воды и водных растворов, перевозных бензохранилищ, автомобильных и железнодорожных цистерн), для которых подготовка обычных форм является сложной.

4.Намоткой нескольких слоев прорезиненной ткани и слоев сырой резины получают резиновые рукава, которые затем вулканизуются.

5.Навивкой на оправку пропитанной полиэфирной или эпоксидной смолой ровницы, заключенной в трубочку из поливилилхлоридного пластиката, можно изготовить пружины. После прогрева спирали с оправкой

втермошкафу пластикатная трубочка разрывается и пружина легко снимается с оправки.

Метод опрыскивания (метод пропитки распылением)

В этом методе используют пульверизатор с многоручьевой головкой. Струи смолы, отвердителя и нарезанного волокна одновременно подаются из пульверизатора на поверхность формы (рис. 13.3), где они образуют слой определенной толщины.

Нарезанное волокно определенной длины получают непрерывной подачей волокон в измельчающую головку аппарата. После достижения требуемой толщины полимерную массу при нагревании отверждают. Распыление является экспресс-методом для покрытия больших поверхностей.

Многие современные пластические изделия, такие, как грузовые платформы, резервуары для хранения, кузова грузовиков и корпуса кораблей, получают именно этим методом.

Рис. 13.3 Схематическое изображение метода опрыскивания

73

1 — форма; 2 — распыленная смесь нарезанного волокна и смолы; 3 — струя нарезанного волокна; 4 — непрерывное волокно; 5— смола; 6— отвердитель; 7 — узел для нарезания волокна и распыления; 8 — струя смолы

Частным случаем метода пропитки распылением является формование полимерных материалов прокаткой. Он может осуществляться на специальных машинах (метод – аналог каландрования с точки зрения вида получаемых изделий).

На специальных машинах можно получать жесткие пластики, армированные стекловолокном, проволочной сеткой и т. д. Например, таким способом получают полупрозрачную кровлю из стеклопластиков (стеклошифер). Машина имеет устройство для рубки стекловолокна и его распыления на движущуюся ленту. На распыленное волокно подается полиэфирная смола с отвердителями. После прохождения термокамер (с температурой ~1300С) стеклопластик отверждается и затем охлаждается. Кровля может быть плоской или гофрированной, окрашенной и неокрашенной. Гофрированная кровля из стеклопластика получается при его прохождении через гофрирующие валки. Для того, чтобы стеклопластик не прилипал к ленте, применяют подложку из целлофана, непрерывно сматывающуюся с рулонов.

Непрерывно движущийся стеклошифер разрезается на куски.

Сварка и склеивание изделий из полимерных материалов

Сварка применяется только для полимерных материалов, размягчающихся при нагревании (термопластов), не разлагающихся под воздействием процесса сварки и подобных по своей химической природе.

Путем склеивания при помощи растворителя и клеев (т.е. растворов полимеров в растворителе или мономере) можно изготавливать изделия из термопластичных и термореактивных материалов.

Склеиваются как подобные, так и разнородные полимерные материалы, а также полимерные и неполимерные материалы (например, резина с металлом и др.).

Прочность склеивания также зависит от характера подготовки склеиваемых поверхностей, например, от шероховатости, их физической структуры (т.е. капиллярности, пористости), полярности и электрического разряда.

Сварка и склеивание применяются для изготовления изделий из заранее подготовленных деталей. Оба эти процесса приобрели существенное значение в производстве изделий из полимеров: тары; упаковки; одежды из пленки (плащей, накидок и др.), для изготовления химической аппаратуры, при монтаже трубопроводов и вентиляционных каналов.

Формование тонкослойных покрытий из полимерных материалов напылением

74

Такие покрытия, наложенные на детали и изделия из металла, бетона и дерева служат для:

1.защиты от коррозии;

2.могут быть антифрикционными и износостойкими (подшипники, втулки, вкладыши и пр.);

3.предохраняющими от действия влаги и механических повреждений;

4.электроизоляционными;

5.декоративными и санитарно-гигиеническими.

Нанесение покрытий на листовой прокат возможно не только путем нанесения лаков и паст, но и методом напыления. Из металла с напыленным полимерным покрытием штамповкой, вырезкой и другими способами получают изделия с хорошим внешним видом и защищенные от коррозии.

Металлизация изделий из полимерных материалов

Изделия из полимерных материалов иногда покрывают металлом для получения электропроводного слоя, для придания этим материалам способности к пайке, для ускорения отвода тепла и для придания им красивого внешнего вида, для имитации под металл, для нанесения надписей, рисунков, знаков. Применяют как частичное, так и полное покрытие металлом изделий из пластмасс.

Такие покрытия можно получить:

1.за счет вставок в пресс-форму фольги или металлических знаков в виде надписей, узоров и рисунков;

2.на экструзионных машинах для покрытия бумаги, целлофана и т. д. полимерным материалом (рис. 13.4);

3.путем восстановления металла из растворов солей; из неустойчивых газообразных соединений; испарения металла в вакууме; электролитического осаждения; катодного напыления металлов в вакууме или напыления расплава металла.

75

Рис. 13.4 Схема устройства машины для получения металлизированной полимерной пленки.

1 – цилиндр экструдера;

2 – головка с мундштуком;

3 – покрытый резиной нажимной валик;

4 – охлаждающий валик;

5 – первое разматывающее устройство;

6 – второе разматывающее устройство;

7 – резцы для обрезания кромок;

8 – устройство для намотки продукта.

Контрольные вопросы к лекции

1.Что представляет собой процесс армирования полимерных материалов?

2.Какие из армирующих волокон наиболее часто используются при создании армированных полимерных материалов?

3.Какие из полимеров наиболее широко используются для создания армированных полимерных материалов?

4.Какого типа изделия изготавливаются с использованием армированных волокном материалов?

5.В чем заключается метод армирования пластиков путем наслоения листов вручную?

6.В чем заключается метод армирования пластиков путем наматывания волокна?

7.В чем заключается метод армирования пластиков путем пропитки распылением (метод опрыскивания)?

8.Частным случаем какого метода является метод формования полимерных материалов прокаткой?

9.Каким методом может быть изготовлена полупрозрачная кровля из стеклопластиков (стеклошифер)?

10.Какую функцию не могут выполнять полимерные покрытия, наложенные на детали и изделия из металла, бетона и дерева?

11.Какую функцию не могут выполнять покрытия из металлов, наносимые на поверхность полимерных изделий?

Лекция №14

Сварка деталей из полимерных материалов

Соединение отдельных деталей из пластмасс может осуществляться сваркой, склеиванием и механическими методами (например, болтами, заклепками).

1. Понятие, механизм и классификация сварки

76

Сварка - один из методов образования неразъемных (сварных) соединений деталей из полимерных материалов. Сварные соединения наряду с клеевыми и формованными соединениями относятся к группе адгезионных соединений.

Для выполнения сварных соединений деталей из полимерных материалов разработано большое количество разновидностей сварки. По признаку «способ перевода термопласта в вязко-текучее состояние» различаются сварка с помощью тепловой энергии и сварка растворителем.

В зависимости от вида используемой при сварке энергии и способа ее передачи к соединяемым поверхностям методы сварки разделяются на классы, а в зависимости от вида источника энергии, непосредственно используемого для образования сварного соединения, - на виды (табл. 14.1).

Таблица 14.1 Классификация методов сварки

		Класс сварки	Вид сварки
		1	2
			Сварка пламенем
	1.	Термический	Сварка излучением
			Сварка плазмой
	2.	Термомеханический	Сварка нагретым газом
			Сварка нагретым инструментом
			Сварка закладным элементом
			Сварка расплавом
			Лучевая прессовая сварки
	3.	Механический	Ультразвуковая сварка
			Сварка трением
	4.	Электромеханический	Высокочастотная сварка

Продолжение таблицы 14.1

1

2

Сверхвысокочастотная сварка Электроконтактная сварка

Сварка за счет взаимодействия функциональных

5.Химический групп свариваемых материалов или с помощью химически активной прослойки

(например, стирол для сварки полиэфиров)

Каждый вид сварки включает несколько групп или методов сварки, отличающихся техническими или технологическими признаками. Способ активирования свариваемых поверхностей не только отражается в названии вида сварки, но и определяет построение технологического процесса. Первой его операцией независимо от вида сварки может быть очистка свариваемых

77

поверхностей (в случае их загрязнения) или механическая обработка для удаления состарившихся или дефектных слоев ПМ или придания оптимальной формы свариваемым кромкам.

Сварка основана на заполнении межконтактного зазора (полости) между соединяемыми поверхностями материалом свариваемых деталей путем изменения состояния последнего, иногда с применением расплава или раствора присадочного материала, в результате чего первоначальная граница раздела исчезает, превращаясь в переходный слой с однородной или разнородной химической структурой. Прочность связи между свариваемыми материалами обусловливается возникающими в зоне шва силами межатомного и межмолекулярного взаимодействия.

Сварка предпочтительнее других методов образования соединений деталей в случаях, когда:

1.соединяемые детали изготовлены из одинаковых или совместимых материалов (недопустимо присутствие чужеродных по отношению к соединяемым материалам крепежных элементов или клеевых прослоек);

2.требуется обеспечить высокую производительность, механизацию и автоматизацию процесса сборки изделий. Важное преимущество сварки

-возможность изготовления монолитных конструкций или изделий минимальной массы.

Недостатки - неразъемность сварных узлов, трудности при соединении деталей из разнородных материалов и с большой толщиной стенки; низкая прочность при расслаивающем нагружении.

На сварку, как и вообще на сборку изделий, поступают детали из материалов с оптимальными структурой и эксплуатационными свойствами. Поэтому при выборе способа сварки необходимо учитывать требование минимального изменения структуры и свойств материалов в зоне шва.

На технологию сварки пластмасс влияет в первую очередь

свариваемость основы этих материалов - полимеров, которая, в свою очередь, зависит от физической и химической структуры последних.

В общем случае с точки зрения существа физико-химических процессов, протекающих во время сварки, можно выделить следующие основные ее стадии:

∙придание полимеру необходимых реологических свойств (активирование свариваемых поверхностей);

∙формирование контакта соединяемых поверхностей;

∙взаимодействие между соединяемыми поверхностями;

∙возможное вытеснение дефектных слоев;

∙фиксирование структуры полимера в зоне соединяемых поверхностей.

Сварка термопластов проводится в расплаве: материал в зоне соединяемых поверхностей нагревается до вязко-текучего состояния (тепловая сварка) или подвергается воздействию растворителей (сварка растворителем). Обязательное условие сварки полимерных материалов - приложение давления,

78

являющегося движущей силой процесса формирования вязкого контакта поверхностей, преодолевающей действие поверхностных сил.

В зависимости от очередности нагрева и приложения давления тепловую сварку можно вести по двум схемам:

1)«давление - температура» (приведение поверхностей вконтакт под давлением и последующий их нагрев);

2)«температура - давление» (нагрев соединяемых поверхностей и последующее приведение их в контакт).

При сварке по первой схеме в момент приложения давления происходит увеличение числа контактных площадок в результате развития в макро- и микронеровностях поверхностей упругих и эластических деформаций. Если контактные напряжения превышают предел текучести или рекристаллизации термопласта, происходит перетекание материала из зоны контактных площадок в соседние полости. В этом случае обеспечивается беспористый контакт поверхностей. При последующем нагреве под давлением происходит релаксация упругих и эластических деформаций, что способствует получению ненапряженного шва, возможности протекания диффузии и дальнейшему взаимодействию материалов. Одной из причин сегментального взаимопроникновения макромолекул в зоне свариваемых поверхностей служит деформация сжатия-растяжения слоев сдавливаемого расплава. К этой же схеме может быть отнесена сварка растворителем, находящимся при нормальной температуре в твердом состоянии.

При сварке по второй схеме после соприкосновения нагретых или активированных жидким растворителем поверхностей идет сглаживание полимерного материала в местах выступов, сопровождающееся разобщением воздушных включений между выступами. Чтобы удалить пузырьки воздуха, находящиеся в расплаве в условиях гидростатического сжатия и получить, таким образом, монолитный (бездефектный) шов и, как при сварке по первой схеме, создать условия для дальнейшего взаимодействия соединяемых материалов, необходимо обеспечить течение расплава вдоль соединяемых поверхностей. Сварка в расплаве может считаться завершенной, как только по всей поверхности соединения будет достигнут молекулярный контакт. Для получения высокопрочного соединения достаточно диффузии макромолекул в зоне контакта поверхностей на глубину 1-3 мкм. На длительный процесс диффузии приходится рассчитывать, если сварка термопласта протекает при температуре ниже температуры текучести Тт.

Повышению качества соединений, изготавливаемых сваркой в расплаве, способствуют:

∙создание условий, локализующих нагрев в зоне соединяемых поверхностей;

∙термообработка сварного шва при температуре, близкой к температуре стеклования или отжиг;

∙введение в зону шва усиливающих наполнителей.

79

Для удаления влаги, поглощенной ПМ, детали перед сваркой подвергаются сушке, например, детали из ПК при температуре 120 °С в течение 0,5; 4 и 14 ч при толщине стенки соответственно 0,8; 2,4 и 4,7 мм.

Сварка без особых затруднений возможна лишь по отношению немногих пар разнородных полимеров. Так, с помощью ультразвука свариваются ПС с сополимером стирола, сополимеры стирола с ПВХ и ПММА, ПВХ с ПБТ и ПММА, ПА-6 с ПА-66. Многие из этих пар могут быть сварены трением. О способности разнородных пластмасс свариваться в расплаве наиболее точно можно судить по параметрам растворимости полимеров. Качественные соединения при сварке разнородных пластмасс получаются в том случае, если указанные параметры близки друг к другу. Близкими значениями параметров растворимости обладают ПВХ и ПММА, ПС и сополимеры стирола, ПЭ и ПИБ, полиизопрен и натуральный каучук, ПВА и нитроцеллюлоза, полихлоропрен и ПММА и др. Для оценки свариваемости можно использовать и другие показатели их свойств. Так, прочность сварных соединений разнородных полимеров хорошо коррелирует с отношением их термических коэффициентов линейного расширения (α1/ α2) и полярных составляющих поверхностного натяжения (γ1/ γ2). Прочность при растяжении стыкового соединения, выполненного нагретым инструментом прямым нагревом, выше 50% прочности наиболее слабого из соединяемых ПМ можно получить, если α1/ α2< 1,2 и γ1/ γ2< 2,0.

Разнородные полимеры свариваются в расплаве:

∙нагреваются до одинаковой вязкости;

∙в зоне контакта поверхностей используется общий растворитель;

∙между соединяемыми поверхностями укладываются промежуточные слои из смеси соединяемых полимеров или из сополимеров, содержащих в макромолекуле звенья, которые входят в состав макромолекул обоих соединяемых полимеров, или вводится прослойка из чужеродного полимера, совместимого с соединяемыми полимерами.

Сварка неплавких полимерных материалов на основе отвержденных реактопластов, вулканизатов, сшитых термопластов, полициклических полимеров осуществляется в условиях вынужденной пластичности в результате

прохождения химических реакций по месту реакционноспособных групп

полимера, иногда с участием присадочного реагента в зоне контакта поверхностей, ведущих к возникновению химических связей (химическая сварка). Химической сварке нет альтернативы при выполнении соединения полимеров с пространственной структурой макромолекул, поскольку только в этом случае прочность связи на границе соединяемых поверхностей может быть не слабее прочности связи в объеме соединяемого ПМ.

На свариваемости наполненных ПМ отражается в первую очередь изменение теплофизических свойств и вязкости материала при температуре сварки после введения в полимер наполнителей.

2. Сварка нагретым газом

80

При такой сварке соединяемые поверхности сначала нагреваются струей разогретого газа (обычно воздуха, азота, аргона), а затем приводятся в контакт с нагретым той же струей присадочным материалом или друг с другом. Различаются сварка нагретым газом с присадочным материалом и без него. Специфика вида заключается в подводе тепла непосредственно к соединяемым поверхностям практически любой формы и преимущественно последовательно от одного участка шва к другому. Такой сваркой можно соединять детали практически

любых размеров и конфигураций.

Сварка с присадочным материалом (рис. 14.1) используется для соединения деталей главным образом из ПВХ, ПЭ, ПП.

Рис. 14.1 Схема сварки нагретым газом с присадочным материалом:

1 - свариваемые детали; 2 - присадочный пруток; 3 - наконечник сварочного аппарата; 4 - струя нагретого газа; 5 - сварной шов; 6 - направление сварки; 7 - зона нагрева; 8 - направление колебания сварочного аппарата; Р - давление на пруток

Качество получаемых соединений зависит:

∙от свойств основного и присадочного материалов,

∙формы сварного шва,

∙подготовки соединяемых кромок деталей,

∙точного соблюдения технологических приемов и параметров режима сварки.

Присадочный материал изготовляется из ПМ в виде прутка круглого (диаметром 2-6 мм, для толстостенных деталей - 10-20 мм), прямоугольного или треугольного сечения.

Метод пригоден для выполнения стыковых (всех видов), угловых, тавровых, торцевых и нахлесточных соединений. Сущность сварки заключается в заполнении полости между кромками (участками) деталей размягченным присадочным материалом в последовательности, обеспечивающей равномерность нагрева материала в зоне шва.

Зачистка выступающего над поверхностью изделия валика шва не требуется.

Бесприсадочная сварка нагретым газом – это сварка, при которой тепло подводится непосредственно к соединяемым поверхностям.

3. Сварка нагретым инструментом

81

Сварка нагретым инструментом - вид сварки термомеханического класса, объединяющий способы, при которых для нагрева соединяемых поверхностей деталей используют нагревательный инструмент. Благодаря доступности и низкой стоимости инструментов и приспособлений, универсальности по отношению к различным пластмассам, легкости контроля параметров режима этот вид сварки наиболее широко распространен в промышленности.

Сварку нагретым инструментом косвенным нагревом, при котором тепло к свариваемым поверхностям передается от внешней стороны деталей, применяют преимущественно для соединения пленочных термопластов, а ту же сварку прямым нагревом, при котором тепло передается непосредственно свариваемым поверхностям, - для соединения как пленок, так и труб, профилей, листов, плит, фасонных деталей.

Технологический процесс, обеспечивающий высокое качество соединения, состоит из следующих этапов:

1.нагрев до заданной температуры,

2.приложение давления,

3.выдержка, охлаждение,

4.снятие давления (распрессовка).

Охлаждение под давлением позволяет избежать коробления материала шва. Применение более легкоплавкого по сравнению с основным, присадочного материала, позволит снизить температуру сварки и, таким образом, расширить диапазон толщины свариваемых деталей. Таким же образом решается проблема сварки по большим поверхностям.

Протяженные швы у пленочных изделий удобно изготавливать с помощью ленточных устройств, которые перемещают свариваемые детали мимо узлов установки, осуществляющих последовательно операции нагрева, сдавливания и охлаждения.

При разновидности сварки нагретым инструментом косвенным нагревом - термоимпульсной сварке - осуществляют импульсную подачу тепла от малоинерционного нагревательного инструмента, по которому пропускают электрический ток. После отключения электроэнергии сварной шов быстро охлаждается. Проплавляя пленочный пакет по всей толщине нагревателем в виде проволоки можно одновременно получить два шва, разделяя сваренные изделия, или отделить от изделия припуск материала.

Оптимальную температуру термоимпульсной сварки устанавливают эмпирически путем изменения величины и продолжительности электрического тока, пропускаемого по нагревателю.

В зависимости от типа материала и его толщины продолжительность нагрева составляет от десятых долей секунды до нескольких секунд, давление - от 0,01 до 0,3 МПа.

Основным недостатком сварки косвенным нагревом является перегрев внешних, контактирующих с инструментом поверхностей свариваемых деталей.

82

Сварку нагретым инструментом прямым нагревом выполняют путем одновременного или последовательного нагрева материала в зоне шва. Сварку при одновременном нагреве всей поверхности шва широко применяют при стыковке труб, профилей, плит и фасонных деталей из термопластов, а поэтому ее часто называют "сварка нагретым инструментом встык". Она относится к наиболее важным способам тепловой сварки пластмасс и включает в себя следующие основные стадии: оплавление и нагрев соединяемых поверхностей в результате их контакта с нагретым инструментом и образование соединения, - которые во времени разделены технологической паузой. Стадия образования соединения включает, в свою очередь, три последовательных процесса:

∙течение расплава, во время которого происходит наибольшее изменение длины детали и формирование сварочного наплыва;

∙собственно процесс сварки, при котором детали благодаря деформации и релаксации так плотно подгоняются друг к другу, что в результате действия сил притяжения сохраняется прочное соединение;

∙процесс охлаждения, сопровождаемый усадкой материала.

4. Сварка закладным нагревательным элементом

Сварка закладным нагревательным элементом (ЗНЭ) - вид сварки термомеханического класса, объединяющий способы сварки, при которых нагрев соединяемых поверхностей осуществляется элементом, помещаемым между свариваемыми поверхностями и остающимся в сварном шве. По способу нагрева различают терморезисторную и индукционную (электромагнитную) сварку.

При терморезисторной сварке деталей из ПМ между соединяемыми поверхностями помещают резистивный ЗНЭ (преимущественно в виде проволоки, ленты, сетки из коррозионно-стойкой либо углеродистой стали или из другого металла) и пропускают по нему электрический ток в течение заданного времени, после чего охлаждают, не снимая давления прижима соединяемых поверхностей.

Наибольшее распространение (в частности, при строительстве полиэтиленовых трубопроводов диаметром до 630 мм) получила разновидность сварки с применением литых соединительных деталей - муфт, на внутренней поверхности которых размещен ЗНЭ в виде спирали из металлической проволоки (рис. 14.2).

83

Рис. 14.2 Источник питания и ассортимент сварочных муфт ЗНЭ фирмы «KWH Pipe Ltd» (Финляндия)

Достоинства метода: способ отличается простотой аппаратурного оформления и его освоения персоналом, позволяет воспроизводить и поддерживать режим сварки при переходе от одного стыка трубопровода к другому, обеспечивать повышенный уровень механизации, увеличивать производительность труда, уменьшать расход электроэнергии по сравнению со сваркой встык нагретым инструментом.

При индукционной сварке между соединяемыми поверхностями укладывают ЗНЭ, нагреваемый в высокочастотном электромагнитном поле индуктора (рис. 14.3).

Технологический процесс состоит из трех переходов:

1)подготовка свариваемых деталей;

2)укладка ЗНЭ в зону соединения и монтаж деталей в сварочном приспособлении;

3)нагрев места соединения и охлаждение.

Соединяемые детали с ЗНЭ помещают в элекромагнитное поле целиком (индукционная сварка одновременным нагревом) или индуктор перемещают относительно закладного элемента (индукционная сварка непрерывнопоследовательным нагревом). В качестве ЗНЭ применяют не только металлические (преимущественно стальные) вкладыши в виде спирали, ленты или порошка, но и тонкоизмельченный оксид железа с размером частиц 20 мкм, в том числе в сочетании с ПМ. Частота колебаний электрического поля преимущественно составляет от единиц кГц до единиц МГц. Метод, при котором используется СВЧколебания (частота 2,45 ГГц), получил название микроволновая сварка.

Рис. 14.3 Схема индукционной сварки стыкового (а), нахлестанного (б) и кольцевого шва (в): 1 - соединяемые детали; 2 - закладной элемент; 3 – индуктор

84

Основным преимуществом индукционной сварки является возможность быстрого соединения деталей в труднодоступных местах (продолжительность нагрева может быть меньше 1 с). В настоящее время этот метод пока не может найти столь широкого применения, как сварка нагретым инструментом или ультразвуком (УЗ), однако его достоинства привлекают внимание конструкторов и технологов при решении проблем не только сборки, но и ремонта изделий из ПМ.

5. Ультразвуковая сварка

Ультразвуковая (УЗ) сварка - вид сварки механического класса, объединяющий способы, при которых посредством инструмента к соединяемым поверхностям подводятся механические колебания УЗ-частоты, преобразовываемые в свариваемом материале в тепло. По скорости соединения, экономичности, чистоте выполнения, локальности нагрева и качеству соединения с этим видом не может конкурировать никакой другой вид сварки. УЗ-сварка наиболее эффективна в крупносерийном производстве.

Известно большое число разновидностей УЗ-сварки, различающихся:

∙схемой подведения механических колебаний (УЗ-сварка с подведением нормальных или касательных колебаний);

∙схемой передачи механических колебаний (ближняя или дальняя УЗсварка);

∙способом концентрации энергии (УЗ-сварка инструментом с наконечником-концентратором, с концентратором энергии на опоре, с концентратором энергии на соединяемой поверхности, с введением вставкиконцентратора энергии из ПМ, УЗ-сварка после набухания в растворителе, УЗсварка после подогрева соединяемых участков);

∙способом дозирования подводимой энергии (УЗ-сварка при ограничении продолжительности воздействия механическими колебаниями, при фиксировании степени размягчения материала шва или при ограничении деформации материала шва) и т.д.

Многие из них нашли применение в машиностроении.

УЗ-сварку ПМ выполняют преимущественно с подведением к соединяемым поверхностям нормальных колебаний, с направлением которых совпадает направление приложения давления (рис. 14.4)

85

Рис. 14.4 Схема УЗ-сварки с подведением нормальных механических колебаний

(а) и эпюра амплитуды колебаний по длине системы «акустическая головка – детали опора» (б):

1 - корпус; 2 – преобразователь; 3 трансформатор; 4 – волновод (инструмент); 5 - свариваемые детали; 6 - опора; 7 - направление колебаний; Р -статическое давление.

Введение в полимер наполнителей, стабилизаторов, красителей, смазок и т.п. требует корректировки параметров сварки и конструкции соединяемых деталей. Если наполнение ведет к повышению модуля упругости ПМ при сохранении способности поверхностного слоя хорошо размягчаться и течь, то свариваемость в результате такого модифицирования улучшается, поскольку жесткие ПМ лучше передают энергию механических колебаний к месту соединения. При большом содержании наполнителя требуются изменение и усложнение конструкции УЗ-головки в связи с интенсивным износом инструмента в процессе сварки.

На качество сварки могут оказывать влияние:

-коробление деталей,

-недопустимые отклонения размеров,

-наличие неоднородностей, дефектов и загрязнений поверхности,

-большого количества вторичных ПМ,

-повышенное содержание влаги

-неправильное хранение деталей перед сваркой.

Возможности УЗ-сварки ПМ ограничиваются из-за недостаточной мощности сварочных установок при сборке деталей по большим площадям свариваемых поверхностей, а также из-за сложности устройства и высокой стоимости сварочных установок с несколькими акустическими узлами, которые позволяют выполнять соединения крупногабаритных деталей.

6. Сварка трением

Сварка трением - вид сварки механического класса, объединяющий способы, при которых преобразование механической энергии в тепло осуществляется благодаря работе сил трения (сухого трения – на начальном этапе, вязкого трения - после начала плавления свариваемых поверхностей) при взаимодействии перемещающихся относительно друг друга и прижатых деталей.

Образующийся в зоне контакта расплав термопласта заполняет зазор между поверхностями, а после охлаждения образует соединительный шов.

К достоинствам сварки трения относятся:

86

∙большие скорости образования соединения;

∙простота конструкции оборудования;

∙воспроизводимость параметров процесса;

∙возможность соединения поверхностей без предварительной их очистки;

∙незначительная чувствительность к условиям окружающей среды (возможность осуществления сварки в жидкой среде);

∙высокое качество швов вследствие локального нагрева, предотвращение оксидирования расплава и исключение перерыва между стадиями нагрева и образования соединения;

∙возможность соединения разнородных полимеров;

∙экономия энергии в условиях крупносерийного производства.

Для многих случаев применения требуется лишь незначительная подготовка к сварке.

Разновидности сварки трением различаются:

∙ характером трения (ротационная сварка трением, сварка вибротрением, сварка вибровращением),

∙методом создания трения (сварка прямым методом, сварка косвенным методом),

∙характером движения (прямолинейная сварка вибротрением, криволинейная сварка вибротрением),

∙типом трущегося элемента при сварке косвенным методом (сварка вращающейся конической втулкой, сварка удаляемым диском, сварка с помощью остающейся полимерной вставки, сварка с помощью полимерной конической вставки) и др.

Ротационная сварка трением –

сварка трением, при которой перемещение соединяемых деталей относительно друг друга осуществляется в результате вращения вокруг оси, совпадающей с направлением усилия прижима, одной или обеих соединяемых деталей или промежуточной вставки между ними. Наиболее распространен способ, при котором в контакт приводят соосно закрепленные детали, одна из которых неподвижна, а другая вращается (прямой метод) (рис. 14.5, а). После достижения необходимой температуры неподвижную деталь освобождают, а шов охлаждают под давлением (рис. 14.5, б). Таким образом, соединяют трубы, стержни, фасонные детали, имеющие форму тел вращения, небольшие детали круглой формы с крупногабаритными деталями.

87

Рис. 14.5 Схема ротационной сварки трением прямым методом:

а - начало стадии нагрева; б - стадия образования соединения. 1- вращающаяся деталь; 2 - неподвижная деталь; 3 - привод; 4 - зажимные кулачки; 5 - держатель неподвижной детали; 6 - сварной шов

Сварка вибротрением –

сварка трением, при которой перемещение соединяемых деталей относительно друг друга осуществляется в результате колебаний в плоскости, перпендикулярной направлению усилия прижима одной из них (рис. 14.6) или промежуточной вставки между ними. Частота f колебаний составляет обычно 100...250 Гц. Колебания могут быть прямолинейными (прямолинейная сварка вибротрением) с максимальной амплитудой А=1...4 мм или криволинейными (криволинейная сварка вибротрением) с максимальной амплитудой в несколько угловых градусов. Детали сжимают под давлением от 1,25 до 2,5 МПа. Продолжительность сварки не зависит от толщины соединяемых деталей и составляет несколько секунд.

Сварка вибровращением –

сварка трением, при которой одна из соединяемых деталей или промежуточная вставка между ними совершает круговое плоскопараллельное движение в плоскости, перпендикулярной направлению усилия прижима.

Она называется также орбитальной сваркой трением. Такое движение создается, например, с помощью 3 электромагнитов, расположенных по отношению друг к другу под углом 120°.

Вибрационное движение постоянное, и ни в одном из направлений не создаются слишком высокие напряжения сдвига. Машина с 6 катушками, расположенными под углом 60°, позволяет создавать биаксиальные и линейные колебания. На маленьких установках можно сваривать изделия с площадью сварного шва до 10 см2, которые не свариваются ультразвуком.

88

Рис. 14.6 Схема установки для сварки вибротрением прямым методом:

1 - неподвижная деталь; 2 - подвижная деталь; 3 - рабочий стол; 4 - зажимное устройство; 5 - колеблющаяся плита; 6 - электромагнит; 7 -пружины узла подвески; 8 - направление колебаний; 9 – сварной шов

Контрольные вопросы к лекции

1.Понятие, механизм и классификация методов сварки.

2.Достоинства соединений, изготавливаемых сваркой в расплаве.

3.Недостатки сварных соединений полимерных материалов.

4.Основные стадии процесса сварки с точки зрения физико-химических процессов, протекающих во время сварки.

5.Основные схемы, по которым можно вести сварку в зависимости от очередности нагрева и приложения давления.

6.Какие мероприятия способствуют повышению качества соединений, изготавливаемых сваркой в расплаве?

7.Какие условия обеспечивают сваривание разнородных полимерных материалов?

8.Особенности метода сваривания нагретым газом.

9.Методы сварки, использующие для нагрева свариваемых поверхностей нагревательный элемент.

10.Достоинства ультразвуковой сварки.

11.Разновидности сварки трением.

Литература

1.Гуль В.Е., Акутин М.С. Основы переработки пластмасс.–М.: Химия, 1985.-399 с.

2.Карпов В.М. Оборудование предприятий резиновой промышлен-ности: - М.: Химия, 1987. – 333 с.

3.Бортников В.Г. Основы технологии переработки пластических масс. – М.: Химия, 1983.-303 с.

4.Фишер Е. Экструзия пластических масс. – М.: Химия, 1970.- 284 с.

5.Яковлев А.Д. Технология изготовления изделий из пластмасс. – Л.: Химия, 1972.- 342 с.

6.Шеин В.С., Шутилин Ю.Ф., Гриб А.П. Основные процессы резинового производства. – Л.: Химия, 1988.-160 с.

7.Брацыхин Е.А., Миндлин С.С., Стрельцов К.Н. Переработка пластических масс в изделия.-М.-Л.: Химия, 1966.-400 с

8.Григорьев Г.П., Ляндзберг Г.Я., Сирота А.Г. Полимерные материалы. – М.: Высшая школа, 1966.-260 с.

89

9.Татевосьян Г.О., Кузнецова И.Б. Технология синтетических смол, пластических масс и изделий из них. – М.: Высшая школа, 1967.-411 с.

10.Суберляк О.В., Баштанник П.І. Технологія переробки полімерних та композиційних матеріалів. – Львів: Видавництво „Растр”, 2007. - 376 с.

11.Технические свойства полимерных материалов.: Уч.-спр. пос. /В.Е. Крыжановский, В.В. Бурлов, А.Д. Паниматченко. – СПб. - Профессия, 2003. – 240 с.

12.Крыжановский В.Е., Бурлов В.В., Паниматченко А.Д. , Крыжановский А.В. Технические свойства полимерных материалов. – 2-е изд. – СПб. - Профессия, 2005. – 248 с.

13.Вторичная переработка пластмасс / Ф.Л. Мантея.- пер. с англ. - СПб. - Профессия, 2006. – 400 с.

14.Крыжановский В.К., Кербер М.А., Бурлов В.В. Производство изделий из полимерных материалов. – СПб: Профессия, 2004. – 454 с.

15.Пахаренко В.А., Яковлева С.А., Пахаренко А.В. Переработка полимерных композиционных материалов. - К.: Издательство компании «Воля», 2006

-552 с.

16.Полимерные пленки / Е.М. Абдель Бар. – СПб: Профессия, 2006. – 352 с.

17.Андрашников Б.И. Интенсификация процессов приготовления и переработки резиновых смесей. - М.: Химия, 1986.- 224 с.

18.Кулезнев В.Н., Шершнев В.А. Химия и физика полимеров. - М.: Химия, 1988.- 312 с.

19.Догадкин Б.А. Химия эластомеров. - М.: Химия, 1972.- 392 с.

20.Догадкин Б.А., Донцов А.А., Шершнев В.А. Химия эластомеров. - М.: Химия, 1981.- 375 с.

21.Основы физики и химии полимеров. Под ред. В.Н. Кулезнев. - М.: Высшая школа, 1977.- 243 с.

22.Басов Н.И., Казанков Ю.В., Любартович В.А. Расчет и конструирование оборудование для производства и переработки полимерных материалов.

-М.:Химия, 1986.- 488 с.

23.Бекин Н.Г., Шанин Н.П. Оборудование заводов резиновой промышленности. - Л.: Химия, 1978.- 400 с.

24.Химикаты для полимерных материалов: Справочник (Под ред. Б.Н. Горбунова).- М.: Химия, 1984.- 320 с.

25.Химические добавки к полимерам: Справочник. И.П. Маслова, К.А. Золотарев, Н.А. Глазунова. - М.: Химия, 1973.- 271 с.

26.Блох Г.А. Органические ускорители вулканизации и вулканизующие системы для эластомеров. - Л.: Химия, 1978.- 240 с.

27.Захаров И.Д. Хлоропреновые каучуки и резины на их основе. - М.: Химия, 1978.- 272 с.

28.Макаров В.М., Дроздовский В.Ф. Использование амортизированных шин и отходов производства резиновых изделий. - Л.: Химия, 1986.- 248 с.

29.Бобков А.С. Охрана труда в резиновой промышленности. - Л.: Химия, 1988.- 264 с.

90

30.Шеин В.С., Ермаков В.И., Нохрин Ю.Г. Обезвреживание и утилизация выбросов и отходов при переработке и производстве эластомеров. - М.: Химия, 1987.- 272 с.

31.Пожарная опасность веществ и материалов, применяемых в химической промышленности: Справочник (Под ред. И.В. Рябова). - М.: Химия, 1970.- 460 с.

32.Применение резиновых технических изделий в народном хозяйстве. Справочное пособие (Под ред. Д.Л. Федюкин). - М.: Химия, 1986.- 340 с.

33.Вспомогательные вещества для полимерных материалов: Справочник. - М.: Химия, 1966.- 176 с

34.Махлис Ф.А., Федюкин Д.Л. Терминологический справочник по резине. - М.: Химия, 1989 - 400 с.

35.Тризно М.С., Москалев Е.В. Клеи и склеивание. - Л.: Химия, 1980.- 120 стр.

36.Гузеев А.П. Гуммирование изделий из металлов. - М.: Химия, 1987.- 96 стр.

37.Сидоров В.М. Раскрой резиновых изделий и деталей на диагонально- и продольно-резательных машинах. - М.: Химия, 1985.- 32 с.

38.ГОСТ 7.1.-84. Библиографическое описание документа. Общие требования и правила составления. - М.: Издательство стандартов, 1984.- 76 с.

91