Основные методы сварки пленок
Сваркой называют способ создания неразъемного соединения элементов конструкции, при котором полностью исчезает граница раздела между соединяемыми поверхностями, превращаясь в размытый переходный слой.
Переходный слой при сварке /Линейных или разветвленных полимеров образуется в результате взаим ной диффузии макромолекул контактирующих материалов, находящихся в вязкотекучем состоянии (диффузионная сварка), или в результате химической реакции присоеди нения, происходящей между звеньями молекул сое дин яе — мыхповерхностей (химическая сварка).
Диффузионную сварку разделяют на тепловую, осуществляем ую путем нагревания, и на сварку с помощью растворителя.
Процесс диффузии зависит от физического состояния полимеров. В твердом стеклообразном состоянии даже при длительном вре — мени контакта и она чительных усилиях сжатия сопрягаемых поверхностей взаимной днффузи и макромолекул не происходит, материалы не соединяются. В высокоэластическом состоя нии при температурах выше 7 возникает аутогезионное взаимодеиствие полимерных цепей, главным образом их окончаний и боковых ответвлений [ 14]. Граница раздела между сопрягаемыми поверхностями может пе исчезать, а прочность такого аутогезионного взаимодействия незначительна.
В вязкотекучем состоянии (или набухшем от растворителя) макромолекулы приобретают способность свободно перемещаться в
norpdi шчны x слоях и диффундировать в такой же вязкотекучий материал. Степень и скорость диффузии определяются силои межмолекулярного взаимодействия, совмещаемостыо полимеров и условиями протекания процесса. Граница раздела между поверхностями исчезает, а прочность аутогези< яиюго соединения полимеров одинаковой природы приближается к когезионной прочности материалов.
Таким образом, температура сварки должна быть выше ] для кристаллических п< >лимеров или Г для аморфных полимеров, но ниже температур их деструкции. При кратковременной сварке продолжительностью 0,05 — 0Г2 с тем! юратура может превышать температуру деструкции [14].
Другим условием осуществле ния процесса сварки является создание давления прижима, в результате которого поверхности сближаются на расстояние, при котором возникает межмолеку ярнс >е взаимодействие. В зоне сварки происходят процессы течения расплава полимера, обеспечивающие компенсацию неровностей и заполнение промежутков между соединяемыми поверхностями Реологические процессы подготавливают возможностьпротекания диффузии и образован ия качественного сварного шва. Величина давления прижима зави< :ит от вя? ко< ти расплава полимера и температуры его размягчения. Чем выше вязкость расплава, тем больше давление прижима. Создаваемое при этом контактное давление оказывает существенное влияние на прочность сварных швов, особенно при пониженных температурах и небольшой продолжителы юсти нагрева.
По бязкости расплавов соединяемые поверхности должны быть достаточно близкими Материалы с различной вязкостью распл< Lbob Не могут образовать прочное соединение: более вязкий материал не диффу] 1дирует в менее вязкий, а выдавливает его из сварного шва. Поэтому особое значение имеет равномерность разогрева соединяемых поверхностей.
Для обеспечения процесса диффузии прижим сопрягаемых поверхностей должен поддерживаться в течение некоторого времени. С увеличением продолжительности прижима прочность аутогези — онного взаимодействия возрастает, стремясь к определенному пределу— когезионной прочности материала. Прод< >лжительность процесса сварки T связана с температурой сварки Т экспоненциаль-
СВ л. J Ж. д. се
Ной зависимостью
RlJ 4
Диф
(4.1) |
TCB = t0 Exp |
V ЯГсв J
Где T0 — константа имеющая размерност ь времени; — энергия активации диффузии макромолекул, R — универса льная газовая постоянная.
Величина Um ^ ПЭНП составляет 21 кДж/моль (5 ккал/м< >ль), для 11ВХ с различным содержанием пластификатора — от 38 до 51 кДж/моль (9—15 ккал/моль).
Термическое воздействие на полимерный материал приводит к изменениям в его молекулярной и надмолекулярной структуре Под действием повьп пенных температур при сварке протекают процессы деструкции, структурирования, окисления. При этом выделяются летучие пр< >дукп ы, в большинстве случаев являющиеся токси чны — ми. Кроме того, в материале интенсивно развиваются релаксационные процессы, в результате которых ориентированные материалы разориен тируются
По поведению материала при сваркеР объясняемом1/ реологическими характеристиками, полимеры принято разделять на три группы.
Первая группа —хорошо свариваемые термопласты. Их энергия активации вязкого течения не превышает 150 кДж/моль, температурный интервал вязкогекучего состояния составляет более 50 °С, вязкость расплава находится в интервале 102— 105Па-с.
К ним относятся прежде всего полиолефины, которые при нагреве легко переходят в вязкотокучее состояние. Существенное различие между Г и температурой деструкции позволяет широко варьировать режимы сварки
Вторая группа — сложно свариваемые материалы, для которых требуется подбор оптима ьных способов и технологических приемов. Это термопласты с высокой энергией активации вязкого течения, с узким интервалом между Г и температурой деструкции и с высокой вязкостью расплава — более 105 Па-с. При Тп имеют место разори — ентация и уменьшение степени кристалличности полимеров в сварном шве и околошовной области, что приводит к существенному снижению прочности шва К этой группе относятся ПВХ, ПК. двухосно — ориептированные пленки из ПЭТ Ф, ПП и ПА.
Третья группа — плохо свариваемый материалы Их энергия активации вязкого течения превышает энергию активации разрыва химических связей, а вязкость расплава очень велика — более 1011 — 1012 Па с Процесс сварки требует длительного контакта соединяе — М1 .IX поверхностей при максимальных давлениях, соответствующих пределу вынужденной эластичности. Примером такою материала является фторопласт — 4
В основу классификации методов сварки положены источники и методы нагрева материала в сварочной зоне. В зависимости от источников нагрева с:посоГ>ы сварки разделяют на две основные группы (табл. 4.1)
Таблица 4.1
Способы сварки пластмасс
Источник нагрева |
Метод нагрева |
Способ свар ки |
|
Внешний источник нагрева |
Нагрев газом |
С присадочным материалом |
Газовая сварка |
Без присадочного материала |
|||
Нагретым инструментом |
Контактно-тепловая сварка |
||
Нагретым присадочным материалом |
|||
Преобразование Энергии |
Инфракрасное излучение Ток и высокой част< п ы Ультразвуковые колебания Трение |
Сварка в ТВЧ Ультразвуковая Сварка Сварка трением |
К первой группе относятся способы сварки, в которых используется энергия внешних источников те] 1ла. Это способы газовой сварки с присадочным материалом и без него, когда нагрев о< утцествля — ется горячим газом Сюда относится и к<штактно-тетсло вая сварка, в которой тепло к соединяемым поверхностям передается путем непосредственного контакта с нагретым инструментом В эту группу входит и сварка нагретым присадочным материалом.
Ко второй группе относятся способы сварки, в которых теплота генерируется внут ри соединяемых материалов в результате преобразования различных видов энергии. Может использоваться энергия инфракрасного излучения, токов высокой частоты, ультразвукоВых колебаний, трения
Особую группу составляют специальные способы сварки — с применением флюса, ядерная химическая, лазерная Из первой группы в производстве мягкой Tai >ы наиб< >лынее применение нашел способ контактно-тепловой сварки
Широко распространена и классификация методов сварки пластмасс по виду энерги! т подводимой к свариваемым деталям 11ракти чески все известные в настоящее время процессы сварки термопластов осуществляются за счет подвода одного из трех видов энергии: тепловой, механической и электромагнитной (рис. 4.40).
Сварка термопластов
ТЪпловая |
Меха: ь тческат |
Электромагнитная
Термическая ТЪрмомеханичсская
З |
Рис. 4 40 Классификация способов сварки термопластов
В свою очередь, способы сварки с подводом тепловой энергии разделяют на термические и термомеханические.
К термическим относят виды сварки, при которых статическое давление не йграсСт существенной роли в образовании сварного соединения Качество сварного соединения в этом случа е определяется исклк >чительно количеством подводимой тепловой энергии. Примером служат сварка газовым теплоносителем и сварка экгтрудиру — емой присадкой.
К термомеханическим относят виды сва{ >ки, при которы х неразъ емное соединение образуется вследствие подвода тепловой энергии и приложения статического давлен ия П} ж термомеханическ их видах сварки тепловая энергия может подводитг>ся к границе раздела свариваемых поверхностей за счет теплопроводности свариваемых деталей (контактно-тепловая сварка проплавленном) либо за счет тепло передачи от источника теплоты к свариваемым поверхностям (контактно-тепловая сварка оплавлением). При механических видах сварки тепловая энергия генерируется внутри свариваемых деталей за счет превращения подведенной механической энергии в тепловую. Подведенная механическая энергия может быть следующих видов:
• энергия упругих колебании (ультразвуковая сварка) ;
• энергия трения или вибротрения (сварка трением).
При подводе электромагнитной энергии к свариваемым деталям тепловая энергия также генерируется в них либо за счет способности звеньев макромолекул полимеров поляризоваться при наложении внешнего электрического поля (сварка токами высокой частоты) , либо за счет поглощения энергии электромагниты ых колебаний (сварка инфракрасным излучением, сварка лазером).
Производство тары из полимерных пленок и листов29 ноября, 2012