Przeglądaj wersję html pliku:

12 Techniki łączenia tworzyw sztucznych - spawanie


Instytut In ynierii Materiałowej – Zakład Tworzyw Polimerowych

Techniki ł czenia tworzyw sztucznych – spawanie
1. Cel wiczenia
Celem wiczenia zaznajomienie studentów z zagadnieniami dotycz cymi metod ł czenia tworzyw sztucznych, a tak e wykonanie poł czenia próbek wybranymi metodami .

2. Okre lenie podstawowych zagadnie oraz opis metod ł czenia.
Tworzywa sztuczne mo emy ł czy poprzez klejenie, poł czenia mechaniczne (nity, gwinty, zatrzaski). Tworzywa termoplastyczne mo na dodatkowo ł czy technikami zgrzewania i spawania. Wybór metody ł czenia zale y od postaci ł czonych elementów, zastosowania, warunków eksploatacji a tak e od budowy chemicznej i wła ciwo ci fizycznych ł czonych materiałów.

2.1. Spawanie tworzyw sztucznych

Techniki spawania maj zastosowanie w przypadku ł czenia elementów z tworzyw termoplastycznych, gdzie konieczne jest wykonywanie trwałych poł cze z du wydajno ci i mo liwie wysok jako ci . Ł czenie technik spawania umo liwia uzyskanie wyrobów finalnych o zało onych parametrach u ytkowych w sposób szybki i stosunkowo małym kosztem (rys. 1).

Rys. 1. Zbiornik do galwanizacji wykonany z polipropylenu (PP) technikami spawania. Szkielet jest stalowy pokryty przyspawanymi profilami z PP.

Spawanie termoplastów polega na doprowadzaniu ciepła do ł czonych powierzchni i materiału ł cz cego (spoiwa), w celu uplastyczniania ich i docisku spoiwa do ł czonych powierzchni. Podczas spawania, miedzy uplastycznionym materiałem ł czonym i spoin , zachodzi dyfuzja makrocz steczek i po ochłodzeniu powstaje trwałe zł cze kohezyjne. Warunkami dobrej dyfuzji jest odpowiednia ruchliwo dyfunduj cych ła cuchów, dlatego materiał ł czony i spoiwo powinny mie podobn temperatur mi knienia (topnienia), a tak e podobn budow chemiczn [6]. Wi kszo tworzyw termoplastycznych jest ze sob niemieszalna termodynamicznie, w zwi zku z tym spoiwo musi by z tego samego polimeru co materiał ł czony. Wyj tkiem jest np. polimetakrylan metylu (PMMA), który mo na spawa zmi kczonym (suspensyjnym-przezroczystym) polichlorkiem winylu (PVC). Umo liwia to uzyskanie wi kszej wytrzymało ci poł czenia ni przy stosowaniu pr tów z PMMA. Tworzywa termoplastyczne wykazuj ce w stanie uplastycznionym takie cechy jak: podatno na destrukcje termooksydacjn , skłonno do degradacji termicznej, du y wska nik szybko ci płyni cia

Techniki ł czenia tworzyw sztucznych – spawanie

1

5

D5@ E

D5@

E

6

6

2

2 @

@

2

2

9

E

2

2

F

B26

1 !0¢'(!%&%$" !¨¦¤¢   ) ¥  © #  # ¥   © §¥£ ¡ C E A 2 6 2 2 2 2 C 5 2 2 6 2 2 2 8 6 6 2 2 @ @ @ 2 6 6 5 2 6 2 2 A D5@ 2 2 2 2 2 E E 6 E E D5@ 5

6 2 2 @

3

5

2

7

6

2

4

2

2

C C

2

6

6

5

(MFR), s materiał których ł czenie technikami spawania wi e si z dodatkowymi trudno ciami lub ami, cz sto jest praktycznie niewykonalne. W technikach spawania, nagrzewanie odbywa si w strumieniu gor cego gazu najcz ciej powietrza, lub w przypadku tworzyw wra liwych na termooksydacj (utleniania pod wpł ywem podwy szonej temperatury) - azotu, argonu, etc [3]. Wytrzymał o mechaniczn wzgl dn spoiny okre la si stosunkiem wytrzymał ci na o rozci ganie spoiny do wytrzymał ci materiał pierwotnego (nie spojonego). Wytrzymał ci wzgl dne o u o spoin wahaj si w granicach 50%-90% w zale no ci od materiał i techniki spawania. Spoiny u wykonywane przez automaty maj wi ksz wytrzymał ni spoiny wykonane r cznie. o W technikach spawania tworzyw sztucznych stosuje si dwa rodzaje spoin: czoł owe (spoiwo wprowadza si mi dzy powierzchnia styku elementów) (rys. 2. a,b,d,e) i pachwinowe (spoiwo wprowadza si obok styku elementów) (rys. 2. c). Mo liwe jest te wykonywanie spoin mieszanych czoł owo-pachwinowych.

Rys. 2. Przykł adowe rodzaje spoin a) spoina V, b) spoina X, c) spoina pachwinowa pojedyncza, d) spoina ½ V, e) spoina K

Do wykonywania poł cze spawanych termoplastów stosuje si najcz ciej dwie techniki: spawanie drutem (ang. welding wire) nazywane równie spawanie pr tem i spawanie ekstruzyjne (ang. extrusion welding) zwane te spawaniem wytł ocznym. 2.1.1. Spawanie drutem-pr tem u Drutem-pr tem nazywamy posta materiał ł cz cego wykonanego najcz ciej z tego samego tworzywa co ł czone elementy, o przekroju okr gł lub trójk tnym i wymiarach poprzecznych od 3 do ym 7 mm. Podczas spawania drutem powierzchnie ł czone i materiał spoiwa w postaci drutu lub pr ta adana jest uplastyczniane s gor cym gazem, nast pnie r cznie lub stopk dyszy spawalniczej ukł spoina (rys. 3 i rys. 4). Aby t technik poł czy grubsze elementy, niezb dne jest uł enie wi kszej o liczby ciegów.

Techniki ł czenia tworzyw sztucznych – spawanie

f

¨f g f

f

g

g

g

d

g ¨f

¨f g

d d f f f f f d Drg c f c g d f c g c f g p q p i¨h d f d c f f f edc c c b W V a P S R Y S Y !0¢`(!%&%$X W!S¨¦¤¢G VP U T R QPI H f f f c c c c d c f r c c c f r s c c q d c c f c c g

Instytut In ynierii Materiał owej – Zakł Tworzyw Polimerowych ad

2

Instytut In ynierii Materiał owej – Zakł Tworzyw Polimerowych ad

Rys. 3. Schemat spawania drutem w strumieniu gor cego powietrza. a – drut spawalniczy, b – gor ce powietrze, c – spoina, d – zukosowany ł czony materiał e – dysza spawalnicza ,

Rys. 4. Spawanie pł z PP drutem profilowym z zastosowaniem dyszy spawalniczej. yt

W przypadku braku dyszy spawalniczej mo liwe jest spawanie wahadł owe (Urz d Dozoru Technicznego nazywa takie spawanie wachlarzowym) bez u ycia dyszy (rys.5 i rys. 6.), spawanie wtedy jest zdecydowanie mniej wydajne (ok. 10-krotnie wolniejsze).

Techniki ł czenia tworzyw sztucznych – spawanie



‘

‰ „ ƒ ˆ w € y † € † !0¢‡(!%&%$… „!€¨¦¤¢t ƒw ‚  y xwv u
a e
A-A

b d

c
A

A

’

’

‘

‘

3



Instytut In ynierii Materiał owej – Zakł Tworzyw Polimerowych ad
2 9 7

Rys. 5. Spawanie wahadł owe pr tem z tworzywa w strumieniu gor cego gazu (najcz ciej powietrza): 1 – materiał ł czone, 2 – pr t-drut z tego samego tworzywa co materiał ł czone, 3 – ko cówka spawarkiy y ywka, 6 – ukosowany pod k tem 60O dmuchawy gor cego gazu, 4 – lico wykonanej spoiny, 5 – nadlew-wypł materiał– spoina doczoł V, 7 – kierunek wykonywanego ruchu wahadł owa owego, 8 – gor cy gaz, 9 – nacisk na pr t spawalniczy (ok. 1 – 2 kg)

Rys. 6. Zobrazowanie prawidł owego nadlewu-wypł ywki przy wahadł owym spawaniu utwardzonego polichlorku winylu (PVC) i profilowanego pr ta spawalniczego PVC.

Bardzo istotna podczas spawania drutem jest odpowiednio dobrana temperatura gor cego gazu, oraz równomierna pr dko spawania i nacisk, tak aby powstałwł ciwy nadlew-wypł a ywka, który jest gwarancj dobrego spawu. Zarówno materiał ł czony jak i drut spawalniczy musz by w takim samym stopniu uplastycznione, gdy w przeciwnym wypadku nie nast pi dyfuzja i spoina b dzie wadliwa. Nale y podkre li , e temperatura któr b dzie miał tworzywo podczas spawania zale y o jednocze nie od temperatury gazu oraz pr dko ci spawania, czyli czasu jaki b dzie gor cy gaz oddział ywałz tworzywem. Przy wi kszej pr dko ci spawania temperatura gazu powinna by wy sza ni przy mniejszej pr dko ci spawania. Na rysunku 7 pokazane jest jak nale y dobiera warstwy spoin w zale no ci od grubo ci materiał ł czonego. Nale y zwróci uwag , e do wykonania spoiny X potrzeba mniej materiał ni do u u wykonania analogicznej spoiny V.

Techniki ł czenia tworzyw sztucznych – spawanie

4

v

v

t

v

s

m

v u

m

o

u m

t v

r qpn

s

o

l g f k – ™ ˜ i ™ i !0¢j(!%&%$h g!™¨¦¤¢“ f– e d ˜ —–• ”
1 8 5 4 6 3

m

t

o

o

v s u v t s t s s m

m

v

u

s

Dut s

n

v ut

n

v

n

t s

v

o o m m

m

t

n

Instytut In ynierii Materiał owej – Zakł Tworzyw Polimerowych ad

2.1.2. Spawanie ekstruzyjne W spawaniu ekstruzyjnym (wytł ocznym) uplastycznione spoiwo jest wytł aczane z wytł aczarki i specjaln gł owic tzw. butem spawalniczym jest formowana spoina miedzy uplastycznionymi gor cym gazem powierzchniami ł czonymi (rys. 8). T metod mo emy jednym przej ciem wykonywa spoiny o du ej grubo ci. Spawanie ekstruzyjne jest bardziej wydajne ni spawanie drutem.

g f

a

b

A-A

c

e

A A

d

Rys. 8. Schemat spawania ekstruzyjnego. a – stopione tworzywo z ekstrudera, b – gor ce powietrze, c – spoina, d – ukosowany ł czony materiał e – but spawalniczy z PTFE, f – podstawa buta, g – dysza , ekstrudera.

Techniki ł czenia tworzyw sztucznych – spawanie

‡

Ž

‡



Œ

Œ ‡

‡

‰

‡

‡

‰ ‹Š‰ ˆ

Rys. 7. Zale no

ilo ci warstw spoiwa od grubo ci (mm) spawanych elementów.

†  € … z } | ƒ } ƒ !0¢„(!%&%$‚ !}¨¦¤¢w €z  ~ | {zy x

‡



‡

‡

Œ

5

Instytut In ynierii Materiał owej – Zakł Tworzyw Polimerowych ad

Wybór metody ł czenia zale y od postaci ł czonych elementów, zastosowania, warunków eksploatacji a tak e od budowy chemicznej i wł ciwo ci fizycznych ł czonych materiał a ów.

3. Sposób wykonania wiczenia

Instrukcja obsł urz dze wraz z danymi technicznymi oraz uwagami dotycz cymi BHP ugi powinna znajdowa si na stanowisku. Obsł ugiwanie urz dze do spawania i zgrzewania jest dozwolone tylko w obecno ci prowadz cego wiczenie po uprzednim zapoznaniu si z instrukcj lub przeszkoleniu. Nale y ci le stosowa si do polece prowadz cego wiczenie. Nale y zachowa szczególn ostro no , gdy w przeciwnym wypadku istnieje gro ba poparzenia.

3.1. Spawanie tworzyw sztucznych

Na wiczeniach przewidziane jest przeprowadzenie spawania drutem bez oraz z dysz szybkiego spawania a tak e spawanie ekstruzyjne. W/w metodami wykonane zostan zł cza doczoł owe pł z PE i PP ukosowanych na V lub X w zale no ci od grubo ci pł Wykonane zł cza yt yt. o prowadz cy wiczenie poprzecina w próbki do bada wytrzymał ci wzgl dnej spoin a nast pnie zostan przeprowadzone próby wytrzymał ciowe. o

4. Literatura

1. Schreder W.: Tworzywa sztuczne. Przeróbka i spawanie. Wydawnictwo Naukowo Techniczne. Warszawa 1973 2. Klimpel A.,: Spawanie i zgrzewanie tworzyw termoplastycznych. Wydawnictwo Politechniki l skiej, Gliwice 2000 3. Wytyczne Urz du Dozoru Technicznego „SPAWACZE I ZGRZEWACZE TERMOPLASTYCZNYCH TWORZYW SZTUCZNYCH”, WDT-ST-1/00, Warszawa 2000

Techniki ł czenia tworzyw sztucznych – spawanie

6

¥

Ÿ

¦ Ÿ Ÿ Ÿ

Ÿ

Ÿ

¡

¦

¦

¢

¥

¢

Ÿ

§ Ÿ ¤ Ÿ

¢ ¡

 

Rys. 9. Spawanie doczoł pł z PEHD spawark ekstuzyjn owe yt

ž ™ ˜  ’ • ” › • › !0¢œ(!%&%$š ™!•¨¦¤¢ ˜’ — – ” “’‘  ¤ ¤ Ÿ ¢ ¢   ¥ ¢ ¦ ¥ Ÿ ¡ ¤ Ÿ £ ¡ ¦ Ÿ

¡ D¥¢ ¡ ¢ ¢ ¡ ¢ ¦ ¥

¡

¥ Ÿ Ÿ

¥

Ÿ

٬

Ÿ

Instytut In ynierii Materiał owej – Zakł Tworzyw Polimerowych ad 4. K. Kwiatkowski, Z. Rosł aniec – „Badanie poł cze spawanych elastomerów poli(eterowoestrowych). Cz. I. Wpł zawarto ci segmentów gi tkich na morfologi i wł ciwo ci yw a mechaniczne”, POLIMERY 2004,49, 268-274 5. Spawanie termoplastycznych tworzyw sztucznych przy u yciu spawarek r cznych. Materiał y reklamowe firmy LEISTER, prospekt 21A/PL , Kagiswil, Szwajcaria

Techniki ł czenia tworzyw sztucznych – spawanie

» »

¼

¼

½ ¼ » º ¹ ¸ ³ ² · ¬ ¯ ® µ ¯ µ !0¢¶(!%&%$´ ³!¯¨¦¤¢© ²¬ ± ° ® ­¬« ª

7

¹

 
statystyka