Сварка пластмасс нагретым газом

Сущность и схемы процесса

Сварка нагретым газом основана на использовании тепловой энергии последнего для разогрева свариваемых поверхностей и присадочного материала до вязкотекучего состояния. Подвод теплоты осуществляется непосредственно к соединяемым поверхностям и последовательно от одного участка шва к другому. Сварка может осуществляться с применением присадочного материала и без него.

Рис. 2.1 Схемы сварки нагретым газом с применением присадочного материала

1 –- свариваемые детали; 2 –- струя нагретого газа; 3 -– наконечник нагревателя; 4 -– присадочный пруток, 5 -– сварной шов,  а -– направление сварки, А -– –зона нагрева; Р –- давление на пруток

Рис. 2.2 Схема сварки нагретым газом с прикаткой прутка роликом

1 -– присадочный пруток; 2 -– прижимной ролик; 3 –- сопло; 4 -– сварной шов; 5 -– соединяемые детали; а -– направление сварки; б -– направление манипулирования сварочной горелкой

При сварке с присадочным материалом поверхности деталей сначала нагревают струей разогретого газа, а затем приводят в контакт с нагретым той же струей присадочным материалом. Присадочный материал в виде прутка вводится в сварочную зону легким нажатием руки.

Сварка нагретым газом с присадочным материалом может выполняться вручную и механизированным способом. Преимуществами механизированной сварки нагретым газом являются возможность увеличения скорости сварки, применение более толстых прутков, получение сварных швов лучшего качества.

Технология и параметры режима сварки

Сварку нагретым газом применяют для получения практически всех видов сварных соединений: стыковых, нахлесточных, угловых и тавровых. Типы швов, условные обозначения и размеры конструктивных элементов регламентированы ГОСТ 16310-80.

Стыковые швы без разделки кромок выполняют в основном при сварке тонких листов и труб толщиной менее 4 мм. В этом случае между свариваемыми деталями необходимо оставить зазор, равный 1-1,5 мм, для лучшего заполнения сварного шва присадочным материалом, т. е. для лучшего провара по всей высоте шва. Соединяемые части деталей должны быть установлены в зажимы для обеспечения одинакового зазора по всей длине шва. Однако сварку листов толщиной до 2 мм следует проводить без зазора, чтобы уменьшить вероятность непроваров и коробления листов. С этой же целью для сварки тонких листов используются текстолитовые подкладки, к которым свариваемые листы прижимают с помощью струбцин или других приспособлений.

Сварку без разделки лучше проводить с двухсторонним наложением швов, что обеспечивает полный провар по всему сечению.

Стыковые швы с разделкой кромок применяют при толщине деталей от 4 до 20 мм. Обработка кромок производится фрезерованием, строганием, опиловкой. В зависимости от толщины листов фаски могут сниматься за несколько проходов.

Используются одно- и двухсторонняя V-образная, и Х-образная разделка. Оптимальный угол раскрытия шва лежит в пределах 50-90⁰ и зависит от толщины и материала листов. Для листов толщиной 4-10 мм он составляет 70⁰ , а для листов толщиной свыше 12 мм – 60⁰  и меньше. Для жесткого поливинилхлорида рекомендуется применять угол раскрытия 60-70⁰ , для полиметилметакрилата – 50⁰ , для полиамидов – 80-90⁰ . Х-образные разделки более предпочтительны, чем V- образные, так как позволяют в 1,6-1,7 раза уменьшить объем присадочного материала, необходимого для заполнения шва. Кроме того, достигается симметричное расположение швов, что уменьшает сварочные деформации.

Тавровые и угловые соединения используются, если свариваемые элементы расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях.

При толщине вертикального элемента менее 4 мм тавровые соединения выполняются без разделки кромок, а при толщине 4-20 мм – с одно- или двухсторонней разделкой.

Угловые соединения, используемые при сварке днищ, крышек, фланцев и т.п., выполняются только с разделкой кромок. Это позволяет избежать непроваров вершины шва.

Нахлесточные соединения применять нежелательно, так как при их сварке образуются большие остаточные деформации. Прочность такого соединения почти в 6 раз меньше прочности соединения встык. В случае необходимости их выполняют угловым швом с катетом (1/3-1) d и величиной нахлестки (4-2) d , где d - толщина листа.

Основные технологические параметры режима сварки нагретым газом: температура и расход газа; материал, диаметр и форма сечения присадочного прутка; угол наклона прутка при укладке в разделку; давление, прикладываемое к прутку; угол наклона горелки к плоскости свариваемого материала.

 Температура газа на выходе из сопла нагревателя устанавливается обычно на 50-100 ⁰ выше температуры текучести (плавления) свариваемых термопластов.

Расход нагретого газа устанавливается обычно в пределах 1-2 м³/ч.

Присадочный материал обычно выбирают того же состава, что и основной материал. Часто используют прутки с пластификаторами; для сварки полиэтилена – прутки из полиэтилена с добавкой 5-10% полиизобутилена; для сварки непластифицированного поливинилхлорида – прутки с добавкой 10% пластификатора.

Для сварки нагретым газом выпускают прутки диаметром 2-6 мм, а также спаренные прутки в виде ленты размером 2х3 мм. Перед сваркой прутки зачищают наждачной бумагой или циклевкой, что повышает прочность соединения.

Положение сварочного прутка и наконечника нагревателя по отношению к поверхности шва значительно влияет на получение плотного и ровного шва с достаточной прочностью.

Рис. 2.3 Положение горелки и присадочного прутка при сварке нагретым газом

1 –- присадочный пруток; 2 -– наконечник горелки; 3 -– направление сварки; 4- – схема действующих сил

При угле наклона больше 90⁰ усилие, действующее на пруток, раскладывается на две составляющие: горизонтальную и вертикальную. Под действием горизонтального усилия пруток, уложенный в шов, удлиняется, вследствие чего при охлаждении он может лопнуть. Под тупым углом располагают пруток при сварке поливинилиденхлорида и полипропилена. 

Под прямым углом держат пруток при сварке непластифицированного поливинилхлорида, полиметиметакрилата и полиэтилена высокой плотности.

При угле наклона меньше 90⁰ пруток разогревается быстрее основного материала и на участке большей длины. Расход прутка при этом увеличивается в результате его осадки; при этом в шве возникают внутренние напряжения из-за продольного сжатия; и пруток изгибается с образованием на его поверхности волны. При сварке полиэтилена низкой плотности, пластифицированного поливинилхлорида и полиизобутилена сварочный пруток наклоняют под углом 45-50⁰.

Оборудование для сварки нагретым газом

Для сварки нагретым газом применяются горелки, которые подразделяются на газовые косвенного действия, газовые прямого действия и горелки с электронагревом.

К горелкам косвенного действия относится горелка ГГК-1 конструкции ВНИИАвтогенмаш. Она выполнена на базе ацетиленокислородной горелки «Малютка». Горючий газ подогревает стенки змеевика, по которому подается газ- теплоноситель, используемый для сварки.

Горелка нормально работает при расходе пропана до 0,12 м³/ч или природного газа до 0,36 м³/ч. Она комплектуется одним наконечником с соплом диаметром 3 мм. К недостаткам горелок косвенного действия следует отнести перегрев кожуха и возможное прогорание змеевика при малых расходах газа теплоносителя.

Горелка прямого действия ГГП-1 работает по принципу вихревой системы смешения и сжигания газов в малом объеме камеры сгорания. Это позволяет сваривать термопласты продуктами горения смеси с воздухом.

Горелка работает на пропане или природном газе и на воздухе, подаваемых под давлением, соответственно, 0,01-,1 МПа и 0,08-0,5 МПа. Она обеспечивает получение до 2,5-3,5 м³/ч смеси продуктов сгорания и воздуха. При расходе пропана 0,25-0,4 м³/ч и природного газа 0,3-1,1 м³/ч тепловая мощность пламени эквивалентна мощности электронагревательного устройства 600-800 Вт.

Горелки с электронагревом могут быть двух типов: горелки с подачей газа от внешнего источника (компрессора, баллона или воздушной магистрали) и горелки с автономным питанием.

Горелки с автономным питанием отличаются от горелок с подачей газа от внешнего источника тем, что подача газа- теплоносителя осуществляется нагнетателем, вмонтированным в корпус горелки или подсоединенным к горелке. Такие горелки имеют небольшую мощность и применяются для сварки малогабаритных тонкостенных изделий.

Рис. 2.4 Электрическая горелка с воздушным охлаждением электрической спирали: 1-–сопло; 2 –- наконечник; 3 -– спираль; 4 -–корпус; 5 –- трубка для подачи воздуха; 6 - – подвод тока

Из горелок с электронагревом нашла применение горелка ГЭП-2, серийно выпускаемая Московским заводом кислородного машиностроения и предназначенная для сварки винипласта, линолеума, полиэтилена и пр. Горелка работает при напряжении 36 В, мощность нагревательного элемента 500 вт. Спираль электронагревательного элемента горелки изготавливается из хромоникелевых сплавов. ((Х20Н80, Х15Н60). Чтобы избежать замыкания, в электрогорелке применяется фарфоровая трубка или трубки из асбестожаропрочной бумаги. Для питания электроспиралей горелок применяют однофазные трансформаторы типа ТБС3-0,63.

Основным недостатком горелок с электрическим нагревом является сильный разогрев кожуха. Кроме того, образующаяся на спиралях окалина и нагар уносятся воздухом и частично попадают в шов, снижая его прочность. Этот недостаток горелок устраняется, если заменить проволочную спираль трубчатым змеевиком, к концам которого подведен электрический ток, а внутри движется нагреваемый газ. Рабочее напряжение горелки составляет 4-5 В, мощность 0,5 кВт. 

Рис. 2.5  Полуавтомат ПГП–1 для сварки термопластов газовыми теплоносителями с присадочным материалом: 1- суппорт; 2 - ось откидывания суппорта; 3 -– упор, для удержания суппорта в верхнем положении; 4–- самоходная тележка; 5 -– рукоятка; 6 -–регулятор скорости; 7 и 8–- тумблеры для включения нагревателя и горелки; 9,–11 -–ролики, обеспечивающие движение полуавтомата; 12 - шпильки для подвешивания грузов, создающих давление на присадку; 13 -–лыжи; 14 - штанга с прижимным роликом; 15 -– нагреватель для подогрева присадки; 16 -– горелка.

Сварка пластмасс расплавом

Сущность и схемы процесса

Сварка термопластов расплавом основана на использовании теплоты расплава присадочного материала, подаваемого из нагревательного устройства в зону сварки, и передачи этой энергии теплоты соединяемым кромкам.

Подача расплава может осуществляться непрерывно или периодически.

Для непрерывной подачи расплава обычно используется либо экструдер, либо пистолеты с нагревателем прямого типа, через который непрерывно подается присадочный пруток. В первом случае сварка называется экструзионной, или сваркой экструдируемой присадкой, во втором случае – сваркой нагретым прутком.

Экструзионная сварка может осуществляться по бесконтактной и контактной схемам (рис.2.6).

Рис.2.6 Схемы бесконтактной (а) и контактно–-экструзионной (б) сварки расплавом: 1 -– экструдер; 2 –- мундштук экструдера; 3 –- свариваемые детали; 4 -– прикатывающий ролик

При бесконтактной сварке мундштук экструдера не контактирует со свариваемыми поверхностями, а устанавливается на определенном расстоянии от них. Это расстояние выбирают таким образом, чтобы расплав, выдавливаемый из экструдера, не успел переохладиться. Из этих же соображений температура расплава на выходе из мундштука должна превышать температуру текучести на 40-50К. Для плотного поджатия присадочного материала к свариваемым поверхностям применяются прижимные приспособления (ролики, ползуны и т.п.).

При контактно-экструзионной сварке мундштук экструдера касается кромок соединяемых деталей. За счет этого уменьшаются потери тепла в окружающую среду и осуществляется дополнительный подогрев кромок. Давления, развиваемого в экструдере, достаточно для создания необходимого для контакта присадочного материала с соединяемыми кромками, поэтому дополнительных прижимных устройств не требуется.

Технология и параметры режима сварки

Экструзионная сварка обычно применяется для термопластов с широким температурным интервалом вязкотекучести, способных выдерживать значительный перегрев без деструкции. К ним относятся полиэтилен, полипропилен и др.

Бесконтактную экструзионную сварку целесообразно применять для соединения материалов небольшой толщины. Это в первую очередь одно- и многослойные пленки и армированные пленочные материалы. Сварка производится путем непрерывной подачи в зазор между соединяемыми поверхностями пленок расплава, который вместе с пленками проходит между обжимными роликами. Скорость сварки пленок зависит от производительности экструдера и их толщины и может изменяться от 0,5 до 3 м/с.

Рис. 2.7 Схема бесконтактной экструзионной сварки полимерных пленок

 1–- экструдер; 2 -– присадка, выходящая из экструдера; 3 - – свариваемые пленки; 4- – прижимные ролики; 5 -– сварное соединение.

Тонкие полиэтиленовые и полипропиленовые пленки толщиной до 60 мкм можно сваривать путем подачи присадочного материала поверх двух слоев пленок.

Основные типы швов и размеры конструктивных элементов при экструзионной сварке листовых полиолефинов определены в ГОСТ 16310-80.

Экструзионная сварка листовых материалов толщиной до 3 мм выполняется без разделки кромок только контактным методом, так как в этом случае разделка осуществляется при движении мундштука в процессе сварки. При больших толщинах следует применять V-образную или Х- образную разделку кромок.

Прочность стыкового соединения зависит от угла раскрытия кромок. При угле раскрытия кромок до 100⁰ для образцов с V- образной разделкой и до 80⁰ для образцов с Х- образной разделкой прочность соединения возрастает с увеличением этого угла, достигая прочности основного материала.

Основными технологическими параметрами экструзионной сварки являются: температура присадочного материала, скорость сварки и давление на расплав. Оптимальные значения скоростей сварки лежат в интервале 1,6х10^-3 – 8,3х10^-2 м/с, а давлений на расплав 0,05-0,6 МПа. Оптимальный температурный интервал нагрева присадки при бесконтактной сварке для полиэтилен низкой плотности и сополимеров этилена с изобутиленом составляет 210- 280 ⁰С., для полиэтилена высокой плотности и сополимера этилена с пропиленом 230-280⁰С. При контактно - экструзионной сварке эти температуры могут быть понижены на 20-30 ⁰ С.

Оборудование для сварки расплавом

Разработана серия малогабаритных полуавтоматов ПСП-3,ПСП-4,ПСП5, различающихся между собой по производительности и конструктивному оформлению (рис. 2.8 и 2.9)

Рис. 2.8 Схема пистолета шнекового типа с бункером для загрузки гранулята для сварки термопластов

1 -– штуцер; 2 -– шнек; 3 -– мундштук; 4 -– канал подачи газа теплоносителя; 5 –- корпус; 6 -– электронагреватель; 7 -– канал подачи присадки; 8 –- электродвигатель.

Сварочный полуавтомат ПСП-3Э включает в себя ручной пистолет экструдер массой 6,1 кг и шкаф с электроаппаратурой. Пистолет представляет собой малогабаритный экструдер, состоящий из цилиндра, в котором вращается червяк диаметром 12 мм и длиной, равной 15 диаметрам червяка. Передача вращения червяка обеспечивается через редуктор от электродвигателя СД-150. Цилиндр имеет зону загрузки материала, охлаждаемую водой, и зону электрообогрева, температура которой регулируется посредством изменения силы тока в нагревательном элементе. К передней части цилиндра крепится сменный мундштук, внешняя форма которого соответствует форме разделки кромок свариваемого материала.

Рис. 2.9  Схема пистолета–экструдера полуавтомата ПСП–5

1 –- электродвигатель; 2 -– ручка; 3 –- редуктор; 4 –- подающие ролики; 5 -– цилиндр; 6 -– электроспираль; 7 -– охладитель; 8 –- бункер для присадочного прутка; 9 -– присадочный пруток