• 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.

• 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 powietrze

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350^oC) lub 280370^oC.

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.

• Rodzaje połączeń

• Połączenia

• rozłączne

Połączenia nierozłączne

---