Зварювання пластмас

ВСТУП

Збільшення виробництва пластмас по обсязі і номенклатурі, розширення областей застосування цих матеріалів у народному господарстві стимулюють розвиток досліджень, розробку технологічних процесів і устаткування для виготовлення різних конструкцій із пластмас у машинобудуванні й інших галузях промисловості. Особливе місце серед цих процесів займає зварювання.

Зварювання термопластів — це з'єднання двох чи більше частин однакового матеріалу за рахунок впливу теплоти і тиску при повному або майже повному зникненні границі розділу між поверхнями, які з'єднуються.

Промислове застосування зварювання пластмас почалося в другій половині 40-х років ХХ ст., коли її стали використовувати при виробництві корозійностійкої хімічної апаратури з непластифікованого полівінілхлориду (ПВХ). Для цих цілей застосовували ручне зварювання нагрітим газом із присаджувальним матеріалом.

Створення на основі ПВХ плівкових матеріалів привело до розробки й освоєння процесу високочастотного зварювання, що забезпечує швидке нагрівання зазначених матеріалів завдяки високому фактору їхніх діелектричних втрат.

Виробництво і застосування в 50-х роках поліолефінів стимулювало розробку різних способів термоконтактного зварювання і створення устаткування для їхнього здійснення. Однак зазначені способи зварювання не дозволяли з'єднувати пластмасові матеріали з забрудненими поверхнями, наприклад, при упакуванні в полімерну тару різних продуктів, а також одержувати якісні з'єднання орієнтованих термопластичних матеріалів і, зокрема, що з'явилися на початку 60-х років поліетилентерефталатних плівок. У результаті планомірних пошуків, спрямованих на рішення зазначених задач, розроблений спосіб зварювання пластмас ультразвуком.

Широке застосування поліолефінів великої товщини для виробництва великогабаритних конструкцій складної конфігурації привело до розробки в 60-х роках екструзійного способу зварювання, що відрізняється великою продуктивністю, високою якістю зварених з'єднань.

Таким чином, у даний час практика має у своєму розпорядженні різні способи зварювання термопластів, застосування кожного з який залежить від структури і властивостей матеріалів, що зварюються, особливостей конструкцій, масовості їхнього виробництва.

Комплекс робіт в області зварювання термопластів, проведених головним чином за останні роки, дозволяє розглядати зварювання як самостійний технологічний процес переробки термопластів.

В останні роки розроблені нові способи зварювання, створені унікальні зразки зварювального устаткування, знайдена можливість зварювання важкозварюваних перспективних матеріалів.

Щорічно збільшуються обсяги виробництва і застосування виробів із пластмас. Це обумовлено їхніми корисними властивостями, до яких відносяться велика корозійна стійкість і довговічність; технологічність у механічній обробці і зварюванні; легкість; діелектричні властивості, гнучкість, гладкість і ін. Застосування пластмас у порівнянні з металами дозволяє в 10-15 разів збільшити термін служби виробів, у 5-8 разів зменшити їхню масу і на 15...20% знизити транспортні витрати. Переробка пластмас виконується з меншими витратами енергії і праці, ніж переробка металевих матеріалів.

Заключним етапом при виготовленні виробів і конструкцій із пластмас є складання. Частка витрат на складання може бути від 30 до 70% загальної вартості виробництва виробів і конструкцій. У зв'язку з цим розвиток різних способів з'єднання пластмас, серед яких найбільше застосування знайшло зварювання, має велике техніко-економічне значення

В останні році освоєне зварювання практично всіх термопластів, що застосовуються для виготовлення виробів і конструкцій різного призначення, при цьому особливе значення приділялося питанням механізації й автоматизації зварювальних процесів. Зварювання стало важливим і самостійним технологічним процесом, що визначає якість, надійність і довговічність зварених пластмасових виробів і конструкцій.

Найближчим часом передбачається зниження частки неекономічних і важкоавтоматизовуваних способів зварювання, наприклад, зварювання нагрітим газом, а також пошук нових технологічних схем і нових способів зварювання, що дозволять з високою точністю дозувати енергію, яка вводиться. При цьому повинні бути збільшені обсяги застосування сучасних високопродуктивних способів - зварювання нагрітим інструментом в стик, зварювання екструдованою присадкою та особливо зварювання ультразвуком. Подальше підвищення продуктивності зварювальних процесів в основному буде здійснюватися за рахунок механізації і автоматизації допоміжних операцій.

1. ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ

1.1

ОСНОВНІ УЯВЛЕННЯ ПРО ПОЛІМЕРНІ МАТЕРІАЛИ

1.2

СПОСОБИ ЗВАРЮВАННЯ ПЛАСТМАС

1.3

Визначення основних видів зварювання пластмас

1.4

ВИБІР СПОСОБІВ ЗВАРЮВАННЯ ПЛАСТМАС

З

Практичне заняття № 1

1  ВИЗНАЧЕННЯ ОСНОВНИХ ПАРАМЕТРІВ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ЗВАРЮВАННЯ ПЛАСТМАС

1.1. ЗАВДАННЯ

Розрахувати основні параметри точкового ультразвукового зварювання полімерних плівок товщиною  (рис. 1.1). З'єднання полімерних плівок проводиться внапустку.

Рисунок 1.1 - Схема ультразвукового зварювання полімерних плівок.

Таблиця 1.1 - Вихідні дані для розрахунку основних параметрів ультразвукового зварювання полімерів

ВаріантМатеріалТовщина, , мкм1Поліетилен ПЕНТ5002Поліетилен ПЕ ВТ2503Поліпропілен ПП5004Полістирол ПС7505Поліамід ПА5006Поліетилен ПЕНТ7507Поліетилен ПЕ ВТ5008Поліпропілен ПП10009Полістирол ПС100010Поліамід ПА100011Поліетилен ПЕНТ100012Поліетилен ПЕВТ75013Поліпропілен ПП150014Полістирол ПС200015Поліамід ПА200016Поліетилен ПЕНТ175017Поліетилен ПЕ ВТ150018Поліпропілен ПП75019Полістирол ПС50020Поліамід ПА750

1.2 ПОРЯДОК РОЗРАХУНКУ ОСНОВНИХ ПАРАМЕТРІВ РЕЖИМУ ЗВАРЮВАННЯ

Основними параметрами ультразвукового зварювання пластмас є амплітуда коливань зварювального наконечника , зварювальне зусилля  і час зварювання . Встановлення значень цих параметрів проводиться, як правило, експериментально. Разом з тим, специфіка зварювання полімерів вимагає їх уточнення і доповнення.

Розрахунок основних параметрів ультразвукового зварювання полімерів проводиться по такій схемі.

1.2.1 Для заданого матеріалу і товщини  полімерних плівок встановити необхідні для розрахунку основні механічні властивості матеріалу і скласти зведену таблицю вихідних даних, форма якої приведена нижче / врахувавши зауваження, які наведені після таблиці.

Таблиця 1.2 – Зведена таблиця вихідних даних і основних механічних властивостей матеріалу

Варі-антМате-ріалТовщина плівки , мкм (м)Границя текучості, кгс/см2 (Па)Модуль пруж-ності Е, Мпа (Па)Тепло-ємність кал/гС (Дж/кгК)Гус-тина , г/см3 (кг/м3)Тем-ра плав. Тпл., С (К)Тан-генс кута мех. втрат tg

Примітка. Якщо для якогось параметру вказане орієнтовне значення, тоді в таблиці приводиться конкретне значення цього параметру, як правило, середнє арифметичне між мінімальним і максимальним орієнтовним значенням. В дужках вказати значення параметру в основних одиницях системи СІ.

1.2.2 Виходячи із діаметра d зварювального наконечника, визначити площу вводу ультразвуку .

1.2.3 Враховуючи товщину зварювального матеріалу і площу вводу енергії, розрахувати потужність, яку необхідно ввести в зону зварювання:

    (1)

де  - частота ультразвукових коливань зварювального наконечника, в більшості випадків приймається рівною  = 22 кГц.

1.2.4 Розрахувати орієнтовне значення зварювального зусилля :

.      (2)

1.2.5 Визначити амплітуду коливань :

.     (3)

1.2.6 Уточнити значення , розрахованого в п. 4, визначивши його за формулою:

,     (4)

де  – коефіцієнт, що враховує особливості коливальної системи, її втрати, характер опору навантаження і т. п., і знаходиться в межах

= 0,18...0,20.

1.2.7 Визначити час зварювання , виходячи із співвідношення:

,     (5)

де То – початкова температура зварювальних матеріалів.

1.2.8 Скласти таблицю основних параметрів режиму ультразвукового зварювання полімерних плівок, форма якої приведена нижче.

Таблиця 1.3 – Основні параметри режиму ультразвукового зварювання полімерних плівок

МатеріалТовщина плівок  м (мм)Амплітуда коливань Азв, м (мкм)Зварювальне зусилля , НЧас зварювання , сЧастота коливань , Гц (кГц)

Всі обчислення проводити в системі СІ.

Для економії затрат часу на математичні обчислення рекомендується скласти програму розрахунку основних параметрів режиму на алгоритмічній мові і провести обчислення.

Розрахункові значення параметрів округлити до значень нормальних лінійних розмірів / ГОСТ 6636 – 69 /.

Нижче проводиться зразок одного із пунктів розрахунку основних параметрів режиму.

ПРИКЛАД

Визначаємо значення зварювального зусилля , за формулою:

де  = 0,19 – коефіцієнт, який враховує особливості коливальної системи, її втрати, характер опору навантаження і т. п.

Запитання для самоперевірки

1. Які характерні особливості ультразвукового зварювання пластмас?

2. Які вироби зварюють ультразвуком?

3. В чому полягає суть ультразвукового зварювання?

4. Яку роль виконують зварювальне і динамічне зусилля?

5. Як протікають фізико-хімічні процеси при зварюванні?

6. Які є схеми ультразвукового зварювання?

7. Як відбувається нагрівання зварювальних матеріалів?

8. Який порядок визначення основних параметрів режиму зварювання?

Практичне заняття № 2

2  ВИЗНАЧЕННЯ ОСНОВНИХ ПАРАМЕТРІВ ЗВАРЮВАННЯ

ПЛАСТМАС ТЕРТЯМ

2.1 ЗАВДАННЯ

Розрахувати основні параметри зварювання пластмасових труб (рис.2.1 а) зовнішнім діаметром D, або суцільних пластмасових стержнів (рис.2.1 б) діаметром d.

Рисунок 2.1 - Схеми зварювання тертям: а - пластмасової труби; б -суцільного пластмасового стержня.

2.2 ВИХІДНІ ДАНІ

Вихідними даними для розрахунку основних параметрів зварювання тертям є зовнішній D і внутрішній Dв діаметри труби (або діаметр d суцільного стержня) і матеріал, з якого вони виготовлені. Крім того, по таблицях, які додаються, потрібно визначити основні механічні властивості матеріалу труби або стержня.

Кожен студент отримує завдання згідно варіанту /див. табл. 2.1/.

Таблиця 2.1 - Вихідні дані для розрахунку основних параметрів зварювання пластмас тертям

ВаріантМатеріалВирібЗовнішній діаметр D, ммВнутрішній діаметр Dв, ммДіаметр d, мм1Поліетилен ПЕНТТруба2521—2Поліетилен ПЕВТСтержень——83Поліпропілен ППТруба3226—4Полівінілхлорид ПВХСтержень——105Поліметилметакрилат ПММАТруба4032—6Полістирол ПССтержень——157Поліамід ПАТруба5040—8Поліетилен ПЕВТТруба6351—9Поліетилен ПЕНТСтержень——2010Поліетилен ПЕВТТруба7561—11Поліпропілен ППСтержень——1412Полівінілхлорид ПВХТруба9074—13Поліметилметакрилат ПММАСтержень——1814Полістирол ПСТруба11090—15Поліамід ПАСтержень——1216Поліетилен ПЕНТСтержень——1617Поліетилен ПЕВТТруба8065—18Поліпропілен ППСтержень——1719Полівінілхлорид ПВХТруба7060—20Поліметилметакрилат ПММАСтержень——22

2.3 ПОРЯДОК РОЗРАХУНКУ ОСНОВНИХ ПАРАМЕТРІВ РЕЖИМУ ЗВАРЮВАННЯ

Зварювання тертям засноване на нагріванні контактуючих поверхонь термопластів в результаті перетворення механічної енергії тертя під тиском однієї поверхні відносно іншої в теплову енергію.

Дуже низька теплопровідність, характерна для термопластів сприяє збереженню тепла в зоні поверхонь, що труться, в той час, коли температура всього виробу залишається майже незмінною.

Основним технологічним параметром зварювання тертям обертання є відносна лінійна швидкість обертання Vл поверхонь, що труться, тиск стискання при нагріванні Pn і тиск осадки Pос. Точне дотримання значень цих параметрів приводить до утворення якісного зварного з’єднання.

Встановлення цих параметрів проводиться експериментально. Розроблено декілька методів розрахунку зварювання пластмас тертям. Один із них проводиться по такій схемі.

2.3.1 Для заданих матеріалів і розмірів деталей /табл.2.1/ встановити необхідні для розрахунку основні механічні властивості матеріалу і скласти зведену таблицю вихідних даних, форма якої приведена нижче(табл. 2.2).

Таблиця 2.2 - Зведена таблиця вихідних даних і основних механічних властивостей матеріалу

ВаріантМатеріалЗовнішній діаметр D, мм (м)Внутрішній діаметр Dв, мм (м)Діаметр d, мм (м)ВирібМодуль пружності Е, МПа (Па) Границя текучості т,(Па)

Примітка Якщо для якогось параметру вказане орієнтовне значення, то в таблиці приводиться конкретне значення цього параметру, як правило, середнє арифметичне значення між мінімальним і максимальним орієнтовним значенням.

В дужках вказати значення параметрів в основних одиницях системи СІ.

2.3.2 Визначити площу поперечного перерізу виробу. Площа поперечного перерізу виробу Sn визначається за формулою:

 (1)

де d — діаметр суцільного стержня.

 (2)

де D, Dв - зовнішній і внутрішній діаметр труби.

2.3.3 Визначити необхідний тиск притискання при нагріванні.

При дії зусилля притискання Fпр при нагріванні в трубі або стержні виникають пружні деформації. За законом Гука напруження визначають за формулою:

 (3)

де Е – відносна зміна розмірів тіла.

Поверхні, що труться в процесі тертя, не є ідеально рівними. Можна припустити, що в процесі, ці поверхні вирівнюються, тобто шершавість її стає рівною нулю. Отже, відносна зміна розмірів тіла може бути визначена за такою формулою:

 (4)

де  - величина деформації тіла, приймається рівною шершавості поверхонь =300...320мкм.

– довжина стержня або труби, приймається рівною l=0,8...1м.

Зусилля притискання Fпр при нагріванні визначається за формулою:

 (5)

З врахуванням формул (3) і (4):

 (6)

Тиск притискання при нагріванні Pп визначається за формулою:

 (7)

2.3.4 Встановити необхідний тиск осадки Pос.

Після досягнення на стадії нагрівання необхідної температури зварювання, зварні деталі притискають одна до одної під тиском осадки Pос, який вибирається в залежності від тиску притискання при нагріванні Рп, і визначається із співвідношення:

 (8)

2.3.5 Визначити лінійну швидкість обертання зварних поверхонь.

Лінійна швидкість обертання Vл зварних поверхонь визначається за формулою:

 (9)

де n – кількість обертів шпинделя установки, приймається рівною n=1000...3000 об/хв;

R – радіус поверхонь що обертаються;

якщо зварна деталь – труба, то  ,

якщо зварна деталь – стержень, то .

2.3.6 Скласти таблицю основних параметрів режиму зварювання тертям, форма якої приведена нижче.

Таблиця 2.3 - Основні параметри режиму зварювання тертям

ВаріантМатеріалЗовнішній діаметр D, ммВнутрішній діаметр Dв ммДіаметр d, ммТиск притискання при нагріванні Pn, ПаТиск осадки Рос., ПаЛінійна швидкість обертання Vл, м/с

Всі обчислення проводяться в системі СІ. Розрахункові значення параметрів округлити.

Нижче приведений зразок одного з пунктів розрахунку основних параметрів режиму.

ПРИКЛАД

2.3.5 Визначаємо лінійну швидкість обертання зварних поверхонь за формулою:

 (9)

де n – кількість обертів шпинделя установки, приймається рівною         n=2000 об/хв33,3 об/с;

R – радіус поверхонь що обертаються, для суцільного стержня ;

Розраховане значення  округляється і приймається рівним

Запитання для самоперевірки

  1.  В чому полягає процес зварювання пластмас тертям? 
  2.  Які є стадії процесу зварювання пластмас тертям? 
  3.  Як розділяють зварювання тертям? 
  4.  В чому суть зварювання вібротертям? 
  5.  Які матеріали використовуються при зварюванні тертям? 
  6.  Які основні параметри режиму зварювання тертям і який порядок їх визначення?

Практичне заняття № 3

3. ВИЗНАЧЕННЯ ОСНОВНИХ ПАРАМЕТРІВ ЗВАРЮВАННЯ ПЛАСТМАС СТРУМАМИ ВИСОКОЇ ЧАСТОТИ (СВЧ)

3.1 ЗАВДАННЯ

Розрахувати основні параметри пресового зварювання пластмас СВЧ (Рис. 3.1). З’єднання полімерних плівок товщиною δ проводиться внапусток.

.

Рисунок 3.1 – Схема зварювання полімерних плівок СВЧ

1-електроди; 2- полімерні плівки.

3.2 ВИХІДНІ ДАНІ

Вихідними даними для розрахунку основних параметрів зварювання полімерних плівок СВЧ є товщина цих плівок δ і матеріал, з якого вони виготовлені. Крім того, для розрахунку основних параметрів потрібно визначити по таблицям основні механічні і електричні властивості заданого матеріалу.

Кожен студент отримує завдання по варіанту (див. табл. 1).

Таблиця 3.1 – Вихідні дані для розрахунку основних параметрів зварювання пластмас СВЧ.

ВаріантМатеріалТовщина плівок, δ мкм1Полівнілхлорид ПВХ2502Поліметилметакрилат ПММА5003Поліамід ПА7504Фторопласт Ф-210005Полівнілхлорид ПВХ12506Поліметилметакрилат ПММА15007Поліамід ПА17508Фторопласт Ф-220009Полівнілхлорид ПВХ175010Поліамід ПА150011Поліметилметакрилат ПММА125012Полівнілхлорид ПВХ100013Фторопласт Ф-2175014Поліамід ПА50015Фторопласт Ф-2150016Полівнілхлорид ПВХ75017Поліметилметакрилат ПММА100018Поліамід ПА125019Фторопласт Ф-2125020Полівнілхлорид ПВХ500

3.3 ПОРЯДОК РОЗРАХУНКУ ОСНОВНИХ ПАРАМЕТРІВ РЕЖИМУ ЗВАРЮВАННЯ

Основними параметрами  зварювання пластмас СВЧ є напруженість електричного поля Е, частота електричних коливань f, зварювальний тиск Рзв і час зварювання tзв.В більшості випадків, визначення значень цих параметрів проводиться експериментально, оскільки теоретичний розрахунок приводить до значного відхилення експлуатаційних характеристик виробів із пластмас, одержаних зварюванням СВЧ. Тому, при розрахунку режиму зварювання пластмас СВЧ необхідно розрахункові значення уточнити експериментально.

Розрахунок основних параметрів зварювання полімерних плівок СВЧ проводиться по такій схемі.

3.3.1 Для заданих матеріалу і товщини δ полімерних плівок (табл. 1) в залежності від заданого варіанту встановити необхідні для розрахунку основні механічні і електричні  властивості матеріалу по таблицям і скласти зведену таблицю 2 вихідних даних, форма якої приведена нижче (врахувавши зауваження, які наведені після таблиці).

Таблиця 3.2 – Зведена таблиця вихідних даних і основних механічних і електричних властивостей матеріалу.

ВаріантМатеріалТовщина плівки        δ, мкм(м)Діелектрична проникність ε, пФ/м (Ф/м)Електр. міцністьЕм, кВ/мм (В/м)Теплоємністькал/(гоС)Дж/(кгоС)

Густина γ, г/см3(кг/м3)Темпер. плавл.Тпл , оС(К)Тангенс кута діел. втратКоеф. динамічної вязкості, Па·с

Примітка. Якщо для якогось параметру вказане орієнтовне значення, тоді в таблиці приводиться конкретне значення цього параметру , як правило, середнє арифметичне між мінімальним і максимальним орієнтовним значенням.

В дужках вказати значення параметру в основних одиницях системи СІ.

3.3.2 Розрахувати розміри електродів (рис.4). Ширина електроду  визначається орієнтовно по формулі  , але мінімальна ширина становить . Довжина електроду l знаходиться в межах  і при розрахунку приймається, як правило, середнє арифметичне значення між верхньою і нижньою границею.

3.3.3 Визначити площу поперечного перерізу електроду. Оскільки форма поперечного перерізу електроду – прямокутник, то площа поперечного перерізу електрода

                                                                                                            (2)

3.3.4 Розрахувати частоту електричних коливань . Максимальне значення частоти електричних коливань  визначається за такою формулою:

                                                                                      (3)

Поскільки генератори електричних коливань зварювальних установок СВЧ створюють електричні коливання високої частоти, які можуть впливати на якість радіо- і телепередач, то встановлено ряд допустимих значень частоти коливань (МГц):

13,56; 27,12; 40,68; 81,36; 152,5.

Розраховане значення по формулі (3) потрібно уточнити до значень  із приведеного ряду.

3.3.5 Визначити допустиму напруженість електричного поля конденсатора Е.

Напруженість електричного поля конденсатора Е повинна бути якомога більшою, оскільки із збільшенням напруженості електричного поля в п раз інтенсивність нагрівання зростає в п2 раз. Але зростання напруженості Е може проходити до визначеної границі – напруженості, що визначається пробивною напругою діелектрика, або, іншими словами, електричною міцністю діелектрика Ем.

Напруженість Е електричного поля конденсатора визначається за формулою:

                                                                                                       (4)

3.3.6. Визначити час зварювання полімерних плівок tзв.

Час зварювання полімерних плівок tзв визначається із умови:

                                                                                                             (5)

де Q – кількість теплоти одиниці об’єму зварювальних матеріалів;

    Рo – активна потужність одиниці об’єму зварювальних матеріалів.

Кількість теплоти, яка необхідна для розігріву одиниці об’єму зварювальних матеріалів до температури плавлення Тпл, визначається по формулі:

                                                                                             (6)

Активна потужність одиниці об’єму діелектрика може бути визначена по формулі:

                                                                                 (7)

З врахуванням формул (5) і (6) час зварювання tзв визначається за формулою :

                                                                                (8)

3.3.7. Визначити зварювальний тиск Рзв. Зварювальний тиск Рзв зв’язаний із зменшенням товщини плівок δ в процесі зварювання і визначається за формулою:

                                                                                         (9)

Де S - площа проникнення електроду в зварювальний матеріал;

- коефіцієнт динамічної в’язкості матеріалу;

- товщина плівок до зварювання;

Площа проникнення електроду в зварювальний матеріал S визначається за формулою:

                                                                                   (10)

де d1 – товщина плівок після зварювання, d1=0,6…0,8d0

3.3.8 Скласти таблицю основних параметрів режиму зварювання пластмас СВЧ, форма якої приведена нижче.

Таблиця 3.3 - Основні параметри режиму зварювання пластмас СВЧ

МатеріалТовщина плівокδ, м (мкм)Напруженість ел. поляЕ, в/мЧастота електричних коливань  Гц(МГц)Час зварюванняtзвЗварюв. тискРзв, Па

Всі обчислення проводити в системі СІ. Для економії затрат часу на математичні обчислення рекомендується скласти програму розрахунку основних параметрів режиму на алгоритмічній мові.

Розрахункові значення параметрів округлити до значень нормальних лінійних розмірів (ГОСТ 6636-69).

Нижче приводиться зразок одного із пунктів розрахунку основних параметрів режиму.

Приклад.

Обчислюється частота електричних коливань:

Отримане значення округлюється до найближчого меншого значення із ряду допустимих частот і становить .

Запитання для самоперевірки

1. В чому полягає суть зварювання пластмас СВЧ?

2. Що таке зв’язані заряди?

3. Що таке дипольна поляризація?

4. Як поводить себе діелектрик в змінному електричному полі?

5. Як здійснюється нагрівання діелектрика до температури зварювання?

6. Що таке фактор втрат?

7. Які є схеми зварювання пластмас СВЧ?

8. Які основні параметри режиму зварювання пластмас і як вони визначаються?

Практичне заняття № 4

4  РОЗРАХУНОК ОСНОВНИХ ПАРАМЕТРІВ ЗВАРЮВАННЯ ПЛАСТМАС ЕЛЕКТРООПОРОМ

4.1 ЗАВДАННЯ

Розрахувати основні параметри зварювання пластмасових труб електроопором (рис. 4.1).

Рисунок 4.1 – Схема зварювання пластмасових труб електроопором:

1 – труба; 2 – муфта;     3 – спіраль

4.2 ВИХІДНІ ДАНІ

Вихідними даними для розрахунку зварювання пластмас електроопором є зовнішній D і внутрішній d діаметри труби і матеріал з якого вона виготовлена. Для розрахунку основних параметрів необхідно визначити по таблицях, які додаються, основні механічні і електрофізичні властивості матеріалу труби і матеріалу нагрітої спіралі 3 (рис. 4.1).

Таблиця 4.1 – Вихідні дані для розрахунку основних параметрів зварювання пластмасових труб електроопором

ВаріантМатеріал трубЗовнішній діаметр D, ммВнутрішній діаметр d, мм1Поліетилен ПЕВТ25172Поліетилен ПЕНТ32243Поліпропілен ПП40284Поліметилметакрилат ПММА50385Поліамід ПА63476Поліетилен ПЕВТ75597Поліетилен ПЕНТ90708Поліпропілен ПП110909Поліметилметакрилат ПММА251710Поліамід ПА322411Поліетилен ПЕВТ402812Поліетилен ПЕНТ503813Поліпропілен ПП634714Поліметилметакрилат ПММА755915Поліамід ПА907016Поліетилен ПЕВТ352017Поліетилен ПЕНТ382818Поліпропілен ПП463019Поліметилметакрилат ПММА554520Поліамід ПА6852

4.3 ПОРЯДОК РОЗРАХУНКУ ОСНОВНИХ ПАРАМЕТРІВ РЕЖИМУ    ЗВАРЮВАННЯ

Однією із різновидностей контактно-теплового зварювання є спосіб зварювання пластмасових труб електроопором (рис. 4.1). Процес з’єднання пластмасових труб полягає в тому, що нагрівний елемент – спіраль 3 – укладається в спеціальні вирізані пази на зовнішній поверхні труби 1 (або закладається в з'єднувальну муфту 2), нагріває муфту і з’єднувальні труби і залишається в зварному шві, становлячись частиною виробу. Нагрівання відбувається за рахунок проходження електричного струму через спіраль, що має великий питомий опір (див. табл. 4.2), внаслідок чого виділяється велика кількість теплоти.

Основними параметрами режиму зварювання є сила струму Ізв, напруга Uзв і час зварювання tзв.

Таблиця 4.2 – Основні електрофізичні властивості матеріалів нагрівної спіралі

№ п/пМатеріалТемпературний коефіцієнт опоруα, К-1Питомий опір при 200Сρ0, Ом·мТемпература нагріванняТ, 0С1.Ніхром Ni-Cr1х10-41х10-6...1,1х10-610002.Фехраль Fe-Cr2х10-41,2х10-6...1,3х10-61000

Розрахунок основних параметрів зварювання пластмасових труб електроопором проводиться по такій схемі.

4.3.1 Для заданих матеріалу і розмірів пластмасових труб встановити по таблицях, що додаються, необхідні для розрахунку основні механічні і електрофізичні властивості матеріалу, вибрати по таблиці 2 матеріал нагрівника і скласти зведену таблицю вихідних даних, форма якої приведена нижче, врахувавши зауваження до таблиці при її заповненні.

Таблиця 4.3 – Зведена таблиця вихідних даних і основних механічних і електрофізичних властивостей матеріалу труби і нагрівника

ВаріантМатеріал трубиМатеріал нагрівникаЗовнішній діаметр трубиD, мм (м)Внутрішній діаметр труби,d, мм (м)Теплоємність полімеру С, кал/г·0С (Дж/кг·К)Температура плавлення полімеру Тпл, 0С (К)Температурний коефіцієнт опору спіралі α, К-1Температура нагрівання спіралі Т, 0С (К)Густина полімеруγ, г/см3 (кг/м3)Питомий опір спіралі при 00Сρ0, Ом·м

Примітка: 1. Якщо для якогось параметру вказане орієнтовне значення, то в таблиці приводиться конкретне значення цього параметру, як правило, середнє арифметичне, між мінімальним і максимальним орієнтовним значенням.

2. В дужках вказати значення параметру в основних одиницях системи СІ.

4.3.2 Визначити розміри муфти.

Рисунок 4.2 – Схема розрахунку розмірів муфти

Товщина муфти δ приймається рівною товщини стінки труби і визначається за формулою:

δ=(D-d)/2.                   (1)

Довжина муфти L складає:

L=2ℓ+δ,                       (2)

де ℓ – довжина муфти, що входить в зачеплення з трубою, ℓ≈D.

4.3.3  Визначити довжину спіралі і кількість витків спіралі.

Довжину одного витка спіралі можна визначити за формулою:

         (3)

де t – крок намотування спіралі, виходячи із умови, що відстань між витками рівна діаметру дроту dдр, приймається t=2dдр; (dдр=0,25...0,75);

С – довжина поперечного перерізу зовнішнього діаметра труби D, на яку намотана спіраль, C=πD.

Кількість витків спіралі визначається за формулою:

n=ℓ1/t,                 (4)

де ℓ1 – довжина частини муфти, на яку намотана спіраль, визначається за формулою:

ℓ1=L-2a,              (5)

де а – довжина зони муфти, що не заповнюється розплавом, а≈7 мм.

Загальна довжина спіралі:

Lc=B·n+Cn,                (6)

де Cn – довжина кінців спіралі, необхідна для підключення до джерела живлення, Cn=30мм.

4.3.4 Визначити об’єм муфти.

Об’єм муфти визначається за формулою:

VM=V1+V2,             (7)

де V1 – об’єм муфти, не враховуючи внутрішнього виступу;

    V2 – об’єм внутрішнього виступу.

Об’єм муфти V1 визначається за формулою:

        (8)

Об’єм муфти V2 визначається за формулою:

             (9)

4.3.5 Визначити кількість теплоти, яка необхідна для нагрівання муфти до температури плавлення.

Кількість теплоти Q, яка необхідна для нагрівання муфти до температури плавлення Тпл, визначається за формулою:

    (10)

4.3.6  Визначити електричний опір спіралі.

Електричний опір R провідника визначається за формулою:

            (11)

де ℓ – довжина провідника в даному випадку ℓ=Lc;

    S – площа поперечного перерізу провідника, ;

    ρ – питомий опір провідника.

Питомий опір провідника, в даному випадку спіралі, яка в процесі зварювання нагрівається до високої температури, залежить від температури і обчислюється за формулою:

            (12)

де ρ0 – питомий опір провідника при Т0=200С;

    α – температурний коефіцієнт опору;

    Т – температура, до якої нагрівається спіраль в процесі зварювання.

4.3.7  Визначити напругу зварювання.

Напруга зварювання або напруга джерела живлення вибирається із діапазону напруг, який використовується при зварюванні пластмас електроопором і складає 6..36В.

4.3.8  Визначити силу струму Ізв за формулою:

      (13)

де Р – потужність, яку споживає спіраль в процесі зварювання і яка складає Р=350...450 Вт.

4.3.9 Визначити час зварювання tзв за формулою:

               (14)

де Qеф – кількість теплоти, яка виділяється при проходженні струму через спіраль; поскільки ця теплота витрачається на нагрівання муфти до Тпл, то приймається Qеф=Q.

4.3.10 Скласти таблицю основних параметрів режиму зварювання пластмасових труб електроопором, форма якої приведена нижче.

Таблиця 4.4 – Основні параметри режиму зварювання пластмасових труб електроопором

Матеріал трубиЗовнішній діаметрD, м (мм)Внутрішній діаметрd, м (мм)Матеріал нагрівникаДіаметр спіраліdдр, м (мм)Сила струму,Ізв, АНапруга, ВUзв, ВЧас зварювання, tзв, с

Всі обчислення проводити в системі СІ.

Для економії затрат часу на математичні обчислення рекомендується скласти програму розрахунку основних параметрів режиму на алгоритмічній мові і провести обчислення на ЕОМ.

Розрахункові значення параметрів округлити до значення нормальних лінійних розмірів (ГОСТ 6636-69).

Нижче приводиться зразок одного із пунктів розрахунку основних параметрів режиму.

ПРИКЛАД

4.3.4  Визначається об’єм муфти за формулою (7)

VМ=V1+V2=7.45·10-5м3+4.89·10-6м3=7.939·10-5м3,

де V1 – об’єм муфти, не враховуючи внутрішнього виступу;

    V2 – об’єм внутрішнього виступу.

Об’єм муфти V1 визначається за формулою (8)

Об’єм муфти V2 визначається за формулою (9)

Запитання для самоперевірки

  1.  Як відбувається підвід теплової енергії до зварювальних матеріалів при контактно-тепловому зварюванні пластмас?
    1.  Які є схеми зварювання нагрітим інструментом?
    2.  Які етапи зварювання прямим нагрівом?
    3.  Які є різновидності зварювання пластмас прямим нагрівом?
    4.  В чому полягає суть зварювання нагрітим елементом, що залишається в зварному шві, і які його різновидності?
    5.  В чому полягає суть зварювання непрямим нагрівом?
    6.  В яких випадках доцільно використовувати зварювання непрямим нагрівом?
    7.  В чому полягає суть термоімпульсного зварювання?

Практичне заняття № 5

5  ВИЗНАЧЕННЯ ОСНОВНИХ ПАРАМЕТРІВ ЗВАРЮВАННЯ ПЛАСТМАС НАГРІТИМ ГАЗОМ

5.1 ЗАВДАННЯ

 Розрахувати основні параметри зварювання пластмас нагрітим газом товщиною деталей  (Рис. 5.1).

Рисунок 5.1 - Схеми підготовки кромок деталей для зварювання пластмас нагрітим газом:

а) стикове з’єднання з V-подібним розробленням кромок;

б) стикове з’єднання з X-подібним розробленням кромок;

в) таврове з’єднання з однобічним скосом кромок;

г) таврове з’єднання з двобічним скосом кромок;

д) кутове з’єднання з двобічним скосом кромок;

е) кутове з’єднання з двобічним скосом кромок.

5.2 ВИХІДНІ ДАНІ

Вихідними даними для розрахунку зварювання пластмас нагрітим газом є товщина деталей , матеріал, з якого вони виготовлені, і тип  з’єднання (Рис.5.1). Крім того, для розрахунку основних параметрів режиму зварювання потрібно визначити по таблицям, які прикладаються, основні механічні і електрофізичні властивості заданого матеріалу.

Кожен студент отримує завдання по варіанту (див. табл.5.1).

ТАБЛИЦЯ 5.1-Вихідні дані для розрахунку основних параметрів

           зварювання пластмас  нагрітим газом

ВаріантМатеріалТовщина деталі , ммТип з’єднанняПолівінілхлорид ПВХ10стиковеПоліетилен ПЕВТ16стиковеПоліпропілен ПП20стиковеПоліетилен ПЕНТ8стиковеПоліметилметакрилат ПММА12стиковеПолістирол ПС18стиковеПоліамід ПА6стиковеПолівінілхлорид ПВХ14тавровеПоліетилен  ПЕВТ20тавровеПоліпропілен ПП12тавровеПоліетилен ПЕНТ10тавровеПоліметилметакрилат ПММА16тавровеПолістирол ПС8тавровеПоліамід ПА14тавровеПоліпропілен ПП6кутовеПоліпропілен ПП8кутовеПоліетилен ПЕНТ12кутовеПоліметилметакрилат ПММА14кутовеПолістирол ПС12кутовеПоліамід ПА10кутове

5.3  ПОРЯДОК РОЗРАХУНКУ ОСНОВНИХ ПАРАМЕТРІВ РЕЖИМУ

Зварювання пластмас нагрітим газом проводиться з використанням присаджувального матеріалу і без нього, в залежності від товщини деталей. Присаджувальний матеріал використовують такий самий як і основний матеріал. Якість зварних швів, отриманих зварюванням з використанням присаджувального матеріалу, залежить від властивостей основного і присаджувального матеріалу, типу зварного шва, підготовки зварювального матеріалу і точного дотримання зварником технологічних параметрів режиму зварювання. При зварюванні нагрітим газом виділяються такі основні параметри: температура нагрітого газу Тн.г. і зусилля притискання прутка Fпр. Встановлення значень цих параметрів на практиці відбувається експериментально. Разом з тим розрахунок основних параметрів режиму зварювання пластмас нагрітим газом проводиться за допомогою емпіричних формул по такій схемі.

5.3.1 Для заданих матеріалу і товщини деталей  встановити необхідні для розрахунку основні механічні і електрофізичні властивості матеріалу і   скласти зведену таблицю вихідних даних, форма яких приведена, врахувавши зауваження до таблиці при її заповненні.

Таблиця 5.2-Зведена таблиця вихідних основних механічних і

електрофізичних властивостей матеріалу

ВаріантМатеріалТовщина деталі , мм(м)Модуль пружності Е,Мпа(Па)Температура плавлення полімеру Тпл,С(К)

Примітка. Якщо для якогось параметру вказане орієнтовне значення, то в таблиці приводиться конкретне значення цього параметру, як правило, середнє арифметичне між мінімальним і максимальним орієнтовним значенням. В дужках вказати значення параметру в основних одиницях системі СІ.

5.3.2 Визначити основні розміри підготовки кромок деталей з’єднання.

Для визначення основних розмірів підготовки кромок деталей необхідно виконати ескіз з’єднання (Рис.5.1) в залежності від заданого типу з’єднання і товщини деталей . Тип шва (з V-подібним або X-подібним розробленням кромок, з однобічним або двобічним скосом кромок) вибирається в залежності від товщини деталей по таблиці 5.3

Таблиця 5.3-Підготовка кромок листових термопластів при зварюванні нагрітим газом

ТермопластиТовщина деталей , ммКут розроблення кромок  V-подібний шов(з однобічним розробленням кромок)X-подібний шов (з двобічним розробленням кромок)ПЕНТ, ПЕВТ,ПП.5350-60ПММА4450-60ПА, ПС6440-50ПВХ5560-70

По тій же таблиці встановлюється необхідний кут розроблення кромок . Зазор між деталями а (Рис.5.2) вибирається в межах 0,5..1,5мм.

5.3.3 Визначити площу поперечного перерізу зварного шва.

Рисунок5.2 - Поперечний переріз зварного шва

Площу поперечного перерізу зварного шва (рис.4.), який має складну форму, визначають, розбиваючи поперечний переріз шва на прості геометричні фігури (квадрат, прямокутник, трикутник, сегмент), площу яких легко визначити. Тоді площа поперечного перерізу зварного шва буде складатися із суми площ окремих фігур:

Sшв=S1+S2+S3+…+Sn.     (1)

5.3.4 Визначити необхідну кількість проходів і діаметрів прутків присаджувального матеріалу.

Для забезпечення необхідної міцності зварного з’єднання, зварювання проводять в декілька проходів. Орієнтовну кількість проходів можна визначити за формулою:

 n0=+1,        (2)

де - товщина деталей.

Тоді орієнтовний діаметр прутка присаджувального матеріалу d0 можна визначити за формулою:

       (3)

    

Промисловістю випускається присаджувальний матеріал у вигляді прутків круглого перерізу: 2; 2,5; 3; 4 і 6 мм.

Розрахункове значення діаметра прутку d0, отримане із формули (3),

необхідно округлити до меншого значення із приведеного вище ряду значень діаметрів прутків.

5.3.5 Визначити температуру нагрітого газу.

Температуру нагрітого газу визначають за формулою:

ТН.Г. =Тпл +50...100С,      (4)

де Тпл-температура плавлення полімеру.

5.3.6 Визначити зусилля притискання прутка за формулою:

      (5)

де fп- прогин прутка при зварюванні, повинен бути в межах 3..5мм;

    Fпр- зусилля притискання прутка;

     l- довжина прутка від місця тримання рукою до зони зварювання, приймається рівною –15..20см;

     І- момент інерції поперечного перерізу прутка, визначається за формулою:

        (6)

5.3.7 Скласти таблицю основних параметрів режиму зварювання пластмас нагрітим газом, форма якої приведена нижче.

Таблиця 5.2-Основні параметри режиму зварювання пластмас

нагрітим газом

МатеріалТовщина деталі ,ммДіаметр прутка dпр,ммКількість проходів nТемпература нагрітого газу Тн.г.,СЗусилля на пруток Fпр,Н

Всі обчислення проводити в системі СІ.

Розрахункові значення параметрів округлити до значень нормальних лінійних розмірів (ГОСТ 6636-69).

Нижче приводиться  зразок одного із пунктів розрахунку основних параметрів режиму.

ПРИКЛАД

5.3.5 Визначається температура нагрітого газу Тн.г. за формулою:

 Тн.г.=Тпл+50..100С=120+70=190С,    

де Тпл - температура плавлення поліетилену ПЕНТ.

Запитання для самоперевірки

1. В чому полягає суть зварювання пластмас нагрітим газом?

2. Які особливості способу зварювання пластмас нагрітим газом?

3. Які матеріали можна зварювати за допомогою нагрітого газу?

4. Які є схеми зварювання нагрітим газом і які їх особливості?

5. Які гази використовують для нагрівання пластмас в процесі  зварювання?

6. В яких випадках доцільно використовувати спосіб зварювання  пластмас з використанням присаджувального матеріалу (без використання присаджувального матеріалу)?

7. Які є недоліки способу зварювання пластмас нагрітим газом?

8. Які є різновидності способу зварювання пластмас без використання присаджувального матеріалу?

9. Які основні параметри режиму зварювання пластмас нагрітим газом і який порядок їх визначення?

ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ

1. Зайцев, К. И. Сварка пластмасс / К. И. Зайцев, Л. Н. Мацюк. - М.: “Машиностроение”, 1978. – 222 с.

2. Тростянская, Е. Б. Сварка пластмасс / Е. Б. Тростянская, Г. В. Комаров, В. А. Шишкин. - М.: “Машиностроение”, 1967. – 252 с.

3. Волков, С.С. Сварка пластических масс / С.С. Волков, Б. Я. Черняк. - М.: «Химия», 1987 – 167 с.

4. Шестопал, А.Н. Справочник по сварке и склеиванию пластмасс / А.Н. Шестопал, Г.Н. Кораба. – К.: «Техника» 1990 – 199с.

5. Федорова, И.Г. Высокочастотная сварка пластмасс / И.Г. Федорова, Ф.В. Безменов. - Л. : «Машиностроение», 1990 – 80с.

6. Зайцева, К.И. Сварка полимерных материалов / К.И. Зайцева, Л.Н. Мацюк. - М.: “Машиностроение”, 1988-309с.

7. Волков, С. С. Сварка пластмасс ультразвуком / С.С. Волков, Б.Я.Черняк. - Сварка пластмасс ультразвуком: Изд. 2 – е, пере раб., и доп. - М.: “Химия”, 1986. – 256 с.

8. Холопов Ю. В. Ультразвуковая сварка пластмасс и металлов / Ю. В. Холопов. – Л.: “Машиностроение”, 1988. – 210 с.

d

FЗВ

FЗВ

← Предыдущая
Страница 1
Следующая →

Файл

Практичнi роботи звар пластмас.doc

Практичнi роботи звар пластмас.doc
Размер: 789 Кб

.

Пожаловаться на материал

Практичнi роботи звар пластмас. Зварювання термопластів — це з'єднання двох чи більше частин однакового матеріалу за рахунок впливу теплоти і тиску

У нас самая большая информационная база в рунете, поэтому Вы всегда можете найти походите запросы

Искать ещё по теме...

Похожие материалы:

Задача линейного программирования

Задача линейного программирования (ЗЛП). Трудности решения ЗЛП. Классификация задач оптимизации. Задача о планировании производства.

Античная мифология и ее влияние на современность

Реферат. Античная литература. Чем маленькая народность могла повлиять на большую Европу? Изучение античной мифологии через античную историю. Знакомство с содержанием античной мифологии.

Примеры фразеологизмов и их значения

Фразеологизмы со словом «вода, нос, рот, губы, рука, голова, ухо, зуб, грудь, спина, язык, мало». ЕГЭ. Правильное и уместное использование фразеологизмов.

Монопольная власть. Особенности рынка ресурсов. Антимонопольное законодательство

Индекс Герфендаля-Хиршмана: теоретическое и математическое обоснование. Спроси и предложение ресурсов: общий доход. Кривые спроса (MRPL) и предложения (MRCL) совершенно конкурентной фирмы, отраслевое равновесие спроса и предложения на рынке труда.

Конфликтология. Тест. Практические задания

Сохранить?

Пропустить...

Введите код

Ok