На сегодняшний день существует такое разнообразие сварочных технологий и малогабаритных ручных безопасных устройств, что при необходимости в прочном соединении становится возможным выбрать тот метод, с которым не трудно справиться. Тем более, что наряду с термопластами, которые успешно можно склеить, существует ряд таких, которые по своей природе мало пригодны для склеивания. Некоторые из них (виниловые ткани, например) требуют специфических клеев, далеко не всегда доступных, другие (полиэтилен и полипропилен) с низкой поверхностной энергией – предварительной обработки специальными грунтовками, коронным разрядом или пламенем. В таких случаях сварка становится если не единственным, то однозначно наилучшим и максимально эффективным способом, позволяющим создать прочное соединение, надежно выдерживающее эксплуатационные нагрузки.
Сварочные соединения бывают разных типов – встык и внахлестку. Основное внимание в этой статье будет уделено соединениям встык, т. к. используемые в рекламе жесткие пластики имеют осязаемую толщину, не позволяющую осуществлять сварку внахлестку при необходимости создания плоской конструкции. Несколько слов все же следует сказать о втором типе сварочных швов в силу их актуальности при соединении виниловых тканей.
Сварка виниловых тканей
В процессе сварки виниловых тканей, что предпочтительнее склеиванию, два полотна укладываются друг на друга таким образом, чтобы ширина нахлестки обеспечила необходимую прочность, зависящую от последующей нагрузки (силы натяжения). Специальная плоскощелевая насадка сварочного устройства (шириной 20 - 40 мм) вводится в шов и обе свариваемые поверхности разогреваются до нужной температуры. Нагрев осуществляется горячим воздухом, температура которого выбирается в зависимости от рекомендованных температур сварки для того или иного материала. Одновременно с нагревом для достижения максимальной прочности соединения к шву прикладывается давление с помощью валика. Давление должно быть выбрано таким, чтобы не растянуть свариваемый материал, находящийся после разогрева в пластичном состоянии. Основная рекомендация: сварка должна проводиться равномерно, плавно, без рывков и остановок при оптимальной температуре горячего воздуха.
Рис. 1 Процесс сварки с использованием ручного сварочного аппарата
Сварка жестких пластиков
Сварка жестких полимеров осуществляется в термопластичном состоянии материала, поэтому сваривать можно только те пластмассы, которые в этом состоянии обладают достаточно высокой жесткостью. К таким материалам относится большинство аморфных и частично кристаллических термопластов – акриловое стекло, поликарбонат, ПВХ, полистирол, АБС и другие. Это обусловлено их достаточно высоким молекулярным весом. Следует отметить, что литые термопласты, в отличие от экструдированных, условно пригодны для сварки, поскольку при нагревании термопластичное состояние достигается в недостаточной степени. Дополнительное повышение температуры приводит не к желаемому размягчению, а вызывает разрушение и образование пузырьков вследствие возможного испарения летучих составляющих.
Для достижения наилучших результатов сварки следует ответственно подходить к выбору оптимальной температуры нагревания, давлению и времени нагревания свариваемых материалов. При длительном воздействии температуры может возникнуть опасность термического повреждения. Необходимо также принимать во внимание усадку материалов при охлаждении, которая проявляется в значительно большей степени, чем у металлов. Во избежание остаточных после сварки напряжений при охлаждении следует не допускать ограничения усадки. Это значит, что принудительное охлаждение водой или воздушной струей недопустимо.
Существует несколько важных правил для проведения сварочных работ, позволяющих избежать возникновения нежелательных внутренних напряжений, вызванных предыдущей обработкой.
Правила заключаются в следующем:
• нагревание сварочной зоны должно осуществляться равномерно;
• нагревать следует достаточно большой объем материала;
• охлаждение должно проводиться медленно и равномерно.
В результате местного нагрева могут возникнуть внутренние напряжения, приводящие к возникновению трещин. Трещинообразование происходит не сразу, а постепенно в период эксплуатации изделия. Эти внутренние напряжения могут быть в значительной степени сокращены, если деталь после сварки подвергнуть тепловой обработке (отжигу) при температуре 60 – 80 °С. время отжига в зависимости от толщины материала составляет от 1 до 3 часов. Отжигу после сварки должно подвергаться большинство термопластов, в особенности это касается акрилового стекла.
Этапы сварочного процесса
Процесс сварки можно разделить на следующие операции:
1. Подготовка свариваемых поверхностей.
Перед сваркой особенно тщательно рекомендуется очищать детали с той стороны, с которой она будет осуществляться. Очищение производится с помощью соответствующих типу пластика очищающих средств или посредством механической обработки.
2. Нагревание в зоне сварки.
3. Приложение давления, необходимого для сварки.
4. Охлаждение сварного шва.
После сварки в соответствии с характеристиками материала сварной шов можно оставить в неизменном виде или обработать посредством опиливания, шлифования или зачистки, избегая его повреждения и разрывов.
Методы сварки
Нагревание свариваемых деталей может осуществляться с помощью теплопередачи, конвекции, излучения и за счет внешнего или внутреннего трения. Это определяет существование многочисленных методов сварки – горячим газом, с использованием нагревательного элемента, ультразвуковая, фрикционная (ротационная, вибрационная и линейная).
Сварка горячим газом с применением сварочной проволоки
Передача тепла в этом процессе осуществляется горячим газом, нагнетаемым при низком давлении (P макс. = 0,3 бар). Чаще всего применяют сухой, не содержащий масел воздух. При использовании сварочного аппарата свариваемый материал и сварочная проволока размягчаются и соединяются с приложением давления.
Сварка может осуществляться вручную или при помощи сварочного оборудования. Сварка горячим газом, производимая вручную, требует большого опыта и сноровки, поэтому рекомендуется ее доверять только подготовленному персоналу.
Сварочные агрегаты быстрого нагнетания с успехом могут применяться для проведения быстрой сварки. Процесс скоростной сварки еще называется сваркой горячим газом с протяжкой. В этом процессе основной материал и сварочная проволока перед соприкосновением предварительно нагреваются. Для удобства и расширения возможностей сварочные проволоки производятся в виде прутьев различной длины, цветов и сечений.
Рис. 2 Типы сварочной проволоки
Оборудование, используемое в этом методе, позволяет производить прочную и надежную сварку благодаря однородному нагреву проволоки и листа. Для серийного проведения сварочных работ предпочтительно полуавтоматическое оборудование с механической подачей.
Используя сварочную проволоку, следует помнить о следующих рекомендациях:
• При больших швах в качестве сварочной проволоки преимущественно применяются профильные стержни, профиль сечения которых выбирается в зависимости от профиля шва (например, трехгранные при V-образных швах).
• С помощью V-образного шва сваривают листы небольшой толщины.
• С помощью Х-образного шва сваривают листы большой толщины. При создании Х-образного шва предпочтительно производить сварку попеременно с двух сторон во избежание смещения сварочной проволоки в месте сварки относительно свариваемого материала.
• Применение сварочной проволоки целесообразно при сварке с образованием углового соединительного шва.
Величины температур горячего газа должны выбираться в соответствии с типом и толщиной материала. Это обеспечивает наилучшие результаты сварочного процесса.
Рис. 3 Сварка горячим газом с протяжкой
Описание устройства для сварки горячим газом с протяжкой
Сварочная проволока нагревается в мундштуке и клювообразным устройством у нижнего края отверстия вдавливается в сварное соединение. Движением сопла вперед сварочная проволока автоматически подтягивается. Иногда сварочную проволоку приходится подталкивать вручную, чтобы избежать ее чрезмерного вытягивания вследствие трения в сопле. Скорость сварки достаточно высока. Преимущество устройства заключается в том, что давление, необходимое для сварки, можно прикладывать равномерно и без усилий. Скоростная сварка в большинстве случаев предпочтительна, но она все же не всегда применима в труднодоступных местах.
Веерная сварка горячим газом
Это одна из модификаций сварки горячим газом. При веерной сварке осуществляется ручная подача сварочного аппарата и сварочной проволоки. Скошенный конец сварочной проволоки держат у начала сварного соединения и вместе с основным материалом нагревают, в чем заключается отличие от вышеописанного метода. Сопло при этом ведут веерообразными движениями в направлении шва так, чтобы горячий воздушный поток достигал основного материала и сварочной проволоки. Прикладывая по возможности вертикальное давление, сварочную проволоку размещают в направлении сварного шва. При этом она нагревается только в нижней изогнутой части.
Рис. 4 Веерная сварка горячим газом
Рис. 5 Устройство для веерной сварки горячим газом
Сварочный процесс будет осуществлен успешно, если:
- используется недеформированная сварочная проволока;
- обеспечивается равномерное распределение тепла;
- сварочная проволока (при веерной сварке) вводится вертикально;
- давление к сварочной проволоке прикладывается правильно и постоянно;
- обеспечивается постоянная скорость процесса.
Показателем правильно выполняемой сварки является образование головной волны перед сварочной проволокой и сварочной кромки с двух сторон от ввариваемой проволоки.
Сварка с применением нагревательных элементов (встык под давлением)
В этом методе обе соединяемые детали нагреваются у поверхностей стыка с помощью нагревательного элемента и свариваются при прикладывании усилия. Поверхности предварительно необходимо зачистить и обезжирить. При всех способах сварки с применением нагревательного элемента распределение приложенных сил во времени примерно одинаково. Вначале прикладывается некоторое давление, затем поверхности стыка прижимаются к нагревательному элементу. При низком давлении разогрева обе детали в сварной области нагреваются до размягчения. Следующая фаза – удаление нагревательного элемента. Чтобы изменение температуры по возможности было минимальным, обе свариваемые детали быстро подводятся одна к другой, при этом прикладывается такое давление, которое обеспечит образование валика в месте сварного шва. Прикладываемое давление не должно вести к выдавливанию расплавленного материала из зоны сварки более, чем это необходимо. В течение периода охлаждения давление соединения должно сохраняться неизменным. Сварка заканчивается тогда, когда заготовка достигает температуры окружающей среды.
Этот сварочный процесс – простой в осуществлении и быстрый – дает очень прочное сварное соединение с минимальными внутренними напряжениями.
Если в соответствии со свойствами материала соблюдены все условия, необходимые для сварки (температура нагревательных элементов, сила прижима к элементам нагрева, давление при совмещении, немедленное соединение после удаления нагревательных элементов), то в этом случае можно достичь такого качества сварного шва, которое по прочностным характеристикам будет очень близким к прочности самого свариваемого пластика.
Предварительный нагрев по длительности не должен превосходить необходимое для размягчения материала время (зона размягчения материала должна быть приблизительно 1 – 2 мм).
Сварка в сочетании с фальцовкой
Сварка с фальцовкой является модификацией метода сварки при помощи нагревательных элементов. Лист размещают на плоской опоре, предварительно нагретый инструмент располагают точно в намеченном месте сгибания и таким образом производят плавление. Острие инструмента должно образовывать угол 60° и проникать в материал на глубину равную 2/3 толщины листа (перед тем как будет извлечено). Лист сгибается и тотчас спаивается в предварительно нагретом месте. Для того, чтобы достичь необходимой силы прижима, угол между нагреваемыми поверхностями должен быть приблизительно на 15 – 20° меньше, чем желаемый угол сгибания. Для толстых листов можно сократить время нагрева предварительной фрезеровкой V-образного паза соединительного шва.
Ультразвуковая сварка
Соединяемые поверхности перемещаются посредством ультразвука. При этом механические колебания приводят к внутреннему нагреванию и пограничному трению на соединяемой поверхности, вследствие чего вся деталь нагревается. Затем поверхности соединяются под давлением.
Фрикционная сварка
При фрикционной сварке нагревание для размягчения деталей производится с помощью трения. Фрикционная сварка бывает трех видов – ротационная, вибрационная и линейная.
Ротационная сварка
Необходимой предпосылкой для применения этого метода является осесимметричность соединяемых деталей, т. е. соединяемые поверхности должны быть круговыми, коническими или другой соответствующей формы.
Одна из осесимметричных соединяемых деталей приводится во вращательное движение, а вторая в этот момент жестко зафиксирована. Когда находящаяся в режиме свободного хода деталь по возможности с высоким давлением прижимается к неподвижной детали, вследствие торможения возникает тепло трения, что обеспечивает возможность осуществить быструю сварку. Если образовавшийся на месте сварного шва валик будет подвергаться последующей обработке, следует учесть, что эта операция может привести к снижению прочности на разрыв.
Рис. 6 Принцип ротационной сварки
Вибрационная и линейная сварка
Вместо производимого при ротационной сварке непрерывного вращательного движения при вибрационной и линейной сварке необходимый разогрев осуществляется за счет взаимно противоположного углового или линейного движения. При этой операции обе соединяемые детали одновременно прижимаются друг к другу. Вследствие этого возникает тепло, ведущее к размягчению, достаточному для создания сварного соединения. В конце процесса сварки соединяемые детали закрепляются в необходимом конечном положении.
Если от проведения сварочных работ по тем или иным причинам отказались, а необходимость в прочном соединении пластиковых деталей остается актуальной, рекомендуется прибегнуть к склеиваю, но только в том случае, если прочность соединения будет достаточна для сопротивления последующим эксплуатационным нагрузкам.
Татьяна Дементьева
инженер-технолог
