Сварка

Введение 
Самым надежным методом соединения листовых термопластичных материалов при производстве различных емкостей, бассейнов, гальванованн, септиков, воздуховодов, сложных конструкций, ремонте автомобильных пластмасс и т.д  является сварка – технологический процесс, при котором обеспечивается монолитность (неразъемность) соединения. Различают несколько способов сварки пластмасс и пластмассовых изделий: сварка нагретым газом (преимущественно воздухом) с помощью присадочного прутка, экструзионная сварка пластмассовых конструкций и сварка пластмасс с помощью нагретого элемента. 
 
Сварка пластмасс, процесс неразъёмного соединения термопластов и реактопластов, в результате которого исчезает граница раздела между соединяемыми деталями. Сварку термопластов производят с использованием тепла посторонних источников нагрева (газовых теплоносителей, нагретого присадочного материала, нагретого инструмента) или с генерированием тепла внутри пластмассы при преобразовании различных видов энергии (сварка трением, токами ВЧ, ультразвуком, инфракрасным излучением и др.). Сварка происходит в пределах термопластического состояния материалов. При этом свободно перемещающиеся молекулярные цепи связываются в поверхностях контакта соединяемых деталей. Сварной шов охлаждается под давлением и в свободном состоянии. 
 
Соединение реактопластов осуществляют способом, основанным на химическом взаимодействии между поверхностями непосредственно или с участием присадочного материала (т. н. химическая сварка). Осуществление этого способа требует интенсивного прогрева поверхностей и интенсификации колебаний звеньев молекул полимера токами ВЧ или ультразвуком. С. п., например плёночных и листовых материалов, внедряется в различных областях промышленности и строительства. 
Способы сварки термопластичных материалов: 
 
1.   Нагретым газом; 
 
2.   Нагретым инструментом: 
 
- Прямой нагрев: 
 
·        Встык 
 
·        Враструб фитингом и втулок 
 
·        В выточку 
 
·        В тавр и угловых соединений 
 
·        Нагретой проволокой 
 
·        Нагретым клином 
 
- Косвенный нагрев: 
 
·        Термоимпульсом 
 
·        Ленточная 
 
·        Роликовая 
 
·        Контактно-тепловая (прессованием) 
 
3.   Расплавом 
 
4.   Трением; 
 
5.   Ультразвуковая 
 
6.   Токами высокой частоты; 
 
- Оплавлением 
 
- Экструзионная 
 
- Индукционная 
 
7. Излучением 
 
- Лазерная 
 
- Световым лучем 

1.  Сварка нагретым газом. 
Сварка пластмасс нагретым газом – горячий воздух нагревает поверхности свариваемого материала и присадочного прутка и, после приложения давления и остывания,  получается монолитное соединение. Отличительной характеристикой способа является подвод тепла непосредственно к соединяемым поверхностям и последовательно от одного участка шва к другому. Наряду с последовательной сваркой возможна также сварка по всей поверхности шва за один прием. Сварку с помощью нагретого газа можно осуществлять с применением присадочного материала и без присадочного материала. 
 
Данной сваркой можно соединять детали практически любых размеров и конфигураций из поливинилхлорида, полиолефинов, полиметилметакрилата, полистирола, полиамидов в любых условиях сварочного производства. 
 
Недостаток этого способа – низкая производительность, высокая стоимость. 
 
Положение шва при сварке: нижнее, горизонтальное, вертикальное (снизу вверх), вертикальное (сверху вниз), горизонтальное на вертикальной поверхности, потолочное; горелка с быстросвариваемым соплом; предпочтительное нижнее и горизонтальное положение шва. 
 
Изделия: толщина 1,5-20 (30)мм, панели, трубы, гидроизоляционные детали, покрытия для полов, фасонные детали. 
 
Материалы: твердый, мягкий поливинилхлорид, твердый, мягкий полиэтилен, полипропилен, полиоксиметилен, полиметилметакрилат, полиамиды, полиизобутилен, поликарбонат. 
Рис. 1. Схема сварки пластмасс нагретым газом с применением присадочного материала: 
 
1- свариваемые изделия; 2- сварочный шов;  
 
3- присадочный материал; 4- наконечник нагревателя; 
 
5- струя нагретого газа 
 
Прочность соединений, получаемых без применения присадочного материала, выше, чем с его применением, и достигает 80- 90 % прочности основного материала, при этом удельная вязкость материала почти не снижается. Данный способ сварки используется главным образом для соединения плоских изделий прямолинейным швом. 
 
 
Рис. 2. Схема сварки нагретым газом листов термопласта без присадочного материала: 
 
1-сварной шов; 2- прижимные ролики; 3- свариваемые листы; 4- наконечник нагревателя 
 
 
Рис. 3. Схема сварки нагретым газом пленочных материалов: 
 
1- свариваемые пленки; 2- ограничительые ленты; 3- струя газа; 4- наконечник нагревателя; 5- упругая подложка; 6- жесткое основание 
 
 
Рис. 4. Схема сварки пленок оплавлением кромок с подготовкой свариваемых кромок (а) и без подготовки свариваемых кромок (б): 
 
1- свариваемые пленки; 2- струя газа; 3- наконечник нагревателя; 4- сварной шов; 5- зажимные губки 
 
2.  Сварка нагретым инструментом 
Сварка нагретым инструментом является наиболее универсальной для соединения различных изделий из термопластов ( пленок, листов, труб, лент, профилей и др.). Обычно при сварке этим способом присадочный материал не применяется. 
 
Для нагрева соединяемых поверхностей используются металлические инструменты различной формы, а нагрев может осуществляться путем непосредственного соприкосновения с соединяемыми поверхностями (прямой нагрев, применяется в основном для сварки толстостенных изделий) или подводом тепла с внешней стороны через всю толщину детали( косвенный нагрев, используется для сварки пленок и тонких листов). Нагретые детали спрессовывают, а затем охлаждают. 
 
При подводке тепла с внешней стороны изделий нагревательный инструменты одновременно служат и для спрессовывания соединяемых деталей. Нагрев изделий может быть односторонним или двусторонним. Последний применяется только в тех случаях, кода конструкция свариваемого изделия позволяет подводить нагреватели с вух сторон 
 
А) Сварка встык 
 
Положение шва при сварке: любые пространственные положения. 
 
Изделия: толщина s>2мм, ручная сварка, трубы, профили, панели, слитки,  фасонные детали.  
 
 
Рис. 5. Последовательность процессов стыковой сварки нагретым инструментом: 
 
а- исходное положение изделий и нагревательного инструмента; б- оплавление свариваемых поверхностей; в- готовое сварное соединение; 1- свариваемые детали; 2- электронагревательный инструмент 
Материал: твердый суспензионный, ударно-вязкий, мягкий поливинилхлорид, твердый полиэтилен, полипропилен, полиамиды. 
 
Общая продолжительность сварки: t>60с. 
 
Источник нагрева: электрический ток (нагрев электросопротивлением) или пламя горячего газа (пропан). Сварочные материалы, регуляторы температуры, теплообменники. 

Б) Сварка враструб, сварка в выточку 
В любых пространственных положениях 
 
Изделия: толщина s>2мм, ручная сварка враструб, трубы D<50мм, машинная сварка враструб, сварка в выточку труб, панелей, фасонных деталей. 
 
Материал: твердый, мягкий полиэтилен, полипропилен. 
 
Источник нагрева: электрический ток (нагрев электросопротивлением) или пламя горючего газа (пропан). 
 
Сварочные аппараты, машины и принадлежности: Нагревающий элемент с инструментами для формирования шва (сварочный дорн или сварочная линза). 
 
В) сварка тавровых и угловых соединений 
 
Положение шва при сварке: нижнее 
 
Изделия: толщина 2-10мм, панели. 
 
Материал: твердый, мягкий полиэтилен, полипропилен. 
 
Продолжительность сварки 60с. 
 
Источник нагрева: электрический ток (нагрев электросопротивлением) 
 
Сварка выполняется без присадочных материалов. 
 
Г) сварка нагретой проволокой 
 
Положение шва при сварке: любые пространственные положения 
 
Изделия: толщина s>1,5мм, панели, трубы. 
 
Материал: твердый, мягкий полиэтилен, полипропилен, полиметилакрилат. 
 
Продолжительность сварки: t>30с 
 
Источник нагрева: электрический ток (нагрев электросопротивлением) 
 
Сварочный аппарат: регулировочный трансформатор или регулировочный выпрямитель (при отсутствии регулировочного трансформатора) 
 
Д) сварка нагретым клином 
Рис. 6. Схема сварки нагретым клином нахлесточных соединений пленок : 
 
1- свариваемые пленки; 2– клиновидный нагревательный элемент; 3- прижимной ролик; 4- сварной шов; 5- транспортирующий ролик  
 
 
Изделие: толщина 0,5-10,0мм (ручная сварка), толщина 0,1-2,0мм (машинная сварка), фольга, гидроизоляционный материал, ткани с покрытием, панели. 
 
Материал: мягкий поливинилхлорид, мягкий, твердый полиэтилен, полипропилен, полиамиды. 
 
Источник питания: электрический ток (нагрев электросопротивлением) 
 
Е) сварка термоимпульсом 
 
 
 
 
Рис. 7. Схема термоимпульсной сварки полимерных пленок: 
 
1- пленки; 2- нагреватель; 3- тепло и электроизоляция; 4- антиадгезионная прокладка; 5- подвижная губка; 6- эластичная подложка; 7- неподвижная губка; 8- сварной шов  
Изделия: толщина 0,01-0,2мм (односторонний импульс), толщина 0,01-0,4(0,5) (двусторонний импульс), фольга, тонкая бумага, алюминиевая фольга с покрытием, оклеечная бумага. 
 
Материал: твердый, мягкий полиэтилен, полипропилен, твердый суспензионный поливинилхлорид. 
 
Источник нагрева: электрический ток (нагрев электросопротивлением). 
 
Сварочные аппараты: ручные и механические устройства для сварки термоимпульсом.  
 
Ж) сварка контактно-тепловая прессованием 

Рис. 8. Схема прессовой сварки с нагревательным инструментом без охлаждения (а) и с охлаждением (б) боковых зон шва: 
 
1- нагреватель; 2теплоизоляционная пластина; 3- разделительная прокладка; 4- свариваемые изделия; 5-охлаждаемый элемент 
Изделия: толщина 0,01-0,2мм (односторонний нагрев), толщина 0,01-0,4мм (двусторонний нагрев), фольга, тонкая бумага и алюминиевая фольга с покрытием, оклеечный материал. 
 
Материал: твердый, мягкий полиэтилен, полипропилен, оклеечный материал из различных пластмасс. 
 
Источник нагрева: электрический ток (нагрев электро-сопротивлением) 
 
Сварочные аппараты: Разделительная фольга из политетрафторэтилена, разделительная ткань с покрытие из политетрафторэтилена или силикокаучука (толщ. 0,13-0,15).  
 
З) сварка ленточная 
 
Применение нагревательного инструмента в форме лент дает возможность охлаждать свариваемое изделие в процессе сварки перед снятием давления, для этого последняя зона, через которую проходит материал, снабжается охлаждающим устройством. Что значительно повышает качество и производительность сварочных работ. 
 
 
 
Рис. 9. Схема ленточной сварки полимерных пленок с двусторонним подогревом: 
 
1- свариваемые пленки; 2- стальная лента; 3- нагреватель; 4- охлаждающее устройство; 5- сварной шов 
 
 
И) роликовая сварка 
 
Роликовая сварка применяется для соединения полимерных пленок при необходимости получения непрерывного шва значительной протяженности. 
 
 

Рис. 10. Схема  роликовой сварки с односторонним  нагревом: 
 
1- свариваемые пленки; 2- прижимной ролик; 3-сварной шов; 4- нагретый ролик 

3.Сварка  расплавом. 
Сварка расплавом получила в последнее время широкое распространение благодаря простоте и высокой производительности, широким технологическим возможностям и высокому качеству сварных соединений. 
 
Сварка может проводиться по непрерывной и периодической схемам. При непрерывной схеме сварки присадочный материал выходит из нагревательного устройства непрерывно, а при проведении процесса по периодической схеме периодически поступает в зазор между деталями, установленными в форму или зажатыми в приспособлении.  
 
Сварку расплавом целесообразно осуществлять при высоких скоростях подачи расплава в шов и максимальной его массе, так как в этом случае присадочный материал теряет меньше теплоты и нагревать его можно до более низких температур. 
 
Рис. 11. Схема сварки расплавом, получаемым экструзией: 
 
1- экструдер; 2- расплавленный присадочный материал; 3- свариваемые пленки; 4-прижимные ролики; 5- сваренный материал 
 
 
 

4. Сварка трением. 
Отличительными особенностями сварки трением являются малое время сварки (несколько секунд), локальное выделение тепла, высокая прочность сварного шва, возможность сварки поверхностей без их предварительной очистки, в том числе поверхностей, имеющих окисную пленку и различные инородные включения. 
 
Сваркой трением хорошо соединяются полиэтилен, полипропилен, полиоксиметилен, поливинилхлорид, полиамиды, полистирол и сополимеры на его основе, а также некоторые фторполимеры. Сваркой трением могут соединяться не только однородные, но также и разнородные пластмассы. 
 
Сварка трением широко применяется для соединения различных деталей, имеющих форму тел вращения, а также деталей любой формы, соединяемые поверхности которых находятся в одной плоскости, например, труб малых и средних диаметров, водопроводной арматуры, изделий сантехники, фильтров, резервуаров и др. 
 
 
 
Рис. 12. Принципиальная схема сварки трением с использованием вращения одной детали (а), обеих деталей (б), вставки (в): 
 
1- вращающаяся деталь; 2- сварной шов; 3- неподвижная деталь; 4- вставка 

5. Ультразвуковая сварка 
Мощные ультразвуковые колебания находят широкое применение в промышленности, а также в науке для исследования некоторых физических явлений и свойств веществ. В технике ультразвук используют для обработки металлов и в дефектоскопии. Широко применяется в медицине. В сварочной технике ультразвук может быть использован в различных целях. Воздействуя им на сварочную ванну в процессе кристаллизации, можно улучшить механические свойства сварного соединения, благодаря измельчению структуры металла шва и удалению газов. Ультразвук снижает или снимает собственные напряжения и деформации, возникающие при сварке. Одним из наиболее перспективных применений ультразвука является ультразвуковая сварка (УЗС), получившая в последние годы большое развитие, как в нашей стране, так и за рубежом.  
 
Способ разработан в 1958 г. учеными МВТУ им.Н.Э.Баумана под руководством академика Николаева Г.А.  
 
Основными отличительными чертами УЗС пластмасс является:  
 
1) возможность сварки по поверхностям, загрязненным различными продуктами;  
 
2) локальное выделение теплоты в зоне сварки, что исключает перегрев пластмассы, как это имеет место при сварке нагретым инструментом, нагретыми газами и т.д.;  
 
3) возможность получения неразъемного соединения при сварке жестких пластмасс на большом удалении от точки ввода УЗ энергии;  
 
4) возможность выполнения соединений в труднодоступных местах;  
 
5) при УЗС нагрев материала до температуры сварки осуществляется быстро; время нагрева исчисляется секундами и долями секунды. 
Способ УЗС пластмасс заключается в том, что электрические колебания УЗ частоты (18-50 Кгц), вырабатываемые генератором, преобразуются в механические колебания сварочного инструмента - волновода и вводится в свариваемый материал. Здесь часть энергии механических колебаний переходит в тепловую, что приводит к нагреву зоны контакта соединяемых деталей до температур вязкотекучего состояния. Для обеспечения надлежащих условий ввода механических колебаний и создание тесного контакта свариваемых поверхностей прикладывается давление между волноводом и опорой. 6. Такой контакт обеспечивается статическим давлением Рст. рабочего торца волновода на свариваемые детали.  
 
 Это давление способствует также концентрации энергии в зоне соединений. Динамическое усилие, возникающее в результате колеблющегося волновода, приводит к нагрузку свариваемого материала, а действие 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 применяется для УЗС пластмасс в отличие от "металлической схемы, когда механические колебания действуют в плоскости соединяемых поверхностей, а давление перпендикулярно к ним. Подвод энергии от волновода может быть односторонним и двусторонним.  
 
Различают сварку ультразвуком в ближнем и дальнем поле. Первая позволяет сваривать поверхности на расстоянии до 5 мм от места ввода в материал ультразвуковых колебаний. Вторая – до 250 мм. При сварке в ближнем поле для равномерного распределения энергии по всей площади контакта свариваемых деталей необходимо. Чтобы площадь и форма рабочего торца инструмента-волновода и плоскости контакта свариваемых деталей были идентичны. Этот способ сварки наиболее часто применяется для сварки внахлестку. 
Рис. 13. Схем ы ультразвуковой сварки в ближнем поле: 
 
а- прессовая сварка; б- роликовая сварка; 1- волновод; 2- свариваемые детали; 3- опора 
 
Рис. 14. Схемы ультразвуковой сварки в дальнем поле: 
 
1- волновой инструмент; 2- свариваемое изделие 
 
 
Оптимальные параметры режима сварки зависят от свойств свариваемого материала, толщины и формы изделий и других факторов и устанавливаются в каждом конкретном случае экспериментально к реальным изделиям. Оценка режима обычно проводится по показателям прочности сварного соединения. Кроме того, проверяют его на герметичность, деформацию и другие характеристики.  
6. Сварка токами высокой частоты. 
Отличительными особенностями высокочастотной сварки пластмасс являются: 
 
Одновременный нагрев по толщине свариваемых материалов, близкий к равномерному. Что исключает перегрев наружных поверхностей; 
 
Высокая скорость нагрева, позволяющая ограничивать время сварочного цикла несколькими секундами; 
 
Возможность изготовления за одну операцию изделий со сложной конфигурацией сварного шва; 
 
Широкое использование для соединения внахлест пленочных полимерных материалов, синтетических швейных материалов. 
Рис. 15. Схема высокочастотной сварки: 
 
1, 5- плиты пресса; 
 
2,4 – электроды; 
 
3- свариваемые материалы 
 
 
 
При индукционной сварке нагрев закладного элемента осуществляется в электромагнитном высокочастотном поле с использованием индуктора, подключенного к генератору высокой частоты 
Рис. 16. Схема индукционной сварки: 
 
1, 3- свариваемые изделия; 2- закладной нагревательный элемент в виде проволоки; 4-                   индуктор; 5- генератор высокой частоты 
 
 
 
7. Сварка излучением. 
Отличительными особенностями сварки излучением являются отсутствие при нагреве прямого контакта между поверхностью излучателя и нагреваемо поверхностью4 возможность в широких пределах управлять режимами нагрева, изменяя мощность излучения и поглощающую способность облучаемого материала. 
 
 
 
Рис. 17. Схема сварки световым излучением листового термопласта с применением присадочного материала: 
 
1- присадочный пруток; 2- подогреватель; 3- точечный излучатель; 4- стержневой излучатель; 5, 7- ролики; 6- листовой термопласт; 8- пружина 
 
 
Рис. 18. Схема сварки полимерных пленок лазерным излучением: 
 
1- отклоняющее зеркало; 2-луч лазера; 3- лазер; 4- свариваемые пленки; 5- транспортирующий ролик; 6- прижимной ролик; 7- фокусирующая линза 
 
 
Заключение. 
 
В заключение необходимо отметить, что в настоящее время в нашей стране на различных заводах используются несколько тысяч сварочных машин, а группа ученых за разработку теоретических основ процесса, основ технологии и организацию промышленного выпуска сварочных машин удостоена премии Совета Министров СССР за 1984 год. 
Библиографический список 
1.                 Волков С.С., Черняк Б.Я. Сварка пластических масс: Учеб.пособие. -М.: Химия, 1987.-168 с. 
 
2.                 Т.А. Кузьмук, Е.Н. Деркач, Справочник по сварке и склеиванию пластмасс, Киев 1986.- 193 с.