Сварка пластмасс излучением

Этот способ сварки основан на способности пластмасс поглощать лучистую (фотонную) энергию и за этот счет нагреваться. В результате поверхностные участки пластмасс переходят в вязкотекучее состояние и с приложением давления свариваются. Различают следующие виды сварки пластмасс излучением:

1. инфракрасным (ИК) излучением;

2. светом видимого диапазона (СВД);

3. лазером (оптическим квантовым генератором);

Особенностью сварки излучением является отсутствие непосредственного контакта нагревательного инструмента излучателя с нагреваемыми поверхностями, что исключает прилипание расплава к нагревателю. Процесс нагрева легко регулируется за счет изменения мощности лучистого потока и расстояния до облучаемой детали.

Интенсивно поглощается термопластами излучение инфракрасного светового спектра (рис. 1). Это невидимое глазом электромагнитное излучение с длиной волны в пределах от 0,74 мкм до 2,0 мм. Инфракрасное излучение с длиной волны менее 2,5 мкм полимерными материалами пропускается, а излучение большей длины волны поглощается даже чистыми полимерами, например, полиметакрилат при толщине листа 3 мм пропускает 90% излучения с длиной волны 0,7..1,1 мкм и лишь 30% с длиной 3 мкм.

Инфракрасные лучи обладают всеми свойствами видимого спектра: они также отражаются, преломляются и поглощаются. Способность пластмасс поглощать излучение возрастает от наличия в них добавок: красителей, пластификаторов, наполнителей и т.д.

Рис.1 Схема сварки пластмасс ИК излучением
1-ИК излучатель, 2-свариваемые детали

Поглощение происходит не только нагреваемой поверхностью, но и внутренними слоями, что определяет глубину прогрева. У большей части термопластов максимум поглощающей способности относится к длинам волн свыше 2,5...3,0 мкм. Наибольшей поглощающей способностью обладает пенопласт, наименьшей - фторолон.

Для сварки используют излучатели, в которых элементы накаливания имеют температуру 1000....200 °С. Для излучателей используют силитовые стержни и нагреватели из хромистой стали, например из стали 1Х25Н20Т. Используются также кварцевые лампы стержневого типа.

Основными технологическими параметрами сварки ИК излучением и светом видимого диапазона являются:

1. мощность излучателя;

2. температура нагревателя;

3. время нагрева;

4. усилие и скорость осадки после нагрева;

Конструкция сварных соединений и схема сварки взаимосвязаны. Основным типом соединения пленок является нахлесточное, реже рантовое (Т-образное). Нахлест для ИК сварки не более 10 мм. Листы, трубы и другие изделия сваривают встык. Непременное условие такого соединения - равенство сечений соединяемых деталей.

Для сварки пленок СВД наиболее удобная схема показана на рис. 2, а. При сварке по этой схеме часть энергии излучения поглощается подложкой, которая становится дополнительным нагревателем. Изготовляется подложка из микропористой резины. При этой схеме. нагрева толщина пленок ограничена. Так например, если использовать в качестве нагревателя селитовый стержень с температурой 1200 °С и расстоянием до детали 12 мм, толщина пленок из ПЭВД не более 2 мм.

При сварке встык (рис. 2, б) световым излучением листов используют схему прямого или косвенного облучения.

Сварка лучом лазера. При сварке пластмасс лучом лазера нагрев соединяемых поверхностей достигается в результате превращения лучевой энергии лазера в тепловую в месте фокусировки луча. Особенность лазерного излучения состоит в его способности создавать в фокусе мощность значительной плотности. Диаметр пятна - доли миллиметра. СО₂ - лазер мощностью 1 кВт позволяет в фокальном пятне диаметром 0,1 мм получить плотность тепловой мощности 3 МВт/см², а отсюда производительность способа очень высока: скорость сварки пленок 3,3...4,0 м/с.

Рис. 2. Схемы сварки пластмасс светом видимого диапазона:
1- рефлектор; 2 - источник света; 3 - свариваемые детали; 4 - подложка

Скорость сварки пленок лучом лазера определяется необходимостью повышения температуры до плавления с учетом теплофизических характеристик (плотности и удельной теплоемкости) и геометрических параметров (ширины шва и суммарной толщины свариваемых пленок), а также поглощаемой пленками лучистой энергией. Повышение мощности лазерного луча позволяет увеличить скорость сварки.

Этот способ сварки, в основном, применяют для соединения пленок толщиной от 50 до 250 мкм, собранных внахлестку.

Основными параметрами режима сварки являются:

1. мощность лазера;

2. плотность тепловой мощности в фокальном ядре;

3. скорость сварки.

Все эти параметры взаимосвязаны. Так, при постоянной мощности в ядре я повышенной скорости протяжки пленок сварки может не произойти, и наоборот, при малой скорости протяжки будет не сварка, а разрезка пленки.

Для сварки полимерных материалов могут быть использованы не только газовые лазеры, генерирующие лучи длиной 10,6 мкм, но и лазеры на твердых кристаллах, генерирующие лучи длиной 1,1 мкм.

Пленки некоторых пластмасс, например ПВХ, свариваются лучом лазера неудовлетворительно вследствие их склонности к деструкции в процессе концентрированного нагрева.

Особое внимание при лазерной сварке необходимо уделять безопасным методам труда сварщика и недопущению посторонних лиц к месту сварки.