книги / Сварка и свариваемые материалы. Технология и оборудование

поглощение излучения. Ели плоскость поляризации перпендику­ лярна плоскости реза, то большая часть излучения поглощается боковыми поверхностями реза. Скорость и качество резки мо­ гут значительно различаться»в зависимости от изменения на­ правления перемещения оптического резака при вырезке фи­ гурных деталей. Влияние эффекта поляризации ослабляется при повышении температуры металла, а также при его окислении химически активным вспомогательным газом в процессе резки. Для обеспечения наибольшей эффективности резки целесооб­ разно плоскость поляризации луча с помощью специального устройства автоматически поворачивать при изменении направ­ ления резки, чтобы она совпадала с плоскостью резки. Хорошие результаты достигаются в результате превращения линейно по­ ляризованного излучения в излучение с круговой поляризацией с применением фазовращающего зеркала, которое устанавли­ вают перед входом в оптический резак. Этот способ применя­ ется ведущими фирмами в современных машинах лазерной резки.

28.3. Оборудование и технологическая оснастка

28.3.1. Конструктивные схемы машин и комплексов для резки листов [6, 9]

Для обработки листов применяют машины и комплексы с микропроцессорным управлением. Комплексы отличаются от машин наличием дополнительных механизмов, обеспечивающих механизацию и автоматизацию вспомогательных операций: за­ грузки и транспортировки листов в зону резки, разборки,транс­ портировки и сортировки вырезанных деталей. Более высокая производительность комплекса обусловлена более высоким коэффициентом загрузки машины. В промышленности использу­ ются машины трех типов [6]. У портальной машины перемеща­ ется портал с технологической оснасткой над неподвижным ли­ стом, излучатель С02-лазера мощностью более 0,5—1 кВт уста­ новлен автономно вне портала, излучатель меньшей мощности размещается на портале. У машин второго типа в двух направ­ лениях перемещается обрабатываемый лист, излучатель лазера и технологическая оснастка неподвижны. Типичным представи­ телем машин этого типа является лазер-пресс, сочетающий ме­

ханическую и	лазерную обработку. У машин третьего типа
в продольном	направлении перемещается обрабатываемый

лист, в поперечном — оптический резак по неподвижному пор­ талу. Машины второго и третьего типов применяются, как пра­ вило, для резки листов небольших и средних размеров, пер­ вого— для резки средних и крупных листов. Типы, основные

размеры и параметры, а также общие технические требования к портальным машинам оговорены в ГОСТ 5614—74 и ГОСТ 26940—86.

28.3.2. Конструктивные схемы роботов для резки объемных заготовок

Для резки заготовок до 1 X 1 X 0 , 5 м, как правило, используют многозвенные роботы с пятью—семью степенями свободы [6, 9]. Обрабатываемая заготовка закрепляется либо на неподвиж­ ном столе, либо на столе, имеющем одну—две степени свободы. Излучение подводится к заготовке через систему подвижных зеркал или по волоконным световодам. Заготовки больших га-, баритов обрабатывают с применением роботов портального типа, у которых раскройный стол, служащий также для за­ крепления заготовок, может быть неподвижным или иметь

одно—два направления	линейного	перемещения. Излучение
к заготовке передается	системой	подвижных зеркал. Эф­

фективное использование роботов требует механизации и ав­ томатизации вспомогательных операций по транспортировке, загрузке и фиксации заготовок на раскройном столе, а также

операций по съему	и транспортировке вырезанных де­
талей.
28.3.3. Технологическая	оснастка

Это — система передачи излучения, оптический резак с фокуси­ рующей оптикой и устройством для подачи в зону резки вспо­ могательного газа, устройство для стабилизации положения фокальной плоскости относительно поверхности заготовки, а также аппаратура для автоматического управления включе­ нием излучения и подачи вспомогательного газа {4, 6, 9]. На рис. 28.4 приведены наиболее часто применяющиеся конструк­ тивные схемы оптических резаков. Схемы а—в служат для фо­ кусировки сплошного луча, г и д — для фокусировки полого луча. Наиболее проста схема а на базе фокусирующей линзы, однако ее промышленное применение ограничивается верхним уровнем мощности излучения (1—1,5) кВт. Охлаждаемые зеркальные фокусирующие системы рекомендуется приме­ нять при более высоких уровнях мощности излучения. Как правило, зеркальные системы используются с насадками для боковой подачи вспомогательного газа из кольцевого за­ зора под углом 70—80° к оси луча. В [4] дана методика расчета фокусирующих систем для разных оптических мате­ риалов.

В устройствах для стабилизации положения фокальной пло­ скости на вертикальной оси используются бесконтактные емко-

Рис. 28.4. Конструктивные схемы оптических резаков:

ЛИ — лазерное излучение; ФЛ — фокусирующая			линза;		Р — резак; ЗП — защитная
пластина; ВГ — вспомогательный газ;		Нц — насадка		для	центральной подачи газа;
ПЗ — плоское зеркало; НБ — насадка		для боковой		подачи газа; СЗ — сферическое
зеркало;	ПФЗ — параболическое фокусирующее		зеркало;		ФЗ — сферическое фокуси­
рующее	зеркало; ФО — фокусирующий	объектив	Кассегрена

стные и лазерные датчики слежения за поверхностью заго­ товки, а также электромеханические датчики, опирающиеся на заготовку при ее резке.

28.3.4. Производительность оборудования

Производительность машин, комплексов и роботов, метры реза в секунду, подсчитывается по формуле [6]:

П = knvrVyl[{STvy+ Syt;^ (n + k — nk)],								(28.4)
где k — количество одновременно работающих резаков;								n — ко­
эффициент загрузки			машины;		vr — оптимальная		технологиче­
ская	скорость	резки,	см/с; vy — скорость резки углов и слож­
ных	участков	контура,		см/с;	S T,	Sy — соответственно		длина
реза,	м, со скоростью ит и vy. В табл. 28.3 приведены							резуль­
таты	расчета	производительности				оборудования	при	резке
3-мм	стали. В	расчетах		использовались следующие значения

Т А Б Л И Ц А 28.3

ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ ОБОРУДОВАНИЯ Еб]

П, см реза/с, при Р я з л , кВт

	Оборудование				V y СЫ /с
						0,25	0,5	ьо
Машины:		динамической
с	низкой
точностью			. .	0,5	0,42	0,39	0,52	0,6
с	высокой	динамической
точностью			ком­	0,5	3,3	0,63	1,45	2,4
Автоматизированный
плекс с высокой динамиче­
ской	точностью			0,7	3,3	0,88	2.0	3,3

параметров уравнения (28.4): £=1; vT=l,25 см/с при Ризл=

=0,25 кВт; от= 2,9 см/с при		Риал= 0,5 кВт и От = 5,8 см/с	при
Ризл= 1 кВт; ST = 0,7;	«Sy=0,3.		сле­
Проанализировав	данные	табл. 28.3, можно сделать

дующие выводы: повышение мощности излучения дает сущест­ венный рост производительности лишь при условии увеличения коэффициента загрузки машины и ее динамической точности (жесткости) электромеханического привода; способы повыше­ ния коэффициента загрузки — комплексная механизация и ав­ томатизация всех операций, повышение надежности работы обо­ рудования, правильная организация работ при эксплуатации, обслуживании и ремонте оборудования.

28.4. Промышленное применение

В связи с большими эксплуатационными расходами процесс рекомендуется использовать в первую очередь для резки труд­ нообрабатываемых тонколистовых материалов — высокопроч­ ных, чувствительных к перегреву сплавов железа, алюминия, титана, никеля, а также композиционных неметаллических ма­ териалов на основе стекла, углерода, пластмасс, керамики, резины и др. [2, 6, 9). Традиционные механические способы обработки имеют ряд недостатков. Например, обработка на фрезерных станках малопроизводительна, вырубка деталей на штампах малоэффективна при партиях менее 300 500 шт. Общие для механических способов недостатки низкии коэф­ фициент использования материала (КИМ), высокая степень износа инструмента к низкий уровень механизации и автома­

тизации работ.

Известные тепловые процессы резки не обеспечивают необ­ ходимого качества кромок и требуют дополнительной термо-

механической обработки деталей. Электрохимические способы размерной обработки малопроизводительны.

Типичный пример	эффективного применения	лазерной
резки — изготовление	шаблонов из (1—1,5)-мм стали	[6]. Но­

вый процесс позволяет многократно повысить производитель­ ность работ и увеличить КИМ более чем на 20%. Другой пример — изготовление деталей металлоконструкций из тонко­ листовых сталей, сплавов алюминия, титана, а также неметал­ лических материалов на предприятиях автомобильной, авиаци­ онной, электротехнической, машиностроительной и других от­ раслей промышленности. Широко используется лазерная резка в судостроении для изготовления корпусных деталей из тонко­ листовой стали, а также из материалов для облицовки внут­ ренних помещений судов. Высокая точность и качество резки позволяют существенно снизить трудоемкость последующих подгоночных и сборочно-сварочных работ.

Важная область применения резки — раскрой текстильных, кожевенных материалов и дерева. Применение нового оборудо­ вания позволяет быстро изменять конфигурацию деталей рас­ кроя, экономить материал, существенно повышать уровень авто­ матизации и производительность работ.

Раздел 6

СВАРКА ПЛАСТМАСС

Г л а в а 29. ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ' ДЛЯ СВАРКИ ПЛАСТМАСС

29.1. Классификация способов сварки пластмасс

Классификация проводится по основным физическим, техническим н технологическим признакам. По физическим признакам сварка пластмасс

делится на классы и виды [1].

Деление на классы нужно проводить по форме энергии, используемой для сварки, т. е. подводимой к сварочным материалам. Все известные в на­ стоящее время процессы сварки пластмасс осуществляются с использова­ нием тепловой, механической, электромагнитной энергии или различных комбинаций этих видов энергии. В связи с этим следует различать сле­ дующие классы сварки: термическая, механическая и электромагнитная. Кроме того, существуют методы термомеханической и электромагнитно-ме­

ханической сварки.

К термическим относятся виды сварки, при которых давление не играет

существенной	роли	в образовании	сварного соединения,	например	сварка
пламенем, нагретым		газом или расплавом. Образование		сварного	соедине­
ния в этом	случае	определяется	в основном количеством подводимой
энергии

К термомеханическим относятся виды сварки, при которых неразъем­ ное соединение образуется вследствие подвода тепловой энергии и прило­ жения статического давления.

При механических видах сварки тепловая энергия генерируется внутри свариваемых деталей за счет превращения механической энергии, подводи­ мой извне, в тепловую. Это может быть: механическая энергия трения или вибротрения свариваемых поверхностей, превращающаяся в тепловую, ко­ торая вследствие малой теплопроводности пластмасс локализуется в сва­ рочной зоне; механическая энергия упругих колебаний (ультразвуковая сварка).

При подводе электромагнитной энергии к свариваемым деталям тепло­ вая энергия также генерируется в них либо за счет способности звеньев макромолекул полимеров поляризоваться при наложении внешнего электри­ ческого поля (высокочастотная сварка), либо за счет поглощения энергии электромагнитных колебаний (сварка инфракрасным излучением, сварка лазером).

Из всех существующих видов сварки пластмасс невозможно выделить' единственный вид, который бы удовлетворял всем экономическим, техноло­ гическим и эксплуатационным требованиям. Вид применяемых источников сварочного нагрева, технологические принципы, положенные в основу про­ цесса сварки, степень механизации и автоматизации в немалой степени зави­ сят от той физической формы, в которой используются пластмассы как кон­ струкционные материалы. По этому признаку можно выделить: монолитные

изделия — условно

трехмерные

материалы,

применяемые для

изготовления

Т А Б Л И Ц А 29.1

ОСНОВНЫЕ

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

СВАРКИ ПЛАСТМАСС

Физическая

Источники энергии

Степень механизации

Изделия

и технологические

форма

принципы, положен­

и автоматизации

ные в основу

процесса

процесса сварки

Трехмер­

Трубы,

плиты

Горячий

газ, нагре­

Преимущественно

ная

тый

инструмент,

ручной,

механизиро­

трение,

экструзия

ванный

и частично

Фасонные детали

Ультразвук,

нагре­

автоматизированный

Автоматизированный

тый

инструмент,

трение

и

вибротре­

Двухмер­

Пленочная

упа­

ние

высокой

ча­

Преимущественно ав­

Токи

ная

ковка,

покрытия,

стоты,

ультразвук,

томатизированный

и

подложка

нагретый

инстру­

механизированный

Одномер­

Волокнистые

не­

мент,

излучение

Преимущественно ав­

Нагретый

инстру­

ная

тканые материалы

мент,

ультразвук

томатизированный

и

Ткани

из синте­

Ультразвук,

токи

механизированный

Преимущественно ав­

тических волокон

высокой

частоты,

томатизированный

и

нагретый

инстру­

механизированный

Комбини­

Волокнистые

ма­

мент,

излучение

Преимущественно ав­

Токи

высокой

ча­

рованная

териалы

с

пле­

стоты,

ультразвук,

томатизированный

и

ночным

покрыти­

излучение,

нагре­

механизированный

ем

(искусствен­

тый инструмент

ные кожи)

деталей машин, емкостей, труб, профилей, плит, фасонных деталей; пле­ ночные — условно двухмерные материалы, которые используются в каче­ стве упаковки, покрытий, подложек, изолирующих конструкций и т. п.; во­ локна — условно одномерные материалы, которые используются для полу­ чения нетканых полотен, бытовых и технических тканей. Комбинацией по­ следних двух физических форм являются волокнистые материалы, имеющие полимерное покрытие — искусственные кожи.

Области применения видов сварки в зависимости от физической формы полимера и вида изделий приведены в табл. 29.1.

Каждый из видов сварки пластмасс имеет свои преимущества и не­ достатки, и в зависимости от физико-механических свойств материала, вида и назначения изделия, серийности выпуска и т. д. предпочтение может быть отдано тому или иному из перечисленных видов сварки. Например, сварка нагретым газом и нагретым инструментом являются наиболее простыми и экономичными способами, характеризующимися достаточно высокими проч­ ностными характеристиками соединения. В последние годы эти виды сварки пблучили очень широкое распространение для сварки пластмассовых тру­ бопроводов. Однако значительная зона разогрева препятствует применению этих способов для консервации легковоспламеняющихся веществ, пищевых продуктов и лекарственных препаратов, портящихся при повышенных темпе­ ратурах. Вследствие загрязнения поверхностей свариваемых изделий зна­ чительно уменьшается прочность сварных соединений в этих случаях.

Высокочастотная сварка отличается высокой производительностью, но •она неприменима для некоторых типов пластмасс (полиэтилена, полипро­ пилена и т. д.). При сварке токами высокой частоты емкостей из поливи­ нилхлорида, наполненных жидкостями, может происходить электрический пробой, приводящий к разрушению изделия.

Сварку расплавом целесообразно применять для получения швов боль­ шой протяженности при соединении материалов достаточно большой тол­ щины и не всегда целесообразно для соединения пленочных материалов.

Ультразвуковая сварка может заменить механические методы соедине­ ния 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 широкого потребления из пластмасс.

29.2. Сварка нагретым газом

Сварка нагретым газом основана на использовании его тепло­ вой энергии для разогрева свариваемых поверхностей и приса­ дочного материала до вязкотекучего состояния или плавления. Тепло подводится непосредственно к соединяемым поверхно­ стям последовательно от одного участка шва к другому. Сварка может осуществляться с применением присадочного материала

ибез него.

29.2.1.Сварка с присадкой

При сварке с присадочным материалом (рис. 29.1) поверхно­ сти деталей сначала нагревают струей разогретого газа, а за­ тем приводят в контакт с нагретым той же струей присадочным материалом. Присадочный материал в виде прутка вводится в сварочную зону легким нажатием руки. Если пластифициро­ ванный пруток не выдерживает осевого давления, то использу­

ется

прикатка

его роликом.

В качестве газа-теплоноси-

теля можно

использовать

воз­

дух,

азот,

аргон, углекислый

газ.

Наиболее

экономичным

является сжатый воздух.

с

Сварка

нагретым

газом

присадочным

материалом

Рис.

29.1. Схема сварки

нагретым газом

может выполняться

вручную

с применением

присадочного материала:

и

механизированным

спосо­

С Д — свариваемые

детали; С — струя

на­

гретого

газа;

Н Н — наконечник

нагрева­

бом.

теля;

П — присадочный

пруток;

С Ш —

Сварка

с

использованием

сварной

шов;

а — направление

сварки;

А — зона

нагрева;

рст

— давление

на

присадочного

материала

при­

пруток

меняется

при

изготовлении

вого

материала:

конструкций

из

толстолисто­

поливинилхлорида,

политетрафторэтилена

(фторлона-4), полиэтилена высокой и низкой плотности, поли­ пропилена, полиамидов, полистирола, винипласта и т. д. К та­ ким конструкциям относятся трубы, фасонные детали, различ­ ная химическая аппаратура, емкости, ванны для травления и т. д. Особенно широко сварка нагретым газом применяется при изготовлении сварных конструкций из винипласта.

29.2.2. Сварка без присадки

Сварка без присадочного материала осуществляется за счет размягчения и сдавливания кромок деталей, соединяемых вна­ хлестку (рис. 29.2). Этот способ применяется для соединения пленок из полиамида, полиэтилена низкой плотности и полиэтилентерефталата, а также для соединения жесткого и пласти­ фицированного поливинилхлорида толщиной до 5 мм.

Кромки листов перед сваркой «на ус» срезают под углом 20—25° При больших толщинах листы предварительно равно­ мерно подогревают на ширину 150—200 мм в каждую сторону до температуры 330—340 К. Нагреватель устанавливают в та­ ком положении, чтобы газовая струя попадала в зону контакта

					свариваемых деталей и нагре­
					вала	срезанные кромки.			газом
					Сварку		нагретым
					применяют		для	получения
					практически		всех видов		свар­
					ных	соединений:		стыковых,
					нахлесточных, угловых				и тав­
	Рис.	29.2. Сварка	нагретым газом	без	ровых. Типы		швов,	условные
					обозначения		и размеры		кон­
	присадочного материала:
	С Л — свариваемые		листы; Н Н — наконеч­ структивных				элементов		регла­
	ник	нагревателя;	П Р — прижимные	ро­	ментированы ГОСТ			16310—70.
	лики;	С Ш — сварной шов

29.2.3. Оборудование

Для сварки термопластов нагретым газом применяются го­ релки, которые делятся на: газовые косвенного действия ГГК-1, газовые прямого действия ГГП-1, а также газовые горелки ГЭП-1 и ГЭП-2 прямого действия с электрическим нагревом газа-теплоносителя.

Технические характеристики большинства известных горелок отличаются по конструкции, но практически одинаковы:

мощность нагревательных элементов 500—800 Вт; расход газа-теплоносителя до 0,08 см3/с; напряжение не более 36 В; скорость подачи воздуха или инертных газов 25—30 м/с; масса горелок 300—600 г. Для сварки протяженных швов с присадоч­ ным прутком созданы полуавтоматы ПГП-1 и «Пчелка». Сварка пленок без присадки осуществляется с помощью машин МСП-5М и СМК-М.

29.3.Сварка экструдируемой присадкой (расплавом)

29.3.1. Сущность и схемы процесса

Сущность процесса состоит в том, что расплавленный материал, выходящий из экструдера (экструзионная сварка или сварка экструдируемой присадкой) или из машины для литья под давлением, непрерывно или периодически подается в зазор между соединяемыми поверхностями, которые он нагревает до температуры сварки, сплавляясь с ними, так образуется свар­

ной шов.

Экструзионная сварка может осуществляться по бескон­ тактной и контактной схемам (рис. 29.3).

Рис. 29.3. Схема бесконтактной	(а) н контактно-экструзионной (б) сварки расплавом:
Э — экструдер; М Э — мундштук	экструдера; С Д — свариваемые детали; FTP — прокаты­
вающий ролик

29.3.2. Бесконтактная сварка

При бесконтактной сварке мундштук экструдера не контакти­ рует со свариваемыми поверхностями, а устанавливается на оп­ ределенном расстоянии от них. Это расстояние выбирается та­ ким образом, чтобы расплав, выдавливаемый из экструдера, не успел переохладиться. Из этих же соображений температура расплава на выходе из мундштука должна превышать темпера­ туру текучести или плавления на 40—50 К. Для плотного при­ жатия присадочного материала к свариваемым поверхностям применяются прижимные приспособления (ролики, ползуны

ит. п.).

29.3.3.Контактно-экструзионная сварка

При контактно-экструзионной сварке мундштук экструдера ка­ сается кромок соединяемых деталей. За счет этого уменьша­ ются потери теплоты в окружающую среду и осуществляется дополнительный подогрев кромок. Давление, развиваемое в экструдере, достаточно для создания необходимого контакта присадочного материала с соединяемыми кромками, поэтому дополнительных прижимных устройств не требуется. В некото­ рых случаях к мундштуку экструдера присоединяются нагре­ тый инструмент с рифлениями, обеспечивающими перемещение присадочного материала параллельно направлению сварки.

Экструдированной присадкой можно сваривать детали встык, внахлестку, а также выполнять угловые швы из таких материалов как полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, полистирол. Состав присадочного материала аналогичен свари­ ваемому. Этот способ применяют для сварки изделий, имею­ щих швы большой протяженности — пленки (скорость сварки до 2,5 м/с), листы, профили, трубы и т. д.

Экструдированная 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 толщи­ нах следует применять V-образную или Х-образную разделки кромок.

29.3.4. Оборудование

Для сварки экструдируемой присадкой наиболее широкое при­ менение получили полуавтоматы ПСП-5, ПСП-5м, ПСП-6 и РЭСУ-500 с прямоточными пистолетами и ПСП-ЗЭ, ПСП-4 со шнековыми пистолетами. На базе полуавтомата ПСП-5 создан специализированный карусельный стенд УСА-1.