26.06.2023

Группа 512

Предмет: Техника и технология сварки ручным способом с внешним источником полимерных материалов 

Тема:   Техника и технология сварки ручным способом с внешним источником нагрева

Тема урока: Экструзионной сварки стыковых, нахлесточных, угловых и тавровых сварных соединений различных деталей и конструкций

Цель урока: изучить данную тему, составить конспект урока. 

Этот способ сварки называют так потому, что для соединения деталей используют поступающий из экструдера присадочный материал (экструдат) в термопластичном состоянии. Сущность сварки термопластов состоит в том, что расплавленный материал, выходящий из экструдера или другого устройства, непрерывно и плавно под определенным давлением подается в разделку (зазор) между соединяемыми поверхностями, нагревает их до температуры сварки и, сплавляясь с ним, образует сварной шов. Этот метод высоко производителен, обладает широкими технологическими возможностями и позволяет получать высококачественные сварные соединения.

Сварка экструдируемой присадкой близка к процессу сварки пластмасс газом-теплоносителем с применением присадочного прутка, а также к сварке металлов плавящимся электродом. Во всех этих случаях сварное соединение образуется за счет сплавления присадочного материала с кромками соединяемых деталей.

Различие между сваркой металлов и пластмасс заключается в том, что металл переходит в жидкую фазу, а полимер остается в вязкотекучем состоянии. Поэтому для получения плотного контакта расплавленного присадочного материала с кромками свариваемых деталей необходимо создавать давление. В настоящее время разработаны и внедрены различные способы сварки полимерных материалов экструдируемой присадкой. Способ сварки, при котором расплавленный присадочный материал непрерывно поступает в зону соединения из мундштука экструдера, находящегося на некотором расстоянии от поверхности свариваемого изделия, называют бесконтактной экструзионной сваркой или просто экструзионной (рис. 2.38, а, б). В этом случае для обеспечения плотного контакта присадочного материала с соединяемыми поверхностями применяют специальные прижимные устройства. Экструзионную сварку широко применяют для соединения полимерных пленок и пленочных армированных материалов. Преимуществом сварки пленок данным способом является то, что исключается возможность утолщения материала в зоне шва, которое наблюдается при использовании других методов.

Рис. 2.38. Схема сварки пластмасс экструдируемой присадкой:

а — экструзионная сварка; б — контактно-экструзионная сварка; 7 — экструдер;

2 — мундштук экструдера; 3 — свариваемые детали; 4 — прижимной ролик

Наиболее широкое применение в практике сварки как листовых, так и пленочных термопластов, нашла контактно-экструзионная сварка (рис. 2.38, б).

При этом способе разогретый мундштук экструдера, имеющего форму разделки кромок, вводят в разделку шва до контакта с кромками и перемещают по стыку под углом 10... 15° к вертикали, одновременно заполняя разделку расплавленной присадкой.

Такой способ позволяет максимально снизить потери теплоты в окружающую среду и дополнительно обеспечить нагрев кромок шва за счет теплопередачи от мундштука экструдера, температура которого близка к температуре выходящего из него расплава.

Соединяемые поверхности материала перед нагревом их мундштуком экструдера можно предварительно подогреть горячим газом. Способ сварки по этой схеме назван контактно-экструзионной сваркой с предварительным подогревом.

Разновидностью способов сварки пластмасс экструдируемой присадкой является сварка литьем под давлением. При этом способе расплав периодически подается в зону соединения из литьевой машины. Сварку осуществляют в специальной форме, которая имеет каналы, расположенные по линии разъема. По этим каналам продавливается расплав, который, передавая часть теплоты кромкам деталей, расплавляет и соединяет их по линии разъема.

Таким способом соединяют заранее отштампованные детали. Данный способ обладает высокой производительностью, его применяют при сварке изделий в труднодоступных местах, по поверхностям сложной конфигурации, когда сварка другими способами невозможна.

Сварку экструдируемой присадкой осуществляют для выполнения стыковых, угловых, тавровых и нахлесточных соединений. Конструктивные элементы подготовленных кромок и выполненных швов регламентированы ГОСТ 16310-80 и определяются толщиной материала, нагрузкой, действующей на сварную конструкцию и доступностью к месту сварки.

Сварку стыковых соединений осуществляют:

• • без разделки кромок;
• • с односторонней V-образной разделкой кромок;
• • с двухсторонним Х-образным скосом кромок.

Сварку стыковых соединений без разделки кромок выполняют при сборке конструкций из материалов толщиной до 3 мм и только контактно-экструзионным способом, так как в этом случае разделку шва осуществляют мундштуком экструдера непосредственно в процессе сварки.

Прочность сварных соединений, полученных с помощью экструзионной и контактно-экструзионной сварки, зависит от угла разделки кромок шва. Как показала практика, максимальная прочность стыковых сварных соединений с V-образной разделкой кромок достигается при углах разделки кромок 70...90°, а соединения с Х-образной разделкой — при углах разделки 70...80°.

При оптимальных углах разделки кромок соединения с Х-образной разделкой имеют более высокую прочность и требуют меньшего расхода присадочного материала.

Поэтому при сварке встык конструкций из листового материала толщиной св. 8 мм, в случае доступности подхода к шву с двух сторон, предпочтительна Х-образная разделка кромок.

Угловые и тавровые соединения можно выполнять без разделки кромок. Однако скос увеличивает прочность сварного соединения. При сварке угловых и тавровых соединений между кромками необходимо устанавливать зазор 1,5...2 мм. При сварке с зазором расплавленная присадка под воздействием сварочного давления заполняет разделку на всю глубину, обеспечивая равномерное проплавление на все сечение шва. Сварка без зазора из-за высокой вязкости расплава приводит к не-проплавлению корня шва, образованию раковин, которые снижают прочность и герметичность соединения.

Если при наличии зазора трудно обеспечить стабильное проплавление корня шва по всей его длине, то соединения выполняют с подваркой корня шва с обратной стороны.

В случае если обратная сторона недоступна, применяют подкладки, которые могут быть съемными или остающимися.

Сварка с подкладками имеет ряд преимуществ. Так, сварка ведется с одной стороны шва и ее можно осуществлять на форсированных режимах, что повышает производительность труда. Как правило, подкладки изготавливают из материалов с малой теплопроводностью — полимерных материалов, керамики, они могут быть металлическими с покрытием из полимерных материалов.

В процессе двухсторонней Х-образной разделки перед сваркой второго шва производится зачистка корня уже выполненного шва, при этом во всех случаях удаляется только наплавленный присадочный материал, врезание в основной материал не допускается.

При сварке стыковых и угловых соединений число проходов определяется толщиной свариваемого материала и производительностью экструдера. При толщине стенки изделия до 6 мм указанные соединения можно выполнить за один проход, при толщине более 6 мм — за несколько. В случае многопроходной сварки корень шва должен быть тщательно проварен, затем накладывают последующие слои таким образом, чтобы каждый последующий валик был более широким, чем предыдущий. Перед наложением каждого валика поверхность предыдущего должна быть тщательно очищена от окисленного слоя и пыли.

При выполнении сварных соединений экструдируемой присадкой применяется присадочный материал, аналогичный свариваемому.

При сварке композиционных материалов, состоящих из нескольких различных полимеров, в качестве присадки используют полимер, входящий в композицию и имеющий наиболее высокую температуру текучести.

Во всех случаях при сварке расплав вытекает в направлении, противоположном движению экструдера. Поэтому от характера передвижения мундштука зависит равномерность подачи расплава в зону сплавления, формирование шва, а также качество сварного соединения.

При выполнении сварки в вертикальном положении расплав под воздействием силы тяжести стремится стечь вниз, поэтому для удержания расплава в зоне сплавления вертикальные швы выполняют при перемещении экструдера сверху вниз при минимальной температуре присадки. Скорость сварки подбирается с таким расчетом, чтобы расплав не затекал перед мундштуком.

Сварка в потолочном положении экструдируемой присадкой несколько затруднена, поэтому ее по возможности необходимо избегать. Потолочную сварку, как и сварку в вертикальном положении, необходимо осуществлять при минимальной температуре присадки. При такой же температуре следует выполнять сварку встык горизонтальных швов на вертикальной плоскости.

Бесконтактная экструзионная сварка характеризуется большим числом параметров, наиболее существенными из которых являются:

• • температура присадочного материала на выходе из экструдера Т, °C;
• • сварочное давление Р, МПа;
• • скорость сварки VCB, м/с;
• • скорость движения расплава в воздушном зазоре между мундштуком экструдера и материала Vp, м/с;
• • количество присадочного материала, выходящего из экструдера в единицу времени а, кг/;
• • количество присадочного материала, вносимого в зону шва q, кг/м;
• • диаметр присадочного материала d, мм;

• • расстояние между мундштуком экструдера и свариваемым материалом S, мм;
• • температура присадочного материала, вносимого в зону шва Т, °C.

Из перечисленных технологических параметров экструзионной сварки наиболее важными являются температура присадочного материала, сварочное давление и скорость сварки. Характер зависимости прочности сварных соединений от температуры присадочного материала для ПНД, ПВД и ПП толщиной 2...20 мм примерно одинаков.

Температура присадочного материала, при которой обеспечивается максимальная прочность соединения, зависит от величины сварочного давления. При малых давлениях (порядка 0,15...0,2 МПа) высокая прочность достигается при более высоких температурах присадочного материала (табл. 2.4). Однако для каждого термопласта характерен определенный интервал температур, обеспечивающих максимальную прочность сварного соединения: для ПВД — 210...280 °C; ПНД —

240...280 °C; ПП — 250...280 °C.

Таблица 2.4

Режимы экструзионной сварки для стыковых соединений толщиной стенки 3...30 мм с Х-образной разделкой кромок

ПВД			ПНД			ПП
Температура присадки Т, °C	Сварочное давление Рсв Мпа	Относительная прочность, %	Температура присадки Т, °C	Сварочное давление Рсв МПа	Относительная прочность, %	Температура присадки Т, °C	Сварочное давление Рсв МПа	Относительная прочность, %
195	0,6	98	210	0,6	85	225	0,8	90
210	0,4	100	220	0,4	89	240	0,6	95
230	0,2	100	240	0,2	95	250	0,4	98
260	0,1	100	260	0,1	95	260	0,2	98
280	0,05	98	270	0,05	95	270	0,1	98

Характерной особенностью процесса экструзионной сварки является то, что оптимальные режимы сварки не зависят от толщины свариваемого материала и с изменением ее от 2 до 30 мм остаются практически постоянными. В том числе постоянна и скорость сварки, если производительность применяемого оборудования обеспечивает такую возможность.

Относительная прочность сварных соединений, полученных экструзионной сваркой, составляет 90... 100 % прочности свариваемого материала и несколько выше, чем в других известных способах сварки.

Технологический процесс контактно-экструзионной сварки характеризуется меньшим числом параметров, чем экструзионная сварка, однако основными технологическими параметрами этого способа сварки остаются также температура присадочного материала Гм, °C, сварочное давление Рсв и скорость сварки VCB.

При этом способе сварки соединения с максимальной прочностью могут быть получены в широком интервале температур: для ПВД —

180...270 °C; ПНД — 200...270 °C; ПП — 210...270 °C.

Необходимо отметить, что при осуществлении сварки рассматриваемым способом скорость сварки играет более существенную роль, чем при экструзионной сварке.

Увеличение скорости сварки, особенно при низких температурах присадочного материала, снижает прочность соединения, при высоких температурах влияние скорости снижается.

По производительности процесса и прочности сварных соединений контактно-экструзионная сварка практически не отличается от экструзионной.

Сварные соединения, полученные при оптимальных режимах, имеют прочность 90... 100 % прочности основного материала (табл. 2.5). Однако контактно-экструзионный способ сварки обеспечивает более стабильное качество сварных соединений при прочих равных условиях.

Преимуществом контактно-экструзионного способа сварки является также его низкая чувствительность к состоянию поверхности материала.

to о	гм Ml О	гм MJ о	гм о	ю о	оо о	Температура присадки Т °C	Гап	Режимы контактно-экструзионной сварки для стыковых соединении толщиной 3...30 мм с Х-образной разделкой кромок
о о ц5	0,07	0,08	0,12	о Ъ Ml	О сь Ml	Сварочное давление Рсе. МПа
о о	о о	о о	о о	О	•о Ml	Относи -тельная прочность, %
мт Q к»	Ml о ю	Ml О ю	Ml <2	510-2	»—*? Cb. ?	Скорость сварки, м/с
1	гм о	гм Ml о	гм MJ о	Гм ГМ О	Ьм О	Температура присадки Т °C	пнд
1	о о Ml	о »—*	о 1м	о	р	Сварочное давление Рсв МПа
1	'?О гм	?о Ml	?о Ml	?о Ml	?о Ml	Относительная про'тность, %
1	Ml о ю	Ml	Ml	5 10*2	Ch 2	Скорость сварки, м/с
1	ГМ о	tM Ml	tM	ГМ гм О	ЬМ о	Температура присадки Т °C	а
1	0,12	о “гм	О	О	МО	Сварочное давление Рек. МПа
1	?о Ml	?о сю	?о Ml	?о Ьм	О о	Относительная прочность, %
1	Ml «2	5 10*2	Ml	»—»• о.	1,6 10-5	Скорость сварки, м/с

Таблица 2.5

Для соединения материалов со сравнительно узким интервалом вязкотекучего состояния (например, пентапласта) не представляется возможным использовать экструзионную или контактноэкструзионную сварку, требующую нагрева присадочного материала до температуры, превышающей температуру текучести полимера на

• 40.. .80 °C. В этом случае применяют предварительный подогрев свариваемых кромок газом-теплоносителем. Процесс сварки осуществляется следующим образом: вначале свариваемые кромки подогревают газом-теплоносителем до температуры текучести, затем теплотой мундштука экструдера, после чего разделку заполняют присадочным материалом. Для сварки пентапласта температура газа-теплоносителя должна составлять 220...230 °C, температура присадочного материала может всего на 20... 30 °C превышать температуру плавления пентапласта. Относительная прочность сварных соединений составляет при этом
• 80.. . 100 % прочности основного материала.