Сварка пластмасс

Сущность процесса сварки пластмассы. Механизм образования сварного соединения. Основные стадии процесса сварки пластмасс

Соединение термопластичных материалов между собой может осуществляться механическим путем с помощью болтов, заклепок и других крепежных элементов: путем склеивания, а также с помощью сварки.

Из всех перечисленных способов соединения пластмасс только сварка не требует введения в зону соединения инородных материалов и предоставляет возможность получать в этой зоне образования, характерные для исходного материала, то есть максимально приблизить эту весьма важную зону по ее механическим свойствам, газо- и  водонепроницаемости, антикоррозионным и другим характеристиками к одноименным свойствам основного материала. Поэтому, когда к соединениям в конструкциях предъявляются повышенные требования в отношении прочности, герметичности и других свойств, сборку конструкции предпочтительно осуществлять с помощью сварки.

Процесс сварки пластмасс состоит в образовании соединения за счет контакта активированных  нагревом соединяемых поверхностей.

Последовательность операций сварки может быть различной:

• свариваемые материалы сначала приводят в плотный контакт, а затем происходит активация соединяемых поверхностей;

• соединяемые поверхности скачала подвергают активации, а затем обеспечивают их контакт;

• контактирование и активацию соединяемых поверхностей осуществляют одновременно;

При сварке пластмасс, так же как и при сварке металлов, в сварочной зоне протекают следующие процессы:

• подвод и преобразование энергии, обеспечивающей активацию соединяемых поверхностей;

• взаимодействие активированных поверхностей при их контакте;

• формирование структуры материала в зоне контакта;

Активация свариваемых поверхностей может достигаться за счет:

• контакта их с теплоносителями - нагретыми инструментами, газами, либо присадочными материалами;

• поглощения и преобразования высокочастотных электрических или механических колебаний, механической энергии трения или лучистой энергии;

В конечном счете, активация независимо от способа ее осуществления состоит в нагреве свариваемых поверхностей и проявляется в повышении энергии теплового движения  макромолекул. Вблизи температуры стеклования возникает возможность движения только отдельных сегментов макромолекул и сварка здесь невозможна. При температурах, близких к Т_т, макромолекулы могут уже перемешаться друг относительно друга, и здесь уже возможна сварка.

Следующая стадия процесса сварки - взаимодействие активированных поверхностей при контакте друг с другом, наиболее ответственна за свойства образовавшегося соединения, так как только при реализации взаимодействия между макромолекулами полимера возможно получение соединения, близкого по свойствам к основному материалу. Сущность процесса сварки состоит в сближении макромолекул активированных поверхностей на такие расстояния, чтобы между ними образовались силы межмолекулярного взаимодействия.

Процесс сварки пластмасс может происходить только при определенных условиях.

1. Повышенная температура. Величина ее должна достигать температуры вязкотекучего состояния Т_т, но быть не более температуры деструкции термопласта Т_р, то есть Т_т < Т_св < Т_р.

2. Плотный контакт активированных свариваемых поверхностей.

3. Оптимальное время сварки - время выдержки при Т_св, время выдержки при давлении, время охлаждения.

Снижение температуры сварки в область высокоэластического состояния не может обеспечить стабильного качества сварного шва, так как при этом не обеспечивается достаточная подвижность макромолекул, и поэтому в шве могут появиться многие дефекты: непровары, поры и другие. Кроме того, как показано выше, при Тс < Т_св< Т_т деформации пластмасс обратимы, а отсюда прочность соединения со временем может понизиться.

Следует иметь в виду, что температурный коэффициент линейного расширения пластмасс в несколько раз больше, чем у металлов, а отсюда в процессе сварки и охлаждения в пластмассах возникают остаточные напряжения и деформации, которые снижают, порой значительно, прочность сварных соединений пластмасс.

На прочность сварных соединений пластмасс большое влияние оказывают: химический состав пластмассы, ориентация макромолекул, температура окружающей среды и другие факторы.

Как и при сварке металлов, при сварке пластмасс следует стремиться к тому, чтобы материал сварного шва и околошовной зоны по механическим и физическим свойствам был максимально приближен к соответствующим свойствам основного материала.

Сварка пластмасс плавлением, как и другие методы их переработки, основана на переводе полимера сначала в высокоэластическое, а затем в вязкотекучее состояние и возможна лишь в том случае, если свариваемые поверхности материалов (или деталей) могут быть переведены в состояние вязкого расплава. При этом переход полимера в вязкотекучее состояние не должен сопровождаться разложением материала термодеструкцией.

Температурный интервал вязкотекучего состояния (разница между температурами Т_р и Т_т) должен быть достаточно широким, так как незначительные отклонения от оптимального режима сварки пластмасс с малым интервалом между этими температурами могут привести к дефектам сварки (если Т_св будет меньше Т_г), либо в виде деструкции, если Т_св будет больше Т_р.

Переход полимера в вязкотекучее состояние не должен вызывать также существенного изменения формы макромолекул и их относительного расположения, то есть ориентации, которая обеспечивает прочность материала, а, следовательно, и прочность сварного шва.

Особенность течения в полимерах состоит в том, что длинные гибкие цепные молекулы полимера не могут перемешаться как единое целое. Деформация вязкого течения осуществляется путем перемещения только отдельных сегментов макромолекул, которые тем легче переходят в соседнее положение, чем больше запас тепловой энергии, то есть чем выше температура и чем слабее они связаны с соседними сегментами своей макромолекулы и с сегментами соседних макромолекул.

Принимая в качестве основного критерия свариваемости пластмасс их реологические свойства все термопласты в отношении их свариваемости плавлением можно разделить на три группы.

К первой группе можно отнести неориентированные термопласты, характеризующиеся следующими реологическими свойствами:

• энергия активации вязкого течения значительно ниже, чем энергия химической связи и не превышает 150 кДж/моль;

• температурный интервал вязкотекучего состояния превышает 50°;

• вязкость расплава находится в диапазоне 10² ...  10⁵ Па·с;

Такие термопласты при нагреве переходят в вязкотекучее состояние без термодеструкции, их текучее состояние сохраняется в достаточно широком интервале температур, а вязкость расплава такова, что при незначительных усилиях может быть обеспечена быстрая и полная сварка. Это хорошо свариваемые плавлением термопласты. Типичными представителями этой группы являются: полиолефины (полиэтилен, полипропилен, полиизобутилен, поливинилциклогексан и другие).

Ко 2-й группе относятся ориентированные термопласты с такими же реологическими свойствами, как и для 1-й группы, а также термопласты с высокой энергией активации вязкого течения, близкой к энергии химической связи. К этой группе также относятся термопласты с узким (менее 50 градусов) интервалом между Т_т и Т_р, а также термопласты со сравнительно высокой вязкостью расплава.

Для ориентированных пластмасс при нагреве до вязкотекучего состояния неизбежно нарушение ориентированной структуры, обеспечивавшей прочность материала; для пластмасс с высокой энергией активации вязкого течения существует опасность деструкции; термопласты с узким температурным интервалом между Т_т и Т_р могут разлагаться при незначительном перегреве и, наконец, сварка плавлением пластмасс с высокой вязкостью расплавов (более 10⁵ Па·с) возможна только при условии снижения их вязкости в процессе сварки.

Следовательно, для обеспечения возможности сварки плавлением пластмасс 2-й группы необходимо в каждом отдельном случае выискивать оптимальные технологические приемы их сварки, поэтому термопласты этой группы относятся к трудносвариваемым.

2-я группа пластмасс наиболее обширна по числу наименований. К ней могут быть отнесены: поливинилхлорид, поливинилиденхлорид, пентапласт, поликарбонат, некоторые фторолоны и ряд других пластмасс.

К 3-й группе следует отнести термопласты, энергия активации вязкого течения которых превышает энергию химической связи, а также термопласты, вязкость расплава которых превышает 10⁵ Па·с. Эти термопласты практически не могут быть переведены в вязкотекучее состояние и, следовательно, возможность их сварки плавлением исключена.

Типичные представители этой группы: фторолон-4, ацетат целлюлозы, поливинилацетат.

Обычно термопласты этой группы, как впрочем и реактопласты, могут быть соединены сваркой с помощью растворителей (химической сваркой).

Все рассмотренные теоретические положения о свариваемости пластмасс по группам (1-я - хорошо свариваемые; 2-я - трудносвариваемые и 3-я - несвариваемые) нашли полное подтверждение на практике.

Разнообразие пластмасс по их реологическим свойствам и многообразие конструкций из них по форме, размерам и условиям работы стимулировало создание различных способов их сварки.