17.11.2022

Группа 303

Предмет: Технология полимерной сварки 

Тема урока: Типы сварочных соединений с внешним источником нагрева 

Цель урока: изучить данную тему, составить конспект урока 

Этот вид сварки получил широкое распространение благодаря простоте оборудования, относительной несложности технологиче­ского процесса и возможности соединения изделий практически любых размеров и конфигураций. Например, этот метод исполь­зуют при изготовлении ванн, корыт, бункеров и других емкостей квадратной и прямоугольной форм.

Свариваемые изделия (а при сварке с присадочным материа­лом и сварочный пруток) нагревают подогретыми газами (напри­мер, воздухом, азотом, аргоном) или непосредственно продуктами сгорания горючего газа (ацетилен, водород) в воздухе (до темпе­ратуры перехода полимера в вязкотекучее состояние). Вследствие малой теплопроводности полимерных материалов до этой темпе­ратуры нагревается, лишь поверхностный слой, что достигается небольшими затратами тепла и времени.

Сварку нагретым газом можно, в принципе, свести к двум схе­мам — с применением присадочного материала и без него.

Сварка с применением присадочного материала. При сварке с применением присадочного материала в виде специального прут­ка (рис. 13) нагретый газ, поступающий из мундштука горелки /, размягчает кромки свариваемого материала 5 и конец прутка 2. Сварной шов 3 образуется путем надавливания на пруток к раз­мягченным кромкам.

Механическая прочность сварной конструкции существенно зависит от выбора формы сварного шва,

При сварке непленочпого материала газовыми теплоносите­лями наиболее рациональны стыковые соединения всех видов, угловые тавровые, торцовые и швы внахлестку.

При сварке встык относительно тонких листов или труб тол­щиной до 2 мм кромки не разделываются, а для обеспечения пол­ного провара между листами остав­ляется зазор, равный 1,0—1,5 мм. При сварке встык, листов толщиной

2— 6 мм выполняют V-образную и Х-образную разделку кромок (рис. 14). Угол разделки кромок 55—60°. При больших толщинах ре­комендуется увеличить его до 70— 90°.

В стыковых соединениях листов толщиной свыше 5 мм осуществля­ют Х-образную разделку кромок, как более экономичную и требую­щую почти в два раза меньше при­садочного материала, чем V-образ — иая разделка, и следовательно, сварка осуществляется за более ко­роткий промежуток времени.

Во всех случаях кромки разде­лываются без притупления с зазо­ром до 1,5 мм, величина которого зависит от толщины сваривае­мых листов.

Швы внахлестку при сварке нагретым газом применяют редко, так как прочность ^Таких соединений при растягивающих и изгибающих нагрузках почти в 5 раз меньше прочности стыковых.

Сварка изделий с присадочным прутком при нагреве газовыми теплоносителями имеет следующие недостатки: низкая прочность и пластичность п сварном шве; низкая производительность, осо­бенно при сварке изделий больших толщин; зависимость качества сварки от квалификации сварщика; возможность перегрева мате­
риала при сварке, что приводит к разложению полимера; потеря прозрачности полимерного материала, например органического стекла, в месте сварки; сложность автоматизации процесса.

Однако этот метод вследствие своей простоты широко при­меняется при изготовлении химической и другой аппаратуры из толстолистового винипласта, фасонных деталей и фитингов, при футеровке электролизных и травильных ванн и т. д.

Сварка без присадочного материала. Этот вид сварки (рис. 15) дает возможность значительно повысить прочность соединения по сравнению, с прочностью, до­стигаемой при сварке с при­садочным материалом.

Для того чтобы изделие имело одинаковую толщину во всех сечениях, кромки листов перед сваркой сре­зают под углом 20°, затем листы складывают по кром­кам, которые равномерно нагревают подогретым воз­духом (винипласт до 180—

200°С). Непосредственно за струей нагретого воздуха следуют ролики, которые и создают необходимое давле­ние, сами оставаясь при этом холодными. В зависи­мости от толщины листов скорость сварки составляет 12—2U м/ч, т. е. в 10—15 раз выше, чем при сварке с присадочным мате­риалом.

Прочность сварных соединений достигает 80—90% от проч­ности основного материала, а ударная вязкость материала почти не изменяется. Перед сваркой необходима тщательная подготовка кромок. В настоящее время сварку без присадочного материала применяют только для листов,

Замена воздушного теплоносителя инертным газом (например, аргоном) предотвращает термоокислительную деструкцию поли­мера, что способствует достижению максимальной прочности шва (93—94%), но скорость сварки аргоном несколько ниже скорости сварки воздухом.

Оборудование для сварки нагретым газом. Сварку нагретым газом обычно осуществляют при помощи ручного нагревателя с газовым теплоносителем-.

В зависимости от способа подогрева газа при сварке исполь­зуют специальные горелки: электрические и газовые. В электри­ческих горелках нагрев газа осуществляется ■ электрическими нагревательными элементами; в газовых — газовым пламенем. Нагрев цожет быть прямым или косвенным. В первом случае
га з-теплоноситель смешивается с продуктами сгорания горючего газа, во втором передача тепла от продуктов сгорания к газу- теплоносителю происходит через стенку, разделяющую газовые потоки,

К достоинствам электрических горелок следует отнести про­стоту изготовления и отсутствие открытого пламени, что позво­ляет вести работы в помещениях, где воздух содержит’ пары легко воспламеняющихся веществ. Недостаток горелок — наличие камеры для нагрева газа, которая утяжеляет горелку, увеличи­вает ее габариты и затрудняет работу в труднодоступных местах.

При использовании электрической горелки сварочное оборудо­вание состоит из горелки, компрессорной установки или баллонов со сжатым воздухом и источника питания электрическим током.

В монтажных условиях могут быть применены сварочные уста­новки, в которых спираль электрической горелки питается током от аккумулятора, а воздух, подается от автомобильного компрес­сора.

Газовые горелки косвенного нагрева получили довольно широ­кое распространение, несмотря на присущие им недостатки. В этих горелках нагревание воздуха осуществляется горючим газом (водородом, светильным газом, ацетиленом и др.)

По сравнению с электрическими газовые горелки более про­изводительны, легче по весу и долговечнее. Срок службы газовых горелок при ежедневной восьмичасовой работе составляет пол­тора-два года. Недостатком газовых горелок является огне — и взрывоопасность применяемых газов. Это усложняет процесс сварки на месте монтажа и в закрытых сосудах.

Газовая горелка ГГП-1-56 выпускается нашей промышлен­ностью серийно. В качестве горючего газа в ней используют аце­тилен или водород при давлении 0,5—1 кгс/смг. Возможность работы горелки в столь широком диапазоне давлений обеспечи­вается применением сменных инжекторов с различными диамет­рами отверстия для истечения газа. Инжектор выбирают в зави­симости от давления применяемого газа.

Горелка ГГП-1-56 дает возможность получать до 2,5—3 м3/ч и более нагретого до 250—300 °С газа при избыточном давлении на входе в горелку не ниже. I кгс/см2, При этом расход ацетилена составляет 30—35 л/ч, а водорода 150—200 л/ч. Коэффициент ис­пользования тепла в горелке ГГП-1-56 достигает 92% и более при избыточном давлении газа-теплоносителя не ниже 1 кгс/смг, но во всех случаях он примерно в 1,5 раза выше, чем у газовых горелок с косвенным нагревом и у электрических горелок.

Кроме более высокой производительности и экономичности, горелка ГГП-1-56 обладает еще рядом преимуществ. Так, в про­цессе работы при нормальном режиме она не нагревается благо­даря тому, что продукты сгорания и нагретый газ-теплоноситель не соприкасаются непосредственно с деталями горелки, а также вследствие того, что горелка охлаждается током холодного газа-
теплоносителя. Таким образом, исключается возможность полу­чения сварщиком травмы — ожога, а также устраняется опасность порчи свариваемого материала при случайном прикосновении к нему горелкой.

Горелка ГГП-1-56 невелика по размерам, имеет малый вес и обладает большой маневренностью по сравнению с другими кон­струкциями, применяемыми для аналогичных работ.

Для сварки крупногабаритных изделий из полиэтилена раз­работана и выпущена машина МСП-2 — полуавтомат, который позволяет сваривать внахлестку прямолинейные и криволинейные (с большим радиусом кривизны) швы. Сварку производят без про­кладок. Машину устанавливают на направляющей, и она движется вдоль стола по свариваемому материалу. Обогрев осуществляется газом-теплоносителем от специальной многосопловой электриче­ской горелки, которая имеет 18 отверстий, расположенных на одной линии.

Технология сварки нагретым газом. Технология и режим сварки для каждого материала различаются в зависимости от состава полимерного материала, его жесткости, температуры раз­мягчения. Особенно широко сварка нагретым газом применяется при изготовлении сварных конструкций из винипласта.

С в а р ка винипласта, Винипласт не имеет определенной точки плавления. При температуре выше 80 °С он размягчается, в интервале 200—220 °С он переходит в вязкотекучее состояние. Температура сварки винипласта (200—220 °С) находится вблизи критической точки, при которой начинается разложение мате­риала. Поэтому в участках, нагретых до этой температуры, про­цесс разрушения прогрессирует из-за выделения хлора, действую­щего как катализатор, Химическая стойкость винипласта после сварки почти не изменяется.

Несмотря на кажущуюся простоту процесса сварки вини­пласта, получение качественного, высокопрочного и плотного сварного шва зависит от многих условий.

Оптимальная температура горячего воздуха в зоне сварки должна быть 200—220 °С. Для получения ее воздух в горелке следует нагревать до 230—270°С, так как нагретый воздух не*, сколько остывает, пока проходит между наконечником и свари­ваемой поверхностью. С повышением температуры воздуха уве­личивается скорость сварки, а сварной шов становится более прочным:

Нагревание воздуха выше 270 °С приводит к разложению ма­териала, но е другой стороны, сварка при темрературо воздуха ниже 230 °С не обеспечивает достаточной прочности сварного со­единения. Следовательно, оптимальная температура горячего воздуха 230—270 °С.

Прочность и плотность сварного соединения зависят от формы шва. Сварные соединения, применяемые при изготовлении аппа­ратуры и изделий из винипласта, можно разделить на четыре основных вида (рис. 16). Для сварки встык применяют X — и V-

Рис. 16. Типы сварных пластмассовых соединишй: и — встык; внахлестку; в — тавровое (впритык); г — угловое.

образную разделки кромок. Шов встык обладает наивысшей ме­ханической прочностью и наилучшей плотностью. Шов встык нашел широкое применение для сварки винипластовой аппара­туры, к которой предъявляются высокие эксплуатационные требо­вания: герметичность, работа под давлением или вакуумом и т. д.

Шов внахлестку применяют с односторонней или двухсторон­ней приваркой. Он обладает по сравнению со швом встык гораздо меньшей механической прочностью: шов внахлестку нагружается изгибающим моментом, возникающим в результате того, что сва­риваемые листы не лежат в одной плоскости. Поэтому такой вид соединения допускается лишь в отдельных случаях, в частности при раструбном соединении труб на клею.

Соединение впритык выполняется однорядным или двухряд­ным швом. Для усиления механической прочности шва на одном

из листов снимают фаски с одной или двух сторон. При соеди­нении впритык свариваемые листы винипласта должны плотно прилегать один к другому. Этот, вид соединения применяют для перегородок, диафрагм, полок, устанавливаемых внутри баков, направляющих реек на плоскостях.

Угловое соединение выполняется также, как и V-образное, со снятием фаски на одном или обоих свариваемых листах. Приме­няют его при сварке ванн, приварке днищ и крышек к корпусам аппаратов, фланцев к трубам и т. д.

При кратковременном нагреве поверхности горячим воздухом твердый винипласт не течет, одна ко его поверхность становится вязкой (тестообразной), что простым наблюдением заметить нельзя. В месте сварки внешний вид поверхности несколько изме­няется: участок, омываемый горячим воздухом, становится более блестящим, Затем на поверхности появляются пузырьки и шеро­ховатости, после чего материал темнеет. При сварке нагревание должно осуществляться так быстро, чтобы начала появляться шероховатость, но не изменялся бы цвет материала.

Соединить сваркой твердый винипласт горячим воздухом без подготовки швов практически. нельзя, Разделка свариваемых кро­мок необходима и при сварке материалов небольшой толщины, например пленки толщиной до 1 мм. При сварке ни основной, и и вспомогательный материалы не становятся тяну чим и. Как уже отмечалось, они переходят лишь в размягченное тестообразное состояние. Таким образом, свариваемые кромки не оплавляются и не могут служить вспомогательным материалом, как это бывает при сварке тонких металлических листов.

При сварке твердого винипласта соединения внахлестку яв­ляются вообще крайне нежелательными. При растяжении в таких соединениях возникают большие усилия, так что прочность соеди­нений становится очень незначительной.

У сварщиков существует правило: «Соединения, которые

можно клепать, нельзя сваривать». Подготовка поверхности при сварке твердого винипласта осуществляется только механическим путем, т, е. отпиливапием, строганием, шлифованием или фрезеро­ванием. Очень удобно использовать для подготовки граней диско­вую пилу. Следует обращать особое внимание при подготовке сва­риваемых поверхностей на следующее:

1) необходимо со всей тщательностью следить за тем, чтобы свариваемые поверхности плотно прилегали друг к другу;

2) грани не должны быть надорванными или выкрошенными;

3) не должны использоваться замасленные инструменты.

На качество сварного шва особенно влияет скорость укладки сварочного прутка, угол наклона его к шву во время сварки, дав­ление, оказываемое на сварочный пруток, расстояние от наконеч­ника горелки до свариваемой поверхности, положение и направ­ление горелки при сварке. Размягчаться должны только кромки и пруток, чтобы избежать перегрева материала. О нагреве кромок и прутков до вязкотекучего состояния Свидетельствует появление, блеска на их поверхности.

Практика показала, что средняя скорость укладки сварочного прутка диаметром 3 мм при сварке электрической горелкой со­ставляет 12—15 м/ч. При меньшей скорости сварки время нагрева увеличивается и может произойти перегрев прутка и сваривае­мого материала. При большой скорости сварочный пруток и ма­териал не успевают нагреться до температуры сварки, в резуль­тате чего снижается прочность сварочного соединения, В обоих случаях резко снижается прочность сцепления прутка с основным материалом.

Угол наклона наконечника горелки к поверхности сварного шва выбирается в зависимости от толщины материала. При тол­щине листа до 5 мм он равен 20—25°, а для св*арки листов тол­щиной 10—20 мм — 30-М50. Для равномерного нагрева прутка и основного материала расстояние между наконечником горелки и швом следует поддерживать постоянным (5—8 мм) и часто изменять направление движения струи газа в вертикальном на­правлении с одновременным покачиванием горелки. Для получе­ния хорошего соединения прутка с основным материалом в на­чале шва пруток нагревают и приваривают так, чтобы его конец выступал за срез шва на 3—5 мм.

Пруток укладывается при сварке между приваренными ря­дами в продольном направлении. Не допускается расположение прутка поперек по отношению к ранее приваренным пруткам, так как это ведет к разрыву нижних рядов. В конде каждого ряда прутки срезают ножом таким образом, чтобы конец их выступал за краем шва на 3—5 мм.

Слабым местом в сварном соединении является корень шва.. Поэтому при выполнении особо ответственных швов проводится под варка корня шва, что значительно улучшает качество сварного соединения. После окончания сварки шов должен медленно охлаждаться. Быстрое искусственное охлаждение шва, особенно при сварке листов толщиной более 10 мм, может привести к его растрескиванию, После охлаждения и зачистки сварные швы про­веряют на плотность.

Как видно из описания приемов и технологии сварки вини­пласта, прочность сварных швов в значительной степени зависит от квалификации сварщика и тщательности его работы.

Существенным недостатком сварки в струе горячего воздуха является низкая производительность. Для увеличения скорости сварки часто применяют высокую (до 300 °С) температуру на­гретого воздуха. Однако в этом случае необходимо строго сохра­нять заданные параметры режима сварки, так как иначе про­изойдет разложение материала, что вызовет резкое снижение его прочностных свойств. Слишком высокая скорость сварки не обес­печивает достаточной прочности сварных соединений,

Чтобы сократить продолжительность нагревания присадочного

материала, его дополнительно нагревают в специальном патроне. Это позволяет использовать большие диаметры прутков, умень­шить количество слоев при сварке изделий большой толщины и повысить производительность процесса.

Какие ошибки чаще всего допускают при сварке твердого винипласта горячим воздухом?

1. Перегрев основного или вспомогательного материала или перегрев обоих материалов одновременно. Эту ошибку обнаружи­вают по темным или даже черным пятнам и пузырям.

2. Сварка при низкой Температуре. Если сварку проводили при недостаточно высокой температуре, сечение сварочного прутка остается круглым и по сторонам его отсутствует волна выдав­ленного материала. На основном материале не образуется неров­ностей.

3. Чрезмерное, натяжение сварочного прутка. Ошибку легко распознать по лопнувшим валикам (утолщенйям).

4. Недостаточное заполнение шва. Его легко заметить по впа­динам, образующимся у краев шва (подробнее см. табл. 9).

Сварка полиметилметакрилата. Полиметилмета­крилат сваривают струей нагретого воздуха при 200—220 °С. Про­должительность нагрева до температуры сварки больше, чем у винипласта, поэтому скорость сварки почти в 2 раза ниже. В качестве присадочного материала используют нарезанные из листа прутки с поперечным сечением 7—12. мм3. Для сварки плек­сигласа применяют также винипластовые прутки, которые лучше сцепляются с поверхностью изделия, чем прутки из плексигласа. Для лучшего сцепления присадочного материала с основным сва­риваемые поверхности рекомендуется предварительно протереть растворителем (ацетоном или дихлорэтаном). Прочность на раз­рыв сварных швов из плексигласа, составляет в среднем 30—45%’ от прочности основного материала.

Сварка полиамидов. Полиамиды, в отличие от других полимеров, имеют четко выраженную температуру плавления. Введение пластификатора расширяет температурные пределы, в которых полиамиды размягчаются, поэтому пластифицирован­ные полиамиды свариваются лучше, чем не пластифицированные. Вследствие легкой окисляє мости сварку полиамидов следует вести с применением азота в качестве газ а-теплоносителя. В процессе сварки полиамидов нельзя перегревать материал из-за опасности термической деструкции, поэтому температура газ а-теплоносителя должна быть не более чем на 30—50 °С выше температуры плав­ления полимера.

Сварка полиэтилена. Листовой полиэтилен сваривают внахлестку (листы в месте размягчения плотно прижимают друг к другу с помощью ролика).

При использовании в качестве газа-теплоносителя воз­духа прочность полиэтиленового сварного шва очень низка и

составляет лишь около 15% от прочности основного материала, что обусловливается окислением полиэтилена в месте сварки кис­лородом воздуха.

Поэтому полиэтилен рекомендуется сваривать сжатым азотом при 200—220 °С. Расстояние от наконечника горелки до сваривае­мой поверхности должно составлять 5—7 мм. Листы толщиной более 3 мм можно сваривать, применяя присадочный материал — сварочные прутки из полиэтилена. Оптимальный диаметр прутков для сварки полиэтиленовых пластин толщиной от 3 до 10 мм равен 3,5—4 мм.

Сварка полиизобутилена. Полиизобутилен получил наиболее широкое применение в технике как обкладочный материал для защиты аппаратуры от воздействия агрессивных сред.

Сварка чистого полиизобутилена крайне затруднительна.. Это объясняется весьма низкой теплопроводностью материала: пре­жде чем он достигает необходимой пластичности, происходит его поверхностный перегрев. При введении же таких наполнителей, как графит и сажа, теплопроводность материала резко увеличи­вается. При смешении с наполнителями полиизобутилен обвола­кивает тонкой пленкой частицы наполнителя, в результате увели­чивается поверхность нагрева.