Экструзионная сварка — один из процессов, используемых для сварки термопластов и композитов , разработанный в 1960-х годах как развитие сварки горячим газом . Это может быть ручной или автоматизированный процесс. [1] [2]
В процессе используется сварочная головка с соплом для горячего воздуха и экструдер, который выталкивает присадочный материал. Процесс включает в себя нагревание соединяемых (стыкуемых) поверхностей и добавление расплавленного или пластифицированного присадочного материала (экструдата) путем его выдавливания через фильеру ( башмак). Процесс наносит экструдат под давлением, чтобы обеспечить хорошее соединение, а затем позволяет детали остыть.
Этапы этого процесса сварки аналогичны другим процессам сварки пластмасс и включают: [1] [3]
Предварительный нагрев требуется в начале сварки. Обычно это достигается с помощью сопла горячего воздуха на сварочном пистолете и обдува стартовой зоны. После начала сварки правильная скорость перемещения и угол наклона пистолета обеспечат достаточный предварительный нагрев предстоящей поверхности.
Наполнитель представляет собой полимер, который поставляется в виде намотанных на катушки нитей или гранул.
Большинство сварных соединений рассчитаны на один проход, но пластины толщиной более 30 мм потребуют нескольких проходов. Поскольку большинство проходов рассчитаны на один проход, экструзионная сварка обычно занимает меньше времени по сравнению с другими процессами сварки пластика, особенно ее предшественником, сваркой горячим газом. [1]
Совместное проектирование включает в себя:
Стыковые соединения будут одно- или двух-V-образными с 45-90 ° и корневым зазором 0-2 мм. При сварке двух-V-образной канавки сварку необходимо выполнять минимум за два прохода.
Т-образные соединения обычно имеют один скос 45–60 ° и зазор между кромками 0–2 мм. [1]
Также возможны как соединения TYK для трубопроводов, так и угловые сварные швы.
Экструзионная сварка является привлекательным процессом для приложений, которые используют его способность быстро сваривать толстые секции. Для некоторых приложений, особенно там, где есть детали большой геометрии, где более традиционные методы сварки пластика (например, сварка горячей пластиной ) невозможны, экструзионная сварка является единственным возможным и экономически эффективным вариантом. В частности, резервуары для жидких отходов, едких материалов, водоснабжения являются обычными приложениями. Пока достигается герметичное соединение, экструзионную сварку можно использовать также для гидроизоляционных приложений. [2] [4] [5]
Экструзионная сварка показала наибольший успех при сварке различных типов полиолефинов . [2] [4]
Распространенные материалы, свариваемые с помощью этого процесса:
Хотя существуют различные виды оборудования для экструзионной сварки, каждая установка для экструзионной сварки состоит из трех основных компонентов: [1] [2] [6]
Экструдер — это часть установки, которая фактически подает экструдат через систему. Настройка экструдера зависит от того, находится ли экструдат в форме гранул или намотанной пряди. При использовании намотанной пряди катушка подается через трубку в сварочную головку, а затем выходит через башмак. При использовании гранул для экструдата гранулы подаются в бункер, затем нагретый спиральный экструдер проталкивает их через сварочную головку и через башмак в качестве расплавленного присадочного материала. Гранулы можно использовать только при выполнении сварки в плоском или горизонтальном положении.
Для большинства применений источником лучистого тепла будет горячий воздух. Воздух нагревается и продувается через сопло, которое является частью установки сварочной головки. Доступны различные геометрии сопла, и сварщик может выбрать определенное сопло в зависимости от конфигурации соединения. Хотя существует сопло общего назначения, некоторые сопла обеспечивают более тщательный или более сфокусированный нагрев данного типа соединения. Хотя горячий воздух обычно используется в качестве средства для предварительного нагрева, галогенные лампы иногда используются в качестве средства для предварительного нагрева прилегающей поверхности. [1]
Сварочный башмак — это матрица на конце подачи, через которую экструдируется присадочный материал. Обычно башмак изготавливается из политетрафторэтилена (ПТФЭ) из-за его антипригарных свойств. Сварочные башмаки бывают разных форм и размеров в зависимости от конструкции свариваемого соединения. Сварочный башмак также будет иметь направляющие ниппели, которые предотвращают течение расплавленного экструдата в нежелательном направлении.
Существует несколько основных параметров сварки, и каждый из них оказывает различное влияние на процесс сварки. Некоторые из них зависят от сварщика, тогда как другие можно настроить на машине до начала сварки. Правильный баланс каждого параметра является ключом к получению прочных и эстетичных сварных швов. Автоматизация или мастерство опытного сварщика в сочетании с правильно настроенными параметрами приведут к получению стабильных и воспроизводимых сварных швов. [2]
Скорость сварки или скорость перемещения — это скорость, с которой сварной шов перемещается по сварному соединению. Для автоматизированной системы скорость сварки можно установить до того, как машина начнет работать. При ручной настройке скорость перемещения будет зависеть от сварщика. Если скорость перемещения слишком высокая, не будет достаточного количества наплавленного материала, что приведет к небольшому сварному шву. Слишком быстрое перемещение также может не дать достаточного времени для получения достаточного количества тепла на прилегающих поверхностях. Это приведет к плохому сцеплению экструдата с прилегающей поверхностью. Эта плохая адгезия приводит к плохой прочности сварной детали. И наоборот, если скорость перемещения слишком низкая, то будет слишком много наплавленного материала, что приведет к неэстетичному сварному шву и потенциальному образованию грата, который затем необходимо будет удалить. [6]
Положение сварочного пистолета имеет важное значение для обеспечения того, чтобы экструдат был нанесен в нужной области. При использовании ручной системы сварщик должен убедиться, что сварочная головка направлена правильно. Если между пистолетом и соединением есть несоосность, материал не будет нанесен в нужную область. Чтобы помочь сварщику, сварочный башмак будет специально сформирован для заданной геометрии соединения, чтобы положение сохранялось на протяжении всей сварки. [6]
Температура экструдата будет установлена на экструдере до начала сварки. Температура должна быть достаточно высокой, чтобы экструдат был достаточно текучим для текучести, но не настолько высокой, чтобы полимерный наполнитель начал химически разлагаться. Идеальная температура для экструдата будет зависеть от того, какой полимер используется. [1]
Исследования показали, что скорость воздушного потока и температура являются двумя важнейшими факторами в развитии предела ползучести сварных деталей. Это связано с тем, что скорость воздушного потока и температура воздуха являются двумя важнейшими факторами в развитии слоя расплава перед сваркой. Слой расплава представляет собой слой расплавленного полимера поверх прилегающей поверхности. Когда слой расплава достигает идеальной толщины для сварки, предел ползучести сварных швов резко возрастает. Однако, как и в случае с температурой экструдата, идеальная температура и скорость воздушного потока для основного материала будут зависеть от того, какой полимер сваривается. Кроме того, воздушный поток может изменяться в зависимости от формы сопла. [3] [5]
Скорость экструзии — это то, сколько экструдата фактически переносится в соединение в любой момент времени. Наряду с температурой экструдата и скоростью/температурой воздушного потока, скорость экструзии должна быть сбалансирована для достижения идеальных свойств сварки. Если добавлено недостаточно материала, то не будет полного сплавления соединения. И наоборот, если добавлено слишком много наполнителя, то есть вероятность образования заусенцев или острых точек на концах сварного шва. Они будут действовать как концентраторы напряжений и резко уменьшат прочность сварного шва как при динамической, так и при усталостной нагрузке. [5]
Главное преимущество экструзионной сварки заключается в том, что она позволяет достичь очень высокой скорости осаждения присадочного материала в соединение, тем самым сокращая время цикла. По сравнению со сваркой горячим газом, которая является процессом полимерной сварки, который может иметь много тех же применений, время завершения сварки в 5-6 раз меньше. [1]
При правильных параметрах зоны сплавления сварного шва фактически не будут самой слабой частью данной изготовленной полимерной детали. [5]
Поскольку многие из основных параметров сварки предварительно установлены на аппарате, возможно получение сварных швов стабильно высокого качества.
При использовании ручной экструзионной сварки сварщик должен обладать определенными навыками для получения качественных сварных швов. Это особенно актуально при сварке в вертикальном или потолочном положении. Кроме того, ручной аппарат может весить до 12 кг, что может оказаться громоздким. [1] [2]