Суть методу

При зварюванні тертям механічна енергія деталей в зоні контакту перетворюється в теплову, в результаті чого термопласти в цій зоні нагріваються і переходять у в’язкотекучий стан, після чого деталі з’єднуються шляхом прикладення зусилля осадження. За цього частина розплаву виходить в грат.

Кількість теплоти, що виділяється між поверхнями, які труться, визначається потужністю тертя. Питома потужність визначається із рівняння:

де n – відносна швидкість обертання, об/сек; P – тиск, Н/м²;

f – коефіцієнт тертя; R – радіус поверхні тертя, м.

Особливостями зварювання тертям є: малий час зварювання, локальне виділення тепла, висока міцність зварного шва, можливість зварювання поверхонь без їхнього попереднього очищення, в тому числі поверхонь, що мають окисну плівку та різні окисні включення.

Для зварювання тертям використовуються такі пластмаси, у яких в'язкість розплавів знаходиться в широкому діапазоні температур, як наприклад поліетилени низької густини, поліаміди, полівінілхлорид і полістирол.

Залежно від умов нагрівання поверхонь зварювання пластмас тертям виконують за трьома схемами:

- обертанням зварюваних деталей або проміжного елементу – зварювання обертанням;

- вібрацією зварюваних деталей або проміжного елементу – зварювання вібротертям;

- обертально-вібраційним рухом зварюваних деталей або проміжного елементу.

На рис. 8.1 представлені різні схеми зварювання тертям обертання. На рис. 8.1, а одна з деталей закріплена нерухомо, а друга обертається. На спряжених торцевих поверхнях виникають сили тертя, що викликають інтенсивне нагрівання і оплавлення торців. При накопиченні в стику необхідної кількості розплаву обертання припиняють, і проводиться осадження до утворення зварного з'єднання.

Схема, при якій деталі обертаються в різні боки (рис. 8.1, б), не знайшла практичного використання через технічні складнощі. Довгі і громіздкі деталі, обертання і швидке гальмування яких є проблематичним, зварюють за допомогою третьої, проміжної деталі (вставки). Для цього деталі закріплюють нерухомо, а вставку обертають довкола загальної осі зварюваних деталей (рис.8.1, в). Після розігрівання кромок зварюваних деталей до в’язкотекучого стану вставка видаляється із стику, після чого виконується осадження деталей, або залишається в зварному шві після розплавлення і осадження [23].

1 – нерухома деталь; 2 – зварний шов; 3 – деталь, що обертається;

4 – вставка

Рисунок 8.1 – Схеми зварювання тертям з використанням обертання однієї деталі (а), обох деталей (б) і вставки (в)

Найбільше використання знайшла схема зварювання з обертанням однієї деталі. Перевага способу зварювання термопластів тертям полягає в тому, що при терті в місці контакту руйнуються всі поверхневі плівки, утворені до початку процесу зварювання. В процесі зварювання розплав захищений від впливу атмосфери, за рахунок чого в значній мірі виключаються процеси окислення макромолекул, що знаходяться в активованому стані.

Для здійснення з'єднання термопластів при зварюванні необхідно:

- підвищення активності макромолекул шарів деталей, що сполучаються, з метою переведення їх у в’язко текучий стан;

- видалення з поверхні адсорбованих речовин, забруднень і оксидних плівок з метою створення ювенільних поверхонь;

- створення фізичного контакту поверхонь, що сполучаються, до повного контакту по всій площині.

При зварюванні термопластів тертям перша умова виконується за рахунок перетворення механічної роботи тертя в теплову енергію. Друга умова реалізується при зношенні поверхонь в процесі тертя і видаленні із зони контакту зварюваних деталей забруднень радіальними силами. Третя умова виконується шляхом стискування деталей, що сполучаються, як в процесі нагрівання, так і при осадженні.

Зварювання тертям може застосовуватися практично для всіх термопластів: поліолефінів, поліамідів, поліметилметакрилату, полістиролу тощо. Зварювання тертям має ряд переваг: висока продуктивність, мале споживання енергії, висока та стабільна якість зварного з'єднання, можливість зварювання різнорідних пластмас, гігієнічність процесу, простота конструкцій устаткування, легкість механізації і автоматизації процесу.

Останнім часом знайшло використання зварювання вібротертям, особливо для з'єднання несиметричних деталей. При цьому деталям, що знаходяться в контакті під деяким тиском, додають зворотно-поступальний рух в площині стику, або довкола певно осі.

8.2 Технологія і параметри режиму зварювання.

Потужність тертя прямо пропорційна швидкості обертання, прикладеному тиску, коефіцієнту тертя і радіусу поверхонь, що труться. З цього виходить, що на стадії нагрівання і на стадії осідання основними технологічними параметрами режиму зварювання тертям є:

- частота обертання (n, об/с);

- зусилля стискування деталей в процесі тертя (тиск при нагріві - Р_Н, МПа);

- час тертя (час нагрівання до температури зварювання - t_Н, с);

- зусилля осадження, (Р_ОС, МПа).

Частота обертання і тиск при нагріванні взаємозв'язані і підбираються так, щоб за час нагрівання не відбулося перегріву і деструкції матеріалу в зоні зварювання. Зазвичай час нагрівання складає 3…25 с. Для кристалічних полімерів з вузьким температурним інтервалом в’язкотекучого стану він може бути зменшений до 0,5…1 с. При цьому швидкість обертання залежно від зварюваних матеріалів і геометрії деталей може змінюватися в широких межах: від 0,15 до 3 м/с.

Тиск на стадії осідання вибирають меншим, ніж при зварюванні нагрітим інструментом, оскільки забруднення і оксидні плівки при зварюванні тертям віддаляються із зварювальної зони ще на стадії нагрівання. Крім того, в цьому випадку виявляється більшою і глибина проплавлення. Зазвичай тиск осідання складає 0,07…1,4 МПа.

Оптимальні параметри режиму зварювання залежать від багатьох чинників навіть для одного і того ж матеріалу. Кращі механічні властивості шва досягаються при тривалішому нагріванні.

Міцність зварного з'єднання мало залежить від осьового тиску в діапазоні 0,1…0,6 МПа. При меншому тиску властивості з'єднання виявляються нестабільними, нижчої якості, але в той же час використання високого тиску також небажано. Високий тиск викликає витискування всього розплаву із зони стикання. Останнє приводить до того, що механічні властивості шва різко знижуються. Отже, осьовий тиск при зварюванні має бути оптимальним.

Найбільш типові циклограми зміни параметрів режиму зварювання тертям обертання показані на рис. 8.2. Для підвищення якості зварних з'єднань бажано застосовувати зварювальний цикл із змінним тиском (рис. 8.2, б). На стадії нагрівання він повинен складати 0,2…0,6 тиску на стадії осадження.

t_О – час відставання включення обертання; t_Н – час нагрівання; t_ОС – час осідання; t_СВ – час зварювання; Р_Н – зусилля стискування при нагріванні; Р_ОС – зусилля стискування при осіданні; n – частота обертання; Т_СВ – зварювальна температура; а – циклограма процесу зварювання тертям при постійному зусиллі стискування; б - циклограма процесу зварювання тертям при змінному зусиллі стискування

Рисунок 8.2 – Циклограми процесу зварювання тертям обертанням

При зварюванні кристалічних полімерів з вузьким інтервалом плавлення слід обмежити час гальмування шпинделя зварювальної установки після закінчення стадії нагрівання. Інакше обертання в процесі охолодження термопласту може призвести до зародження в зварювальній зоні надривів.

Велике значення при зварюванні тертям має геометрія стикованих поверхонь. Оскільки окружна швидкість точки поверхні що обертається залежить, від відстані її до центру обертання, то потужність тертя, а отже, і тепловиділення розподілені нерівномірно по поверхні тертя. Тому при зварюванні великих діаметрів суцільного перетину для забезпечення рівномірності розігрівання по перетину торці деталей повинні мати ухил 1-1,5 º або кривизну з опуклістю по осі. З цих же міркувань зварювання кільцевих стиків, як це має місце при зварюванні труб, більш доцільна, ніж зварювання суцільних поверхонь.

При зварюванні деталей невеликого перерізу з масивними виробами тепло, що виділяється в зоні тертя, відводиться в масивну деталь, що приводить до несиметричного розподілу температур. В цьому випадку рекомендується на масивній деталі виконувати перехідні виступи, відповідні за розмірами деталі меншого перерізу (рис. 8.3). Такий прийом використовують, наприклад, при з’єднанні труб і стрижнів з плитами та труб з фланцями. Довжина виступу складає 0,7…1,0 товщини стінки труби.

Рисунок 8.3 – Приклади підготовки до зварювання стиків різного перетину

При зварюванні труб часто застосовують фасонні оброблення стикованих поверхонь (рис. 8.4). Такі оброблення дозволяють збільшити площу контакту стикованих поверхонь. Крім того, забезпечується точніше центрування стику по всьому периметру що запобігає зсуву кромок.

а – «Шипом в паз»; б – уступом; в – «на вус»; г – V – образна

Рисунок 8.4 – Типи оброблення кромок при стиковому зварюванні труб обертанням

При конструюванні деталей, що підлягають зварюванню, необхідно передбачати в зоні зварюваних кромок спеціальні компенсаційні зазори і пази для витискування грату.

Тертям можна зварювати переважну більшість термопластів, що мають стабільну в'язкість в широкому інтервалі температур: поліолефіни, поліаміди, поліметилметакрилат, поліформальдегіди, полістирол, полікарбонати тощо.

Перед зварюванням тертям деталі з поліамідів і полікарбонатів необхідно підігріти. Цим полімерам властива підвищена гігроскопічність, вони поглинають вологу з повітря. Зварювання вологих деталей не дає високої міцності з'єднань.

Краще піддаються зварюванні тертям деталі з жорстких пластмас (модуль пружності більше103 МПа).

При зварюванні вібротертям основними параметрами режиму є амплітуда і частота коливань. Зазвичай використовуються низькочастотні коливання в діапазоні 50…400 Гц. Амплітуда при зворотно-поступальному коливальному русі в площині стику складає 1…4 мм, а кут повороту при коливаннях з поворотом довкола осі – соті долі радіану.

Відмінними рисами зварювання вібротертям є можливість зварювання несиметричних деталей і рівномірне тепловиділення по всій площині стику. Тривалість зварювання практично не залежить від товщини і розмірів зварюваних деталей і складає 6…10 с. Величина тиску складає 2…10 МПа; осідання 0,3…0,4 мм.

Зварюванням вібротертям з’єднують не тільки добре зварювані термопласти, але і фторлони, поліефірні еластомери і інші полімери, які не зварюються ультразвуком. Розміри деталей, що сполучаються, в плані складають від 30×30 до 300×300 мм. Спосіб знайшов широке використання при виготовленні резервуарів, водопровідної арматури, крильчаток насосів, тощо.

8.3 Устаткування для зварювання пластмас тертям і вібротертям

Зварювання тертям обертання здійснюють на різних металообробних верстатах (токарних, свердлувальних, фрезерних) і на спеціальних зварювальних машинах. Можуть використовуватися машини типу МСТ, призначені для зварювання тертям металевих деталей. Всі установки, що використовуються для зварювання тертям обертання, складаються з: приводу обертання; механізму для зупинки обертання виробу; механізму для створення осьового тиску; затискного пристосування; системи сприйняття осьового зусилля; апаратури керування.

Зупинка обертання шпинделя здійснюється фрикційно-гальмівним механізмом, в цьому випадку двигун працює безперервно. Затискні пристосування можуть бути різними. Так, верстати для малосерійного або одиничного виробництва забезпечені кулачковими патронами з ручним затискним механізмом або використовуються самозатискні цанги. Механізм для створення затискного зусилля виконується пружинним, пневматичним або гідравлічним. Осьове зусилля сприймається упорними або радіально-упорними підшипниками.

Основним елементом установок для зварювання вібротертям є вібратор, який приводиться в дію електродвигуном через кривошипної кулачковий або інші механізми.

Устаткування для зварювання деталей з термопластів тертям обертання можна підрозділити на устаткування, що має горизонтальну вісь обертання (наприклад, машини для зварювання трубопроводів) і вертикальну вісь обертання (наприклад, верстати для зварювання бутлів, тари для консервації, дрібних деталей).

Напівавтомати загального призначення типу МСТ мають горизонтальну вісь обертання зварюваних деталей. Прикладом може бути настільна малогабаритна установка, призначена для зварювання деталей діаметром до 70 мм, що складається з механізмів центрування зварюваних деталей відносно їх осей обертання, стискування при нагріванні і осадження після закінчення зварювання, електродвигуна, ремінного приводу. Всі ці вузли кріпляться в зварному металевому корпусі. Зварювані деталі закріплюються в стаканах, що передають їм крутячий момент.

Для забезпечення високої якості зварного з'єднання не можна допустити, щоб в процесі зварювання (осідання) відбувалося обертання однієї деталі відносно іншої. В даному випадку застосовують дві кінематичні схеми. Одна схема забезпечує гальмування патрона, що обертається, з деталлю після нагрівання (оплавлення) зварюваних поверхонь перед осадженням. За другою схемою гальмування після закінчення нагрівання відбувається за рахунок тертя однієї деталі відносно іншої, що знаходиться в нерухомому стані в процесі нагрівання. Під час осідання нерухома деталь спускається з гальма і починає обертатися із швидкістю першої деталі, тобто в стику не відбувається зсуву однієї деталі відносно іншої.

Якщо деталі, що сполучаються, мають інші форми, можна використати зварювання вібротертям, для виконання якої розроблений ряд схем. В основному це механічні системи, що забезпечують зворотно-поступальне або кутове переміщення однієї деталі відносно іншої. Тертя може здійснюватися також за допомогою електромагнітних або акустичних систем.

Амплітуда зсуву складає максимум 4…8 мм при частоті до 120 Гц, хоча є тенденція до підвищення частоти до 250…300 Гц і зменшенню амплітуди до 0,75…1,5 мм. Завдяки зменшенню амплітуди тепло, яке виділяється внаслідок тертя деталі об деталь, концентрується у вужчій зоні завдяки зменшенню площі ділянок нагрівання, що прискорює перехід термопласту у в’язкотекучий стан і дозволяє отримати зварне з'єднання з меншим допуском і кращим зовнішнім виглядом (менший грат, менший зсув кромок).

Контрольні запитання

8.1 В чому полягає принцип зварювання пластмас тертям?

8.2 Як визначити кількість теплоти, що виділяється між поверхнями, які труться?

8.3 Які пластмаси переважно зварюються тертям?

8.4 Які схеми зварювання пластмас тертям ви знаєте?

8.5 Опишіть стадійність зварювання пластмас тертям.

8.6 В чому суть процесу зварювання вібротертям?

8.7 Назвіть основні технологічні параметрами режиму зварювання тертям.

8.8 Як впливають розміри деталей на процес зварювання тертям?

8.9 Які типи оброблення кромок при стиковому зварюванні труб обертанням ви знаєте?

8.10 Які конструкції обладнання для зварювання тертям ви знаєте?

9 ХІМІЧНЕ ЗВАРЮВАННЯ

9.1 Суть процесу і сфера застосування

Хімічне зварювання засноване на утворенні хімічних зв'язків між полімерами, приведеними в контакт, в результаті взаємодії функціональних груп полімерів, або за допомогою присадкового матеріалу, введеного в зону шва. Хімічним зварюванням з’єднуються отверділі реактопласти, вулканізати (гуми), рідкосітчаті полімери, лінійні поліциклічні полімери, а також деякі термопласти з кристалічною і орієнтованою структурою, здатні з'єднуватися дифузійним зварюванням у випадках, коли необхідно попередити порушення структури матеріалу зварюваних деталей та шви яких повинні зберігати фізико-механічні властивості матеріалу.

Це тип зварювання, що об'єднує способи зварювання пластмас, при яких утворення зварного з'єднання відбувається в результаті утворення хімічних зв'язків між макромолекулами полімеру в зоні зварювання.

Суть процесів, що протікають при хімічному зварюванні, полягає у взаємному змочуванні поверхонь і в утворенні хімічних зв'язків між макромолекулами полімеру, що знаходяться на приведених в контакт поверхнях, які сполучаються. Міцність і інші характеристики зварного шва обумовлені не лише дією в зоні з'єднання сил міжмолекулярної взаємодії, як це має місце при дифузійно-реологічному зварюванні, але, головним чином, виникненням хімічних зв’язків.

Технологічний процес хімічного зварювання в загальному випадку, незалежно від типу полімерного матеріалу, включає наступні операції:

– підготовка (головним чином, очищення поверхонь, що сполучаються);

– нанесення присадного матеріалу (реагенту);

– приведення поверхонь, що сполучаються, в контакт;

– прогрівання або опромінення зони шва за умов, що забезпечують утворення хімічних зв'язків в зварюваних шарах.

На відміну від склеювання при хімічному зварюванні проміжні шари або присадні реагенти не утворюють самостійної безперервної фази, яка своїми властивостями істотно відрізняється від властивостей матеріалів, що сполучаються.

Можна виділити два різновиди хімічного зварювання:

– без присадкового матеріалу;

– із застосуванням присадкових матеріалів, які вводяться в зону контакту поверхонь, що сполучаються.

Зварювання без присадкового матеріалу здійснюється, як правило, нагріванням приведених в контакт зварюваних поверхонь. У хімічній структурі ланок, складових макромолекулярних ланцюгів термопластів, можуть опинитися функціональні групи, які порівняно легко вступають в хімічні реакції з функціональними групами контактуючого матеріалу. Таку реакційну здатність можна використовувати для створення високоміцного з'єднання.

Надійність такого способу зварювання, заснована не стільки на дифузії, скільки на хімічній реакції в пограничному шарі і залежить від багатьох чинників. Для здійснення хімічного зварювання необхідні - тісний контакт між поверхнями, що сполучаються, і хімічна реакція з'єднання, в яку залучаються функціональні групи ділянок макромолекул, розміщених на контактуючих поверхнях. Температура, при якій виконують хімічне зварювання, завжди нижча за температуру в'язкотекучого стану полімеру.

При хімічному зварюванні з присадковими матеріалами в якості останніх використовують різні реагенти. Це може бути розчин вихідного матеріалу з ініціатором реакції полімеризації, для деяких затверділих смол – тонкий шар затверджувача, інші хімічні сполуки, здатні ініціювати виникнення зв'язків між тими, поверхнями що контактують.

Існують два механізми дії цих реагентів:

– молекули реагентів беруть участь в утворенні зшивання (поперечних зв'язків) між поверхнями;

– присутність цих реагентів підвищує реакційну здатність матеріалів, збільшуючи кількість вільних функціональних груп або збільшує їхню активність.

Для виконання хімічного зварювання незалежно від типу полімеру необхідно вибрати присадковий реагент, розрахувати його витрату на одиницю поверхні шва, температуру, тривалість нагрівання і тиск при контактуванні матеріалів, що сполучаються.

У багатьох випадках зварний шов, отриманий методом хімічного зварювання, не відрізняється за своєю структурою і агрегатним станом від основного матеріалу.

Вирішальний вплив на вибір умов і режимів хімічного зварювання має хімічна структура полімеру – основного компонента пластмаси. Саме хімічна структура полімеру визначає механізм вторинних хімічних реакцій в зоні контакту поверхонь, що сполучаються, на яких засноване зварювання даним способом.

Процес хімічного зварювання є досить продуктивним, легко піддається механізації і автоматизації; з'єднання можна навантажувати відразу ж після його виготовлення, параметри довкілля не мають істотного впливу на якість виконуваного з'єднання, відсутні напруження і ослаблення в навколошовній зоні.

До основних недоліків способу можна віднести необхідність використання індивідуального спеціального оснащення, відсутність можливості візуального контролю процесу зварювання, складність використання в монтажних умовах.

9.2 Хімічне зварювання термопластів

Хімічне зварювання термопластів виконують за допомогою присадкових матеріалів, здатних утворювати перехідний шар, структура якого аналогічна до структури матеріалу з’єднуваних деталей. Для нанесення присадкового матеріалу на зварювані поверхні його розчиняють у відповідному розчиннику.

При дифузійно-реологічному зварюванні кристалічних полімерів відбувається розплавлення кристалів в пограничних зонах і їхня рекристалізація після закінчення процесу взаємної дифузії. Оскільки міра кристалічності і будова кристалічних утворень визначається температурою і тривалістю витримки полімеру при температурі кристалоутворення, дотримання режимів зварювання є дуже важливим; в зворотному випадку ступінь кристалічності і форма кристалічних утворень в зварному шві і в основному матеріалі будуть сильно відрізнятись, а отже, будуть відрізнятися густина і їхня механічна міцність.

Дифузійно-реологічне зварювання орієнтованих полімерів супроводжується дезорієнтацією в шарах, довколишніх молекул та молекул, які безпосередньо беруть участь у процесах дифузії. Це приводить до збільшення відмінності в міцності між основним матеріалом і зварним швом.

Тому для висококристалічних і орієнтованих полімерів найприйнятнішим є метод з'єднання поверхонь, що сполучаються шляхом зшивання хімічними зв'язками.

Хімічне зварювання термопластів здійснюється переважно за допомогою присадних матеріалів, здатних утворити перехідний шар, структура якого аналогічна структурі матеріалу деталей, що сполучаються. Для нанесення на поверхні, що сполучаються, присадні матеріали розчиняють у відповідному розчиннику.

Хімічне зварювання термопластів з використанням присадних матеріалів можливе за наступних умов:

- швидкість взаємодії присадки з термопластом має бути більше швидкості дифузійних процесів;

- пластичний плин аморфної фази матеріалу повинен забезпечуватись лише в шарах, що сполучаються, а основний матеріал повинен мати температуру нижчу за температуру плавлення або розорієнтації кристалічної фази полімеру;

- розчинник для присадки повинен викликати набухання і швидко випаровуватися з зварюваних поверхонь.

Хімічне зварювання термопластів без використання присадних полімерів відбувається при дії на матеріал в зоні шва нейтронного або рентгенівського випромінювання достатньої потужності, або електричного поля високої частоти.

9.3 Хімічне зварювання реактопластів

Зварювання затверділих реактопластів залежить від природи функціональних груп полімеру, а отже, і від механізму затвердіння матеріалу, а також від міри затвердіння, яка впливає на концентрацію функціональних груп і пластичність матеріалу, тому може бути критерієм здатності реактопластів зварюватись. Відсутність пластичних деформацій в матеріалі з високою ступеню затвердження не дозволяє отримати з’єднання з задовільною міцністю.

З'єднання хімічним зварюванням реактопластів, зв’язуючий матеріал яких затверджено в процесі поліконденсації, обумовлено наявністю функціональних груп в зв’язуючому матеріалі і залишковою пластичністю. При нагріванні до температури, що перевищує температуру затвердіння зв’язуючого матеріалу, в умовах щільного контакту поверхонь, які сполучаються, забезпечується хімічна взаємодія між реакційно здатними групами, що залишилися в поверхневих шарах. Так, удається з'єднати деталі, виготовлені на основі фенолоформальдегідних смол.

За відсутності в зварюваних матеріалах функціональних груп або при зварюванні деталей складної конфігурації на поверхні, що сполучаються, наносять присадковий матеріал, наприклад плівку реактопласту на основі зв’язуючого, аналогічного до зв’язуючого зварюваного матеріалу, але з меншою глибиною затвердіння.

Основні властивості деталей виготовлених з реактопластів, що визначають їхню здатність до хімічного зварювання, наступні:

- реакційна здатність шарів реактопластів, що виявляється в наявності в них функціональних груп;

- певна міра затвердіння поверхневої полімерної плівки і її здатність до пластичних і еластичних деформацій;

- здатність поверхневого рельєфу деформуватися і утворювати площу контакту на поверхнях, що дорівнює номінальній;

- певна товщина поверхневої полімерної плівки (не менше 0,1 мм);

- висока когезійна міцність поверхневої плівки, міцний зв'язок з подальшими шарами і відсутність на ній антиадгезійних мастил і інших забруднюючих речовин.

Для хімічного зварювання отвержденних реактопластів необхідно в процесі формування забезпечити недоотвержденність і залишкову пластичність полімеру в поверхневому шарі.

Реактопласти на основі ненасичених поліефірів зварюють шляхом нанесення на з’єднувальні поверхні розчину ініціатора полімеризації або неотвержденої поліефірної смоли у вигляді тонкої плівки.

При малій товщині поверхневої плівки на деталі і високій ступені її затвердіння (більше 85 %) рекомендується застосовувати хімічне зварювання з присадкою.

При хімічному зварюванні фенольних реактопластів в якості присадкового матеріалу доцільно використовувати речовини однакової з ними хімічної природи.

Кількість присадки, що наноситься, залежить від рельєфу поверхні.

Таким чином, зварюваність реактопластів визначається типом зв’язуючого матеріалу, мірою його затвердіння і присадкою. Технологічний процес зварювання затверджених реактопластів включає наступні операції:

- підготовку поверхонь;

- нанесення присадки;

- зближення поверхонь за рахунок еластичних і пластичних деформацій поверхневого шару смоли і всього об'єму деталі;

- витримка.

В процесі останньої операції відбувається формування контакту поверхонь на молекулярному рівні і утворення з'єднання за рахунок хімічної реакції. Збільшення температури нагрівання шва і тиску зварювання розширює можливі області використання хімічного зварювання, тому із зростанням міри затвердіння з’єднуючого матеріалу в деталі необхідно підвищувати тиск і температуру зварювання.

Контрольні запитання

9.1 Дайте визначення хімічного зварювання.

9.2 Які пластмаси з’єднуються хімічним зварюванням?

9.3 В чому суть процесів що протікають при хімічному зварюванні?

9.4 Опишіть технологічний процес хімічного зварювання пластмас.

9.5 Які різновиди хімічного зварювання ви знаєте? Дайте характеристику цим різновидам.

9.6 Що є критерієм здатності реактопластів до зварювання?

9.8 Назвіть основні властивості деталей, виготовлених з реактопластів, що визначають їхню здатність до хімічного зварювання.

9.9 Опишіть процес хімічного зварювання термопластів.

9.10 В чому відмінність хімічного зварювання термопластів і реактопластів?

10 ЗВАРЮВАННЯ ПЛАСТМАС ЗА ДОПОМОГОЮ РОЗЧИННИКІВ

10.1 Суть процесу і сфери застосування

До зварювання розчинниками відноситься такий вид дифузійно-реологічного зварювання, при якому зміна внутрішньої енергії, необхідної для збільшення рухомості макромолекул полімеру, досягається за рахунок присутності розчинника на з’єднуваних поверхнях. Тому поверхні, що підлягають з’єднанню, змочують розчинником до тих пір, поки вони не стануть липкими, що характерно для сильно набухлого полімеру, після цього їх з’єднують, приклавши невеликий тиск та витримують, для полегшення взаємної дифузії макромолекул в набухлих шарах контактуючих поверхонь.

Зварювання за допомогою розчинників у звичайних умовах застосовується для з'єднання аморфних термопластичних полімерів, а в деяких випадках і полімерів, що кристалізуються при температурі, близькій до температури плавлення кристалічної фази. Спосіб широко застосовують для з'єднання деталей, виготовлених з поліефірів метакрилової кислоти, полістиролу, полівінілхлориду, поліаміду, полікарбонатів, ефірів целюлози і різних співполімерів. Метод практично непридатний для зварювання поліетилену, політетрафторетилену і поліпропілену внаслідок їх слабкого набухання в розчинниках.

Перевагу даному способу можна віддати в тих випадках, коли методи теплового зварювання не забезпечують надійного з'єднання або їхнє використання є нераціональним (порушуються форми і розміри деталей), в індивідуальному виробництві, а також для з'єднання прозорих термопластів – поліакрилатів, полікарбонату, полістиролу, зварні шви яких повинні мати не лише досить високу міцність, але і мають бути прозорими.

Оскільки швидкість дифузії макромолекул в поверхневому шарі полімеру при змочуванні розчинником значно нижча, ніж швидкість дифузії макромолекул того ж полімеру, нагрітого до температури, що перевищує температуру його текучості, то зварювання розчинником вимагає значно більшого часу для утворення міцного з'єднання в порівнянні із зварюванням нагріванням.

Основними видами з'єднань за допомогою зварювання розчинниками листових і плівкових термопластів є напутскове з'єднання, з'єднання «на вус» і стикові з однобічною накладкою. Вибір виду з'єднання визначається умовами роботи конструкції. При зварюванні листових термопластів довжини перекриття в напусковому з'єднанні, «вуса» і накладки в стиковому з'єднанні мають бути не менше відповідно чотири -, п'яти -, і восьмикратної товщини листа.

У виробничій практиці для зварювання застосовують розчинники і суміші розчинників. Використання суміші розчинників дозволяє регулювати швидкість розм'якшення полімеру і запобігати випаровуванню розчинника з поверхні під час набухання. Для прискорення процесу і підвищення міцності з’єднання застосовують розчини з’єднуваного полімеру в розчиннику (лакові композиції) або в мономері (композиції, що полімеризуються). Останні забезпечують найкращу якість з'єднання.

Підвищення якості з'єднання обумовлене тим, що розчинник виконує функцію пластифікатора в навколошовній зоні, підвищуючи в ній еластичність полімеру, знижуючи температуру склування і міцність з'єднання; крім того, з присутністю розчинника пов'язано і деяке збільшення об'єму полімеру в зоні шва, що призводить в той же час до появи внутрішнього напруження.

Перетворення мономера розчинника в полімер усуває недоліки зварного з’єднання, пластифікованого рідким компонентом. У тих випадках, коли мономер зварюваного матеріалу при кімнатній температурі знаходиться в газоподібному стані, застосовують рідкий мономер іншого складу розчинювальний полімер, що сполучається, і що поєднується з ним після полімеризації.

Зазвичай в розчинник вводять до 15 % зварюваного полімеру, що забезпечує необхідну в'язкість і знижує швидкість випаровування розчинника. Введення полімеру, крім того, дозволяє заповнити зазори між з’єднуваними деталями, і відповідно, поліпшити якість шва.

10.2 Технологічний процес зварювання розчинниками

Технологічний процес зварювання розчинниками включає наступні основні операції:

- підготовка поверхонь до зварювання;

- змочування поверхонь рівномірним шаром розчинника або суміші, що містить розчинник (при стиковому з'єднанні сумішшю заповнюють оброблення шва);

- відкрита витримка поверхонь (період часу від нанесення розчинника до збирання зварюваних деталей);

- приведення поверхонь в контакт;

- прикладання тиску витримка деталей під тиском до моменту твердіння шва.

Підготовку зварювальних поверхонь слід виконувати з особливою ретельністю. Підігнані поверхні перед нанесенням розчинника необхідно очистити від пилу і знежирити. Для очищення і обезжирювання не рекомендується використовувати розчинник полімеру, оскільки в цьому випадку на набряклій поверхні матеріалу можуть залишатися забруднення. При зварюванні пластифікованого полівінілхлориду необхідно обробити з’єднувальні поверхні спеціально підібраним розчинником, щоб усунути залишки пластифікатора, який перешкоджає розчиненню полімеру.

Кількість розчинника, що наноситься на зварювальні поверхні має бути достатньою для набухання полімеру, але в той же час її надлишок може спричинити зниження міцності з'єднання і подовження технологічного циклу. Розчинник наносять шляхом зануренням, пульверизацією, за допомогою ролика та іншими способами до тих пір, поки поверхні, що сполучаються, не стануть клейкими, що характерно для сильно набряклого полімеру. У приміщенні, де наносять розчинник, що має низьку температуру кипіння, необхідно підтримувати мінімальну температуру. Поверхні, які не підлягають з’єднанню, доцільно захищати від дії пари розчинника папером, липкою стрічкою або захисною плівкою.

Технологічні режими зварювання (відкрита витримка, витримка зібраних деталей до стискування, притискання і час стискування) залежать в основному від типу полімеру і розчинника і підбираються експериментально з врахуванням температури приміщення та інших чинників. Тривалість відкритої витримки має бути достатньою для того, щоб сталося набухання і розм'якшення полімеру по всій поверхні і на достатню глибину (до 0,5…1,0 мм). Після цього зварювані деталі затискають в пресах і витримують до моменту затвердіння шва. Як правило, відкрита витримка складає декілька хвилин, величина тиску знаходиться в інтервалі 0.1…1,0 МПа, а час витримки під тиском – від 2 до 24 годин.

Основні переваги методу:

- низький рівень або відсутність витрат на теплову енергію;

- можливість локалізації дії на зварюваний матеріал лише в зоні поверхонь, що сполучаються;

- можливість з'єднання поліметилметакрилату та отриманням оптично прозорих швів;

- придатність до використання і в дрібносерійному, і масовому виробництвах.

Фактором, що обмежує використання даного способу зварювання є погана розчинність ряду термопластів та в деяких випадках велика тривалість затвердження матеріалу у зоні шва. Для пришвидшення процесу зварювання використовують додаткове нагрівання різними методами. Причому в ряді випадків розчинна здатність вибраного присадного матеріалу по відношенні до пластмаси проявляється тільки після нагрівання.

При зварюванні розчинниками особливі вимоги висуваються до санітарно - гігієнічних умов виробництва і протипожежної безпеки. Це обумовлено тим, що багато розчинників є токсичними і дуже горючими речовинами.

Контрольні запитання

10.1 В чому суть процесу зварювання пластмас за допомогою розчинників?

10.2 Які пластмаси не зварюються методом за допомогою розчинників і чому?

10.3 Які основні види з’єднань зварюють методом за допомогою розчинників?

10.4 Які функції виконує розчинник при зварюванні?

10.5 Опишіть технологічний процес зварювання пластмас за допомогою розчинників.

10.6 Які фактори визначають міцність зварних з’єднань?

10.7 Переваги та недоліки методу зварювання пластмас за допомогою розчинників.

10.8 Де застосовується зварювання пластмас за допомогою розчинників?

11 КОНТРОЛЬ ЯКОСТІ ЗВАРНИХ З'ЄДНАНЬ З ПЛАСТМАС

11.1 Дефекти зварних з’єднань

Основні ознаки, що характеризують вплив дефектів на властивості зварного з'єднання це їхні геометричні розміри, форма, масовість та положення в перерізі шва. До найбільш поширених видів дефектів зварних з'єднань термопластів відносяться невідповідність шва до необхідних геометричних розмірів, непровари, тріщини, перегрівання матеріалу, несплавлення, викривлення зварного шва в результаті усадки при зварюванні орієнтованих полімерів, пори при термоконтактному зварюванні. Крім того, при зварюванні плівкових термопластів характерним дефектом є пропалення, структурні зміни шва і навколошовної зони, що піддаються термічній дії.

Невідповідність шва необхідним геометричним розмірам в основному є результатом порушення технології зварювальником. При зменшенні розмірів шва знижуються характеристики міцності з’єднання; збільшення цих розмірів економічно нераціонально.

Причинами утворення швів неправильної форми можуть бути також нерівномірний контакт зварюваних поверхонь, неспівпадання кромок, нерівномірний зазор, нерівномірне оплавлення зварюваних поверхонь.

Непровари характеризуються відсутністю зварного з'єднання по всій або частині площі контакту зварюваних деталей. Ознакою непровару є розшарування окремих ділянок шва. В більшості випадків візуальним оглядом непровар виявити досить складно. Для виявлення цього дефекту потрібні механічні випробування. Непровари можуть бути виявлені і деякими методами фізичного контролю і контролю на герметичність зварних з'єднань.

Причиною непровару може бути відсутність достатнього контакту поверхонь, що сполучаються, в процесі нагрівання, що можливо при недостатньому зварювальному тиску або його коливаннях в процесі ізотермічної витримки, при неправильному підборі вихідних зазорів між робочими поверхнями нагрітих інструментів і поверхнею деталей при використанні термічного розширення матеріалу для створення зварювального тиску. Причиною непроварів можуть бути також недостатня температура нагрітого інструменту, мала тривалість нагрівання, а також наявність на поверхні адсорбованих молекул газу, води, якнайтонших жирових плівок і інших включень.

Тріщини при зварюванні листових термопластів або труб з пластмас найчастіше утворюються через надмірний зварювальний тиск при обмеженому об'ємі, в якому розширюється матеріал зони з'єднання. Причиною появи тріщин може також бути дуже висока температура нагрітого інструмента.

Істотне перевищення температури нагрітого інструменту при зварюванні термопластів призводить до різкого зниження механічних показників полімеру в зоні контакту з нагрітим інструментом, утворенню несуцільностей, тріщин. Зварне з'єднання з такими дефектами не підлягає виправленню.

Найчастіше тріщини утворюються в процесі охолоджування зони зварювання в тому випадку, якщо зварювальний пристрій не забезпечує компенсації значної зміни лінійних розмірів зварювальної зони. При зварюванні плавких плівкових термопластів утворення тріщин обумовлене окрихчуванням матеріалу в результаті його тривалого перебування при високих температурах на повітрі.

Несплавлення виникають внаслідок нещільного контакту поверхностей, перевищення допустимих зазорів, надмірних технологічних пауз, недостатнього тиску осадження.

Несплавлення матеріалу спостерігається також і при виконанні швів, що перетинаються. Причиною виникнення дефекту в даному випадку, мабуть, є структурні зміни матеріалу в навколошовній зоні попереднього шва, що різко знижують здатність матеріалу до утворення зварного з'єднання. Запобігти утворенню дефекту в цьому випадку можна лише ретельною попередньою обробкою місць, що піддаються термічній дії, хімічним або механічним способом.

Оскільки більшість плівок з плавких термопластів отримують екструзією, для них характерним дефектом є – значна усадка у напрямі орієнтації і, як наслідок, короблення і утворення складчастої поверхні в навколошовній зоні. Місця контакту складок із зварним швом є вогнищами утворення тріщин і розривів полімерної плівки. Для попередження цих дефектів в процесі зварювання слід прикладати розтягуючі напруження уздовж зварного шва, а також застосовувати тепловідвідні притиски в навколошовной зоні.

Основна причина утворення пор при зварюванні нагрітим інструментом – це тривала присутність на повітрі оплавлених поверхонь перед їх з'єднанням і недостатній тиск осадження, нездатний видавити пори за зону контакту. Найбільшу небезпеку для зварного стику створюють пори, розташовані в робочому перерізі шва. Залежно від температури навколишнього середовища, в місцях концентрації і пор може спостерігатися крихке або пластичне руйнування по зоні сплавлення.

Причинами утворення пор при зварюванні нагрітим газом із застосуванням присадкового матеріалу є невідповідність присадкового матеріалу основному, висока температура теплоносія, що призводить до перегріву присадкового або основного матеріалу, наявність пор в присадному матеріалі тощо.

Шляхи запобігання подібним дефектам – ретельний підбір і дотримання температурних режимів зварювання, вибір оптимальної швидкості і тиску, зниження температури зварювання

Ще один дефект, що виникає при зварюванні плівок з плавких термопластів ‑ дрібні наскрізні отвори в зварному шві. Головна причина їх утворення – висока електризованість більшості полімерних плівок, в результаті якої під дією електростатичних сил до поверхні плівок притягується безліч мікрочасток і порошинок, у тому числі і органічного походження, які або вдавлюються в матеріал в процесі зварювання, або вигоряють. Це порушує суцільність зварного шва. Тому приміщення, де виконуються роботи із зварювання полімерних плівок, повинні міститися в ідеальній чистоті, а поверхні, що сполучаються, вимагають ретельної підготовки.

Найбільш небезпечним дефектом зварного з'єднання термопластів є наявність в зоні шва ділянки матеріалу, підданого термоокислювальній деструкції внаслідок завищеної температури зварювання.

11.2 Неруйнівні методи контролю якості

Всі зварні з'єднання піддаються візуально вимірювальному контролю (контролю зовнішнім оглядом).

Зовнішній огляд з'єднання дозволяє встановити спотворення форми шва, виявити тріщини, зсув деталей, пропали, деформації, зменшення товщини шва, підрізи, вм'ятини, неспівпадання кромок. Вигляд зварних швів повинен бути одинаковим по всій їх довжині. Порівняння кольору шва і основного матеріалу дозволяє в окремих випадках судити про дотримання технологічного режиму, про деструкцію матеріалу при зварюванні.

Зовнішньому огляду слід піддавати всі зварні з'єднання незалежно від використання інших методів контролю. При зовнішньому огляді виробів, виконаних з оптично прозорих матеріалів (поліметилметакрилату, поліетилену, полістиролу без фарбникі тощо), слід використовувати сильне джерело світла, що освітлює деталь або під кутом, або з торця; таким чином удається виявити деякі внутрішні дефекти зварного шва. Найбільш цінна інформація при контролі зовнішнім оглядом може бути отримана при дослідженні зварних з'єднань з плівкових матеріалів, синтетичних тканин і нетканих матеріалів. За зовнішнім виглядом зварний шов цих матеріалів має бути рівним без складок. Краї шва повинні мати округлі контури без різких переходів.

При дослідженні зварних з'єднань з «жорстких» пластмас результати зовнішнього огляду можуть підтверджуватися і уточнюватися люмінесцентними методами контролю.

Візуально-вимірювальний контроль служить для виявлення поверхневих або наскрізних дефектів зварного з'єднання. Внутрішні дефекти (пори, сторонні включення, порушення внутрішньої геометрії тощо) цим способом виявлені бути не можуть. Для контролю внутрішніх областей зварного з'єднання з пластмас застосовуються різні фізичні неруйнівні методи випробувань. Розглянемо коротко суть цих методів.

Неруйнівні методи контролю зварних з'єднань термопластів включають:

- радіаційні методи (інфрачервона і рентгенографічна дефектоскопія);

- ультразвуковий метод;

- капілярні методи;

- радіотехнічні методи;

- електростатичний метод;

- електроіскровий метод;

- електролітний метод;

- тепловий метод;

- оптичні методи.

Методи інфрачервоної (ІЧ) дефектоскопії засновані на реєстрації інфрачервоного випромінювання, що відбивається або проходить через досліджуване середовище. Контроль проводиться наступним чином. Потік ІЧ-випромінювання направляється випромінювачем на виріб. Спектр випромінюваного сигналу залежить від типу ІЧ-джерела.

Можливість виявлення дефектів внутрішньої структури матеріалу базується на залежності між оптичною густиною досліджуваного матеріалу і інтенсивністю пройденої променистої енергії. При таких випробуваннях добре виявляються внутрішні тріщини, несплави і порожнечі діаметром близько міліметра і більше.

Рентгенографічний метод контролю полягає в тому, що через досліджуваний матеріал з різною структурою або дефектами пропускається рентгенівське випромінювання. Перетворення пройденого випромінювання у видиме зображення за допомогою фотоплівки або флюороскопічного екрану дозволяє судити про внутрішній стан виробу. Таким чином можна виявити характер, границю, конфігурацію і глибину залягання дефекту. Чим більша густина матеріалу, чим більше він ослабляє випромінювання, тим більше високу контрастну чутливість матиме даний спосіб контролю. Оскільки коефіцієнт ослаблення рентгенівського випромінювання у більшості пластмас досить малий то є необхідність використання м'якшого випромінювання в порівнянні з випромінюванням, використовуваним при контролі зварних металевих конструкцій.

Капілярні методи дефектоскопії засновані на здатності рідини проникати в поверхневі дефекти виробу. Вони застосовуються для виявлення всіх типів поверхневих тріщин, розшарувань, течі в зварних конструкціях. Застосовуючи для контролю наскрізних і поверхневих дефектів зварних з'єднань капілярні методи неруйнівного контролю, слід мати на увазі, що проникаючі рідини після виявлення дефекту важко видалити з дефектної порожнини. До капілярних методів відносяться: люмінесцентний, кольоровий (метод фарб) і люмінесцентно-кольоровий. У першому і третьому методах застосовують люмінесцентні рідини, які висвічуються під дією ультрафіолетових променів. У другому методі в якості проникаючих рідин використовують фарбувальні рідини. Методика проведення контролю аналогічна методикам, використовуваним при контролі металевих зварних конструкцій. За допомогою проникаючих рідин можливий контроль наскрізних отворів на з'єднаннях з полімерів невеликої товщини (від 0,5 до 3,0 мм).

При визначенні герметичності зварних швів замкнутих порожнистих зварних конструкцій з пластмас широко використовують контроль повітрям у водяних ваннах. Тиск повітря розраховують, виходячи з міцності з'єднань. Герметичність швів пластмасових виробів великих розмірів можна перевіряти повітрям з попереднім промилюванням зварних швів зовні і подачею повітря всередину. Зварні шви конструкції з жорстких пластиків контролюють після покриття швів мильним розчином переносною вакуум-камерою кроковим способом. За кожен цикл перевіряють герметичність ділянки шва, рівного довжині вакуум-камери. Можна додавати в повітря, що подається в замкнуту зварну конструкцію, аміак, зазвичай не більше 1 % до повітряного об'єму. Як проявник зовні шва покривають тканиною або папером, просоченою 5 %-ним водним розчином азотнокислої ртуті або спиртоводним розчином фенолфталеїну. Дефектна ділянка, місце витоку повітря виявляється у вигляді чорних або фіолетових плям.

Радіотехнічні методи контролювання засновані на використанні радіохвиль надвисоких частот – від 1 до 100 ГГц. Радіохвилі добре проникають в діелектрики. В цьому випадку не вимагається контакту між зондуючим пристроєм і контрольованим виробом. За наявності у виробі тріщин, чужорідних включень і інших дефектів радіохвилі, відбиваючись або проходячи через них, міняють фазу (фазовий метод), амплітуду (амплітудний метод) або характер поляризації (поляризаційний метод). Радіотехнічні методи застосовують для контролю зварних конструкцій, в яких шви не мають грату. При цьому виявляються тріщини з розкриттям більше 0,1 мм і завглибшки більше 3 мм, непровари; особливо добре виявляються чужорідні включення.

До електричних методів контролю наскрізних дефектів зварних швів пластмасових конструкцій відносяться електроіскровий і електролітний та електростатичний.

Електроіскрова дефектоскопія заснована на діелектричних властивостях полімерів, до яких з внутрішнього і зовнішнього боку підводять електроди індуктора під напругою 15…20 кВ. При синхронному русі електродів уздовж шва через наскрізний дефект відбувається розряд (проскакує іскра), що можна зафіксувати візуально або за допомогою спалахуючої сигнальної неонової лампи. Електроіскровий метод може бути використаний для контролю швів зварних з’єднань тонких плівок.

Електролітний метод, як і електроіскровий, базується на електроізоляційних властивостях полімерів. Зварний виріб поміщають у ванну з електролітом (трипроцентний розчин кухонної солі) або електроліт наносять на поверхню виробу. Наявність дефекту в зварному виробі визначається відхиленням стрілки гальванометра при накладенні на виріб електродів дозволяє виявити поверхневі дефекти в зварних з'єднаннях з пластмас.

Електростатичний метод, як і капілярні методи, дозволяє виявити поверхневі дефекти в зварних з'єднаннях з пластмас. Методика проведення контролю аналогічна методиці з проникаючою рідиною. На поверхню очищеного виробу наносять рідину, яка складається з води, що змочує речовини і речовин, які забезпечують слабку електропровідність. Після просушування на поверхню напилюють порошок, частки якого несуть електричні заряди. При цьому в рідині, що залишилася в дефекті, відбувається направлене переміщення іонів: якщо частки порошку мають позитивний заряд, то негативні іони рідини переміщатимуться до вершини дефекту, а позитивні іони – до основи дефекту. Далі напилений порошок видаляють з поверхні виробу; при цьому за рахунок кулонівського притягання між позитивними частинами порошку і негативними іонами рідини утворюється видиме зображення дефекту.

Тепловий метод контролювання заснований на зміні розподілу теплового випромінювання, що випускається досліджуваним виробом, за наявності в нім дефекту. Він застосовується для контролювання листових зварних з'єднань з полімерних матеріалів після зняття грату. Метод дозволяє визначити форму, розміри і місця розташування великих дефектів типу порушення суцільності. Схема контролювання проста. З одного боку виробу розміщують джерело нагрівання – плазмотрон, лазер та ін., а з іншої – приймальну апаратуру підвищеної чутливості. Така апаратура дає можливість уявити картину розподілу теплового випромінювання по поверхні виробу у вигляді зображення на екрані електронно-променевої трубки або на фотопапері; при цьому виявляються дефекти.

Оптичні методи контролювання засновані на реєстрації світлового (видимого) або інфрачервоного випромінювання, відбитого контрольованим виробом або що пройшов через нього.

На закінчення слід зазначити, що комплексне використання розглянутих методів контролювання забезпечує виявлення можливих дефектів з’єднань і тим самим гарантує безвідмовну роботу зварних з'єднань з пластмас, виконаних різними методами зварювання. Для перевірки якості зварних швів пластмасових виробів ефективний контроль ультразвуком [24]. Пластмаси, особливо із значною кількістю пластифікатора, мають великий коефіцієнт загасання ультразвукових коливань. Тому рекомендується використовувати ультразвукові генератори з мінімальними частотами (не більше 15 МГц), щоб загасання ультразвукових коливань на низьких частотах було менше.

Для збудження пружних ультразвукових коливань в контрольованому шві або навколошовній зоні використовують найчастіше п'єзоелектричні перетворювачі; пластини, виготовлені з монокристала кварцу або п’єзокерамічних матеріалів ‑ титанату барію, цирконату-титанату свинцю і ін. Поверхню цих пластин покривають шаром срібла, що виконує функцію електроду. При подачі на електроди змінної електричної напруги п’єзопластини здійснюють вимушені механічні коливання з частотою аналогічною частоті струму. При дії на пластину пружних механічних коливань на її електродах виникає змінна електрична напруга з частотою механічних коливань, що діють на неї. Якщо п’єзопластину прикласти до поверхні контрольованого матеріалу, то в ньому також збуджуватимуться і поширюватимуться пружні хвилі. Залежно від режиму роботи генератора вони можуть бути безперервні або імпульсні.

Для оберігання п’єзопластини і поліпшення умов введення коливань в контрольований об'єкт і приймання відбитих коливань від дефекту п’єзопластину закладають в спеціальні пристрої ‑ випробувальні головки або давачі. Зварні з'єднання пластмасових конструкцій контролюють при двосторонньому доступі до зварного шва тіньовим методом, тобто подачею з одного боку виробу ультразвукових коливань, а з другого боку шва їх приймання. Таким методом можна контролювати напускові з'єднання, отримані вібротертям, ультразвуком, контактним зварюванням проплавленням. При однобічному доступі або неможливості ведення головок безпосередньо по шву (при контактному зварюванні встик оплавленням, зварюванні екструдованою присадкою і ін.) з'єднання контролюють ехо-імпульсним методом здвиговими ультразвуковими коливаннями. Для цього застосовують призматичні пошукові головки, розраховані на поширення здвигових коливань в контрольованій деталі під кутами 40…80°. Зварні з'єднання контролюють з врахуванням ймовірного розташування небезпечних дефектів. Наприклад, в стикових з'єднаннях жорстких пластиків, виконаних пресовими способами, найбільш небезпечний дефект ‑ несплавлення або дефект, що виникає при монтажних операціях, ‑ тріщини, розташовані паралельно до поверхонь стикованих кромок деталей. Ці дефекти виявляються при зигзагоподібному переміщенні шукача по поверхні зварених деталей безпосередньо поблизу зварного шва. Знаходження дефектів залежить від кута нахилу п’єзоелемента, відстані до дефекту і орієнтації його відносно ультразвукового променя, а також кроку переміщення. Чим більша товщина контрольованих зварених деталей, тим під меншим кутом нахилу повинні знаходитися п’єзоелементи в пошукових головках. Ультразвуковим контролем можна виявляти поверхневі дефекти в зварних швах таврових з'єднань і з'єднань, виконаних внапуск, що неможливо виявити іншими способами контролю.

Прикладом ультразвукової установки може бути дефектоскоп А 1212. Дефектоскоп А 1212 призначений для виявлення і визначення координат порушень суцільності і неоднорідності у виробах з металів і пластиків. Він дозволяє контролювати зварні шви, вимірювати товщину стінок виробів, здійснювати пошук місць корозії, тріщин, внутрішніх розшарувань і дефектів. А 1212 може застосовуватися для контролю продукції і устаткування в металургійній, хімічній, нафтогазовій промисловості, в машинобудуванні, енергетиці, на транспорті.

11.3 Механічні випробування зварних з'єднань

Основними критеріями якості зварних з'єднань служать механічні і фізико-механічні показники, що визначаються на стандартних або спеціальних зразках при короткочасних або тривалих навантаженнях, у відповідних випадках при додатковій дії агресивних і поверхнево-активних речовин.

Залежно від призначення зварного виробу, експлуатаційних вимог, що висуваються до нього, проводяться ті або інші механічні випробування, або цілий комплекс випробувань.

Для визначення механічних властивостей зварних з'єднань виконують випробування зварних з'єднань на зразках, форма і розміри яких встановлено стандартами:

- на одноосне статичне розтягування (ГОСТ14236-81, 11262 80);

- на статичний вигин (ГОСТ 4648-71);

- на ударний вигин (ударну в'язкість) (ГОСТ 4647-80);

- на морозостійкість (ГОСТ 22346-77);

- на крихкість при вигині (ГОСТ 16782-83);

- на повзучість (ГОСТ 18197-82);

- на старіння під впливом природних кліматичних умов (ГОСТ 17170-71).

Для додаткового контролю якості зварних з'єднань пластмас проводять випробування на твердість і газопроникність. Твердість контролюють на подовжніх і поперечних зрізах.

11.4 Контроль щільності і герметичності зварних швів

Для контролю герметичності швів зварних з'єднань з пластмас згідно ГОСТ 16971-71 проводять випробування наступними способами: обдуванням, хімічними індикаторами, повітряним і гідравлічним тиском, наливом води.

Обдування шва зварного з'єднання струменем стислого повітря під тиском 0,25 МПа проводять з відстані не більше 50 мм; протилежна сторона змочується мильним розчином.

Випробуванням хімічними індикаторами піддають конструкції із замкнутим об'ємом. На зварний шов накладається паперова стрічка, витримана у п’ятипроцентному водному розчині азотнокислої ртуті. Як реагент використовують аміак, що вводиться в кількості 1 % об'єму повітря, що знаходиться у виробі. Після створення пневматичного тиску у виробі і витримки під тиском (3…5 хв.) індикаторну стрічку оглядають; негерметичність установлюють по чорних плямах на стрічці.

Контрольні запитання

11.1 Назвіть найбільш поширені види дефектів зварних з'єднань термопластів.

11.2 Які основні причини та шляхи запобігання утворення дефектів ви знаєте?

11.3 Які методи контролю відносяться до неруйнівних?

11.4 В чому полягає рентгенографічний метод контролю?

11.5 Для виявлення яких типів дефектів застосовуються капілярні методи дефектоскопії?

11.6 На чому засновані радіотехнічні методи контролю?

11.7 Які методи контролю зварних швів відносяться до електричних?

11.8 Опишіть принцип теплового методу контролювання зварних з’єднань.

11.9 Які основні критерії якості зварних з'єднань?

11.10 Які методи контролю використовують для визначення герметичності зварних швів?

12 ТЕХНІКА БЕЗПЕКИ ПРИ ЗВАРЮВАННІ ПОЛІМЕРІВ

Обов'язкові заходи щодо техніки безпеки в зварювальному виробництві, а також санітарно-гігієнічні умови регламентуються системою стандартів безпеки праці, будівельними нормами, правилами техніки безпеки і виробничої санітарії при виконанні окремих видів робіт та іншими нормативно-технічними документами.

Випадки виробничого травматизму і захворювань при зварюванні конструкцій з пластмас можуть бути викликані такими причинами:

- враженням електричним струмом;

- дією аерозолів, що виділяються, і шкідливих газів;

- світлом і спалахом вибухонебезпечних сумішей;

- тепловою дією;

- дією електромагнітних полів і механічних коливань високої частоти тощо.

Заходи, що забезпечують безпеку виробничої діяльності за наявності вказаних чинників, відомі з раніше вивчених дисциплін. Гарантією від враження струмом є виконання розпоряджень по експлуатації і безпечному обслуговуванню електроустановок і іншого устаткування і використання засобів індивідуального захисту.

До робіт на установках для зварювання пластмас допускаються особи чоловічої статі не молодше 18 років, що пройшли медичний огляд, спеціальне навчання, ввідний інструктаж із техніки безпеки, заходів пожежної безпеки, а також склали іспити спеціальної комісії.

Роботи по зварюванні пластмас слід проводити на відкритому повітрі або в призначених для цього приміщеннях, що відповідають санітарним і протипожежним нормам.

Кожне робоче місце для зварювання пластмас має бути обладнане припливно-витяжною вентиляцією з обміном повітря не менше 1500 м³/год. Особлива обережність необхідна при зварюванні всередині резервуарів і в невеликих закритих приміщеннях. До місця зварювання в резервуарі необхідно вентилятором подавати повітря і відтягувати гази, що виділяються. Всі роботи з шкідливими речовинами слід проводити в застебнутому халаті, гумових рукавичках і фартусі, що покривається гумою, якщо необхідно, надівати захисні окуляри або маски. Для виконання операцій, при яких в повітрі утворюється пил, робітник повинен, крім того, користуватися ще протипиловим респіратором.

При зварюванні в закритих приміщеннях робочі місця зварювальників потрібно обладнати місцевими відсмоктуваннями для видалення шкідливих газів, пари і пилу або застосувати зварювальне устаткування з вбудованими відсмоктуваннями.

При зварюванні поліолефінів, ПВХ, пентапластів, фторопластів і інших полімерів виділяються шкідливі пари і гази. Поліетилен низького та високого тиску, а також пропилен виділяють при зварюванні монооксид вуглецю, неграничні вуглеводні, органічні кислоти, формальдегід. Полівінілхлорид виділяє хлористий водень, бензол і інші вуглеводні. При зварюванні пластифікованого полівінілхлориду додатково виділяються пари пластифікаторів. Пентапласт виділяє оксид вуглецю, хлористий водень, формальдегід, хлорангідрид вугільної кислоти.

При використанні для очищення і знежирення уайт-спіріту, ацетону, етилового спирту, метиленхлориду, дихлоретану утворюються токсичні пари цих розчинників. Встановлені граничнодопустимі концентрації (ГДК) шкідливих газів і пари, що виділяються розчинниками. При тривалій дії на організм газів і пари при їх концентрації вище ГДК можливе порушення обміну кисню, враження центральної нервової системи, подразнення слизистих оболонок і верхніх дихальних шляхів, втрата свідомості та ін.

Шкідлива дія іонізуючих випромінювань на організм людини обмежується спеціальними екранами, обгороджуваннями, скороченням часу опромінення, вживанням засобів індивідуального захисту тощо. Встановлені гранично допустимі дози (ГДД) опромінення людей.

При роботі з джерелами електромагнітних полів, високих, ультразвукових і надвисоких частот, які мають місце при ультразвуковому і високочастотному зварюванні, слід керуватися затвердженими санітарними нормами і правилами.

Ультразвук впливає на людину на відстані або при контакті з інструментом-хвилеводом. Захист від ультразвуку виробляється за рахунок поміщення перетворювача в еластичний звукоізолюючий кожух; використовують так само відбиваючі екрани, тощо. Потужні ультразвукові установки розміщують в спеціальних приміщеннях. При роботі установок не слід торкатися руками хвилеводу-інструменту і зварюваних деталей.

При роботі з установками СВЧ слід уникати дії електромагнітного поля високої частоти, яке може викликати розлад центральної нервової системи. І хоча сучасні установки СВЧ створюють незначні напруження полів, безпечні і нешкідливі, режим роботи цих установок має бути організований раціонально. Робітники що працюють на цих установках повинні регулярно піддаватися медичному обстеженню. На кожному робочому місці оператор має бути забезпечений засобами індивідуального захисту.

Раціональна організація робочих місць при зварюванні пластмас, ведення процесів методами передової технології, дотримання правил техніки безпеки, виробничої санітарії і протипожежної безпеки дозволяють добитися на підприємствах роботи без травматизму.

Контрольні запитання

12.1 Чим регламентуються обов'язкові заходи щодо техніки безпеки при зварюванні пластмас?

12.2 Назвіть причини виникнення виробничого травматизму і захворювань при зварюванні конструкцій з пластмас.

12.3 Які основні заходи забезпечують безпеку виробничої діяльності?

12.4 Які вимоги до оснащення робочого місця зварювальника в закритих приміщеннях?

12.5 Яким чином обмежується шкідлива дія іонізуючих випромінювань на організм робітника?

ПЕРЕЛІК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1. Шлапак Л.С. Шляхи підвищення ефективності ремонту газопровідних систем // Л.С. Шлапак, М.В. Панчук, І.Д. Пушкедра, О.М. Матвієнків // Нафтогазова енергетика. - 2008.- № 4. – с 31 – 35.

2. Шлапак Л.С. Методи підвищення ефективності регенерації газопровідних систем/ Л.С. Шлапак, М.В. Панчук, І.Д. Пушкедра// Механіка і фізика руйнування будівельних матеріалів та конструкцій: зб. наук. пр. – Львів: Каменяр. 2009. – С. 722 – 725.

Дата добавления: 2015-07-10