Сварка пластмасс экструдируемой присадкой (расплавом)

Сущность сварки пластмасс экструдируемой присадкой состоит в том. что материал, находящийся в вязкотекучем состоянии, выходящий из экструдера (рис. 1), непрерывно подается между соединяемыми поверхностями, нагревает их до температуры сварки и, сплавляясь с ними, образует сварной шов.

Этот способ получил довольно широкое распространение благодаря простоте, высокой производительности, широким технологическим возможностям и высокому качеству сварных швов.

Процесс сварки пластмасс экструдируемой присадкой близок к процессу сварки металлов плавящимся электродом. В обоих случаях образование сварного соединения происходит в результате сплавления присадочного материала с кромками свариваемых деталей. Различие состоит в том, что пластмассы не переходят при плавлении в жидкую фазу, а остаются в вязкотекучем состоянии. Поэтому для обеспечения плотного контакта между присадочным материалом, находящимся в вязкотекучем состоянии, и кромками деталей необходимо применять давление.

Сварка экструдируемой присадкой осуществляется по двум схемам. 1. Бесконтактная экструзионная сварка. Способ сварки, при котором присадочный материал непрерывно поступает в зону соединения из мундштука экструдера, находящегося на некотором расстоянии от поверхности деталей (рис. 1, а).

Рис. 1 Схемы сварки пластмасс экструдированной присадкой:
1-экструдер, 2-свариваемые детали, 3-мундштук экструдера, 4-прикатывающий ролик

В этом случае для обеспечения плотного контакта присадки с соединяемыми поверхностями применяют специальные прижимные устройства, рис. 1а

2. Контактно-экструзионная сварка (рис. 1, б). При этом способе разогретый мундштук экструдера вводят в разделку до контакта с кромками и перемешают вдоль стыка под углом 10 ...  15° к вертикали и заполняют разделку расплавленным присадочным материалом. В результате не только снижают потери теплоты в окружающую среду, но и дополнительно обеспечивается нагрев соединяемых поверхностей за счёт теплоотдачи от мундштука. Прижим присадки здесь не нужен, плотный контакт достигается за счет давления, создаваемого самой присадкой. Данный способ сварки нашел широкое применение в промышленности как для сварки листовых, так и пленочных пластмасс.

Экструзионную сварку также целесообразно применять для соединения полимерных пленок и пленочных армированных материалов непрерывно протяженным швом (рис. 2). Выходящий из экструдера материал непрерывно поступает в зазор между соединяемыми пленками и вместе с ними проходит через прижимные ролики, образуя сварной шов. Преимуществом этого способа сварки является то, что исключается опасность утонения материала в зоне шва, которое имеет место при других способах сварки.

Рис. 2. Бесконтактная экструзионная сварка полимерных пленок:
1 - экструдер; 2 - мундштук экструдера; 3 - свариваемые детали; 4 - прижимные ролики; 5 - сваренные пленки

Для обеспечения процесса сварки присадочный материал, вносимый в зону сплавления, должен иметь температуру большую, чем его температура текучести (Т_т). Расчеты показывают, что это превышение над Т_т составляет 30...60 °С. Теплота экструдированной присадки после выхода из мундштука экструдера 1 расходуется на потери в окружающую среду при проходе до зоны сплавления Q₁ на расплавление (приведение в вязкотекучее состояние) кромок деталей Q₂ и на сохранение вязкотекучего состояния самой присадки до ее соединения с расплавленными кромками деталей Q₃. Таким образом,

Q = Q₁ + Q₂ + Q₃

В связи с этим сварку экструдированной присадкой можно применить только для соединения таких полимеров, которые характеризуются сравнительно широким температурным интервалом вязкотекучего состояния и способны нагреваться при экструзии значительно выше Т_т без заметной деструкции. К таким термопластам относятся: полиэтилен высокого (ПЭВД) и низкого (ПЭНД) давления, а также полипропилен (ПП), пластифицированный поливинилхлорид, полистирол, сополимер этилена с пропиленом, плавкие фторолоны (Ф-4МБ, Ф-2 и другие).

С точки зрения температурного режима сварку экструдированной присадкой целесообразно осуществлять при высоких скоростях экструзии и максимально возможном диаметре присадки, так как при этом потери тепла в окружающую среду будут меньше. Сварку целесообразнее вести контактным способом (рис. 1, б).

Наиболее важные технологические параметры экструзионной сварки пластмасс:

1. температура присадочного материала;

2. сварочное давление;

3. скорость сварки;

Зависимость прочности сварного соединения из ПЭВД, ПЭНД и ПП от температуры присадки показана на рис. 6. Вначале 190 < Т₁ < 220 °С, с повышением температуры прочность соединений увеличивается до определенного максимального значения. На этом участке Т₁ < Т_т .

В интервале от 220 °С до 260 °С прочность почти не меняется и имеет максимальное значение. На этом участке Т_т < Т₂ < Т_р.

И, наконец, на участке Т₃ > Т_р, естественно, прочность падает.

Характер зависимости прочности сварных соединений от сварочного давления при постоянной температуре присадки различен для разных полимеров. Для ПЭВД характерен широкий интервал давлений, в котором обеспечивается максимальная прочность. Для ПЭНД и ПП при увеличении давления прочность сначала растет до определенного значения, а затем резко падает.

Скорость сварки в интервале 0,1...З,0 м/мин не оказывает значительного влияния на качество сварных соединений.

Следует отметить, что относительная прочность сварных соединений при экструзионной сварке достигает 90...100 %, что выше этого показателя для других способов сварки.

Типы сварных соединений из винипласта, полиэтилена и полипропилена, выполняемые сваркой экструдируемой присадкой, их условные изображения и обозначения, диапазон толщин деталей, конструктивные элементы и размеры подготовляемых кромок так же, как и для сварки газовым теплоносителем устанавливаются ГОСТ 16310-80.

Выбор типа сварного шва обусловлен, главным образом, толщиной свариваемых материалов, особенностями сварки изделий и условиями их нагружения.