Химическая сварка пластмасс является основным способом соединения

Конспект лекций по дисциплине «Основные способы сварки, наплавки и пайки» для подготовки бакалавров по направлению 5522700-«Машины и технология сварочного производства»

Главная > Конспект лекций

Информация о документе
Дата добавления:
Размер:
Доступные форматы для скачивания:

Лекция № 18.

Сварка пластмасс

18.1. Особенности сварки пластмасс

18.2. Физические основы сварки пластмасс

18.3. Основные способы сварки пластмасс

18.4. Химическая сварка пластмасс

18.5. Сварка пластмасс с помощью растворителей

18.1. Особенности сварки пластмасс

По свариваемости пластмассы, как уже упоминалось, можно разделить на 2 группы: термореактивные, которые преимущественно не свариваются, и термопластические, которые легко подвергаются сварке.

Сваркой пластмасс называется процесс образования неразъемного соединения путем доведения соединяемых поверхностей до вязкотекучего состояния с приложением давления. В результате чего частично или полностью исчезает граница раздела между соединяемыми поверхностями, и прочность материала в месте соединения, а также другие физические свойства приближают к свойствам свариваемого материала.

Процесс сварки термопластических материалов отмечается от процессов, протекающих при сварке металлов целым рядом особенностей:

1) При сварке пластмасс не образуется жидкая ванна. Процесс этот может происходить лишь при определенных условиях. Основными из них являются: повышенная температура в месте сварки (температура вязкотекучего состояния материала), наличие плотного контакта свариваемых поверхностей и определенное время протекания процесса. Пластмассы представляют собой большое количество взаимно растворенных полимеров, построенных из одних и тех же звеньев, но отличающихся молекулярным весом, поэтому они не имеют резко выраженной точки плавления, а при нагреве постепенно переходят из твердого состояния в высокоэластичное и далее в вязкотекучее, когда материал становится липким и отдельные детали под давлением могут прочно соединяться между собой, т.е. свариваться.

2) Термопластические массы при высоких температурах начинают разлагаться. При этом степень разложения зависит как от температуры, так и от длительности воздействия этой температуры. Таким образом, при сварке термопластов нагрев материала должен быть возможно более кратковременным, а температура не должна превышать температуру разложения.

3) Пластмассы обладают высоким коэффициентом температурного расширения, в несколько раз большим, чем у металлов.

18.2. Физические основы сварки пластмасс

Сваривание полимерных материалов осуществляется в результате протекающей взаимной диффузии и молекул полимера в контактирующих поверхностях или в результате химической реакции присоединения между звеньями молекул соединяемых полимеров. В зависимости от степени упорядоченности отдельных участков линейных молекул, полимер может находиться в кристаллическом или амфотерном состоянии.

В процессе сварки кристаллических полимеров по мере плавления полимера в нем постепенно нарушается упорядоченное разложение молекул и начинается переход из кристаллической фазы в аморфную. Температура перехода полимера из твердого состояния в жидкое может быть выше температуры плавления кристаллической фазы в нем и зависит от молекулярного веса полимера.

При большом молекулярном весе полимер, нагретый выше температуры плавления, перейдя в аморфную фазу, сохраняет еще твердое агрегатное состояние и только с дальнейшим повышением температуры постепенно переходит в вязкотекучее состояние.

Аморфное твердое состояние полимера характеризуется фиксированным, но разрыхленным расположением макромолекул относительно друг друга и лишь ограниченной подвижностью звеньев. С повышением температуры увеличивается энергия теплового движения макромолекул. Когда эта энергия становится достаточной, чтобы появилась гибкость всей молекулы, полимер переходит в высокоэластическое состояние (температура стеклования). Переход происходит постепенно в интервале температур 15-25С. В высокоэластичном состоянии сравнительно небольшие напряжения вызывают перемещение молекул и их ориентацию в направлении действующей силы. После снятия нагрузки молекулы постепенно приобретают форму, характерную для равновесного состояния. При дальнейшем повышении температуры энергия тепловых движений возрастает настолько, что молекулы приобретают способность перемещаться относительно друг друга (вязкотекучее состояние).

Свариваемость полимеров за счет диффузии возможна только в зоне, допускающей свободное перемещение молекул, т.е. в стадии вязкотекучего состояния. Чем ниже температура перехода полимера в эту стадию и выше его текучесть, тем быстрее удается достигнуть однородности материала в зоне сварного соединения.

18.3. Основные способы сварки пластмасс

В настоящее время применяется целый ряд способов сварки пластмасс, осуществляющихся с нагревом зоны соединения и без него.

Способы сварки с нагревом соединения в зависимости от применяемых источников нагрева можно разделить на 2 группы. К первой группе относятся способы сварки, в которых используется энергия посторонних источников тепла:

1) газовыми теплоносителями;

2) экструдируемой присадкой;

3) нагревательными элементами.

Во всех приведенных способах тепло передается к свариваемым поверхностям пластмассы за счет конвекции, теплопроводности и частичного лучеиспускания.

Ко второй группе относятся способы сварки, в которых тепло генерируется внутри пластмассы за счет преобразования различных видов энергии. При этом используется энергия:

1) токов высокой частоты;

2) ультразвуковых колебаний;

4) инфракрасного излучения;

5) химических реакций;

6) лазерного излучения.

Без нагрева зоны соединения выполняется сварка с помощью растворителей.

Классификация способов сварки пластмасс приведена на рис 18.1.

Рис. 18.1. Классификация способов сварки пластмасс

Сварка газовыми теплоносителями относительно проста и позволяет получать разнообразные изделия при минимальных затратах на оборудование. Нагрев свариваемых кромок осуществляется за счет теплоотдачи от нагретого газа, поступающего из горелки. Применяется при изготовлении аппаратуры для химической промышленности.

Способ сварки экструдируемой присадкой дает хорошие результаты, как при сварке пленок, так и при сварке листов большей толщины. Метод основан на подаче в место сварки присадки, находящейся в вязкотекучем состоянии.

Сварка нагретым инструментом применяется при изготовлении труб, упаковочной тары, чехлов и многих других изделий. Источником нагрева служат разогретые тела, которые передают тепло путем непосредственного соприкосновения с пластмассой.

Метод сварки токами высокой частоты основан на способности некоторых пластмасс нагреваться в высокочастотном электрическом поле, возникающем между электродами, которые одновременно сжимают свариваемые поверхности.

При сварке трением нагрев осуществляется за счет тепла, получаемого в процессе трения свариваемых поверхностей при приложении к ним давления.

Способ сварки ультразвуком основан на преобразовании механических высокочастотных колебаний, возбуждаемых в пластмассе, в тепло. Тепло, развивающееся преимущественно на свариваемых поверхностях, размягчает пластмассу и при приложении давления происходит сваривание деталей. Сварка ультразвуком особенно пригодна для сварки изделий, у которых доступ к месту соединения затруднен, и свариваемый материал не допускает нагрева по всему объему.

При сварке пластмасс инфракрасным излучением нагрев осуществляется за счет источника тепла инфракрасного излучения, получаемого при накаливании стержневых кварцевых ламп и других источников. Применяется преимущественно для сварки полимерных пленок.

18.4. Химическая сварка пластмасс

Химическая сварка пластмасс применяется для сварки термореактивных пластмасс (стеклопластиков, текстолитов, пресспорошков, феноло-формальдегидных, эпоксидных, отвержденых полиэфирных смол).

Химическая сварка пластмасс осуществляется за счет химического взаимодействия свариваемых материалов с веществом, которое вводится в сварочный шов, который играет в этом случае роль сшивающей добавки. Эти вещества, реагируют с активными группами звеньев молекул, находящихся в зоне контакта.

Рис. 18.2. Механизм химической сварки

Успех применения этого способа сварки зависит от многих факторов:

1) свариваемый полимер должен содержать высокоактивные функциональные группы достаточной концентрации, чтобы совокупность химических связей, возникших в месте соединения, обеспечила необходимую механическую прочность.

2) низкомолекулярное вещество, выступающее в роли мостикообразующего, не должно испаряться при температуре сварки.

3) скорость реакции должна быть достаточно высокой.

4) реакция не должна сопровождаться выделением большого количества легко испаряющегося побочного продукта, который не должен разрушать полимер, или адсорбируясь в нем, изменять его качество.

Источник

Сущность процесса и область применения химической сварки

Сущность процессов, протекающих при химической сварке, заключается во взаимном смачивании соединяемых поверхностей и в образовании химических связей между макромолекулами полимера, находящимися на приведенных в контакт соединяемых поверхностях. Прочность и другие характеристики сварного шва обусловлены не только действием в зоне соединения сил межмолекулярного взаимодействия, как это имеет место при диффузионнореологической сварке, но, главным образом, возникновением химических связей.

Химической сваркой соединяют как полимерные материалы, не соединяемые диффузионно-реологической сваркой (не полностью отвержденные реактопласты, вулканизаты, редкосетчатые термопласты и линейные полициклические полимеры, некоторые разнородные полимерные материалы), так и некоторые виды термопластов с кристаллической и ориентированной структурами, способные соединяться диффузионно-реологической сваркой.

Технологический процесс химической сварки в общем случае, независимо от типа полимерного материала, включает следующие операции:

• подготовка (главным образом, очистка соединяемых поверхностей);
• нанесение присадочного материала (реагента);
• приведение соединяемых поверхностей в контакт;
• прогрев или облучение зоны шва при условиях, обеспечивающих образование химических связей в свариваемых слоях.

В отличие от склеивания при химической сварке промежуточные слои или присадочные реагенты не образуют самостоятельной непрерывной фазы, которая своими свойствами существенно отличается от свойств соединяемых материалов.

Можно выделить две разновидности химической сварки:

• без присадочного материала;
• с применением присадочных материалов, вводимых в зону контакта соединяемых поверхностей.

Сварк а без присадочного материала осуществляется, как правило, нагревом введенных в контакт свариваемых поверхностей. В химической структуре звеньев, составляющих макромолекулярные цепи термопластов, могут оказаться функциональные группы, сравнительно легко вступающие в химические реакции с функциональными группами контактирующего материала. Такую реакционную способность можно использовать для создания высокопрочного соединения.

Успех такого способа сварки материалов, основанный не столько на диффузии, сколько на химической реакции в пограничном слое, зависит от многих факторов. Для осуществления химической сварки необходим тесный контакт между соединяемыми поверхностями и химическая реакция соединения, в которую вовлекаются функциональные группы участков макромолекул, располо- женных на контактирующих поверхностях.

Температура, при которой выполняют химическую сварку, всегда ниже температуры вязкотекучего состояния полимера.

При химической св арке с присадочными мат ер иалами в качестве последних используют различные реагенты. Это может быть раствор исходного материала с инициатором реакции полимеризации, для некоторых отвержденных смол – тонкий слой отвердителя, другие химические соединения, способные инициировать возникновение связей между контактирующими поверхностями.

Существуют два механизма действия этих реагентов.

1. Молекулы реагентов участвуют в образовании сшивки (поперечных связей) между поверхностями.
2. Присутствие этих реагентов повышает реакционную способность материалов, увеличивая количество свободных функциональных групп или увеличивая их активность.

Для выполнения химической сварки независимо от типа полимера необходимо выбрать присадочный реагент, его расход на единицу поверхности шва и назначить температуру, продолжительность нагрева и давление при контактировании соединяемых материалов.

Во многих случаях сварной шов, получаемый методом химической сварки, не отличается по своей структуре и по агрегатному состоянию от основного материала.

Решающее влияние на выбор условия и режимов химической сварки оказывает химическая структура полимера – основного компонента полимерного материала. Именно химическая структура полимера определяет механизм вторичных химических реакций в зоне контакта соединяемых поверхностей, на которых основана сварка рассматриваемым способом.

Процесс химической сварки является более производительным, чем склеивание, легко поддается механизации и автоматизации; соединение можно нагружать сразу же после его изготовления, параметры окружающей среды не имеют существенного влияния на качество выполняемого соединения, отсутствуют напряжения и ослабление околошовной зоны.

К основным недостаткам способа можно отнести необходимость применения индивидуальной специальной оснастки, отсутствие возможности визуального контроля процесса сварки, сложность применения в монтажных условиях.

Источник

Химическая сварка полимерных материалов

Этот вид сварки применяют для соединения термореактивных полимерных материалов. Как известно, в полимерах, находящихся в отвержденном состоянии, тепловое движение выражается лишь в ограниченных колебаниях малых участков макромолекул. На этих участках сохраняются химически активные функциональные группы, В определенных для данного полимера условиях активные группы, расположенные на поверхности одного изделия, могут вступать в реакцию непосредственно или с помощью добавок с активными группами столь же: подвижных участков макромолекул на поверхности другого изделия. Это явление и было использовано для создания нового вида сварки — химической.

Качество химической сварки определяется длиной подвижных участков молекул полимера в пограничных слоях, их степенью подвижности при выбранных условиях сварки, концентрацией в них химически активных групп и полнотой их участия в реакции соединения с полимером привариваемого материала.

Для осуществления химической сварки необходим тесный контакт между соединяемыми поверхностями. В химическую реакцию вовлекаются функциональные группы участков макромолекул, расположенных на контактирующих поверхностях. Не исключена возможность термоокислительного отщепления некоторых участков макромолекул и диффузии их в пограничные слои. Такие низкомолекулярные осколки облегчают контакт между соединяемыми поверхностями, выполняя роль мостиков, вступающих в реакцию с функциональными группами, жестко закрепленными на поверхности.

Сварной шов, получаемый методом химической сварки, не отличается по своей структуре от основного материала, поэтому прочность соединения соответствует прочности отвержденного связующего (полимера). Сварной шов также устойчив к повышенным температурам и к действию растворителей, как и полимер в свариваемом материале.

При химической сварке очень важно быстро и интенсивно прогреть контактирующие поверхности изделий. В процессе такого нагрева участки макромолекул, содержащих функциональные группы, приобретают большую амплитуду колебания, что облегчает преодоление пространственных затруднений для соединения функциональных групп между собой. Указанным требованиям удовлетворяют высокочастотный и ультразвуковой методы нагрева пластмасс.

Осуществить химическую сварку изделий из отвержденных смол удается и при комнатной температуре. Для этого нужно, чтобы процесс проходил в присутствии присадочного материала, в котором свариваемые поверхности слегка набухают, и чтобы химическая реакция между функциональными группами присадочного материала и отвержденной смолы могла проходить с достаточной скоростью и полнотой. Примером химической сварки, проходящей при комнатной температуре, служит сварка изделий из полиэфиров стиролом в присутствии органических перекисей и некоторых других соединений, ускоряющих полимеризацию.

Сварка с применением присадочного материала

При сварке термореактивных полимерных материалов в качестве присадочного материала может быть использована пленка, по составу близкая к связующему полимеру и отверждающаяся в процессе высокочастотного нагрева. Например, введение пленки или прутка из пластифицированного винипласта между свариваемыми поверхностями из непластифицированного винипласта облегчает процесс сварки и способствует повышению ударной прочности шва.

В случае сварки изделий из стеклопластиков (КАСТ-В, ВФТ-С и пресс-материал АГ-4) применяют пленку на основе связующего БФ-4, наиболее близкого по составу к связующему этих стеклопластиков. Присадочный материал не только заполняет зазор и обеспечивает должный контакт между соединяемыми поверхностями, но и участвует в Совместном отверждении со связующим стеклопластика.

Основными технологическими параметрами, влияющими на сварку с присадочным материалом, являются давление, продолжительность сварки и напряженность поля при сварке ТВЧ.

Зависимость прочности соединения от давления определяется количеством подводимой тепловой энергии, в частности напряженностью поля и продолжительностью сварки. С повышением давления до 40 кгс/см 2 предел прочности при сдвиге возрастает, главным образом в результате улучшения контакта. Увеличение давления способствует также уплотнению материала, удалению воздушной прослойки между соединяемыми поверхностями и присадочной пленкой; при этом улучшаются условия прогрева и отверждения сварного шва.

После достижения максимального значения прочность снижается в результате деструкции связующего. Интенсификация нагрева связана с тем, что утонение материала с ростом давления увеличивает действующую напряженность поля при постоянстве величины напряжения на обкладках рабочего конденсатора.

Длительность цикла сварки включает отрезок времени, необходимый для разогрева изделия и присадочного материала, и продолжительность выдержки для их совместного отверждения. От продолжительности сварки зависит полнота прохождения процесса соединения и связанная с этим прочность сварного шва. Резкое увеличение прочности в начале нагрева объясняется контактом по большей площади соединения; дальнейший рост, по всей вероятности, вызван увеличением степени отверждения сварного шва.

Сварка без присадочного материала

Решающее значение при выборе режимов сварки имеет степень отверждения полимера. С увеличением степени отверждения ухудшается свариваемость.

При более интенсивном нагреве и большем давлении свариваемость материалов с повышенной степенью отверждения улучшается. Например, стеклопластики с повышенной степенью отверждения более стойки к термической деструкции. Чтобы достигнуть необходимой прочности соединения, их нужно прогревать длительное время.

С увеличением давления па соединяемые поверхности, вплоть до 65 кгс/см 2 , прочность сварного шва резко возрастает. Дальнейшее повышение давления мало сказывается на качестве сварки, что указывает на достижение полного контакта.

С повышением интенсивности нагрева возрастает пластичность материала, поэтому можно достигнуть такой же прочности соединения и при более низком давлении. Пределом интенсификации нагрева является термическая деструкция, которая приводит к снижению прочности сварного соединения.

Для сварки изделий из стеклотекстодитов, полученных на основе модифицированных фенолоформальдегидных смол, оптимальная величина давления 40÷50 кгс/см 2 . Для изделий из стеклопластиков на основе полиэфирных и эпоксидных смол полный контакт достигается легче и максимальная прочность шва получается при меньшем давлении (25—30 кгс/см 2 ).

При сварке изделий из отверждающихся смол с порошкообразным наполнителем (например, из пресс-порошка марки К-18-2) давление не должно превышать 25—30 кгс/см 2 , так как этот материал при повышенных температурах имеет низкую прочность при сжатии.

Примеры сварки некоторых термореактивных пластмасс

Сварка отвержденных фенолоформальдегидных смол резольного типа. При сваривании изделий из отвержденных феполоформальдегидных смол с участием присадочного материала, представляющего собой фенолоформальдегиднуго смолу, находящуюся еще в стадии резола, контакт между свариваемыми поверхностями возрастает. В реакцию отверждения присадочного материала вовлекаются функциональные группы полимера, находящиеся на поверхности свариваемых изделий.

Фенолоформ альдегидные смолы новолачного типа отверждаются при взаимодействии с продуктами распада гексаметилен-тетрамина. Условия сварки изделий из этого материала требуют нанесения тонкого слоя отвердителя на контактируемуго поверхность.

Сварка кремнийорганических смол. Отвержденные кремнийорганические смолы содержат очень небольшое число функциональных групп, поэтому ничтожно мала вероятность их близкого расположения и химического взаимодействия в процессах дальнейшего отверждения, а тем более во время сварки.

Углеводородные (например, —СН₃) группы, находящиеся в большом количестве в отверждениой смоле, в том числе и на поверхности изделий, могут быть вовлечены в реакцию химической сварки, если использовать в качестве возбудителя этой реакции органические перекиси. Раствор связующего тонким слоем наносят на свариваемые поверхности, и при соответствующих условиях между присадочным материалом и активными углеводородными группами на свариваемых поверхностях происходит реакция соединения.

Сварка отвержденных полиэфиров. В отвержденных полиэфирных смолах сохраняется некоторое количество ненасыщенных (кратных связей), которые из-за пространственных затруднений не могут вступить в реакцию между собой (в реакцию полимеризации). Отвержденные полиэфиры способны немного набухать в таких веществах, как стирол, а под действием инициатора и повышенной температуры стирол сополимеризуется внутри изделия из полиэфира.

Присадочным материалом может служить тонкий слой вязкого раствора исходного неотвержденного полиэфира в стироле, диаллилфталате, винилтолуоле, в которые предварительно введен инициатор реакции полимеризации — органическая перекись.

Лебедев Г.А. «Напыление. Сварка. Склеивание».

Источник