5.2. Сварка мягкой тары

Сваркой называют способ создания неразъемного соеди­нения элементов конструкции, при котором полностью исче­зает граница раздела между соединяемыми поверхностями, превращаясь в размытый переходный слой.

Переходный слой при сварке линейных или разветвленных полимеров образуется в результате взаимной диффузии макро­молекул контактирующих материалов, находящихся в вязкотекучем состоянии (диффузионная сварка), или в результате Хими­ческой реакции присоединения, происходящей между звеньями молекул соединяемых поверхностей (химическая сварка).

 

Диффузионную сварку разделяют на тепловую, осуществля­емую путем нагревания, и на сварку с помощью растворителя.

Процесс диффузии зависит от физического состояния Поли­меров. В твердом стеклообразном состоянии даже при дли­тельном времени контакта и значительных усилиях сжатия сопрягаемых поверхностей взаимной диффузии макромолекул не происходит, материалы не соединяются. В высокоэлГоти­ческом состоянии при температурах выше Т_с возникает аутогезионное взаимодействие полимерных цепей, главным образом их окончаний и боковых ответвлений [44]. Граница раздела между сопрягаемыми поверхностями может не исчезать, а прочность такого аутогезионного взаимодействия незначи­тельна. В вязкотекучем состоянии (или набухшем от раствори­теля) макромолекулы приобретают способность свободно Пере­мещаться в пограничных слоях и диффундировать в такой же вязкотекучий материал. Степень и скорость диффузии опреде­ляются силой межмолекулярного взаимодействия, совмещаемостью полимеров и условиями протекания процесса. Гаица раздела между поверхностями исчезает, а прочность аутогези­онного соединения полимеров одинаковой природы прибли­жается к когезионной прочности материалов. Таким образом, температура сварки должна быть выше Т для кристалличес­ких полимеров или Т_таморфных полимеров, но ниже темц_ератур их деструкции. При кратковременной сварке продолжи­тельностью 0,05-0,2 с температура может превышать темпера­туру деструкции [16].

Другим условием осуществления процесса сварки является создание давления прижима, в результате которого поверхно­сти сближаются на расстояние, при котором возникает межмолекулярное взаимодействие. В зоне сварки происходят про­цессы течения расплава полимера, обеспечивающие компен­сацию неровностей и заполнение промежутков между со_ед_И­няемыми поверхностями. Реологические процессы подготав­ливают возможность протекания диффузии и образования ка­чественного сварного шва. Величина давления прижима зави­сит от вязкости расплава полимера и температуры его размяг­чения. Чем выше вязкость расплава, тем больше давление прижима. Создаваемое при этом контактное давление оказы­вает существенное влияние на прочность сварных швов, осо­бенно при пониженных температурах и небольшой продолжи­тельности нагрева.

По вязкости расплавов соединяемые поверхности должны быть достаточно близкими. Материалы с различной вязко­стью расплавов не могут образовать прочного соединения: бо­лее вязкий материал не диффундирует в менее вязкий, а вы­давливает его из сварного шва [3]. Поэтому особое значение имеет равномерность разогрева соединяемых поверхностей.

Для обеспечения процесса диффузии прижим сопрягаемых поверхностей должен поддерживаться в течение некоторого времени. С увеличением продолжительности прижима проч­ность аутогезионного взаимодействия возрастает, стремясь к определенному пределу — когезионной прочности материала. Продолжительность процесса сварки т_св связана с температу­рой сварки Т_св экспоненциальной зависимостью.

Термическое воздействие на полимерный материал приво­дит к изменениям в его молекулярной и надмолекулярной структуре. Под действием повышенных температур при сварке протекают процессы деструкции, структурирования, окисле­ния. При этом выделяются летучие продукты, в большинстве случаев являющиеся токсичными. Кроме того, в материале интенсивно развиваются релаксационные процессы, в результате которых ориентированные материалы разориентируются.

По поведению материала при сварке, объясняемому реоло­гическими характеристиками, полимеры принято разделять натри группы [16, 17].

Первая группа—хорошо свариваемые термопласты. Их энер­гия активации вязкого течения не превышает 150 кДж/моль, температурный интервал вязкотекучего состояния составляет бо­лее 50°, вязкость расплава находится в интервале 10²-10⁵ Па ■ с. К ним относятся прежде всего полиолефины, которые при нагре­ве легко переходят в вязкотекучее состояние. Существенное раз­личие между Т_т и температурой деструкции позволяет широко варьировать режимы сварки.

Вторая группа — сложно свариваемые материалы, для ко­торых требуется подбор оптимальных способов и технологичес­ких приемов. Это термопласты с высокой энергией активации вязкого течения, с узким интервалом между Т_т и температурой деструкции и с высокой вязкостью расплава — более 10⁵ Па • с. При Т_пл имеют место разориентация и уменьшение степени кристалличности полимеров в сварном шве и околошовной об­ласти, что приводит к существенному снижению прочности шва. К этой группе относятся ПВХ, ПК, двухосно-ориентированные пленки из ПЭТФ, ПП и ПА.

Третья группа — плохо свариваемые материалы. Их энергия активации вязкого течения превышает энергию активации разрыва химических связей, а вязкость расплава очень вели­ка — более 10¹ 10¹² Па • с. Процесс сварки требует длительно­го контакта соединяемых поверхностей при максимальных давлениях, соответствующих пределу вынужденной эластич­ности. Примером такого материала является фторопласт-4.

 

5.2.1. Основные методы сварки

В основу классификации методов сварки положены источ­ники и методы нагрева материала в сварочной зоне [3, 16,40]. В зависимости от источников нагрева способы сварки разде­ляют на две основные группы (табл. 5.1).

Таблица 5.1

Способы сварки пластмасс

	Источник нагрева			Метод нагрева		Способ сварки
		Внешний источник нагрева		Нагрев газом	Сприсадочным материалом	Газовая сварка
					Без присадочного материала
				Нагретым инструментом		Контактнотепловая сварка
				Нагретым присадочным материалом
	Преобразование энергии			Инфракрасное излучение Токи высокой частоты Ультразвуковые колебания Трение		Сварка в ТВЧ Ультразвуковая сварка Сварка трением

 

К первой группе относятся способы сварки, в которых ис­пользуется энергия внешних источников тепла. Это способы газовой сварки с присадочным материалом и без него, когда нагрев осуществляется горячим газом. Сюда относятся и кон­тактно-тепловая сварка, в которой тепло к соединяемым по­верхностям передается путем непосредственного контакта с нагретым инструментом. В эту группу входит и сварка за счет тепла от нагретого присадочного материала.

Ко второй группе относятся способы сварки, в которых теп­лота генерируется внутри соединяемых материалов в резуль­тате преобразования различных видов энергии. Может ис­пользоваться энергия инфракрасного излучения, токов высо­кой частоты, ультразвуковых колебаний, трения.

Особую группу составляют специальные способы сварки — с применением флюса, ядерная, химическая, лазерная.

Из первой группы в производстве мягкой тары наибольшее применение нашел споосб контактно-тепловой сварки.

 

Широко распространена и классификация методов сварки пластмасс по виду энергии, подводимой к свариваемым дета­лям [33]. Практически все известные в настоящее ьремя про­цессы сварки термопластов осуществляются за счет подвода одного из трех видов энергии: тепловой, механической и элек­тромагнитной (рис. 5.18).|

 

рис. 5.18. Классификация способов сварки термопластов

 

В свою очередь, способы сварки с подводом тепловой энер­гии разделяют на термические и термомеханические.

К термическим относят виды сварки, при которых стати­ческое: давление не играет существенной роли в образовании сварного соединения. Качество сварного соединения в этом случае; определяется исключительно количеством подводимой тепловой энергии. Примером служат сварка газовым теплоно­сителем и сварка экструдируемой присадкой. К термомеханическим относят виды сварки, при которых неразъемное соединение образуется вследствие подвода теп­ловой энергии и приложения статического давления. При термомеханических видах сварки тепловая энергия может подводиться к границе раздела свариваемых поверхностей за счет теплопроводности свариваемых деталей (контактно-тепловая сварк;а противлением) либо за счет теплопередачи от источ­ника -теплоты к свариваемым поверхностям (контактно-тепло­вая аварка оплавлением). При механических видах сварки тепло»вая энергия генерируется внутри свариваемых деталей за счет превращения подведенной механической энергии в тепловую. Подведенная механическая энергия может быть следующих видов:

энергия упругих колебаний (ультразвуковая сварка);

энергия трения или вибротрения (сварка трением).

 

При подводе электромагнитной энергии к свариваемым де­талям тепловая энергия также генерируется в них либо за счет способности звеньев макромолекул полимеров поляризоваться при наложении внешнего электрического поля (сварка токами высокой частоты), либо за счет поглощения энергии электро­магнитных колебаний (сварка инфракрасным излучением, сварка лазером).

 

5.2.1.1. Контактно-тепловая сварка

Контактно-тепловую сварку нагретым инструментом осуществляют с односторонним или с двусторонним нагревом (рис. 5.19).

 

Рис. 5.19. Схема контактно-тепловой сварки с односторонним (а) и двусторонним (б) нагревом: 1 — нагретый инструмент; 2 — прокладки; 3 — свариваемые материалы; 4 — холодный инструмент; Т_н — температура нагретого инструмента; t₂ — температура внешней поверхности изделия; Т_с — температура свариваемых поверхностей; f₄ — температура холодного инструмента

 

Учитывая, что при сварке мягкой тары толщина материала значительно меньше ширины и длины шва, можно считать тепловой поток от нагревателя 1 направленным в одну сторону вдоль оси у. Тогда все плоскости, параллельные плоскости шва и рабочей плоскости нагревателя, будут изотермическими повер­хностями. Температура этих поверхностей является функцией расстояния от нагревателя у, зависящей от времени t.