающийся с ним после
полимеризации [16, 29].
Обычно в растворитель вводят до 15% свариваемого полиме-
ра, что обеспечивает необходимую вязкость и снижает скорость
испарения растворителя. Введение полимера, кроме того, позво-
ляет заполнить зазоры между соединяемыми деталями, и соот-
ветственно, улучшить качество шва.
Технологический процесс сварки растворителями включает в
себя следующие основные операции: подготовка соединяемых
поверхностей к сварке; смачивание соединяемых поверхностей
равномерным слоем растворителя или состава, содержащего рас-
творитель (при стыковом соединении составом заполняют раз-
делку шва); открытая выдержка соединяемых поверхностей
(период времени от нанесения растворителя до сборки свари-
ваемых деталей); приведение соединяемых поверхностей в сопри-
косновение; приложение давления и выдержка соединяемых дета-
лей под давлением до момента затвердения шва [1,6, 30, 33|.
Подготовку соединяемых поверхностей к сварке следует про-
изводить с особой тщательностью. В стыковых и “усовых’4 со-
единениях разница в размерах соединяемых поверхностей не
должна колебаться более чем на 1 мм. Подогнанные поверхно-
сти перед нанесением растворителя необходимо очистить от пы-
ли и обезжирить. Для очистки и обезжиривания не рекоменду-
ется использовать растворитель полимера, так как в этом случае
на набухшей поверхности материала могут оставаться загрязне-
ния. При сварке пластифицированного поливинилхлорида необ-
ходимо обработать соединяемые поверхности специально подоб-
ранным растворителем, чтобы удалить выпотевший плас-
тификатор, который препятствует растворению полимера.
Количество наносимого на соединяемые поверхности растворите-
ля должно быть достаточным для набухания полимера, но в то же
265
время его избыток ведет к снижению прочности соединения и
удлинению технологического цикла. Растворитель наносят погру
жением, пульверизацией, роликом, кистью и другими способами
до тех пор, пока соединяемые поверхности не приобретут лип
кость, характерную для сильно набухшего полимера. В помеще-
нии, где наносят растворитель, имеющий низкую температура
кипения, необходимо поддерживать минимальную температуру.
Поверхности, которые не подлежат соединению, целесообразно
защищать от действия паров растворителя бумагой, липкой лен-
той или защитной пленкой |34]. I
Технологические режимы сварки (открытая выдержка, вы-
держка собранных деталей до запрессовки, давление и время
запрессовки) зависят в основном от типа полимера и раствори
теля и подбираются экспериментально с учетом температуры
помещения и других факторов. Продолжительность открытой
выдержки должна быть достаточной для того, чтобы произошло
набухание и размягчение полимера по всей поверхности и на
достаточную глубину (до 0,5-1,0 мм). Как правило, открытая
выдержка составляет несколько минут, давление запрессовки
находится в интервале 0,1-1,0 МПа, а время выдержки под дав-
лением запрессовки - о г 2 до 24 ч.
Свариваемые детали запрессовывают в прессах рычажного типа,
обеспечивающих постоянство давления в течение всего времени за-
прессовки; в пневматических, гидравлических или винтовых прес-
сах, а также в струбцинах. При запрессовке необходимо следить,
чтобы не было перекосов и сдвигов свариваемых деталей (для этого
или упоры), а также чтобы
рекомендуется устанавливать шпильки
в
зоне шва не образовывались пузырьки воздуха. Распрессовка со-
единения допускается только после затвердевания шва, а механиче-
ская обработка и эксплуатация сваренных изделий - не ранее чем
через 24 ч после распрессовки [16, 291.
266
Глава 9
ТЕХНОЛОГИЯ СОЕДИНЕНИЯ
ТЕРМОПЛАСТИЧНЫХ ПОЛИМЕРНЫХ
МАТЕРИАЛОВ С МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ
И НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИМИ МАТЕРИАЛАМИ
9.1. СУЩНОСТЬ И СХЕМЫ ПРОЦЕССА
При изготовлении конструкций из разнородных материалов
возникает необходимость соединять пластмассы с металлами.
Закладными деталями являются декоративные элементы, штиф-
ты. шарниры, проволочные петли и др. До последнего времени
металлические детали вклеивали, а в некоторых случаях вводили
с помощью предварительного сверления или фрезерования пла-
стмасс. Такие методы малопроизводительны, сопряжены с де-
формацией и растрескиванием пластмасс |1, 16|.
Соединять полимерные материалы с металлами можно путем
нагрева приведенных в контакт соединяемых поверхностей.
Прочность получаемых соединений зависит от температуры про-
цесса и достигает максимальных значений при температурах дест-
рукции соответствующих термопластов. Проведение процесса при
повышенных температурах необходимо для снижения вязкости
расплава полимера и лучшего заполнения микронеровностей по-
верхности металла. Кроме того, при высоких температурах между
полимером и металлом могут возникать химические связи.
Разработана технология сварки полиэтилена и армированного
материала ВВП-1 на основе полиэтилена высокого давления
(ПЭВД) толщиной 0.6-0,7 мм с алюминиевым сплавом Д-16,
титановым сплавом ОТ-4 и сталью; пленки фторопласта-4МБ
(Ф-4МБ) толщиной 0.4 мм и комбинированного материала на
основе Ф-4МБ толщиной 0,4 мм с деталями из стали и сплавов
Д-16, ОТ-4; ПВХ-пленки толщиной 0,8-0,9 мм и комбиниро-
ванного материала АР-27Т с алюминиевым сплавом Д-16. При
сварке с модификатором соединяемая поверхность металличе-
ской детали подвергается дробеструйной обработке на глубину
15-20 мкм и затем - обработке раствором модификатора, кото-
рый наносится окунанием, промазкой кистью или пневматиче-
ским распылением [1, 2, 5, 10].
Перед сваркой полиэтилена и армированного материала ВВП-1
на основе полиэтилена высокого давления с алюминиевым спла-
вом Д-16, титановым сплавом ОТ-4 и сталью соединяемые метал-
лические поверхности обрабатывают 3%-м раствором метилметак-
рилаттриэтоксистана (ММТС) в толуоле с добавкой пероксида
бензоила. После сушки на воздухе в течение 24 ч соединяемые
267
детали помещают в нагревательный пресс и выдерживают 10 мин
при температуре 140-160 °C и давлении 0,2 МПа.
Перед сваркой ПВХ с алюминиевым сплавом Д-16 соединяе-
мые металлические поверхности обрабатывают 3%-м раствором
ПВХ в метил этил кетоне (МЭК) с добавкой 20 частей АГМ-3
(аминогексаметиленэтоксисилана) от массы ПВХ (масса ПВХ
принимается за 1 часть). Сушка на воздухе в течение 24 ч; вы-
держка в сварочном прессе 40 мин при температуре 150-160 °C и
давлении 0,4-0,6 МПа.
Сварку фторопласта-4МБ (Ф-4МБ) с алюминиевым сплавом
Д-16, титановым сплавом ОТ-4 и сталью проводят с обработкон
соединяемых металлических поверхностей 3%-м раствором
кремнийорганического полиуретана (КПУ) в толуоле. Сушка на
воздухе 24 ч; выдержка в прессе 10 мин при температуре 330-350 *С
и давлении 0,4-0.5 МПа.
В табл. 9.1 приведены прочностные характеристики различ-
ных соединений полимеров с металлами.
Таблица 9./. Прочностные характеристики различных соединений
полимер + металл
Соединение (толщина материала, мм) Условия сварки Оптима 1ьная температура, °C Прочность
пО1СЛ, кН/м ^отр’ МП«1
ВВП-1 (0 6-0.7)+Д-16 (2) — 180-200 5,5-6,5/2,6
4- 140-160 7,5-8,5/4,2
ВВП-1 (0..... 6-0,7)+ОТ4 (2) — 160-180 5-6,5/0,9
— 140-160 7-7,5/1,8
ВВП-1 (0 6-0.7)+стадь (2) —— 180 3,5-4/1.0
4“ 140-160 7-7.2/1,8 —
ПВХ (0.8-П+Д-16 (2) 160-180 0,2-0,3/- —
4- 150-170 3,6-4,!/- —
Ф-4МБ (0.4-0,5)+Д-16 (2) - 340-350 4-4,2/- 11,8-12,5
НН 330-350 5,2-5,2/- 14-16
Ф-4МБ (0,4-0,5)+ОТ4 (2) — 340-35\60 4,5-4,7/- 11-13
+ 335-350 4,9-5/- 13-15
Ф-4МБ (0,4-0.5)+сталь (2) — 340-350 4-4.4/- 12-14
+ 340-350 5,5-5.6/ 14-16
АР-27Т (0,14 О,15)+Д-16 (2) — 180-200 1,3-1,4/- —
- 4“ 180-200 10-11,5/- —
Примечав и е • - сварка с модификатором; - сварка без модификатора;
числи гель - при 20 °C; знаменатель - при 80 °C
- —,... —
Сварку термопластичных полимерных материалов с металла-
ми рекомендуется применять для крепления металлической ар-
матуры в различных емкостях, крепежных элементов, контактов
и соединения трубопроводов ]1, 16]. fl
В зависимости от магнитных свойств сплавов, диэлектриче-
ских свойств полимеров и конфигурации соединяемых деталей
268
сварку можно проводить, используя контактный или индукци-
онный нагрев.
Абсолютные значения прочности соединении зависят от при-
роды металла. Высокая прочность достигается в случае приме-
нения сплава Д-16, так как на нем хорошо формируется поверх-
ность при дробеструйной обработке и легко образуется реакци-
онноспособная оксидная пленка. Разброс прочности обусловлен
нестабильностью дробеструйной обработки.
Для соединения металлических изделий с пластмассовыми
конструкциями в большинстве случаев применяют ультразвук.
Соединения могут осуществляться посредством запрессовки
металлических деталей в пластмассу, с помощью термопластич-
ных заклепок; с помощью винтов, устанавливаемых в отверстие
с резьбой, полученной путем ультразвукового формования;
сваркой металлических деталей через предварительно нанесен-
ную на них пластмассу (рис. 9.1).
Рис. 9.1. Соединение пластмассовых деталей с металлическими при помощи
ультразвука:
/7 - ультразвуковая запрессовка; б - соединение термопластичными заклепками, в - формо-
вание резьбы; 1 — волновод-инструмент; 2 - пластмассовая деталь; 3- металлическая деталь
При запрессовке металлических деталей в термопласте пред-
варительно сверлят отверстие, которое служит в качестве на-
правляющего. Форма запрессовываемой детали выбирается с
учетом того, чтобы после ведущей части, диаметр которой не-
сколько больше диаметра отверстия, высверленного в термопла-
сте, имелась полость для затекания избыточного пластициро-
ванного материала. Этим устраняется образование наплыва и
заусенцев на поверхности изделия.
Перед запрессовкой деталь устанавливают таким образом,
чтобы ее продольная ось совпадала с осью отверстия. После
приложения статического давления включается ультразвук,
вследствие чего выделяется тепло в зоне контакта металлической
и пластмассовой деталей. По мере размягчения термопласта
происходит погружение в него металлической детали под дейст-
вием ультразвука и статического давления и вытеснение пласти-
269
цированного материала в полость между стенками деталей. По-
сле выключения ультразвука расплавленная масса затвердевает,
и благодаря усадке, возникающей в процессе охлаждения, мс*
таллическая деталь прочно закрепляется в ней (см. рис. 9.1, я),
Для предотвращения смешения металлической детали и для
Рис. 9.2. Зависимость удерживающей силы
Q арматуры (Ст.З) в термопласте (поли-
стироле) от величины натяга Н:
а - арматура с насечкой и поднутрением;
б - арматура с кольцевой канавкой; в - ыадкая
арматура
точного внедрения ее в пла-
стмассу на нижней части
детали необходимо иметь
продольные или поперечны!
направляющие или канавки.
Усилия вырыва запрессо-
ванной детали-арматуры mi
пластмассовой детали зависят
от конструкции арматуры и
величины натяга (рис. 9.2).
Наименьшее усилие вырыва
соответствует гладкой арма-
туре (рис. 9.2, кривая *)
Оформление канавки и на-
несение насечки на высту-
пающие
приводят
части арматуры
к значительному
увеличению усилия вырыва (рис. 9.2, кривые а и б). Оптимальная
величина натяга для
0,3 мм; при большом
всех конструкций арматуры составляем
натяге
может наблюдаться
образовав
пм*
трещин в зоне запрессовки.
При постоянной величине
пластмассовой детали больше
натяга усилие вырыва арматуры
И1
для полимеров с высоким модулем
упругости и составляет, например, для ударопрочного полисги
рола 0,95 кН, для полипропилена 0,5 кН, для полиэтилена вы
сокой плотности 0,38 кН. I
При малой высоте арматуры, когда выполнение канавок и
насечек нецелесообразно, можно использовать способ с приме
нением специальной формы рабочего торца волновода (рис. 9.3>
Последний имеет выборку, в центре которой выполнена пяточ-
ка, опирающаяся в процессе запрессовки на арматуру и пере
дающая ей ультразвуковые колебания.
Периферийные
кромки
рабочего торца волновода опираются при этом на выступы пла
стмассовой детали,
оплавление которых
приводит
к заплавлению
поверхности арматуры слоем пластмассы, что значительно по
вышает усилие вырыва.
Другой разновидностью запрессовки металлов является ульт
развуковое
различного
формование.
этом случае
металлические детали
профиля вводятся непосредственно в пластмассу
при
помощи
профиль
специальных волноводов, имеющих соответствующим
рабочего торца. Формование
начинается
в тот
момент,
В
270
когда металлическая и пластмассовая детали прижимаются друг
к Другу. Под действием ультразвуковых колебаний пластмасса
плавится, и в нее запрессовывается металлическая деталь. После
отключения ультразвука пластмасса затвердевает, в результате
чего получается прочное неразъемное соединение. Формование
может быть выполнено и термическими методами, но ультразву-
ковой метод более производителен и обеспечивает более проч-
ное соединение. Это достигается за счет того, что при ультра-
звуковом методе внедрения легче регулировать процесс расплав-
ления пластмассы, так как выделение тепла локализовано в зоне
контакта термопласта с металлической деталью. Термическое
внедрение занимает 30-50 с, а ультразвук позволяет получить
соединение лучшего качества менее чем за I с.
Рис. 9.3. Схема ввода металлической арматуры, имеющей небольшую поверх-
ность, в пластмассу с помощью ультразвука:
/ - начало ввода; П - окончание ввода; /// - собранный узел; / - вол повод-инструмент;
2 - арматура; 3 - пластмассовая дсигль; 4 - опора; a, 6t в - рабочие поверхности волновода;
г - поверхность арматуры; д - слой пластмассы
Благодаря локальному плавлению основная масса деталей ос-
тается достаточно холодной, так что в процессе обработки их
можно держать в руках. Для удобства формования детали укла-
дываются в специальные приспособления - кондукторы. При-
менение их дает возможность автоматизировать процесс ультра-
звукового формования.
При заклепочном соединении металлических деталей с пла-
стмассовыми в первой детали делают отверстие, а во второй -
стержень заклепки, выполненный заодно с деталью. Металличе-
скую деталь надевают на пластмассовый стержень, а в высту-
пающую из детали часть стержня вводят ультразвуковые колеба-
ния. В результате стержень заклепки размягчается и деформиру-
ется волноводом. Придавая рабочему торцу волновода различ-
ную форму (например, делая одно или два полусферических уг-
271
дубления), можно получать замковые герметичные соединения с
замыкающей головкой различной конфигурации (см. рис. 9.1, б).
Отличительной особенностью процесса является то, что только
один из соединяемых элементов нагревается до температуры
плавления, тогда как температура второго элемента остается не- J
изменной. Основными преимуществами соединения являются
высокая скорость формообразования замыкающей головки и
повышенная прочность заклепки по сравнению с прочностью
основного материала; кроме того, пластмасса не налипает на
рабочую поверхность волновода, как это имеет место при рас- I
плавлении пластмассового стержня паяльником [35, 36|. В
При соединении с помощью винтов (см. рис. 9.1, (?) в детали
из термопласта предварительно формуется резьбовое отверстие. J
Для этой пели в пластмассовой детали сначала сверлится отвер-
стие, диаметр которого меньше наружного диаметра резьбы
(например, для резьбы М4 делается отверстие диаметром 3,2 мм)
Это отверстие служит для первоначальной фиксации металличе-1
ского винта и дальнейшего его внедрения в термопласт. Под воз-
действием ультразвуковых колебаний, вводимых через головку
винта, и статического давления полимер разогревается до вязко-
текучего состояния. По мере продвижения винта в пластмассу
расплавленный полимер обволакивает канавки резьбы и после
выключения ультразвука затвердевает, приобретая форму резьбы
Продолжительность запрессовки винтов М4 в отверстие диамет- f
ром 3,2 мм составляет около 0,8 с при силе прижима около 150 И
Изготовленная таким образом резьба выдерживает многократное
ввинчивание и вывинчивание металлических винтов. М
При соединении металлических деталей посредством проме*>
жуточной термопластичной прослойки последняя может нано-
ситься на металлическую поверхность с помощью газовых теп-
лоносителей или в кипящем слое. И
В промышленности материалы, полученные нанесением по- i
крытий из полимерных материалов (преимущественно поливи- I
нилхлоридной пленки) с одной или с двух сторон на поверх-
ность металлических листов или фольги, называют металл о- I
пластами. Металлопласт является ценным конструкционным
материалом, отличается высокой экономической эффективно-
стью, достаточными прочностью и жесткостью, хорошими деко- I
ративными, а также антикоррозионными и звукопоглощающими
свойствами. Из него изготавливают корпуса приборов, бензоба-
ки, электроаппараты, воздуховоды, защитные кожухи, трубы. Во
многих случаях его целесообразно использовать взамен листо-
вого металла. Металлопласт можно гнуть, сверлить, подвергал»
глубокой вытяжке, штамповать и т.д.
Новый материал обладает специфическими свойствами, за-
трудняющими использование известных классических способов
272
сварки. В настоящее время применяются преимущественно ме-
ханические методы соединения металлопластов - при помощи
заклепок или завал ьцовка по различному профилю. Использу-
ются и методы контактной рельефной сварки, но при этом не-
обходима предварительная зачистка соединяемых поверхностей,
что снижает производительность процесса. Соединение метал-
лопластов ультразвуком может осуществляться по двум схемам:
путем соединения слоев поливинилхлорида или путем соедине-
ния металлических полос.
Сущность способа ультразвуковой сварки металлопласта, ко-
торый разработан в МГТУ им. Н.Э. Баумана. заключается в том,
что через две пластины металлопласта (поливинилхлорид внут-
ри) пропускают при соответствующем статическом давлении
ультразвук, который воздействует на поливинилхлоридную
пленку, расплавляя ее и образуя сварное соединение. Такой ме-
тод соединения металлопласта с помощью ультразвука рекомен-
дуется использовать при изготовлении неответственных конст-
рукций, в которых металлопласт служит для защиты от коррозии
или служит декоративным материалом |37|.
Способ соединения с помощью термопластичных вставок за-
ключается в том, что вставки типа колец или манжет плотно ук-
репляются на металлических деталях или деталях из нетермо-
пластичного полимерного материала и соединяются между со-
бой посредством ультразвуковой сварки. Таким способом мовут
соединяться полусферы или цилиндрические детали из алюми-
ния, гальванизированной стали, бакелита и т.д. через промежу-
точные вставки из полиамида, эпона 927 и др.
9.2. СВАРКА РАЗНОРОДНЫХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Постоянный рост объемов производства и применения поли-
мерных материалов требует решения проблемы сварки изделий,
изготовленных из разнородных пластмасс, что, в свою очередь,
позволило бы решить ряд важных технических задач, в частно-
сти создать многослойные материалы с принипиально новыми
свойствами, а также резко повысить эксплуатационные характе-
ристики существующих многослойных материалов на основе
разнородных полимеров |5, 29|.
Свариваемость разнородных полимерных материалов опреде-
ляется их совместимостью, которая может оцениваться плотно-
стью и вязкостью расплавов. На этом основаны способы сварки
разнородных материалов, заключающиеся: в подборе режимов
нагрева, при которых каждый из свариваемых материалов имеет
оптимальную текучесть в зоне шва; во введении низкомолеку-
лярных добавок в зону сварки полимеров; в прививке к одной
из свариваемых поверхностей сополимера, частично совмести-
273
мого с каждым из свариваемых материалов; в использовании
прослоек из сополимеров, имеющих в своем составе мономер-
ные звенья обоих свариваемых полимеров; в обеспечении реак-
ции взаимодействия вводимого в зону шва полифункциональ-
ного вещества с материалом соединяемых поверхностей 116,29].
Для материалов, способных обеспечивать достаточно плотную
упаковку макромолекулярных образований при их соединении в
вязкотекучем состоянии, эффективен способ сварки с нагревом
свариваемых поверхностей. 1
Нагрев материалов, имеющих разные температуры плавления,
можно производить при помощи нагревателей с регулируемой тем-
пературой на каждой из его поверхностей. Глубина проплавления
при этом регулируется по времени нагрева материалов [5, 19].
Совместимость комбинаций соединяемых полимеров можно
определять по отношениям их коэффициентов линейного расши-
рения (cc|/ct2) и энергий поверхностного натяжения (of/cr£). Вы-
сокая прочность сварного шва может быть обеспечена только в
комбинациях материалов, для которых cq/a? < 1,2 и < 2,0.
Сварка не произойдет, если С2 и of /о^>2,0. Если
только одно из отношений превышает указанное предельное
значение, то при определенных условиях еще можно получить
качественные сварные соединения (табл. 9.2). (
Технологические параметры сварки нагретым инструментом
комбинаций материалов, приведенных в табл. 9.2, подбираются
по табл. 9.3. I
При тепловой сварке разнородных материалов необходимо
учитывать особенности тепловых воздействий на каждый из них
Например, сварку пленки из полиэтилена, имеющей диапазон
температур свариваемости 130-220 °C, и пленки полиэтилентер-
фталата, дублированной полиэтиленом, необходимо производить
при температуре 150-160 °C. При большей температуре происхо-
дит уменьшение прочности сварного соединения вследствие ра-
зориентации ПЭТФ [5, 10, 16, 29]. I
Сварка разнородных полимеров с применением промежуточ-
ного слоя из одного или нескольких сополимеров используется
для соединения полимеров, имеющих преимущественно непо-
лярные или слабополярные звенья. При этом звенья, присущие
макромолекулам одного из соединяемых полимеров, постепенно
заменяются в сополимерах промежуточных слоев звеньями мак-
ромолекул другого полимера |16|. В результате на каждой гра-
нице можно обеспечить плотное молекулярное соединение од-
нотипных звеньев и прочность, сравнимую с прочностью соеди-
няемых полимеров. Значительное количество полимерных мате-
риалов имеет определенное процентное соотношение однотип-
ных или близких по составу звеньев, которые при сварке могут
274
образовывать достаточно прочное соединение. Поэтому услови-
ем образования качественного сварного соединения с примене-
нием промежуточного слоя из набора сополимеров считается
наличие в зоне контакта чужеродных звеньев не более 25%(мол.)
116, 29]. Например, соединение полиэтиленовой пленки с плен-
ками полистирола, пол и вин ил ацетата и поливинилового спирта
можно осуществлять с использованием прослоек из сополимера
этилена с виниловым спиртом и сополимера этилена с винил-
ацетатом при содержании в них звеньев этилена не менее
80%(мол.). Возможен также набор пакетов сополимеров этилена
с последовательным замещением звеньев этилена звеньями сва-
риваемого с полиэтиленом полимерного материала (табл. 9.4).
Таблица 9.2. Характеристики свариваемости ряда комбинаций
полимерных материалов
Комбинации свариваемых материалов aj/a? р / р °1 /°2 Относи- тельная прочность Комбинации свариваемых ма lepiKbioB «|/«2 Относи- тельная прочность
ПММА + 1,04 1.07 99 АБС-пла- 1.59 2.03 0
+ ПВХ СТИК + ПП
ПВХ + 1,08 1.57 57 АБС-пла- 1,30 1.12 63
+ АБС-пла- стик + ПС
стик ПВХ + ПП 1.72 3,18 0
ПММА -+ 1,13 1.67 85 АБС-пла- 1,88 1.12 0
+ АБС-пла- стик + ПЭНД
стик ПП + ПС 2,07 2.29 0
ПММА + ПС 1.15 1,48 87 ПС + ПЭНД 2,44 1.00 4
пэнд + ПП 1,18 2,29 59
ПВХ + ПС 1,20 1.39 0
Таблица 9.3. Технологические параметры сварки
полимерных изделий нагретым инструментом
Материал Темпера гура нагревателя, °C Время нагрева, с Материал Температура нагревателя, °C Время нагрева, с
ПЭНД 230-280 20-90 ПММА 200-270 20-90
ПП 240-280 20 90 АБС-пла- 200-280 20-90
ПВХ 200 210 20-90 стик
ПС 200-260 20-90
П р и м с ч а кия: I. Давление при нагреве равно 0.05 МПА. при сварке - 0,3 МПа.
2. Гл \бина проплавления свариваемых материалов - 0,6 мм.
Способ создания на поверхности одного из соединяемых из-
делий привитого слоя второго полимера наиболее эффективен
для образования на границе соединения физических связей, ко-
торые реализуются за счет полярных групп привитого слоя. По-
этому формировать такой слой целесообразно на менее поляр-
ном из соединяемых полимеров [16].
Прививка мономера происходит за счет его проникновения в
аморфные участки основного полимера, что обеспечивает не-
275
равномерное покрытие основы. С увеличением количества при-
виваемого мономера наблюдается глубинное его проникновение
Это влечет за собой образование гетерогенности основы, снижа-
ет степень кристалличности и прочность основного материала.
Оптимальное содержание привитого материала составляет для
указанных в табл. 9.5 пар 1-2%(мас.). Но даже в этом случае
прочность сварного соединения не достигает величины, требуе-
мой для надежной эксплуатации [38]. 1
Подбор температуры сварки разнородных полимеров следует
производить по оптимальным режимам сварки более низкоплав-
кого из них. Для плохо сваривающихся по диффузионному ме-
ханизму разнородных полимеров возможно эффективное ис-
пользование способа химической сварки путем введения в зону
сварки ди-, три-, тетраминов или диизоцианатов [29].
Таблица 9.4. Оптимальные параметры сварки полиэтиленовых пленок
с пленками из других полимеров
Комбинации сва- риваемых матерна- Пакеты сопели- мера этилена* Режим сварки
температура, °C давление, МПа время, с
лов
ПЭ + ПП сэп 80; 20 150-160 0.3-0.5 25
ПЭ + ПС 95; 90; 80; 62; 40; 20 160 0,5 40
ПЭ + пве СЭВС 90; 70; 30 160-170 0,5 30
ПЭ + ПВА СЭВС 90; 70: 30 160-170 0,5 30
* Цифры указывают содержание звеньев этилена в сополимерах, последовательно и вменяю-
щееся при переходе от одного свариваемого материала к дрмому. СЭП - сополимер этилена
пропиленом, СЭС - сополимер этилена со стиролом. СЭВС - сополимер этилена с винило-
вым спиртом.
Таблица 9.5. Примеры свариваемых пар разнородных кристаллизующихся
термопластов с промежуточным слоем привитого сополимера
Комбинации свариваемых материалов Режим сварки Прочное! ь со- единения на расслаивание. Н/см
температу- ра, °C лав кэше, МПа время, с
ПС + ПЭ с привитым ПС 200 0,3 30 0,8
ПВА + ПЭ с привитым ПВА 1,2
ПС + Ф24-30 с привитым ПС 0,4
250 0,5 30
ПВА + Ф24-ЗО с привитым 0.9
ПВЛ
Примечание. Ф24-30 - сополимер вишпиленфторила с тетрафюрэтиленом
276
Химическая сварка предусматривает введение в зону сварки
полифункнионального вещества, способного одновременно
вступать в химическую реакцию взаимодействия с макромолеку-
лами обоих соединяемых полимеров [16].
На выбор реагента влияют типы функциональных групп поли-
меров, которые способны к реакции соединения в процессе свар-
ки. Необходимыми условиями осуществления реакции взаимо-
действия являются: правильный выбор присадочного реагента,
достаточно активного к функциональным группам свариваемых
полимерных материалов; сближение компонентов на расстояния,
достаточные для протекания реакции; определение интервала
температур, при котором соединяемые полимеры наиболее актив-
ны к реакции взаимодействия с присадочным реагентом 116, 29J.
Температура реакции подбирается для каждой пары поли-
мерных материалов так, чтобы скорости реакции были пример-
но равными. Например, при сварке полиимидной пленки ПМ-1
с пленкой из фторсополимера Ф32-20 (сополимер трифторхло-
рэтилена с винилиденфторидом) наиболее эффективным рсаген-
1ом служит полиэтиленполиамин. Процесс сварки должен про-
исходить при температуре 220 °C, давлении прижима 0,5 МПа и
длительности сварки 30 с.
Химическая сварка предпочтительна, когда требуется умень-
шить температурные деформации сварного шва, обеспечить стой-
кость соединений к действию тепла или растворителей [16, 29J.
Химическая сварка и метод соединения с помощью прослоек
из сополимеров обеспечивают почти одинаковую прочность со-
единений - большую, чем при способе соединения по привито-
му сополимеру (табл. 9.6).
Таблица 9.6. Влияние способа сварки пленок из разнотипных полимеров
на прочность соединений
Комбинации свари- ваемых материалов Разрушающее уси Hie. Н/см. при расслаивании соединении, изготов- ленных с применением
просчойки из сопо- । и мера прослойки из приви- того сополимера химической сварки
ПЭ + пп 13 — 1.2
ПЭ + ПС 10 0,8 0,5
ПЭ + пве 11 1.5 —
Ф-2 + Ф-3 13 — 13.5
ПМ-1 + Ф32-20 — 19
При использовании рассмотренных способов сварки свойства
изделий в наименьшей степени изменяются при соединении с
помощью прослоек из сополимеров.
Для ряда соединений разнородных полимерных материалов
(например, при сварке полиэтилена с полипропиленом или
277
фторопласта-2 с фторопластом-3) целесообразно сочетать разные
способы сварки. Так, прививка сополимера к одной из свари-
ваемых поверхностей используется для подготовки поверхности
при химической сварке, поскольку она способствует улучшению
смачиваемости и приводит к образованию в поверхностном слое
материала функциональных групп, необходимых для реакции с
присадочным реагентом [39-41].
В ряде случаев для повышения теплостойкости и стойкости к
растворителям сварных соединений используют комбинации
прослоек из сополимеров и способа химической сварки. Соче-
танием разных способов сварки можно упростить соединении
материалов, повысить их качество и прочность.
278
Глава 10
СКЛЕИВАНИЕ ПЛАСТМАСС
ЮЛ. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Рис. 10.1. Типы клеевых швов:
а - шов, полученный с исполь-
зованием клея; б - шов, полученный
с использованием расиюритезя;
1 - склеиваемые заготовки; 2 - клее-
вая пленка: 3 — граничный счой
отверждаться в результате
Склеивание - процесс получения неразъемною соединения
деталей (рис. 10.1) путем введения в технологический зазор ме-
жду ними клея, способного к отвер-
ждению (рис. 10.1, «) или путем рас-
творения материала в зоне контакта
заготовок с последующим соедине-
нием склеиваемых деталей и удале-
нием растворителей (рис. 10.1, б).
Клеи представляют собой индиви-
дуальные вещества или смеси орга-
нических, элементоорганических или
неорганических соединений, которые
обладают хорошей адгезией, высокой
когезионной прочностью, достаточ-
ной эластичностью и долговечностью
в условиях применения и способны
прохождения химических реакций (полимеризации, поликон-
денсации, вулканизации), испарения растворителя и диффузии
его в основной материал или охлаждения клеящего состава; при
этом образуются прочные клеевые соединения.
В основе склеивания, таким образом, лежит явление адгезии
(прилипания) - способность к взаимодействию тел из разнород-
ных материалов с достижением определенного уровня прочно-
сти сцепления. С адгезией связаны многие технологические
процессы. Так, благодаря адгезии удерживаются на поверхностях
деталей лакокрасочные и гальванические покрытия, типограф-
ская краска на бумаге; пузырьки воздуха прилипают к частицам
руды и поднимают их на поверхность воды при флотации; при
пропитке тканей специальными составами последние удержива-
ются на основе также в результате проявления адгезионных сил;
без адгезии было бы невозможно получение бетона, кирпича.
Можно привести и другие многочисленные примеры [6, 20, 29|.
Как правило, адгезионная прочность меньше когезионной,
т.е. прочности сцепления внутри тела. Но бывает, что их значе-
ния близки или даже адгезионная прочность оказывается не-
сколько выше. В этой связи можно говорить “о липкости”,
‘‘клейкости” - способности высоковязкой жидкости или упруго-
вязкого тела прочно удерживаться на твердой поверхности в ви-
279
де тонкого слоя. Если состав, обладающий адгезией к твердой
поверхности, проявляет также и способность к отверждению с
сохранением в последующем связей, возникших в результате
определенных физических и химических процессов, то он может
служить клеем и использоваться для склеивания. 1
Использование физических и химических явлений, лежащих
в основе склеивания, т.е. образования прочной связи клеевой
композиции с поверхностью соединяемой заготовки, лает воз-
можность решать и другие задачи - герметизации, ликвидации
поверхностных дефектов, придания поверхности свойства лип-
кости и т.д. В этой связи при рассмотрении склеивания следует
упомянуть о герметиках, шпатлевках, невысыхающих липких
составах, которые могут иметь в своей рецептуре связующие и
другие компоненты, входящие в клеи [6, 29|. 1
До недавнего времени не было принято отождествлять техни-
ку выполнения каменной кладки со склеиванием. Но приме-
няющийся раствор - это по существу клей, “каменный клей’ на
неорганической основе. В повседневной практике к клеям при-
выкли относить только составы на основе полимерных органи-
ческих связующих искусственного и естественного происхожде-
ния. В настоящее время разработано большое количество неор-
ганических клеев, которые широко применяются при получении
огнестойкого асбестового картона и бумаги, огнеупорных масс,
ячеистого теплоизоляционного материала, искусственного камня
и т.д. Неорганическими клеями склеивают кварц, стекло, сталь,
графит, фарфор, фаянс, асбест и др. Рабочие температуры при
эксплуатации изделий могут достигать 1923 К. Однако природа
связующего неорганических клеев и процессы, лежащие в осно-
ве их отверждения, настолько специфичны, что их следует рас-
сматривать отдельно. Здесь же будет рассмотрено склеивание
только с использованием клеев на основе полимерных органи-
ческих связующих, •
Склеивание следует рассматривать с различных позиций: фи-
зикохимии (процессы, протекающие на границе клей-деталь),
механики (обеспечение необходимых прочности и долговечно-
сти), технологии (техника получения соединения), химии поли-
меров (вопросы, связанные с отверждением клея), конструиро-
вания (метод формообразования и сборки).
Во многих случаях склеивание может быть единственно воз-
можным методом получения неразъемного соединения. В раз-
ных методах получения неразъемного соединения деталей ис-
пользуют различные термины для обозначения соединяемых де-
талей и соединяющих материалов. Сварщики говорят об
“основном” и “присадочном” материалах (первый - это изделие,
деталь, заготовка, второй - электрод, электродная проволока).
280
Паяльщики используют понятия '‘основа" и “припой". Специа-
листы по склеиванию употребляют термины “субстрат" или
“подложка" (склеиваемый материал) и “адгезив" (клей). По-
скольку в поведении этих соединений, в используемых техно-
логических приемах, в подходе к расчету швов и т.д. имеется
много общего, то понятно, что при рассмотрении склеивания
употребляют некоторые термины, характерные для сварки и
пайки |6, 16, 29-311.
В частности, наряду с терминами “субстрат" и “подложка"
представляется допустимым использовать словосочетания
“основной материал", “материал летали или заготовки". В каче-
стве синонимов термина “клей" используют термины “адгезив",
“клеевая композиция", “связка", хотя у каждого из них есть
свой смысловой оттенок (5, 7. 20. 29].
В течение очень длительного времени техника склеивания
основывалась на использовании только натуральных продуктов:
одни применялись в естественном виде и в силу присущей им
природной гибкости (клейкости) нс требовали специальной глу-
бокой переработки (битумные смолы, камедь, яичный белок,
крахмал и т.п.), другие получали из растительного и животного
сырья после специальной обработки (казеин - из молока, аль-
бумин - из крови, костный, мездровый и рыбий клей - вывар-
кой костей, шкур, чешуи животных и рыб). В 1791 г. в Англии
был выдан патент на использование натурального каучука в ка-
честве клея. В 1800 г. начат промышленный выпуск казеинового
клея. Несколько позже был предложен состав для склеивания
кожи. В 1925 г. для склеивания было предложено использовать
жидкое стекло (растворимые силикаты).
Качественным скачком в области склеивания послужило по-
явление искусственных полимерных связующих на основе кар-
бамидоформальдегидной смолы (1897 г.), фенолоформальдегид-
ных смол (1907 г.), нитрата целлюлозы (1910 г.).
Развитие химии и механики полимеров, а также области физи-
ческой химии, посвященной вопросам адгезии, обеспечило дос-
тижение такого уровня техники склеивания, при котором стало
возможным целенаправленное влияние на технологические и
эксплуатационные характеристики клеевых композиций [6, 8, II].
На 20-30-е годы приходится широкое производство в про-
мышленно развитых странах клеев на основе сложных эфиров
целлюлозы, продуктов конденсации глицерина с двухосновными
органическими кислотами, поливинилаиетата, фенолоформаль-
дегидных смол. Совершенствуются и композиции на природных
связующих. Одновременно развивается техника склеивания -
появляются пленочный клей, клеящие ленты. Благодаря разра-
ботке новых марок клеев стало возможным в эти годы изготов-
281
ление деревянных авиационных и судовых конструкции в клее-
вом исполнении. В 1939 г. была разработана технология изго-
товления древесно-стружечных плит на синтетических связую
щих. В первой половине 40-х годов в промышленных масштабах
начинают использоваться клеи на основе эпоксидных смол, по
лиизоцианатов, хлоропреновых каучуков, ненасыщенных поли
эфиров. Существенно расширяется номенклатура склеиваемых
материалов. Освоена технология изготовления слоистых пласти-
ков, соединения металлов, металлов с древесиной и т.д. 16, 42-44].
В последующие годы в связи с большими достижениями хи-
мии полимеров резко возросли разработка и использование в
промышленности полиимидных, полисульфоновых, полибенз-
имидазольных клеев. В 70-е годы появились клеевые составы со
специальными свойствами, например анаэробные клеи, отвер-
ждаюшиеся даже при отсутствии контакта с воздухом |45, 46].
Склеивание является сборочной операцией. Клееные конст-
рукции должны удовлетворять конкретным требованиям экс-
плуатации, т.е. должны обладать необходимым для данного из-
делия комплексом свойств - прочностью, коррозионной стойко-
стью, герметичностью, электроизоляционными характеристика-
ми, ремонтопригодностью и т.д.
На практике часто приходится решать вопрос о выборе метода
сборки: применять ли склеивание, пайку, сварку, механическое
крепление, методы, при которых используется пластическая де-
формация заготовок и крепежные элементы? Знание технологиче-
ских возможностей этих методов с учетом конкретных условий
производства, свойств материала, специфики конструкции позво-
ляет находить наиболее экономичный, рациональный вариант.
Поэтому, оценивая технологические возможности склеивания,
необходимо помнить, что склеивание является лишь одним из
возможных методов сборки. По характеру решаемых задач и орга-
низации процесса склеивание ближе всего к сварке, и особенно к
пайке. Так, при пайке на поверхность детали наносят тонкие ме-
таллические слои (лужение) с целью придания изделию специ-
альных свойств (коррозионной стойкости, способности смачи-
ваться металлическим расплавом, электропроводности) или для
устранения мелких дефектов на поверхности (например, при от-
делке кузовов автомобилей). Аналогично используются клеи для
создания на поверхности деталей из несвариваюшегося материала
полимерной пленки, к которой в дальнейшем привариваются
пластмассовые заготовки (например, при изготовлении боковин
дверей в автомобильной промышленности с использованием клея
и сварки ТВЧ) 16, 25, 26, 47]. I
Существует способ пайко-сварки, когда кромки соединяемых
элементов разделываются как для дуговой сварки плавящимся
282
электродом, и образующееся пространство заполняется припоем.
В ряде случаев резьбовые соединения дополнительно пропаива-
ются для герметичности. Аналогично этому в промышленности
находит широкое применение герметизация изделий с использо-
ванием полимерных композиций, обладающих клеящими свой-
ствами; создание клеесварных конструкций, в которых клей не
только обеспечивает герметичность, но и смягчает условия рабо-
ты сварных точек (например, в авиационной промышленности).
Существуют процессы, сочетающие в себе сварку и склеивание,
разделить которые сложно, например ультразвуковая сварка пла-
стмасс но растворителям, нанесенным на соединяемые поверх-
ности, или сварка реактопластов, которые содержат определен-
ный процент нсзаполимеризовавшейся смолы, играющей роль
связки (клея) [6, 48, 49|
Много общего также в технологии изготовления клееных и
паяных конструкций - в подготовке соединяемых поверхностей,
в способах нанесения припоя и клея. Аналогичны технологиче-
ские возможности этих методов, характер поведения самих со-
единений (распределение рабочих напряжений по сечению шва,
остаточные напряжения и деформации, особенности работы на
отрыв, срез и т.д.).
Таким образом, для достижения поставленной конструктором
цели - обеспечения прочности, коррозионной стойкости, герме-
тичности, электропроводности и т.д. - можно принимать различ-
ные технологические решения: соединять детали пайкой, сваркой,
склеиванием, запрессовкой или другими методами |49— 511.
Выбор метода определяется не только принципиальной воз-
можностью получения работоспособного соединения с заданны-
ми конструкционными характеристиками, но и экономическими
соображениями. Они определяются затратами на проведение
основных и подготовительно-заключительных операций, стои-
мостью вспомогательных материалов и оборудования, затратами
энергии, зарплатой персонала и т.д. На выбор метода соедине-
ния сильно влияют масштаб производства, стабильность но-
менклатуры изделий, наличие оборудования, уровень квалифи-
кации работающих, степень автоматизации всего производства,
природа технологических операций, осуществляемых наряду с
операциями соединения деталей, и другие факторы. Так, напри-
мер. при монтаже технологических трубопроводов малых диа-
метров из винипласта, когда объемы работ невелики, склеивание
раструбных (телескопических) соединений в монтажных услови-
ях может оказаться предпочтительнее, чем сварка горячим газом
или даже нагретым инструментом |6, 52, 531.
По номенклатуре соединяемых материалов (как однородных,
так и разнородных) принципиальных ограничений нет. Сущест-
283
вуют материалы, “инертные” к клеям. По аналогии с понятием
о плохой “свариваемости” в этом случае можно говорить о пло-
хой “склеиваемости”. Но специальная предварительная обработ-
ка поверхности, вызывающая изменения структуры, физиче-
ского состояния материала в тонком поверхностном слое, по-
зволяет решать проблему склеивания и таких материалов. Воз-
можно склеивание не только разных марок конструкционных
материалов одного класса (металла с металлом, пластмассы с
пластмассой, керамики с керамикой и т.д.), но и материалов,
принадлежащих к разным классам (металла с пластмассой, ме-
талла с керамикой, металла со стеклом и т.д.) [6, 50|.
При склеивании разнородных полимерных материалов часто
бывает достаточно введения в рецептуру клея двух связующих,
каждое из которых проявляет хорошую адгезию к одному из
склеиваемых материалов: конечно, эти связующие должны легко
совмещаться друг с другом |54|.
Различие теплофизических свойств клея и материала соеди-
няемых заготовок может привести к появлению остаточных на-
пряжений и деформаций в результате усадки клеевой пленки
при отверждении. Но и этот отрицательный эффект может быть
в значительной мере снижен или даже практически устранен за
счет конструкторских решений собираемого узла (в частности,
уменьшения жесткости соединяемых элементов), подбора ком-
позиции клея, применения термической обработки, промежу-
точных проставок и другими приемами, используемыми при
пайке и сварке, когда приходится соединять резко различные по
своим физическим и механическим свойствам материалы [55]. 1
Нет принципиальных ограничений и по виду полуфабрика-
тов, идущих для изготовления клееных конструкций. Кроме
склеивания листов, труб и различных профилей возможно также
склеивание тканей, нетканых плоских и рулонных материалов
органического и неорганического происхождения с сохранением
в месте шва эластичности.
При склеивании практически не существует ограничений на
разнотолщинность соединяемых заготовок. Исключение состав-
ляют только тс случаи, когда наблюдается интенсивное раство-
рение основного материала клеем. Это характерно для склеива-
ния пластмассовых деталей. В таких случаях минимальная тол-
щина составляет около 0,15 мм, что соизмеримо с толщиной
клеевой пленки в шве |6, 55].
В большинстве случаев растворение основного материала
(подложки) незначительно или не наблюдается вовсе, термоме-
ханическое воздействие на заготовки минимально, что позволяет
получать достаточно высокую размерную точность изделий; по-
этому склеивание можно отнести к прецизионным методам
сборки.
284
В тех случаях, когда компоненты клея способны мигрировать
в основной материал, может наблюдаться изменение свойств
поверхностных слоев заготовок, контактирующих с клеем, и как
результат - образование пограничного слоя с пониженными ме-
ханическими свойствами в уже готовом изделии.
В подавляющем большинстве случаев склеиванием выполня-
ют нахлесточные соединения, так как клеевой шов подобно
паяному хорошо работает на срез и плохо - на отрыв. Но прак-
тически возможно получение любого типа клеевого соединения
по*’плоским и фасонным поверхностям.
Пространственное положение деталей при склеивании может
быть любым. В отдельных случаях приходится учитывать повы-
шенную жидкотекучесть клеев определенных марок. Склеивание
применяется не только в цеховых, но и в монтажных условиях.
Существуют специальные приемы для получения клеевых со-
единений в труднодоступных местах.
Прочность соединений может достигать уровня когезионной
прочности клеевой пленки или быть даже несколько выше бла-
годаря возникновению в ней сложного напряженного состояния
(эффект контактного упрочнения). На пластмассах, тканях и
других материалах органического происхождения возможно по-
лучение равнопрочного соединения (разрушение идет по основ-
ному материалу). Галтели, образующиеся в месте перехода от
детали к детали в клеевом шве, способствуют снижению кон-
центрации напряжений, и, как следствие, соединение хорошо
работает на усталостную нагрузку. Изменение рецептуры клея,
введение в него разного рода добавок позволяет в широком диа-
пазоне регулировать механические свойства клеевой пленки и
соединения в целом, а в ряде случаев получать композиции со
специальными свойствами - электропроводностью, стойкостью к
нефтепродуктам, атмосферной и биологической стойкостью и т.д.
Практически все клеи, кроме специальных токопроводящих, в
отвержденном состоянии обладают высокими диэлектрическими
показателями. Полученные соединения герметичны. При изготов-
лении оптических систем можно получать прозрачные швы.
Благодаря специфике самого процесса склеивания можно
производить соединения большого числа элементов одновре-
менно (групповая обработка); при этом практически не ограни-
чивается площадь склеиваемой поверхности, за исключением
тех случаев, когда отверждение производится в специальных
термошкафах, сушилках, с использованием сборочных приспо-
соблений (тогда размеры изделий определяются возможностями
этого оборудования).
Метод склеивания позволяет создавать конструкции из об-
легченных элементов, что приводит к общему снижению массы
285
изделий. Этому способствует и малая плотность самой связки.
Наиболее ярким примером могут служить сотовые клеевые кон-
струкции, широко используемые в авиационной промышленности
и других областях. Сочетание клеевого соединения с контактной
точечной сваркой не только обеспечивает герметичность, но и
дает существенный выигрыш в ресурсе работы изделия. I
В то же время следует иметь в виду, что существующие клеи
не могут обеспечить одинаковую удельную прочность с метал-
лическими, керамическими, армированными пластмассами и
многими другими конструкционными материалами, используе-
мыми для силовых конструкций- Со временем в процессе экс-
плуатации изделия может наблюдаться снижение прочности в
результате диффузии агрессивных веществ из среды в клеевую
пленку, может происходить гидролиз или выщелачивание ком-
понентов клеевого состава, а также коррозия основного мате-
риала под воздействием не прореагировав! них остатков отверди-
теля. Миграция некоторых составляющих клеевой композиции к
поверхности детали или мш рация пластификатора из субстрата
в отвержденный клеевой слой в случае соединения пластмасс
может приводить к ослаблению уже готового соединения. Веро-
ятность таких процессов в каждом конкретном случае будет оп-
ределяться составом клея, природой материала деталей, режи-
мом склеивания, условиями эксплуатации. I
Механические свойства материала полимерной клеевой плен-
ки могут ухудшаться в результате гсрмо- и фото деструкции, что
вообще характерно для полимерных маге риалов. I
Существенное различие коэффициентов термического ли-
нейного расширения клея и детали, усадка клея при отвержде-
нии становятся причиной появления значительных остаточных
напряжений и деформаций. Из-за этого при термоциклировании
часто наблюдается усталостное разрушение. |
Большинство клеев обладает низкой теплостойкостью (до
473-523 К). Разработанные на основе органических соединений
составы, хотя и способны выдерживать кратковременно высокие
температуры (до 1273 К), обладают малой пластичностью. Ин-
тервал рабочих температур для клеевых соединений составляет
от -213 до 3-473 К (для отдельных марок клеев - от 77 до 523 К).
Нахлесточное соединение (основной тип соединения при
склеивании) уже само по себе является источником концентрации
напряжений из-за искажения силового поля при передаче усилия.
В результате этого возникают дополнительные осложнения при
работе швов, особенно при переменных нагрузках |6, 29, 32|. 1
Технологический зазор между деталями составляет 0,05-
0,15 мм, поэтому требуются достаточно точные обработка и
сборка сопрягаемых поверхностей. Технологический процесс
286
склеивания отличается длительностью, трудоемкостью подгото-
вительных операций, повышенными требованиями к качеству
обезжиривания склеиваемых поверхностей, ограниченной жиз-
неспособностью приготовленного клеевого состава, повышен-
ными требованиями к технике безопасности при проведении
работ, трудоемкостью ремонта клеевых соединений. При необ-
ходимости применения специальной сборочной оснастки доста-
точно большая продолжительность процесса обусловливает по-
требность в дополнительных площадях и затратах на тиражиро-
вание приспособлений. Определенные трудности вызывает ав-
томатизация процесса склеивания.
Факторов, влияющих на качество, и в частности на проч-
ность соединения, много. Они связаны с составом клеевой ком-
позиции, с подготовкой поверхности под склеивание, с техни-
кой и технологией нанесения клея и сборкой, с условиями от-
верждения |6, 20, 29, 30].
Не говоря о возможных ошибках в выборе клея и нарушени-
ях технологического режима, следует отметить, что многие из
этих факторов трудно поддаются контролю, нестабильны во
времени, в сильной степени могут зависеть от различных об-
стоятельств. Так, например, свойства приготовленного клея мо-
гут изменяться в результате испарения его компонентов или
протекания в нем химических реакций. Техника нанесения клея
не всегда обеспечивает получение постоянной по толщине клее-
вой пленки. В шве могут образовываться пустоты в виде пор из-
за некачественной подготовки поверхности и наличия в клее
газообразных продуктов. Качество очистки и микрогсомстрия
поверхности даже в пределах одного изделия могут существенно
различаться, и практически это трудно контролировать. Случай-
ные загрязнения из-за неосторожного обращения с подготов-
ленными заготовками могут привести к браку, который выявля-
ется только при испытании или в процессе эксплуатации. Одно-
родность клеевой композиции зависит от качества перемешива-
ния; со временем может наблюдаться сепарация наполнителя.
На стадии отверждения клеевой пленки соблюдение режима
не представляет трудностей, так как он поддается объективному
контролю. Параметрами режима отверждения являются темпера-
тура, продолжительность процесса и сжимающее усилие, пере-
даваемое на склеиваемые детали.
10.2. ПРОЦЕСС ФОРМИРОВАНИЯ КЛЕЕВОГО
СОЕДИНЕНИЯ
Формирование клеевого соединения в каждой точке склеи-
ваемой поверхности складывается из следующих элементарных
актов: установление физического контакта адгезива с субстратом;
287
возникновение межмолекулярных сил взаимодействия между ма-
териалом подложки и связующим; повышение когезионной проч-
ности адгезива. Технология и техника процесса склеивания долж-
ны обеспечить условия для полного осуществления этих актов.
в <90°
О >90°
а б
Рис. 10.2. Капля жидкости (/) на поверхности твердого тела (2) в случае смачи!
ваюшей (а) и несмачиваюшей (о) жидкостей:
О - краевой угол смачивания, л - поверхностное натяжение на 1 ранние раздела фаз, Г ~ газ,
Ж - жидкость T - твердое тело
Под установлением физического контакта следует понимать
сближение атомов и молекул взаимодействующих тел на такие
расстояния, когда возможно возникновение межмолекулярных
сил или химических связей. Эти расстояния соизмеримы с меж-
молекулярными и межатомными расстояниями в основном ма-
териале и в отвержденной клеевой композиции и составляю!
порядка 10“8 см. Образование физического контакта при склеи-
вании, как и при пайке, обусловлено явлением смачивания
жидкостью твердой поверхности (рис. 10.2). Смачивание связано
с энергетическими изменениями в системе жидкость-тверлое
тело. Известно, что атомы и молекулы, находящиеся на границе
раздела фаз, обладают избытком потенциальной энергии по
сравнению с теми, которые находятся внутри гела и имеют в
отличие от поверхностных уравновешенное силовое поле. По-
верхностные атомы (молекулы) под влиянием равнодействую-
щих сил уходят внутрь тела, а их место занимают те. которые в
данный момент обладают большим запасом энергии. В каждый
момент времени в тонком поверхностном слое находятся атомы
и молекулы, обладающие избытком энергии. Этот избыток
энергии, отнесенный к единице поверхности, представляет со-
бой поверхностное натяжение. Поверхностное натяжение суще-
ствует всегда - и у твердых, и у жидких тел, когда имеется меж-
фазная граница. В рассматриваемой системе до момента контак-
тирования поверхностное натяжение существовало на границах
жидкость-газ и твердое тело-газ. После контактирования исче-
зают прежние границы и появляется новая: жидкость-твердое
тело. Если поверхностное натяжение на этой новой границе
оказывается ниже, то процесс контактирования (смачивания)
идет самопроизвольно, так как запас свободной энергии в сис-
теме уменьшается. Возможность смачивания определяется при-
родой контактирующих материалов.
288
При существовании принципиальной возможности смачива-
ния адгезивом подложки положение может осложняться из-за
наличия на поверхности твердого тела каких-либо инородных
веществ - загрязнений (масел, жиров и т.д.), сильно снижающих
поверхностное натяжение. Чем выше поверхностная энергия
склеиваемого материала, тем легче идет смачивание. Поэтому
хорошая смачиваемость наблюдается у металлов, керамики,
стекла. Смачиваемость можно улучшить при помощи специаль-
ной обработки поверхности и путем ее активирования физиче-
скими и химическими способами.
Отсутствие смачивания делает невозможным процесс склеи-
вания, а наличие несмоченных участков приводит к дефектам.
Поэтому одна из главных задач склеивания - предварительное
удаление загрязнений, препятствующих процессу смачивания и
возникновению межмолекулярных сил взаимодействия субстрата
и адгезива. При этом необходимо иметь в виду, что нс полно-
стью удаленные остатки составов, используемых в процессе уда-
ления загрязнений (при обезжиривании, травлении), Moiyr в
свою очередь стать причиной нарушения необходимого контакта
адгезива с подложкой (вторичное загрязнение) [6, 43, 47|.
Если клей имеет малую вязкость и скорость растекания его
достаточно велика, равномерное распределение клея но всей
соединяемой поверхности обусловливается процессом самопро-
извольного растекания. В других случаях приходится прибегать
к механическому воздействию на клей, заставляя его течь в за-
зоре под действием сжимающего усилия, оказываемого на со-
единяемые заготовки, или используя специальную технику на-
несения клея на поверхность и тем самым изначально обеспечи-
вая получение достаточно равномерного по толщине слоя.
Смачивание и растекание осложняются наличием на реаль-
ных (технических) поверхностях макро- и микронеровностей,
высота которых может составлять от десятых долей миллиметра
до сотых долей микрометра. Этот рельеф увеличивает фактиче-
скую площадь контакта клея со склеиваемой заготовкой, что
способствует повышению прочности соединения. Но при этом
необходимо обеспечить максимальное заполнение рельефа кле-
ем для создания физического контакта по всей фактической
площади. Для этого клеящее вещество должно иметь высокую
подвижность, жидкотекучесть, малую вязкость, что достигается
применением адгезивов в виде растворов, эмульсий, расплавов.
Повышение температуры и давления способствует заполне-
нию микрорельефа. Нанесение клеевого слоя отдельно на каж-
дую склеиваемую поверхность упрощает задачу, так как при
сборке заготовок объединение клеевых слоев не представляет
трудности. Полное заполнение микрорельефа, особенно при
289
принудительном течении клея, вряд ли возможно. Вследствие
этого в месте соединения могут образовываться микропустоты
(микродефекты), которые являются источниками концентраций
напряжений, нарушают герметичность и могут приводить к по-
явлению очагов коррозии [6, 42, 441. I
Попытки объяснить возникшую после смачивания и после-
дующего отверждения связь клеевой пленки с поверхностью за-
готовки привели к появлению нескольких теорий адгезии. В на-
стоящее время существует механическая, молекулярная, химиче-
ская, диффузионная и электрическая теории адгезии. Каждая из
них не противоречит остальным, но и не может в полной мере
объяснить всего многообразия фактов, наблюдаемых в процессе
склеивания различных материалов. |
Механическая теория представляет образование сцеп-
ления как результат заклинивания отвержденного кчея в порах
материала (рис. 10.3) и внедрения в клеевую пленку при смачи-
вании ворсинок, находящихся на склеиваемой поверхности. Для
пористых материалов (тканей, бумаги, картона, кожи, пенопла-
ста и т.п.) такое объяснение можег быть использовано, хотя да-
леко нс является исчерпывающим |6, 45, 46).
Y7/A - Субстрат №7А~НлееВая плениа
ЕО4 - Воздух
Рис. 10.3. Возможные варианты заполнения клеем микрорельефа поверхно-
сти склеиваемой детали
Молекулярная теория объясняет возникающую связь
взаимодействием молекулярных электрических диполей (рис. 10.4).
В случае симметричного построения молекулы дипольный мо-
мент равен нулю, как, например, у полиэтилена, полипропиле-
на, фторопласта. В этом случае мы имеем дело с неполярными
полимерами. В молекулах полярных полимеров (эпоксидные,
фенолоформальдегидные, полиэфирные смолы, полиамиды, по-
лиуретаны и т.д.) положительные и отрицательные заряды сме-
щены относительно друг друга. При взаимодействии двух по-
лярных веществ (рис. 10.4, я) их молекулы ведут себя как дипо-
ли, взаимно ориентируясь в пространстве так, чтобы их энергия
взаимодействия была минимальной (ориентационные силы свя-
зи). При контакте полярных материалов с веществами, состоя-
щими из неполярных молекул, последние под воздействием по-
лярных молекул поляризуются, возникают так называемые ин-
дуцированные диполи, при этом происходит их деформирование
290
(рис. 10.4, б). При взаимодействии неполярных молекул появ-
ляются дисперсионные силы межмолекулярного взаимодействия
(рис. 10.4, в).
1
Рис. Ю.4. Схемы возможного взаимодействия .молекул адгезива с молекулами
субстрата в случае двух полярных (я). полярной и неполярной (о) и двух непо-
лярных («) молекул
Химическая теория адгезии как главную причину воз-
никновения связи выдвигает химическое взаимодействие между
адгезивом и склеиваемой поверхностью.
Прочные клеевые соединения могут быть получены, если меж-
ду адгезивом и склеиваемой поверхностью образуются химические
связи - ионные или ковалентные (табл. 10.1). Их прочность в
10 раз выше, чем прочность водородных связей, и в 25 раз боль-
ше, чем в случае удерживания молекул клея на поверхности
склеиваемого тела за счет адсорбционных сил |6|. Межмолеку-
лярные взаимодействия с низкими значениями энергии связи не
могут обеспечить достаточно высоких показателей прочности со-
единения. Такие связи легко разрушаются под воздействием
внешних факторов (влажность, нагрев, действие поверхностно-
активных веществ и т.д.). Химические связи способны обеспечить
высокую прочность и долговечность клеевых соединений.
Диффузионная теория адгезии основана на том, что
адгезионные связи обусловлены диффузией макромолекул или
их отдельных сегментов. Адгезия происходит за счет диффузии
частей макромолекул полимера (благодаря их гибкости) через
границу первоначального контакта. Поскольку клей обычно со-
держит растворитель, то его макромолекулы более подвижны,
чем макромолекулы склеиваемого материала, и адгезия обеспе-
чивается за счет диффузии молекул клея в склеиваемый матери-
ал. Если последний может набухать в растворителе клея, то про-
исходит также диффузия макромолекул склеиваемого полимера
в клей. Эти процессы происходят не на границе раздела, а в
объеме, и рассматриваются как явление взаиморастворимости
полимеров, связанное с исчезновением границы между склеи-
ваемыми телами. Прочность такого клеевого соединения обу-
словлена силами, которые действуют между переплетенными
макромолекулами |6, 501.
291
Электрическая теория адгезии, применяемая при
изучении клеевых соединений полимеров с методами, основана
на рассмотрении процессов, сопровождающих отрыв полимерной
пленки от твердой подложки. Эти процессы заключаются в воз-
никновении на поверхности раздела двойного электрического слоя.
Таблица 10.1. Значения энергии связи
Тип связи Среднее значс- ние энергии связи, кДж/мсыь Контактирующие материалы
адгезив субстрат
Мс ж.моле куля рн ые связи.
дисперсионные 4-8 Неполярный поли- мер Неполярный поли- мер
деформацион- ные 8-13 То же Полярный полимер, полярные природные матери ал ы (дерево, кожа и т.д.). метал- лы, стекло, керамика
ориентацией- 13-25 Полярный полимер То же
ныс
водородные 42-50 Полярный полимер, содержащий функ- циональные группы, в которых атом Н связан с электроот- рицательной атом- ной группой (карбоксильной, гидроксильной, амидной и др.)
Химические связи:
ионные 419-1047 Полимеры, содер- жащие карбоксиль- ные группы Металлы
ковалентные 251-503 Полярный полимер, содержащий реакци- ей неспособную группу Полимеры с реакци- ей носпособн ы м и труппами, металлы, стекло
Знание состава адгезива и субстрата позволяет прогнозиро-
вать возможность применения тех или иных клеев для конкрет-
ного материала (табл. 10.2).
Завершающий этап формирования соединения - отверждение
клеевой пленки. Протекание этого процесса зависит от природы
клеевой композиции. Если основу клея составляет полимер, отно-
сящийся к термопластам, то отверждение может идти главным об-
разом в результате охлаждения клея-расплава или испарения рас-
творителя. Материал шва сохраняет присущую всем термопластам
292
Таблица 10.2. Оценка адгезионной способности полимерных связующих к различным материалам
Адгезив
*0 - отсутствие алечии, н - низкая адгезия. v - удовлетворительная, ч - хорошая, от - отличная ашезия
способность к размягчению при нагреве и набуханию под дейст-
вием растворителя; материал шва имеет линейную или разветв-
ленную структуру, поэтому теплостойкость таких соединений
низкая. Для необратимо отверждающихся клеевых композиций
характерно образование сетчатой структуры клеевой пленки. От-
верждение может происходить при нормальной температуре и
при нагревании. ]
Процессы отверждения сопровождаются усадкой клеевой
прослойки и, как следствие, появлением остаточных напряже-
ний и деформаций. Этому способствует также разница в коэф-
фициентах термического расширения материалов, участвующих
в образовании соединения, и в определенных случаях - выделе-
ние из клеевой композиции низкомолекулярных продуктов.
Уменьшение модуля упругости клеевой пленки введением в ее
состав пластификаторов можег способствовать снижению оста-
точных напряжений.
В клеевом соединении принято рассматривать шов как одно-
родную по составу прослойку (клеевая пленка). В действитель-
ности же на границе клей - основной материал (адгезив - суб-
страт) могут протекать сложные физические и химические про-
цессы. Поэтому можно говорить о существовании в общем слу-
чае на межфазной границе промежуточной зоны, состав которой
не идентичен материалу в центре клеевой пленки. В этом смыс-
ле правомерно будет различать не только макронеоднородность,
связанную с различием природы соединяемого материала и
клея, но и микронсоднородность в пределах клеевой пленки,
являющуюся следствием диффузионных процессов, растворения,
образования химических соединений на границе раздела фаз.
Известно, что химическая неоднородность является причиной
механической неоднородности, которая определяющим образом
сказывается на служебных характеристиках соединения. 4
Таким образом, нужно говорить не только о границе адгезив-
субстрат, но и о промежуточной зоне определенной протяжен-
ности, нестабильной во времени. Механические характеристики
материала этой переходной зоны, прочность ее связи с основ-
ным материалом и клеевой пленкой обусловливают долговеч-
ность соединения.
Физико-химические процессы, происходящие на границе,
протекают быстрее, чем в металлических швах при сварке и
пайке. Поэтому стабильность во времени свойств клеевого со-
единения меньше, чем сварного и паяного. Эти процессы могут
идти как непосредственно во время склеивания, так и при экс-
плуатации изделия. Иногда наблюдаются случаи самопроизволь-
ного разрушения первоначально доброкачественного клеевого
шва. Все это еще усугубляется склонностью полимерных мате-
294
риалов к старению - необратимым процессам, связанным с из-
менением во времени их структуры, свойств, резко усиливаю-
щимся под действием тепла, света, радиации.
Макронеоднородность может быть учтена при расчете соеди-
нения. Влияние микронеоднородности труднее прогнозировать,
гак как она зависит не только от основного материала и вы-
бранной композиции клея, но и от техники склеивания. Так,
недостаточная просушка нанесенного клеевого слоя приводит к
недопустимо высокому содержанию растворителя в клеевой
пленке и, как следствие, к низкому качеству шва. Избыток от-
вердителя может привести к коррозии основного материала и
т.д. Таким образом, появляется много дополнительных, трудно
учитываемых факторов.
Прочность соединения может быть снижена из-за отсутствия
сплошной клеевой пленки и наличия участка, где при сплошно-
сти пленки все-таки не обеспечен физический контакт по всему
микрорельефу.
При склеивании материалов, несовместимых с клеем, проводят
специальную обработку поверхности субстрата с целью создания
на ней прочно удерживающейся пленки иного, чем у основного
материала, состава, с которой клей будет образовывать прочную
адгезионную связь. При этом проблему склеивания сводят по су-
ществу к соединению других материалов |6, 29, 42, 52|.
10.3. КЛАССИФИКАЦИЯ, СОСТАВ, ТИПЫ
И НАЗНАЧЕНИЕ КЛЕЕВ
В настоящее время в мире выпускается около 1200 марок
клеев. В большинстве своем они имеют сложную рецептуру, по-
этому правильно было бы говорить о клеевой композиции. В
общем случае ее функциональными составляющими являются:
основа клея (связующее); растворитель; компоненты, обеспечи-
вающие необходимые технологические свойства (смачиваемость,
вязкость, растекаемость, адгезионную способность), - активато-
ры; компоненты, обеспечивающие протекание процесса отвер-
ждения, - отвердители, катализаторы, замедлители, ускорители,
ингибиторы; компоненты, влияющие на физико-механические
свойства и другие эксплуатационные характеристики самого
клея и клеевой пленки в составе соединения (наполнители, мо-
дифицирующие добавки, пластификаторы, стабилизаторы и др.).
Не обязательно присутствие в рецептуре каждого клея всех
этих составляющих. Нередко оказывается, что те или иные ин-
гредиенты выполняют одновременно несколько функций. Быва-
ет, что для отверждения необходимо только изменение внешних
условий (снижение температуры, изоляция от контакта с возду-
295
хом, механическое воздействие, приводящее к механодеструкции
и последующему поперечному сшиванию макромолекул и т.д.)
[6,7, Н,44Ь I
Для склеивания некоторых пластмасс используют растворите-
ли, которые сами по себе не обладают склеивающими свойства-
ми, но способны растворять тонкий слой основного материала
на соединяемых поверхностях и обеспечивать тем самым после
приложения сжимающего усилия в течение определенного вре-
мени получение соединения с необходимым уровнем технологи-
ческой прочности. Клей в этом случае образуется в месте соеди-
нения. Поскольку растворители, как правило, достаточно жид-
котекучи, то в них можно предварительно растворить гранулы
или стружку соединяемого или другого материала, способного к
адгезии с подложкой. При этом получается двухкомпонентный
клей, который имеет большую, чем у чистого растворителя, вяз-
кость и допускает меньшую точность совмещения склеиваемых
поверхностей .
Основой клея является связующее - вещество или смесь
веществ, характеризующихся высокой адгезией к склеиваемому
материалу. Свойства связующего оказывают определяющее
влияние на основные эксплуатационные характеристики соеди-
нения. Основа клея может быть твердой и жидкой. Если основа
- твердое вещество, то для обеспечения возможности склеива-
ния требуется либо нагреть его до получения расплава, либо пе-
ревести в раствор, способный принять и другие компоненты.
Растворитель не только выполняет эту роль, но и обеспечивает
получение необходимой консистенции всей клеевой компози-
ции, что важно для выбора способа нанесения равномерного
слоя на склеиваемые поверхности и заполнения технологиче-
ского зазора без образования подтеков при различных простран-
ственных положениях изделия [43, 47, 50|. 1
В качестве растворителей используются органические жидко-
сти (толуол, ацетон, этанол, метанол, хлороформ, бензин и т.д.),
вода и др. - в зависимое™ от природы связующего. Раствор или
расплав должен обладать способностью к смачиванию подложки
и в определенных случаях - к растеканию и капиллярному тече-
нию. К моменту завершения формирования клеевого соедине-
ния и достижения эксплуатационной прочности растворитель из
клеевой пленки в основном удален, и его содержание в ней ми-
нимально. 1
Если полученный раствор или расплав связующего не прояв-
ляет достаточной адгезионной способности, то в рецептуру вво-
дят активаторы - вещества или смеси веществ с повышен-
ной адгезией к основному материалу и клею. Эти вещества
можно наносить и на поверхность заготовки. Иногда использу-
296
ются реакционноспособные растворители, участвующие в про-
цессе отверждения клеевой пленки.
Для перевода связующего в твердое состояние в состав добав-
ляют отвердители - вещества, способные к химическому
взаимодействию со связующим, в результате чего образуется
сетчатая структура (в процессе химического отверждения).
Для ускорения процесса отверждения вводят катализато-
ры, которые в ходе реакции не претерпевают каких-либо хими-
ческих превращений. Количественные соотношения отвердителя
и связующего определяются химизмом реакции отверждения.
Количество катализатора не должно быть ниже определенного
критического уровня. Отвердители и катализаторы вводят только
в те клеи, отверждение которых происходит в результате хими-
ческих реакций |6. 45, 48].
С момента введения отвердителя в клеевую композицию на-
чинается процесс отверждения клея. Чтобы успеть до заверше-
ния отверждения выполнить все технологические операции по
нанесению клея и сборке заготовок, необходимо контролировать
скорость этой реакции, сохранять жизнеспособность клея. Это
обеспечивается применением замедлителей. Если требуется,
наоборот, повысить скорость реакции отверждения, вводятся
ускорители.
Для подавления нежелательных химических реакций вводят
ингибиторы. В частности, такая задача может возникать при
склеивании металлов с использованием кислотных или других от-
вердителей, способных взаимодействовать с основным материалом.
Введение различных модифицирующих добавок существенно
меняет эксплуатационные и технологические свойства клеев и
клеевых соединений.
Наполнители позволяют изменять механические и теп-
лофизические характеристики клеевого шва, в частности повы-
шать модуль упругости, прочность, увеличивать теплопровод-
ность и т.д.; в некоторых случаях наполнитель сообщает клею
электропроводность.
Добавки пластификаторов снижают хрупкость клеевой
пленки.
Могут вводиться вещества, снижающие температуру реакции
отверждения.
Для предотвращения или замедления старения полимерного
связующего вводятся стабилизаторы, действие которых
аналогично действию стабилизаторов в пластмассах. Вводимые в
клеи пигменты влияют на товарный вид изделия. Для сниже-
ния стоимости клеев в них могут добавляться разбавители.
Главным признаком, используемым при классификации кле-
ев, является природа связующего. По этому признаку все
297
клеи можно разделить на два больших класса: органические и
неорганические. К последним относятся: растворимое стекло, це-
менты, полифосфаты, клеи-фритты (водные суспензии компо-
зиций, содержащих оксиды щелочных и щелочноземельных ме-
таллов) и др. Органические связующие делятся на естественные
(животного и растительного происхождения) и синтетические.
Среди синтетических связующих различают термопластичные и
термореактивные. Клеи на основе термопластичных полимеров
представляют собой растворы, суспензии и расплавы. К числу
таких связующих относятся: полиамиды, полиметилметакрилат,
полистирол, поливинилацетаг, полиэтилен, полиизобутилен,
производные акриловых и метакриловых кислот и др. Эти по-
лимерные вещества имеют большую молекулярную массу
(свыше 10000). Термореактивные связующие - фенолоформаль-
дегидные, карбамидоформальдегидные, эпоксидные, полиурета-
новые, полиэфирные смолы, элементоорганические полимеры
(кремнийорганические, борорганические, металлоорганические
и др.). Молекулярная масса их значительно меньше, чем термо-
пластичных полимеров (200-6000). Термореактивные клеи бы-
вают одно-, двух- и многокомпонентные [5, 6, 16, 19|.
Независимо от принадлежности к термопластичным или тер-
мореактивным клеи по температуре отверждения раз-
личаются на клеи холодного (до 298 К), умеренного (298-373 К) и
горячего (373-523 К) отверждения. По физическому со-
стоянию это могут быть жидкие мономеры, растворы, суспен-
зии, эмульсии, пленки или прутки, порошки. По функцио-
нальному назначению - конструкционные, неконсгрук-
ционные и специальные. Конструкционные клеи обеспечивают
прочность соединения, равную или соизмеримую с прочностью
основного материала, и используются для создания силовых кон-
струкций. Неконструкционные клеи предназначены для получения
ненагруженных швов. Термином “специальные клеи обозначают
композиции, которые обладают ярко выраженными особыми
свойствами, например высокой термостойкостью, электропровод-
ностью, оптической прозрачностью, биологической инертностью
(медицинские клеи). Эти клеи также должны обеспечивать опре-
деленный уровень механических свойств изделия.
10.3.1, Клеи на основе термореактивных смол
Клеи на основе фенолоформальдегидных смол (ФФС) ~ олиго-
меров с молекулярной массой 400-2000. ФФС являются основой
целого ряда клеевых композиций, которые в отвержденном со-
стоянии обладают высокой прочностью, грибо-, влаго- и тепло-
стойкостью. К недостаткам этих клеев надо отнести неустойчи-
вость к разрушающему воздействию напряжений, возникающих
при тепловом расширении материалов [6, 42, 43, 451.
298
Фенолоформальдегидныс клеи предназначены для склеивания
в основном неметаллических материалов: древесины, фанеры,
слоистых пластиков, пенопластов и других пористых материалов.
Модификация ФФС синтетическими каучуками, поливинил-
ацеталями, полиамидами позволила создать высокопрочные
конструкционные клеи; некоторые из них представлены ниже.
Клей ВИАМ-Ф9 (ТУ 6-05-1384-70) представляет собой спиртовой
раствор фенолоформальдсгидного олигомера, резорцина и контакта
Петрова марки КПК-1 в качестве отвердителя. Клей предназначен
для склеивания древесины и стеклотекстолита, а также в качестве
основного компонента клея для склеивания органического стекла с
органическим стеклом и с капроновой лентой.
Клей готовят путем смешения компонентов при комнатной тем-
пературе; контакт Петрова вводится при тщательном перемешива-
нии и охлаждении смеси. Разрушающее напряжение при сдвиге
клеевого соединения древесины на этом клее составляет 14 МПа.
Клей типа БФ - это спиртовой раствор ФФС, модифициро-
ванной поливинилбутиралем или поливинилбутиральфурфура-
лем. Клеи БФ предназначены для склеивания металлов, пласт-
масс, керамики, для изготовления фольгированных материалов и
печатных плат. Они пригодны также для соединения органиче-
ского стекла, дерева, фанеры, кожи, бумаги и др. Разрушающее
напряжение при сдвиге клеевого соединения образцов из алю-
миниевого сплава при комнатной температуре составляет не ме-
нее 10-15 МПа, а при 200 °C - 2 МПа.
Фенолокаучуковые клеи (ВК-32-20, ВК-3, ВК-4, ВК-13) - это
растворы ФФС и каучука в органических растворителях. Нит-
рильные каучуки придают жестким ФФС эластичность, что
обеспечивает высокую прочность клеевого соединения при от-
дире и сдвиге. Клеи ВК предназначены для склеивания метал-
лов, стеклопластиков и ряда других материалов. Выпускаются в
виде растворов или пленки (с подложкой из стеклоткани или
полиамидного волокна, а также без подложки). Клеи ВК отвер-
ждают при температуре 165-200 °C в течение 1-2 ч под давлени-
ем 0,5-2 МПа. При использовании клея из раствора наносят два
слоя из расчета 150-200 г/м2, жизнеспособность клеевой компо-
зиции около суток. Разрушающее напряжение при сдвиге клеевых
соединений из алюминиевого сплава при комнатной температуре
составляет 17-22 МПа (170-220 кгс/см2), а при 200 °C - 4-7 МПа
Клеи на основе мочевино- и меламиноформальдегидных смол на-
шли применение для склеивания изделий из древесины и бумаги.
Они бесцветны и отличаются от ФФС меньшей токсичностью.
Под действием отвердителей или при нагревании мочевино-
формальдегидные смолы (МФС) образуют сшитые нераствори-
мые полимеры. Для отверждения на холоду используют кислоты
299
(соляную, щавелевую, контакт Петрова), а для отверждения при
нагреве - аммониевые соли, например хлорид аммония. По-
следние обеспечивают клеевым композициям более длительный
срок хранения. Отвердители, применяемые при горячем отвер-
ждении, добавляют в клеевую композицию незадолго до ее ис-
пользования. Отвердители, используемые для отверждения на
холоду, могут быть предварительно нанесены на одну из сторон
склеиваемого изделия, а затем, после соединения с другой сто-
роной, на которой находится смола, они вызывают отверждение
[6, 50, 52]. ~ I
Отверждение МФС сопровождается усадкой, приводящей к
возникновению внутренних напряжений. Для их снижения
МФС модифицируют латексами каучуков, поливинилацетатны-
ми дисперсиями, пластификаторами, наполнителями. Помимо
повышения прочности клеевых соединений на основе таких мо-
дифицированных смол увеличивается также их водостойкость. Клеи
на основе МФС могут применяться в виде водных или спиртовых
растворов; порошка, который активируется при растворении в воде;
бумажной ленты, пропитанной раствором смолы [6].
Клей столярный синтетический (ТУ 6-14-325-69) представляет
собой МФС со щавелевой кислотой в качестве отвердителя.
Клей предназначен для склеивания изделий, например, при из-
готовлении мебели, футляров телевизоров, музыкальных инст-
рументов, а также других видов продукции из древесины, шпо-
на, фанеры и декоративно-облицовочных пластиков. При склеи-
вании клей дает светлый прозрачный шов, более водостойкий
по сравнению с натуральным столярным клеем. Для приготов-
ления клеевой композиции щавелевую кислоту растворяют в
небольшом объеме горячей воды и перемешивают с жидкой
МФС [100 ч. (мае.) смолы : 2 ч. (мае.) щавелевой кислоты] до
получения однородной массы. Клей наносят на поверхность из-
делия, склеиваемые части которого зажимают в прессе с усили-
ем 0,3-0,8 МПа и выдерживают 7-8 ч при комнатной температу-
ре. Жизнеспособность клеевой композиции при 20-25 °C со-
ставляет 20-30 мин. Без отвердителя клей можно использовать
для склеивания бумаг.
Клеи на основе эпоксидных смол (олигомеров с молекулярной
массой 200-3500) по совокупности своих свойств отвечают почти
всем требованиям, предъявляемым к связующим для клеев. Они
нашли наиболее широкое применение в промышленности, так
как отличаются хорошей адгезией к металлам и неметалличе-
ским материалам; нейтральны по отношению к склеиваемым
материалам; не выделяют летучих продуктов и имеют малую
усадку в процессе отверждения; стойки к атмосферным воздей-
ствиям, химическим реагентам, действию влаги и др.; клеевой
300
шов обладает хорошими физико-механическими и диэлектриче-
скими характеристиками. Эпоксидные смолы могут быть ис-
пользованы в виде растворов, замазок, прутков, порошков и
пленок. Прочность таких клеевых соединений почти не зависит
от толщины клеевого слоя.
В отечественных эпоксидных смолах на основе дифенилол-
пропана примерное содержание (в процентах) эпоксидных групп
указывается в марке смолы. Оно обозначается числом, стоящим
после букв ЭД, например ЭД-20 или ЭД-8 (в первом случае со-
держание 19,9-22,0% эпоксидных групп, во втором — 8,0-10,0%
эпоксидных групп). Знание содержания эпоксидных групп необ-
ходимо для определения количества отвердителя, которое надо
ввести в эпоксидную смолу.
В качестве отвердителей широко применяют ангидриды ки-
слот (малеиновой, фталевой, тетрагидрофталевой, пиромеллито-
вой и др.) и амины. Промышленность выпускает большое число
азотсодержащих отвердителей, пригодных для отверждения
эпоксидных смол при комнатной температуре (полиэти-
ленполиамин, АФ-2, Л-20 и др.) и повышенных температурах -
от 60 до 160 °C (дициандиамид, триэтаноламин и др.). Азотсо-
держащие отвердители обычно вводят в клеевую композицию
незадолго до применения, так как при хранении может про-
изойти отверждение (сшивание) смолы.
Требуемое количество азотсодержащего отвердителя X (в %)
может быть рассчитано по формуле
Э(Л//л)
л — -------л,
43
где Э - содержание эпоксидных групп в смоле, %; Л/ - молекулярная масса
полиамина; п - число атомов водорода в первичных и вторичных аминных
группах; 43 - молекулярная масса эпоксидной группы; К = 1,2ч-1,4 - коэффи-
циент, определяемый экспериментально и зависящий от природы полиамина.
Например, для диэтилентриамина (ДЭТА) и смолы ЭД-16 со-
держание отвердителя составляет
16(103/5)
43
1,3
« 10%.
Обычно амины вводят в количестве 8-16 ч. (мае.) на 100 ч.
(мае.) смолы - в зависимости от типа взятого амина и молеку-
лярной массы эпоксидной смолы.
Расчет нужного количества ангидрида X (в %) для отвержде-
ния эпоксидных смол проводят по формуле
ЭМ
43
301
где М - молекулярная масса ангидрида; К = 0,8э^1,20 коэффициент, завися-
щий от типа взятого отвердителя.
Для фталевого ангидрида и смолы ЭД-20 содержание отвер-
дителя составляет
20 148 1 = 70%. I
43 I
Количество введенного отвердителя влияет на теплостойкость
клеев и уточняется опытным путем. Отверждение клея проводят
при температуре выше 100 °C. Для ускорения процесса отвер-
ждения вводят добавки аминного типа (например, диметилани-
лин) в количестве до 1% от содержания ангидрида. Для приго-
товления клеев с ангидридами эпоксидную смолу предваритель-
но нагревают до 80-100 °C и при этой температуре смешивают с
ангидридом. Такие клеевые композиции могут храниться при
комнатной температуре длительное время, при 130 °C их отвер-
ждение протекает за 3 ч, при 260 °C - за 20 мин.
В процессе отверждения клеевая композиция из вязкотеку-
чего состояния, в котором она хорошо смачивает склеиваемые
поверхности и клей проникает в поры, переходит в гелеобразное
и затвердевает [6, 29, 551. I
Клеевые соединения на эпоксидных клеях холодного отвер-
ждения менее прочны, чем соединения на клеях горячего от-
верждения. Для повышения эластичности клеевого шва в отвер-
жденном состоянии в клеевую композицию вводят: пластифика-
торы - дибутилфталат, трикрезилфосфат; модификаторы - жид-
кие каучуки СКН-26-1, СКН-18-1, тиоколы, олигоэфиракрила-
ты МГФ-9, ТГМ-3, низкомолекулярные полиамиды Л-20, ПО-
300, поливинилацетали - поливинилбутираль и целый ряд дру-
гих полимеров и олигомеров.
Помимо рассмотренных отвердителей эпоксидные олигомеры
могут также отверждаться изоцианатами, феноло- или амино-
формальдегидными смолами.
Клеевая паста Полиметалл (ТУ 1-103-68) является смссыс
эпоксидной диановой смолы ЭД-20 (или ЭД-16), отвердителя
ПЭПА, пластификатора - дибутилфталата и наполнителя. В ка-
честве наполнителя могут быть использованы: диоксид титана,
молотый тальк, оксид цинка, алюминиевая пудра, барит, белая
сажа, аэросил, молотая пемза и маршал ит. Паста предназначена
для склеивания различных металлов, керамики, стекла, дерева
Может быть использована для нанесения эмалевого покрытия
на металлы, для ремонта раковин в случае скола эмали и т.д
Пасту готовят из компонентов непосредственно перед употреб-
лением, так как жизнеспособность ее при комнатной температу-
ре около получаса. Отверждение может производиться при ком-
302
натной температуре в течение 24 ч или при повышенных темпе-
ратурах: при 60 °C - за 5 ч, при 120 °C - за 30 мин.
Нужно отметить, что при замене в этой пасте широко приме-
няемого отвердителя ПЭПА на отвердитель АФ-2 повышается
стойкость клеевого соединения в воде и во влажной атмосфере,
не наблюдается коррозии металлической поверхности под клее-
вым швом. Такой клеевой композицией можно склеивать также и
влажные металлические, железобетонные и другие поверхности.
Разрушающее напряжение при сдвиге для образцов из стали
и алюминиевых сплавов составляет 5-10 МПа, а при равномер-
ном отрыве - 10 25 МПа.
Клей ЭН - эпоксидно-новолачный блок-сополимер (ЭНБС)
(ТУ 6-05-231-163-77) - это клеевая композиция на основе эпок-
сидного олигомера ЭД-16. модифицированного фенолоформаль-
легидным олигомером новолачиого типа СФ-010. Процесс сопо-
лимеризации эпоксидной и новолачной смол при соотношении
60:40 |ч. (мас.)| проводят в течение 0,5-1 ч при 120 °C. В качест-
ве наполнителей, помимо указанных для клея Полимсталл, мо-
гут быть использованы порошки металлов, графит, нитрид бора,
антипирены, феррит, асбест и некоторые другие [6, 44, 45, 51|.
Клей предназначен для склеивания металлов и неметалличе-
ских материалов, работающих при температурах от -196 до
100 °C. Клей в виде твердого прутка или порошка имеет срок
хранения более 2 лет. Отверждение проводят при 180 °C в тече-
ние 4-6 ч. При введении в клей 0,1% триэтаноламина темпера-
тура и время отверждения соответственно снижаются до 120 °C
и 1-2 ч. Клей может применяться и в растворе большинства ор-
ганических расзворителей (диоксана, ацетона, метилэтилкстона,
бутилацетата, этилцеллозольва и др.). Разрушающее напряжение
при сдвиге соединений, склеенных клеем ЭН, составляет (в МПа):
Ст 3 28
Сгаль Х13Н10.
Алюминиевый сплав Д16.................21
Латунь..............................12,5
Медь ............................. 5,5
Клей БЭН-5011 (ТУ 6-05-041-625-80). Эластичная пленка из
ЭНБС (см. клей ЭН), модифицированная поливинилбутиралем
марки ПШ. В качестве пластификатора применяется олигоэфи-
ракрилат ТГМ-3 (или дибутилсебацинат), могут использоваться
перечисленные выше наполнители для придания специфических
свойств (теплопроводности, негорючести, магнито- или элек-
тропроводности и др.). Пленку получают на червячных экстру-
дерах, снабженных прямоточной плоскощелевой головкой, или
выдавливанием через кольцевую головку с последующим разду-
ванием трубы. Готовую клеевую пленку наматывают на бобины,
303
между ее слоями прокладывают полиэтиленовую пленку. Срок
хранения пленочного клея при комнатной температуре не менее
1,5 лет. При склеивании из пленки вырезают кусочек необходи-
мых размеров и формы, затем помешают его между холодными
или нагретыми соединяемыми поверхностями и под давлением
0,1-0,5 МПа проводят склеивание при 180 °C в течение 4-6 ч.
Клей предназначен для склеивания металлов и неметалличе-
ских материалов, работающих при температурах от -253 до
80 °C. Разрушающее напряжение при сдвиге клеевых соедине-
ний, выполненных пленочным клеем БЭН, для различных мате-
риалов составляет (в МПа):
Ст. 3............................. 38-40
Сталь ХИН 10........................ 31
Алюминиевый сплав Д16............... 35
Латунь................................ 17
Медь............................... — 16
Эта прочность практически не снижается после воздействия
повышенной влажности, термоударов (выдерживает 15 циклов
от -253 до +22 °C), морского тумана, плесневых грибов, солнеч-
ной радиации, теплового старения (1000 ч при 150 °C). При
криогенных температурах разрушающее напряжение при сдвиге
составляет: при -196 °C - 16 МПа, при -253 °C - 15 МПа. J
Применение пленочного клея увеличивает долговечность и
надежность изделий, повышает производительность и улучшает
условия труда, снижает взрыво- и пожароопасность производст-
ва за счет отсутствия растворителей [6, 42, 43]. 1
Полиуретановые (ПУ) клеи принадлежат к двухкомпонентным
клеевым композициям. Одним из компонентов является поли-
изоцианат, а другим - многоатомный спирт или гидроксилсо-
держащий полиэфир.
ПУ-клеи характеризуются высокой адгезией к большинству
материалов, что обусловлено высокой полярностью NCO-rpynn.
Кроме того, эта функциональная группа может вступать в хими-
ческие реакции с реакционноспособными группами на поверх-
ности склеиваемых тел, например гидроксильными. С этими
клеями следует работать без воды и кислот, так как изоцианаты,
вступая в реакцию с ними, образуют диоксид углерода. 1
Клеевую ПУ-композицию рекомендуется применять сразу
после смешения компонентов, поскольку прочностные свойства
клеев ухудшаются за счет повышения вязкости композиции по
мере хранения. Максимальная прочность до 20 МПа клеевых
соединений дуралюмина для ПУ-клеев получается при толщине
клеевого шва от 50 до 150 мкм.
ПУ-клеи устойчивы к действию воды и растворителей, имеют
хорошую эластичность и термостойкость. Однако из-за токсич-
304
пости изоцианатов и их способности взаимодействовать с влагой
воздуха требуются специальная технология и тщательный кон-
троль содержания исходных компонентов.
Клеи ПУ-2 представляет собой смесь раствора полиэфирного
олигомера - продукта 24К (ГОСТ 22234-76) и толуилендиизо-
цианата - продукта 102-Т (ТУ 6-03-331-72) в ацетоне и цемента
в качестве наполнителя. Жизнеспособность клея при 20 °C не
менее 2 ч. Клей ПУ-2 предназначен для склеивания различных
металлов и неметаллических материалов - пластмасс, тканей,
пленок, поролона и др. Разрушающее напряжение при сдвиге
клеевых соединений алюминиевых сплавов после отверждения
при комнатной температуре в течение 3 сут под давлением
0,3 МПа составляет 12 МПа. Продолжительность отверждения
клеевого шва при 100 °C - 4 ч под тем же давлением [6|.
Клеи Вилад являются клеевыми композициями на основе
сложного гидроксилсодержащего полиэфира и диизоцианата.
Клеи марки Вилад-1 к используют для приклеивания в электро-
статическом поле ворса к подложке при изготовлении ковровых
изделий, а также для склеивания древесины, гканей, кожи, ке-
рамики и др. Отверждение клея Вилад-1 к при 80-120 °C проте-
кает за 6-8 мин.
Клей марки Вилад-Зк предназначен для приклеивания поли-
эфирного ворса к резиновой подложке, а также для реставрации
резиновой обуви. Время отверждения при 160-250 °C составляет
3-5 мин.
Клей марки Вилад-бк применяется для приклеивания пла-
стифицированной поливинилхлоридной пленки к стальной по-
лосе (получение металлопласта) с целью придания металлу кор-
розионной стойкости и декоративной отделки.
Клей марки Вилад-7к предназначен для дублирования поли-
мерных пленочных материалов и бумаги с помощью лакиро-
вальных машин со скоростью склеивания до 100 м/мин.
Клей марки Вилад-11к используется для склеивания конст-
рукционных материалов. Отверждение клея проводят как при
нормальной, так и при повышенной температуре. Клеевой шов
обладает хорошей вибро-, водо-, масло- и бензостойкостью,
стойкостью к быстрому перепаду температур (от —190 до 150 °C).
Разрушающее напряжение при сдвиге склеенных образцов из
стали составляет 30 МПа при 20 °C и около 10 МПа при 80 °C.
Клей может наноситься на вертикальные поверхности |6. 45, 50|.
Клеи на основе полиэфиров, полиакрилатов и кремнийорганиче-
ских смол. Полиэфирные клеи готовят, в основном из ненасы-
щенных полиэфирных смол в сочетании с некоторыми мономе-
рами - стиролом, метилметакрилатом, винилацетатом, олиго-
эфиракрилатами и др. В качестве отвердителя обычно использу-
305
ют пероксид бензоила или 50%-ю пасту пероксида бензоила в
дибутил фталате в количестве от 1 до 5 ч. (мае.).
Отверждение полиэфирных клеев можно проводить как при
низких (от -10 °C), так и при умеренных (80 °C) температурах.
Время отверждения составляет от нескольких минут до суток.
Разрушающее напряжение при сдвиге для клея на основе поли-
эфирной смолы ПН-1 (МРТУ 6-05-1082-67) для стали составля-
ет 5,6 МПа, а при равномерном отрыве - 11,7 МПа. При отвер-
ждении этой смолы возникает большая усадка и, как следствие,
значительные внутренние напряжения, которые могут быть час-
тично уменьшены введением наполнителя. Так, при наполнении
композиции полуводным гипсом в количестве 100-150 ч. (мае.)
разрушающее напряжение возрастает до 27,6 МПа при сдвиге и
то 21 МПа при равномерном отрыве. 1
Полиэфирные клеи могут отверждаться не только на воздухе
и в присутствии влаги, но даже и под водой |6, 52, 531.
На основе полиэфиров и полиакрилатов с добавками полиуре-
тановых олигомеров разработаны клеи типа ВАК и Спрут, кото-
рые могут склеивать необезжиренные, покрытые нефтью и неф-
тепродуктами поверхности. Разрушающее напряжение при равно-
мерном отрыве при склеивании чистых сухих образков из стали
Ст.З клеем Спрут-9М составляет 31,2 МПа: тех же образцов в во-
де - 18 МПа и в нефти - 16 МПа. Конструкционный клей ВАК
отверждается на воздухе и под водой. Клей готовят путем смешения
раствора полибутилметакрилата (ТУ 6-01-252—68) в метилметакри-
лате (ТУ 8П-156-68) с продуктом АТЖ (ТУ 6-0404-73). Жизне-
способность клея регулируют путем введения необходимого ко-
личества пероксида бензоила и диметиланилина. Разрушающее
напряжение при сдвиге для стали при склеивании под водой и
контактном давлении до 0,5 МПа через 10 сут составляет
16 МПа. Разрушающее напряжение для металлических образцов
при равномерном отрыве после 5 сут отверждения в воде состав-
ляет 20 МПа. Эти клеевые композиции нашли применение для
ремонта судов, металлических контейнеров, баков с нефтепро-
дуктами, газопроводов и других конструкций в полевых услови-
ях, т е. когда нельзя создать необходимых условий для склеива-
ния другими клеями [6, 54, 55|.
Кремнийорганические клеи сохраняют прочностные свойства
при высоких температурах (от 300 до 1000 °C). Это возможно
потому, что кремнийорганические полимеры содержат в цепи
чередующиеся атомы кремния и кислорода, связи между кото-
рыми обладают высокой термостойкостью. Эти клеи предназна-
чены для склеивания различных сталей и сплавов титана, для
приклеивания к этим металлам неметаллических теплостойких
материалов, работающих в условиях длительного воздействия
306
высоких температур. Например, эпоксилно-кремнийорганический
клей Т-111 отличается хорошей адгезией к различным материа-
лам в интервале температур от -60 до 300 °C. Так, для образцов
из алюминиевого сплава, склеенного этим клеем, разрушающее
напряжение при сдвиге при 20 °C составляет 20 МПа, а при
200 сС - 6 МПа. Прочность соединения из нержавеющей стали
при помощи фенолокремнийорганического клея марки ВС-ЮТ
при 20 °C составляет 20 МПа и при 200 °C - 9 МПа.
103.2. Клеи на основе термопластичных полимеров
При склеивании термопластичными клеями, в отличие от
склеивания гермореактивными клеями, как правило, не проис-
ходит химического взаимодействия между компонентами клея.
Клеевой слой образуется при испарении органического раство-
рителя или воды, полимеризации мономеров или охлаждении
нагретой полимерной композиции. Эти клеи удобно применять
для автоматизированного или механизированного процессов
склеивания. Почти все термопластичные клеи имеют невысокие
прочностные показатели, отличаются малой теплостойкостью,
чю ограничивает область их применения. Среди более тепло-
стойких полимеров пало отмстить полибензимидазолы, поли-
имиды и некоторые ароматические гетероциклические полиме-
ры. Прочность при сдвиге клеевого соединения металлов клеями
на основе этих полимеров в интервале температур от 200 до
500 °C составляет от 3 до 8 МПа.
Термопластичные клеи-растворы. Среди термопластичных кле-
ев наиболее широкое распространение получили полимеры на
основе пол и винилацетата (ПВА).
ПВА хорошо растворяется в спиртах, ацетоне, этилацетате,
толуоле - эти растворы используются в виде клея. При полиме-
ризации винилацетата в эмульсии образуется поливинилацетат-
ная дисперсия, которую применяют для изготовления клеевых
композиций. Для этого в нес вводят от 5 до 35% пластификато-
ра, например дибутилфталата. Клеи на основе поливинилацетата
используют для склеивания кожи, бумаги, тканей, дерева и
стекла. При омылении пол и вин ил ацетата получают поливини-
ловый спирт, который растворяется в воде. Применение этого
клея взамен растворов крахмала и желатина высвобождает боль-
шое количество пищевого сырья. Его также применяют в пере-
плетном деле для склеивания бумаги и целлофана |6, 29, 52, 55|.
Среди производных акриловой кислоты широкое применение
в технике и медицине нашли цианакрилатные клеи, к ним отно-
си гея, например, клей Циакрин. Он представляет собой жид-
кость. отверждающуюся при комнатной температуре.
При нанесении клея на поверхность металлов, стекла, дерева,
пластмасс и других материалов склеивание протекает на воздухе
307
в течение 20-200 с без применения каких-либо катализаторов.
Клей Циакрин выпускается нескольких марок, различающихся
составом, свойствами и областями применения. Они могут ус-
пешно эксплуатироваться в интервале гемператур от -60 до
100 °C. После выдержки клеевых соединений в ряде сред (вода,
бензин, масло) они сохраняют первоначальную прочность
(разрушающее напряжение при сдвиге для дуралюмина, склеен-
ного Циакрином, составляет от 12,4 до 153 МПа. 1
Клеи-расплавы. В последние годы в различных отраслях на-
родного хозяйства широко применяются клеи-расплавы. Это
объясняется их преимуществам и перед клеями, содержащими
растворитель |6, 45, 48]. 1
Клейкость этих композиций проявляется только в расплав-
ленном состоянии. При охлаждении они образуют твердую мас-
су. Эту массу можно гидаергать многократному нагреванию до
температуры плавления.
Определяющими лля выбора термопластичного клея-расплава
являются температуры эксплуатации клеевого соединения, а
также размягчения и плавления клея. Температура плавления
определяет скорость схватывания клеевого слоя со склеиваемы-
ми поверхностями. |
Температура, при которой наносится клей, обычно несколько
выше температуры его плавления и зависит от требуемой вязко-
сти расплава. Для каждого клея имеется определенная темпера-
тура, выше которой вязкость не уменьшается. Если вязкость
клея велика, то из-за ухудшенного смачивания таким клеем
склеиваемых поверхностей снижаются его клеящие свойства
Повышение температуры выше допустимой вызывает деструк-
цию клея и, естественно, снижение прочности склеивания.
При длительном нагревании термопластичных клеев на воз-
духе также возможна их деструкция. Поэтому при склеивании
необходимо точно регулировать температуру нагревания, нагре-
вать клей небольшими порциями, а также вводить в клеевые
композиции добавки, препятствующие деструкции. На проч-
ность клеевого соединения, выполненного клеем-расплавом,
влияют создаваемое давление и продолжительность перехода
клея из жидкого состояния в твердое. Давление необходимо
поддерживать до тех пор, пока температура не будет ниже тем-
пературы размягчения полимера. Для каждой пары склеиваемых
материалов необходимо определить оптимальное время склеива-
ния. Оно зависит от количества наносимого клея, площади
клеевого шва, состояния и температуры поверхностей склеивае-
мых материалов, а также от температуры окружающей среды.
Обычно клеи-расплавы состоят из нескольких компонентов:
основного полимера; вещества, регулирующего вязкость распла-
308
ва; пластификатора и добавок, снижающих деструкцию полиме-
ра при длительном нагревании [6, 50, 51 j.
В качестве полимерной основы клея применяют термопла-
сты, устойчивые к длительному нагреванию и обладающие хо-
рошей адгезией к склеиваемым материалам. Это могут быть по-
лиамиды, сополимеры этилена с винилацетатом и другие,
имеющие относительно узкий интервал температур плавления. В
качестве веществ, регулирующих вязкость расплава, служат низ-
коплавкие смолы, которые должны хорошо совмещаться с ос-
новным полимером, увеличивать его текучесть и смачиваемость
склеиваемых поверхностей, а следовательно, повышать проч-
ность склеивания. Для этих целей широко используют канифоль
и ее производные, терпеновые и углеводородные смолы, воска и
парафины.
Введение наполнителей (гипса, каолина, кварцевой муки и
др.) позволяет регулировать вязкость клеевой композиции,
улучшать физико-механические свойства клеев и их водостой-
кость. При этом снижается стоимость клея.
В качестве пластификаторов применяют фталаты, касторовое
масло и другие низкомолекулярные соединения, которые сни-
жают температуру размя1чения клея. Однако в процессе экс-
плуатации они имеют склонность выделяться из полимера, что
приводит к уменьшению прочности клеевого шва. Для предо-
хранения компонентов клея-расплава от разложения и окисле-
ния на воздухе при многократном надевании в него вводят ста-
билизаторы и антиоксиданты. Их подбирают в зависимости от
состава клея и температуры его нанесения |6, 29, 42, 50].
Клеи-расплавы применяют в тех случаях, когда требуется бы-
стро получить надежное клеевое соединение различных мате-
риалов, эксплуатируемых при температурах от -50 до 150 °C.
Наибольшее значение имеют клеи-расплавы на основе поли-
амидов. Их свойства можно варьировать в широких пределах
изменением соотношения исходных компонентов при синтезе,
совмещением двух разных полиамидов, а также путем введения
пластификаторов и наполнителей. Молекулярная масса поли-
амидов, применяемых для клеев-расплавов, находится в преде-
лах от 2000 до 10 000, а их температуры размягчения изменяются
от 100 до 275 °C.
Полиамидный клей-расплав марки В-26 представляет собой
стеклообразный материал, обладающий высокой адгезией к раз-
личным материалам. Так, при склеивании пластин из алюминие-
вого сплава разрушающее напряжение при сдвиге достигает 5 МПа,
а при склеивании кожи и трехслойной кирзы прочность при рас-
слаивании составляет 800-950 Н/2,5 см. Этот клей получают путем
модификации полиамида марки П-548 (ТУ 6-05-1032—73) канифо-
309
лью в присутствии адипиновой кислоты. Температура размягче-
ния клея находится в пределах 90-105 °C, а показатель текучести
расплава при 150 °C составляет 25-30 г/10 мин. 1
Клеи-расплавы на основе линейных полиэфиров являются
продуктами взаимодействия диолов с карбоновыми кислотами,
например терефталевой, изофталевой кислот с этилен- или бу-
тиленгликолями. Они плавятся при температурах выше 200 °C,
поэтому их можно применять в соединениях, работающих до
180 °C. Эти клеи обладают хорошей адгезией, водостойкостью,
стойкостью к растворителям и высокими диэлектрическими
свойствами. Имеются полиэфирные клеи, которые наносят при
температуре не ниже 100 °C.
Клей-расплав на основе сополимеров этилена с винилацета-
том обладает хорошей адгезией к бумаге, коже, тканям и резине.
Это обусловлено присутствием в макромолекуле полярных ви-
нилаиетатных групп. Данные клеи отличаются высокой эластично-
стью, поэтому не требуют добавления пластификаторов. Для повы-
шения адгезии в состав клея вводят производные канифоли и воск.
Эти клеи-расплавы имеют хорошие водо- и масл остом кость, но под
действием кислот и щелочей происходит омыление поливинилаце-
тата, и клеевое соединение разрушается |6. 42, 44, 45].
Клеи-расплавы широко применяют в переплетном деле, в
обувной промышленности, в производстве мебели, автомобилей
и приборов, для склеивания бумаги и деталей из древесины,
пластмасс и металлов. В обувной промышленности их исполь-
зуют для приклеивания подошв, загибки деталей верха обуви,
обтяжки и затяжки заготовок, временного крепления каблуков,
вклеивания задников и ряда других операций. Применение кле-
ев-расплавов в обувной промышленности позволило внедрить
полуавтоматические установки для сборки обуви [6]. 1
К достоинствам клеев-расплавов надо отнести то, что они не
содержат летучих, токсичных и огнеопасных растворителей; при
их использовании увеличивается скорость процессов склеива-
ния, так как не требуется нанесения клея на обе склеиваемые
поверхности и исключается необходимость сушки клеевого слоя.
Этими клеями можно склеивать трудносклеиваемые материалы,
их можно долго хранить, так как практически они не изменяют
своих свойств в течение длительного времени.
Анаэробные клеи. Некоторые акриловые производные обладают
способностью быстро полимеризоваться при комнатной темпера-
туре без доступа воздуха, а в его присутствии их можно хранить
не менее года. Это свойство позволило разработать на их основе
клеевые композиции, которые нашли применение для стопорения
резьбовых соединений, фиксирования положения болтов, шпилек
и штифтов, для замены пайки и сварки при ремонте трубопрово-
дов и для заполнения литейных раковин |6, 47, 53, 54].
310
Основой анаэробной клеевой композиции являются олиго-
эфиракрилаты. Кроме того, в композицию вводят минеральные
наполнители (аэросил, диоксид титана и др.), загустители - по-
лимеры акрилатов и стирола, пластификаторы, инициаторы и
ингибиторы радикальной полимеризации. В качестве катализа-
торов применяют пероксиды и гидропероксиды, для ускорения
разложения которых используют азотсодержащие соединения
или соли металлов переменной валентности.
Приготовленные клеевые композиции могут отверждаться
при комнатной температуре без доступа воздуха от нескольких
минут до нескольких часов, в зависимости от содержания ини-
циатора и типа склеиваемых материалов.
Выпускается ряд марок анаэробного клея Анатерм, которые
различаются вязкостью: от 0,125 до 25 Па • с. Эти клеи затекают
практически в любые мелкие зазоры и неровности, поэтому их
применение позволяет использовать в ряде производств детали и
узлы изделий с меньшей точностью изготовления, а соответст-
венно, и с низкой стоимостью. В отвержденном состоянии они
обеспечивают герметичность клеевых соединений при воздейст-
вии агрессивных сред, перепадах температур от -193 до 150 °C,
вибрациях и ударах. Клей грибостоек и не выделяет вредных
веществ при контакте с пищевыми продуктами |6|.
Достоинство клея Анатерм также в том, что он не вызывает
коррозии металлов и заедания резьбовых соединений.
В случае стопорения деталей не происходит резкого падения
прочности при сдвиге (так как происходит “затирание" резьбы
оторванными частицами отвержденного клея), что обеспечивает
надежность соединения.
Разрушающее напряжение при сдвиге при склеивании клея-
ми Анатерм составляет от 10 до 20 МПа в зависимости от при-
роды склеиваемых материалов.
Процесс нанесения клея на склеиваемые поверхности может
быть легко автоматизирован |6, 42, 54].
10-3.3. Клеи на основе эластомеров
Для склеивания резины со сталью, деревом, стеклом или при
склеивании резин между собой применяют клеевые композиции
на основе эластомеров. Готовят их путем растворения каучуков в
органических растворителях с добавками смол и наполнителей.
Различают два типа клеев на основе эластомеров - вулканизую-
щиеся и невулканизующиеся. Прочность склеивания последни-
ми невелика. Высокопрочное клеевое соединение получают вул-
канизацией клея при комнатной (20-30 °C) или повышенной
(140-150 °C) температуре. Для этого в клей вводят вулканизую-
щие вещества, активаторы и ускорители (6|.
311
Наиболее широкое распространение в технике получил клей
марки 88 (ТУ 38-105540-73), который представляет собой рас-
твор наиритового каучука и бутилфенолоформальдегидной смо-
лы марки 101К в смеси этилацетата и бензина в соотношении
2:1. После выдержки при склеивании этим клеем в течение 24 ч
разрушающее напряжение при равномерном отрыве для клеевых
соединений резины с металлами составляет от 1 до 2 МПа, а
прочность при расслаивании - от 20 до 50 Н/см. J
Клеевые (липкие) ленты. Большой технико-экономический
эффект дает использование клеевых лент, представляющих со-
бой пленочную подложку с нанесенным на нее липким клеевым
слоем. В качестве подложки применяются ткани, бумага, метал-
лическая фольга, полимерные пленки. Для получения липкого
клеевого слоя используют эластомеры, натуральные и синтети-
ческие смолы, пласгификаторы, наполнители, стабилизаторы.
Клеем может быть покрыта одна или обе стороны подложки, в
последнем случае получается двусторонняя липкая лента. Лип-
кие ленты удобны в технологическом отношении при склеива-
нии различных поверхностей в конструкциях несилового назна-
чения. Они применяются для маркировки, герметизации, упа-
ковки, защиты поверхностей, не подлежащих окрашиванию,
временного крепления деталей, электроизоляции проводов, за-
щиты металлических изделий от коррозии и механических по-
вреждений |6, 42, 44, 47]. I
Например, прочность при отслаивании липкой ленты (ТУ 6-
05-1274-73) из поливинилхлоридной пленки с клеем КЛЛ-4
(МРТУ 6-05-1255-69) от различных материалов составляет (в Н/см):
От нержавеющей стати................... 5.7
От алюминиевого сплава------------------ 5,5
От фторопласта......................... 2,6
О1 оргстекла........................... — 6,5
От винипласта.......................... 4,7
От силикатного стекла....................4,2
Свойства этой липкой ленты сохраняются без изменений при
нагревании до 120 °C. Отечественной промышленностью выпус-
кается широкий ассортимент липких лен г различного назначе-
ния |6, 42, 44, 50].
10.4. ОЦЕНКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ КЛЕЕВОЙ
КОМПОЗИЦИИ
Знание свойств клеевой композиции необходимо при разра-
ботке рецептуры и рекомендаций по выбору марки клея, оценке
его технологических возможностей, получении данных для рас-
312
четов швов, отработке технологии склеивания, эксперименталь-
ной проверке эксплуатационных характеристик клеевого соеди-
нения. Ориентироваться только на справочные данные и заво-
дскую документацию, поступающую вместе с клеями, можно
далеко не всегда из-за недостаточной их информативности,
многовариантности сочетаний склеиваемых материалов, разно-
образия условий работы изделий, способов подготовки загото-
вок, режимов отверждения клеевой композиции, возможных от-
клонений от нормативов при производстве клея и его компо-
нентов, существенной зависимости качества соединения от
субъективных факторов, а также значительных и чаще всего
трудно учитываемых изменений в клее, происходящих во время
его хранения и транспортирования. В связи с последним обстоя-
тельством особое значение имеет входной контроль для оценки
соответствия поступающего клея и его компонентов паспортным
данным (сертификату).
Все характеристики клеевых композиций можно разделить на
технологические и эксплуатационные. К технологическим отно-
сятся вязкость, сухой остаток, содержание летучих веществ,
жизнеспособность, однородность, адгезия к склеиваемым мате-
риалам и некоторые другие; к эксплуатационным - прочность в
различных условиях нагружения, тепло-, морозо-, водо-, атмо-
сферостойкость, стойкость к воздействию различных химиче-
ских веществ, масел, топлив, к изменениям температурно-
влажностных условий и т.д.
Всего известно около 70 методов испытаний. На многие из
них разработаны ГОСТы.
Вязкость клея является одной из важнейших его характе-
ристик. Методика количественной оценки вязкости зависит от
консистенции клея: маловязкая жидкость, вязкая жидкость, рас-
плав. В первом случае используют вискозиметры - приборы, по-
зволяющие по времени свободного истечения определенной до-
зы жидкости через калиброванное сопло судить о вязкости. Для
более вязких клеев оценка вязкости ведется по времени прохож-
дения стальным шариком определенного пути в жидкости, на-
литой в вертикально стоящую стеклянную трубку; в случае клеев
с достаточно высокой вязкостью - по погружению конуса.
Принципиальное значение во всех этих случаях имеет соблюде-
ние температурного режима. Вязкость пленочного клея оценива-
ется по изменению площади вырезанного из него диска, сжимае-
мого между обогреваемыми, покрытыми слоем фторопласта ме-
таллическими пластинками при определенных давлении, темпера-
туре и продолжительности. Существуют и другие методы оценки.
Понятие “жизнеспособность” имеет разный смысл для
реакционноспособных клеев и клеев, отверждающихся в резуль-
313
тате испарения растворителя. В первом случае жизнеспособ-
ность определяется временем, в течение которого клей сохраня-
ет консистенцию, необходимую для нанесения его на заготовку;
во втором - максимальным временем, по истечении которого
нанесенный на поверхность клеевой слой еще способен соеди-
няться с поверхностью ответной детали. За результат оценки
жизнеспособности клея принимается время, по истечении кото-
рого в определенных температурных условиях начинают проис-
ходить его желатинизация или отверждение, регистрируемые
при перемешивании испытуемого состава стеклянной палочкой.
Сухой остаток оценивается по результатам взвешивания
определенной порции клея в исходном состоянии и после испа-
рения растворителя, удаления летучих веществ под действием
тепла инфракрасных ламп, в сушильном шкафу, вследствие вы-
держки в термостате.
Оценка качества клея по виду и цвету производится с
целью убедиться в отсутствии комков, геля, размешанного и не-
размешанного осадка, для чего после перемешивания клея его
наливают тонким слоем в прозрачные плоские сосуды (чашки
Петри). Визуально или с помощью прибора (колориметра) оце-
нивают цвет, который может свидетельствовать о кондиции клея.
О качестве пленочного клея можно судить по результатам ме-
ханических испытаний пленки. Жидкие клеи с течением време-
ни могут изменять свою вязкость. Для вспененных клеев изме-
ряют кажущуюся плотность, влияющую на механические свой-
ства соединения. Кроме того, существуют и другие подходы к
оценке клеев: определение кислотности, содержания свободного
формальдегида, стирола, хлора, эпоксидных групп и т.д. Но эти
испытания нс стандартизованы. I
Оценить адгезионную способность клея можно
только путем разрушения соединения. Но на результат в силь-
ной степени оказывают влияние форма и размеры образцов, ха-
рактер и скорость нагружения, температура и влажность при ис-
пытаниях, многочисленные технологические факторы. Для по-
лучения сопоставимых результатов разработаны стандартные ме-
тодики, учитывающие специфику материала и клея.
Наиболее часто при склеивании конструкционных материа-
лов используются методы определения прочности соеди-
нения при работе швов на срез, отрыв и раздир (отслаивание,
расслаивание). ГОСТы регламентируют форму, размеры, коли-
чество, подготовку образцов, условия испытания, проведение
замеров и оценку результатов. Выбор схемы испытаний зависит
от типа материала и характера конструкции. Кроме указанных
существуют и другие способы оценки адгезионной прочности.
При этом во всех случаях стремятся обеспечить равномерную
работу шва (рис. 10.5).
314
Рис. 10.5. Образцы для испытаний клеевого соединения:
а - на растяжение - срез; б - на прочность при неравномерном отрыве; в - на расслаива-
ние (ширина образца 25 мм); г - на отслаивание (ширина образна 50 мм); <) - на прочность
при равномерном отрыве
Показатели механической прочности для более сложных ус-
ловий нагружения (усталостные, повторно-статические нагруз-
ки, двухосное растяжение и т.п.) определяются с учетом условий
работы изделия принятыми в этих случаях методами испытаний.
Сущность определения морозостойкости соединений
состоит в сравнении прочности образцов соединений при нор-
мальной и пониженной температурах.
Теплостойкость оценивается по температуре, при кото-
рой стандартный индентор пол действием фиксированной на-
грузки внедряется на определенную глубину в материал, нагре-
ваемый с постоянной скоростью, или по перемещению на за-
315
данную величину свободного конца консольно закрепленного
нагруженного и нагреваемого образца |6, 47, 53]. 1
Оценка водо-, атмосфере-, маслостойкости и
стойкости клея к различным химическим ве-
ществам производится по сопоставлению результатов испы-
таний клеевых соединений сразу после изготовления и образцов,
выдержанных в соответствующих условиях и средах. I
Перечень стандартов на испытание и краткое содержание ме-
тодик приведены в работах |6, 46, 47, 52-54].
10.5. ТЕХНОЛОГИЯ СКЛЕИВАНИЯ
Технологический процесс склеивания в общем случае состоит
из следующих операций: 1) приготовление клеевого состава; 2)
подготовка поверхности деталей; 3) нанесение клея; 4) сборка и
формирование клеевого слоя; 5) контроль качества соединения.
Приготовление клея производят в соответствии с инструкцией
завода-изготовителя за определенное время перед началом
склеивания с учетом его жизнеспособности. При подготовке вы-
полняют входной контроль качества компонентов, а затем осу-
ществляют их дозировку в соответствии с рецептурой и смеше-
ние. При этом необходимо регулярно проводить эксперимен-
тальную проверку технологических и эксплуатационных харак-
теристик композиций. При больших масштабах производства
эти работы проводят в специальных клеезаготовительных мас-
терских, в которых имеются дозировочное, клеемешалочное,
раздаточное, моечное отделения и склад
Прежде чем приступить к процессу склеивания, необходимо
подготовить клеевую композицию. Если клей представляет со-
бой жидкость (мономер, раствор полимера или олигомера, дис-
персию полимера), то следует убедиться в его однородности и в
отсутствии осадка. Внешний вид жидкого клея определяют в
стеклянном сосуде (пробирке, стакане), наблюдая его в прохо-
дящем свете. При этом отмечают прозрачность и наличие по-
сторонних включений.
Во время хранения может измениться содержание функцио-
нальных групп полимеров, входящих в состав клея. Поэтому пе-
ред употреблением необходимо проверить химический состав
клея. Контролю подвергают технологические свойства клеев:
жизнеспособность, концентрацию, вязкость или текучесть.
Под жизнеспособностью понимают время, за которое свойст-
ва приготовленного клея изменяются настолько, что он не мо-
жет быть использован в дальнейшей работе. I
Концентрацию клея определяют путем испарения раствори-
телей, входящих в клеевую композицию. Для этого навеску клея
316
1-2 г (с) помешают в предварительно взвешенный сосуд. Взве-
шиванием определяют массу до (а) и после (Ь) высушивания в
термостате до постоянной массы. Содержание сухого остатка х
вычисляют по формуле
b — с
х — —-100%.
а - с
Если вязкость клея велика, то его разбавляют
до требуемой соответствующим растворителем.
Условную вязкость жидких клеев определяют по
времени истечения (в секундах) определенного
объема раствора клеевой композиции через ка-
либрованное сопло вискозиметра. Определение
проводят на вискозиметрах марки ВЗ-1 или ВЗ-4.
Абсолютную вязкость определяют при по-
мощи капиллярного вискозиметра. Он пред-
ставляет собой изогнутую стеклянную трубку с
двумя метками и капилляром (рис. 10.6). В ко-
лено Б наливают клей, и вискозиметр помеща-
ют в термостат. Резиновой грушей пересасыва-
ют клей в колено А выше метки /. Грушу вы-
Рис. 10.6. В не ко-
зи метр Оствал ьда:
1,2- метки;.? - ка-
н и мают и измеряют время истечения клея меж- пиъ,яр
ду метками 1 и 2. Вязкость рассчитывают по формуле
п = £гр,
где ц - вязкость, ПА с; т - время, с; к - постоянная вискозиметра; р - плот-
ность раствора, кг/м3.
Определение вязкости густых клеев удобно проводить на ша-
риковом вискозиметре. Он представляет собой стеклянную
трубку длиной 35 см и диаметром 20 мм. На расстоянии 5 см от
краев нанесены метки. Время прохождения стального шарика
диаметром 7,9 мм между метками (25 см) наполненной испы-
туемым материалом трубки является условной вязкостью этого
материала. Абсолютная вязкость определяется по формуле
П = Ат(Р|„ - Рр),
где рш и рр - плотность шарика и раствора.
Условную вязкость густых клеев определяют также на конусе
погружения НИ ИЛ К (рис. 10.7). Прибор представляет собой
штатив, на котором укреплен блок со шнуром. На одном конце
шнура подвешен стержень с конусом, а на другом укреплена
чашка с противовесом. Стержень, на котором нанесены деления,
может перемещаться в направляющей втулке. Насыпая дробь в
чашку 4У уравновешивают конус 8, который острием касается
поверхности клея. На площадку 5 помещают груз и одновременно
317
Рис. 10.7. Схема ко-
нуса norpvxe ния
ниилк-
I - штатив; 2 - блок;
3 - шнур; 4 - чашка;
5 - площадка для !руза;
6 - стержень со шкалой;
7 - стопорный вии г;
8 - конус; 9 - сосуд с
клеем
включают секундомер. Через 5 с конус оста-
навливают стопорным винтом 7. Условная
вязкость клея определяется по шкале, нане-
сенной на стержень 6. J
Наиболее универсальным является рогаци
онный вискозиметр, который представляет
собой электродвигатель с набором насадок.
Сопротивление клея вращению насадки реги-
стрируется измерительным прибором, отгра-
дуированным в единицах вязкости.
У клеев-расплавов достаточно проверить
температуру размягчения и определить пока-
затель текучести расплава. I
Для определения показателя текучести
расплава навеску клея 4-5 г помещают в ра-
бочий канал прибора ИИРТ с установленной
температурой. После выдержки 10-15 мин
выдавливают клей через капилляр под дейст-
вием груза. Через каждые 10 с отрезают выте-
кающий клей и взвешивают. ]
Показатель текучести расплава / (в г/10 мин)
определяют по формуле
/ = 6006/т,
где G - массовый расход материала, г; г - время истечения, с.
Большая часть термореактивных клеев - эю многокомпо-
нентные системы. Они состоят из полимера или олигомера, от-
вердителя (катализатора), модификаторов и наполнителей.
Хранят компоненты клея отдельно, так как при их смешива-
нии протекают химические процессы, приводящие к отвержде-
нию клеевой основы.
Смешение проводят в ручных или механических смесителях,
в зависимости от количества потребляемого клея. Небольшие
порции перемешивают вручную с помощью шпателя. При при-
готовлении клеевой композиции необходимо точно соблюдать
рецептуру, так как, например, избыток или недостаток отверди-
теля, катализатора или инициатора могут значительно ухудшить
свойства клея или привести к его преждевременному отвержде-
нию или недоотверждению.
Смесители для получения больших количеств клеевых компо-
зиций представляют собой емкости с лопастной или пропеллер-
ной мешалкой. Конструкция их зависит от вязкости клеевой
композиции и вида применяемых наполнителей. Обычно смеси-
тели снабжены рубашкой для нагрева или охлаждения смеси.
Для непрерывного приготовления термореактивной
клеевой
композиции
используют червячные смесители; отвердители
и VCKO-
318
риз ели в клеевую композицию вводятся специальным дозатором в
конце цилиндра. Тем самым обеспечивается большее время до на-
чала гелеобразования композиции (срок годности клея).
Срок хранения приготовленной тсрморсактивной композиции
обычно составляет от нескольких десятков минут до 2-4 ч. После
этого наблюдается быстрое увеличение вязкости и потеря текуче-
сти клеевой композиции, которая становится непригодной для
склеивания. Если используется клей горячего отверждения, то
срок хранения его при комнатных условиях может составлять не-
сколько месяцев. При склеивании прозрачных деталей из клеевых
композиций необходимо удалить газы путем вакуумирования.
Как уже отмечалось, наиболее перспективны пленочные юней.
Для склеивания ими достаточно вырубить или вырезать ножницами
кусок пленки необходимой формы, удалить предохраняющую
пленку и наложить на подготовленные к склеиванию изделия.
Качество применяемых клеев обязательно контролируется со-
ответствующими испытаниями. Клеи должны быть снабжены
документацией с указанием названия продукта, массы, номера
партии, времени изготовления, завода-изготовителя. Клеи и их
компоненты должны храниться в закрытой таре при температуре
не выше 20-25 °C в пределах сроков, указанных в технических
условиях. По истечении сроков хранения допускается переиспы-
гание клеев на соответствие требованиям ТУ.
Приготовление клеевых композиций должно проводиться в
специально оборудованных помещениях, оснащенных приточ-
но-вытяжной вентиляцией, устройствами для разогрева смолы,
весами, клеемешалками, контрольно-измерительными прибора-
ми и соответствующей посудой для клеев.
Подготовка поверхности при склеивании имеет особое значе-
ние вследствие адгезионной природы клеевого соединения. За-
дача состоит в том, чтобы создать условия для физического и
химического взаимодействия возможно большей площади с вы-
сокими значениями энергии связи.
Подготовка поверхности может включать в себя следующие
операции: обеспечение размерной точности сопрягаемых дета-
лей для получения необходимых технологического зазора и
площади склеивания (механическая обработка на станках); уда-
ление с поверхности слоя материала, претерпевшего в ходе про-
изводства или хранения нежелательные для склеивания измене-
ния (механическая обработка); создание на поверхности опреде-
ленного микрорельефа для увеличения фактической площади
контакта адгезива с основой (шероховка) с одновременным уда-
лением части загрязнений (механическая обработка абразивны-
ми материалами, металлическими щетками, травление и т.д.);
удаление с поверхности жировых загрязнений и других веществ,
319
мигрирующих из основного материала и препятствующих сма-
чиванию клеем твердой поверхности, образованию прочной ад-
гезионной связи (обезжиривание, травление); нанесение на по-
верхность тонкого слоя специального состава, имеющего высо-
кую адгезию к основному материалу и клею, с целью выравни-
вания теплофизических свойств адгезива и субстрата, создания
барьера, препятствующего непосредственному контакту ком-
понентов клеевой композиции с деталью (нанесение грунтов);
создание на поверхности деталей тонкой, ровной по толщине,
прочно удерживающейся пленки вещества, адгезия которой к
клею высока (оксидирование, фосфатирование, цинкование и
др.); активация поверхности - создание в поверхностном слое
ненасыщенных связей, активных радикалов для повышения ад-
гезионной прочности сцепления клея с основой (физические
методы предварительной обработки поверхности - электриче-
ский разряд, радиоактивное и ультрафиолетовое облучение, га-
зопламенная обработка, озонирование) [42, 43, 49]. I
Выбор способов подготовки поверхности и последовательно-
сти се выполнения в каждом случае решается индивидуально в
зависимости от материалов склеиваемых деталей и их свойств,
типа используемого клея, требований к эксплуатационным ха-
рактеристикам изделия, масштабов и условий производства. При
организации операций по подготовке поверхности необходимо
исключить возможность случайного вторичного загрязнения от
неосторожного обращения с заготовками или вследствие непра-
вильных условий хранения, а также под действием материалов,
используемых при обработке. 1
Подготовка поверхности механическими методами производи гея
посредством шлифования, зачистки шкуркой, стальными вращаю-
щимися щетками. Высокой производительностью отличается обра-
ботка металлическими опилками, кварцевым песком, абразивными
частицами при подаче их на деталь струей воздуха. Вместо пневмо-
струйной целесообразно использовать абразивную гидроструйную
обработку, так как при этом снижается опасность травматизма об-
служивающего персонала. В поверхность детали могут внедряться
мелкие частицы абразива, их требуется удалить [49]. 1
Обезжиривание поверхности производится: I) в органических
растворителях (ацетон, бензин, бензол, спирты, эфиры, этилаце-
тат, метилэтилкстон и другие нехлорированные жидкости, а
также хлорированные жидкости - трихлорэтилен, тетрахлорэти-
лен, хлороформ); 2) в водных щелочных составах, в которые
могут входить КОН, NaOH, Na^COj и т.д. Хорошие результаты
дает обработка поверхности венской известью (смесь MgO и
СаО). Наибольшее распространение получило щелочное обез-
жиривание в связи с низкой стоимостью материалов, пожаро- и
320
взрывобезопасностью, простотой регенерации, меньшей токсич-
ностью. Для повышения эффективности обработки в составы
обезжиривающих ванн вводят поверхностно-активные вещества.
Обезжиривание растворами производят окунанием, протиркой,
обрызгиванием и в парах. Выбор способа зависит от материала,
масштабов производства, габаритов изделия и т.д. Прибегают к
комбинированной обработке в щелочных составах и растворите-
лях. Для пористых материалов следует использовать способ обра-
ботки в парах. При обезжиривании пластмасс необходимо учиты-
вать возможность их растворения. Желательно использовать рас-
творитель, содержащийся в клее, и производить обработку только
места соединения. При склеивании растворителями для обезжи-
ривания следует использовать жидкость, которая не растворяет
основной материал. При процессах обезжиривания широко при-
меняется ультразвук. В моющем составе за счет кавитации проис-
ходит энергичное удаление загрязнений. Этот прием особенно
эффективен для деталей сложной формы и небольших размеров.
В литературе имеются указания на эффективность применения
ультразвуковой обработки по слою клея |6, 18, 30, 31].
Травление производят в кислотных составах, в которые могут
входить H2SO4, HNO3, HF, НС1, Н3РО4 и др. Для травления ис-
пользуют специальные ванны. Процесс ведут при нормальных и
повышенных температурах (до 363 К). Продолжительность обра-
ботки - от нескольких секунд до 10-12 мин. Для каждого мате-
риала требуется своя рецептура травильного состава. При склеи-
вании пластмасс к травлению прибегают реже, чем при склеива-
нии металлов (главным образом при соединении трудносклеи-
ваемых неполярных полимеров - полиолефинов, фторопластов,
некоторых сополимеров стирола). Составы для травления пласт-
масс могут быть аналогичны тем, которые используются для ме-
таллов. Для полиамидов применяют органические кислоты
(концентрированная муравьиная и уксусная). Химическое трав-
ление пластмасс дает более стабильные результаты, чем физиче-
ские методы обработки.
Травлению должно предшествовать обезжиривание, в про-
тивном случае не будет обеспечен контакт травильного состава
со всей поверхностью.
После щелочного (химического) обезжиривания и травления
необходимы тщательная промывка дистиллированной водой и
сушка горячим воздухом. Сушка имеет важное значение, так как
наличие влаги сильно ухудшает адгезию клея к подложке, сни-
жая прочность и долговечность швов. Эта проблема не возника-
ет при использовании водорастворимых клеев.
О качестве подготовки поверхности можно судить по поведению
капли дистиллированной воды, нанесенной на испытуемую по-
321
верхность, наклоненную под углом 30-45°: если капля скатывается,
не смачивая ее, то подготовка является неудовлетворительной.
П ол готовлен н ые поверхности следует незамедл ител ьно
склеивать во избежание существенной потери прочности соеди-
нения. Если это по каким-либо причинам невозможно, то на
склеиваемые поверхности наносят адгезионные грунты, но это
дополнительная операция, требующая оборудования, площадей
и приводящая к увеличению трудоемкости изготовления изде-
лия. Грунт выбирают таким, чтобы его окончательное отвержде-
ние совпадало с отверждением клея. Большинство грунтов J
растворы полимеров и олигомеров, входящих в клеи. После на-
несения грунта его подвергают воздушной сушке или частично-
му отверждению. В таким состоянии заготовки могут храниться
до 30 сут. Адгезионные грунты наносят на металлические и не-
металлические поверхности, в том числе и на пластмассы. Они
применяются главным образом при соединении разнородных
материалов, где играют роль подслоев, барьерных покрытий.
При склеивании эпоксидными клеями грунтами могут служить
силаны и формальдегидная смола, модифицированная виниловы-
ми полимерами. В качестве грунта может быть использован и
клей, имеющий хорошую адгезию к субстрату и основному клею.
Под воздействием различного рода облучения, электрического
разряда, ультразвуковой, газопламенной обработки способность к
адгезионному взаимодействию с клеем у металлов, пластмасс и
других конструкционных материалов возрастает. Положительный
эффект от ультрафиолетового или радиационного воздействия на
поверхность трудносклеиваемых пластмасс обусловлен, по-
видимому, тем, что энергия лучей соизмерима с энергией химиче-
ских связей в полимерных молекулах, что ведет к появлению ак-
тивных радикалов в результате разрыва химических связей.
Представляет интерес бомбардировка подготавливаемой по-
верхности ионами инертного газа в вакууме (102-10 1 Па), при
которой происходит “ионное травление”. При этом достигаются
высокая чистота, особая структура поверхности и как следствие
повышение стабильности качества швов. Разброс значений по-
казателей прочности составляет около 8% вместо 25-30% при
обычной подготовке. В этом случае возможно получение соеди-
нении такой пары материалов, как полиэтилен с металлом.
При нанесении клея решаются три задачи - дозировка, равно-
мерное распределение и обеспечение контакта клея с поверхно-
стью. Дозировка клея должна быть достаточно точной, гак как
избыток или недостаток клея ведет к низкому качеству соедине-
ния. Обычно количество клея составляет 100-300 г/м2 и зависит
от вида клея и характера склеиваемых поверхностей. От равно-
мерного распределения клея в значительной степени зависит
322
качество будущего соединения. Клей может быть нанесен на две
поверхности или (реже) на одну из соединяемых поверхностей,
в зависимости от марки клея. В зависимости от того, в каком
состоянии находится клей (жидком, пастообразном, твердом
монолитном, порошкообразном), а также от характера изделия
(длинномерный рулонный материал - пленка, ткань, бумага и
т.п. с большой площадью склеивания, жесткие крупногабарит-
ные конструкции с ограниченной площадью склеивания, пере-
мещение которых затруднено, или малогабаритные, легкотранс-
портируемые заготовки) решается вопрос о выборе способа на-
несения, дозировки и обеспечения контакта клея с подложкой
|6, 44, 46, 47, 53].
Жидкие клеи (растворы, суспензии) можно наносить при по-
мощи кисти, валика, шприца, распылителя, а также методом
окунания. Обычно при работе с такими клеями после нанесения
требуется выдержка, при которой происходит испарение раство-
рителя (если он присутствует в клее). Для получения необходи-
мой толщины клеевой пленки наносится несколько слоев клея.
Рис. 10.8. Схема ручного устройства (пистолета) для нанесения клеев-расплавов:
/ - металлическая трубка с соплом. 2 - нагревательный элемент; 3 - ручка; 4 - фторопла-
стовая трубка; 5 - кран. 6 - провод к понижающему трансформатору
Пастообразные клеи наносят шпателем, раклей. Клеи-
расплавы намазывают на нагретые поверхности или используют
специальные пистолеты с электрическим обогревом, из которых
клей выдавливается принудительно через сопло с насадкой. Та-
кие пистолеты представляют собой металлическую трубку с со-
плом, на которой крепятся обогреватель и рукоятка (рис. 10.8).
Такой пистолет прост по устройству и в обращении, удобен для
любых клеев, так как температура в обогревателе легко регули-
руется с помощью понижающего автотрансформатора (ЛАТР).
Клей-расплав для пистолета приготовляют в виде цилиндров
длиной до 50 мм и диаметром, соответствующим внутреннему
размеру трубки пистолета. Пистолет перед нанесением клея ра-
323
Рнс. /0.9. Схема нанесения
клея в электростатическое
поле*
/ - распылитель. 2 - кабель
высокого напряжения; 3 - де-
таль. 4 - пылеуловитель
зогревают, вводят в трубку несколько цилиндров клея так, чтобы
он выступал из нее, сдвигают кран в положение “открыто” и
большим пальцем выдавливают через сопло требуемое количест-
во расплавленного клея. Имеются конструкции, где клей в рас-
плавленном состоянии поступает по шлангу в пистолет и выдав-
ливается на склеиваемую поверхность сжатым воздухом [6, 44, 49].
Пленочные клеи в виде штучных
заготовок прикатываются холодным
(если они обладают липкостью) или го-
рячим валиком. Порошкообразные ючеи
можно наносить методом вихревого на-
пыления. Порошкообразные и жидкие
клеи могут наноситься также методом
распыления в электростатическом поле
(рис. 10.9). Для этого к распылителю
(пульверизатору) подают высокое на-
пряжение, а деталь заземляют. Заря-
женные частицы клея равномерно распределяют по поверхно-
сти, а излишек собирается пылеуловителем. Расход клея регули-
руется скоростью движения детали.
Механическое воздействие на слой юнея (при нанесении его
кистью, раклей, шпателем, валиком) позволяет обеспечить необ-
ходимый контакт с подложкой и выровнять толщину слоя. При
использовании разного рода валиковых устройств удается одно-
временно обеспечивать нанесение клея, его дозировку и распре-
деление (рис. 10.10).
Рис. 10.10. Схемы валиковых устройств для нанесения клея:
а - е использованием ракли; б - с регулированием слоя клея струей воздуха; в - с при-
менением верхних прижимных валиков; / - материал, на который наносится клей; 2 - клей;
3 - ракля; 4 - сопло для подачи воздуха
Нанесение клея на пленочные, листовые и волокнистые ма-
териалы осуществляется с помощью лакировальных и пропиточ-
ных машин. В лакировальной машине (рис. 10.11) рулон пленки
(бумаги, ткани) пропускают между валками, один из которых
погружен в раствор клея. Затем пленка, бумага или ткань прохо-
324
дит через сушильную камеру, где из нее удаляется растворитель,
и сматывается в рулон или идет сразу на припрессовку с бума-
гой или другой пленкой.
t
Рис 10.11 Схема лакировальной машины:
1 - рулон пленки; 2- ванна с клеем; 3 - валки; 4 - сушилышя камера, 5 - приемное устройство
Этот способ нанесения клеевой композиции используют в
полиграфической промышленности для припрессовки полимер-
ных пленок со слоем прозрачного клея к красочным оттискам
на бумаге, что позволяет улучшить внешний вид и износостой-
кость обложек книг и открыток.
Нанесением ворса в электрическом поле на ткань с клеем
производят искусственный мех и синтетические ковры.
Приклеивание полимерных пленок к металлической фольге
или к другим пленкам позволило создать новые упаковочные
материалы для пищевых продуктов, например молочных, а так-
же дня технических целей.
В пропиточной матине (рис. 10.12) волокно, пленка, бумага
или ткань пропускаются через ванну с клеем, затем высушива-
ются от растворителя. Пропитанный клеем материал разрезается
или наматывается в рулон. С помощью отжимных валков регу-
лируется толщина наносимого слоя. Таким способом изготавли-
вают гетинакс, текстолит, стеклотекстолит, фольгированные из-
делия, декоративные слоистые пластики. Для этого нарезанные
листы с клеем набирают в пакет и запрессовывают в многоэтаж-
ных процессах при повышенной температуре. Клей отверждает-
ся и соединяет отдельные листы в прочный пластик. Изделия из
слоистого пластика применяют в машиностроении и радиоэлек-
тронике, а также для декоративной отделки.
Рис. 10.12. Схема пропиточной машины:
1 - ру-юн пленки. 2 - ванна с клеем; л - отжимные волки; 4 - сушильная камера, 5 - прием-
ное устройство
325
Сборка и формирование клеевого слоя в случае применения
клеев-расплавов производятся сразу после нанесения клея, когда
он еще находится в состоянии расплава. Но можно собирать и
охлажденные детали с нанесенным клеем. При этом требуется
повторный нагрев в собранном состоянии. Клеи-дисперсии, как
и растворы термопластичных клеев, нуждаются в сушке
(открытой выдержке) от нескольких минут до часа в зависимо-
сти от марки клея. Испарения растворителя и всасывание его в
поры подложки может идти как при комнатной, так и при повы-
шенной температурах. Сжатие заготовок необходимо для обеспече-
ния требуемой толщины клеевой пленки, создания контакта по всему
микрорельефу, перераспределения клея на отдельных участках, пре-
дотвращения пористости при отверждении по реакции поликонден-
сации. когда выделяются газообразные продукты. В последнем случае
давление сжатия составляет около 2 МПа.
Клеевой шов из клея-расплава формируется несколькими
способами. Во-первых, расплавленный клей можно нанести на
холодные склеиваемые поверхности и тут же прижать их друг к
другу. Эффективнее наносить клей на подогретые поверхности,
чтобы он лучше растекался и проникал в поры под давлением.
При этом клеевой слой образуется при остывании склеенного
изделия до температуры ниже температуры плавления клея-
расплава. Во-вторых, расплавленный клей можно нанести на
поверхность и охладить до комнатной температуры; подготов-
ленные таким образом детали привести в соприкосновение под
давлением и нагреть их до температуры, превышающей темпера-
туру плавления клея на 10-20 °C, а затем охладить.
Давление при склеивании необходимо создавать как для луч-
шего проникновения клея в поры тела, гак и для фиксации со-
единения. Для этого применяют 1рузы, резьбовые соединения,
пружинные приспособления, струбцины, прессы и вакуум. Дав-
ление при склеивании находится в пределах от 0,01 до 1,0 МПа
и подбирается в каждом конкретном случае склеивания, так как
избыток или недостаток его ухудшают прочность клеевого шва.
За исключением клеев холодного отверждения, для всех ос-
тальных термореактивных клеев требуется нагревание. Отвер-
ждение при повышенных температурах проводят в автоклавах,
термостатах, печах, между обогреваемыми плитами пресса, пу-
тем инфракрасного облучения, ТВЧ, ультразвуком.
Влияние температуры и давления на прочность клеевых со-
единений носит сложный характер. Повышение температуры
при склеивании вызывает снижение вязкости расплава, возрас-
тание текучести и диффузии молекул к поверхности, что благо-
приятствует достижению более высокой адгезии. С повышением
температуры увеличивается скорость реакции в клеевой компо-
326
зиции и между кдеем и склеиваемой поверхностью, а также
снижается продолжительность формирования клеевых соедине-
ний. При более высоких температурах прочность снижается в
результате деструкции полимеров или если время гелеобразова-
ния термореактивной композиции становится недостаточным
для полного смачивания поверхности.
Увеличение давления сопровождается увеличением числа кон-
тактов между молекулами склеивающего вещества и склеиваемой
поверхности, при этом неровности поверхности заполняются кле-
ем. При недостаточном давлении образуется пористое и непроч-
ное соединение неравномерной толщины из-за образования пу-
зырей при выделении остатков растворителей, низкомолекуляр-
ных продуктов реакций отверждения, воздуха. С другой стороны,
под большим давлением клей вытекает, и может образоваться
слишком тонкий клеевой шов (“голодная” склейка).
Установлено, что в большинстве случаев с уменьшением
толщины клеевой пленки повышается прочность клеевого со-
единения. Это объясняется тем, что в тонком слое клея меньше
внутренних напряжений. Так, для мочевиноформальдегидных
клеев, при отверждении которых возникают большие внутрен-
ние напряжения, рекомендуется тонкий клеевой шов (около
0,1 мм). Прочность же соединений на эпоксидных клеях почти
не зависит от толщины слоя (она равна примерно 0,2 мм).
Возникновение остаточных напряжений в клеевых соедине-
ниях обусловлено несколькими факторами. В пленке клея,
сформированной из раствора, на поверхности склеиваемого ма-
териала напряжения возникают потому, что при улетучивании
растворителя пленка сокращается только по толщине и сохраня-
ет свою первоначальную длину. После того как пленка теряет
текучесть, начинается рост напряжений, стремящихся осущест-
вить сокращение пленки по длине. Поэтому необходимо выби-
рать растворитель с достаточно большим временем испарения и
установить оптимальный режим открытой сушки, чтобы умень-
шить усадку клеевой пленки.
Кроме улетучивания растворителя протекают и другие про-
цессы, связанные с уменьшением объема пленки: химическая
усадка, сопутствующая образованию химических связей. При
этом изменяются межмолекулярные расстояния, перегруппиров-
ка молекул происходит неравномерно, постепенно замедляясь в
холе процесса отверждения. Наименьшие внутренние напряже-
ния возникают при склеивании эпоксидными смолами, так как
они отверждаются с небольшим изменением объема и без выде-
ления летучих продуктов. Другая причина возникновения оста-
точных напряжений - это различие термических коэффициентов
линейного расширения (КЛР) адгезива и склеиваемого материа-
ла. Полимеры имеют КЛР в 6-10 раз больше, чем дерево, стек-
ло, металлы. Напряжения возникают в тех случаях, когда отвер-
ждение клея проводят при повышенной температуре, а затем
температура понижается. Эти напряжения могут быть уменьше-
ны при постепенном остывании склеенного изделия. У комби-
нированных из разных материалов конструкций это может быть
причиной деформации и даже разрушения.
Эффективным способом снижения остаточных напряжений
является применение пластификаторов и модификаторов. Пла-
стификаторы, являющиеся низкомолекулярными и жидкими
веществами, повышают подвижность молекулярных цепей по-
лимера. Пластификаторы снижают температуру размягчения по-
лимера, его вязкость и повышают эластичность. Повышение
адгезии полимерных адгезивов достигается благодаря лучшему
контакту склеиваемых поверхностей и проникновению клея в
поры из-за повышения подвижности макромолекул или благо-
даря большей полярности адгезива при введении в него пласти-
фикатора с полярными группами. При склеивании пластмасс,
содержащих пластификатор, необходимо выбирать клеи, не
смешивающиеся с этим пластификатором, иначе через некото-
рое время миграция пластификатора в клеевую пленку ухудшит
прочность клеевого соединения. 1
В качестве модификаторов клеевых
композиций для снижения остаточных
напряжений могут быть рекомендованы
различные типы каучуков. Так. при вве-
дении 10-15% акрилатного каучука с мо-
лекулярной массой 3000 в эпоксидную
композицию повышается сопротивление
сдвшу в 1,5 раза за счет снижения оста-
точных напряжений и повышения эла-
стичности клеевого шва.
Наиболее удобным оборудованием
для склеивания термореактивными
клеями являются прессы (рис. 10.13). В
них можно с большой точностью зада-
вать необходимое давление, а обо!ревае-
мыми горячей водой, паром или элек-
тричеством плитами поддерживать тре-
буемую температуру. Контроль давления
осуществляется манометрами, а темпера-
туры - термопарами или термометрами.
Операция склеивания состоит в том,
что детали с нанесенным клеевым слоем
помещают между плитами пресса, затем плиты смыкают под
Рис. 10.13. Схема гидравличе-
ского пресса марки ПСУ-10:
1 - колонны; 2 - обуревае-
мые плиты; 3 - склеиваемая
21СК1ЛЫ 4 - плунжер; 5 - ци-
линдр: 6 - стакан
328
4 1 5 4
Рис. 10.14 Схема футеровки
металлической ванны вини-
пластовым листом:
? - ванна; 2 - biihhilkict;
3 - клей; 4 - струбцина; 5 - верх-
няя плита; Ъ - резиновый чехол;
7 - форма; 8 - каналы лля горя-
чей (холодной) волы
давлением и включают обогрев. После необходимой по техно-
логии выдержки под давлением выключают обогрев и, охладив
под давлением, размыкают плиты и вынимают готовое изделие.
Бели деталь имеет сложную конструкцию, то на плиты укрепляют
специальную пресс-форму соответствующей конфигурации.
Широко применяют для склеивания автоклавы. Они пред-
ставляют собой камеры, в которых давление от 0,1 до 1,4 МПа
создается паром или воздухом, а нагрев
- электричеством или паром.
Если при склеивании не требуется вы-
соких давлений и температур, то деталь
можно поместить в резиновый мешок и
откачать из него воздух. Вакуумный метод
в сочетании с автоклавом позволяет упро-
стить гехноло! ию склеивания
В случае приклеивания полимерных
пленок или металлической фольги к
внутренней поверхности труб или дру-
гих деталей несложной формы приме-
няют резиновый чехол с избыточным
давлением воздуха (рис. 10.14).
Для склеивания рулонных пленочных материалов между со-
бой применяют обогреваемые валки: например, полимерную
пленку с нанесенным на нее слоем клея и бумагу пропускают
через каландр с обогреваемыми паром валками (рис. 10.15).
Усилие прижатия валков может достигать 25 кН, а температура -
150 °C. Полученный материал наматывают в рулон, а затем раз-
резают на листы требуемого формата.
Рис. 10.15. Схема дублирования пленок:
/ - рулоны с пленкой; 2 - устройство для нанесения клея; 3 - тянущие валки: 4 - ка-
ландр: 5 - приемное устройство
Контроль качества клеевых соединений может производиться с
использованием разрушающих и неразрушающих методов. Из
числа последних наибольшее распространение получил ультра-
звуковой метод контроля. Проблема неразрушаюшего контроля
клеевых соединений, особенно изделий из пластмасс, еще дале-
ко не решена [34, 35, 37, 38].
329
10.6. ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ СКЛЕИВАНИЯ
НЕКОТОРЫХ ВИДОВ ПЛАСТМАСС
Неразъемные соединения пластмасс получают главным обра-
зом сваркой и склеиванием. Четкую границу между этими мето-
дами в применении к пластмассам провести трудно. При сварке
в месте соединения материал доводят до вязкотекучего состоя-
ния с помощью токов высокой частоты, ультразвука, потоков
горячего газа, при контакте заготовок с нагретой твердой по-
верхностью или лучистой энергией от специального инструмен-
та и т.д. В результате получают слой расплава на поверхности
детали, который играет роль связки, способной после совмеще-
ния с другой поверхностью, находящейся в аналогичном состоя-
нии, после охлаждения давать неразъемное соединение |6j.
При сварке происходит локальное изменение агрегатного со-
стояния материала в ограниченном объеме. В основе таких про-
цессов соединения, когда адгезив и субстрат имеют одинаковую
химическую и молекулярную природу, лежит явление аутогезии.
Прочность шва может достигать значений когезионной прочно-
сти основного материала.
При склеивании того же эффекта добиваются путем получения
раствора (если это возможно), в котором макромолекулы полиме-
ра, как и в расплаве, имеют повышенную подвижность и способ-
ны к диффузии. Известна ультразвуковая сварка по растворителю,
сочетающая в себе склеивание растворителем и сварку в обычном
понимании. Растворитель облегчает аутогсзию.
При химической сварке в условиях сжатия соединяемых на-
гретых поверхностей происходит взаимодействие свободных
функциональных групп, имеющихся в материале соединяемых
заготовок. Этот процесс идет тем энергичнее, чем выше темпе-
ратура. Так, в частности, происходит сварка не полностью от-
вержденных реактопластов. Результаты получаются лучше, если
на поверхность детали будет нанесен слой полимерного связую-
щего, входящего в состав пластмассы, особенно если процент
незаполимеризовавшейся смолы низок. Химической сварке спо-
собствует набухание полимера в растворителе, так как при этом
усиливается подвижность функциональных групп. Прочность
шва при химической сварке зависит от продолжительности вы-
держки заготовок в нагретом состоянии под давлением. Значе-
ния давления и температуры нагрева могут быть ниже, чем при
обычной сварке |1, 16}.
Целесообразность применения того или иного способа полу-
чения неразъемного соединения можно определить только с
учетом специфики конкретного материала и изделия. В самом
общем виде можно сформулировать следующие рекомендации:
330
термопласты (пластмассы, способные переходить при нагреве в
вязкогекучее состояние без существенных изменений их моле-
кулярной структуры) предпочтительно соединять сваркой; реак-
топласты (пластмассы, которые при нагреве деструктору ют, не
переходя в вязкотекучее состояние) лучше склеивать; однород-
ные материалы, способные растворяться, целесообразно склеи-
вать растворителем; разнородные материалы, резко различаю-
щиеся по своей природе, можно склеивать с использованием
составов, имеющих высокую адгезию к каждому из материалов;
материалы, содержащие частично незаполимеризовавшееся свя-
зующее, следует соединять химической сваркой |1, 16, 31, 33|.
Эти рекомендации не дают исчерпывающего ответа на вопрос
о выборе способа соединения. Так, например, полистирол оди-
наково хорошо сваривается и склеивается растворителем, вини-
пласт успешно сваривается многими методами и склеивается с
помощью тетрагидрофурана или раствора ПВХ в нем и т.д.
Номенклатура полимерных материалов чрезвычайно много-
образна; кроме того, они мо1ут соединяться друг с другом в раз-
личных сочетаниях. Пластмассы, имеющие одну основу и при-
надлежащие к одной группе материалов, но с разной рецепту-
рой, могут по-разному вести себя при склеивании. Входяшие в
состав пластмасс пластификатор и другие добавки могут мигри-
ровать на поверхность и ослаблять или разрушать соединения,
даже если до начала склеивания поверхности были тщательно
обработаны На поверхностях деталей может находиться смазка,
используемая при литье в форму. Некоторые растворители, со-
держащиеся в клее, вызывают растрескивание основного мате-
риала под нагрузкой. Это особенно важно иметь в виду, когда в
материале сохраняются значительные остаточные напряжения. В
таких случаях прибегают к предварительной термической обра-
ботке заготовок.
В зависимости от режимов получения полимеры могут иметь
отклонения по молекулярной массе. Решающим фактором для
оценки пригодности клея является химическая природа субстрата,
а точнее, соотношение полярностей субстрата и клея. Известное
правило, заключающееся в том, что полярные полимеры склеи-
ваются полярными адгезивами и, наоборот, неполярные - непо-
лярными клеями, подтверждается данными табл. 10.3, где приве-
дена прочность соединения пластмасс на основе полимеров раз-
личной полярности (полиэтилен, полиизобутилен - неполярные;
полиамид - полярный) клеями также различной полярности.
Поверхностные слои заготовок могут претерпевать значи-
тельные изменения в результате процессов старения, при этом
будет изменяться адгезия к ним клея. При склеивании пласт-
масс, в отличие от склеивания других материалов, теплофизиче-
331
ские и механические свойства адгезива и субстрата достаточно
близки. Исключение составляют только композиционные мате-
риалы на полимерной основе. Так, например, коэффициент теп-
лового расширения стеклопластиков в 7 раз ниже, чем полимера,
составляющего его основу. Поэтому в клеевом шве могут возни-
кать значительные напряжения при изменении температуры.
Полимерные клеи имеют, как правило, достаточно высокую хи-
мическую стойкость. Теплостойкость и химическая стойкость клее-
вого соединения и основного материала в большинстве случаев
должны быть близкими. Клеи удовлетворяют этому требованию. По
этим показателям обычно проверяют только клеевую пленку.
Таблица 10.3. Прочность при отслаивании клеевого соединения пластмасс
в зависимости ог полярности клея*
Каучук, являющийся основой клея Прочность при отслаивании (кН/см) клеевого соединения пластмасс на основе
полиэтилена пол и изобутилена полиамида
Н атри й бутад ие новы й 1167,0 — —
П ол и и зобути л СНОБЫ й 951,2 —
П ол и и зоп ре н он ы й 441,3 — -
Натуральный — 2873,3 294,2
Бутадис н-сти рол ън ы й Бутадиен -нитрильный, содержащий акрилонит- рила: 392,3 2039.8 637,4
18% — 784,5 —
26% — 637,4
40% 176,5 460,9 990,5
Хлоропреновый — — 7423,6
* Клен расположены по степени возрастания полярности каучуковой основы
Из одного и того же полимера могут быть получены различ-
ные конструкционные материалы, различающиеся по степени
однородности, сплошности, анизотропии свойств и т.д. Необхо-
димы принципиально разные подходы к технологии склеивания
монолитного полимера и пенопласта, листов и пленки, пленки
и ткани из одного и того же материала, композитов. Склеивание
полистирола растворителями - очень простой и хорошо освоен-
ный процесс, но механически переносить технику этого процес-
са на вспененный материал нельзя из-за быстрого его растворе-
ния. То же относится и к пленкам. В этих случаях следует
применять медленнодействующие растворители.
Свойства склеиваемых материалов накладывают ограничения
на выбор клея: гак, нельзя склеивать полимер составами, для
отверждения которых требуются недопустимо высокие для ос-
новного материала температуры.
При склеивании пластмасс следует учитывать структуру мате-
риала, специфику его производства, теплофизические и механи-
ческие характеристики, его “склеиваемость”.
Среди термопластов есть легко склеиваемые материалы
(пол и метил метакрилат, полистирол, поливинилхлорид, поли-
карбонаты, производные целлюлозы др.), трудно склеиваемые
(например, полиамиды, полиформальдегид, полиэтилентсрсфта-
чат) и “инертные” - те, которые поддаются склеиванию только
после специальной обработки поверхности (например, фторо-
пласты, полиолефины). В последнем случае не удается получить
высокую прочность клеевого соединения (относительная прочность
клеевого шва составляет до 0,3 прочности основного материала).
При обезжиривании поверхности термопластов с использова-
нием жидкостей, которые способны частично растворять склеи-
ваемые материалы, следует учитывать соотношение летучести
этой жидкости растворителя, входящего в клей.
Склеивание полиолефинов (в частности, полиэтилена и по-
липропилена) представляет определенные трудности из-за их
неполярности и нерастворимости.
Полиэтилен без активации поверхности склеивают ком-
позициями, состоящими из низкомолекулярного полиизобути-
лена, натрийбутадиенового каучука, виниловых эфиров; относи-
тельная прочность клеевого шва при этом не превышает 30%.
После активации поверхности можно использовать полярные
клеи, содержащие хлоропреновый каучук с полиуретанами и
другими модификаторами, эпоксидные композиции. Полиэти-
лены высокой и низкой плотности (соответственно низкого и
высокого давления) склеиваются между собой растворами поли-
хлоропрена или дисперсиями высокохлорированного полиэти-
лена [6, 42, 43, 47].
Полипропилен так же трудно поддается склеиванию, как
и полиэтилен. Предварительная активация поверхности даст
возможность применять эпоксидные клеи.
Поли изобутилен также принадлежит к полиолефинам,
но в отличие от упомянутых выше он растворяется в бензоле,
толуоле, хлорбензоле, тетрахлорэтане и бензине, что дает воз-
можность склеивать его этими растворителями.
Фторопласты - инертные материалы, обладающие высо-
кой химической стойкостью. Соединять их можно только после
активации поверхности. Высокая термостойкость фторопластов
позволяет применять клеи-расплавы (например, полигексафтор-
пропилен). Имеется опыт использования при склеивании фто-
ропластов диффузии в их поверхностные слои некоторых реак-
ционноспособных мономеров. Прочность швов при этом может
достигать 8-14 МПа.
Поливинилхлорид является основой большого числа
марок пластмасс, которые получают сополимеризацией поливи-
нилхлорида с винилацетатом, винилиденхлоридом, модифика-
цией его каучуками, мономерами, дополнительным хлорирова-
нием и т.д. При этом в широком диапазоне меняются эксплуа-
тационные и технологические свойства полимера. Из-за харак-
терных для многих термопластов проявлений эффекта пластиче-
ской памяти для ПВХ целесообразно использовать клей с тем-
пературой отверждения до 323 К. ПВХ растворяется в хлориро-
ванных углеводородах, циклогексане. Для склеивания применя-
ют растворы ПВХ или хлорированного ПВХ в смеси метилен-
хлорида с метил этил кетоном. Непластифицированные ПВХ с
пенопластом на основе ПВХ и с искусственной кожей склеива-
ют каучуковыми клеями. Прочность клеевых соединений со-
ставляет 3-9 МПа. Пластифицированные ПВХ склеиваются
труднее. Поливинилхлоридные пленки, линолеум из ПВХ мож-
но склеивать каучуковыми клеями. Для склеивания пластифи-
цированного и непластифицированного ПВХ успешно исполь-
зуются полиуретановые клеи |6, 49, 51, 541. I
Полистирол хорошо растворяется в бензоле, дихлорэтане,
трихлорэтане, хлорбензоле и поэтому успешно может соединять-
ся этими растворителями. Медленное их удаление из материала
обусловливает и медленное нарастание прочности клеевого шва.
В связи с этим более целесообразно использовать менее актив-
ные растворители - циклогексан, этилацетат, метилацетаг, кето-
ны. Часто применяют смеси растворителей. Хорошие результаты
получают при использовании стирола, способного растворять
полистирол. Подо!рев до 323 К в сочетании со сжатием загото-
вок позволяет существенно сокращать время, необходимое для
достижения заданной прочности клеевого соединения. Пенопо-
листирол хорошо склеивается эпоксидными, карбамидными и
винилацетатными клеями.
Полиакрилаты - полиметилметакрилат, сополимеры ак-
рилатов с акрилонитрилом и другими мономерами - можно
склеивать растворителями (хлороформом, ацетоном, ксилолом,
хлорбензолом в чистом виде или с добавками). Растворитель ис-
паряется медленно, из-за чего длительность выдержки склеи-
ваемых деталей под давлением 10-50 Па составляет не менее
двух суток. Склеиваемые поверхности предварительно смачива-
ются растворителем, в котором материал набухает. В результате
испарения растворителя происходит усадка и возникают оста-
точные напряжения. Вследствие этого в месте контакта раство-
рителя с полимером возможно появление мелких трещин. Часто
в качестве клея применяют растворы полиакрилатов в раствори-
телях или в мономере. В последнем случае необходимы добавки.
334
ускоряющие процесс полимеризации. Хорошие результаты дают
цианакрилагные и эластомерные клеи: прочность швов состав-
ляет до 45-50 МПа.
Полиамиды (капрон, найлон и т.д.) относятся к трудно
склеиваемым материалам и требуют предварительной специаль-
ной химической обработки. Растворяются в муравьиной кислоте
и фенолах, являющихся очень токсичными веществами, и при
повышенных температурах - в концентрированной уксусной ки-
слоте, анилине. Возможно склеивание с помощью 10-20%-х рас-
творов полиамида в указанных растворителях или в резорцине.
Отверждение ведут под давлением (до 0,2 МПа) при повышен-
ной температуре (333-343 К). Прочность соединения составляет
обычно 0,15-0,2 прочности основного материала.
Поликарбонаты можно склеивать полиуретановыми,
эпоксидными, каучуковыми, цианакрилатными клеями, а также
растворителями (хлороформом, диоксаном, тетрахлорэтаном).
Отверждение клея при повышенных температурах (до 353 К)
позволяет существенно снизить продолжительность процесса и
повысить прочность соединения.
Полиформальдегид относится к трудно склеиваемым
полимерам из-за его низкой полярности, поэтому к склеиванию
прибегают редко. Требуется предварительная химическая акти-
вация поверхности полиформальдегида, после чего его можно
склеивать эпоксидными клеями, клеями на основе фенольных
смол, ненасыщенных полиэфиров, цианакрилатов. Прочность
клеевых соединений в большинстве случаев низкая - около 10%
от прочности основного материала.
Производные целлюлозы - нитраты, ацетаты, про-
пионаты, гидратцеллюлоза. Целлулоид (нитрат целлюлозы) хо-
рошо склеивается растворителями или растворами целлулоида,
поливинилацетата, акрилатов. Фибру и целлофан, полученные
из гидратцеллюлозы, соединяют клеями на основе хлорирован-
ного ПВХ, хлорированных каучуков, алкилфенольных смол.
Ацетаты целлюлозы, из которых изготавливают негорючую фо-
топленку, канцелярские товары, летали пишущих машинок, иг-
рушки, склеивают составами на основе хлорированного ПВХ,
акрилатов, сополимеров винилхлорида с винилацетатом.
Особенности склеивания реактопластов заключаются в сле-
дующем: во-первых, эти полимеры нерастворимы; во-вторых,
изготовляемые на их основе пластмассы, как правило, содержат
наполнители, создающие значительную анизотропию свойств; в-
третьих, для их склеивания в большинстве случаев необходимо
использовать теплостойкие клеи. Для соединения их с другими
конструкционными материалами требуется применение доста-
точно универсальных клеев. Подготовка поверхности соединяе-
335
мых деталей состоит в механической обработке и обезжирива-
нии. Иногда производится предварительный прогрев для удале-
ния влаги из гигроскопического наполнителя. Рекомендации по
выбору клея для склеивания реактопластов приведены ниже:
Склеиваемые материалы
Фенопласты с рабочей температурой
333-393 К
Фенопласты с рабочей температурой
473-573 К
На основе эпоксидных смол
(стеклопластики, углепластики, боро-
пластики)
На основе полиэфирных смол
На основе кремни Йорга ни веских смол
На основе поли имидов
Ре комендус м ые кл е и
Фе полопал и ни н ила пета л ьн ыс. э п о к-
сиполиамидные, полиуретановые
Фснолополивинилацетальныс, моди-
фи ни рован н ыс кре м н и й орга н и чес ки-
ми соединениями, фенолокаучуковыс,
эпоксифснольные, кремнийорганиче-
скис
Эпоксидные, фенолополивинилаце-
тальные, фенолокаучуковые, кремний-
орган и чес кис
Эпоксидные, фс йодоформ аяьдегид-
ные, пол и эфиро! юл и изоцианатные, на
основе не насыщен ных полиэфиров
Фенолокаучуконые, кремнийорганиче-
ские, эпоксикремнийорганичсские.
эпоке ифе вольные
Эпоксидные, полиимидныс, полибен-
зимидазол ьные
Фенопласты склеивают составами на основе фенолофор-
мальдегидных резольных смол, фенолорезорциновыми эпоксид-
ными клеями с температурой отверждения 413-433 К. Для
склеивания их с эластомерами можно использовать каучуковые
клеи, модифицированные алкилсодержащими новолачными
смолами. При приготовлении декоративных слоистых пластиков
на основе фенольных смол для склеивания с древесиной приме-
няют водостойкие мочевиноформальдегидные или поливинил-
ацетальные, фенольные, иногда каучуковые клеи.
Для склеивания аминопластов используются эпоксид-
ные, каучуковые, полиуретаноые, фенольные клеи. Склеивание
деталей из ненасыщенных полиэфирных смол или
изготовление слоистых пластиков на их основе можно прово-
дить, применяя полиэфирные или эпоксидные клеи с наполни-
телем. Для склеивания полиэфирных смол с другими материа-
лами, например с искусственной кожей, используются клеи на
основе хлоропренового каучука.
Материалы на основе эпоксидных смол склеивают ком-
позициями на основе этих же смол. Высокие механические по-
казатели соединения получаются, когда процесс отверждения
прошел не полностью.
336
При склеивании пластмасс с другими материалами приходит-
ся часто создавать довольно сложные по структуре швы: исполь-
зовать смеси двух клеев, применять промежуточные прокладки,
модифицировать клеи |6, 16, 29, 30, 42].
10.7. КОНСТРУИРОВАНИЕ КЛЕЕВЫХ СОЕДИНЕНИЙ
В задачи конструирования клеевого соединения входят выбор
типа соединения и его конструктивное оформление, подбор
марки клея, расчет размеров рабочего сечения шва и величины
зазора, назначение квалитета чистоты обработки поверхности.
Правильное решение этих вопросов возможно только в том слу-
чае, если досконально известны назначение рассматриваемой
клееной конструкции, условия работы (диапазон и характер из-
менения рабочих температур, требуемая прочность, характер
нагрузки, влажность), различия в теплофизических свойствах,
модулях упругости основного материала и отвержденной клее-
вой пленки, возможность биологического поражения шва.
склонность к коррозии или другому виду разрушения поверхно-
сти материала под действием компонентов клея и т.д. Поскольку
точный учет всех этих факторов практически нс возможен, ко-
личественная оценка служебных характеристик соединения и
изделия в целом должна проводиться экспериментально. Однако
установлены некоторые общие закономерности и разработаны
рекомендации, позволяющие упростить задачу создания клееного
изделия. Некоторые из этих рекомендаций приведены ниже.
1. Основной тип соединения, применяемый в клеевых конст-
рукциях, - нахлесточный. Это связано с тем, чю клеевое соеди-
нение, имеющее адгезионную природу, лучше работает на срез,
чем на отрыв. Если по каким-либо соображениям нельзя при-
менять нахлесточное соединение, то прибегают к соединению
14на ус” или к комбинации такого соединения с элементами
стыкового и налесточного швов. При выполнении тавровых или
угловых соединений специально увеличивают площадь склеива-
ния и вводят элементы, облегчающие работу швов на отрыв. В
табл. 10.4 представлены рекомендуемые формы различных типов
клеевых соединений.
В асимметричных нахлесточных соединениях в местах пере-
хода деталь-деталь при нагружении возникает концентрация на-
пряжений, что снижает несущую способность шва. Поэтому же-
лательно использовать симметричные нахлесточные соединения,
а в местах перехода у деталей делать скосы.
При соединении трубчатых элементов широко используются
раструбные и телескопические соединения.
Таблица 10.4. Рекомендуемые формы различных типов клеевых соединений
в зависимости от направления нагрузки
Тип соединений
Рекомендуемые формы
Угловые встык
Угловые с загибом кромки
Угловые в паз
Тавровые встык
Тавровые с уголком
Тавровые в паз
Стыковые с нахлестом
Стыковые в паз
338
Окончание табл. 10.4
1 ип соединений
Рекомендуемые формы
Стыковые “на ус”
Стыковые с одной и двумя
накладками
Стыковые внахлестку
Соединение полых профилей
Соединения труб
с формованным гладким
раструбом
с двухраструбной муфтой
с гладкой надвижной муф-
той
различного диаметра
339
Pite. 10.16. Распределение срезываю-
щих напряжений по длине нахлестки в
рабочем сечении шва I - II
2. При нагружении клеевого
соединения различные участки
шва работают неодинаково.
Наблюдается концентрация на-
пряжений по краям нахлестки
(рис. 10.16). Это является след-
ствием различия в деформаци-
онной способности клеевой
пленки и основного материала
и, в частности, существенного
различия в значениях их моду-
лей упругости (такая особен-
ность характерна и для паяных соединений). В связи с этим це-
лесообразно ограничивать длину нахлестки (/). Рекомендовать
определенные числовые ее значения невозможно из-за чрезвы-
чайно большого разнообразия клеевых
композиций (и, соответственно, их ме-
ханических свойств), а также из-за соче-
таний склеиваемых материалов. Ориен-
тировочно можно считать, что />105,
где 5 - толщина склеиваемого элемента.
Для неответственных изделий длину на-
хлестки принимают равной / = (2,54-5,0)5.
При чрезмерно большой нахлестке утя-
желяется конструкция, повышается рас-
ход клея и увеличиваются другие затра-
ты, связанные с обработкой большой
Рис. 10.17. Влияние величи-
ны нахлестки / на разру-
шающую нагрузку Q
поверхности; при этом нс достигается никакой выгоды, так как
средняя часть шва практически не работает (рис. 10.17). Кроме
Рис. 10.18. Влияние толщины
клеевой пленки о на прочность
соединения при срезе тср
(стальные образцы, склеенные
композицией на основе метил-
метакрилата)
того, большая нахлестка создает до-
полнительные трудности для эвакуа-
ции из клеевой пленки остатков про-
дуктов, выделяющихся в процессе
отверждения, что ведет к появлению
дефектов.
Чем ближе клеевая пленка по своим
механическим свойствам к основному
материалу, тем может быть меньше
величина нахлестки. При склеивании
растворителями размер нахлестки мо-
жет составлять несколько толщин
склеиваемых деталей [6, 46, 53, 54|.
3. Толщина клеевой пленки ока-
зывает существенное влияние на
прочность соединения (рис. 10.18).
340
При уменьшении толщины прочность возрастает, но до опреде-
ленного предела. Оптимальная величина технологического зазо-
ра (клеевой прослойки) лежит в пределах 0,05-0,15 мм.
4. Определение размеров рабочего сечения шва представляет
наибольшую трудность из-за неопределенности в выборе расчетных
(допускаемых) напряжений для клеевой прослойки [53, 54|.
Разрушение соединения может идти по основному материалу,
по клеевой пленке, по границе склеивания и захватывать основ-
ной материал и клеевой шов (рис. 10.19). Для равнопрочного
соединения равновероятно разрушение по шву и основному ма-
териалу, т.е.
|ор|/>5 = |тср|№.
где Ср - допускаемое напряжение в основном материале; b - ширина прослой-
ки; о толщина склеиваемого элемента; [тср| - допускаемое напряжение на
срез для клеевого шва; / - длина нахлестки.
Для получения значений допускаемых напряжений для клее-
вого шва необходимо учесть большое число факторов.
Рис. 10.19. Разрушение клеевого соединения:
а - адгезионное; б, в - когезионное; г - смешанное, / - субстрат; 2 - клеевая пленка
При расчете швов, представляющих собой комбинацию на-
хлесточных и стыковых или косостыковых соединений, несущая
способность шва должна определяться как сумма этих показате-
лей для каждого из элементов шва. Необходимо задаться коэф-
фициентом запаса прочности, показывающим, во сколько раз
напряжения, возникающие в шве, должны быть ниже вызываю-
щих разрушение соединения.
В одних случаях расчет можно вести исходя из условий крат-
ковременного нагружения. В других случаях необходимо вести
расчет на длительную прочность и, кроме того, учитывать весь
сложный комплекс факторов, связанных с физическими и хи-
мическими процессами, протекающими в клеевой пленке и в
основном материале. Определенные сложности расчета часто
связаны с недостаточной стабильностью механических свойств
клеевых соединений.
5. Микро геометрия поверхности играет существенную роль в
формировании клеевого соединения. Правильный учет этого
фактора при назначении квалитетов чистоты обработки сопря-
341
Рис. 10.20. Влияние глубины неровностей
склеиваемых поверхностей йн на проч-
ность соединения при срезе тср
(склеиваемый материал — алюминиевый
сплав, клей на эпоксидной основе)
гаемых поверхностей имеет
принципиальное значение не
только для получения нуж-
ной точности сборки; общая
тенденция такова, что с рос-
том шероховатости проч-
ность соединения растет
(рис. 10.20).
6. При выполнении со-
единения, элементы кото-
рого вместе с клеевым швом
образуют замкнутый объем,
необходимо предусматривать
дренаж для выхода воздуха и
свободного движения клея во избежание образования воздушной
подушки.
7. Выбор марки клея представляет собой многоплановую за-
дачу: необходимо не только удовлетворить требованиям, обеспе-
чивающим получение заданных эксплуатационных свойств со-
единения, но и учесть требования, предъявляемые самой техно-
логией и техникой склеивания.
К числу требований, которые должны неукоснительно вы-
полняться, относятся: близость молекулярной природы и совпа-
дение полярности адгезива и субстрата для обеспечения хоро-
шей смачивающей способности клея и высокой адгезионной
прочности соединения; малая вязкость клея в момент нанесения
на соединяемые поверхности для получения контакта по всему
микрорельефу; наличие в составе связующего клеевой компози-
ции функциональных групп, обеспечивающих сильное межмо-
лекулярное или химическое взаимодействие; высокая когезион-
ная прочность клеевой пленки; начало и скорость отверждения
должны быть согласованы со временем достижения полного
смачивания клеем поверхности заготовки; различие в коэффи-
циентах термического расширения, модулях упругости основ-
ного материала и клеевой пленки, а также величина усадки при
отверждении должны быть минимальными во избежание появ-
ления остаточных напряжений и деформаций соединения и
концентрации напряжений при его нагружении; отсутствие в
клеевой композиции коррозионно-активных по отношению к
материалу изделия компонентов; механические и другие свойст-
ва клеевой пленки должны соответствовать условиям эксплуата-
ции по температуре, характеру нагружения, влажности и т.д.
Желательно, чтобы перед склеиванием не требовалось специ-
альной трудоемкой предварительной подготовки поверхности,
чтобы процесс отверждения шел без нагрева и приложения вы-
342
сокого давления, клей не содержал высокотоксичных веществ,
имел длительный срок хранения в виде отдельных компонентов
и высокую жизнеспособность в готовом виде.
Конкретная производственная задача может выдвинуть до-
полнительные конструкторские и технологические требования к
клеям: атмосферостойкость, высокие диэлектрические показате-
ли или электропроводность, возможность использования высо-
копроизводительных методов нанесения клея, минимальная
продолжительность производственного цикла склеивания и т.д.
Вообще единой методики выбора марки клея не существует. В
справочной литературе приводятся таблицы, облегчающие поиск
марки клея. Во всех случаях непременно должно быть удовле-
творено основное требование: способность клея обеспечивать вы-
сокую адгезионную прочность соединения с материалом изделия
и необходимую когезионную прочность самой клеевой пленки.
Для упрощения проектирования конструкций клеевых соеди-
нений созданы специальные номограммы [6, 42, 43, 45, 47].
10.8. ПРИФОРМОВКА
В производстве приформовка наиболее широко применяется
при изготовлении крупногабаритных изделий сложной формы (в
судостроении и резервуаростроении) преимущественно из стек-
лопластиков.
Процесс приформовки по механизму и природе вспомогатель-
ных материалов близок к склеиванию, а полученные приформов-
кой соединения под действием нагрузки ведут себя аналогично
клеевым соединениям внахлестку и встык с накладками.
К преимуществам приформовки относятся: герметичность и
высокая коррозионная стойкость соединения; эксплуатационная
надежность и длительный срок службы в различных климатиче-
ских условиях; плавность сопряжения поверхностей соединяе-
мых деталей; отсутствие соединительных элементов; исключение
необходимости использования индивидуальной оснастки (если
не применяется напыление), точной подгонки соединяемых де-
талей и приложения давления при отверждении материала на-
кладок |29].
Недостатками приформовки являются зависимость качества
соединения от параметров окружающей среды и соблюдения
технологических приемов; трудоемкость процесса (если не при-
меняется метод напыления); продолжительное время отвержде-
ния связующего приформовочной массы или необходимость
применения для ускорения этого процесса специальных источ-
ников подогрева; токсичность связующего и большой расход
приформовочной массы; недопустимость нагрузки соединения
сразу же после его изготовления; большой объем подготовитель-
343
ных работ; неравномерное распределение нагрузки по толщине
материала соединяемых деталей |5, 16, 29].
Независимо от формы соединяемых деталей и места распо-
ложения шва приформовкой можно осуществлять все типы со-
единений (рис. 10.21). При выполнении нахлесточных соедине-
ний приформовку целесообразно применять в комбинации со
склеиванием. Когда есть возможность, приформовку следует
выполнять с обеих сторон соединяемых изделий, так как при
односторонней приформовке соединение помимо сдвига начи-
нает работать на отрыв. При толщине соединяемых листов до
10 мм скос их кромок обычно не выполняют, так как, хотя он
снижает концентрацию напряжений и повышает прочность со-
единения, выполнение этой операции очень трудоемко. При
толщине соединяемых листов более 12 мм выполнение скосов
на их кромках обязательно [16, 29].
Рис. 10.21. Типы соединений приформовкой:
л - стыковое одностороннее; б - стыковое двустороннее; в - стыковое двустороннее со скосом
кромок; г - нахлесточное одностороннее; д - нахлесточное двустороннее; е - тавровое: ж * угловое
Для стыковых соединений допускаются следующие отклоне-
ния деталей по толщине: при толщине деталей до 5 мм разно-
толщинность не должна превышать 25% толщины деталей; при
толщине деталей 5-10 мм - 15% и для деталей толщиной более
10 мм - 8%. При большей разнотолшинности требуется обработ-
ка стыкуемых кромок (например, снятие слоя материала на
кромке детали большей толщины) [16, 29].
Практически во всех случаях соединения приформовкой
имеют переменное сечение за счет укладки слоев армирующего
материала разной ширины (ширина слоя увеличивается, начи-
ная с первого, внутреннего). Это снижает концентрацию напря-
жений, уменьшает вес и возможность задиров и отклонений по
размерам, придает соединению лучший вид.
Для стыковых соединений принимают длину накладки
/н = 150-?108, где 6 - толщина наиболее тонкой из соединяемых
деталей. Толшину приформовочной накладки в месте стыка сле-
дует принимать равной половине толщины соединяемых деталей:
8Н = 0,58. При увеличении этой толщины сверх рекомендованной
прочность соединения остается практически стабильной [5, 19].
Длина одной стороны приформовочною угольника /н ~ (74-8)8.
344
Толщина приформовочной накладки в районе угла принима-
ется равной половине толщины наиболее тонкой из соединяе-
мых деталей. Прочность углового соединения резко снижается,
если соединяемые детали различаются по толщине [6, 43|.
Для стыковых соединений приформовкой наиболее опасным
видом нагружения является растяжение. Прочность соединения
при растяжении увеличивается с уменьшением толщины соеди-
няемых листов, и при малых толщинах возможно получение со-
единения, равного по прочности материалу листов. Прочность
стыкового соединения при сжатии и изгибе практически равна
прочности материала соединяемых деталей. Дчя углового соеди-
нения наиболее опасный вид нагружения - отрыв. Прочность
угловых соединений при изгибе и сдвиге определяется прочно-
стью соединяемых деталей 116].
Технологический процесс соединения деталей стеклопластика
с помощью приформовки включает [29|: очистку мест соедине-
ния от грязи, пыли, остатков целлофана и т.д.; механическую
обработку мест соединения, а при необходимости - выполнение
скосов на кромках соединяемых деталей; обезжиривание соеди-
няемых поверхностей; подготовку приформовочной массы
(пропитка армирующей стеклоткани связующим); нанесение
приформовочной массы (с приглаживанием слоев стеклоткани)
до получения накладки необходимой толщины; выдержку со-
единяемых деталей в зафиксированном положении (без давле-
ния) для обеспечения отверждения связующего приформовоч-
ной массы; контроль качества соединения.
Механическую обработку мест соединения целесообразно
вести с помощью устройств, снабженных шлифовальными кру-
гами или наждачными полотнами. Обработка призводится до
полного удаления с соединяемых поверхностей лаковой пленки
связующего.
Обезжиривание поверхностей после механической обработки
производят тампоном, смоченным ацетоном, уайт-спиритом или
хлорпроизводными углеводородов.
Приформовку полиэфирных стеклопластиков обычно выпол-
няют на полиэфирном связующем, а эпоксидных и фенольных -
на эпоксидном. Отверждение полиэфирных связующих проис-
ходит в присутствии инициирующей системы, состоящей из
гидропероксида изопропилбензола и нафтената кобальта [29].
При изготовлении накладок в качестве арматуры используют
стеклянные ткани сатинового или полотняного переплетения
(для деталей, подверженных действию больших растягивающих
и изгибающих нагрузок), а также рубленое стеклянное волокно
длиной около 15 мм (для угловых соединений). Содержание свя-
зующего в приформовочной массе составляет около 50% в слу-
345
чае применения тканей и около 75-80% - в случае применения
стеклянного волокна. При нанесении приформовочной массы
выдавливанием в нее вводят 10-20% порошкообразного напол-
нителя (тальк, каолин, асбестовый порошок и др.). Для выпол-
нения приформовок в вертикальном, наклонном и потолочном
положениях в связующее добавляют до 3% тиксотропных на-
полнителей (аэросила) [16].
Для всех способов соединения деталей оптимальной формой
продольного сечения накладок из приформовочной массы явля-
ется сегментообразная. При такой форме накладок сокращается
расход связующего и стеклянной ткани на 40-50%; почти на
столько же уменьшается трудоемкость изготовления соединения;
увеличивается прочность конструкций при изгибе и растяжении;
получаются изделия, характеризующиеся лучшей обтекаемостью
и большей надежностью в эксплуатации по сравнению с соеди-
нениями, в которых применяются накладки прямоугольной
формы. На практике обычно применяют накладки, длина кото-
рых значительно больше оптимальной, что обусловлено возмож-
ностью появления воздушных включений и других дефектов в
приформовке в производственных условиях [5, 29, 45].
Нанесение приформовочной массы может осуществляться пу-
тем ручной накладки слоев материала, намоткой или напылением.
Приформовочную массу на основе стеклянной ткани наносят
преимущественно вручную, при этом применяют метод послой-
ной укладки, поскольку при укладке приформовочной массы в
производственных условиях прочность стыковых соединений
снижается на 25-34% [16]. Перед укладкой первого слоя ткани
детали покрывают слоем связующего, затем на них укладывают
первый слой ткани наименьшей длины и пропитывают связую-
щим. Аналогично поступают со вторым и последующими слоя-
ми стеклянной ткани до получения накладки необходимой тол-
щины. Для обеспечения равномерности пропитки ткани и уда-
ления из нее воздушных пузырей накладку необходимо прика-
тывать валками, имеющими рифленую (перфорированную) по-
верхность или поверхность из проволочной сетки, так как они
не разбрызгивают смолу, хорошо вытесняют воздушные пузырь-
ки и не приклеиваются к приформовочной массе в отличие от
гладких валков. Для ускорения нанесения приформовочных на-
кладок можно использовать предварительно пропитанную сы-
рую ткань, однако при этом повышается трудоемкость процесса
и ухудшаются санитарные условия труда. Возможна также про-
питка уложенной ткани одновременно с уплотнением форми-
руемой накладки, для чего связующее подается по шлангу непо-
средственно в прикатывающие полые рифленые валки с отвер-
стиями. Недостатком нанесения приформовочной массы вруч-
346
ную является неравномерная пропитка накладок связующим, так
как при ручной прикатке валком трудно поддерживать постоян-
ное усиление прикатки, особенно для потолочных соединений.
Поэтому прочность стыковых и угловых соединений в потолоч-
ном положении меньше прочности тех же соединений в нижем
и вертикальном положении соответственно на 20-40 и 24-30%
[5, 16, 29].
Приформовка методом намотки выполняется при соединении
изделий, имеющих форму тел вращения.
Приформовка метолом напыления позволяет в 3-3,5 раза по-
высить производительность труда и применить более дешевые
материалы по сравнению с приформовкой методом ручной вы-
кладки слоев материала. Дня этого способа приформовки Цен-
тральным научно-исследовательским институтом технологии
судостроения создана специальная установка марки УН ПС, по-
зволяющая напылять приформовочную массу в горизонтальном,
наклонном и вертикальном положениях.
При нанесении приформовочной массы методом напыления
или намотки достигается более высокий уровень механизации
работ (снижается трудоемкость процесса), а также обеспечивает-
ся повышение прочности соединения на отрыв примерно на
15% |5, 19, 29, 49].
Если между кромками соединяемых деталей имеются зазоры
до 5 мм, то их заполняют массой, в состав которой входят руб-
леная стеклянная ткань или стеклянный жгут и связующее в
равных соотношениях. При большей величине зазора он запол-
няется отрезками из того же стеклопластика, что и соединяемые
детали, а оставшиеся зазоры заполняются указанной приформо-
вочной массой.
Обычно отверждение связующего в процессе приформовки
происходит без приложения давления, при комнатной темпера-
туре, с выдержкой не менее трех суток. Качество соединений
можно улучшить, подвергая зону шва через 30-70 ч после нане-
сения приформовочной массы дополнительной обработке в поле
токов высокой частоты, с помощью ультразвука, в электростати-
ческом поле, радиоактивным излучением.
При визуальном контроле качества приформовочных соеди-
нений проверяют наличие складок в материале, смещений на-
ружных слоев накладок, разрывов армирующих наполнителей,
участков с неоднородной пропиткой связующим.
Влажность помещения, в котором ведется приформовка, не
должна превышать 65% [5, 16, 29].
347
Глава 11
КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА СВАРНЫХ И КЛЕЕВЫХ
СОЕДИНЕНИЙ
ILL ДЕФЕКТЫ СВАРНЫХ И КЛЕЕВЫХ СОЕДИНЕНИЙ
Дефекты сварных и клеевых соединений подразделяют на на-
ружные, выявляемые поверхностным осмотром, и внутренние,
обнаруживаемые только специальными методами контроля.
К наиболее распространенным видам дефектов сварных со-
единений термопластов относятся непровары, трещины, перегрев
материала, несплавления, коробление сварного шва в результате
усадки при сварке ориентированных материалов, поры при тер-
моконтактной сварке с применением растворителей. Кроме того,
при сварке пленочных термопластов характерным дефектом яв-
ляются прожоги, структурные изменения шва и околошовной
зоны, подвергающихся термическому воздействию [34, 35|.
Несоответствие шва требуемым геометриче-
ским размерам является в основном результатом нарушения
сварщиком технических требований на размеры сварного шва.
При уменьшении размеров шва снижаются прочностные харак-
теристики соединения; увеличение этих размеров экономически
нерационально [36, 37J.
Непровары возникают при сварке пластмасс и характери-
зуются отсутствием сварного соединения по всей или части
площади контактирования сварных образцов. Признаком непро-
вара является отслоение отдельных участков шва, однако в
большинстве случаев внешним осмотром непровар не обнаружи-
вается, для выявления такого дефекта требуются механические
испытания. Непровары могут быть обнаружены и некоторыми
методами контроля на герметичность (гидравлические испыта-
ния, галогенное течеискание и др.).
Причиной непровара является отсутствие достаточно полного
контакта соединяемых поверхностей в процессе нагрева и изо-
термической выдержки, что может быть обусловлено недоста-
точным сварочным давлением или его колебаниями в процессе
изотермической выдержки, неправильным подбором исходных
зазоров между рабочими поверхностями нагретых инструментов
и поверхностью деталей при использовании термического рас-
ширения материала для создания сварочного давления. Причи-
ной непровара могут быть недостаточная температура нагретого
инструмента, малая продолжительность изотермической вы-
348
держки (большая скорость при непрерывной сварке пленок), а
также наличие на поверхности адсорбированных молекул газа,
воды, тончайших жировых пленок и прочих включений |37, 381.
Трешины при сварке листовых термопластов или труб из
пластмасс чаще всего образуются из-за чрезмерного сварочного
давления при ограниченном объеме, в котором расширяется ма-
териал зоны соединения. Причиной появления трещин может
также быть слишком высокая температура нагретого инструмента.
Существенно превышение температуры нагретого инструмен-
та при сварке термопластов приводит к резкому снижению ме-
ханических показателей полимера в зоне контакта с нагретым
инструментом, образованию несплошностей, трещин. Сварное
соединение с такими дефектами не подлежит исправлению.
Чаще всего трещины образуются в процессе охлаждения зоны
сварки в том случае, если сварочное устройство не обеспечивает
компенсации значительного изменения линейных размеров сва-
рочной зоны.
При сварке плавких пленочных термопластов образование
трещин обусловлено охрупчиванием материала в результате его
длительного пребывания при высоких температурах на воздухе.
У большинства плавких полимеров в процессе сварки наблюда-
ется заметное снижение пластичности, что связано, по-
видимому, с выгоранием пластификаторов или с разложением
модифицирующих соединений. Трешины при этом образуются,
как правило, вдоль шва, непосредственно в месте примыкания
наплыва шва к основному материалу. Очень часто зародышем
такой трещины служит несплавленная кромка грата, образую-
щаяся из расплавленного полимера, вылавливаемого пол дейст-
вием сварочного давления в околошовную зону с относительно
холодной поверхностью. Это весьма характерный дефект при
сварке плавких термопластов с относительно высокой темпера-
турой плавления. Выдавленный расплав такого термопласта не
способен разогреть контактирующий с ним материал околошов-
ной зоны. Не последнюю роль при этом также играют и относи-
тельно высокие значения вязкости расплава [36, 37].
Основная причина образования пор при сварке нагре-
тым инструментом - это длительное присутствие на воздухе оп-
лавленных поверхностей перед их соединением и недостаточное
давление осадки, неспособное выдавить поры на поверхность
стыка. Наибольшую опасность для сварного стыка создают по-
ры, расположенные в рабочем сечении шва. В зависимости от
температуры окружающей среды, места концентрации и размера
пор может наблюдаться хрупкое или пластическое разрушение
образцов по зоне сплавления.
Причинами образования пор при сварке нагретым газом с
применением присадочного материала являются несоответствие
349
присадочного материала основному, высокая температура теп-
лоносителя, приводящая к перегреву присадочного или основ-
ного материала, наличие пор в присадочном материале и т.д.
Пути предотвращения подобных дефектов - тщательный под-
бор и соблюдение температурных режимов сварки, выбор опти-
мальной скорости и давления, снижение температуры сварки
(применение растворителей, термоультразвукового способа) 135, 38].
Несплавление материала наблюдается также и при
выполнении пересекающихся швов при сварке термопластов.
Причиной возникновения дефекта в данном случае, по-
видимому, являются структурные изменения материала в око-
лошовной зоне предыдущего шва, резко снижающие способность
материала к образованию сварною соединения. Предотвратить об-
разование дефекта в этом случае можно лишь тщательной предва-
рительной обработкой мест, подвергшихся термическому воздейст-
вию, химическим или механическим способом.
Поскольку большинство пленок из плавких термопластов по-
лучают экструзией, для них характерен общий для всех одно- и
двухосноориентированных полимерных пленок дефект - значи-
тельная усадка в направлении ориентации и, как следствие, ко-
робление и образование складчатой поверхности в околошовной
зоне. Места контакта складок со сварным швом представляют
собой очаги образования трещин и разрывов полимерной плен-
ки. Для предоствращения этих дефектов в процессе сварки сле-
дует прикладывать растягивающие напряжения вдоль сварного
шва, а также применять теплоотводящие прижимы в околошов-
ной зоне.
Еще один дефект, возникающий при сварке пленок из плав-
ких термопластов, - мелкие сквозные отверстия в
сварном шве. Главная причина их образования - высокая
электризуемость большинства полимерных пленок, в результате
которой под действием электростатических сил к поверхности
пленок притягивается множество микрочастиц и пылинок, в том
числе и органического происхождения, которые либо вдавлива-
ются в материал в процессе сварки, либо выгорают, что наруша-
ет сплошность сварного шва. Поэтому помещения, где произво-
дятся работы по сварке полимерных пленок, должны содержать-
ся в идеальной чистоте, а соединяемые поверхности требуют
тщательной подготовки.
Наиболее опасным дефектом сварного соединения термопла-
стов является наличие в зоне шва участка материала, подвергну-
того те р м о о к и с л и те л ь н о й деструкции вследствие
завышенной температуры сварки.
Основными дефектами клеевых соединений являются “голодная",
“сухая”, “мокрая”, пористая склейка, перекос соединения, не-
350
смачиваемость клеем соединяемых поврехностей, недоотвер-
жденная клеевая прослойка, непроклеи.
“Голодная" склейка является следствием нанесения
недостаточного количества клея на склеиваемые поверхности.
При “сухой" склейке клей пересушен, до такой степени,
что не происходит его склеивания с другой пересушенной клее-
вой пленкой (на ответной поверхности). “Мокрая ” склей-
ка является следствием неполного удаления из клея входящего
в его рецептуру растворителя или неполного отверждения жид-
кого клея |29|. Пористая склейка обусловливается непол-
ным удалением растворителя или неправильным смешиванием и
отверждением клеевой композиции, наличием воздушных вклю-
чений, появившихся в процессе нанесения клея; высокой влаж-
ностью склеиваемых поверхностей; применением нераствори-
мого отвердителя. Перекос соединения возникает при
недостаточной фиксации склеиваемых поверхностей, а также
при смешении соединяемых изделий во время отверждения
клея. Несмачиваемость клеем соединяемых по-
верхностей - это результат неправильного выбора способа
подготовки или загрязнения поверхности. Недоогвержде-
ние клеевой прослойки указывает на неправильное со-
отношение компонентов клея, низкую температуру или недоста-
точное время отверждения, а также неполное удаление раство-
рителя. Непроклеи возникают при недостаточном давлении
или позднем применении давления, неравномерном нанесении
клея, большой неровности склеиваемых поверхностей [29, 37|.
Большинство дефектов сварных и клеевых соединений может
быть вызвано неправильной подготовкой соединяемых поверх-
ностей и некачественной сборкой соединения (неправильным
углом разделки, отсутствием зазора или слишком большим зазо-
ром между кромками, перекосом кромок и т.д.); нарушением
установленных технологических режимов сварки и склеивания;
недостаточной квалификацией рабочего персонала [29, 38|.
11.2. ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ КОНТРОЛЬ МАТЕРИАЛОВ
И ИЗДЕЛИЙ
Сварные и клеевые соединения высокого качества и со ста-
бильными свойствами могут быть получены при выполнении
комплекса мероприятий, контроль за соблюдением которых
должен осуществляться на всех этапах изготовления изделий -
от получения и переработки исходного сырья до выпуска гото-
вых изделий. При нарушении технологии изготовления сварных
и клеевых соединений в них могут возникать дефекты, прояв-
ляющиеся либо сразу после склейки или сварки, либо в пронес-
351
се эксплуатации. Поэтому необходимо осуществлять контроль
на всех стадиях изготовления соединений [29, 34, 35J.
Требования к исходному полимерному материалу заключают-
ся в хорошей акустической проводимости, однородности
свойств и свариваемости при оптимальных режимах сварки
Особое внимание на контроль исходного полимерного материа-
ла должно быть обращено в случае применения отходов основ-
ного производства.
Контроль исходного полимерного материала в простейшем
случае осуществляется визуально. Например, на изделиях, изго-
товленных из отходов полистирола, иногда можно заметить
‘"мраморный” рисунок, появление которого объясняется плохим
перемешиванием расплавленного материала. Для получения ко-
личественных характеристик полимерного материала проводят
акустические измерения как на образцах из свариваемого мате-
риала, так и на изделиях.
Акустические свойства свариваемых полимерных материалов
определяются двумя наиболее важными характеристиками
скоростью ультразвуковых колебаний с и коэффициентом зату-
хания р. Эти параметры могут быть использованы при оценке
пригодности новых полимерных материалов, их композиций,
красителей, наполнителей и т.д. к сварке пластмасс, а также для
научного обоснования конструирования изделий, их геометрии,
максимально возможной толщины свариваемых изделий и т.д.
Для определения основных акустических характеристик сва-
риваемых пластмасс можно использовать приборы типов УКБ-1
и УКБ-1 М с диапазоном рабочих частот 25, 60, 100 и 150 Гц.
Диапазон используемых при измерениях частот должен соответ-
ствовать частоте преобразователя, применяемого в сварочной
машине [35, 38].
Сущность измерения акустических характеристик исследуе-
мых материалов состоит в том, чго в образец с помощью щупа
вводится ультразвуковой импульс. С помощью приемной иска-
тельной головки улавливаются многократные отражения этого
импульса от параллельных поверхностей образца. Наблюдая на
экране электронно-лучевой трубки за параметрами отраженных
импульсов, можно определить скорость распространения про-
дольной волны ультразвуковых колебаний и коэффициент зату-
хания. Скорость продольной волны спр определяется из зависи-
мости
^Лр
где .V- длина образна: Г - время прохождения импульса через образец.
Как показали измерения, скорость продольных волн в иссле-
дованных полимерных материалах с увеличением частоты рас-
352
гст. Ниже приведены значения скорости звука спр (в мм/с) и
длины волны Л (в мм) для некоторых полимерных материалов
на частотах от 25 до 150 кГц’
f. к! 11 Пол и метил ме г- акрилат Полистирол Капролом Винипласт Полиэтилен
. о Л 1 с""* X Л спр * . 10* Л Gip х К 106 X гпр х , КГ6 Л спр х х 10* к
25 2,37 95 1.99 79 2.28 91 1.98 79 1,25 50
60 2.51 42 2.04 34 2,35 39 2,12 35 1.35 23
100 2,56 26 2.14 21 2,41 24 2,19 22 1.51 15
150 2.65 18 2.24 15 2,58 17 2.21 15 1,73 12
Коэффициент затухания определялся исходя из сравнения
амплитуд следующих друг за другом отраженных импульсов с
помощью калиброванного аттенюатора прибора. Ниже приведе-
ны значения коэффициента затухания 0 (в Ни) при частоте
25 кГц для некоторых полимерных материалов:
Поли метил метакрилат... ОД 1
Полистирол...................... ..........0.10
Капроном...................................0,19
Винипласт.... ........ ....... 0,16
Полиэтилен. ...... ..................0,35
Из выражения для затухания амплитуды следует, чго коэффи-
циент затухания равен длине пути волны х = 1/0, на котором ам-
плитуда колебаний ослабляется в е раз (е = 2,718). Следовательно,
для полиэтилена уменьшение амплитуды в е раз произойдет на
толщине 28 мм, а для полистирола - на толщине 100 мм.
Нарушение теплового режима технологии изготовления изде-
лий может приводить к их деформации. При этом возможны
деформации двух типов. Первый тип определяется смещением
(несовпадением) контактирующих при сварке элементов
(выступов, пазов, штырей и т.д.) или несовпадением полуформ
изделия по контуру. При таких деформациях бракованное со-
единение может быть обнаружено непосредственно после свар-
ки. Второй тип деформаций, наиболее опасных для изделий из
“жестких” полимеров, характеризуется наличием зазоров между
сопрягаемыми поверхностями. Приложение статического давле-
ния приводит к тому, что зазоры закрываются, однако появ-
ляющиеся при этом внутренние напряжения приводят к разру-
шению изделия в процессе эксплуатации [34, 35, 37].
Проверка на внутренние напряжения для неокрашенных, оп-
тически прозрачных полимеров состоит в наблюдении изделий в
поляризованном свете. Для непрозрачных материалов может
быть рекомендовано испытание, заключающееся в погружении
изделия в поверхностно-активную жидкость, например в керо-
син, и наблюдении за появлением трещин в материале.
Введение добавок (стабилизаторов, наполнителей, смазы-
вающих веществ, пластификаторов и т.д.) при изготовлении из-
делий может существенно влиять на их свариваемость. Увеличе-
ние содержания некоторых из наполнителей (особенно смазы-
вающих веществ) может приводить даже к полной потере свари-
ваемости. Таким образом, для обеспечения необходимых свойств
сварных соединений нужно соблюдать тепловой режим сварки и
постоянство содержания добавок в исходном материале.
Длительное хранение заготовок, предназначенных для свар-
ки, может существенно изменить физико-химическое состояние
их поверхностей и, следовательно, свариваемость.
11.3. КОНТРОЛЬ ПРОЦЕССА СВАРКИ
Стабилизация условий сварки в производственных условиях
представляется сложной задачей, поэтому для повышения ста-
бильности свойств сварного соединения и получения соедине-
ния с максимальной прочностью режим сварки в каждом от-
дельном случае может меняться.
На сварочном оборудовании могут быть установлены прибо-
ры контроля, которые должны следить за исходным состоянием
материала (разноголшипностью. загрязненностью поверхностей
и др.) и отрабатывать различные случайные возмущения, возни-
кающие в ходе самого процесса сварки (уход резонансной часто-
ты, разогрев волновода, изменение амплитуды колебаний волно-
вода и др.).
При перестройке режима сварки с целью изменения количе-
ства вводимой в свариваемое изделие энергии возможно изме-
нение амплитуды колебаний волновода Л, величины сварочного
усилия Рсв и продолжительности ультразвукового импульса /уз.
Варьирование последнего параметра получило наиболее широ-
кое применение. При ультразвуковой сварке ограничение про-
должительности сварочного импульса /уз в ультразвуковых уст-
ройствах осуществляется по нескольким схемам:
1. Продолжительность ультразвукового импульса определяет
оператор-сварщик на основании практического навыка. Точ-
ность определения выдержки зависит от квалификации сварщи-
ка, что вносит в процесс субъективную ошибку.
2. Схема сварки по “фиксированному времени" предполагает
использование ультразвукового импульса постоянной продолжи-
тельности при сварке однотипных изделий. Продолжительность
импульса определяется из предварительных экспериментов и
354
запнется на всех сварочных циклах одинаковой (гу1 = const),
обычно с помощью электронного реле времени.
3. Схема сварки “с фиксированной осадкой", при которой
сохраняется постоянной глубина вдавливания волновода в сва-
риваемую деталь, или деформация зоны шва Лос = const. При
достижении заданной деформации, обеспечивающей наличие
характеристики сварного соединения, происходит автоматиче-
ское выключение ультразвука и ограничение перемещения вол-
н о вода -ин стру мента. П родол ж ител ьн ость ул ьтра з ву ково го и м -
пульса при этом способе в каждом отдельном случае может быть
различна (см. рис. 5.14).
При использовании схемы сварки “по фиксированному вре-
мени" вероятность появления бракованного сварного соедине-
ния определяется следующими параметрами: нес габильностью
частоты генератора, нестабильностью исходной тол шины свари-
ваемой пластмассы и нестабильностью условий сварки
(темперагуры волновода и величины сварочного усилия Рск).
В отличие от схемы сварки “по фиксированному времени",
при которой выбор продолжительности сварочного импульса
совершенно нс связан с образованием сварного соединения,
схема сварки “по фиксированной осадке" частично связана с
кинетикой образования сварного соединения. В этом случае ве-
роятность появления бракованного соединения определяется
только нестабильностью исходной толщины свариваемой пласт-
массы. Сравнительные механические испытания сварных швов,
полученных при сварке по описанным выше двум схемам огра-
ничения продолжительности импульса, подтверждают большую
эффективность второго способа. Однако последний способ ог-
раничения требует получения изделия с малым допуском по
разнотолщинности. Технологические операции но переработке
пластмасс (литье под давлением, вакуум-формование и др.) не
всегда обеспечивают выполнение этого условия.
При сварке изделия из “жестких" пластмасс (полистирол,
винипласт и др.) высокая прочность шва достигается при осадке
пластмасс, составляющей десятые и сотые доли миллиметра, по-
этому разнотолшинность приводит к появлению большого числа
бракованных соединений. Кроме того, использование схемы
сварки “по фиксированной осадке" предполагает определенную
деформацию зоны шва, что иногда бывает недопустимо вследст-
вие ухудшения товарного вида изделия. Эта схема выключения
ультразвукового импульса неприменима при сварке пленочных
материалов малых толщин.
В связи с тем что ни один из перечисленных способов в пол-
ной мере не удовлетворяет требованиям стабильности и надеж-
ности процесса ультразвуковой сварки пластмасс, разработан
355
Рис. // / Схема магнитоуп-
ругого датчика:
Я - амг1ли|уда колебаний
новый способ регулирования продолжительности ультразвуко-
вого импульса, основанный на контролировании изменения
энергетических параметров в процессе сварки.
Для реализации этого способа в
МГТУ им. Н.Э.Баумана разработан маг-
нитоупругий датчик (рис. 11.1), пред-
ставляющий собой никелевый стержень,
верхняя часть которого является опорой,
где размещается свариваемая деталь. На
верхний слой датчика в целях меньшего
износа рабочей поверхности наплавля-
ется стеллит на никелевой основе марки
ВНХ. На никелевом стержне располо-
жены две обмотки: 1 - обмотка подмаг-
ничивания для создания постоянного
волновода; и - амплитуда коде- . г-
банки опоры: Рс„ - сварочное МЯГНИТНОГО ПОТОКЙ И II - рабочая об-
давление; / - обмотка подмагни- МОТКа, В КОТОрОЙ ВОЗНИКЗСТ Измеряемая
чивания; //- рабочая обмотка ЭДС При НагруЖеНИИ ДаТЧИКД ВНеШНСЙ
переменной механической нагрузкой.
При проектировании датчиков такого типа определяются
следующие параметры: высота, площадь сечения рабочего
стержня, количество обмоток и числа витков в них. Колебания
волновода вызывают появление переменного напряжения в ма-
териале датчика, чго, в свою очередь, вызывает изменение его
магнитных характеристик. Появление переменного магнитного
потока вызывает переменное напряжение на рабочей обмотке
датчика. Полезную информацию о ходе процесса сварки или о
состоянии полимера в каждый момент времени несет амплитуд-
ное значение этого переменного напряжения. Поэтому характе-
ристикой состояния полимера или течения процесса сварки бу-
дет служить огибающая сигнала, которая получается в результате
выпрямления напряжения датчика.
Амплитуда колебаний опоры а. пропорциональна величине
сигнала датчика, определяется интенсивностью прошедшей че-
рез полимер в процессе сварки ультразвуковой волны и описы-
вается следующим выражением:
а = ADfA^e(th.
где А - амплитуда смещений волновода; D коэффициент пропускания; г -
коэффициент рассеивания; а - коэффициент затухания; h - тол шина слоя по-
лимера.
Изменение амплитуды колебаний опоры в процессе сварки,
зависящее от перечисленных выше параметров, достаточно пол-
но описывает изменение свойств полимера в процессе образова-
ния сварного шва. Поэтому изменение амплитуды колебаний
356
опоры при сварке а == Дг) получило название кинетической ха-
рактеристики процесса.
Как видно из рис. 11.2, кинетическая
характеристика процесса сварки может
быть условно разделена на три участка.
На участке I происходит уменьшение
сигнала датчика от значения дн, опреде-
ляемого исходными свойствами полиме-
ра, до некоторого минимального значе-
ния яМИн- Уменьшение сигнала можно
объяснить увеличением коэффициента
поглощения среды в результате нагрева. В
течение некоторого времени сигнал пМИ!|
поддерживается постоянным (участок /7).
Продолжительность участка II зависит
от свойств полимера и его толщины.
Рис. П.2. Характерные уча-
стки кинетической характе-
ристики процесса сварки.
Пояснения в тексте
Для участка /77 характерно увеличение сигнала до ймакс, вызван-
ное продавливанием полимера до полного разрушения.
Установлено, что моменту образования сварного соединения
соответствует граница между участками I и II.
Возможность контроля сварки по кинетической характери-
стике подтверждается ее связью со следующими параметрами:
температурой в зоне сварки, величиной осадки, площадью сва-
рочной точки, прочностью сварного соединения, тепловыделе-
нием в образце. К моменту выхода сигнала датчика на мини-
мальный уровень дмин температура в шве максимальна и дости-
гает температуры вязкотекучего состояния, а осадка минимальна
и существенно не снижает прочности сварного соединения
Площадь сварной точки достигает 90-95% максимально возмож-
ной, а прочность сварного соединения максимальна. Таким об-
разом, оптимальная продолжительность ультразвукового им-
пульса определяется временем, за которое сигнал датчика изме-
няется от а„ до дМИц.
Следует обратить внимание на то обстоятельство, что в слу-
чае сварки мягких полимеров больших толщин (для полиэтиле-
на - свыше 1,5 мм) в связи с особенностями тепловыделения
достижение минимального значения сигнала датчика ямин свиде-
тельствует лишь об образовании максимально разогретой облас-
ти в массе полимера. Только в том случае, если эта область ока-
зывается непосредственно на границе раздела свариваемых эле-
ментов, появление сигнала пмин свидетельствует об образовании
сварного соединения. Поэтому применение схемы сварки с ог-
раничением продолжительности сварочного импульса по кине-
тической характеристике возможно для мягких термопластов
толщиной примерно до 1,5 мм, а для жестких - до толщин.
357
обеспечивающих совпадение максимально разогретой зоны с
границей раздела.
11.4. ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЙ КОНТРОЛЬ СВАРНЫХ
И КЛЕЕВЫХ СОЕДИНЕНИЙ ВНЕШНИМ ОСМОТРОМ
И МЕХАНИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ
Внешний осмотр соединения позволяет выявить такие дефек-
ты, как искажение формы шва, трещины, непровары, смещение
деталей, прожоги, деформации, уменьшение толщины шва, под-
резы, вмятины, несовпадение кромок. Вид сварных швов и
клеевых соединений должен сохраняться постоянным по всей их
длине. Сравнение цвета шва и основного материала позволяет в
отдельных случаях судить о соблюдении технологического ре-
жима, о деструкции материала при склейке и сварке [29, 34, 35].
Внешнему осмотру следует подвергать все сварные и клеевые
соединения независимо от применения других методов контро-
ля. При внешнем осмотре изделий, выполненных из оптически
прозрачных материалов (полиметилмет акрила га, полиэтилена и
полистирола без красителей и др.), следует использовать силь-
ный источник света, освещающий деталь либо под углом, либо с
горца; таким образом удается выявить некоторые внутренние
дефекты клеевого и сварного шва. Наиболее ценная информа-
ция при контроле внешним осмотром может быть получена при
исследовании сварных и склеенных изделий из пленочных мате-
риалов, синтетических тканей и нетканых материалов, изготав-
ливаемых из волокнистых холстов. По внешнему виду сварной и
клеевой шов этих материалов должен быть ровным, без складок
и сборок. Края швов должны иметь округлые очертания без рез-
ких переходов |6, 37].
Наружные дефекты сварного и клеевого соединения из
“жестких" пластмасс могут быть выявлены при осмотре изделия
с использованием люминесцентного метода контроля. При этом
методе поверхность изделия покрывают люминесцируюшей
жидкостью (дсфектоль. керосин и т.д.). После выдержки, доста-
точной для того, чтобы жидкость заполнила поверхностные де-
фекты, удаляют ее излишки. Изделие осматривают в затемнен-
ном помещении, освещая его ультрафиолетовыми лучами, на-
пример от кварцевой лампы. Люминесцентная жидкость, попа-
дая в трещину, незаметную при обычном осмотре, дает в этом
случае хорошее видимое изображение дефекта.
Без выявления дефектов сварных и клеевых соединений пу-
тем осмотра нецелесообразно проводить испытания швов на
прочность, применять ультразвуковой, рентгеновский и другие
виды контроля.
358
При выполнении сварочных
и клеевых работ большое вни-
мание следует уделять качеству
исходных материалов (листов,
труб, пленок), которые должны
иметь сопроводительные доку-
менты (сертификаты). При от-
сутствии такого документа ма-
териал должен подвергаться
предварительным механическим
и гермомеханическим испыта-
ниям. Механические испытания
проводят при растяжении об-
разцов при кратковременном и
длительном на!ружении, в от-
дельных случаях - при допол-
нителном воздействии агрес-
сивных сред [37, 38].
. Механические испытания
по ГОСТ 16971-71 проводят
для определения механических
свойств сварного соединения
листового и пленочного материа-
ла на образцах, форма и размеры
которых показаны на рис. 11.3.
Образцы вырезают из свар-
ных соединений фрезеровани-
Рнс. /1.3. Форма и размеры заготовок
сварных образцов для испытаний на
растяжение (Ну — ширина неисполь-
зованного участка): стыковых соедине-
ний (л), нахлесточных соединений (о)
ем - при сварке материалов
толщиной более I мм и с помощью специального приспособле-
ния по ГОСТ 14236-81 - в случае пленочных соединений.
и Т-образных соединений
1
17Ц
120
60
170
115
д
Перед испытанием проводят
осмотр образца с применением
увеличительных приборов и вы-
являют трещины, непровары,
смещение кромок, несоответствие
размеров шва. Размеры шва и вы-
явленных дефектов измеряют с
точностью до ±0,01 мм.
Испытания
сварных
материалов
(рис. 11.4)
по ГОСТ
материалов
ГОСТ 14236-81.
Рис /1.4. Форма и размеры образ-
цов для испытаний на растяжение
на растяжение
соед и нений л исто вы х
толщиной более 1 мм
проводят на образцах
11262-80, пленочных
- на образцах по
Испытаниям
359
подвергают одновременно образцы сварных соединений и ос-
новного материала.
Относительная прочность сварных соединений Ксъ (%) рас-
считывается по формуле
*св = Стр 100/<тр,
где с'р - прочность при растяжении сварного соединения; ар - прочность
(разрушающее напряжение) при растяжении основного материала, равная
Op
где /’|)1ах - максимальная нагрузка при растяжении; а - среднее значение шири-
ны образца; b - среднее значение толщины образца.
Длительные испытания проводят при комнатной или повы-
шенных температурах, при воздействии агрессивных сред, со-
вместном воздействии температуры и агрессивной среды. Испы-
таниям подвергают одновременно образцы сварных соединений
и основного материала с целью определения коэффициента дли-
тельной прочности. Для длительных испытаний используют
многопозиционные стенды.
Испытания на коррозионную стойкость после воздействия
агрессивной среды проводят в соответствии с ГОСТ 16971-71
при растяжении. Число образцов по ГОСТ 112262-80 не менее
20, половину из них помещают в агрессивную среду. Время вы-
держки образца в среде, температура и состав устанавливаются
специальной технической документацией. Оставшиеся образцы
подвергают испытанию без выдержки в агрессивной среде, и
средние значения прочности определяют коэффициент сохране-
ния свойств Кусл (%):
^VCJ ®ср ' ЮО/^ср,
где и пср - средние арифметические значения прочности образцов, под-
вергшихся и не подвергшихся воздействию агрессивной среды; шов считается
качественным при Кус„ > 75%.
Для определения механических свойств труб и их сварных со-
единений из стыка вырезают образны (тех же размеров, что и
образцы листовых материалов), и испытания проводят по опи-
санной выше методике. Кроме того, ВНИИСТ разработана спе-
циальная методика для испытания сварных соединений пласт-
массовых трубопроводов [1,4, 10].
Признаками удовлетворительного качества сварного шва при
испытании образцов на растяжение являются разрушение образ-
цов вне плоскости сварки и пластический характер разрушения
(образование "‘шейки”) [4, 37].
360
Испытания на статический
изгиб проводят по схеме, приве-
денной на рис. 11.5 на образцах
шириной 10 мм и длиной
40о + 100 мм (о - толщина стен-
ки трубы), но не менее 250 и не
более 400 мм. Испытание заклю-
чается в плавном (безударном) де-
формировании образца в течение
3-5 с, при этом поверхность об-
разна, соответствующая внутрен-
ней поверхности стенки трубы,
должна находиться в растянутой
зоне. Удовлетворительными счи-
таются результаты испытания, ес-
ли не менее 80% образцов выдер-
жали изгиб на угол 180° при отсут-
ствии разрушений, обнаруживае-
мых без увеличительных приборов.
При испытаниях на отдир
7
Рис. 11.5. Схема испытаний сварных
образцов на статический изгиб:
/ - сварной образен в виде полоски;
2 - шкала угломера; 3 - деревянное или
металлическое ребро. 4 - основание для
закрепления ребра (зажимное устройство)
производят изгиб свободной части образна, защепленного на
половину длины шва (рис. 11.6). При толщине стенки грубы до
10 мм ширина образцов для испытаний должна составлять
10 мм, а длина - 405 + 20 мм. При удовлетворительном качестве
соединений разрушение должно происходить по основному ма-
териалу или частично по шву и частично по материалу.
Рис. 11.7. Схема испытания раструбного
сварного соединения
/ - основание; 2 - полая металлическая
форма; 3 - испытываемый образец; 4 - метал-
лический пуансон; 5 - сварной шов
Рис. 11.6. Схема испытаний раструб-
ных сварных соединений на отдир;
/ - части образца, вырезанные из
трубы; 2 - сварной шов; 3 ~ зажимное
устройство
Для испытания на сдвиг из середины раструбного соединения
вырезают образец в виде кольца, высота которого равна полови-
не глубины раструба. Испытание проводят по схеме, приведен-
ной на рис. 11.7, при этом разрушающее напряжение определя-
ют по формуле
361
ар = Fp/(nD/H).
где Fp - нагрузка, при которой разрушился сварной образец, D - среднеарифме-
тическое значение диаметра внутренней и внешней поверхности соединения;
Н - высота образца.
11.5. КОНТРОЛЬ ПЛОТНОСТИ И ГЕРМЕТИЧНОСТИ
КЛЕЕВЫХ И СВАРНЫХ ШВОВ
После тщательного внешнего осмотра соединений произво-
дится проверка плотности сварного или клеевого шва или всего
изделия, если процесс склейки-сварки мог стать причиной по-
явления дефектов в основном материале.
Все способы проверки плотности сварного или клеевого со-
единений основаны: 1) на способности дефектных соединений
пропускать какие-либо газы или жидкости; 2) на понижении
удельного объемного электрического сопротивления дефектного
сварного соединения.
При первых способах проверки соединений на плотность в
качестве газовых сред может быть использован воздух или амми-
ак. Ко вторым способам относятся электроискровой и электро-
литический.
Метод давления применяют для установления герметичности
сварных и клеевых швов резервуаров, емкостей, трубопроводов
и других конструкций из полимерных материалов.
Существует метод гидравлического давления, предназначен-
ный для контроля сварных и клеевых изделий, работающих под
высоким давлением. Гидравлическим давлением выявляют дос-
таточно большие дефекты - такие, как^ трещины, непровары
большой протяженности, непроклеи, сквозные поры. Испытания
на герметичность можно производить давлением воздуха с пред-
варительным промазыванием сварных и клеевых швов мыльным
раствором. Появление мыльных пузырей на промазанном участке
свидетельствует о нарушении герметичности шва [37].
Метод контроля воздухом с аммиаком позволяет повысить
чувствительность к выявлению мелких пор и нестабильностей в
шве. Для выявления сквозных дефектов применяют метод обду-
ва воздухом.
Кроме механических испытаний для проверки герметичности
сварных соединений и основного материала в случае пленочных
термопластов применяют метод сварных ячеек. Ячейку (рис. 11.8)
изготавливают из двух пленок, собранных в пакет и полученных
путем сварки несколькими взаимопересекающимися швами.
Между пленками прокладывают газопроницаемую подложку
(ткань) и в одной из пленок закрепляют капиллярную пробоот-
борную трубку. После сборки пакета края пленок обваривают
362
кантовым швом по всему периметру пакета. Ячейку испытывают
на стенде, включающем герметичную термостатированную ка-
меру, баллон с рабочим газом и прибор для измерения объема
газа, продиффундировавшего через сварные шва и основной ма-
териал (рис. 11.9).
Рис 11.8. Схема сборки ячейки
для испытаний сварных швов
пленок на газопроницаемость:
/ - листы полимерной пленки; 2- про-
боелборпая трубка; 3 - газопроницаемая
подложка (ткань); 4 - сварные швы
Рис. П.9. Стенд для испытания сварных
полимерных пленок на герметичность:
/ - баллон высокого давления; 2 — регу-
лировочный вентиль; 3 - манометр; 4 - пробо-
отборная трубка; 5 - прибор для измерения
объема продиффундировавшего газа; 6 - ис-
пытательный сосуд; 7 - испытываемая ячейка;
8- теплоизолятор; 9- электропечь
При полной герметичности сварных швов ячейки газ попада-
ет внутрь пакета только путем диффузии через его стенки
(основной материал) и материал шва. Зная площадь поверхности
пакета и толщину стенки и определив объем проникшего за из-
вестный промежуток времени в пакет газа, можно вычислить
коэффициент проницаемости эталонного газа через исследуе-
мую сварную ячейку. При этом подсчитывают отношение рабо-
чей плошади ячейки к общей площади сварных швов. Получен-
ную таким образом проницаемость сварных ячеек сравнивают с
проницаемостью пакетов без пересекающихся швов и испытан-
ных таким же образом. Очень сходная методика применяется
для контроля герметичности сварных и клеевых швов с приме-
нением вакуумной системы и галогенных и гелиевых течеиска-
телей (ГТИ-6, ПТИ-10).
Емкости, наполненные различными жидкими продуктами,
проходят испытания на вакуум. Согласно техническим услови-
ям, давление в вакуумной камере устанавливается равным
0,008 МПа, что с избытком удовлетворяет требованиям проверки
сварных изделий на герметичность. Испытания проводятся сле-
дующим образом. Предварительно на дно гнезд камер укладыва-
ется лист чистой бумаги, а на него - сварное изделие. При под-
жатии колпака к столу вакуумной камеры происходит откачка
363
воздуха из камеры При достижении необходимого вакуума за-
груженная продукция выдерживается под заданным разрежени-
ем в течение 5-10 с, после чего срабатывает клапан, через кото-
рый нагнетается воздух в камеру. После поднятия колпака про-
веряются гнезда камеры. Если на бумаге имеется влажный отпе-
чаток, то сварное соединение считается негерметичным и от-
правляется в брак [34, 351.
Из других неразрушающих методов контроля для оценки
герметичности соединений термопластов могут быть рекомендо-
ваны электроискровой и электролитный. При использовании
первого из них испытываемый сварной шов помещают между
электродами, к которым прикладывают высокое напряжение (до
20 кВ). В области дефекта происходит электрической пробой,
который фиксируется по зажиганию неоновой лампочки.
При электролитическом способе контролируемое изделие
погружают в ванну с электролитом или наносят электролит на
поверхность изделия. При наложении на изделие электродов
наличие сквозного дефекта в сварном соединении обнаружива-
ется по отклонению стрелки гальванометра. В качестве электро-
лита обычно применяют 3%-й раствор NaCL
11.6. КОНТРОЛЬ ВНУТРЕННИХ ДЕФЕКТОВ
СВАРНОГО И КЛЕЕВОГО СОЕДИНЕНИЙ
Описанные выше способы конгроля пригодны для выявления
поверхностных или сквозных дефектов сварного или клеевого со-
единения. Внутренние дефекты (поры, посторонние включения,
нарушения внутренней геометрии и т.д.) этими способами обнару-
жены быть не могут. В последнее время для контроля внутренних
дефектов сварного или клеевого соединения из пластмасс разрабо-
таны различные физические неразрушающие методы испытаний.
Ниже кратко рассмотрены эти методы |6, 29,35, 37].
Инфракрасная дефектоскопия. Методы инфра-
красной дефектоскопии основаны на регистрации инфракрас-
ного излучения, отраженного или прошедшего через исследуе-
мую среду. Контроль производится следующим образом. Поток
инфракрасного излучения направляется излучателем на изделие.
Спектр излучаемого сигнала зависит от типа ИК-источника, оп-
тических свойств исследуемого материала.
Возможность выявления дефектов и внутренней структуры
материала основывается на зависимости между оптической
плотностью исследуемого материала и интенсивностью про-
шедшей лучистой энергии. При таких испытаниях хорошо вы-
являются внутренние трещины, несплавления и пустоты диа-
метром около миллиметра и более.
364
Ультразвуковая дефектоскопия. Ультразвуковой
контроль нашел наибольшее применение благодаря простоге и
высокой производительности, надежности и универсальности
Он с успехом применяется для выявления внутренних и поверх-
ностных дефектов как в сварных и клеевых швах, так и в основ-
ном материале. Ультразвуковые испытания позволяют нс только
определять трешины, микротрещины, посторонние включения и
т.п., но и прогнозировать долювечность ответственных деталей
и конструкций из пластмасс [34, 35, 37].
В основе ультразвуковой дефектоскопии лежит способность
ультразвука отражаться от поверхности раздела двух сред с раз-
личной акустической плотностью, например от нес плотностей,
раковин, трещин и др. Для получения ультразвука используют
генераторы (УД-10П, УЗД-МВТУ, ДУК-66, ДУК-66П), являю-
щиеся источниками переменного тока, и специальные излучате-
ли. Основным элементом излучателя является пьезоэлектриче-
ский преобразователь-пластина [38].
Ультразвуковой контроль пластмасс отличается от контроля
металлов. Во-первых, в пластмассах затухание ультразвука зна-
чительно больше, чем в металлах. Например, коэффициент зату-
хания ультразвука при частоте 2,5 МГц составляет для полиме-
тилметакрилата и полистирола соответственно 58 и 23 м-1, а для
стали дюралюминия - 1 и 2 м"1. Таким образом, для контроля
изделий из пластмасс, имеющих одинаковую толщину с метал-
лами, требуется значительно большая акустическая мощность.
Во-вторых, скорость ультразвука в пластмассах гораздо меньше,
чем в металлах. Например, для пол и метил метакрилата и поли-
стирола скорость продольных волн составляет 2,67 106 и
2,35 • 106 мм/с, а для стали и дюралюминия - около 6 106 мм/с.
Из-за уменьшения скорости ультразвука в пластмассах трудно
ввести ультразвуковой луч в сварное или клеевое соединение
под нужным углом. Для увеличения угла ввода, позволяющего
озвучивать сварной или клеевой шов, можно применять ввод
колебаний через воду. Водяная прослойка удерживается при по-
мощи специального полиэтиленового переходника.
Рентгенографическая дефектоскопия. Рентге-
нографический метод контроля состоит в том. что через иссле-
дуемый материал с различными структурой или дефектами про-
пускается рентгеновское излучение. Преобразовав прошедшее
излучение в видимое изображение с помощью, например, фото-
пленки или специальных флюороскопических экранов, можно
судить о внутреннем состоянии изделия. Таким образом, можно
выявить характер, границу, конфигурацию и глубину залегания
дефекта. Чем больше плотность материала, чем больше он ос-
лабляет излучение, тем более высокую контрастную чувстви-
365
тельность будет иметь рассматриваемый способ контроля. Ко-
эффициент ослабления излучения у большинства пластмасс
весьма мал. Повысить его можно уменьшением напряжения на
трубке. Таким образом, основной особенностью рентгеновского
контроля сварных и клеевых соединений является необходи-
мость применения мягкого излучения при небольших напряже-
ниях на электродах трубки |35, 37].
Для контроля пластмасс могут быть рекомендованы рентге-
новские аппараты отечественного производства типа РАП-
150/300-01 и РУП-120-5-1.
Увеличение чувствительности рентгенографического способа
контроля может быть достигнуто при использовании в качестве
приемников излучения сцинтилляционных счетчиков. Попада-
ние рентгеновского излучения на активное вещество этих счет-
чиков приводит к появлению вспышек видимого или ультра-
фиолетового света. Использование вместе со сцинтилляционны-
ми счетчиками фотоэлектронных умножителей сделало возмож-
ным преобразовать информацию рентгеновского излучения о
состоянии вещества в электрические сигналы. После усиления
эти сигналы можно записать на электронном потенциометре,
получив видимое изображение дефектов изделия.
Использование рентгеносцинтилляционного метода значи-
тельно повышает чувствительность контроля пластмассовых из-
делий. Этот метод позволяет выявить дефекты типа расслоений
и трещин с малым раскрытием, расположенных перпендикуляр-
но направлению просвечивания. Поры, скопления пор, метал-
лические включения также выявляются с высокой степенью на-
дежности ]6, 29, 37].
Капиллярные методы дефектоскопии основаны
на способности жидкости проникать в поверхностные дефекты
изделия. Они применяются для обнаружения всех типов поверх-
ностных трещин, расслоений, течей в сварных и клеевых строи-
тельных конструкциях из полимерных материалов.
К капиллярным методам относятся: люминесцентный, цвет-
ной (метод красок) и люминесцентно-цветной. В первом и
третьем методах применяют люминесцентные жидкости, кото-
рые высвечиваются под действием ультрафиолетовых лучей. Во
втором методе в качестве проникающих жидкостей используют-
ся красящие жидкости.
Методика проведения контроля для всех капиллярных мето-
дов одинакова и состоит из следующих операций: обезжирива-
ние поверхности изделия, нанесение на поверхность проникаю-
щей жидкости, нанесение проявителя, осмотр и расшифровка
результатов. Проникающую жидкость наносят, погружая изде-
лия в ванну, при помощи кисти или пульверизатора. Применяя
366
сухие и жидкие проявители, которые подобно промокательной
бумаге вытягивают проникающую жидкость из плоскости дефек-
та за счет абсорбции и распределяют ее на поверхности изделия
в пределах небольшой области вокруг дефекта, можно получить
его изображение. Окраска получаемых изображений дефекта за-
висит от вида проникающей жидкости [38].
С помощью проникающих жидкостей возможен контроль
сквозных отверстий на соединениях из полимеров небольшой
толщины (от 0,5 до 3,0 мм).
Радиотехнические методы контроля основаны на
применении радиоволн сверхвысоких частот (СВЧ) - от
1000 МГц до 100 ГГЦ. Радиоволны хорошо проникают в диэлек-
трики. В этом случае не требуется контакта между зондирующим
устройством и контролируемым изделием. При наличии в изде-
лии трещин, инородных включений и прочих дефектов радио-
волны. отражаясь или проходя через них. меняют фазу (фазовый
метод), амплитуду (амплитудный метод) или характер поляриза-
ции (поляризационный метод).
В радиодефектоскопах используется как отражение радио-
волн, так и затухание при прохождении их через изделие; в по-
следнем случае чувствительность метода выше. Существуют
комбинированные радиодефектоскопы для контроля пластмасс,
в которых одновременно используются радиотехнический и
ультразвуковой методы.
Радиотехнические методы применяют для контроля сварных
и клеевых строительных конструкций, у которых шва не имеют
грата. При контроле изделий из пластмасс выявляются трещины
с раскрытием более 0,1 мм и глубиной более 3 мм, непровары;
особенно хорошо выявляются инородные включения 134, 35, 38].
Электростатический метод, как и капиллярные ме-
тоды, позволяет выявить поверхностные дефекты (трещины, по-
ры, несплошности и др.) в сварных и клеевых соединениях из
пластмасс. Он основан на трибоэлектрическом эффекте, т.е. на
возникновении электростатического поля за счет трения. Метод
прост, дешев, высокопроизводителен. Методика проведения
контроля такая же, как при контроле с использованием прони-
кающей жидкости. На поверхность очищенного изделия наносят
жидкость, которая состоит из воды, смачивающего вещества и
веществ, обеспечивающих слабую электропроводность. Через
некоторое время поверхности высушенного изделия опыляют
порошком, частицы которого несут электрические заряды. При
этом в жидкости, оставшейся в дефекте, происходит направлен-
ное перемещение ионов: если частицы порошка имеют положи-
тельный заряд, то отрицательные ионы жидкости будут переме-
щаться к вершине дефекта, а положительные ионы - к основа-
367
ник) дефекта. Далее напыленный порошок удаляют с поверхно-
сти изделия; при этом за счет кулоновского притяжения между
положительными частицами порошка и отрицательными ионами
жидкости образуется видимое изображение дефекта.
Электроисковой метод контроля основан на электро-
изоляционных свойствах полимерных материалов. Если изделие
из пластмасс поместить в пространство между электродами, к
которым приложена большая разность потенциалов (15-20 кВ),
то в области дефекта в клеевом и сварном соединениях проска-
кивает искра, которая на приборе отображает дефектный уча-
сток в виде непроваров, трещин, пор. Этот метод применяется
для контроля швов в сварных и клеевых соединениях тонких
полимерных пленок [37, 38[.
Электролитный метод основан на электроизоляцион-
ных свойствах пластмасс. Сварное или клеевое изделие поме-
щают в ванну с электролитом (3%-й раствор поваренной соли)
или электролит наносят на поверхность изделия. Наличие де-
фекта в сварном и клеевом соединениях обнаруживается по от-
клонению стрелки гальванометра при наложении на изделие
электродов [29].
Тепловой метод контроля основан на изменении рас-
пределения теплового излучения, испускаемого исследуемым
изделием, при наличии в нем дефекта. Он применяется для кон-
троля листовых сварных и клеевых соединений из полимерных
материалов после снятия грата. Метод позволяет определить
форму, размеры и места расположения больших дефектов типа
нарушения сплошности. Схема контроля проста. С одной сто-
роны изделия размешают источник нагрева - плазмотрон, лазер
и др., а с другой - приемную аппаратуру повышенной чувстви-
тельности. Такая аппаратура дает возможность представить кар-
тину распределения теплового излучения по поверхности изде-
лия в виде изображения на экране электронно-лучевой трубки
или на фотобумаге; при этом выявляются дефекты [35. 37, 38|.
Оптические методы контроля основаны на регистра-
ции светового (видимого) или инфракрасного ихпучения, отра-
женного контролируемым изделием или прошедшего через него
[34, 35].
В заключение следует отметить, что комплексное применение
рассмотренных методов контроля обеспечивает выявление воз-
можных дефектов соединений и тем самым гарантируш безот-
казную работу сварных и клеевых соединений из пластмасс, вы-
полненных различными методами сварки и склеивания.
368
__________________Глава 12
ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ СВАРКЕ
И СКЛЕИВАНИИ
Во время работ, проводимых при сварке и склеивании пласт-
масс, необходимо соблюдать правила техники безопасности и
охраны труда, установленные СНиП 111-4-80 “Техника безо-
пасности в строительстве” и ГОСТ 12.13)04 76 “Системы стан-
дартов безопасности труда (ССБТ). Пожарная безопасность.
Общие требования”.
В целях обеспечения электробезопасности все электрообору-
дование установок, применяемое для сварки и склеивания пла-
стмасс, должно соответствовать правилам устройства электроус-
тановок (ПУЭ): ГОСТ 12.2.007.0-75 “Системы стандартов безо-
пасности труда. Изделия электротехнические. Общие требования
безопасности” |5, 29|.
При работе с оборудованием для сварки пластмасс и склеи-
вания материалов следует выполнять предписания по эксплуата-
ции и безопасному обслуживанию установок, имеющиеся в ин-
струкциях организаций-разработчиков и заводов-изготовителей.
Корпус любого источника питания устройств для сварки и
склеивания пластмасс необходимо надежно заземлять через за-
земляющие провода. Сопротивление изоляции сварочных уста-
новок должно соответствовать требованиям ПУЭ [1, 29].
К работам на установках для сварки и склеивания пластмасс до-
пускаются лица мужского пола не моложе 20 лет, прошедшие ме-
дицинское освидетельствование, специальное обучение, вводный
инструктаж по технике безопасности, мерах пожарной безопасно-
сти, а также сдавшие экзамены специальной комиссии |1, 29|.
Работы по сварке и склеиванию пластмасс следует проводить
на открытом воздухе или в предназначенных для этого помеще-
ниях, которые должны соответствовать санитарным и противо-
пожарным нормам.
Каждое рабочее место для сварки и склеивания пластмасс
должно быть оборудовано приточно-вытяжной вентиляцией с
обменом воздуха не менее 1500 м3/ч. Особая осторожность необ-
ходима при сварке внутри резервуаров и в небольших закрытых
помещениях. К месту сварки в резервуаре надо вентилятором
подавать свежий воздух и отсасывать выделяющиеся газы [1, 39].
В случае непредвиденного выключения вентиляции работу
следует по возможности прекратить, надеть индивидуальный
противогаз, сообщив об этом мастеру. Все работы с вредными
веществами проводить в застегнутом халате, пользоваться рези-
369
новыми перчатками и прорезиненным фартуком, в ряде случаев
надевать защитные очки или маски. Для выполнения операций,
при которых в воздухе образуется пыль, газ, рабочий должен,
кроме того, пользоваться еще противопылевым респиратором и
надевать на голову шапочку или косынку [291.
При сварке в закрытых помещениях рабочие места сварщи-
ков оборудуют местными отсосами для удаления выделяющихся
вредных газов, паров и пыли или применяют сварочное обору-
дование со встроенными отсосами.
При сварке пластмасс с использованием баллонов с газами
(пропан-бутановая смесь, азот, сжатый воздух) необходимо
строго соблюдать правила эксплуатации сосудов. Каждый баллон
должен иметь опознавательную окраску и надпись (азот: окраска
баллона черная, надпись “Азот” желтого цвета; сжатый воздух:
окраска черная, надпись “Сжатый воздух” белого цвета; бутан:
окраска баллона красная, надпись “Бутан” белого цвета) [I].
Наполненные баллоны с насаженными на них башмаками
должны храниться вертикально. Баллоны без башмаков могут
храниться в горизонтальном положении на стеллажах.
При сварке нагретым газом следует помнить, что
горючие газы в смеси с воздухом образуют взрывчатые смеси.
При работе со сжиженными газами (пропан-бутановая смесь)
необходимо иметь в виду, что они тяжелее воздуха и при утечке,
скапливаясь в подвалах и углублениях, создают очаг взрыва. При
этом работы должны проводиться строго по инструкциям, ут-
вержденным Госгортехнадзором [29, 40].
При сварке нагретым инструментом необходимо
следить за тем, чтобы температура инструмента не превышала
250 °C, так как при более высоких температурах фторопласт,
присутствующий на поверхностях инструмента, начинает разла-
гаться, выделяя токсичные газы.
При первичных признаках отравления продуктами разложе-
ния фторопласта потерпевшего следует немедленно вывести на
свежий воздух и оказать медицинскую помощь [29, 39].
При сварке расплавом запрещается направлять ствол
экструдера в сторону людей, заглядывать в канал сопла, так как
возможен выброс расплавленной массы. Запрещается проталки-
вать гранулы в бункер экструдера каким-либо предметом или
руками [29].
При сварке трением и вибротрением необходи-
мо строгое соблюдение правил техники безопасности, изложен-
ных в ГОСТ 12.01.2-78 “ССБТ. Вибрация”.
В процессе сварочных работ не допускается возникновения
резонансного режима возбуждения сварочной установки, отри-
цательно влияющего на здоровье человека, а также разруши-
370
тельно воздействующего на оборудование, фундаменты, соору-
жения |41 ].
Предупреждение возникновения низкочастотных вибраций
достигается изменением параметров вибраций системы, вибро-
демпфированием, применением систем гашения колебаний [29].
При сварке излучением должны быть обеспечены
средства для зашиты лица и глаз щитками или очками с защит-
ными стеклянными светофильтрами.
При ультразвуковой сварке следует соблюдать об-
щие требования безопасности по ГОСТ 12.1.001-83, а также тре-
бования, относящиеся к эксплуатации ультразвуковых установок
по ГОСТ 12.2.051-80. Звуковые давления в диапазоне частот 16-
22 кГц для рабочих мест не должны превышать 75-110 дБ, а об-
щий уровень шума в диапазоне частот 16-100 кГц не должен
превышать НО дБ [1.39].
Ультразвук воздействует на человека на расстоянии или при
контакте с инструментом-волноводом.
Защита от ультразвука производится за счет заключения пре-
образователя в звукоизолирующий эластичный кожух; исполь-
зуют отражающие экраны, в частности светопрозрачные; мощ-
ные ультразвуковые установки размещают в специальных поме-
щениях.
При работе установок не следует касаться руками колеблющего-
ся волновода-инструмента, а также свариваемых деталей |1, 29|.
При сварке пластмасс ТВЧ следует избегать воздей-
ствия электромагнитного поля высокой частоты, длительное
воздействие которого вызывает расстройство центральной нерв-
ной системы. Работающие на установках ТВЧ должны регулярно
подвергаться медицинскому осмотру.
Во время работы запрещается касаться руками токоведущих
частей установки, снимать фильтры, открывать дверцы генера-
тора и т.д. На каждом рабочем месте оператор должен быть
снабжен резиновыми богами, диэлектрическими перчатками,
резиновым ковриком, электроизолированным инструментом.
Установки следует содержать в чистоте, не допуская появления
на них пыли и влаги [1, 39, 40|.
При работе с клеями следует соблюдать максималь-
ную осторожность. Неаккуратность, невнимательность, недоста-
точное знакомство с приборами, аппаратами и свойствами ве-
ществ, с которыми ведутся работы, могут повлечь за собой не-
счастные случаи [6, 29].
Каждый рабочий должен знать технологию применения клеев
и растворителей. Особую осторожность следует проявлять при
работе с инициаторами: они могут взорваться в результате на-
грева или удара. Компоненты клеев следует взвешивать и сме-
371
шивать в вытяжных шкафах, а для больших количеств клея - в
смесителях, оборудованных местной вентиляцией.
При приготовлении растворов серной кислоты необходимо
приливать кислоту к воде тонкой струей при непрерывном пе-
ремешивании, чтобы не было местного перегрева и выброса ки-
слоты. Работы с клеем должны проводиться в специальных про-
хладных, вентилируемых помещениях. Закончив работу, рабо-
тающий должен теплой водой с мылом смыть клей с рук и пер-
чаток, после чего принять горячий душ |41 ]
Рациональная организация рабочих мест при сварке и склеи-
вании пластмасс, ведение процессов методами передовой техно-
логии, соблюдение правил техники безопасности, производст-
венной санитарии и противопожарной безопасности позволяют
добиться на предприятиях работы без травматизма [6, 29].
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Сварка полимерных материалов: Справочник/К И.Зайцев, Л Н Мацюк,
А.В.Богдашевский и др./Под общей редакцией К И.Зайцева, Л.Н Мацюк. М.:
Машиностроение, 1988. 312 с.
2. Волков С.С., Черняк Б.Я Сварка пластических масс: Учебное пособие для
рабочего образования. М.: Химия, 1987. 168 с.
3. Волков С. С.. Соколов В А Сварка фторопластов. М.: Химия, 1992. 96 с.
4. Зайцев К. И Сварка пластмасс при сооружении объектов нефтяной и газо-
вой промышленности. М. Недра. 1984 224 с.
5. Справочник-словарь по сварке и склеиванию пластмасс/Кораб Г.Н..
Шестопал А.Н., Комаров Г.В. и др./Под ред. Б.Е.Патона. Киев: Наукова Думка,
1988. 160 с.
6. Тризно М.С., Москалев Е.В Клеи и склеивание. Л.: Химия, 1980. 120 с.
7. Тагер А.А. Физикохимия полимеров: Учебное пособие для вузов. М.
Химия, 1978. 432 с.
8. Басин В.С Адгезионная прочность. М : Химия, 1981. 208 с.
9. Гуль В.Е.. Кулезнев В.Н Структура и механические свойства полимеров. 3-е
изд М_: Высшая школа. 1979. 352 с.
10. Зайцев К.И., Мацюк Л.Н. Сварка пластмасс. М : Машиностроение, 1978.
224 с.
11. Вакула В.Л., Притыкин Л.М. Физическая химия адгезии полимеров М :
Химия. 1984. 224 с.
12. Гуль В.Е., Акутин М.С Основы переработки пластмасс: Учебное пособие
для вузов М : Химия, 1985 400 с.
13. Переработка пластмасс: Справочное пособис/Под ред В.А.Брагинского.
Л.: Химия, 1985. 296 с.
14. Шрадер В. Обработка и сварка полуфабрикатов из пластмасс: В вопросах
и ответах/Пер. с нем. М : Машиностроение. 1980 480 с.
15. Штучный Б.П. Механическая обработка пластмасс: Справочник. 2-е изд.
М Машиностроение. 1987 152 с.
16. Комаров ГВ Способы соединения деталей из пластических масс М
Химия, 1979. 288 с.
17. Кошелев В.В. Сварка полимерных материалов нагретым газом, инфра-
красными лучами и нагретой экструдируемой присадкой М Стройиздат, 1984
127 с.
18 Волков С.С., Черняк Б.Я. Сварка пластмасс ультразвуком. 2-е изд. М.
Химия. 1986. 256 с.
19. Справочник проектировщика Проектирование, строительство и экс-
плуатация трубопроводов из полимерных материалов/Шестопал АН., Ромейко
В.С., Бухин В.Е. и др./Под ред. А Н Шестопала и В.С.Ромейко М.: Стройиздат,
1985. 304 с.
20. Сварка, пайка, склейка и резка металлов и пластмасс/Пср. с нем./Под
ред. А.Ноймана, Е.Рихтера М.: Металлургия, 1985. 480 с.
21. Зайцев К.И., Истратов И.Ф., Ляшенко В.Ф. Сварка пластмассовых трубо-
проводов. М.: Недра, 1974. 72 с.
22. Холопов Ю.В Ультразвуковая сварка. М.-Л .: Машиностроение, 1972. 152 с.
373
23. Холопов Ю.В Оборудование для ультразвуковой сварки. Л.: Энергоатом-
издат. 1985. 167 с.
24. Холопов Ю.В. Ультразвуковая сварка пластмасс и металлов Л/ Машино-
строение, 1988. 224 с.
25 Федорова И.Г. Высокочастотные установки для сварки пластмасс Л.:
ЛДНТП, 1977. 56 с.
26. Безменов Ф.В., Федорова И Г Высокочастотная сварка пластмасс. Л.:
Машиностроение, 1980. 89 с.
27. Мощные газоразрядные СО^-лазеры и их применение в техноло-
гии/Абильсиитов Г.А., Велихов Е.П., Голубев В.С., Григорьянц А.Г., Лебедев
Ф.В., Николаев ГА. М.: Наука, 1984 108 с.
28. Паншин Ю.А., Малкевич С.Г., Дунаевская Ц.С. Фторопласты. Л.: Химия.
1978. 229 с
29. Справочник по сварке и склеиванию пластмасс/А.Н. Шестопал.
Ю С Васильев. Э.А.Минссв и др. Киев: Техника. 1986. 192 с.
30. Мозговой ИВ Основы технологии ультразвуковой сварки полимеров:
Учебное пособие. Изд-во Красноярск ун-та, 1991. 280 с.
31 Николаев ГА . Лощилов В.И. Ультразвуковая технология в хирургии. М.:
Медицина, 1980. 272 с.
32 Николаев ГА.. Ольшанский Н.А. Методы сварки: Учебное пособие для ву-
зов 2-е изд. М.: Машиностроение, 1975. 232 с.
33. Ультразвуковая сварка костей и резка живых биологических тка-
ней/Поляков В.А., Николаев Г.А., Волков М.В., Лошилов В И.. Петров В И.
М.: Медицина. 1973 136 с.
34. Ростовцев А.М Контроль качества деталей из пластмасс. Л.: Химия. 1984.
112 с.
35. Алешин Н.П.. Щербинский В.Г Контроль качества сварочных работ. М.:
Высшая школа. 1986 207 с.
36. Алешин Н.П., Лупачев В.Г Ультразвуковая дефектоскопия Справочное
пособие. Минск Высшая школа, 1987. 272 с.
37. Балабина Г.В., Истратов И.Ф. Контроль качества сварных соединений из
пластмасс в строительстве. М.. Стройиздат, 1975. 192 с.
38. Контроль качества сварки: Учебное пособие для вузов/Под ред
В. Н. Волченко. М.: Машиностроение, 1975. 328 с.
39 Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей. М
Энергоиздат. 1986.400 с.
40 Токсикология фторорганических соединений и гигиена труда в их про-
изводстве/Корбанова Н И., Микулова И.Д., Марченко Е.И. и др. М.: Медици-
на, 1975. 183 с.
41. Охрана труда в машиностроснии/Под ред. Е.Я. Юдина. М Машино-
строение, 1976. 385 с.
42 Кардашов Д.А.. Петрова А.П. Полимерные клеи. Создание и применение
М.: Химия. 1983. 256 с.
43 Кардашов Д.А. Синтетические клеи. М.: Химия. 1978 504 с.
44. Справочник по клеям и клеящим мастикам в строительстве/Фиговский
ОЛ., Козлов В.В., Шолохова А.Б. и др./Под ред. В.Г Микульского.
ОЛ.Фиговского. М : Стройиздат, 1984. 240 с.
374
45. Справочник по клеям/Айрапстян Л.К., Заика В.Д . Елецкая Д.Д.. Янши-
на Л.А. Л.: Химия. 1980. 304 с.
46. Технология изготовления клееных конструкций. М Мир, 1975. 446 с.
47. Фрейдин А.С. Прочность и долговечность клеевых соединений. М : Хиг
мия, 1981. 272 с.
48. Сычев М.М. Неорганические клеи. 2-е изд. Л.: Химия. 1986. 153 с.
49. Ковачич Л. Склеивание .металлов и лластмасс/Пер. со словацк. под ред.
А.С.Фрейлина. М. Химия. 1985. 239 с.
50. Справочник по клеям/Пол ред. Г.В.Мовсисяна. Л.: Химия, 1980. 304 с.
51. Клеи и гермстики/Под ред Д.А.Кардашова. М.: Химия, 1978. 200 с.
52. Сборник технических условий на клеяшис материаты/Под ред Д А.
Кардашова. Л.: Химия. 1975. 464 с.
53. Шавырин В.Н., Рязанцев В.И. Клеесварные конструкции. М.: Машино-
строение, 1981 168 с
54. Шавырин В Н , Андреев Н.Х., Цукович А.А. Клсемеханические соединения
в технике. М : Машиностроение, 1968. 230 с.
55. Калнинь М.М. Синтетические клеи и процесс склеивания. Рига: Латв,
респ. ИНТИП, 1971 39 с.