Сварка газовыми теплоносителями

(нагретыми газами)

 

Сущность и схемы процесса. При сварке газовыми теплоносителями кромки изделия нагревают подогретыми газами (воздухом, аргоном и др.) или непосредственно продуктами горения газа (ацетилена, водорода и др.) в воздухе. Впервые сварка пластмасс была осуществлена нагретым воздухом. При сварке окисляющихся пластмасс используются инертные газы.

Сварка с применением присадочного материала подобна ручной газовой сварке металлов (рис.4). Нагрев свариваемых кромок происходит за счет теплоотдачи от нагретого газа, поступающего из горелки. Нагретый газ поступает из мундштука горелки 1 и нагревает кромки свариваемых деталей 2 и пруток 3 до вязкотекучего состояния. При надавливании на пруток, последний приваривается к размягченным кромкам, образуя сварной шов.

При сварке без присадочного материала, кромки свариваемых деталей 1 предварительно скашивают «на ус», затем укладывают под сварку и равномерно нагревают подогретым газом. Непосредственно за струей нагретого газа следуют холодные ролики 2, обжимающие стык (рис.5).

Способ сварки нагретыми газами универсален и гибок, может быть применен для сварки материалов различных толщин, позволяет осуществлять сварку протяженных швов сложной конфигурации при их различном положении в пространстве, не требует сложного оборудования. Сварка газовыми теплоносителями имеет ряд недостатков: невысокую прочность соединений; пониженную пластичность шва и околошовной зоны; низкую производительность, особенно, при сварке деталей большой толщины; возможность перегрева материала.

Сварка без присадочного материала увеличивает производительность процесса, механические свойства соединений. Беспрутковую сварку чаще применяют при соединении пленочных материалов из мягких термопластов внахлестку. Скорость сварки этим методов листов из ПВХ 15 – 20 м/ч.

При сварке нагретыми газами кроме сопла круглой формы применяют также широкощелевое сопло и специальное сопло для высокоскоростной сварки.

Широкощелевое сопло используют только для сварки нахлесточных соединений. Эти сопла имеют такую форму, что позволяют нагревать зону сварки не только нагретым газом, но и путем непосредственного контакта сопла с заготовкой (рис.6).

Наличие у сопла для скоростной сварки (рис.7) двух камер предварительного подогрева присадочного и основного материала обеспечивает непрерывность нагрева. При этом существенно повышается скорость при нагреве материала до Т_св, в отличие от сварки с использованием круглого сопла с поочередным нагревом прутка и заготовки.

 

 

Основные параметры режима сварки пластмасс газовыми теплоносителями: температура, давление и расход газа; усилие, прикладываемое к прутку; скорость укладки присадочного материала в разделку шва (скорость сварки); в случае сварки без присадочного материала – усилие, прикладываемое к роликам и скорость перемещения деталей (скорость сварки); положение присадочного прутка и наконечника горелки.

Свариваемые материалы: ПВХ, полиэтилен, полипропилен, полиоксиметилен, полиметилметакрилат, полиамиды, полиизобутилен, поликарбонат.

Свариваемость пластических материалов газовыми теплоносителями может быть оценена следующим образом:

хорошая – ПВХ, полиметилметакрилат;

удовлетворительная – полиэтилен, полипропилен;

плохая – полиамид, полистирол.

Сварка с присадкой особенно эффективна в случае жестких термопластов (винипласта, полипропилена, полиэтилена низкого давления, полиметилметакрилата), так как только при достаточной жесткости присадочного прутка представляется возможным обеспечить стабильность его положения при сварке и необходимый контакт между нагретыми поверхностями свариваемых деталей и присадочным прутком.

Положение при сварке может быть самое разнообразное – нижнее, горизонтальное, вертикальное (снизу вверх и сверху вниз), горизонтальное на вертикальной плоскости. Сваркой газовыми теплоносителя могут быть выполнены швы практически всех типов соединений – стыковых, нахлесточных, угловых, тавровых.

Технология сварки полимеров нагретыми газами. При сварке относительно толстых материалов наиболее рациональны стыковые соединения. Стыковые соединения разделывают без притупления с зазором (табл.4). Величина зазора зависит от толщины свариваемых деталей. Использование разделки повышает качество шва, исключает подрезы и другие дефекты. Х – образная разделка более экономична (в 1,6 – 1,7 раза) по расходу присадочного материала, чем V – образная, поэтому швы могут быть выполнены за меньшее количество проходов. Соединения с Х – образной разделкой обладают более высокой прочностью (соединения симметричны, при воздействии на них растягивающих и изгибающих нагрузок в швах не возникают дополнительные изгибающие моменты). Непровар в корне шва находиться в нейтральном сечении, что делает его менее опасным.

Таблица 4

Подготовка кромок при сварке стыковых соединений пластмасс

Без разделки кромок s < 2 мм	Х – образная разделка кромок при s < 6 мм – α = 55÷600; при s > 6 мм – α = 70÷900
V – образная разделка кромок при s = 2÷6 мм – α = 55÷600; при s > 6 мм – α = 70÷900

 

Для уменьшения коробления материала при сварке Х – образных швов присадочный материал приваривают попеременно с обеих сторон стыка. При сварке угловых и тавровых соединений под углом 90⁰ кромки свариваемых листов можно не подвергать обработке, однако предварительная обработка кромок и в этом случае обеспечивает лучший провар корня шва, особенно при толщине вертикальной детали свыше 4 мм.

При сварке стыковых, тавровых и угловых соединений для обеспечения лучшего провара корня шва необходим зазор в вершине шва. При сварке односторонних швов даже при наличии зазора на вершине шва трудно получить полный провар корня шва, поэтому во всех возможных случаях следует подваривать шов с обратной стороны.

При многопроходной сварке каждый последующий слой накладывают после медленного охлаждения предыдущего.

Сварка нахлесточных соединений нежелательна, так как в этом случае свариваемые детали соединяются не по нахлестке, а только по боковым поверхностям. Прочность сварных соединений в этом случае в 6 раз меньше стыковых при одной и той же толщине материала.

Угол разделки оказывает существенное влияние на прочность соединений. С увеличением угла разделки корень шва лучше проваривается, возрастает прочность соединения, но снижается скорость сварки. Подготовку кромок осуществляют механическими методами.

Жесткие пластики толщиной до 2 мм можно сваривать без разделки и зазора. Листы и трубы толщиной 4 мм и более сваривают с присадочным прутком за несколько проходов (несколькими слоями).

Прочность соединений при сварке значительно зависит от состояния поверхности свариваемого и присадочного материала. Поверхности должны быть тщательно очищены и обезжирены. В некоторых случаях для повышения прочности соединений рекомендуется удалять глянцевые поверхности с помощью наждачной бумаги.

При сварке пластмассовых конструкций газом с присадочным материалом возникают напряжения и деформации в шве и околошовной зоне. Многие технологические приемы их снижения (симметричное поочередное расположение слоев и др.), применяемые при дуговой сварке металлов, можно эффективно использовать при сварке пластмасс.

Присадочные прутки изготавливают из того же материала, что и свариваемые детали, но более пластифицированного (3 – 10 % пластификатора), чтобы снизить температуру размягчения. Диаметр прутка выбирают в зависимости от толщины свариваемых листов, формы разделки кромок и требуемой прочности. С увеличением диаметра прутка сокращается время, необходимое для заполнения разделки и увеличивается прочность сварного соединения. При сварке листов больших толщин применяют прутки диаметром 3,5 мм, прутки большего диаметра (свыше 5 мм) снижают прочность шва, так как трудно обеспечить их равномерный прогрев. Чтобы проварить корень шва, рекомендуется использовать прутки диаметром 2 – 2,5 мм. При сварке пленок используют ленты шириной 10 – 15 мм.

Поверхность кромок и прутка вследствие их малой теплопроводности быстро разогревается. Однако при сварке необходимо прогреть пруток равномерно по всему сечению, чтобы сделать его мягким и уложить в разделку. Это ограничивает применение прутков больших диаметров и снижает скорость сварки газовыми теплоносителями. Производительность процесса возрастает, если присадочный материал предварительно подогреть (применение специального наконечника горелки, имеющего два сопла: для подачи прутка и горячего газа). В этом случае можно использовать прутки большего сечения. Возможно применение прутков специального профиля (сдвоенного, треугольного или квадратного сечений с площадью, близкой к площади сечения разделки), что повышает производительность процесса при сохранении высокой прочности соединений. Мягкий пруток дополнительно прикатывается роликом с усилием.

Для обеспечения высокого качества сварки необходим очищенный воздух, поэтому перед подачей в сварочный аппарат его необходимо пропустить через устройство для отделения масла и влаги. Некоторые пластмассы (полиамиды) чувствительны к кислороду. Его присутствие снижает прочность и пластичность сварных швов, поэтому сварку выполняют инертным газом. Полиамиды следует сваривать в азоте при температуре на 30 – 50 ⁰С выше температуры плавления основного материала. Полиэтилен сваривают углекислым газом или азотом. Обычно температура газовой струи на выходе из сопла должна превышать температуру перехода пластмассы в вязкотекучее состояние на 50 – 100 ⁰С (в зоне сварки часть тепла теряется). Давление газовой струи составляет              0,4 – 0,9 МПа в зависимости от скорости сварки.

В табл.5 приведена температура сварки некоторых полимеров.

Нагретыми газами часто сваривают винипласт. Винипласт не имеет определенной точки плавления. При температуре выше 80 ⁰С он размягчается, при 180 ⁰С начинает течь, в интервале 200 – 220 ⁰С переходит в вязкотекучее состояние. С повышением температуры скорость сварки увеличивается, а сварной шов становится более прочным. Температура сварки лежит вблизи критической точки, при которой материал начинает разлагаться.

Таблица 5

Температура сварки полимеров нагретыми газами

Пластмасса	Температура сварки, 0С
Поливинилхлорид твердый	300 – 350
Поливинилхлорид мягкий	250 – 300
Полиметилметакрилат	250 – 300
Полипропилен	240 – 280
Полиэтилен твердый	240 – 280
Полиэтилен мягкий	200 – 250
Полиизобутилен	250 – 300

 

Диаметр отверстия наконечника горелки должен соответствовать диаметру присадочного прутка, в противном случае равномерно нагреть пруток сложно, что приводит к снижению прочности соединений.

Скорость разогрева сварочного прутка и кромок листа воздухом зависит от профиля шва. Для V – и Х – образных стыковых соединений тепловые потери при сварке меньше, чем для угловых и нахлесточных. Поэтому при одинаковой толщине листа следует применять соответственно наконечники меньших или больших диаметров.

Качество шва зависит от скорости укладки сварочного прутка, угла его наклона при подаче в шов, величины усилия при вдавливании размягченного прутка, расстояния от наконечника до свариваемой поверхности, положения и направления горелки при сварке.

Присадочный пруток должен подаваться под углом 90⁰ к поверхности сварного шва. Если угол превышает 90⁰, часть усилия тратится на вытягивание прутка в пластическом состоянии и, при дальнейшем охлаждении возникают усадочные напряжения, разрывающие пруток. При наклоне меньше 90⁰, пруток разогревается быстрее и на более длинном участке, чем основной материал, поэтому он не приваривается к деталям. Кроме того, часть усилия при вдавливании прутка расходуется на сжимание в продольном направлении, обратном его движению, вследствие чего образуются «волны». Прочность соединения при неправильной подаче прутка в шов снижается, пруток легко отделяется от поверхности шва. Однако в отдельных случаях (например, при сварке ПЭВД, пластифицированного ПВХ) лучшие результаты достигаются при угле между присадочным прутком и поверхностью шва более 90⁰.

Угол наклона наконечника горелки к поверхности свариваемых листов выбирают в зависимости от толщины материала. При толщине до 5 мм рекомендуется угол наклона 20 – 25⁰, при толщине 10 – 20 мм – 30 – 45⁰. Покачиванием горелки можно изменить направление струи воздуха и получить более равномерный нагрев присадочного прутка и основного материала. В ответственных конструкциях корень шва подваривают, что значительно повышает качество соединений. Газовая струя большую часть времени должна быть направлена на основной материал, так как он имеет большую массу, чем присадочный пруток.

Диаметр сопла на выходе теплоносителя должен превышать диаметр прутка на 0,5 ± 0,25 мм, в противном случае трудно обеспечить равномерный нагрев присадочного материала.

Очень важно выдерживать при сварке постоянное расстояние между соплом сварочного аппарата и свариваемым материалом. Оптимальное расстояние для сварочных горелок прямого действия s = (2 ÷ 3) d, а для горелок косвенного и электрического действия s = (1 ÷ 1,5) d, где d – диаметр сопла. Увеличение указанного расстояния снижает производительность сварки, увеличивает зону термического влияния, ухудшает качество сварных соединений.

После сварки шов для предупреждения растрескивания должен медленно охлаждаться.

Органическое стекло сваривают струей воздуха, нагретого до 200 – 220 ⁰С. Свариваемые поверхности рекомендуется предварительно обезжирить.

Прочность сварных соединений винипласта, выполненных с присадочным материалом, составляет 40 – 60 % от прочности основного материала, для полиметилметакрилата - 30 – 40 %, для полистирола - 40 – 50 %.

При сварке пленок газовым теплоносителем без присадки сварные соединения получают путем одностороннего нагрева струей газа приведенных в контакт соединяемых материалов. Зона нагрева (ширина шва) ограничивается двумя бесконечными лентами, с помощью которых одновременно перемещается сварочная головка (в подвижных сварочных машинах) или протягивается свариваемый материал (в установках стационарного типа). Пленочный материал укладывают на упругую резиновую подложку. За счет своей упругости подложка вдавливается в щель, образуемую ограничительными лентами, что совместно с силой струи нагретого газа обеспечивает плотный контакт между соединяемыми поверхностями (рис.8).

Необходимость применения прокладок между газом-теплоносителем и свариваемым материалом отсутствует.

Температура по толщине свариваемого материала при рассматриваемом способе распределяется неравномерно; на соединяемых поверхностях температура всегда несколько ниже, чем на поверхности верхней пленки. Разница между температурами возрастает с увеличением толщины пленки, поэтому рассматриваемый способ рекомендуется только для соединения тонких пленок. Данный способ ограничен также в отношении жесткости свариваемых пленок, так как в случае относительно жестких пленок и армированных материалов, обеспечить необходимый контакт между соединяемыми поверхностями за счет упругих свойств подложки и давления струи газа-теплоносителя не представляется возможным. Метод рекомендуется применять для сварки пленок из ПЭВД толщиной 20 – 200 мкм.

 

 

Свойства сварных соединений. Рассматриваемые сварные соединения имеют сравнительно низкую прочность при ударных и изгибающих нагрузках (особенно стыковые соединения при воздействии нагрузки со стороны корня шва).

Стойкость сварных соединений в агрессивных средах зависит от режимов сварки и максимальна в случае сварных соединений, полученных при оптимальной температуре газа-теплоносителя.

Материал сварного шва, полученного этим методом неоднороден по структуре. В сварном шве имеется явно выраженная граница сплавления основного и присадочного материалов, обусловленная ориентацией пластичного материала в результате давления присадочного прутка. Вдоль этой зоны начинается развитие трещин при воздействии агрессивных сред и происходит разрушение соединений при ударных нагрузках.

В многорядных швах опасной зоной является также граница присадка–присадка, в связи с чем многорядные швы менее стойки к воздействию агрессивных сред, чем однорядные.

В ряде случаев напряжения, возникающие в сварных швах, вызывают деформацию сварных соединений, коробление, трещинообразование и другие дефекты. Особенно велика вероятность таких дефектов в случае сварных соединений с несимметричными V – образными швами, в которых в корне шва усадке подвергается значительно меньший объем материала, чем в верхней его части.

В данном случае эффективно расположение листов под некоторым углом по отношению друг к другу, применение жестких сборочно-сварочных приспособлений с выдержкой в них деталей до полного охлаждения. Жесткое закрепление способствует уменьшению коробления и деформации изделий, однако приводит к значительным внутренним напряжениям.

Сварные соединения не должны подвергаться нагружению сразу после сварки, так как их прочность с течением некоторого времени повышается вследствие кристаллизации и релаксации напряжений. Зачистка и шлифование швов не рекомендуются (дефекты, которые могут появиться по краям шва, перекрыты присадочным материалом, поэтому прочность соединений несколько выше). Если сварное соединение необходимо подвергать обработке, следует уменьшать не только выпуклость шва, но также и слой основного материала толщиной ~ 0,5 мм.

Эффективным средством повышения прочности сварных соединений является увеличение ширины зоны выпуклости с выходом ее за пределы шва путем дополнительной приварки валиков присадочного материала.

При необходимости сварки деталей под углом, кромку одной из деталей нагревают и загибают, переводя угловое соединение в стыковое, более технологичное для этого метода сварки (см. рисунок).

Оборудование для сварки газовыми теплоносителями. Применять горючий газ непосредственно для сварки пластмасс нельзя вследствие высокой температуры пламени. Для сварки подогретыми газами необходимы специальные горелки. В зависимости от способа нагрева различают горелки электрические (рис.9) и газовые (рис.10). В электрических горелках газы нагревают электрическим нагревательным элементом, в газовых - газовым пламенем. В последнем случае возможен прямой и косвенный способы нагрева. При прямом нагреве газ-теплоноситель смешивают с продуктами горения горючего газа, при косвенном – передача теплоты от продуктов горения к газу-теплоносителю происходит через стенку.

 

 

На рис. 11. представлен ручной аппарат «ХОТ-ДЖЕТ» (фирма «LEISTER», Швейцария) со встроенной подачей воздуха, регулировкой температуры и расхода воздуха.

 

 

Технические характеристики

Напряжение, В	230
Мощность, Вт	460
Частота тока, Гц	50/60
Температура воздуха, 0С	20-600, плавная регулировка
Расход воздуха, л/мин	20-80, плавная регулировка
Давление воздуха, атм.	0,016
Уровень шума, дБ	59
Размеры, мм	235х70, рукоятка диам. 40
Вес, г	580 с кабелем 3 м

Рис.11. Ручной аппарат «ХОТ-ДЖЕТ» (фирма «LEISTER», Швейцария) [www.olmax.ru]

 

 

Используется:

- для сварки листов, пленок, кровельных и гидроизолирующих покрытий, ПВХ-ткани, пластмассовых деталей;

- для пайки SMD;

- для усадки термоусадочных трубок и муфт.

Автомат «УНИВЕРСАЛ» (фирма «LEISTER», Швейцария) используется для сварки внахлест тентовой ткани из ПВХ (при производстве автомобильных тентов, палаток, павильонов, шатров, защитных навесов, покрытий для бассейнов, воздушных и плавательных средств и т.д.); сварки полимерных кровельных покрытий (рис.12). Может сваривать покрытия толщиной до 2 мм. Поставляется в двух исполнениях: на шов 20 мм и на шов 30 мм.

 

 

Технические характеристики

Напряжение, В	230
Мощность, Вт	2300
Частота тока, Гц	50/60
Температура воздуха, 0С	20-650, плавная регулировка
Расход воздуха, л/мин	150-190
Скорость, м/мин	0,5-5,5 плавная регулировка
Давление воздуха стат., Па	1500-2100
Уровень шума, дБ	67
Размеры, мм	450х250х215
Вес, кг	10,8

 

	Рис.12. Автомат «УНИВЕРСАЛ» (фирма «LEISTER», Швейцария) [www.olmax.ru]

 

В качестве горючих газов применяют водород, ацетилен, пропан.

Основным недостатком конструкций горелок с электрическим нагревом является то, что образующаяся на спиралях окалина уносится воздухом и частично попадает в шов, снижая его прочность. Этот недостаток можно устранить заменой проволочной спирали трубчатым змеевиком из нержавеющей стали, к концам которого подведен электрический ток, а внутри движется нагретый газ.