Сварка полуфабрикатов из пластика

Введение

Сварка полуфабрикатов из пластмасс

Пластиковая сварка – это сварка полуфабрикатов из пластмасс, которая в ISO 472 определяется как процесс соединения размягченных поверхностей материалов, как правило, с использованием тепла (за исключением сварки растворителями). Сварка термопластов происходит в три последовательных этапа: подготовка поверхности, приложение тепла и давления, и охлаждение. Разработано множество методов сварки для соединения полуфабрикатов из пластмасс. В зависимости от механизма генерации тепла в зоне сварки, методы сварки термопластов можно классифицировать на методы внешнего и внутреннего нагрева, как показано на рисунке 1. Качество сварного соединения зависит не только от выбранного метода сварки, но и от свариваемости исходных материалов. Поэтому оценка свариваемости имеет большее значение, чем сама операция сварки (см. реологическую свариваемость) для пластмасс.

Горячая газовая сварка

Горячая газовая сварка, также известная как горячевоздушная сварка, — это технология сварки пластмасс с использованием тепла. Специально разработанный тепловой пистолет, называемый горячим воздуходувом, создает струю горячего воздуха, которая размягчает как соединяемые детали, так и пластиковый пруток для заполнения, причем все они должны быть изготовлены из одного и того же или очень похожего пластика. (Сварка ПВХ с акрилом является исключением из этого правила.) Горячевоздушная/газовая сварка — распространенный метод изготовления небольших изделий, таких как химические резервуары, резервуары для воды, теплообменники и фитинги для трубопроводов. В случае с тканями и пленками пруток для заполнения может не использоваться. Два листа пластика нагреваются горячим газом (или нагревательным элементом), а затем скатываются вместе. Это быстрый процесс сварки, который можно выполнять непрерывно.

Сварная стержня

Пластиковый сварной пруток, также известный как термопластиковый сварной пруток, представляет собой пруток с круглым или треугольным сечением, используемый для соединения двух деталей из пластика. Они доступны в широком диапазоне цветов для соответствия цвету основного материала. Сварной пруток, намотанный на катушку, известен как "сплайн". Важным аспектом при проектировании и изготовлении пластиковых сварных прутков является пористость материала. Высокая пористость приводит к образованию воздушных пузырей (известных как поры) в прутках, что снижает качество сварного шва. Поэтому наилучшее качество достигается у пластиковых сварных прутков с нулевой пористостью, которые называются непористыми.

Тепловая герметика

Тепловая герметизация – это процесс соединения двух термопластиков, схожих по своим свойствам, посредством нагрева и давления. Метод тепловой герметизации с прямым контактом использует постоянно нагреваемый штамп или нагревательный брус для передачи тепла на конкретную область или траекторию контакта, обеспечивая герметизацию или сварку термопластиков. Существует широкий спектр оборудования для тепловой герметизации, предназначенного для соединения термопластичных материалов, таких как пластиковые пленки: герметизаторы с постоянным нагревом, импульсные герметизаторы и другие. Тепловая герметизация применяется в различных областях, включая изготовление тепловых соединителей, термоактивируемых клеев и герметизацию пленок и фольги. Типичные области применения процесса тепловой герметизации: тепловые соединители используются для соединения ЖК-дисплеев с печатными платами во многих потребительских электронных устройствах, а также в медицинской и телекоммуникационной аппаратуре. Тепловая герметизация изделий с использованием термоклея применяется для крепления прозрачных экранов к потребительской электронике, а также для герметизации других термопластичных узлов и устройств, где термоформование или ультразвуковая сварка невозможны из-за конструктивных особенностей деталей или других требований к сборке. Тепловая герметизация также используется в производстве пленок для анализа крови и фильтрующих материалов для крови, вирусов и многих других диагностических тест-полосок, применяемых в медицине. Ламинированные фольги и пленки часто подвергаются тепловой герметизации поверх термопластичных медицинских лотков, микротитровых (микролуночных) пластин, бутылок и контейнеров для обеспечения герметичности и/или предотвращения загрязнения медицинских диагностических приборов, лотков для сбора образцов и контейнеров, используемых для пищевых продуктов. В медицинской и пищевой промышленности тепловая герметизация применяется для сварки по периметру пластикового материала мешков и/или для герметизации портов и трубок в мешках и гибких контейнерах.

Свободная сварка

При свободной сварке струя горячего воздуха (или инертного газа) от сварочного аппарата направляется одновременно на область сварки и на кончик присадочной проволоки. По мере размягчения проволока вдавливается в соединение и сплавляется с деталями. Этот процесс медленнее большинства других, но может применяться практически в любой ситуации.

Скоростная сварка

При скоростной сварке пластиковый сварочный аппарат, по внешнему виду и мощности схожий с паяльником, оснащается подающей трубкой для пластикового сварочного прутка. Скоростной наконечник нагревает пруток и основной материал, одновременно прижимая расплавленный пруток в нужное положение. В соединение наносится валик размягченного пластика, и детали с прутком сплавляются. Для некоторых видов пластика, таких как полипропилен, расплавленный сварочный пруток необходимо "перемешивать" с полурасплавленным основным материалом при изготовлении или ремонте. Эти методы сварки совершенствовались с течением времени и используются более 50 лет профессиональными производителями и ремонтниками пластиковых изделий по всему миру. Метод сварки скоростным наконечником значительно быстрее, и при достаточной практике его можно применять в труднодоступных углах. Одна из модификаций "пистолета" для скоростной сварки представляет собой, по сути, паяльник с широким плоским наконечником, который используется для расплавления сварного шва и присадочного материала для создания прочной связи.

Экструзионная сварка

Экструзионная сварка позволяет наносить более крупные швы за один проход. Это предпочтительная техника для соединения материалов толщиной более 6 мм. Сварочный пруток подается в миниатюрный ручной пластиковый экструдер, пластифицируется и выдавливается из экструдера на соединяемые детали, которые предварительно размягчаются струей горячего воздуха для обеспечения адгезии.

Контактная сварка

Это аналогично точечной сварке, за исключением того, что тепло передается за счет теплопроводности захватов, а не электрической проводимости. Две пластиковые детали соединяются вместе, при этом нагретые захваты прижимают их, расплавляя и сплавляя в процессе соединения.

Заварка горячей пластины

В отношении контактной сварки, эта технология применяется для сварки более крупных деталей или деталей со сложной геометрией сварного шва. Свариваемые детали помещаются в оснастку, закрепленную на противоположных плитах пресса. Горячая плита, форма которой соответствует геометрии сварного шва соединяемых деталей, устанавливается между ними. Противоположные плиты пресса прижимают детали к горячей плите до тех пор, пока тепло не размягчит поверхности до температуры плавления пластика. После достижения этого состояния горячая плита убирается, а детали сжимаются и удерживаются вместе до полного остывания и затвердевания сварного шва, образуя прочное соединение. Оборудование для сварки горячей плитой обычно управляется пневматически, гидравлически или электрически с использованием сервоприводов. Этот процесс используется для сварки компонентов под капотом автомобилей, элементов внутренней отделки автомобилей, медицинских фильтров, компонентов бытовой техники и других деталей интерьера автомобилей.

Бесконтактная / ИК сварка

Подобно сварке на горячей плите, бесконтактная сварка использует инфракрасный источник тепла для расплавления поверхности сварки вместо горячей плиты. Этот метод позволяет избежать прилипания материала к плите, но он дороже и сложнее в плане обеспечения стабильного качества сварки, особенно для деталей сложной геометрической формы.

Высокочастотная сварка

Высокочастотная сварка, также известная как диэлектрическое запаивание или радиочастотное (RF) тепловое запаивание, – это хорошо отработанная технология, существующая с 1940-х годов. Высокочастотные электромагнитные волны в диапазоне радиочастот способны нагревать определенные полимеры до размягчения пластика для соединения. Нагретый пластик под давлением сваривается. Тепло генерируется внутри полимера за счет быстрой переориентации некоторых химических диполей полимера, что обеспечивает локализованный нагрев и возможность непрерывного процесса. Нагреваться радиочастотными волнами могут только определенные полимеры, содержащие диполи, особенно полимеры с высокими потерями мощности. К ним относятся ПВХ, полиамиды (ПА) и ацетаты, которые обычно свариваются с использованием этой технологии. На практике два куска материала помещаются на столовый пресс, который оказывает давление на обе поверхности. Для направления процесса сварки используются формы (или штампы). При смыкании пресса высокочастотные волны (обычно 27,120 МГц) проходят через небольшую область между формой и столом, где происходит сварка. Эта высокая частота (радиочастота) нагревает пластик, который сваривается под давлением, принимая форму формы. RF-сварка быстрая и относительно простая в выполнении, обеспечивает ограниченную деградацию полимера даже при сварке толстых слоев, не выделяет вредных паров, требует умеренного количества энергии и позволяет создавать герметичные сварные швы, непроницаемые для воды, воздуха и бактерий. Параметры сварки включают мощность сварки, время (нагрева и охлаждения) и давление, при этом температура обычно не контролируется напрямую. Для решения некоторых проблем со сваркой могут использоваться вспомогательные материалы. Этот тип сварки используется для соединения полимерных пленок в различных отраслях промышленности, где требуется прочное и надежное герметичное соединение. В текстильной промышленности RF чаще всего используется для сварки тканей с покрытием из ПВХ и полиуретана (ПУ). Другие материалы, обычно свариваемые с использованием этой технологии, включают нейлон, ПЭТ, ПЭВА, ЕВА и некоторые виды АБС-пластика. Соблюдайте осторожность при сварке полиуретана, так как известно, что при плавлении он выделяет токсичные газы цианида.

Индукционная сварка

Когда электрический изолятор, например пластик, содержит внедренный материал с высокой электропроводностью, такой как металлы или углеродные волокна, можно проводить индукционную сварку. Аппарат для индукционной сварки содержит индукционную катушку, которая питается радиочастотным электрическим током. Это создает электромагнитное поле, которое воздействует на электрически проводящую или ферромагнитную заготовку. В электрически проводящей заготовке основной эффект нагрева – резистивный нагрев, возникающий из-за индуцированных токов, называемых токами Фуко. Индукционная сварка термопластичных материалов, армированных углеродным волокном, – это технология, широко используемая, например, в аэрокосмической промышленности. В ферромагнитной заготовке пластики можно сваривать индукционным способом, вводя в их состав металлические или ферромагнитные соединения, называемые поглотителями. Эти поглотители поглощают электромагнитную энергию от индукционной катушки, нагреваются и передают тепловую энергию окружающему материалу посредством теплопроводности.

Сварка инъекционной

Сварка впрыском аналогична экструзионной сварке, за исключением того, что с помощью специальных наконечников на ручном сварочном аппарате можно вставить наконечник в дефектные отверстия в пластике различных размеров и заделать их изнутри. Преимущество заключается в том, что не требуется доступ к обратной стороне отверстия. Альтернативой является накладка, однако её невозможно отшлифовать заподлицо с исходным пластиком до достижения той же толщины. Полиэтилен и полипропилен наиболее подходят для этого метода. Drader injectiweld – пример такого инструмента.

Ультразвуковая сварка

При ультразвуковой сварке высокочастотные (15 кГц - 40 кГц) вибрации малой амплитуды используются для создания тепла за счет трения между свариваемыми материалами. Поверхность контакта деталей специально спроектирована для концентрации энергии и достижения максимальной прочности сварного соединения. Ультразвуковая сварка применима практически ко всем пластикам. Это самая быстрая технология термосварки, доступная на сегодняшний день.

Сварка трением

При фрикционной сварке две соединяемые детали трутся друг о друга с более низкой частотой (обычно 100–300 Гц) и большей амплитудой, чем при ультразвуковой сварке. Трение, возникающее в результате этого движения в сочетании с прижимным давлением между деталями, создает тепло, которое начинает расплавлять контактные поверхности. В этот момент пластифицированные материалы начинают формировать слои, которые переплетаются друг с другом, что обеспечивает прочное соединение. По завершении вибрации детали удерживаются вместе до тех пор, пока сварное соединение не остынет и расплавленный пластик не затвердеет. Движение трения может быть линейным или орбитальным, и конструкция соединяемых деталей должна обеспечивать возможность такого движения.

Сварка спинной

Спин-сварка является разновидностью сварки трением. В этом процессе один компонент с круглым сварным соединением удерживается неподвижно, а сопрягаемый компонент вращается на высокой скорости и прижимается к неподвижному компоненту. Трение между двумя компонентами генерирует тепло. Когда соединяемые поверхности достигают полурасплавленного состояния, вращающийся компонент резко останавливается. Давление на оба компонента поддерживается до полного охлаждения и затвердевания сварного соединения. Этот метод широко используется для производства пластиковых колес малой и средней нагрузки, например, для игрушек, тележек для покупок, мусорных контейнеров и т.п. Также этот процесс применяется для сварки различных патрубков в компоненты автомобильного моторного отсека.

Прозрачная лазерная сварка пластмассы

Новая технология волоконных лазеров позволяет генерировать лазерное излучение с большей длиной волны, при этом наилучшие результаты достигаются обычно около 2000 нм, что значительно превышает типичные 808–1064 нм для диодных лазеров, используемых в традиционной лазерной сварке пластика. Поскольку термопластики более эффективно поглощают эти более длинные волны, чем инфракрасное излучение при традиционной сварке пластика, становится возможной сварка двух прозрачных полимеров без использования красителей или поглощающих добавок. Основные области применения – это, прежде всего, медицинская промышленность, в частности, для производства катетеров и микрофлюидных устройств. Широкое использование прозрачных пластиков, особенно гибких полимеров, таких как TPU, TPE и ПВХ, в производстве медицинских изделий делает прозрачную лазерную сварку оптимальным решением. Кроме того, процесс не требует добавления поглощающих лазерное излучение веществ или красителей, что значительно упрощает тестирование и соответствие требованиям биосовместимости.

Сварка растворителем

При сварке растворителем используется растворитель, способный временно растворять полимер при комнатной температуре. В этом случае полимерные цепи получают свободу перемещения в жидкости и смешиваются с другими подобными растворенными цепями в соединяемой детали. Со временем растворитель проникает сквозь полимер и испаряется в окружающую среду, в результате чего цепи теряют подвижность. Это приводит к образованию твердой массы переплетенных полимерных цепей, составляющих сварное соединение, полученное методом сварки растворителем. Этот метод широко применяется для соединения труб из ПВХ и АБС, например, в системах бытовой сантехники. "Склеивание" пластиковых моделей (из поликарбоната, полистирола или АБС) также является процессом сварки растворителем. Дихлорметан (метиленхлорид) может осуществлять сварку растворителем поликарбоната и полиметилметакрилата, являясь основным компонентом некоторых растворных цементов. Пластик АБС обычно сваривается растворителями на основе ацетона, которые часто продаются как разбавители красок или в небольших объемах как средство для снятия лака. Сварка растворителем – распространенный метод в производстве изделий из пластмасс, используемый производителями витрин, держателей брошюр, презентационных кейсов и защитных чехлов. Еще одно популярное применение растворителей в хобби-сегменте – сборка моделей из наборов, отлитых литьем под давлением, для создания масштабных моделей самолетов, кораблей и автомобилей, в которых преимущественно используется полистирол.

Испытание пластиковых сварных швов

Для испытания пластиковых сварных соединений существуют определенные требования как к инспектору, так и к методу испытаний. Помимо этого, существует два основных типа контроля качества сварных швов: разрушающий и неразрушающий. Разрушающий контроль предназначен для подтверждения характеристик и количественной оценки сварного соединения, а неразрушающий – для выявления дефектов, неоднородностей, трещин и/или поверхностных дефектов. Как следует из названий, разрушающий контроль приводит к повреждению или уничтожению испытываемой детали, в то время как неразрушающий контроль позволяет использовать деталь после испытания. Для каждого из этих типов контроля существует несколько различных методов. В данном разделе рассматриваются некоторые требования к испытанию пластиковых сварных соединений, а также различные методы разрушающего и неразрушающего контроля, применимые к сварке пластиков, и их преимущества и недостатки.

Требования к испытаниям

Некоторые стандарты, такие как Американское общество сварки (AWS), требуют, чтобы лица, проводящие инспекцию или испытание, имели определенный уровень квалификации. Например, AWS G1.6 – это спецификация для квалификации инспекторов по сварке пластмасс при сварке горячим газом, горячеэкструзионной сварке и сварке встык термопластов нагретым инструментом. Этот стандарт определяет, что для инспекции пластиковых сварных соединений инспектор должен иметь один из трех уровней квалификации: помощник инспектора по сварке пластмасс (APWI), инспектор по сварке пластмасс (PWI) и старший инспектор по сварке пластмасс (SPWI). Каждый из этих уровней предполагает различные обязанности. Например, APWI должен находиться под непосредственным руководством инспектора PWI или SPWI для проведения инспекции или подготовки отчета. Эти три уровня сертификации также имеют различные требования к компетенции, образованию и экзаменам. Кроме того, они должны подтверждать свою квалификацию каждые 3 года.

Испытание на натяжке

При проведении испытания на растяжение образец растягивают до разрушения. Это количественное испытание, которое позволяет определить предел прочности на растяжение, деформацию, а также энергию разрушения, если к образцу прикреплены экстензометры. Результаты испытания на растяжение нельзя напрямую переносить на результаты испытания на ползучесть. Скорость растяжения образца зависит от материала, а также критически важна его форма. Преимущество этого испытания заключается в получении количественных данных о долгосрочной прочности сварного соединения, однако оно имеет и недостатки. Подготовка образцов и документирование источника образца и метода его извлечения требуют значительных усилий. Это критически важно, поскольку способ извлечения образца из детали может существенно повлиять на результаты испытания. Также необходим строгий контроль параметров испытательной среды. Отклонение температуры среды может значительно изменить время до разрушения при ползучести. В некоторых случаях изменение температуры всего на 1 градус Цельсия приводило к изменению времени до разрушения при ползучести на 13%. Визуальный контроль имеет ряд преимуществ: он быстрый, простой, недорогой и требует минимального набора инструментов и измерительных приборов. Благодаря своей скорости, обычно требуется провести визуальный контроль сварного шва перед выполнением любых дополнительных неразрушающих методов контроля. В то же время, осмотр должен выполняться квалифицированным специалистом с большим опытом. Кроме того, данный метод не предоставляет информации о качестве сварного шва. Благодаря низкой стоимости, при подозрении на дефекты детали, можно провести дополнительные испытания без значительных первоначальных вложений.

Рентгеновское исследование

Рентгеновский контроль пластмасс аналогичен контролю металлических сварных соединений, но использует значительно меньшую интенсивность излучения из-за более низкой плотности пластмасс по сравнению с металлами. Рентгеновский контроль применяется для выявления дефектов, расположенных под поверхностью. К таким дефектам относятся пористость, твердые включения, поры, трещины и т.д. Рентгеновское излучение проходит через контролируемый объект и попадает на пленку или камеру, формируя изображение. Различные плотности объекта отображаются на изображении в виде различных оттенков, что позволяет определить местоположение дефектов. Одним из преимуществ рентгеновского контроля является возможность быстрого выявления дефектов как на поверхности, так и внутри сварного соединения. Кроме того, рентгеновский контроль может применяться к широкому спектру материалов и позволяет создавать записи для последующего анализа. К недостаткам рентгеновского контроля относится его высокая стоимость и трудоемкость. Также он не подходит для оценки качества сварного шва или оптимизации технологических параметров. Кроме того, если дефект не расположен в плоскости луча излучения, его может быть сложно обнаружить. Еще одним недостатком является необходимость доступа к обеим сторонам контролируемого компонента. Наконец, рентгеновский контроль представляет опасность для здоровья из-за излучения, возникающего в процессе контроля.

Ультразвуковое тестирование

Ультразвуковой контроль использует высокочастотные звуковые волны, проходящие через сварной шов. Волны отражаются или преломляются при попадании на дефект. Отраженная или преломленная волна потребует иного времени для прохождения от передатчика к приемнику, чем если бы дефекта не было. По изменению этого времени и обнаруживаются дефекты. Первое преимущество ультразвукового контроля – относительно быстрое обнаружение дефектов внутри сварного соединения. Этот метод также позволяет выявлять дефекты, расположенные глубоко внутри детали. Кроме того, контроль может проводиться с доступом только с одной стороны изделия. Однако ультразвуковой контроль имеет и ряд недостатков. Во-первых, он не позволяет оптимизировать параметры процесса сварки или оценивать качество шва. Во-вторых, он дорогостоящий и требует больших трудозатрат. Также для проведения контроля необходимы опытные специалисты. Наконец, существуют ограничения по материалам, в частности, при работе с пластиками из-за ограничений в прохождении ультразвуковых волн через некоторые виды пластика. На рисунке 6 представлен пример ультразвукового контроля.

Испытание утечки высокого напряжения

Испытание высоким напряжением также известно как искровое испытание. Этот вид испытаний использует электропроводящую среду для нанесения покрытия на сварной шов. После нанесения покрытия шов подвергается воздействию высоковольтного зонда. Данный тест указывает на наличие дефекта в сварном шве, если через него наблюдается электрическая дуга. Преимуществом этого метода является быстрая детекция дефектов внутри сварного соединения и необходимость доступа только с одной стороны шва. Недостатком является невозможность оценки качества сварного шва в целом. Кроме того, сварной шов необходимо покрывать проводящим материалом.

Испытание герметичности

Испытание герметичности или испытание на утечку использует жидкость или газ для создания избыточного давления в детали. Этот тип испытаний обычно применяется к трубам, контейнерам и сосудам. Другой способ проверки герметичности таких конструкций – создание в них вакуума. Одним из преимуществ является то, что это быстрый и простой способ обнаружения дефектов сварки. Кроме того, его можно использовать для различных материалов и форм деталей. С другой стороны, у него есть и недостатки. Во-первых, он не позволяет оценить качество сварного шва. Во-вторых, существует риск взрыва при превышении допустимого давления в процессе испытания. И, наконец, он применим в основном к трубчатым конструкциям.