Сущность сварки нагретым инструментом заключает­ся в подводе тепла к соединяемым деталям от металли­ческих брусков, лент, дисков, пластин или другого ин­струмента с последующим спрессовыванием и охлажде­нием деталей.

Сварка нагретым инструментом является наиболее универсальной для соединения полимерных материалов (термопластов, реактопластов, вулканизатов).

Такую сварку можно осуществить различными спо­собами в зависимости от схем и методов подвода тепла, типа инструмента, технологических приемов выполнения операций. Обычно при сварке этим способом присадоч­ный материал не применяют. Тепло можно подводить инструментом с внешней стороны деталей или непосред­ственно к соединяемым поверхностям,[136, с. 70].

Сварка нагретым инструментом с подводом тепла с внешней стороны деталей[6] подразделяется на контакт­но-тепловую сварку прессованием (детали нагревают и спрессовывают одновременно) и термоимпульсную сварку.

При контактно-тепловой сварке прессованием ис­пользуют постоянно нагретый инструмент с большой теп­лоемкостью. Однако при соединении толстостенных де­талей для достижения необходимой температуры в зоне сварки требуется много времейй. Для обеспечения до­статочной степени нагревания материала в зоне соеди­нения за короткое время температура инструмента должна быть выше температуры текучести.

Скорость нагревания соединяемых поверхностей за­висит от температуры инструмента, от теплофизических свойств й толщины материала. Перепад температур по толщине деталей в зоне шва уменьшается с увеличением продолжительности нагревания; тем не менее в слое, контактирующем с инструментом, всегда наблюдается перегрев материала.

Сварка значительно облегчается в случае применения двухстороннего нагрева. При попытке ускорить сварку повышением температуры инструмента появляется опас­ность термодеструкцки полимера и возрастает деформи­рование инструментом размягченного материала в зоне шва."Деформирование материала, можно уменьшить, ес­ли создать давление не только в зоне сварки, но и в око- лошовной зоне. Для этого используют инструмент, снаб­женный боковыми губками -[ 136, с. 74], или ограничите­ли хода.

Для предотвращения прилипания пластмассы к на­гревателю применяют разделительные прокладки из фто­ропласта-4, полиимида, полиэтилентерефталата, целло­фана.

Контактно-тепловая сварка прессованием, при кото­рой. обеспечивается высокое качество соединения* состо­ит из нескольких операций: нагревание материала в зо­не шва до температуры сваркщ приложение заданного давления, выдержка, охлаждение и распрессовка. Ох­лаждение' под давлением позволяет избежать коробле­ния материала, но процесс при этом сильно удлиняется и становится менее экономичным. Поэтому охлаждение под давлением применяют в мелкосерийном производст­ве, при проведении ремонтных работ и при сварке фто­ропластов.

При контактно-тепловой сварке прессованием детали можно соединять .за один цикл. одновременно по всей длине шва или последовательно. Для получения непре­рывным методом швов большой протяженности исполь­зуют ручные полозы и механизированные (роликовые или ленточные) устройства (136, с, 75]. При использо­вании ленточных нагревательных инструментов имеется возможность (в отличие от роликовых) охлаждать свар­ной шов перед снятием давления. Для обеспечения гер­метичности изделия (например, мешка) при расслаива­нии соединения, полученного ленточной сваркой, на кромку сварного шва одевают П-образную накладку.

Контактно-тепловую сварку прессованием наиболее часто применяют при торцевом соединении и соединении внахлестку деталей из тонколистовых материалов, а так­же при соединении «на ус» толстостенных деталей. Этим методом преимущественно соединяют " жесткие термо­пласты (полиметилметакрилат, полистирол, поливинил­хлорид, полиамиды)а также термопласты, для которых нельзя применить сварку в поле токов высокой частоты (полиолефины и фторопласты). *

Режим сварки (температура инструмента, давление и продолжительность) выбирается в зависимости от ти­па свариваемого материала, конструкции изделий и вида применяемого приспособления. Режим сварки для боль­шинства термопластов выбирают с учетом термомехани­ческих свойств свариваемых материалов и их термо­стойкости [178, с. 151]. На основании экспериментов.[213] были определены оптимальные режимы сварки фторопласта-4 «на ус;» и встык:

Температура нагревания, К - ■ . ' . ...... 653—663

Продолжительность выдержки, мин. ... , . 10—15

Давление при сварке листов различной толщины,. МПа,

2—10 мм. ................................................................ 0,5—0,8

10^20 мм. . ....................................................................... 1,5—1,8

Температура после охлаждения водой {не снимая дав­ления), К. <600

Особенность сварки фторопласта-4 заключается в со­зданий давления после нагревания соединяемых поверх­ностей. Сварные соединения пленок фторопластов, полу­ченные при оптимальных режимах, имеют'прочность при сдвиге, близкую (за Исключением фторопласта-30) к прочности основного материала при растяжении '[218].

Режимы сварки дублированных пленок на основе по - лиимидов и фторопластов '[219] не отличаются от режи­мов сварки соответствующих фторопластов. Фторопла­сты наносят на тугоплавкие или'неразмягчающиеся по- лиимиды для придания последним способности свари­ваться. Прочностные свойства таких соединений при раз­личных условиях нагружения, а также их теплостойкость зависят, от свойств промежуточного (по сути, клеевого) слоя фторопласта.'

Применение контактно-теплового метода наиболее эффективно при химической сварке неметаллизирован - ных [210] й металлизированных полиимидных пленок [213]. Качество сварных швов в таких соединениях за­висит от расхода 'Присадочного реагента на единицу пло­щади шва, температуры нагревания, давления и продол­жительности сварки. Оптимальные условия для проведе­ния сварки полиимидпых пленок (табл, V.1) определяют экспериментально. .

С помощью нагретых проволоки или и ветру мента [220] с треугольным сечением можно получать одновре­менно два изделия [168].

Температура нагревания инструмента, с помощью ко­торого производят резку волокон из термопластов, зави­сит от типа материала волокон {220].

Для проведения контактно-тепловой сварки прессова­нием применяют различное оборудование -[216, с. 274]. Сварные швы небольшой протяженности получают с по­мощью ручных приспособлений [136, с, ИЗ],

Таблица V. l. Оптимальные условия соединения полиимидных пленок толщиной 20 мкм • Концен- ' Расход реагента на ] см3 повер­хности шва, кг Режим нагревания Пол ним нд- ные Плешш п Присадочный реагент трация раство­ра реа­гента в ацето­не, % ■ темпера­тура, К продолжи­ тельность, мин давле­ ние, МПа ПМ-1 ГМДА* 10—15 0,20-0,25 473—523 •2,5-3,0 1,6 ГМДИЦ** 10 0,20 493—513 2,5-3,0 1.0 ПМ-1Э-ДА ГМДА*** 10 — 498—518 3,0 0,5—1,5 ГМДИЦ*** Трифенил- триазоциа- 10 473—498 3,0 1,6-1.5 натметан*** 2Q**4"ii 523-548 2,0-2,5 1.0 * Геке л метл лен дна мни. * ** Геке а м ет и л еид и изоцианат* *** Реагент нанесен на ленту из пдрнки ПМ-l толщиной 20 мкм, *•** В качестве растворителя применили дихлорэтан.

При термоимпульсной сварке используют малоинер­ционный нагреватель (ленту или проволоку), по которо­му периодически пропускают электрический ток. После отключения электроэнергии сварной шов быстро охлаж­дается. Наиболее распространенная схема термоимпульс­ной сварки приведена на рис. V.3. По этой схеме соеди­няют пленки (главным образом из полиолефинов) тол­щиной 20—250 мкм.

Пленки можно сваривать внахлестку или вторец (рис. V.4), однако в сварных конструкциях пленки целе­сообразнее соединять внахлестку, так как в этом случае полученные соединения обладают более высокой - проч­ностью при растяжении {53].

Проплавляя заготовки пакета по всей толщине, на­пример нагревателем в виде проволоки, можно одновре­менно получить два торцевых шва, разделяя сваренные изделия, или отделить припуск материала, Ускорить ох­лаждение материала шва в этом случае можно сжатым воздухом.

- Оптимальную температуру термоимпульсной сварки устанавливают эмпирически, путем изменения величины и продолжительности импульса электрического тока, пропускаемого через нагреватель. В зависимости от типа

Рас. V.3. Схема соединения полимерных пленок термонмпульсной

сваркой:

/ — пленки; 2 —Нагреватель; 3 — тепло - н электроизоляция; 4 — аитиадгезион-
ная прокладки; {, 7 = подвижная н неподвижная губки; 6 — эластичная под-
ложка; 3 — шов.

Рис. V.4. Схема сварки пленок вторец:

7 — пленки; 2 — инструмент; 3 — шов.

материала и его толщины продолжительность нагрева­ния составляет от десятых долей секунды до нескольких секунд, давление —от 0,01 до 0,2—0,3 МПа.

Швы длиной >1 —1,5 м могут быть изготовлены ша­говым перемещением материала.

При сварке пленок толщиной больше 200 мкм необ­ходимо применять двухсторонний нагрев. Для 'выполне­ния термоимпульсной сварки используют различные сва­рочные машины [216, с. 276 ; 221].

Сварка с подводом тепла инструментом непосредст­венно к соединяемым поверхностям может выполняться путем одновременного или последовательного нагрева­ния материала в зоне шва [138].

Периодическая сваркамири одновременном нагре­вании всей поверхности шва[7] — широко применяется при ■стыковке труб, плит, профилей и других полуфабрика­тов из жестких пластических масс и считается наиболее важным способом тепловой сварки пластмасс [222]. Она * выполняется в следующем порядке: нагревание, пауза, соединение (стыковка с охлаждением).

Основными параметрами процесса являются: темпе­ратура нагретого инструмента, продолжительность оп-

Рис, V.5. Диаграмма давление — продолжительность сварки встык труб л э полиэтилена ВП (1) и жесткого поливинилхлорида (2) тол­щина труб 6 мм.

лавлепия /опл, нагревания tB, соединения tz и паузы tn, а также давление при оплавлении р0Пл, нагревании рн и соединении ръ [145, 153, 183, 223, 224].

Температура инструмента зависит от типа пластмас­сы [2, с. 279; 136, С; 99], типа и толщины антиадгезион - ной прокладки, температуры окружающей среды [224] и способа нагревания инструмента.

В случае прилипания размягченного материала к ин­струменту ухудшается соединение последующих дета­лей. При использовании инструментов из нержавеющей стали с хромированной или никелированной полираваиг ной поверхностью - или с прокладками из пленки поли­тетрафторэтилена расширяется диапазон температур, при которых можно получить высокопрочное соединение.

На рис. V.5 приведена диаграмма изменения давле­ния в процессе сварки [107, с. 132].

Продолжительность оплавления должна быть доста­точной для того, чтобы обеспечить плотное прилегание соединяемых поверхностей к инструменту.^ Однако ПО возможности Допл должна быть минимальной; она зави­сит от гладкости стыкуемых поверхностей. При этом давление должно поддерживаться равным 0,15 МПа до тех пор, пока не будет достигнут полный контакт между свариваемыми поверхностями и инструментом. Даль-

нейщеё нагревание деталей вызвано необходимостью перевода прилегающих к нагревателю сло^в материала в вязкотекучее состояние. Продолжительность нагрева­ния зависит от количества тепловой энергии, котррую для этого необходимо сообщить материалу. Плотность теплового потока нагретого инструмента при этом долж­на составлять около 0,75 В т/см2 [2, с. 279].

При сокращении продолжительности нагревания при постоянной' температуре инструмента Тиа ухудшается качество щва вследствие недостаточного размягчения материала, а при повышении Т^н наблюдается прилипа­ние материала к инструменту. Отказаться от применения анти адгезионной прокладки и сократить продолжитель­ность нагревания до 10—15 с можно, если сварку (на­пример, деталей из полипррпилена толщиной 4 мм) про­водить при 653 К и после отвода, деталей от инструмента выключить обогрев не сразу, а спустя 10 с (но не бо­лее) — для испарения продуктов разложения.

Давление при нагревании ри должно быть значитель­но ниже, чем при оплавлении, чтобы исключить выдав­ливание размягченного материала.

Пауза — время, в точение которого осуществляется переход от нагрева к соединению,— должна быть по воз­можности минимальной, чтобы свариваемые поверхности не успевали охлаждаться. Продолжительность паузы не должна превышать 1—3 с в зависимости от типа сва­рочного аппарата, его привода и геометрии изделия.

Продолжительность соединения определяют с учетом толщины стенки свариваемых деталей, температуры ок­ружающего воздуха и типа пластмассы. Для расчета U пользуются следующей эмпирической зависимостью: tc — tji (здесь d — толщина стенки детали, мм). При большой продолжительности охлаждения коэффициент использования оборудования невелик.

Необходимо отметить, что значительно сократить tc при сварке полиолефинов не представляется возможным, поскольку из-за рекристаллизации полимера в зоне шва охлаждение необходимо проводить, как можно медлен­нее. .Однако при сварке поливинилхлорида продолжи­тельность соединения может быть значительно сокра­щена.

'При соединении деталей следует создать такое Дав­ление рс, при котором не происходило бы выдавливание
размягченного материала из шва. По мере охлажде­ния деталей давление рс можно повышать.

Качество сварных швов обычно контролируют визу­ально по форме наплыва [226]|. При оформлении по­лостей в торце у наружной поверхности трубы удается избежать наплыва на по­верхности изделия (рис.

V. 6).

Встык сваривают трубы диаметром более 50 мм. Трубы диаметром менее 50 мм с толщиной стенки не более 2 мм соединяют вра - струб. Сварка враструб труб с фитингами произво­дится с помощью инструмента, имеющего дорн и гиль­зу [137, с. 23].

При изготовлении отводов трубопроводов или для стыковки одновременно четырех концов труб применяют уголковые или крестообразные инструменты с плоскими нагревательными поверхностями.

Обогрев инструментов при сварке с подводом тепла непосредственно к соединяемым поверхностям главным образом электрический. Для работы в полевых условиях иепользуют инструменты, нагреваемые от источника от^ крытого пламени, например пропановой горелки [137, с. 28; 216, с. 279]. С целью повышения прочности свар­ного соединения в ГДР был создан инструмент марки ZIS 894, рассчитанный на' применение в полевых усло­виях при монтаже трубопроводов [227]. Инструмент представляет собой кольцо, на обеих торцовых поверх­ностях которого изготовлены - зубчатые венцы (высота. зуба 4 мм, угол при вершине равен 1,05 рад). Выступы зубьев на одном торце кольца соответствуют впадинам между зубьями на другом торце. Оформленный при на­гревании рельеф на торце одной трубы совмещается с рельефом на торце другой трубы. Прочность сварных стыковых соединений, выполненных этим инструментом,
благодаря развернутой поверхности контакта равна

прочности основного материала - Сварка с помощью на­гретого профилированного инструмента является пер­спективным методом сварки труб [228].

Для сварки труб и других деталей выпускают раз­личное сварочное оборудование [216, с. 278].

Непрерывной сваркой [136, с. 107] соединяют встык или внахлестку мягкие материалы типа поролона или пленки.

Разновидностью сварки нагретым инструментом яв­ляется способ, основанный на нагревании соединяемых поверхностей с помощью нагревательных элементов, ко­торые после сварки Остаются в шве. Если нагревание ведут электрическим, током, то в качестве нагревателя применяют спираль из металла с высоким электросопро­тивлением. Наиболее детально этот метод разработан для соединения труб с фитингами [136, с. 110]. При на­зревании элементов в электромагнитном высокочастот­ном поле нагревателями могут служить не только ме­таллические вкладыши из стали, никеля, кобальта [229], но и тонкоизмельченная окись железа с частицами раз­мером до 20 мкм [230, 231].

Основным преимуществом индукционной сварки яв­ляется возможность быстрого соединения деталей в труд­нодоступных местах; продолжительность нагревания меньше 1 с.

Сварка нагретым присадочным материалом [136, с. 127]

Принцип сварки этим способом заключается в пода­че присадочного материала из нагревательного устрой­ства в зону соединения и передаче тепла контактирую­щим с ним поверхностям. Процесс осуществляется по непрерывной или перирдической схемам [138].

При проведении процесса по непрерывной схеме при­садочный материал выходит из нагревательного устрой­ства непрерывно. По этому способу сваривают внахлест­ку и встык [137, с. 37] прямолинейным швом изделия большой протяженности, например пленки, листы, тру­бы. Для подачи присадочного материала применяют экструдеры (экструзионная сварка) [232] или 'устрой­ства прямоточного типа [233]; в последнем случае пру­ток сматывают с бухты и с помощью тянущих роликов непрерывно подают в нагревательный цилиндр, откуда расплавленный материал выдавливается через мундштук на кромки соединяемых деталей.

Экструзионная сварка разделяется на бесконтактную и контактную [137, с.

При бесконтактной сварке наконечник экст­рудера не касается свариваемого материала: расстояние от сопла до шва обычно равно двукратному диаметру ■прутка. При увеличении расстояния возможны значи­тельные потери тепла. Ролик или ползун, расположен­ные непосредственно за экструдером, служат для прика - тывания и уплотнения присадочного материала в зоне шва [137, с. 40]. Этот способ сварки применяют преиму­щественно для соединения материалов небольшой тол­щины (меньше 3 мм).

При контактной (контактио-экструзион - ной [234]) сварке наконечник экструдера касается кромок соединяемых деталей. При контактно-экструзи­онной сварке подогрев свариваемых встык кромок с V-образной разделкой осуществляется с помощью на­гретого инструмента, имеющего рифления в направле­нии шва и подсоединенного непосредственно к мундшту­ку экструдера [235]. Такой подогрев имеет преимуще­ства перед газовым подогревом [229].

Использование профилированного инструмента ис­ключает выдавливание материала на поверхность дета­лей, способствует увеличений площади контакта нагре­того инструмента с поверхностью, а следовательно, и количества- передаваемого им тепла, а также обеспечи­вает перемещение низковязкого присадочного материа­ла параллельно направлению сварки.

Экструзионной сваркой соединяют материалы, обла­дающие относительно низкой температурой размягчения и способные выдерживать значительный перегрев без заметной деструкции.

Качество сварных швов зависит от многих факторов: состава, температуры, скорости подачи и формы приса­дочного материала1, давления, оказываемого на него, а также состава и температуры свариваемого материала и характера подготовки его кромок. Для обеих разно­видностей .экструзионной сварки оптимальные режимы не зависят от толщины материала, а прочность соеди­нений приближается к прочности основного материала [234,235]. *

Экстру з йоіШуіб сварку рекомендуется применять вместо сварки нагретым газом [228], когда, необходимо значительно повысить скорость процесса, особенно при соединении толстостенных деталей [235, 236.]. Экструзи­онная сварка выполняется при помощи ручных и стацио­нарных сварочных аппаратов [137, с. 37; 216, с. 281; 234, 235],

При проведении процесса по периодической схеме нагретый присадочный материал периодически поступает в зазор между деталями, установленными в форму [136, с., 129] или зажатыми в приспособлении [237].

Так как присадочный материал подается преимуще­ственно литьевыми машинами, способ соединения, вы­полняемый по этой схеме, называют сваркой литьем под давлением [136, с. 129]. Сварку таким способом приме­няют для соединения деталей в. труднодоступных местах (например, в производстве полых изделий), концов ка? белей [237, 238], тонкостенных труб враструб [239]. Сварку кабелей можно проводить свободным литьем.