книги / Сварка и свариваемые материалы. Технология и оборудование

29.4.К онтактная тепловая сварка

29.4.1. Схемы процесса

Сущность способа контактной тепловой сварки заключается в том, что свариваемые детали в месте соединения нагреваются до температуры вязкотекучего состояния специальными инстру­ ментами-нагревателями, передающими тепло свариваемым по­ верхностям при контакте с ними. После разогрева свариваемых поверхностей нагреватель выводят из зоны соединения, и под действием давления детали свариваются.

Различают три способа термоконтактной сварки: проплав­ лением, оплавлением и термоимпульсная.

Сварка проплавлением — нагреватель соприкасается с внеш­ ней поверхностью изделия и тепло передается к свариваемым поверхностям через толщину верхнего слоя пластмассы. Ис­ пользуется для сварки изделий из пленок и тонких листов (рис. 29.4, а, б).

Ш г НИ

У / 'С Л

Рис. 29.4. Сварка нагретым инструментом:

прн котором

нагреватель

а — с односторонним

нагревом; б — с двусторонним нагревом,

соприкасается

с

внешней

поверхностью (проплавление);

в — сварка

листов

н г —

сварка

труб,

нагреватель

соприкасается

непосредственно

со

свариваемыми

поверхно­

стями

(оплавление);

д — сварка

пленок

нагретым

клином

с механизированной подачей

свариваемых

пленок;

Н И — нагретый инструмент;

И П — изоляционная прокладка;

С Л —

свариваемые

листы;

О — опора;

С Ш - сварной шов; С Т — свариваемые

трубы;

В Р —

ведущий ролик;

РО — ролик-опора

Сварка оплавлением — нагреватель соприкасается непо­ средственно со свариваемыми поверхностями. Используется для сварки пластмассовых труб, стержней, для приварки арматуры к трубопроводам, для сварки фасонных изделий и конструкций (рис. 29.4,в, г).

Термоимпульсная сварка осуществляется с помощью мало­ инерционных нагревательных элементов, по которым пропу­ скают кратковременные, но мощные импульсы тока. Сварка осуществляется с одноили двусторонним подводом энергии. В паузах между импульсами электрического тока сварной шов охлаждается под давлением.

Термоимпульсная сварка применяется в основном для со­ единения пленок из полиолефинов толщиной 20—250 мкм. Дли­ тельность импульсов от 0,1 до 1 с, частота — один импульс в се­ кунду при удельной мощности 0,03 Вт/м2.

Термоконтактная сварка применяется для соединения поли­ этилена, полиизобутилена, полистирола, полипропилена, фторо­ пласта, поливинилхлорида. Прочность сварных соединений вы­ сокая и составляет 90—100% прочности основного материала.

29.4.2. Оборудование

Процесс сварки может осуществляться различными нагрева­ тельными элементами — стальными пластинами, лентами, роли­ ками, электропаяльниками, дисками, кольцами и электроутю­ гами особой конструкции, которые встраиваются в специаль­ ные устройства и установки.

Для сварки армированных пленок в монтажных условиях в нашей стране получили распространение полуавтоматические

установки для		односторонней (ПСП-11, ПСП-16, ПСП-16 АТ)
и двусторонней		(ПСП-15, ПСП-16) сварки.	полимерных пленок
Для	сварки	в стационарных условиях
в СССР	разработана серия установок		МСП-16, МСП-5М,

УСПП-ЗМ, МСП-17М, МСП-17ММ.

Для сварки пленок применяются ручные устройства и пере­ носные полуавтоматы — ручной ролик ВНИИСТ-3, ручной по­ лоз УСИ-1, клещи типа КС «Молния», «Молния-2М».

Для сварки труб диаметром от 25 до 1200 мм нашей промыш­ ленностью выпускаются устройства типа УСКПТ-12, СА-59, УСП-5, УСКП-6, УСТТ-110, УСТТ-400, УСТТ-900, УСТТ-1200.

29.5.С вар ка ультразвуком

29.5.1.Схемы процесса

Способ предложен в 1958 г. учеными МВТУ им. Н. Э. Баумана под руководством акад. Г. А. Николаева. Способ ультразвуко­ вой сварки пластмасс заключается в том, что электрические ко­

лебания

ультразвуковой

частоты

(18—30

кГц),

вырабатываемые

генератором,

преобразуются в

механические

продольные

коле­

бания

магнитострикционного

преобразователя,

вводятся

в сва­

риваемый

материал

с

помощью

продольно-колеблющегося

ин­

струмента-волновода,

располо­

женного

перпендикулярно

сва­

риваемым

поверхностям

(рис.

29.5). Здесь часть энергии меха­

нических

колебаний

переходит

в тепловую, что приводит к на­

греву

зоны контакта

соединяе­

F

мых

деталей

до

температуры

вязкотекучего

состояния. Надле­

7 7 7 7 7 7

жащие условия ввода

механиче­

ских колебаний и создание тес­

в

ного

контакта

свариваемых

де­

Рис.

29.5.

Ультразвуковая

сварка

талей, расположенных

на

опоре,

с нормальным вводом колебаний:

а — схема

сварочного

узла

(К П —

обеспечивается

статическим

дав­

корпус

преобразователя;

П П — пакет

лением

рабочего

торца

волно­

преобразователя

с обмоткой;

Т У К —

трансформатор

упругих

колебаний;

вода

на

свариваемые

детали.

В — волновод;

С Д — свариваемые

де­

тали;

О —опора); б —эпюра

ампли­

Это

давление

способствует

туды

смещения

колебательной

си­

также

концентрации

энергии

стемы;

в — расположение

вектора

ста­

тического

давления P QT

н динамиче­

в зоне соединения. Динамическое

ского

усилия

F;

А — амплитуда

сме­

усилие, возникающее

в

резуль­

щения волновода

тате

воздействия

колеблющегося

волновода, приводит к нагреву свариваемого материала, а дей­ ствие статического давления обеспечивает получение прочного

сварного соединения. Механические	колебания и давление
в этом случае действуют по одной	линии перпендикулярно

к свариваемым поверхностям. Такая схема ввода энергии при­ меняется для ультразвуковой сварки пластмасс, в отличие от «металлической» схемы, когда механические колебания дейст­ вуют в плоскости соединяемых поверхностей, а давление при­ кладывается перпендикулярно к ним. Подвод энергии от вол­ новода может быть односторонним и двусторонним. По харак­ теру передачи энергии и распределению ее по свариваемым по­ верхностям ультразвуковая сварка делится на контактную и передаточную.

29.5.2. Контактная сварка

Возможность передачи механической энергии в зону сварки зависит от упругих свойств и.коэффициента затухания колеба­ ний свариваемых материалов. Если полимер характеризуется

		низким			модулем упругости						и
		большим коэффициентом зату­
		хания,		то		сварное		соединение
		можно получить лишь на ма-
		лом	удалении				от	плоскости
		ввода		колебаний. Для					равно­
		мерного			распределения					энер­
		гии по всей площади контакта
		свариваемых					деталей		необхо­
		димо,		чтобы			рабочий		торец,
		соприкасающийся						с	верхней
		деталью, имел форму и пло­
		щадь, идентичную						площади			и
		форме			плоскости			контакта
		свариваемых					деталей.			Кон­
		тактная			ультразвуковая					свар­
		ка	обычно применяется							для
		соединения изделий из мягких
		пластмасс, таких как полиэти­
Рнс. 29.6. Схема контактной ультразву­		лен, полипропилен, поливинил­
ковой сварки:		хлорид,			а	также		пленок			и
а — прессовая; б — шовная;	В — волновод;
С Д — свариваемые детали;	Р О — ролик-	синтетических					тканей				не­
опора		большой				толщины — от				0,02
сварки наиболее		до	5	мм.		При этом			способе
	распространены			соединения				внахлестку
(рис. 29.6).

29.5.3. Передаточная сварка

Если полимер обладает высоким модулем упругости и низким коэффициентом затухания, то сварное соединение можно по­ лучать на большом удалении от поверхности ввода механиче­ ских колебаний (рис. 29.7). В этом случае ввод механических колебаний может осуществляться в точке или на небольшом участке поверхности верхней детали. Благодаря хорошим аку­ стическим свойствам материала изделия энергия ультразву­ ковой волны незначительно ослабляется при проходе через деталь, контактирующую с волноводом, и почти полностью транспортируется к границе раздела свариваемых деталей. Тепловыделение на границе раздела в этом случае зависит от конфигурации изделия, а площадь сварки значительно отлича­ ется от площади рабочего торца волновода. Передаточную сварку рекомендуется применять для соединения объемных деталей из жестких пластмасс, таких как полистирол, полиме­ тилметакрилат, капрон, полиамиды, поликарбонат. Наиболее распространены стыковые и тавровые соединения. Удаление поверхности ввода механических колебаний от плоскости раз-

штУ///	1
1
//
/ /
//	Л/
	i
	Я

Рис. 29.7. Схема передаточной ультразвуковой сварки: В — волновод; С Д — свариваемые детали

дела свариваемых деталей зависит от упругих свойств мате­ риала, мощности ультразвука, подготовки кромок и может со­ ставлять от 10 до 250 мм. В случае необходимости передаточ­ ной сваркой можно соединять и мягкие термопласты. Для этого свариваемые детали должны находиться в жестком за­ стекленном состоянии, что может быть достигнуто путем ох­ лаждения их до температуры стеклования.

29.5.4. Оборудование

В МГТУ им. Н. Э. Баумана разработаны машины типа УПМ-21, УПК-15М, УПШ-12, ВНИИЭСО разработаны машины типа МТУ-1,5 и МТУ-0,4, которые серийно выпускаются заводом «Электросварка». Переносные установки РУСУ-50 и РУСУ-44-250 разработаны в НИАТ. Машины типа БШМ-1 раз­ работаны ВНИИЛТЕКмашем совместно с ВНИИТВЧ им.. В. П. Вологдина и серийно выпускаются ПО ПромшВеймаш (г. Орша).

29.6. Сварка трением и вибротрением

29.6.1. Схемы процесса

Сварка трением основана на превращении механической энер­ гии трения в тепловую энергию. Процесс состоит из двух ста­ дий: нагрева и осадки.

На стадии нагрева детали приводят в соприкосновение одну с другой за счет приложения давления и осуществляют их вза­ имное перемещение. В начале процесса за счет действия дав­

ления и высоких скоростей пе­

ремещения трущихся

тел про­

исходит

разрушение

микроне­

ровностей

в

зоне

контакта.

Затем

разрушаются

поверх­

ностные пленки, и во взаимо­

действие

вступают

чистые

по­

верхности.

Это приводит

не

только

к

заметному

выделе­

нию теплоты, но и образова­

нию

очагов

схватывания.

В конце

процесса

устанавли­

ваются

равномерный

режим

нагрева

и

оплавления,

сопро­

Рис. 29.8. Схема сварки трением с ис­

вождающиеся

адгезией

по

всей

трущейся

поверхности.

пользованием

вращения одной детали (а),

обеих деталей (б) и вставки

(в):

В

зависимости

от

условий

ВД — вращающаяся деталь;

СШ — свар­

нагрева

свариваемых

поверх­

ной шов;

НД — неподвижная деталь;

ВС — вставка

ностей

сварку

трением

прово­

нием свариваемых

дят по трем схемам: враще­

деталей или промежуточного

элемента —

сварка вращением; вибрацией свариваемых деталей или про­ межуточного элемента — сварка вибротрением; вращательно­ вибрационным движением свариваемых деталей или промежу­ точного элемента.

При сварке трением вращения одна деталь закреплена не­ подвижно, а вторая вращается. На сопряженных торцевых поверхностях возникают силы трения, вызывающие интенсив­ ный нагрев и оплавление торцев. При накоплении в стыке не­ обходимого количества расплава вращение прекращают и про­ исходит осадка до образования сварного соединения (рис. 29.8).

Схема, при которой вращение свариваемых деталей произво­ дят в разные стороны, не нашла практического применения из-за технических сложностей.

Длинные и громоздкие детали, вращение и, особенно, быст­ рое торможение которых затруднительно, можно сваривать при помощи третьей промежуточной детали (вставки). Для этого длинные детали закрепляют неподвижно, а вставку вращают вокруг общей оси свариваемых деталей.

В последнее время особенно для сварки несимметричных де­ талей нашла применение сварка вибротрением.

Сопрягаемые детали при этом могут совершать возвратно­ поступательное движение в плоскости стыка или вокруг опреде­ ленной оси.

Сварка трением может применяться практически для всех термопластов: полиолефинов, полиамидов, полиметилметакри­ лата, полистирола и др. Ее отличают большая скорость соеди­

нения, простота конструкции оборудования, локальный разо­ грев, предотвращение окисления расплава, отсутствие необходи­ мости предварительной очистки поверхностей.

29.6.2. Оборудование

Сварку пластмасс трением осуществляют на различных метал­ лорежущих станках: токарных, сверлильных, фрезерных и на специальных сварочных машинах.

В СНГ выпускаются машины двух типов МСП-1 и МСП-2, выполненные на базе токарных станков.

29.7.Сварка токами высокой частоты

29.7.1. Схемы процесса

Сварка термопластов ТВЧ основана на нагреве в результате преобразования электрической энергии в тепловую непосред­ ственно внутри самого материала.

Сущность процесса сварки ТВЧ заключается в следующем. Свариваемое изделие помещают в переменное электрическое поле высокой частоты. Поскольку пластмассы являются не­ совершенными диэлектриками, элементарные заряды при вне­ сении диэлектрика в высокочастотное поле несколько смещаются, небольшое количество имеющихся в диэлектрике свободных зарядов образует ток проводимости. На смещение заряженных частиц затрачивается работа, которая превраща­ ется в тепло благодаря наличию молекулярного трения между материальными частицами. Каждое изменение направления

Рис. 29.9. Схема прессовой (а) н роликовой (б) высокочастотной сварки пластмасс:

ЗОК — заземленная	обкладка	конденсатора; СШ — сварной	шов; СЛ — свариваемые	лн-
сты; Г — генератор	высокой	частоты; ЭЛ — электрод; ВОК — высокопотенциальная		об­
кладка конденсатора; HP — ннзкопотенцнальный ролик;			ВР — высокопотенцнальный

ролик

электрического поля влечет за собой выделение некоторого количества тепла.

Для сварки пластмасс применяются токи высокой частоты в пределах 30—40 МГц. Высокочастотная сварка осуществля­ ется между двумя металлическими электродами-обкладками конденсатора, включенными в колебательный контур генера­ тора электрических колебаний.

Нагреваться в поле ТВЧ могут не все типы пластмасс, а только так называемые полярные. К полярным относится по­ ливинилхлорид, винипласт, полиамид; к неполярным — поли­ этилен, полистирол, полиизобутилен и фторопласт-4.

При сварке ТВЧ обкладками конденсатора являются элек­ троды сварочной установки. Сварка может осуществляться по прессовой и роликовой схемам (рис. 29.9).

29.7.2. Прессовая сварка

При прессовой сварке (рис. 29.9, а) соединение получают за один рабочий цикл. Конфигурация сварных швов соответствует конфигурации электродов. Сварной шов укладывается одно­ временно по всему контуру, т. е. все участки шва свариваются на одном и том же режиме, нагрев происходит равномерно, что обеспечивает высокое качество сварного соединения. Элек­ троды при прессовой сварке служат не только для подвода энергии к зоне соединения, но и для создания сварочного дав­ ления на эту зону и регулирования теплоотвода от нее. Прес­ совая сварка ТВЧ позволяет получать соединения внахлестку, встык, втавр, на ус и с отбортовкой кромок.

Разновидностью прессовой сварки является шовно-шаговая сварка. В этом случае материалы свариваются участками с оп­ ределенным шагом или с перекрытием для получения строчки или непрерывного шва. Подача материалов на шаг осуществля­ ется в момент подъема электродов. При сварке синтетических тканей и пленок для этого используют машины типа швейных, оборудованных точечными электродами и механизмом шаговой подачи материалов на 1—2 мм.

29.7.3. Роликовая сварка

Роликовая сварка (рис. 29.9,6) используется для получения непрерывных протяженных швов. Электродами при этом слу­ жат ролики или диски, вращающиеся в противоположном направлении. Один электрод-ролик соединяется с высокопотен­ циальным выводом генератора ТВЧ, а другой заземлен. Роли­ ковая сварка обладает следующими недостатками, затрудняю­ щими ее использование. Во-первых, при большой скорости сварки сварной шов не успевает охладиться под давлением и

sse

выходит из-под электродов-роликов в нагретом состоянии. Это приводит к значительным деформациям шва, особенно при больших толщинах свариваемого материала. Во-вторых, элек­ трическая емкость между роликами мала, что также не позво­ ляет достичь больших скоростей сварки. Указанные недостатки обусловливают целесообразность применения роликовой сварки ТВЧ только для соединения тонких пленок, так как с повыше­ нием толщины скорость сварки значительно снижается. Так, при толщине пленки 100 мкм оптимальная скорость сварки со­ ставляет 6 м/мин, а при толщине 200 мкм — 2 м/мин. При боль­ шой толщине скорость сварки ТВЧ снижается настолько, что применение ее становится экономически нецелесообразно.

29.7.4. Оборудование

Для целей сварки пластмасс принята серия сварочных уста­ новок, питаемых от ламповых генераторов следующих мощно­ стей: 1,6; 4,0; 6,0; 10 кВт, которые работают исключительно на частоте 27,12 МГц±1 %.

В настоящее время отечественной промышленностью выпу­ скаются высокочастотные сварочные установки ВЧДЗ-1,6/27, ВЧД6-4/27, ВЧД10-4/27, ВЧД6-10/27 Таганрогским заводом электротермического оборудования.

29.8. Сварка ИК-излучением

29.8.1. Схемы процесса

Сварка с помощью ИК-излучения основана на превращении лучистой энергии в тепловую внутри соединяемого материала. ИК-излучение имеет электромагнитную природу, считается, что ИК-спектр занимает область длин волн от 0,72 до 1000 мкм, т. е. от красной границы видимого спектра до коротковолновой части миллиметрового диапазона, ИК-лучи ведут себя как и любые другие лучи: отражаются, преломляются, поглощаются. Поглощаемость ИК-лучей телами и использована для сварки. Механизм преобразования ИК-лучей в тепло внутри материала состоит в следущем. Известно, что элементарные частицы тел имеют собственную частоту колебаний, а для пластмасс эти частоты колебаний определяются структурой молекул, разме­ рами атомов, внутри- и межмолекулярными связями. И если частота ИК-лучей совпадает с собственной частотой колебаний элементарных частиц облучаемого тела, то происходит так на­ зываемое резонансное поглощение, т. е. превращение электро­ магнитной энергии в тепловую (рис. 29.10). Важной характе­ ристикой нагрева ИК-лучами служит степень поглощения пластмассами лучистой энергии. Наибольшей поглощающей

способностью

обладает

пентапласт,

наименьшей — фторопласт.

Большин­

ство

пленок относительно

прозрачны

для ИК-лучей, поэтому часть лучистой

энергии, проходя через них, попадает

на подложку, поглощается ею и нагре­

вает ее. Нагретая подложка передает

часть

теплоты

свариваемой

пленке.

Наиболее

эффективна

в

отношении

скорости

нарастания

температуры

IK

ti> |: |4 i

б

ламповая сажа, затем черная бумага,

черная пористая резина, черная про­

i

TO

■or

резиненная ткань и др. Плохо нагре­

вается материал при сварке на пас­

сивных

подложках,

например,

из

фторопласта. С увеличением толщины

Рнс. 29.10. Схема сварки ИК-

свариваемых

пленок роль

подложки

заметно

уменьшается

в

результате

излученнем:

ИИ — источник

излучения;

ослабления

интенсивности

лучистого

07*Р — отражатель;

ОТ — об­

потока.

При

сварке

ИК-излучением

лучаемое

тело;

а — испускае­

мые

световые

и

инфракрасные

нагреватель не оказывает давления на

лучи;

б — отраженная часть из­

лучения;

в — поглощаемая

свариваемые

детали,

поэтому

нагре­

часть

излучения

(превращен­

ваемые

детали

сдавливаются

путем

ная в тепло внутри мате­

риала); г — пропущенная часть

натяжения

свариваемых

пленок,

либо

излучения

сваривают

на

упругих

подложках.

Предельная

толщина

свариваемых

пленок из ПЭВД— 1,5—2 мм

(в этом

случае

подложка — по­

ристая

резина).

Время

сварки

пакета

при 6= 180-*-200

мкм

2—4 с; при 6= 1,5=2 мм 15—20 с. Прочность равна прочности

основного материала. Хорошо свариваются ИК-излучением пленки из пентапласта и поливинилхлорида; для пакета с 6= = 150-*-200 мкм, *Св = 5-*-7 с .

Возможна сварка ИК-излучением листового материала, стержней, труб и других профилей как с присадочным прутком с разделкой кромок, так и без присадочного материала, где ИК-излучатели выполнены с прямоугольными и фигурными нагревательными элементами.

29.8.2. Оборудование

Источник ИК-излучения — самый важный элемент сварочных устройств и установок, которые состоят из кварцевых излуча­ телей, силитовых стержней и никельхромовых сплавов.

Кварцевые излучатели выпускаются в виде трубок, внутри которых находится токопроводящая спираль. В разборных на­ гревателях нихромовая спираль намотана на кварцевый стер­