Механизм образования соединений

    Сварные соединения являются неразъемными, что свидетельствует о монолитности (сплошности) сварных соединений. Такая монолитность может быть обеспечена, если между поверхностным макромолекулами соединяемых деталей возникнут силы взаимодействия и произойдет их взаимное перемещение из одной детали в другую.

Для осуществления процесса сварки необходима активация свариваемых поверхностей. Это достигается за счет подвода и, а в некоторых случаях преобразования энергии.

Согласно современным представлениям, процесс сварки следует рассматривать как химическую реакцию, протекающую в три стадии: образование физического контакта; активации контактных поверхностей; объемное развитие взаимодействия.

Стадия образования физического контакта протекает обычно при приложении к свариваемым деталям давления. Иногда, когда в зону сварки поступает расплавленный присадочный материал, физический контакт между ним и свариваемыми кромками может осуществляться без приложения давления или при сравнительно небольшом давлении. 

Установление физического контакта может предшествовать нагреву, осуществляться после нагрева соединяемых поверхностей до температур сварки или одновременно с нагревом. В любом случае на этой стадии происходит пластическое деформирование макро и микронеровностей, за счет чего происходит сближение контактирующих поверхностей. Работа деформации затрачивается также на удаление из контактной зоны инородных включений (газовых пузырей, масляных и жировых пятен и других загрязнений).

Активация свариваемых поверхностей включает в себя нагрев для повышения энергии теплового движения макромолекул. Нагрев может осуществляться либо непосредственно за счет передачи тепла от нагретых инструмента, газа или присадочного материала к свариваемым деталям, либо за счет преобразования других видов энергии в тепловую. Это может быть механическая энергия ультразвуковых колебаний или трения, энергия высокочастотного электрического поля, энергия инфракрасного излучения и т.п.

Объемное развитие взаимодействия сопровождается процессами диффузии, течения и физико-химических превращений. Теория сварки, в которой главную роль отводят диффузии, названа диффузионной. Теория, в которой считается, что ответственность за свариваемость лежит на процессах течения, названа реологической – по названию науки реологии, изучающей закономерности течения.

Согласно диффузионной теории, для получения соединения необходимо, чтобы при соприкосновении двух поверхностей происходило достаточно полное их слияние. Соединение полимеров может быть достигнуто за счет диффузии макромолекул в целом или отдельных сегментов. Перемещение макромолекул может происходить в том случае, если контакт слоев полимера осуществляется при температуре выше температуры течения. В этом случае в зоне контакта легко возникает структура, характерная для полимера. Диффузия отдельных сегментов макромолекул может происходить и при температурах, соответствующих высокоэластичному состоянию.

Доказательством диффузионного характера процесса сварки служит то обстоятельство, что все меры, способствующие повышению теплового движения (повышение давления, температуры, введение пластификаторов и т.д.), вызывают увеличение прочности сварного соединения, и наоборот, факторы, замедляющие диффузию, снижают прочность.

Сторонники реологической теории указывают, что если за образование соединения была бы ответственна только диффузия, то время сварки составляло бы десятки минут, однако на практике это значительно меньше. Поэтому предполагается, что проявлению сил межмолекулярного взаимодействия и диффузии в контактирующих объемах предшествует ряд явлений, связанных стечением и перемешиванием расплава. При контакте расплавленных поверхностей напряжения, создаваемые усилием прижима, вызывают сдвиг слоев расплава. При таком сдвиге происходит удаление из зоны соединения воздушной прослойки и других инородных включений, а расплав выдавливается из зоны сварки, что свидетельствует о получении качественного соединения.

Если сварка проводится в интервале температур высокоэластичности, преимущественным является диффузионный механизм. При этом необходим длительный контакт свариваемых поверхностей друг с другом, сварные швы сохраняют границу раздела, а материал в зоне соединения не отличается от исходного материала по надмолекулярной структуре. Такая сварка протекает при значительных давлениях, что обуславливает значительные остаточные напряжения в зоне шва после охлаждения соединения.

Если сварка проводится в интервале температур вязкотекучего состояния, процесс подобен сварке металлов. Под воздействием внешних сил происходит быстрая коалесценция расплава, сопровождающаяся перемещением и перемешиванием слоев.