Способы сварки пластиков

При соединении двух деталей из синтетических полимерных материалов часто используют сварку пластиков. Зачастую пользователи используют термин «сварка», подразумевая нагрев и соединение металлических конструкций. Однако для пластмассы характерно такое же сочлениение путем нагрева, частичного расплавления и последующего затвердевания пластика. В статье рассмотрим особенности этого процесса.

Какие пластики подвергаются сварке

Все полимеры синтетического происхождения делятся на две категории: термопласты и реактопласты. Первые при нагреве приобретают эластичность, а при затвердевании – прочность. При чем они могут несколько раз менять свое агрегатное состояние. Реактопласты, напротив, единожды приобретя форму, не меняют ее после вторичного разогрева. Соответственно, для сваривания подходят термопластичные материалы.

К термопластам относятся: поливинилхлорид, полиэтилен, в том числе высокомолекулярный, полистирол, полипропилен, капролон, винипласт, полиацеталь и проч. Эти материалы подвергаются сварке.

А вот эпоксидная смола, полиуретан – это реактопласты. Поэтому их сваривать нельзя. При сильном нагреве они не плавятся, а разрушаются. Их лучше связывать с помощью клея или крепежного инструмента.

Преимущества сварки пластмасс перед другими методами крепления

Почему на производственных линиях выбирают сварку:

• Нет потребности в дополнительном крепежном инструменте. Соответственно, затраты на производство сокращаются. Снижаются разнообразные технические операции, происходит оптимизация рабочего времени и ресурсов.
• Можно соединить элементы любой формы. В том числе, можно надежно скрепить изделия со сложной геометрией и ограниченным доступом к месту стыка.
• Универсальность метода для разных видов пластмассы, а также деталей с различными типоразмерами.
• Легкость готовой конструкции. При применении крепежного инструмента, особенно изготовленного из металла, увеличивается масса изделия. В то время как при сварке вес конструкции складывается исключительно из самих конструктивных элементов.
• Герметичность и постоянство сварного соединения. Шов не пропускает влагу или воздух. Он не уступает по прочности основной массе пластика. При этом сварка не требует подтягивания гаек или замены уплотнителей – все элементы конструкции закреплены надежно и долговечно.

Виды сварки пластика

Расскажем о разных способах соединения деталей из пластмассы.

Ультразвуковая сварка

Сварочный аппарат генерирует механические вибрации с частотой 10-70 кГц и низкой амплитудой (от 10 до 250 мкм). Они вызывают силу трения и тепло, которое платвит термопластичный полимер. Нагрев получается не прямой, то есть не воздействием непосредственного источника тепла на пластик. За счет этого не происходит перегрева пластмассы и выделения токсичных газов.

Ультразвуковые колебания могут подаваться как точечно, так и линейно или контурно. Различают сварку дальнего и ближнего поля, в зависимости от расстояния, на котором наконечник аппарата находится от материала.

Когда прекращается подача механических вибраций, детали остаются в контакте, на них оказывается легкое давление. В этом положении расплав должен остыть и создать крепкий шов.

Преимущества:

• эстетичный, ровный шов;
• максимальная герметичность и прочность соединения;
• высокая производительность аппаратуры за счет автоматизации;
• швы получаются чистыми, при сваривании в них не попадают загрязнения, что положительно
• сказывается на санитарно-гигиенических качествах готовой конструкции;
• не требуется дополнительная вентиляция, так как в процессе не образуются токсичные газы.

Недостатки:

• в зависимости от конструкции детали, приспособления могут быть дорогостоящими;
• процесс обычно используется для сварки небольших деталей, его нелегко применить для более крупных компонентов. Для сварки таких элементов потребуется несколько этапов;
• метод не подходит для полипропилена и некоторых других особенно прочных материалов;
• способ используется преимущественно для соединения с наложением материалов друг на друга. Углы и стыки лучше выполнить другим методом.

Лазерная сварка

В качестве энергии, которая расплавляет полимер, применяется лазерный луч. Используют разные виды лазера, в том числе диодный, волоконный и проч. От выбора несколько меняется технология сваривания.

Пластик поглощает получаемую энергию. Тепло, которое он вбирает, выше точки плавления, но ниже температуры испарения. Поэтому токсичных газов при сваривании не выделяется.

При использовании лазера следует помнить, что некоторые среды рассеивают луч. Например, в стеклопластике и стеклотекстолите для армирования содержится стекловолокно, которое отражает лазерный луч и рассеивает его. Это нежелательный эффект, который может привести к непредсказуемому нагреву. Это же относится к углепластикам, которые армированы углеродным волокном.

Наличие в составе пластмассы красителей тоже может повлиять на результат сваривания.Так, например, добавления диоксида титана, который дает белый цвет, ухудшает пригодность пластмассы к свариванию лазером. А пигмент, который называется технический углерод (черная сажа), напротив, улучшает качества сварного соединения.

Преимущества:

• высокая точность направления лазерного луча;
• широкий диапазон температур, при которых можно проводить сварку;
• эстетичность сварного шва;
• высокая скорость и производительность работы.

Недостатки:

• используется только для пластиков, которые имеют толщину до 12-13 мм. В более толстых деталях лазер не гарантирует равномерный прогрев, возможна пористость шва;
• дорогостоящее оборудование.

Фрикционная сварка

Метод также называют сваркой трением. Нагрев двух элементов осуществляется за счет механического трения, например, вращения. Метод подходит для соединения стык в стык. При разогреве кромок происходит дополнительная притирка элементов. Когда нагрев превышает точку плавления, подача движения прекращается, а две детали остаются прижатыми друг к другу – вплоть до остывания и затвердевания.

Преимущества:

• низкие затраты на производство;
• высокая экологичность;
• удаление загрязнений с кромок не требует отдельного технологического этапа, то есть процесс подготовки значительно проще;
• метод подходит для склеивания двух разных типов пластика.

Основной недостаток – ограничение по форме свариваемых деталей. Изредка им соединяют трубы, однако самое распространенное применение – это сочленение круглых стержней с одинаковым диаметром или угловых и плоских листов.

Сварка с помощью нагревательных элементов

В качестве нагревательного элемента могут выступать пластины или прутки. Суть метода заключается в том, что оба пластика нагреваются пластинами до температуры плавления. Затем они соприкасаются и под давлением находятся в контакте до тех пор, пока не образуется прочная молекулярная связь.

Это один из самых простых методов, поэтому он вошел в применение на бытовом уровне. Например, так соединяют полипропиленовые трубы при создании водопровода. Кромки труб и фитингов одновременно прислоняют к нагревательным элементом, затем надежно стыкуют и дают время на остывание. Получается достичь высокой герметичности.

Преимущества:

• можно сваривать любые термопластичные материалы;
• подходит для соединения деталей с большой площадью, но для этого требуется нагревательный элемент соответствующего размера;
• можно делать швы как внахлест, так и стык в стык;
• невысокая стоимость приборов для бытовой сварки пластика.

Недостатки:

• более низкая производительность, чем у других методов;
• не подходит для очень тонкого листового пластика.

Сварка горячим газом

Инструмент производит горячий газ и подает его в точку плавления пластика. Нагрев может производиться за счет разного газа, в том числе кислорода. Простой пример такого аппарата – строительный фен. Однако более современное оборудование предполагает точечный нагрев на более высокие температуры, а также отличную скорость.

Преимущества:

• портативный аппарат, можно переносить с собой, использовать в быту;
• высокая герметичность шва;
• возможность сваривать небольшие элементы конструкции.

Недостатки:

• отсутствие автоматизации не позволяет ускорить производственный процесс, получается точечная ручная работа;
• не подходит для больших объемов сварки, а также для соединения толстых изделий из пластмассы.

Этапы сварки пластмассы

Вне зависимости от того, какой используется метод сварки пластмасс, необходимо следовать алгоритму:

1. очищение поверхности от загрязнений, при необходимости – шлифовка кромок;
2. нагрев пространства, которое будет занимать сварной шов – подача тепла должна быть точной и равномерной, нельзя допускать перегрева или холодных участков, это повредит герметичности;
3. оказание давления на два элемента для дальнейшего остывания расплава пластмасс.

Некоторые рассмотренные нами методы, например, лазерная или вибрационная сварка, применяют преимущественно на производстве. Другие, в том числе сварку нагревательными элементами и горячим газом, можно использовать в домашних условиях с соблюдением осторожности.