Kierunek: Mechanika i Budowa Maszyn Godzina: 11.00
Grupa dziekańska: 5
Semestr: 3
Ćwiczenie 9: Łączenie tworzyw sztucznych
Wiadomości podstawowe:
Współczesne techniki formowania tworzyw sztucznych pozwalają na otrzymywanie zarówno gotowych elementów, jak i półproduktów. W wielu przypadkach zachodzi konieczność łączenia ich w zespoły lub wytwarzania takich elementów z półproduktów (np. płyt, folii, rur). Wykorzystuje się w tym celu różnorodne technologie łączenia pozwalające otrzymywać określony rodzaj połączenia:
- zgrzewanie tworzyw sztucznych
- spawanie tworzyw sztucznych
- klejenie
Wszystkie wymienione technologie dają połączenia nierozłączne. Pierwsze dwie stosuje się tylko do łączenia tworzyw termoplastycznych, gdyż uplastycznienie i dyfuzja makrocząsteczek tworzywa jest warunkiem koniecznym uzyskania trwałego połączenia.
Połączenia nierozłączne
- kołnierzowe - klejone
- zaciskowe - spawane
- kielichowe - zgrzewane
- zatrzaskowe - zaciskowe
- śrubowe - obtryskowe
- sworzniowe
- kulowe
Klejenie
Klejenie jest procesem polegającym na połączeniu dwóch elementów z wykorzystaniem substancji organicznej lub nie organicznej (kleju). Pod pojęciem kleju rozumie się substancję, która dzięki swojej przyczepności (adhezji) i wewnętrznej spoistości (kohezji) łączy materiały nie wywołując zasadniczej zmiany łączonych powierzchni. Miejsce połączenia klejem elementów nosi nazwę złącza klejowego, warstwę kleju łączącą dwa elementy nazywamy spoiną klejową. Proces wiązania kleju w efekcie którego uzyskujemy spoinę klejową nieodwracalnie stałą, nazywamy utwardzeniem kleju. Celem zainicjowania i przyspieszenia procesu utwardzania dodaje się do kleju odpowiednie substancje lub ich mieszaniny zwane utwardzaczem.
Wytrzymałość złącza klejowego mierzy się naprężeniem, przy którym następuje zniszczenie spoiny klejowej lub łączonego materiału. W zależności od kierunku działania siły niszczącej w stosunku do klejonych powierzchni rozróżnia się wytrzymałość:
- na odrywanie
- na ścieranie
- na odzieranie
Klejenie jest możliwe dzięki adhezji i kohezji. Rozróżnia się adhezję mechaniczną i właściwą. Adhezja mechaniczna polega na wnikaniu kleju w mikroszczeliny na powierzchni łączonych elementów i mechanicznym zakotwieniu cząstek kleju. Ten mechanizm łączenia leży u podstaw łatwości klejenia materiałów porowatych (drewno, skóra itp.). Adhezja właściwa daje możliwość łączenia materiałów o gładkiej i spójnej powierzchni (metale szkło, tworzywa sztuczne). Istnieje kilka teorii próbujących wyjaśnić zjawisko adhezji właściwej.
Jeżeli adhezja jest wynikiem oddziaływania pomiędzy cząsteczkami kleju a powierzchnią łączonych elementów, to kohezja określa siły działające wewnątrz spoiny.
Spawanie i zgrzewanie jest możliwe tylko dla tworzyw termoplastycznych, dla których zjawisko termodyfuzji leży u podstaw procesu tworzenia trwałego połączenia. Nagrzewanie łączonych powierzchni kilkadziesiąt stopni powyżej temperatury topnienia lub płynięcia na tyle zwiększa ruchliwość makrocząsteczek, że możliwe jest ich przemieszczenie i silne zbliżenie. Można przyjąć, że warunkami uzyskania połączenia odpowiedniej jakości są:
- odpowiednia struktura makrocząsteczek
- lepkość w temperaturze spawania
- temperatura łączonych powierzchni
- nacisk jednostkowy
- stan łączonych powierzchni
Zgrzewanie
Zgrzewaniem nazywamy taki proces technologiczny w którym po uprzednim przygotowaniu, nagrzewamy do odpowiedniej temperatury łączone powierzchnie, a następnie dociskamy i pod naciskiem studzimy. Ciepło do łączenia powierzchni może być doprowadzone z wykorzystaniem:
- promieniowania podczerwienią
- konwekcji (gorącym gazem)
- stykowej wymiany ciepła (elementem zewnętrznym lub wewnętrznym)
Na skalę przemysłową do łączenia drobnych detali wykorzystuje się najczęściej metodę ultradźwiękową (PMMA, PC, PF itp. ) natomiast zgrzewanie pojemnościowe stosowane jest do zgrzewania folii (PVC, PA). Pozostałe technologie wykorzystywane są do łączenia wszelkiego rodzaju rurociągów oraz instalacji.
Najszersze zastosowanie znalazły metody :
- doczołowa
- mufowa
- elektrooporowa
Metoda doczołowa – polega na ogrzaniu końców łączonych np. rur za pomocą elementu grzejnego w postaci płyty grzejnej i po uplastycznieniu dociśnięciu ich do siebie. Studzenie połączenia odbywa się pod naciskiem.
Metoda mufowa – polega na ogrzaniu dwóch końców łączonych rur a następnie połączenie ich po przez kształtkę która także była uprzednio podgrzewana do temperatury uplastycznienia wnętrza kształtki i części zewnętrznej rury.
Zgrzewanie elektrooporowe – zasadą tej metody jest wykorzystanie ciepła wydzielającego się przy przepływie prądu prze drut oporowy do uplastycznienia wewnętrznej powierzchni kształtki i zewnętrznej rury. Uzwojenie oporowe stanowi integralną część kształtki a do jego zasilania stosuje się urządzenia (elektrozgrzewarki) działające na zasadzie transformatora i wyposażone są w odpowiednią automatykę do dozowania energii i regulacji czasu nagrzewania.
Kontrola jakości połączeń
Stosuje się następujące metody kontroli jakości połączeń:
- ocena wizualna
- badania rentgenowskie i ultradźwiękowe
- badania niszczące, a w tym: -badania mechaniczne doraźne, badania wytrzymałościowe
Spawanie tworzyw sztucznych
Spawaniem nazywamy proces łączenia tworzyw termoplastycznych polegający na ich uplastycznieniu i wzajemnej dyfuzji w obszarze spoiny bez wywoływania docisku łączonych elementów. Spawanie bez użycia spoiwa ogranicza się do łączenia cienkich folii i w praktyce bardzo rzadko jest wykorzystywane, najczęściej zastępowane jest zgrzewaniem. Technika spawania wykorzystywane jest w budowie rurociągów przy wkładaniu wysypisk śmieci foliami z tworzyw sztucznych, produkcji zbiorników itp.
Powierzchnie spawane muszą być wolne od zanieczyszczeń, równe i pozbawione zewnętrznej utlenionej warstwy. Z tej przyczyny przed spawaniem należy przeprowadzić kilka podstawowych czynności wstępnych:
- oczyszczenie z brudu łączonych elementów i spoiwa
- zcyklinowanie powierzchni spawanych i spoiwa celem zdjęcia zewnętrznej utlenionej warstwy tworzywa
- odtłuszczenie spawanych powierzchni i spoiwa rozpuszczalnikiem nie agresywnym
Następną czynnością w przygotowaniu do spawania, nie zawsze konieczną jest ukosowanie. Wielkość i kąt ukosowania zależy od typu wykonywanej spoiny.
Spawanie gorącym powietrzem
Technika ta polega na doprowadzeniu do obszaru spawania materiału dodatkowego najczęściej pręta okrągłego lub trójkątnego i uplastycznieniu łączonych elementów oraz spoiwa gorącym powietrzem. Najszerzej wykorzystuje się elektryczne podgrzewanie powietrza. Podstawowe parametry spawania gorącym powietrzem to temperatura powietrza, jego ciśnienie i wydajność oraz siła nacisku spoiwa. Temperatura silnie zależy od rodzaju spawanego tworzywa i wynosi dla: HDPE (300¸350oC) lub 280¸370oC.
Materiał spoiwa jest najczęściej taki sam jak materiał spawanych elementów. Przebieg spawania jest najczęściej następujący:
- przygotowanie elementów do spawania
- przygotowanie spoiwa pistoletu
- dobór parametrów spawania
- wykonanie spoiny
- ochłodzenie spoiny
- zdjęcie zacisków
- obróbka końcowa
- odbiór jakościowy spoiny
Spawanie ekstruzyjne
Zasadnicza różnica w stosunku do spawania gorącym powietrzem polega na wprowadzeniu do spoiny tworzywa uplastycznionego w niewielkiej wytłaczarce (ekstruderze). Do wytłaczarki tworzywo podawane jest w postaci pręta okrągłego albo granulatu. Jeśli podawany jest ciągły pręt, ślimak tnie go na krótkie odcinki podobne do granulek. Gorące powietrze używane jest do nagrzewania obszaru spawania łączonych elementów i podtrzymania temperatury końcówki spawarki. Spawanie ekstruzyjne pozwala na uzyskanie spoin o większej wytrzymałości i jednorodności niż spawanie gorącym powietrzem. W jednym przejściu można spawać elementy o grubości do 30mm a wydajność uplastycznienia, regulowana prędkością obrotową ślimaka wytłaczarki dla HDPE dochodzi do 10kg na godzinę.
alina_kujawa