Instytut In

ynierii Materiałowej – Zakład Tworzyw Polimerowych

Techniki ł

czenia tworzyw sztucznych – zgrzewanie

1

Techniki ł

!

czenia tworzyw sztucznych – zgrzewanie

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. Zgrzewanie tworzyw sztucznych

Zgrzewanie tworzyw sztucznych jest to proces ł

czenia elementów z tworzyw

termoplastycznych polegaj

cy na uplastycznieniu pod wpływem podwy

$

szonej temperatury ł

czonych

powierzchni i docisku ich do siebie. Po ochłodzeniu powstaje trwałe zł

cze.

Ciepło potrzebne do uplastycznienia materiału, w zale

$

no

(

ci od techniki zgrzewania, mo

$

e by

#

doprowadzone z zewn

trz albo mo

$

e by

#

wytworzone wewn

trz materiału. Ła

)

cuchy polimerowe

doci

(

ni

*

tych do siebie ł

czonych powierzchni przeplataj

si

*

wzajemnie wskutek dyfuzji. Spl

tane

makrocz

steczki po ochłodzeniu tworz

trwałe poł

czenie. Ze wzgl

*

du na dyfuzyjny charakter procesu

wła

(

ciwo

(

ci wytrzymało

(

ciowe zł

cza zale

$+

od temperatury i czasu jej oddziaływania oraz od warto

(

ci

docisku i czasu jego trwania.

Rozró

$

ni

si

*

nast

*

puj

ce metody zgrzewania (podział ze wzgl

*

du na sposób doprowadzenia

ciepła):

A) nagrzewanie od

zewn

,

trznej strony ł

czonych elementów:

1) zgrzewanie kontaktowe

2) zgrzewanie impulsowe

B)

nagrzewanie od

wewn

,

trznej strony ł

czonych elementów:

3) zgrzewanie gor

cym powietrzem

4) zgrzewanie gor

cym klinem

5) zgrzewanie gor

c

płyt

6) zgrzewanie tarciowe

7) zgrzewanie wibracyjne

8) zgrzewanie laserowe

9) zgrzewanie mufowe (polidyfuzyjne)

C) nagrzewanie przy wytworzeniu ciepła wewn

trz ł

czonych materiałów

10) elektrooporowe

11) zgrzewanie pr

dami wysokiej cz

*

stotliwo

(

ci

12) Zgrzewanie mikrofalami

13) zgrzewanie ultrad

-

wi

*

kowe

2.1.1. Zgrzewanie kontaktowe

Zgrzewanie kontaktowe polega na doci

(

ni

*

ciu ł

czonych elementów (przede wszystkim folii) do

siebie mi

*

dzy gor

cymi elektrodami lub mi

*

dzy gor

c

i zimn

elektrod

. Elektrody s

nagrzewane

poprzez przepływ pr

du elektrycznego poprzez elementy elektrooporowe. Aby wyeliminowa

#

przywieranie uplastycznionego materiału do elektrod, powleka si

*

je policzterofluoroetylenem

(PTFE)(znany pod nazw

handlow

Teflon) lub tkanin

szklan

nasycon

PTFE. Elektrody podczas

./0123456178

9:4:341;<78

Instytut In

=

ynierii Materiałowej – Zakład Tworzyw Polimerowych

Techniki ł

>

czenia tworzyw sztucznych – zgrzewanie

2

całego procesu s

>

gor

>

ce. W przypadku ł

>

czenia folii, cz

?

sto zgrzewanie kontaktowe prowadzi si

?

w

ten sposób aby podczas procesu nast

>

piło przeci

?

cie z jednoczesnym spojeniem przeci

?

tych obrze

@

y.

2.1.2. Zgrzewanie impulsowe

Zgrzewanie impulsowe (rys. 10) polega na

A

ci

A

ni

?

ciu ł

>

czonych elementów (przede wszystkim

folii) elektrodami, które nast

?

pnie wskutek krótkiego impulsu pr

>

du elektrycznego s

>

bardzo szybko

nagrzewane, a nast

?

pnie szybko schłodzone. Czas impulsu wynosi od 0,1 do ok. 3 sekund w

zale

@

no

A

ci od grubo

A

ci. Impuls pr

>

du nie nagrzewa całej elektrody tylko cienk

>

ta

A

m

?

elektrooporow

>

znajduj

>

c

>

pod elektrod

>

osłoni

?

t

>

tkanin

>

szklan

>

przesycon

>

PTFE. Po ustaniu impulsu ciepło jest

odbierane przez masywn

>

elektrod

?

stalow

>

, która mo

@

e by

B

dodatkowo cały czas chłodzona. Zalet

>

metody zgrzewania impulsowego jest chłodzenie zł

>

cza pod dociskiem, co eliminuje mo

@

liwo

ACB

jego

uszkodzenia przed całkowitym schłodzeniem. Zalety tej nie posiadaj

>

zgrzewarki kontaktowe. Metoda ta

jest najbardziej rozpowszechniona do zgrzewania opakowa

D

z folii z jednoczesnym ich napełnianiem.

EFG

H

I

Rys. 10. Schemat zgrzewania impulsowego. 1 – listwa dociskowa, 2 – ta

J

ma elektrooporowa, 3 – guma

porowata (izolacja elektryczna ta

J

my), 4 – tkanina szklana przesycona PTFE, 5 – ł

K

czone folie

2.1.3. Zgrzewanie gor

L

cym powietrzem

Zgrzewanie to polega na nagrzaniu gor

>

cym powietrzem wewn

?

trznych stron ł

>

czonych

materiałów i docisku ich do siebie (rys. 11). Parametrem zgrzewania jest temperatura wypływaj

>

cego

powietrza i jego ci

A

nienie a tak

@

e pr

?

dko

ACB

przesuwu oraz wielko

ACB

docisku. Docisk najcz

?A

ciej odbywa

si

?

za pomoc

>

elastycznego wałka co umo

@

liwia zgrzewanie nierównych powierzchni. Technik

>

zgrzewania gor

>

cym powietrzem wykonuje si

?

zł

>

cza zakładkowe. Metoda ta jest wydajna i umo

@

liwia

wykonywanie poł

>

cze

D

z szybko

A

ci

>

do 15 m/min.

MNOPQRSTUPVW

XYSYRSPZ[VW

Instytut In

\

ynierii Materiałowej – Zakład Tworzyw Polimerowych

Techniki ł

]

czenia tworzyw sztucznych – zgrzewanie

3

Rys. 11. Zgrzewanie gor

^

cym powietrzem polietylenowej wykładziny basenu pływackiego ta

_

m

^

o szeroko

_

ci.

2.1.4. Zgrzewanie gor

`

cym klinem

Zgrzewanie t

]

metod

]

polega na uplastycznieniu kraw

a

dzi ł

]

czonych elementów za pomoc

]

gor

]

cego klina metalowego i docisku kraw

a

dzi do siebie. Nacisk na elementy wywierany jest za pomoc

]

walcowej rolki. Metoda podobna do zgrzewania gor

]

cym powietrzem. Technik

]

to zgrzewa si

a

folie i

cienkie płyty np. z PE, PVC, PMMA.

2.1.5. Zgrzewanie gor

`

c

`

płyt

`

Metoda ta polega na doci

b

ni

a

ciu powierzchni ł

]

czonych do gor

]

cej płyty w celu uplastycznienia

tworzywa, a nast

a

pnie po usuni

a

ciu płyty docisku powierzchni do siebie. Podstawowymi parametrami

zgrzewania s

]

: temperatura płyty, czas docisku do płyty i siła docisku, czas docisku powierzchni

ł

]

czonych i siła docisku. Podczas zgrzewania tworz

]

si

a

dwa symetryczne wypływki (wałeczki) powstałe

z wyci

b

ni

a

tego ze zł

]

cza tworzywa. Metod

]

t

]

masowo wykonuje si

a

poł

]

czenia rur i płyt z tworzyw

sztucznych termoplastycznych. Najwi

a

ksze zastosowanie metoda znajduje w ł

]

czeniu rur z

przeznaczeniem do wody, gazu i innych mediów. Najcz

ab

ciej s

]

to rury z PEHD, PP. Du

c

e

zastosowanie metoda ta ma w produkcji okien i drzwi z PVC. Zgrzewaniem doczołowym ł

]

czy si

a

płyty

w budowie zbiorników instalacji chemicznych.

2.1.6. Zgrzewanie tarciowe

W metodzie tej ciepło niezb

a

dne do uplastycznienia materiału uzyskuje si

a

przez wzajemne

tarcie ł

]

czonych powierzchni z jednoczesnym dociskiem ich do siebie. Po osi

]

gni

a

ciu wymaganej

temperatury operacj

a

tarcia przerywa si

a

utrzymuj

]

c tylko docisk. Zgrzewanie mo

c

na przeprowadza

d

na

przystosowanych do tego tokarkach – ł

]

czy si

a

w ten sposób rury. Dobrze zgrzewaj

]

si

a

t

]

metod

]

twarde termoplasty, podatne na utlenianie w podwy

c

szonej temperaturze. Zgrzewanie odbywa si

a

praktycznie bez dost

a

pu powietrza do uplastycznionego tworzywa. Metoda doskonale nadaje si

a

do

zgrzewania PA, który jest twardy i podatny na utlenianie w podwy

c

szonej temperaturze.

2.1.7. Zgrzewanie wibracyjne

Zgrzewanie wibracyjne jest odmian

]

zgrzewania tarciowego, gdy

c

ciepło potrzebne do

uplastycznienia materiału równie

c

wydziela si

a

podczas tarcia. Ró

c

nica polega na tym,

c

e ł

]

czone

powierzchnie tr

]

o siebie wykonuj

]

c wibracje wzgl

a

dem siebie. Jeden z elementów jest nieruchomy, a

drugi wprowadzany w ruch drgaj

]

cy, przy jednoczesnym wywieraniu docisku. Cz

a

stotliwo

bCd

stosowana

w tej metodzie wynosi 100 – 280 Hz. Elementy zgrzewane mog

]

mie

d

dowolny kształt. Wzgl

a

dne

przemieszczenie zgrzewanych cz

ab

ci mo

c

e by

d

liniowe lub k

]

towe. Wibruj

]

ce powierzchnie

zgrzewanych elementów ulegaj

]

uplastycznieniu w ci

]

gu 2-3 s, a po ustaniu drga

e

nast

a

puje ich

fghijklmniop

qrlrklistop

Instytut In

u

ynierii Materiałowej – Zakład Tworzyw Polimerowych

Techniki ł

v

czenia tworzyw sztucznych – zgrzewanie

4

zestalenie pod odpowiednim dociskiem. T

v

metod

v

zgrzewa

w

mo

x

na elementy o wi

y

kszych gabarytach

np. zbiorniki na paliwo do samochodów.

2.1.8. Zgrzewanie laserowe

W tej metodzie nast

y

puje uplastycznienie ł

v

czonych powierzchni jest nast

y

pstwem absorpcji

promieniowania laserowego. Oddziaływanie promienia lasera z makrocz

v

steczkami polimeru powoduje

zwi

y

kszenie ich drga

z

i podniesienie temperatury tworzywa. Je

x

eli tworzyw wykazuje słab

v

absorpcj

y

promieniowania lasera, wprowadza si

y

uprzednio do tworzywa

{

rodki pomocnicze w postaci cz

v

stek

dobrze absorbuj

v

cych to promieniowanie. Przy pomocy lasera mo

x

na wykona

w

poł

v

czenia doczołowe

poprzez nagrzanie laserem rozsuni

y

tych powierzchni przeznaczonych do zgrzania a nast

y

pnie docisku

ich do siebie podobnie jak ma to miejsce podczas zgrzewania gor

v

c

v

płyt

v

. Drugim sposobem

zgrzewania za pomoc

v

lasera jest wykonywanie poł

v

cze

z

elementów, z których jeden przepuszcza

promieniowanie (nie wykazuje absorpcji) natomiast drugi doskonale absorbuje je. S

v

to elementy z tego

samego polimeru ale jeden z elementów posiada napełniacz absorbuj

v

cy promieniowanie lasera.

Elementy s

v

doci

{

ni

y

te do siebie, promie

z

lasera przechodzi przez jeden materiał natomiast na styku

elementów nast

y

puje absorpcja promieniowania z wydzieleniem ciepła i zgrzanie.

2.1.9. Zgrzewanie mufowe (polidyfuzyjne)

Metoda stosowana wył

v

cznie do ł

v

czenia rur. W metodzie tej ł

v

czenie rur odbywa si

y

za

pomoc

v

kształtek (muf), nie ł

v

czy si

y

rury z rur

v

bezpo

{

rednio. Miejsce zgrzania jest wewn

y

trzna

powierzchnia kształtki i zewn

y

trzna rur. Nagrzewania odbywa si

y

na specjalnych narz

y

dziach pokrytych

np. teflonem aby zapobiec adhezji do elementów grzejnych. Narz

y

dzie jest w postaci nagrzanego z

jednej strony trzpienia i z drugiej strony rury, na które nasadza si

y

jednocze

{

nie kształtk

y

i wsadza rur

y

.

Po podgrzaniu elementów narz

y

dzie usuwa si

y

i natychmiastowo wkłada si

y

rur

y

w kształtk

y

i

nast

y

puje zgrzanie. Metod

v

to wykonuje si

y

coraz cz

y{

ciej instalacje wodne z rur PE i PP w

gospodarstwach domowych.

2.1.10. Zgrzewanie elektrooporowe

Metoda prawie identyczna jak zgrzewanie mufowe z t

v

ró

x

nic

v

,

x

e nie nagrzewa si

y

powierzchni ł

v

czonych gor

v

cym narz

y

dziem. Kształtki (mufy) posiadaj

v

wtopiony w

{

cianki drut

elektrooporowy. Po wło

x

eniu rur w kształtk

y

, przez drut przepuszczany jest pr

v

d elektryczny

powoduj

v

cy rozgrzanie drutu i otaczaj

v

cego go polimeru. Podgrzewa si

y

zarówno wewn

y

trzna

powierzchnia kształtki jak i zewn

y

trzna powierzchnia rur w kształtce. Nast

y

puje zgrzanie powierzchni.

2.1.11. Zgrzewanie pr

|

dami wysokiej cz

}

stotliwo

~

ci

Metoda przeznaczona do tworzyw sztucznych maj

v

cych budow

y

polarn

v

i wykazuj

v

cych wysoki

współczynnik stratno

{

ci dielektrycznej przede wszystkim do PVC. Mo

x

liwe jest te

x

zgrzewanie t

v

metod

v

ABS, PET, PUR, EVA, CA. Pod działaniem pola elektromagnetycznego nast

y

puje polaryzacja

cz

v

steczek tworzywa wg linii działania pola czyli ustawienie si

y

dipoli analogicznie jak ustawia si

y

igła

kompasu w polu elekromagnetycznym. Po zmianie biegunów przyło

x

onego napi

y

cia, nast

y

puje

przegrupowanie dipoli o 180

O

. Je

x

eli zmiana biegunów odbywa si

y

miliony razy w ci

v

gu sekundy

(dokładnie 27 MHz), ruch dipoli wywołuje tarcie wewn

y

trzne i nagrzewanie si

y

materiału (wyobrazi

w

sobie to mo

x

na w ten sposób,

x

e igła kompasu reprezentuj

v

ca pojedynczy dipol na skutek zmiennego

pola elektromagnetycznego ustawiała si

y

z wielk

v

cz

y

stotliwo

{

ci

v

raz w gór

y

raz w dół). Elektrody, które

dociskaj

v

materiał s

v

zimne a ciepło wytwarzane jest w materiale mi

y

dzy elektrodami. Górna elektroda

ma kształt wykonywanego zł

v

cza a doln

v

stanowi płyta. Wytrzymało

{Cw

wzgl

y

dna spoin wykonanych t

v

metod

v

jest bardzo wysoka i dochodzi do 99%, gdy

x

wymuszony ruch dipoli bardzo wzmaga dyfuzj

y

ła

z

cuchów i wzajemne ich przemieszanie w zł

v

czu. Metod

v

t

v

wykonuje si

y

zgrzewanie elementów

wyposa

x

enia samochodowego, materiałów obiciowych wykonanych np. ze sztucznej skóry PVC.

€‚ƒ„…†‡‚ˆ‰

Š‹…‹„…‚Œˆ‰

Instytut In

Ž

ynierii Materiałowej – Zakład Tworzyw Polimerowych

Techniki ł



czenia tworzyw sztucznych – zgrzewanie

5

2.1.12. Zgrzewanie mikrofalami

Metoda analogiczna do zgrzewania pr



dami wysokiej cz



stotliwo

‘

ci ró

’

ni



ca si



jedynie

cz



stotliwo

‘

ci



pola wynosz



ca 0,3-300 GHz i długo

‘

ciami fal elektromagnetycznych.

2.1.13. Zgrzewanie ultrad

“

wi

”

kowe

Zgrzewanie to polega na wprowadzeniu materiału ł



czonego za pomoc



sondotrody w drgania

o cz



stotliwo

‘

ciach ultrad

•

wi



kowych (20-40 KHz), przez co w miejscu odpowiednio uformowanego

styku materiałów wydziela si



ciepło umo

’

liwiaj



ce zgrzanie po ustaniu drga

–

. Ciepło wydziela si



z

powodu tarcia wewn



trznego na skutek wysokich napr

’

e

–

zmiennych w czasie (a co za tym idzie

odkształce

–

) w miejscu styku materiałów. Materiały w miejscu styku maj



mał



powierzchnie co

powoduje ze pod wpływem siły w tym miejscu powstaj



du

’

e napr

’

enia i odkształcenia. Zgrzewarka

ultrad

•

wi



kowa składa si



m.in. z przetwornika drga

–

, w którym wytwarzane s



drgania mechaniczne

trzpienia, który przenosi je na materiał ł



czony a tak

’

e z kowadełka przejmuj



cego nadmiar drga

–

i

odprowadzaj



cego ciepło. Tworzyw przeznaczone do zgrzewania ultrad

•

wi



kowego nie powinny tłumi

—

drga

–

a wi



c powinny by

—

twarde (np. PA, PC, PMMA, PS, PET, PBT), aby przekazywa

—

cał



energi



do zł



cza. Metoda wydajna, czas zgrzewania nie przekracza 2 s.

3. Sposób wykonania

˜

wiczenia

Instrukcja obsługi urz



dze

–

wraz z danymi technicznymi oraz uwagami dotycz



cymi BHP

powinna znajdowa

—

si



na stanowisku. Obsługiwanie 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

‘C—

, gdy

’

w przeciwnym wypadku istnieje gro

•

ba poparzenia.

3.1. Zgrzewanie tworzyw sztucznych

W czasie

—

wicze

–

zostan



wykonane poł



czenia doczołowe rur z PE i PP metod



gor



cej płyty.

Przy pomocy zgrzewarki impulsowej wykonane zostan



worki z folii PE. Na zgrzewarce wielkiej

cz



stotliwo

‘

ci wykonane zostanie poł



czenie folii ze zmi



kczonego PVC.

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

4. K. Kwiatkowski, Z. Rosłaniec – „Badanie poł



cze

–

spawanych elastomerów poli(eterowo-

estrowych). Cz. I. Wpływ zawarto

‘

ci segmentów gi



tkich na morfologi



i wła

‘

ciwo

‘

ci

mechaniczne”, POLIMERY 2004,49, 268-274

5. Spawanie termoplastycznych tworzyw sztucznych przy u

’

yciu spawarek r



cznych. Materiały

reklamowe firmy LEISTER, prospekt 21A/PL , Kagiswil, Szwajcaria