Zgrzewanie

1. Definicja i podział

Zgrzewaniem nazywamy proces łączenia tworzyw sztucznych poprzez ich docisk z podgrzaniem do stanu plastycznego miejsca styku łączonych elementów, bez dodawania spoiwa. Na skutek wywierania nacisku zachodzi wzajemne przeplatanie się łańcuchów polimeru w wyniku ich częściowego przenikania z łączonych elementów. Splątane segmenty makrocząsteczek tworzą, po ochłodzeniu (pod naciskiem), trwałe połączenie.

Proces zgrzewania jest determinowany przede wszystkim przez:
- temperatura (do jakiej nagrzewa się tworzywo łączone)
- docisk wywierany na łączone części
- czas zgrzewania
- czas i warunki chłodzenia złącza

W zależności od miejsca doprowadzenia lub powstawania ciepła w procesie zgrzewania rozróżnia się następujące metody:
- zgrzewanie w którym ciepło doprowadza się do zewnętrznej strony elementów łączonych (zgrzewanie za pomocą nagrzanego drutu, taśmy, listwy - zgrzewanie impulsowe)
- zgrzewanie w którym ciepło doprowadza się do wewnętrznej strony elementów łączonych (zgrzewanie przy użyciu nagrzanego klina lub płyty)
- zgrzewanie w którym ciepło jest wytwarzane w warstwach wierzchnich tworzyw łączonych lub małej masie tworzywa (zgrzewanie tarciowe, drganiowe,pojemnościowe, ultradźwiękowe lub indukcyjne)

1. Zgrzewanie kontaktowe

Nazywane często zgrzewaniem oporowym lub zgrzewaniem metodą gorącej elektrody. Metoda ta polega na dociśnięciu elementów nagrzaną listwą do zimnego podłoża lub na ściśnięciu elementów między dwiema nagrzanymi listwami. Jest to jedna z najbardziej rozpowszechnionych metod łączenia folii. Niekiedy stosuje się elementy grzejne w postaci noży, taśm lub drutów. Temperatura elementu grzejnego zależy od rodzaju spajanej folii i wynosi 300 - 400^oC. W miejscu przecięcia folii powstaje charakterystyczne zgrubienie zapewniające dobrą wytrzymałość złącza.
chemat oraz rozkład temperatury w łączonych foliach podczas zgrzewania kontaktowego. a) ogrzewanie jedną elektrodą b) dwiema elektrodami, 1-elektroda, 2-elementy grzejne, 3-podkładka z PTFE, 4-podkładka z gumy, t1-temperatura elektrod, t2-temperaturą zgrzewania, t3-najniższa temperatura folii

1. Zgrzewanie impulsowe

Polega na ściśnięciu i uplastycznieniu tworzywa łączonych elementów między szybko nagrzewającymi się i następnie ochładzanymi listwami. Podobnie jak w zgrzewaniu kontaktowym, ciepło dopływa od elementu grzejnego poprzez folie do miejsca spojenia, z tym że element jest ogrzewany nie w sposób ciągły, lecz przez krótki impuls prądu elektrycznego o dużej mocy. Zaletą metody zgrzewania impulsowego jest chłodzenie złącza pod dociskiem (przy zwartych listwach ściskających), co eliminuje możliwość jego uszkodzenia przed całkowitym schłodzeniem np. w czasie napełniania świeżo uformowanego opakowania. Przy zgrzewaniu jednostronnym możemy zgrzewać impulsowo folie o grubości do 0,2 mm, a przy dwustronnym do 0,5 mm. Proces zgrzewania impulsowego znajduje zastosowanie głównie w produkcji opakowań z jednoczesnym ich napełnieniem.
Schemat zgrzewania metodą impulsową z odcinaniem:1-listwa dociskowa, 2-przekładka z gumy porowatej, 3-przekładka z PTFE, 4-drut, 5-taśma impulsowa.

1. Zgrzewanie gorącym klinem

Polega na uplastycznieniu tworzywa elementów łączonych poprzez kontakt z nagrzanym klinem, przesuwanym wzdłuż miejsca łączenia(z zachowaniem styku) i docisku do siebie elementów łączonych, np. przy użyciu rolki. Zgrzewanie gorącym klinem jest stosowane najczęściej do łączenia folii i cieńszych płyt z PVC oraz z polietylenu i poli (metakrylanu metylu). Metodą tą wykonuje się złącza zakładkowe. Temperatura klina przy zgrzewaniu z PVC powinna wynosić 250-300^oC, PEdg - 220-260^oC, PEmg - 190-220^oC, PMMA - 260-300^oC.
Schemat zgrzewania oraz rozkład temperatury w łączonych foliach podczas zgrzewania gorącym klinem: a) zgrzewanie ręczne, b) zgrzewanie mechaniczne, 1-wałek dociskowy, 2-klin grzejny (dociskowy), 3-podkładka, 4-klin grzejny stały, 5-wałek dociskowy i transportowy.

1. Zgrzewanie nagrzaną płytą

Tą metodą spajania uplastycznia się powierzchnie zgrzewanych elementów za pośrednictwem gorącej płyty wprowadzonej między łączone powierzchnie, usuwa się płytę i dociska do siebie spajane elementy. Otrzymuje się w ten sposób doczołowe złącza rur, profili, kształtowników i prętów z twardego PVC, poliolefin, PMMA i innych tworzyw. Do zgrzewania elementów o średnicy do 250 mm płyta ma zwykle kształt koła, natomiast przy większych średnicach elementy zgrzewane mają kształt pierścienia. W celu przeciwdziałania przywieraniu uplastycznionego tworzywa powierzchnia płyty grzanej jest pokryta materiałem antyadhezyjnym, np. tkaniną impregnowaną PTFE.
Schemat zgrzewania za pomocą nagrzanej płyty; 1-łączone elementy (rury), 2-płyta nagrzewająca (plaska).

1. Zgrzewanie indukcyjne

Jest ono możliwe wówczas, gdy w strefie łączenia umieszczony zostanie przewodnik elektryczny, który nagrzewa się w zmiennym polu magnetycznym. Wokół przewodnika tworzywo ulega uplastycznieniu wskutek przewodzenia ciepła od niego do tworzywa. Wadą tej odmiany zgrzewania jest m.in. pozostawanie przewodnika w obszarze zgrzeiny.
Zasada zgrzewania indukcyjnego: 1-płyty dociskowe, 2-cewka indukcyjna, 3-pierścień metalowy, 4-przedmiot zgrzewany.

1. Zgrzewanie pojemnościowe

Polega na ściśnięciu i uplastycznieniu tworzywa łączonych elementów pomiędzy listwami, będącymi elektrodami kondensatora, w którym wytwarza się zmienne pole elektryczne, powodujące nagrzewanie się tworzywa w całej masie, i następnie ochłodzeniu złącza oraz wyjęciu elementów spod elektrod. Tworzywa sztuczne jako typowe dielektryki wykazują w polu elektrycznym zjawisko polaryzacji ( uporządkowane ustawienie się różnoimiennych ładunków elektrycznych, zgodnie z kierunkiem linii sił pola). W wyniku zmian kierunku działania pola, zmieniają się orientacje makrocząsteczek. Na skutek tarcia związanego z tymi ruchami, wydziela się ciepło. Jeśli do okładzin doprowadzi się prąd o dostatecznie wysokiej częstotliwości, makrocząsteczki zostaną wprowadzone w szybkozmienne drgania. W takich warunkach ilość wydzielonego ciepła jest wystarczająca do uplastycznienia niektórych tworzyw. Wydajność procesu ogrzewania, zależy głównie od częstotliwości prądu przemiennego oraz od współczynnika strat dielektrycznych. Ze wzrostem wartości tg Ro zwiększa się stopień przemiany energii elektrycznej cieplną, a tym samym korzystniejsze są efekty zgrzewania. Metoda ta znajduje zastosowanie przede wszystkim do łączenia folii PVC, ze względu na jej wysoki współczynnik strat dielektrycznych. W odróżnieniu od innych metod metoda ta umożliwia wykonywanie dowolnych złączy o najbardziej skomplikowanym kształcie i wytrzymałości równej wytrzymałości folii z PVC .Ze względu na możliwość przebicia elektrycznego nie zgrzewa się pojemnościowo folii o grubości poniżej 0,1 mm.
Rozkład temperatury w procesie zgrzewania pojemnościowego folii o równym współczynniku strat dielektrycznych: a) zgrzewanie folii o jednakowej grubości, b) zgrzewanie folii o różnej grubości, 1-elektrody, 2-folie zgrzewane, 3- krzywe rozkładu temperatury.

1. Zgrzewanie ultradźwiękowe

Zgrzewanie ultradźwiękami elementów z tworzyw polega na wprowadzeniu ich w szybkie drgania mechaniczne z częstotliwością ok. 20 kHz. Wskutek tego następuje nagrzewanie powierzchni styku spajanych elementów do temperatury uplastycznienia. Wywierany jednocześnie nacisk na miejsca spajania powoduje zgrzewanie elementów. Ciepło, niezbędne do uplastycznienia tworzywa, wydziela się na powierzchni złącza oraz wewnątrz zgrzewanych materiałów wskutek tarcia cząstek polimeru wprowadzonych w mechaniczne drgania. Czas zgrzewania ultradźwiękowego nie przekracza 1-2 s i zależy od rodzaju tworzywa oraz grubości i kształtu łączonych elementów. Zasadę procesu zgrzewania ultradźwiękowego przedstawia rysunek. Do przetwornika drgań jest doprowadzony z generatora prąd wysokiej częstotliwości. Przetwornik zmienia drgania elektryczne w mechaniczne o tej samej częstotliwości. Z przetwornikiem jest połączony trzpień drgający (sonotroda) , który przenosi drgania mechaniczne na zgrzewane materiały. Umieszczony naprzeciw sonotrody trzpień służy do przejmowania jej drgań oraz do odprowadzania wytwarzanego ciepła. Do łączenia tą metodą nadają się tworzywa odznaczające się wysoką zdolnością przenoszenia drgań mechanicznych, czyli materiały o dużym module sprężystości (poliwęglan, polimetakrylan metylu, poliestry termoplastyczne, tworzywa styrenowe, acetalowe oraz politlenek fenylenu). Aby przyspieszyć proces zgrzewania ultradźwiękami oraz uzyskać złącze o wymaganej wytrzymałości mechanicznej, należy odpowiednio ukształtować powierzchnie łączonych elementów, np. przez wykonanie w jednej z nich trójkątnego występu. W takim występie zachodzi intensyfikacja procesu wydzielenia ciepła, dzięki czemu następuje szybkie uplastycznienie materiału.
Zasada zgrzewania ultradźwiękowego bezpośredniego (a), oraz zgrzewania ultradźwiękowego pośredniego (b): 1- sonotroda, 2- kowadło, 3-transformator ultradźwiękowy, 4- elementy zgrzewane, 5- przetwornik ultradżwiękowy.