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 взаимной диффузии макро­молекул контактирующих материалов, находящихся в вязкоте — кучем состоянии (диффузионная сварка), или в результате хими­ческой реакции присоединения, происходящей между звеньями молекул соединяемых поверхностей (химическая сварка).

Диффузионную сварку разделяют на тепловую, осуществля­емую путем нагревания, и на сварку с помощью растворителя.

Процесс диффузии зависит от физического состояния поли­меров. В твердом стеклообразном состоянии даже при дли­тельном времени контакта и значительных усилиях сжатия сопрягаемых поверхностей взаимной диффузии макромолекул не происходит, материалы не соединяются. В высокоэласти­ческом состоянии при температурах выше Тс возникает аутоге — зионное взаимодействие полимерных цепей, главным образом их окончаний и боковых ответвлений (44). Граница раздела между сопрягаемыми поверхностями может не исчезать, а прочность такого аутогезионного взаимодействия незначи­тельна. В вязкотекучем состоянии (или набухшем от раствори­теля) макромолекулы приобретают способность свободно пере­мещаться в пограничных слоях и диффундировать в такой же вязкотекучий материал. Степень и скорость диффузии опреде­ляются силой межмолекулярного взаимодействия, совмещае — мостью полимеров и условиями протекания процесса. Граница раздела между поверхностями исчезает, а прочность аутогези­онного соединения полимеров одинаковой природы прибли­жается к когезионной прочности материалов. Таким образом, температура сварки должна быть выше Тпл для кристалличес­ких полимеров или Тт аморфных полимеров, но ниже темпера­тур их деструкции. При кратковременной сварке продолжи­тельностью 0,05-0,2 с температура может превышать темпера­туру деструкции [16].

Другим условием осуществления процесса сварки является создание давления прижима, в результате которого поверхно­сти сближаются на расстояние, при котором возникает меж­молекулярное взаимодействие. В зоне сварки происходят про­цессы течения расплава полимера, обеспечивающие компен­сацию неровностей и заполнение промежутков между соеди­
няемыми поверхностями. Реологические процессы подготав­ливают возможность протекания диффузии и образования ка­чественного сварного шва. Величина давления прижима зави­сит от вязкости 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 продолжи­тельности нагрева.

По вязкости расплавов соединяемые поверхности должны быть достаточно близкими. Материалы с различной вязко­стью расплавов не могут образовать прочного соединения: бо­лее вязкий материал не диффундирует в менее вязкий, а вы­давливает его из сварного шва [3]. 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 аутогезионного взаимодействия возрастает, стремясь к определенному пределу — когезионной прочности материала. Продолжительность процесса сварки тсв связана с температу­рой сварки Тсв экспоненциальной зависимостью

/ г т

Тсв = Т0 ехР

(5.1)

Где т0 — константа, имеющая размерность времени; 1УДИф — энергия активации диффузии макромолекул; R — универсаль­ная газовая постоянная.

Величина Ц^ф ПЭНП составляет 21 кДж/моль (5 ккал/моль), для ПВХ с различным содержанием пластификатора — от 38 до 51 кДж/моль (9-15 ккал/моль) [48, Т. 3].

Термическое воздействие на полимерный материал приво­дит к изменениям в его молекулярной и надмолекулярной структуре. Под действием повышенных температур при сварке протекают процессы деструкции, структурирования, окисле­ния. При этом выделяются летучие продукты, в большинстве случаев являющиеся токсичными. Кроме того, в материале ин­
тенсивно развиваются релаксационные процессы, в результате которых ориентированные материалы разориентируются.

По поведению материала при сварке, объясняемому реоло­гическими характеристиками, полимеры принято разделять на три группы [16, 17].

Первая группа — хорошо свариваемые термопласты. Их энер­гия активации вязкого течения не превышает 150 кДж/моль, температурный интервал вязкотекучего состояния составляет бо­лее 50°, вязкость расплава находится в интервале 102—105 Па • с. К ним относятся прежде всего полиолефины, которые при нагре­ве легко переходят в вязкотекучее состояние. Существенное раз­личие между Тт и температурой деструкции позволяет широко варьировать режимы сварки.

Вторая группа — сложно свариваемые материалы, для ко­торых требуется подбор оптимальных способов и технологичес­ких приемов. Это термопласты с высокой энергией активации вязкого течения, с узким интервалом между Тт и температурой деструкции и с высокой вязкостью расплава — более 105 Па • с. При Tn^, имеют место разориентация 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-ориентиро — ванные пленки из ПЭТФ, ПП и ПА.

Третья группа — плохо свариваемые материалы. Их энергия активации вязкого течения превышает энергию активации разрыва химических связей, а вязкость расплава очень вели­ка— более 101 1-1012 Па • с. Процесс сварки требует длительно­го контакта соединяемых поверхностей при максимальных давлениях, соответствующих пределу вынужденной эластич­ности. Примером такого материала является фторопласт-4.

5.2.1. Основные методы сварки

В основу классификации методов сварки положены источ­ники и методы нагрева материала в сварочной зоне [3, 16, 40]. В зависимости от источников нагрева способы сварки разде­ляют на две основные группы (табл. 5.1).

Таблица 5.1

Способы сварки пластмасс

К первой группе относятся способы сварки, в которых ис­пользуется энергия внешних источников тепла. Это способы газовой сварки с присадочным материалом и без него, когда нагрев осуществляется горячим газом. Сюда относятся и кон­тактно-тепловая сварка, в которой тепло к соединяемым по­верхностям передается путем непосредственного контакта с нагретым инструментом. В эту группу входит и сварка за счет тепла от нагретого присадочного материала.

Ко второй группе относятся способы сварки, в которых теп­лота генерируется внутри 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 тары наибольшее применение нашел способ контактно-тепловой сварки.

Широко распространена и классификация методов сварки пластмасс по виду энергии, подводимой к свариваемым дета­лям [33]. Практически все известные в настоящее время про­цессы сварки термопластов осуществляются за счет подвода одного из трех видов энергии: тепловой, механической и элек­тромагнитной (рис. 5.18).

Сварка термопластов

Электромагнитная

ТЬрмическая Термомеханическая

Рис. 5.18. 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 играет существенной роли в образовании сварного соединения. Качество сварного соединения в этом случае определяется исключительно количеством подводимой тепловой энергии. Примером служат сварка газовым теплоно­сителем и сварка экструдируемой присадкой.

К термомеханическим относят виды сварки, при которых неразъемное соединение образуется вследствие подвода теп­ловой энергии и приложения статического давления. При тер­момеханических видах сварки тепловая энергия может подво­диться к границе раздела свариваемых поверхностей за счет теплопроводности свариваемых деталей (контактно-тепловая сварка проплавлением) либо за счет теплопередачи 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 колебаний (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 электро­магнитных колебаний (сварка инфракрасным излучением, сварка лазером).

ТАРА И ЕЕ ПРОИЗВОДСТВО

Типы сварных соединений и швов

Основными типами сварных соединений полимерных пленочных материалов являются стыковое, нахлесточное, Т-образное и угловое. Помимо геометрической характерис­тики способа сопряжения поверхностей тип сварного соеди­нения характеризует и форма кромок соединяемых деталей. Кромки могут быть прямыми, с односторонним или двусто­ронним скосом. Сварные швы характеризуют способом выполнения сварки, технологическими и конструктивными особенностями: одно­сторонняя или двусторонняя сварка, наличие одной или двух […]

ТАРА И ЕЕ ПРОИЗВОДСТВО

Ефремовы. Ф. Двадцатый век характерен бурным развитием науки и тех­ники. Как следствие, во многих отраслях промышленности пе­риодически возникают новые профессии, о которых раньше было трудно даже предполагать. По уровню производства ко­нец XX столетия несопоставим с началом и даже с серединой столетия. Поэтому совершенно естественным являются требо­вания к подготовке инженеров новых специальностей. По сво­ей сути инженеры […]

Биговка

Биговкой называют предварительное нанесение на мате­риал линий сгибов (бигов) в виде выдавленных канавок опре­деленного профиля. Биговка предназначена для снижения жесткости листовых заготовок по линии сгиба. Она значительно облегчает условия образования сгибов и является эффективным средством повы­шения качества складных коробок, особенно в условиях авто­матизированной сборки. Биговка представляет собой процесс местной вытяжки ма­териала и осуществляется по следующей […]