ЗВАРЮВАННЯ ПЛАСТМАС

Технології та методи зварювання пластмас

     З'єднання пластмас між собою може здійснюватися механічним шляхом за допомогою болтів, заклепок, склеюванням, а також за допомогою зварювання. З перерахованих способів з'єднання тільки за допомогою зварювання можна отримати з'єднання без сторонніх матеріалів, а також з'єднання, яке за властивостями і складом буде максимально наближений до основного матеріалу. Тому зварювання пластмас знайшла застосування при виготовленні пластикових конструкцій до яких застосовуються підвищені вимоги до герметичності, міцності та ін.

     Процес зварювання пластмас полягає в утворенні сполуки за рахунок контакту, нагрітих, що з'єднуються. Він може відбуватися за певних умов:
Підвищена температура. Її величина повинна досягати температури вязкотекучего стану конкретного полімеру.
Щільний контакт поверхонь, що зварюються.
Оптимальний час зварювання - час витримки.

     Також слід зазначити що, температурний коефіцієнт лінійного розширення пластмас в кілька разів більше, ніж у металів, в процесі зварювання і охолодження виникають залишкові напруги і деформації, які знижують міцність зварних з'єднань пластмас.

     На міцність зварних з'єднань пластмас великий вплив мають хімічний склад, орієнтація макромолекул, температура навколишнього середовища та інші фактори.

При зварюванні пластмас можуть використовуються різні види зварювання, такі як:

Сварка пластмасс газовым теплоносителем с присадкой и без присадки

Сварка экструдируемой присадкой

Контактно-тепловая сварка проплавлением

Сварка в электрическом поле высокой частоты

Сварка термопластов ультразвуком

Сварка пластмасс трением

Сварка пластмасс излучением

Химическая сварка пластмасс - склеивание

Як і під час зварювання металів, при зварюванні пластмас слід прагнути до того, щоб матеріал зварного шва і околошовной зони по механічним і фізичним властивостям був максимально наближений до відповідних властивостей основного матеріалу. Сварка термопластів плавленням, як і інші методи їх переробки, заснована на перекладі полімеру спочатку в високоеластіческое, а потім в в'язкотекучий стан і можлива лише в тому випадку, якщо зварюються поверхні матеріалів (або деталей) можуть бути переведені в стан в'язкого розплаву. При цьому перехід полімеру в в'язкотекучий стан не повинен супроводжуватися розкладанням матеріалу термодеструкцію.

При зварюванні багатьох пластмас виділяються шкідливі пари і гази. Для кожного газу є строго певна гранично доступна його концентрація в повітрі - ГДК. Наприклад, для діоксиду вуглецю ГДК дорівнює 20, для ацетону -200, а для етилового спирту - 1000 мг/м3.

 Хімічне зварювання (зклеювання). 

В даний час склеювання поряд зі зварюванням - один з найбільш поширених способів з'єднання деталей з пластмас. Склеювання не замінює, а доповнює інші способи з'єднання, хоча і є іноді єдино можливим. Більшому поширенню склеювання перешкоджає недостатньо високий рівень міцності клейових прошарків в порівнянні з міцністю деяких видів пластмас (наприклад. Армованих волокнами), складність технології склеювання, обмежена можливість неруйнівного контролю якості з'єднання, а також деяке упередження працівників виробництва проти склеювання, обумовлене недоліком інформації і спеціальних знань. Головний же недолік технології склеювання, що обмежує можливість автоматизації збирання - трудомісткість обробки поверхні деталей і тривалість затвердіння термореактивних клеїв.

Окремі недоліки, властиві клейових з'єднань, можуть бути усунені шляхом комбінування склеювання з механічним з'єднанням. До перспективних комбінованих методів склеювання можна віднести склеювання з обтисненням зони телескопічного шва імпульсним електромагнітним полем і склеювання з обтисненням шва за допомогою термоусаживающихся муфт.

В останні 70 років в теорії і технології склеювання досягнуто значних успіхів, що пов'язано, зокрема, зі створенням приладів і методів, що дають можливість виробляти самі різні випробування - від найпростіших на розрив до складних неруйнівних методів визначення статичної міцності з'єднань.

Кожен новий полімерний матеріал, що з'являється в промисловості, оцінюється щодо здатності склеиваться. Це обумовлено наступними перевагами склеювання в порівнянні з іншими способами з'єднання: можливістю з'єднання пластмас з іншими матеріалами; застосування як в одиничному, так і в великосерійному виробництві; низькими енергетичними затратами при використанні клеїв холодного затвердіння; збереженням структури і властивостей матеріалів, що з'єднуються; можливістю з'єднувати деталі складної форми і по великих поверхонь; здатністю «заліковувати» дефекти на з'єднуються поверхнях: стійкістю створюваного з'єднання до поширення тріщин, що зародилися в товщі з'єднується матеріалу.

На здатність склеюватися впливають такі властивості пластмас, як низька поверхнева енергія полімерної фази, наявність постарілих шарів і низькомолекулярних речовин (мономерів, пластифікаторів, мастил), які вийшли на поверхню з обсягу, гетерогенність наповнених пластмас, набухання під впливом компонентів клеїв (наприклад, клеїв-розчинів ).

Для склеювання пластмас застосовують велике число клеїв на основі майже всіх промислових полімерів. При виборі клею враховують насамперед хімічну природу з'єднуються, а також умови експлуатації клейового з'єднання, конструктивні особливості виробу і вимоги до технологічних властивостей клею. Часто застосовують клен, аналогічні або близькі по хімічній природі до полімерній основі пластмаси. Разом з тим склеювання може бути здійснено і універсальними (придатними для різних матеріалів) клеями, наприклад, епоксидними, поліуретановими, акрилатними.

Для склеювання сценарий реактопластов рекомендуються головним чином термореактивні клеї. Композиційні матеріали на основі реактопластів з'єднують за допомогою клеїв на основі жорсткого термореактивного полімеру, що зазнає модифікації каучуком: фенолокаучуковие клеї (1950 г.), епоксікаучуковие клеї (1966) або термопластом: фенолоацетальние клеї (1944 р), епоксіполіамідние клеї (I960 г .). Теплостійкі композиційні матеріали склеюють епоксіфенолокремнійорганіческімі (1963 г.) епоксіфенольнимі (1953 р), поліімідного (1966) та іншими поліароматичні клеями.

Термопласти за їхньою здатністю склеюватися можуть бути розділені на 3 групи:
1) легкосклеіваемие - полярні або неполярні, але добре розчинні і не потребують спеціальної підготовки поверхні (полівінілхлорид, поліметилметакрилат, полістирол і сополімери стиролу, полікарбонат, поліуретани, поліізобутилен);
2) умовно легкосклеіваемие - полярні, але важко розчинні і вимагають нескладної підготовки (поліетилентерефталат, пентапласт, пластифікований полівінілхлорид);
3) трудносклеіваемие - неполярні або полярні, нерозчинні і потребують спеціальної підготовки поверхні (поліетилен, поліпропілен, політетрафторетилен, полиформальдегид, поліаміди). Трудносклеіваемие термопласти готують до склеювання різними хімічними, фізичними або комбінованими способами.

Склеювання не отримало такого розвитку, як це передбачали 45-50 років тому, тільки через недосконалу технологію. Підготовка поверхні перед нанесенням клею іноді займає до 75% всієї тривалості склеювання, а витрати на її виконання складають близько 75% всіх витрат на процес склеювання.

Оскільки максимальна міцність клейового з'єднання забезпечується відповідною підготовкою поверхонь, що склеюються, цьому питанню приділяється велика увага. Ще на самому початку освоєння технології склеювання композиційних матеріалів було запропоновано склеюється поверхню обробляти шліфувальною шкуркою (для створення матової поверхні) і наносити на неї грунт. До сих пір цей спосіб воліють іншим видам підготовки. Опескоструіваніе при підготовці композиційних матеріалів ефективно лише в разі зняття тонкого лакового шару таким чином, щоб наповнювач не виступав над поверхнею. Більш технологічним вважається спосіб підготовки поверхні волокнистих композиційних матеріалів, що полягає в пріформовиваніі до неї видаляється захисного (жертовного) шару і зняття його безпосередньо перед нанесенням клею.

Ведеться пошук технологій склеювання, що виключають необхідність підготовки поверхонь, що склеюються. У цьому напрямку вже досягнуті деякі успіхи - це вібраційне та механохімічної склеювання, по своїй суті мало відрізняються один від одного.

До перспективних напрямків раціоналізації процесу склеювання можна віднести використання швидкісного затвердіння традиційних реактивних клеїв за рахунок хімічного або фізичного впливу (наприклад, введенням прискорювачів затвердіння або підведенням додаткової енергії), застосування однопакувальний (однокомпонентних) клеїв - капсульованих хімічно блокованих клеїв (наприклад, поліуретанових клеїв). Швидкість затвердіння термореактивних клеїв збільшують методом теплового удару, т. Е. Різкого місцевого підвищення температури в зоні клейового шва. Так, формування клейового шару на основі клеїв холодного затвердіння при температурі 150-200 ° С закінчується за 3-5 хв. Таке швидкісне сполучення можна здійснити за допомогою ультразвукового або високочастотного нагріву.

В технології склеювання з метою прискорення збірки продовжують розширювати сферу застосування термоплавких клеїв (клеїв-розплавів), які мають вже більш ніж 45-річну історію.

Для прискорення з'єднання за допомогою термоактівіруемих клеїв (реактивних і термопластичних) використовують індукційний нагрів останніх. Ця технологія отримала назву «електромагнітне склеювання». Більш рівномірне і строго регулюється температурне поле в порівнянні з традиційним індукційним нагріванням за допомогою котушкового індуктора і струмів високої частоти з частотою 450 кГц забезпечує спосіб нагріву з використанням U-образних елементів і струмів високої частоти з частотою 10-20 кГц. Цим способом з'єднують пластмасові затискні скоби з металевим корпусом, приєднують металеві затискні скоби до елементів засклення або пластмасовим решіткам.

Багато уваги приділяється питанням механізації і автоматизації процесу склеювання і, зокрема, створення пристроїв для дозування і нанесення клеїв. З розширенням застосування термоплавких клеїв виникла необхідність у створенні обладнання для їх нанесення. В даний час в технологію склеювання пластмас почалося впровадження промислових роботів, призначених в першу чергу для нанесення клеїв.

Одна з актуальних проблем в галузі технології склеювання - неруйнівний контроль якості з'єднань. До його методів відносять візуальний огляд, простукування, інфрачервону дефектоскопію, теплової контроль, Рентгенодефектоскопія, радіоскопію і ультразвукову дефектоскопію. Для виконання неразрушаюшего контролю, а також для вивчення процесу виникнення і розвитку тріщин в клейовому з'єднанні в навантаженому стані становить інтерес метод акустичної емісії. Метод нейтронної радіографії чутливий до дефектів типу пустот.

Більшість літературних даних по конструюванню клейових з'єднань стосується рекомендацій по вибору форми клейових швів. Успішне застосування склеювання в великій мірі залежить від правильного конструювання місць з'єднання. Знання розподілу напружень в з'єднанні служить основою для вибору форми і розмірів клейового шва. Однією з найважливіших рекомендацій залишається конструювання, що виключає дію відшаровується навантажень. Тенденція конструювання клейових з'єднань передбачає врахування не тільки міцності, а й деформаційних властивостей матеріалів, що з'єднуються і клейового прошарку. Збіжність розрахункових і практичних даних, що характеризують деформації і напруги в клейовому шві, поліпшується при використанні сучасних методів розрахунку і, зокрема, методу скінченних елементів, яке стало можливим завдяки впровадженню ЕОМ.

Важливу роль в розширенні застосування склеювання грає стандартизація процесу і підготовка фахівців цього профілю.

Перспективи розвитку технології склеювання пов'язані з ростом номенклатури полімерних матеріалів, створенням клеїв, наділених новими властивостями і можливостями переробки, розробкою розрахункових методів оцінки міцності з'єднання, що враховують велике число чинників, що впливають на міцність, розвитком неруйнівних методів контролю якості клейових з'єднань.