3.1. Технологія зварювання пластмас. Зварювання нагрітим газом.

Зварювання пластмас - процес отримання нероз'ємних з'єднань за рахунок сил міжмолекулярної взаємодії, що виникають у результаті теплового активування поверхонь, що з'єднуються і доведення їх до в'язкотекучого стану з наступним стисканням з'єднуваних елементів.

Активація зварюваних поверхонь досягається за рахунок контакту з теплоносіями - нагрітим присадним матеріалом, газом, інструментом, а також завдяки поглинанню і перетворенню енергії коливань (електричних чи механічних), променевої енергії.

При активації поверхонь і розм'якшенні матеріалу в процесі їх стискання відбувається взаємодифузія молекул, а також перемішування об'ємів поверхневих шарів, що призводить після охолодження до утворення нероз'ємного з'єднання.

Здатність полімерів утворювати якісні з'єднання залежить від можливості переходити в рідкотекучий стан, що у свою чергу, залежить від ширини температурного інтервалу в'язкотекучого стану і в'язкості полімеру в цьому стані (інтервал від t пл, до t термодеструкції називають інтервалом в'язкотекучого стану)

Зварюваність характеризує придатність матеріалу до утворення нероз'ємного з'єднання при раціональному технологічному процесі.

Залежно від властивостей полімерних матеріалів механізм утворення нероз'ємного з'єднання може бути дифузійно-реологічним і хімічним.

Дифузійно-реологічний процес взаємодії зварювальних поверхонь найбільш ефективно реалізується в стадії в'язко-текучого стану матеріалу, коли макромолекули набувають максимальну рухливість і мають найменшу щільність упаковки. У ряді випадків (в аморфних і частково кристалічних полімерних матеріалах) домогтися розпушеності структури можна впливом на полімер розчинників. Ступінь і швидкість дифузії залежать від молекулярної маси полімерів і полярності ланок макромолекул. З їх зменшенням швидкість дифузії зростає.

Молекулярно-масовий розподіл, розгалуженість молекулярних ланцюгів, полярність молекулярних ланок можуть характеризуватися енергією активізації в'язкої течії і в кількісному відношенні оцінювати зварюваність полімерів. У тій же мірі оцінка зварюваності може бути проведена по інтервалу температур, в якому полімер може зберігати в'язкотекучий стан, і за влучним висловом, в'язкості розплаву. Залежність здатності матеріалу зварюватись від ширини інтервалу в'язко-текучого стану й в'язкості розплаву підтверджена багатьма дослідниками. У відповідності з цим усі термопласти з точки зору їх зварюваності розподіляються на 3 групи (табл. 3.1).

До першої групи відносяться термопласти з наступними властивостями: енергія активації переходу у в'язкотекучий стан менше енергії хімічного зв'язку (енергія зв'язку С-С складає 290 кДж/моль); температурний інтервал в'язко-текучого стану перевищує 50° С.

До другої групи належать матеріали з високою енергією активації в'язкої течії (близької до енергії хімічного зв'язку), вузьким інтервалом в'язко-текучого стану і підвищеною в'язкістю розплаву. Для забезпечення можливості зварювання термопластів цієї групи необхідно відшукувати оптимальні способи зварювання, які б виключали можливість перегрівання й деструкції матеріалу.

До третьої групи відносяться термопласти, у котрих енергія активації в'язкої течії перевищує енергію хімічного зв'язку. Такі термопласти практично не можуть бути переведені у в'язкотекучий стан, тому можливість зварювання практично відсутня.

Таблиця 1. Критерії оцінки зварюваності термопластів

На міцність зварного шва впливає стан поверхонь зварюваних матеріалів, зокрема їх забрудненість, ступінь окислення, особливо в умовах підвищеної вологості, а також концентрація наповнювача. Очищення від забруднень і знежирення є необхідними умовами якісного зварювання.

Реологічний механізм зварювання сприяє розриву зв'язків і видалення із зони шва зазначених інгредієнтів.

Здатність багатьох термопластичних матеріалів до впорядкованого розташування макромолекул (кристалізації) забезпечує при певних температурних умовах відновлення структури зварних швів, близької до основного матеріалу.

Прискорення процесу охолодження зварних швів, що допускається для аморфних полімерів, у кристалічних викликає розпушення структури шва. Зварні шви полімерів, що кристалізуються, повинні остигати природним шляхом. Рекристалізована структура матеріалу зварного шва покращує міжмолекулярну взаємодію по лінії зварювання, збільшує щільність упаковки макромолекул зварного шва і підвищує його механічні характеристики.

Таким чином, на фактори, що визначають оптимальне протікання дифузійно-реологічного процесу зварювання, можна впливати технологічними прийомами, економічна доцільність яких визначає їх практичне застосування.

Хімічне зварювання засноване на утворенні хімічних зв'язків між полімерними матеріалами. На відміну від склеювання при хімічному зварюванні не утворюється самостійної безперервної фази.

Матеріали, які не піддаються дифузійному зварюванню (реактопласти, вулканізатори, рідкосітчасті полімери зі схожою структурою), можна з'єднати шляхом хімічної взаємодії функціональних груп або за допомогою присадного матеріалу, близького за активністю до кожного із зварювальних полімерів, при цьому нагрів і зварювальний тиск створюють необхідні умови для протікання процесу, а присадні матеріали сприяють активації реакційноздатних груп.

Якість хімічного зварювання визначається довжиною, концентрацією, рухливістю активних груп контактуючих матеріалів. Технологічними прийомами можна домогтися поліпшення зварюваності важкозварюваних полімерів. Так, попередня обробка поверхні матеріалу хімічним агентом сприяє збільшенню пластичності поверхневих шарів, а за допомогою механічної обробки поверхонь, що з'єднуються, усувається менш реакційноздатний шар матеріалу.

При зварюванні пластмас якість зварних з'єднань залежить не тільки від властивості полімеру, а також від конструктивних особливостей з'єднань, їх жорсткості, способу активації поверхонь і режимів зварювання.

Активація зварюваних поверхонь може здійснюватися за допомогою теплової енергії, що підводиться зовні, або що генерується безпосередньо в зварюваному матеріалі шляхом перетворення енергії електричних чи механічних коливань у теплову енергію.