Сварка полимерных материалов
Сварка полимерных материалов — один из методов создания неразъемного соединения элементов конструкции. В результате сварки между соединяемыми поверхностями исчезает граница раздела, превращаясь в размытый переходный слой. Прочность соединения обусловливают возникающие в этом слое силы межатомного и межмолекулярного взаимодействия. В случае сварки линейных или разветвленных полимеров (термопластов и термоэластопластов) переходный слой образуется в результате диффузии макромолекул полимера, которая возможна при переходе полимера в вязко текучее состояние. Последнее реализуется при нагревании свариваемых материалов или при действии на них растворителя. В соответствии с этим различают диффузионную тепловую сварку и диффузионную сварку с помощью растворителя. Прочное сварное соединение лестничных или трехмерных полимеров, которые невозможно перевести в расплав или раствор, может быть образовано при химическом взаимодействии макромолекул между собой или с введенным в зону сварки сшивающим агентом. Такой способ создания соединения называется химической сваркой Его используют также для сварки некоторых кристаллических или ориентированных термопластов, когда стремятся в максимальной степени предотвратить нарушение структуры свариваемых материалов.
Источники нагрева при сварке— нагретые газ, инструмент, присадочный материал или тепло, генерируемое в материалах в результате преобразования различных видов энергии — токов высокой частоты (ТВЧ), ультразвука, трения, ИК- или лазерного излучения.
Сварку предпочитают другим методам создания неразъемного соединения полимерных материалов (склеиванию, креплению заклепками, при формовке, прессовой посадке) в тех случаях, когда:
- соединяемые детали изготовлены из одинаковых материалов или из материалов с близкими значениями плотности энергии когезии;
- недопустимо присутствие чужеродных по отношению к соединяемым материалам крепежных элементов или клеевых прослоек;
- важнейшими требованиями к процессу являются высокая производительность и возможность механизации и автоматизации. Неразъемность сварных узлов, трудности, возникающие при соединении разнородных материалов, а также низкая прочность швов при расслаивающих нагрузках ограничивают применение сварки.
Диффузионная сварка
Основные параметры диффузионной тепловой сварки— температура нагрева материала (Гц), продолжительность и давление контакта. Гц связана с временем нагрева Тц принципом температурно-временной суперпозиции: Тн=То ехр (В/ПТ^), где Тд—величина, имеющая размерность времени; О — энергия активации диффузии сегментов макромолекулы; напр., для полиэтилена низкой плотности она равна 21 кдж/молъ (5 ккал/молъ) для поливинилхлорида с различным содержанием пластификатора — 38—51 кдж/ моль (9—15 ккал/молъ). Приведенная формула позволяет определять режим сварки, обеспечивающий необходимую прочность соединения.
Гн варьируют в пределах от темп-ры текучести полимера (Гт) до темп-ры, при к-рой начинается его интенсивная деструкция (Гд). Продолжительность и давление контакта зависят от реологических характеристик (вязкости) материала в указанном интервале температур. При высокой вязкости материала затруднено диффузионное движение макромолекул и, следовательно, достижение необходимого контакта между соединяемыми поверхностями. В этом случае используют присадочный материал, которым заполняют полость сварного шва. Таким материалом служит обычно полимер того же состава, что и в соединяемых деталях, но содержащий пластификатор или имеющий меньшую молярную массу, благодаря чему облегчается его диффузия в граничные слои свариваемых деталей. Разнородные полимерные материалы сваривают при помощи слоя статистического сополимера, содержащего в макромолекуле звенья, которые входят в состав макромолекул обоих соединяемых полимеров.
Сварку можно считать завершенной, как только по всей поверхности соединения будет достигнут молекулярный контакт. При сварке деталей из аморфно-кристаллических полимеров с низкой молярной массой или при использовании присадочного материала (особенно размягченного в результате предварительного нагрева) сварное соединение образуется при низких давлениях практически мгновенно после разогрева шва до температуры сварки.
Нагрев выше Тт при диффузионной сварке ориентированных термопластов обусловливает их разориентацию в зоне шва; охлаждение шва при сварке кристаллических термопластов сопровождается перекристаллизацией материала. Связанное с этим отличие структуры полимера в зоне шва от его структуры в остальном объеме материала может привести к снижению прочности шва в условиях эксплуатации конструкции: при перепадах температуры, контакте с жидкими средами и др.
Локальность нагрева материала (теплоизоляционного по своей природе и имеющего высокий температурный коэффициент объемного расширения) при тепловой сварке или сильное набухание полимера только в зоне шва при сварке с помощью растворителей приводит к тому, что в слоях материала, расположенных в зоне шва, возникают остаточные напряжения, которые постепенно уменьшаются вследствие релаксационных процессов. По этой причине сварные изделия часто передают на эксплуатацию спустя некоторое время после их изготовления. Продолжительность выдержки (иногда до нескольких суток) зависит от типа свариваемого материала, конструкции изделия, условий его хранения и др. Многие эксплуатационные характеристики изделий, получаемых тепловой сваркой, могут снижаться вследствие деструкции полимера в зоне шва или интенсивного расхода стабилизатора, который предотвращает этот процесс.
Термоокислительную деструкцию предупреждают при проведении сварки в инертной среде; расход стабилизатора компенсируют, вводя в зону шва большее его количество, чем в основной материал. Улучшению качества соединений способствует также нагрев только зоны соединяемых поверхностей, термообработка сварных изделий при температуре, близкой к температуре стеклования полимера. введение в зону шва способствующих повышению его прочности структурообразователя и (или) наполнителя.
Сварка нагретым газом.
Соединяемые поверхности нагревают струей разогретого газа и приводят в контакт с нагретым той же струей присадочным материалом или друг с другом. Сваркой с применением присадочного материала соединяют детали из поливинилхлорида, полиолефинов, полиметилметакрилата, полистирола, полиамидов, пентапласта, полиформальдегида. В присадочный материал в виде прутка круглого, прямоугольного или треугольного сечения из того же полимера, что и в свариваемых деталях, может быть добавлен пластификатор (3—10% от массы композиции). Непластифицированный материал предпочтителен при изготовлении изделий, работающих в агрессивных средах и при повышенных температурах.
Для сварки толстостенных изделий за один цикл применяют цилиндрич. прутки диаметром до 10—20 мм. Прутки в виде лент толщиной 1 мм и шириной 10—15 мм используют при сварке тонких листов встык с накладкой, назначение которой — упрочнение и герметизация сварного шва. Размер прутка треугольного сечения соответствует размерам полости между скошенными свариваемыми кромками (так называемая разделка шва). Подготовку к сварке встык проводят в соответствии с рекомендациями, приведенными в табл. 1.
| Термопласты | Толщина свариваемых матер., мм | предвар. обработ. матер. | Угол скашивания стыкуем. кромок * | Диаметр присадоч. прутка,мм | |
| V -шов | Х-шов | ||||
| Полиофелины | 3 | Cнятие окислов поверхности | 25-30 | 2 | |
| Полиметилметакрилат | 4 | — | 25-30 | 4-6 | |
| Полиамиды | 4 | Выдержка 10 ч при 80 С | 20-25 | 2,5 | |
| Жесткий поливинилхлорид | 5 | — | 30-35 | 3** | |
| * При механизированной сварке угол cкашивания 25°. ** Прутки диаметром 0,01,— поливинилхлорид, поливинилиденхлорид, полиамиды, эфиры целлюлозы, сополимеры фторолефинов, полиакрилаты, полиуретаны. При сварке материалов с E 300 Мгц) в поле объемного резонатора с использованием энергии магнетронов. | |||||
По прессовой схеме получают нахлесточные или Т-образные швы. При сварке встык применяют схемы с одно-или двухсторонним расположением электродов. Выпускаемые промышленностью высокочастотные сварочные установки не дают возможности регулировать частоту электрич. поля (во время сварки она остается практически постоянной — 27,12 Мгц+/- 1,0% или 40,68 Мгц+/-. 1,0%). Напряженность доля должна обеспечивать температуру, при которой свариваемый материал находится в вязкотекучем состоянии.
Давление сварки р [в н/м2 (кгс/см2)] определяется из уравнения:
Р=( (Тд/ Тш)-1) Кдв b2/t Тд2
где Тд — толщина детали до cварки, м(см), Тш — толщина шва, м(см), Кдв — коэфф. динамич. вязкости материала, н ‘сек/м2 (кгс ‘сек/см2), t—продолжительность cварки, сек, b — ширина электрода, м(см).
Продолжительность высокочастотной сварки пленок поливинилхлорида — доли секунды, пленок сополимеров фторолефинов и полиамидов — несколько секунд Сварка осуществляется на ручных или стационарных установках прессового или роликового типа, включающих генератор ТВЧ, электрододержатели, механизм привода электродов и устройство для их экранирования.
Ультразвуковая сварка
Способ основан на нагреве соединяемых поверхностей в результате превращения энергии механических ультразвуковых колебаний с частотой 15—50 кгц в тепловую. Соединяемые детали зажимают между концом инструмента и опорой. Сварка происходит в момент подачи ТВЧ от ультразвукового генератора на обмотку вибратора, выполненного из магнитострикционного или пьезокерамического материала. Продольные высокочастотные механические колебания, возникающие в этом материале вследствие магнитострикционного или пьезоэлектрич. эффекта, передаются через стержневые волновод и инструмент в зону шва.
Для ультразвуковой сварки характерны следующие основные особенности:
- концентрация тепловыделения в зоне шва и связанные с этим высокая скорость образования шва и минимальное изменение свойств материала;
- возможность сварки загрязненных поверхностей, т. к. все инородные частицы удаляются из зоны шва в результате сдвиговых колебаний;
- возможность подвода механической энергии на значительном расстоянии от места сварки, что позволяет сваривать детали больших толщин и в труднодоступных местах (при этом второй электрод не требуется).
Благодаря перечисленным достоинствам ультразвуковая сварка развивается более интенсивно, чем другие методы сварки.
При сварке ряда термопластичных материалов, например полиэтилентерефталатных пли полиамидных пленок, соединение образуется при более низких температурах, чем Тт. Предполагают, что под воздействием ультразвука в микрообъемах происходит механическая деструкция полимера, способствующая снижению Тт. При этом не исключен также мгновенный и локальный нагрев до Тт, не фиксируемый термопарами. При ультразвуковой сварке возможно образование химических связей в переходном слое.
В зависимости от способа подвода энергии к зоне шва ультразвуковая сварка разделяется на контактную, при которой место ввода ультразвука удалено от соединяемых поверхностей не более чем на 5 мм, и дистанционную, при которой оно удалено от зоны шва на большее расстояние. Последний способ применим для жестких термопластов с модулем упругости > 2. 103 Мн/м2 (> 2 -104 кгс/см2).
При ультразвуковой сварке детали можно сваривать в отдельных точках (точечная сварка), одновременно по всему контуру шва (контурная сварка), а также при шаговом или непрерывном перемещении материала или инструмента. При контурной сварке с помощью одного инструмента может быть получен шов в виде прямоугольника с периметром 200—240 мм или круглый шов диаметром до 120 мм. При толщине детали более 2 мм и габаритах, превышающих 12х12 см, применяют одновременно несколько инструментов или ведут процесс шаговым методом. При непрерывной сварке нижнюю опору (напр., в виде стакана) заменяют роликом или применяют скользящий инструмент. Тонкие пленки сваривают между прокладками из неразмягчающегося материала, например из бумаги или целлофана толщиной 40—60 мкм. Ультразвуковым методом чаще всего сваривают полиэтилентерефталатные пленки, в том числе металлизированные. Сваркой пленок толщиной 20—40 мкм при оптимальном режиме (амплитуда смещения рабочего конца инструмента 25—30 мкм, усилие прижима 12 н (1,2 кгс), частота 50 кгц) получают швы, прочность которых при сдвиге составляет 60—70% от прочности материала при растяжении.
Герметичное соединение по всему контуру шва при сварке толстостенных изделий обеспечивается созданием на контактирующих участках выступов (концентраторов напряжений) различной формы, а иногда и углублений. Для большинства пластмасс оптимальная амплитуда составляет 20—40 мкм, продолжительность точечной сварки 1—9 сек, давление 1—4 Мн/м2 (10—40 кгс/см2) для жестких и 0,5—2,0 Мн/м2 (5—20 кгс/см2) для мягких пластмасс; толщина последних должна быть 0,2—1,0 мм. Сварку ведут на резонансной частоте акустической системы. Стабильная и надежная сварка обеспечивается при контроле продолжительности ультразвукового импульса по изменению амплитуды опоры, в которую встроен магнитоупругий датчик.
Сварка трением
При использовании этого способа детали нагреваются в результате выделения теплоты трения. В зависимости от способа создания трения различают сварку вращением, инерционную сварку и сварку вибротрением.
При сварке вращением в контакт приводят соосно закрепленные детали, одна из которых неподвижна, а другая вращается. После достижения необходимой температуры (обычно через 3—25 сек после начала вращения) деталь останавливают и охлаждают сварной шов под давлением. Иногда, в частности при сварке длинных деталей, используют вращающийся промежуточный элемент (в этом случае обе соединяемые детали закрепляют неподвижно), который может быть изготовлен из металла, например алюминия, или из пластмассы. Элемент из пластмассы оставляют в сварном шве, а металлический удаляют, после чего соединяемые детали приводят в контакт и охлаждают.
Сваркой вращением соединяют стержни и трубы, а также присоединяют цилиндрические детали к плоским и фасонным. Высокая скорость образования шва — основное достоинство этого метода. Прочность соединений, полученных при оптимальных режимах сварки (табл. 3), близка к прочности свариваемого материала.
| Термопласт | Скорость вращения м/ мин | Давление, Мн/м2 (кгс/см2) | Мин прочность шва % от пр-ти материала |
| Полиэтилен низкой плотности | 90-180 | 0, 2-0 ,5 (2-5) | 80 |
| Полипропилен | 90-180 | 0, 2-0, 5 (2-5) | 80 |
| Поливинилхлорид | 100-150 | 0 ,3-0, 8(3-8) | 70 |
| Полиформальдегид | 100-250 | 0, 6-1 ,0 (6-10) | 70 |
| Полифениленоксид | 30-50 | 1, 0-1, 5 (10-15) | 60 |
| Поликарбонат | 12-15 | 0, 5-0, 8(5-8) | 80 |
Установки для сварки вращением изготовляют на базе токарных или сверлильных станков.
Инерционная сварка происходит при вращении деталей за счет энергии, запасаемой вращающимся маховиком (его масса составляет 1—2 кг на 1 см2 свариваемой поверхности). Длительность нагрева (время торможения) обычно менее 2 сек, суммарное уменьшение размеров соединяемых деталей, обусловленное интенсивным трением, не превышает десятых долей мм.
Сварка вибротрением осуществляется в результате прямо- или криволинейных колебаний одной летали относительно другой при их плотном контакте. Частота колебаний составляет 50—400 гц, максимальная амплитуда 3—6 мм, давление контакта 2—15 Мн/м2 20—150 кгс/см2). Продолжительность сварки, не зависящая от толщины детали,— несколько секунд.
Сварка с применением ИК-излучения
Этот способ сварки основан на нагреве соединяемых поверхностей в результате передачи полимерному материалу энергии от источника ИК-лучей (большинство полимеров поглощает излучение с длиной волны более 2,5 мкм). Для ускорения прогрева на свариваемые поверхности наносят слой вещества, хорошо поглощающего энергию ИК-лучей, или укладывают соединяемые пленки на подложку из материала, поглощающего эти лучи. Последний способ может быть отнесен к контактно-инфракрасной сварке. Для сварки труб и профилей встык или пленок и листов внахлестку применяют нагревательный элемент с температурой 500—600°С. Соединяемые материалы располагают на расстоянии 0,5 мм от элемента. Для сварки плит с применением присадочного материала) и пленок применяют также галогено-кварцевые световые лампы, имеющие точечный или ленточный источник излучения. Последнее может быть направлено непосредственно в зону шва или на внешнюю поверхность свариваемого пакета.
Лазерная сварка
Луч лазера, сфокусированный в пятно диаметром
1 мм, направляется перпендикулярно свариваемому пакету. Для сварки пригодны СО2-лазеры, создающие практически непрерывное излучение, которое хорошо поглощается полимерами, и обеспечивающие непрерывный процесс сварки. Лазерная сварка особенно пригодна для пленок толщиной 12—500 мкм. При проплавлении слегка натянутого материала возможно его одновременное разрезание. С помощью мощных лазеров можно сваривать листы толщиной до 250 мм.
Сварка с помощью растворителей
Способ применяют в тех случаях, когда тепловая сварка может нарушить форму и изменить размеры деталей, а также в мелкосерийном производстве и при необходимости соединения прозрачных термопластов (полиакрилатов, поликарбоната, полистирола), сварные швы которых должны иметь не только достаточно высокую прочность, но и хороший внешний вид. При выборе растворителя исходят из того, чтобы разность между параметрами растворимости полимера и растворителя не превышала 2,5 (Мдж/мз)1/2[1,2(кал/смз) 1/2].
Основные операции технологического процесса сварки:
- смачивание соединяемых поверхностей растворителем пли составом, содержащим растворитель (при соединении встык составом заполняют полость шва);
- приведение поверхностей в контакт;
- выдержка под давлением до момента затвердевания шва.
Помимо растворителя, применяют составы двух типов: раствор полимера в инертном растворителе (лаковая композиция) или раствор полимера в мономере (полимеризующаяся композиция), обеспечивающий наилучшее качество соединения.
Химическая сварка
Тепло, необходимое для химической сварки, наиболее целесообразно генерировать высокочастотным полем или ультразвуком. Благодаря высокой скорости и локальности нагрева сварка может быть закончена до того, как в материале начнутся нежелательные побочные процессы, например деструкция. Технология сварки не отличается принципиально от технологии высокочастотной или ультразвуковой диффузионной сварки. Выбор условий сварки определяется химической природой полимера.
Сварка отвержденных реактопластов возможна с участием функциональных групп, оставшихся в материале после его формования. Таким способом соединяют, например, детали из феноло-анилино-форм-альдегидных смол. При отсутствии в свариваемых материалах функциональных групп (например, отвержденные полиэфирные смолы) или при сварке деталей сложной конфигурации на соединяемые поверхности наносят присадочный материал, например пленку реактопласта на основе связующего, аналогичного связующему свариваемого материала, но с меньшей глубиной отверждения. Оптимальная напряженность поля при высокочастотной сварке реактопластов составляет 0,2—0,6 Мв/м, или кв/мм (такая напряженность обеспечивает температуру в зоне сварки в пределах 150—200 °С), продолжительность процесса — от десятков секунд до нескольких минут.
Химическая сварка резин осуществляется с помощью сшивающих (присадочных) агентов — перекисей, диаминов, диазосоединений и др., способных быстро реагировать с функциональными группами макромолекул каучука (двойными связями, водородом а-метиленовых групп и п,р.). На соединяемые поверхности наносят обычно растворы этих агентов в инертных (ацетон, хлороформ) или активных (например, стирол) растворителях. Благодаря этому достигается более равномерное распределение сшивающего агента и упрощается его дозирование. Резины из хлоропренового каучука, содержащего в макромолекуле подвижные атомы хлора, могут свариваться без применения сшивающих агентов. Важное значение при сварке резин имеет подготовка соединяемых поверхностей, в частности очистка их от ингибиторов и др. ингредиентов, мигрирующих на поверхность резины при ее хранении. Температура химической сварки резин определяется реакционной способностью сшивающих агентов. Давление сварки, зависящее от упруго-релаксационных свойств материала и от количества летучих продуктов в зоне соединения, составляет 1,0—2,5 Мн/м2 (10—25 кгс см2). Продолжительность процесса изменяется в тех же пределах, что и при сварке реактопластов.
Химическая сварка термопластов, сшитых, например, под действием ионизирующего излучения, осуществляется с помощью присадочных агентов, способных образовать переходный слой, структура которого аналогична структуре остального объема материала. Так, при сварке трехмерного полиэтилена в качестве присадочного агента используют инициаторы радикального типа (перекиси, пербораты, персульфаты, азосоединения и др.), которые предварительно вводят в термопласт (полипропилен, необлученный или облученный малыми дозами радиации полиэтилен) или наносят на одну или обе соединяемые поверхности из раствора в подходящем растворителе.
Трехмерный поливинилхлорид, поперечные связи в котором образованы с участием триаллилцианурата, может свариваться в результате только теплового воздействия высокой интенсивности или с помощью диаминов.
Химическая сварка особенно целесообразна при соединении ориентированных пленок термопластов, сварные швы которых должны сохранять физико-механические свойства материала. Наиболее пригодные присадочные агенты для сварки полиамидных пленок — многоосновные органические компоненты и их хлорангидриды, полиэтилентерефталатных пленок — диизоцианаты или органические перекиси. Пленки и ткани из лестничных полимеров, например полипиромеллитимида можно сваривать с помощью диаминов или диазоцианатов. Выбор присадочных агентов и условий химической сварки термопластов (особенно ориентированных и кристаллических) определяется следующими требованиями:
- темп-ра при сварке должна быть ниже темп-ры плавления кристаллич. фазы полимера;
- в соединяемых слоях материала должно быть обеспечено пластическое течение аморфной фазы;
- длительность нагревания зоны шва выше темп-ры стеклования полимера должна быть меньше, чем период до начала его разориентации при данной темп-ре.
Источник
