Контактно - тепловая сварка термопластов

При контактно-тепловой сварке термопластов, называемой также термоконтактной, нагрев соединяемых поверхностей происходит за счет контакта с нагревательным (сварочным) инструментом. Представляются возможными два основных способа подвода теплоты и свариваемым деталям при контактно-тепловой сварке. В первом случае нагреватель плотно прилегает непосредственно, к поверхностям, подлежащим соединению, и оплавляют их, вследствие чего такой способ сварки называют контактной сваркой оплавлением. Во втором случае нагревательный инструмент с внешними поверхностями деталей, и теплота передается к свариваемым поверхностям за счет теплопроводности сквозь их толщину. Этот способ носит название контактной сварки проплавливанием.

В зависимости от режима нагрева при контакте со свариваемыми кромками, различают сварку в длительном режиме и термоимпульсивную, нагрев происходит быстро за счет импульса тока, охлаждение - со скоростью, определяемой теплофизическими свойствами контактирующих с нагревателем поверхностей.
Сварка оплавлением чаще всего рациональна при соединении листов, труб, профилей, пластин и блоков с подготовкой кромок механической резкой. При соединении листов и пленок толщиной менее 2-3 мм применяют сварку внахлестку, чаще всего проплавлением. От толщины пленки зависит и выдержка свариваемых деталей под нагревателями, так как необходимо определенное время для прогрева материала на всю его толщину до температуры плавления.

Контактная сварка оплавлением деталей больших толщин – двухэтапный процесс: оплавление кромок, удаление или перемещение из зоны контакта сварочного (нагревательного инструмента), что влечет к перерыву – технологической паузе между концом нагрева и началом смыкания свариваемых деталей путем приложения давления и выдержки под давлением до тех пор, пока сварной шов не остынет до определенной температуры.

Основные параметры контактной сварки оплавлением: температура сварки. Тс, чаще всего, принимая равной температуре поверхности нагревателя Тн, контактирующего с кромками заготовок. Время нагрева (оплавления) поверхностей, подлежащих сварке, tоп. Величина давления при нагреве роп и осадка рос, время осадки tос и выдержки под давлением tдавл, время технологической паузы tп и общее время нагрева осадки и выдержки, т.е. время сварки. Помимо основных параметров при сварке учитывают величину и скорость осадки, глубину проплавления и др.

Выбор температуры нагрева, правильный учет всех технологических особенностей нагрева и охлаждения деталей при сварке определяется главным образом кинетикой тепловых реологических процессов, а также структурными превращениями в шве и околошовной зоне. Скорость охлаждения после удаления инструмента также значительна и составляет 5-6о с/с. При сварке пленки, когда количество расплава весьма мало, скорость охлаждения может достигать 20-300 с/с и более.

Тепловое состояние свариваемых поверхностей характеризуется температурой оплавляемой поверхности градиентом температуры в зоне проплавления и глубиной зоны проплавления. Характерно, что температура на границе контакта нагревательного инструмента с оплавляемой деталью не мгновенно достигает максимального значения, хотя скорость нагрева составляет 80-1000 с/с. Лишь через несколько секунд температура нагревается. Причем, чем выше температура нагревателя, тем больше время достижения на торце максимальной температуры. Разница особенно проявляется при наличии на нагревателе антиадгезионной прокладки.

При контакте с нагревателем оплавление происходит не мгновенно, а спустя некоторое время (по истечении инкубационного периода), в основном являющееся следствием процесса образования плотного физического контакта и нарастания температуры на контактирующей поверхности. При этом увеличиваются размеры оплавляемых кромок (удлиняются). Инкубационный период оплавления возрастает с уменьшением температуры и давления нагревателя, с уменьшением ПТР, увеличением шероховатости и толщины торцов свариваемых встык заготовок. Одновременно увеличивается количество расплава, вытекающего в первичный грат, возрастает кривизна профиля оплавляемого торца.

Глубина проплавления кромки при контактном нагреве зависит от продолжительности оплавления, давления и температуры, толщины стенки и ПТР, наибольшее влияние при этом оказывает давление и продолжительность оплавления.

Для получения максимальной глубины проплавления с минимальным первичным гратом и незначительной кривизной профиля оплавленной детали оплавление следует вести при пониженных давлении и температуре в течении времени ,не превышающего tуст. Глубина проплавления практически не зависит от класса шероховатости поверхности, но определяется высотой отдельных выступов.
Обычно температура нагреваемого инструмента на 100-1200С выше температуры плавления термопласта. При таких условиях на границе контакта инструмент - оплавляемая деталь происходит не только интенсивное плавление, но и термоокислительная деструкция, глубина протекания которой определяется градиентом температур и продолжительностью контакта. Как показывают исследованием хроматографии и ИК - спектроскопии, термоокислительная деструкция при оплавлении может сопровождаться выделением низкомолекулярных газообразных продуктов. Для ПЕНД, например, это явление имеет место при температуре 2000 С (выделяется метан).
При отрыве нагревателя от сплавляемых кромок часть деструированного материала остается на поверхности нагревателя. Находящийся в перегретом состоянии расплав под действием кислорода, воздуха быстро окисляется. Толщина окислительного слоя зависит от вида термопласта, температуры перегрева, расплава и продолжительности контакта с воздухом.
При интенсивном выделении летучих в процессе оплавления кромок на их поверхности образуется газовые пары. Для оценки пористости введен коэффициент пористости - отношение оплавляемой площади и площади, покрывающей порами.

Интенсивность разложения полимера при контакте с нагревательным инструментом, в том числе и пористость, зависит также и от материала нагревателя. Например, медь и ее сплава интенсифицируют этот процесс. Применения антиадгезионных прокладок снижает пористость. Разложение полимера в зоне контакта происходит не мгновенно-существует определенный инкубационный период интенсивного выделения летучих веществ.
Уровень максимальной температуры нагревательного инструмента ограничивается началом интенсивного парообразования, а максимальное время нагрева-достижением моментом квазистационарного процесса оплавления при давлении, гарантирующем физический контакт инструмента с оплавляемой поверхностью.
После нагрева свариваемых поверхностей обеспечивают их сближение под давлением (осадку) для установления физического контакта между поверхностями, подлежащие соединению.

Величина давления и скорость осадки при сварке должны обеспечить определенный реологический процесс в зоне шва, при котором будут удалены прослойки, препятствующие образованию сварного соединения,- газовая прослойка, окисленный слой.

Если из зоны стыка не удалена газовая прослойка окисленный и деструированный слои, то в центре шва уже в процессе закладывается неспрамность, которая в дальнейшем при приложение внешних нагрузок может стать источником разрушения сварного соединения. Такие прослойки фактически являться заранее закладываемыми трещинами, которые в дальнейшем лишь раскрываются под действием соответствующих напряжений, причем не только внешних, но и внутренних.

Исходя из необходимости эвандации из шва слоев препятствующих сварке при нагреве кромок следует получать определенный объем расплава, т.е. определенную глубину проплавления.

При стыковой контактной сварке термопластов в процессе осадки происходит интенсивное течение расплава перемешивание потока расплава, что способствует получению сварного соединения, т.е. происходит взаимное перемещение и проникновение макрообъемов, а не только диффузионные процессы на уровне макромолекул, как считалось ранее.

Для получения большой площади контакта в зоне стыка применяют соединение в ус и фигурные разделки кромок (зигзагообразные, шиповые). По границе проплавления молекулы частично приобретают большую подвижность, а частично находятся еще в кристаллическом состоянии.

При сварке со сквозным одно – или двухсторонним прогревом в длительном или импульсивном режиме нет принципиальной разницы в технологии соединения армированной и неармированной пленок.

Однако в случае соединения дублированных пленок или армированных сложного совмещения требуется специальные приемы и режимы для сварки обычных пленок, как правило, не дают положительных результатов.

Основное соединение армированных и неармированных пленок – нахлесточное. Изменяя величину нахлестки армированных пленок, можно изменить прочность сварного шва в широких пределах.

Исходя из условия равнопрочности, величина нахлестки может быть определена экспериментально при помощи последовательного испытания образцов типа лопаточки шириной 50 мм с различной шириной нахлестности. Но прежде чем выявить величину нахлестки, необходимо определить оптимальный режим сварки полимерного материала, которым покрыта армировка, т.е. следует установить такие параметры сварки, при которых прочность между контактными поверхностями, образующими нахлестку, будет максимальной. Наиболее чувствительный показатель в этом случае – прочность при расслаивании сваренной нахлестки, определяемая как величина усилия установившегося разрушение образца, поделенная на ширину нахлестки.

Поверхностный слой пленок сложного совмещения и состарившихся пленок является серьезным препятствием для протекания процессов взаимодействия между макромолекулярными слоями соединяемых пленок. Обеспечить сварку таких пленок можно преднамеренным стимулированием деформации в шве при ограничении ее в околошовной зоне. В противном случае в околошовной зоне образуются складки армировки, что при работе конструкции приводит к концентрации напряжений и разрушению сварного соединения. Поэтому сварочное оборудование должно, с одной стороны, допускать протекание деформаций (реологических процессов) в контактной зоне шва, а с другой – ограничивать последние в околошовной зоне.

Наиболее интенсивно процесс протекает в первом этапе, т.е. в процессе нагрева свариваемых концов, и, следовательно, активное влияние на весь процесс образования шва можно оказывать, если влиять на первый этап. Неармированные пленки толщиной до 150 мкм рекомендуется сваривать при одностороннем подводе теплоты, пленки толщиной свыше 150 мкм - при двустороннем подводе теплоты.

При сварке армированных пленок рабочее давление и время выдержки, как правило, больше. Например, армированная полипропиленовая пленка сваривается при давлении 0,7-0,8 мПа и времени выдержки 60 с. Армированная пленка из ПВХ сваривается при давлении 1-1,2 мПа и времени выдержки 140-180 с.