Технологии за заваряване на пластмаси

МашиниВъв ФокусСп. Инженеринг ревю - брой 4/2021 • 24.06.2021

  • Технологиите за заваряване на термопластични пластмаси могат да бъдат групирани в три основни групи въз основа на метода, използван за получаване на топлина

  • При избора на технология трябва да се отчетат характеристиките на материала, големината, геометрията и структурата на частите, производствените обеми и скоростта на циклите, както и капиталовите разходи за оборудването

  • Оценяването на предимствата и ограниченията на всеки един наличен процес и тясното сътрудничество с доставчиците на оборудване ще гарантира избора на идеалното решение


Пластмасовите продукти невинаги могат да бъдат изпълнени под формата на един цялостен детайл. Поради ограничения в конструкцията или инструменталната екипировка понякога е по-рентабилно и/или лесно продуктът да се произведе на две или повече части. Изборът на метод за заваряване на пластмасовите части на детайла зависи предимно от материала, от който са изработени, размерите, геометричните им характеристики и др. Технологиите за заваряване на термопластични пластмаси могат да бъдат групирани в три основни групи въз основа на метода, използван за получаване на топлина – чрез механично движение, външен източник на топлина или електромагнетизъм.

 

Методи на база механично движение

При заваряването чрез линейна вибрация частите, които ще се съединяват, влизат в контакт под натиск, след което започват да се трият една в друга. В резултат на триенето материалът на междинната повърхност се пластифицира и вибрацията се прекратява. След това частите се подравняват и придържат в правилната позиция, докато заварката се втвърди. Повечето термопластични материали могат да бъдат заварени по този начин и поради това технологията се използва широко в автомобилостроенето за съединяване на компоненти като брони от две части, резервоари за гориво, вътрешни панели за вратите, модули за задни светлини и др.
При ротационното (spin) заваряване съединяваните повърхности винаги са кръгли, а движението е въртеливо. Технологията се използва за разнообразни приложения – производство на полиетиленови поплавъци, бутилки за аерозоли, предавателни валове и PVC тръби и фитинги.

Ултразвуковото заваряване включва използването на високочестотна механична енергия за омекотяване или пластифициране на термопласта в мястото на съединяване.

Частите се придържат под натиск и се подлагат на ултразвукови вибрации, обикновено при честота от 20 до 40 kHz. Ултразвуковото заваряване лесно може да бъде автоматизирано и е бърз процес, като времето за заваряване обикновено е под една секунда. Технологията е популярен избор за асемблирането на компоненти в автомобилостроенето, производството на медицинска и електронна техника, опаковки и др.

 

› Реклама

Техники с външен топлинен източник

Заваряването с нагорещена пластина е възможно най-простата технология за съединяване на пластмасови части и се използва за различни приложения, вариращи от производството на малки резервоарни съдове за автомобилни течности до съединяването на тръби с диаметър над 1000 мм. Техниката включва нагряване на краищата на предвидените за съединяване елементи чрез електрически загрявана пластина, докато не се пластифицират в достатъчна степен. След това нагрятата пластина се отстранява и частите се притискат една към друга. Следва цикъл на охлаждане, позволяващ уякчаване на заварката.

Техниката на заваряване с нагорещен прът се използва предимно за съединяване на термопластични фолиа с дебелина под 0,5 мм. Тя се основава на принципа, че, ако две части фолио се притиснат към нагорещен прът, те ще омекнат и ще могат да се съединят. Времето на заваряване е кратко – около две секунди за фолио с дебелина 100 микрона.

Импулсното заваряване функционира на същия принцип. Тук топлината се генерира от краткотрайно протичане на електрическа енергия през никел-хромен проводник при притискането на фолиата едно към друго. Този метод се прилага в опаковането за бързото запечатване на полиетиленови торби.

При заваряването на термопласти с горещ газ предвидените за съединяване компоненти, обикновено листове с дебелина 30 мм, се подготвят във V- или Т-образна конфигурация, след което към зоната на съединяване се насочва поток от горещ газ. Това води до пластифициране на зоната на съединяване и на допълнителен прът от същия полимер, от който са изградени заваряваните части. По този начин заварката се получава от съединяването на материала с пълнителя. Основното предимство на заваряването с горещ газ е, че оборудването, необходимо за процеса, е лесно преносимо. Процесът обаче е бавен и качеството на заварката зависи до голяма степен от опита на оператора. За постигането на високи стандарти се препоръчва адекватно обучение и сертификация на операторите.

Екструзионното заваряване е аналогично на заваряването с горещ газ, като двете технологии имат някои сходни предимства и недостатъци. Стопен допълнителен термопластичен материал се подава в зоната на заваряване от екструдер. Стопеният материал излиза от тефлонова дюза, формован така, че да отговаря на заварявания профил. По предния ръб на дюзата преминава поток от горещ газ, който служи за предварително загряване на субстрата преди нанасянето на пластифицирания материал, осигурявайки достатъчно топлина за формиране на заварка.

 

Директно използване на електромагнетизъм

При индукционното заваряване намотка, свързана към високочестотно електрозахранване, се поставя в близост до зоната на заваряване. При преминаването на ток с висока честота през намотката се генерира динамично магнитно поле, чийто енергиен поток взаимодейства с допълнителния термопластичен материал. В него се индуцират вихрови токове, които го загряват, както и зоната на заваряване.

Високочестотното (диелектрично или радиочестотно) заваряване се основава на способността съединяваната пластмаса да генерира топлина в условията на бързо изменящо се електрическо поле. Поради това приложимостта на технологията обикновено е ограничена до поливинилхлорид, етилен винилов ацетат и полиуретани. По време на процеса предвидените за заваряване части се излагат на високочестотно електрическо поле, което се формира между два метални пръта. Динамичното електрическо поле води до възникване на молекулярни вибрации в пластмасата. Част от протичащото осцилаторно движение се трансформира в топлинна енергия, водейки до загряване на материала. Сред продуктите, които се произвеждат посредством високочестотно заваряване, са надуваеми стоки, покривала и кръвни банки.

При инфрачервеното заваряване частите, които ще се съединяват, се доближават до електрически нагрявана пластина. Техниката е подобна на заваряването с гореща пластина, въпреки че тук в действителност не се осъществява директен контакт с източника на топлина. След като мине достатъчно време, частите се пластифицират и могат да бъдат притиснати една към друга до образуването на заварка. Инфрачервеното заваряване като цяло протича по-бързо от заваряването с гореща пластина – типично времето за заваряване се редуцира наполовина. Фактът, че нагряването се постига, без да се осъществява физически контакт, елиминира възможността от навлизане на замърсители в заварката от повърхността на горещата пластина. Техниката се използва за съединяване на термопластични тръби.

Лазерното заваряване включва използването на насочено лъчение, обикновено в инфрачервената зона на електромагнитния спектър, за пластифицирането на пластмасата в участъка на заваряване. Възможната степен на заваряване се определя от типа на използвания лазер и абсорбционните характеристики на пластмасата.

 

Избор на технология

При избора на технология трябва да се започне с отчитане на характеристиките на материала. Ефективността на ултразвуковото заваряване например може да е ограничена, когато технологията се използва за олефинови материали като полипропилен или полиетилен. Аналогично, ултразвуковото заваряване не се препоръчва за съединяване на термопластични еластомери и има ограничена приложимост за присъединяване на композити.

Следващи по значение фактори са големината, геометрията и структурата на частите. В случай на по-малки части може да се използва всяка една от технологиите, при условие че материалът е съвместим с процеса. С увеличаване на размера на детайлите обаче, съображенията се изменят поради ограничения в размера на инструменталната екипировка, формата и конструкцията на частите.

При избора на технология трябва да се вземат предвид и производствените обеми и скоростта на циклите. Някои от технологиите осигуряват възможност за заваряване в рамките на няколко секунди (ултразвуково, ротационно и лазерно), докато за заваряването с гореща пластина са необходими 40 – 50 секунди. Трябва да се отбележи, че в много случаи е възможно инструменталната екипировка да се адаптира за обработката на различни части в рамките на един цикъл, което значително увеличава производителността.

На последно място са капиталовите разходи за оборудването. Въпреки че понякога е трудно, отчитането на този фактор като най-маловажен е ключът към успешния избор на технология за заваряване на пластмаси.

Ако горните критерии се използват за стесняване на възможностите за избор, оптимално селектираната технология ще бъде подходяща не само по отношение на конкретното приложение, но и от гледна точка на ефективността и производителността на целия производствен процес. Важно е към вземането на решение да се подходи непредубедено. Оценяването на предимствата и ограниченията на всеки един процес и тясното сътрудничество с доставчиците на оборудване ще гарантира идентифицирането и разработването на решение, което е идеално пригодено за конкретното приложение.

 





ЕКСКЛУЗИВНО

Top