Сварка пластмасс нагретыми газами
Некоторые пластмассы (полиамиды) чувствительны к кислороду. Последний снижает прочность и пластичность сварных швов, поэтому сварку в этом случае выполняют инертным газом. Полиэтилен также рекомендуется нагревать азотом или углекислым газом. Однако он хорошо сваривается и при использовании горелок с газовым пламенем. Нагретыми газами чаще всего сваривают винипласт, полистирол и некоторые другие пластмассы.
Наиболее широко сварку нагретым воздухом используют при изготовлении сварных конструкций из винипласта. Прочность сварных соединений в значительной мере зависит от технологического режима сварки (температуры и количества подаваемого воздуха, диаметра сопла горелки и сварочного прутка, толщины свариваемого материала и т. д.).
Винипласт не имеет определенной точки плавления. При температуре выше 80° С (353 К) он размягчается, при 180° С (453 К) начинает течь, в интервале 200— 220° С (473—493 К) переходит в вязкотекучее состояние, а если приложить при этом давление — сваривается.
Влияние температуры воздуха на скорость сварки и прочность сварного соединения винипласта
Температура воздуха °С (К)
Скорость сварки однорядного шва. м/ч
Предел прочности при разрыве Х-образного шва, кгс/см2 (MH/м2)
Прочность соединения по основному материалу, %
Сварка горелкой косвенного нагрева
Давление воздуха 0,6 ат
Диаметр сопла 2,5 мм
Диаметр прутка 2,5 мм
Температура сварки лежит вблизи критической точки, при которой материал начинает разлагаться.
Чтобы, оптимальная температура горячего воздуха в месте сварки составляла 200—220° С (473—493 К), воздух в горелке следует нагревать до 230—270° С (503— 543 К).
В табл. 26 приведены данные о влиянии температуры нагреваемого воздуха на скорость сварки и прочность шва. С повышением температуры воздуха скорость сварки увеличивается, а сварной шов становится более прочным. Если температура воздуха при сварке превышает 270°-С (543 К), материал будет разлагаться; при температуре ниже 230° С (503 К) не обеспечивается достаточная прочность соединения.
Сменный наконечник выбирают в зависимости от толщины листов, диаметра прутка и формы разделки кромок. Наконечники с диаметром отверстия 1,5—2 мм применяют для сварки листов незначительной толщины (3—5) мм, с диаметром 3,5—4 мм — для сварки листов толщиной 16—20. мм. Диаметр отверстия наконечника горелки должен быть равен диаметру сварочного прутка. Если диаметр отверстия не соответствует диаметру прутка, равномерно прогреть пруток становится довольно трудно, а значит и прочность шва будет снижена.
Скорость разогрева сварочного прутка и кромок листа воздухом зависит от профиля шва. Например, дляV- и Х-образных швов тепловые потери при сварке меньше, чем при угловых и внахлестку. Поэтому при одинаковой толщине листа следует применять соответственно наконечники меньших или больших диаметров.
Прежде чем включить сварочную горелку, пускают газ-теплоноситель, количество которого регулируют кранами общей сети и на горелке. Затем его поджигают (если применяется газовая горелка) или включают электрический ток (в случае электрической горелки). Такая последовательность обязательна, иначе можно прожечь медный змеевик у газовой горелки или расплавить нагревательную спираль у электрической.
Температуру воздуха можно контролировать следующим образом. Наконечник горелки установить на расстоянии 5 мм от шарика ртутного термометра. Если через 10— 15 с термометр покажет необходимую температуру, приступить к сварке. Если температура сварки назначена правильно, то через 2—3 с после приближения горелки на винипласте появится матовое пятно.
Качество шва зависит от скорости укладки сварочного прутка, угла наклона его при подаче в шов, величины усилия при вдавливании размягченного прутка, расстояния от наконечника до свариваемой поверхности, положения и направления горелки при сварке. Чтобы материал не перегревался, стремятся размягчить только кромки и пруток, для чего к последнему прикладывают некоторое давление, создаваемое рукой.
Средняя скорость укладки сварочного прутка диаметром 3 мм при электрической горелке должна составлять 12—15 м/ч. При меньшей скорости время нагрева увеличивается, вследствие чего пруток и свариваемый материал могут перегреться. При скорости укладки более 15 м/ч сварочный пруток и материал не успевают нагреться До температуры сварки. И в том и другом случаях снижается прочность соединения.
Сварочный пруток должен подаваться под углом 90° к поверхности сварного шва. Если угол превышает 90°, часть усилий тратится на вытягивание прутка в пластичном состоянии, вследствие чего при дальнейшем охлаждении возникают усадочные напряжения, которые разрывают пруток. При наклоне, меньше 90°, пруток разогревается быстрее, чем основной материал (и на более длинном участке), в результате чего он не приваривается к свариваемым деталям.
Кроме того, часть усилия при вдавливании прутка расходуется на сжимание в продольном направлении, обратном его движению, вследствие чего образуются «волны». Прочность соединения при неправильной подаче прутка в шов резко снижается, и пруток легко отделяется от поверхности сварочного шва.
Угол наклона наконечника горелки к поверхности сварного шва выбирают в зависимости от толщины материала. Для листов толщиной менее 5 мм угол наклона а. рекомендуется 20—25°, при 10—20 мм — 30—45°. Расстояние между наконечником и поверхностью шва следует поддерживать постоянным (5—8 мм). Хорошее соединение прутка с основным материалом в начале шва будет обеспечено, если пруток нагреть и приварить так, чтобы конец его выступал за срез изделия на 3—5 мм.
Покачиванием горелки можно быстро изменить направление струи воздуха и добиться тем самым равномерного нагрева сварочного прутка и основного материала. Пруток укладывают в продольном направлении между приваренными прутками. В ответственных соединениях корень шва подваривают, чем значительно улучшают качество сварки.
После сварки шов должен медленно охлаждаться. Искусственное охлаждение, особенно при сварке листов толщиной более 10 мм, может привести к растрескиванию. После охлаждения и зачистки швы подвергают контролю.
Прочность сварных швов при различных видах нагрузки по отношению к прочности основного материала (в %) составляет: встык при срезе 65, при растяжении 75, при сжатии 85, при изгибе 65; валикового при растяжении 65; удельная ударная вязкость материала сварного соединения 10.
При прутковой сварке винипласта отмечается низкая ударная вязкость шва, а также снижение ударной вязкости основного материала на границе сварного шва. Винипласт чувствителен к концентраторам напряжений, поэтому даже при наварке прутка на трубу ударная вязкость материала уменьшается в месте приварки почти в 10 раз.
Существенный недостаток сварки в струе горячего воздуха — низкая производительность. Средняя скорость укладки одного сварочного прутка при работе с газовой горелкой составляет 15—20 м/ч, а электрической — 12— 15 м/ч. Чтобы сварить 1 м винипластовых листов толщиной 18—20 мм с V-образной разделкой, необходимо уложить 30—35 прутков диаметром 3 мм. Следовательно, продолжительность сварки 1 м шва составляет около 2 ч.
Чтобы увеличить скорость сварки, часто повышают температуру газа до 300° С (573 К). Однако при этом необходимо строго сохранять заданные параметры режима сварки, иначе произойдет разложение материала. Время для подогрева присадочного материала может быть сокращено, если применить описанный ранее дополнительный подогрев в специальном патроне.
Органическое стекло сваривают струей воздуха, нагретого до 200—220° С (473—493 К). Время нагрева более продолжительное, чем у винипласта, поэтому скорость сварки почти в 2 раза ниже. Присадочным материалом служат нарезанные из листа прутки с поперечным сечением 7—12 мм 2 . Более успешно органическое стекло сваривают с применением винипластовых прутков, которые хорошо сцепляются с его поверхностью. Свариваемые поверхности рекомендуется предварительно обезжирить (ацетоном или дихлорэтаном).
Прочность при разрыве сварных соединений органического стекла составляет в среднем 30—45% по отношению к прочности основного материала.
Полиамиды следует сваривать в азоте, температура нагрева которого на 30—50° С (303—323 К) превышает температуру плавления основного материала. Полиэтилен сваривают азотом, нагретым до температуры 200—220° С (473—493 К).