Svařování plastů

Obr. 95: Porovnání vzhledu svaru pro různé technologie. [14]

Zpět na začátek

13.1 Svařování horkým tělesem

Svařování horkým tělesem má v praxi mnoho pojmenování: Hot plate, horká deska, svařování na zrcadlo. Při svařování horkým tělesem je potřebné teplo generováno obvykle prostřednictvím tepelných patron. Při konstrukci topných těles je zapotřebí dbát na co nejrovnoměrnější rozložení teplot na celé pracovní ploše. Pro dosažení efektivního předání tepla jsou používány materiály s co nejlepší tepelnou vodivostí. V závislosti na druhu ohřevu a designu dílů jsou využívány různé tepelné nástavce.

Při svařování horkým tělesem jsou svařovací plochy tvarových dílů nahřáty prostřednictvím kontaktního nebo radiačního tepla a následně tlakem spojeny. V praxi převažuje kontaktní ohřev. U této technologie se jedná o vícekrokový proces, neboť ohřev a následné svaření dílů probíhá časově odděleně (obr. 96). Poté, co jsou svařované díly uchyceny do fixačních loží, najedou na elektricky ohřívané tepelné těleso. Kontaktem svařovaných ploch na tepelném tělesu začíná proces svařování, který se v praxi dělí na fázi ohřevu, oddálení od tělesa a spojení.

V praxi najdeme nejčastěji tyto typy:

• Kontaktní    – Ohřev při teplotách od 180°C do 270 °C (oblast běžných teplot).
• Vysokoteplotní      – Svařování při teplotách do max. 400°C.
• Radiační      – Ohřev až do 600°C.

Při kontaktním ohřevu od 180°C do 270°C jsou nejčastěji používány nástavce (obr. 97) popř. výměnné desky s PTFE povrchovou úpravou. U nástavců s komplikovanou tvarovou konturou jsou taktéž zpravidla používány PTFE povrchy.

Při vysokoteplotním a radiačním svařování povrchovou úpravu PTFE není možné použít. Na tepelná tělesa jsou proto využity materiály s dobrou tepelnou vodivostí, odolností vůči korozi a metalické popř. jiné speciální povrchové úpravy.

Obr. 96: Postup svařování  horkým tělesem.

Pohon svařovacích strojů s horkou desku je tvořen převážně hydraulickými, pneumatickými a servomotorovými jednotkami.

Obr. 97: Nástroje pro svařování horkým tělesem. [14]

Pro dosažení krátkých přestavovacích časů jsou využívány servomotorové pohony.

Svařování horkým tělesem je vhodné pro velké a komplexní kontury svaru.

Výhody:

• Jednoduchý proces, lehce kontrolovatelný.
• Vysoká reprodukovatelnost („opakovatelnost“).
• Vysoké pevnosti svarů, nízké vnitřní pnutí.
• Vhodný pro svařování rozdílných materiálů (2 topná tělesa.)
• Stejnoměrný přetok materiálu.

Nevýhody:

• 3D kontury svarů vyžadují nákladné nástroje.
• Velký přetok materiálu.
• Dlouhé procesní časy.
• Možné ulpívání materiálu na horkém tělese.
• Vysoké režijní náklady (energie). 

Zpět na začátek

13.2 Svařování topnou spirálou

Svařování topnou spirálou (obr. 98) se nejčastěji používá u tzv. elektrotvarovek při spojování a napojování potrubních systémů. Topná elektrická spirála je součástí plastové tvarovky a je umístěna co nejblíže k místu svaru. Po svaření zůstává topná spirála v místě svaru (obr. 99).

Obr. 98: Postup svařování topnou spirálou.

Svařovací postup elektrotvarovkou:

• Úprava délky potrubí – rozřezání v pravém úhlu vzhledem k ose potrubí.
• Odměření svařovací zóny označované jako hloubka zasunutí, označení a odstranění zoxidované vrstvy. U přesuvných objímek se jedná o vzdálenost mezi okrajem a středem objímky. Zoxidovaná vrstva se odstraní tak, aby přesahovala svařovací zónu asi o 5 mm.
• Čištění vnější a vnitřní strany řezné hrany + odmaštění.
• Montáž elektrotvarovky.
• Pnutí při svařování – veškeré spoje, které jsou připravené ke svařování, musí být bez pnutí. Trubky nesmí být zasunuté do bezpečnostních elektrotvarovek pod napětím v ohybu nebo vlastním zatížením.
• Svařování.
• Vyvinutí tlaku nejčastěji pomocí integrovaných šroubů a ochlazení.

Obr. 99: Elektrotvarovka a řez elektrotvarovkou s topnou spirálou.

Zpět na začátek

13.3 Svařování horkým plynem

Svařování horkým plynem lze rozdělit na ruční svařování pomocí horkovzdušné pistole a na svařování technických dílů pomocí tvarového rozvaděče.

Obr. 100: Princip svařování horkým plynem s přídavným materiálem. 1 – základní materiál, 2 – přídavný materiál, 3 – tryska svařovací pistole, 4 – horký vzduch, 5 – svár.

Ruční svařování horkým plynem (obr. 100) při současném použití přídavného materiálu se používá skoro u všech termoplastů a v technologické praxi je poměrně rozšířené. Spoj se vytváří pomocí přídavného materiálu, který se stejně jako povrch svařovaných dílů, ohřívá proudem horkého plynu na teplotu, kdy je natavený plast za působení tlaku schopen vytvořit dostatečně pevný spoj. Základní materiál i přídavný materiál se působením horkého vzduchu plastifikuje. [13] K vzájemnému spojení, a tedy k vytvoření svarového spoje, dochází za působení tlaku od svarového drátu, nástavce svarové pistole nebo přítlačným válečkem.

Během strojního svařování technických dílů horkým plynem (obr. 101) jsou styčné plochy dílů bezkontaktně ohřáty horkým plynem (inertním plynem je zpravidla dusík nebo pouze vzduch) a následně tlakem spojeny.

U této technologie se jedná o vícekrokový proces, neboť ohřev a následné svaření dílů probíhá časově oddělené.

Poté co jsou svařované díly založeny do fixačních přípravků, jsou dopraveny k elektricky vytápěné rozvodné desce (osazené tryskami). Tryskami proudící horký plyn nataví plast a zároveň prakticky zabrání jeho oxidaci.

Obr. 101: Postup svařování horkým vzduchem.

Výhody:

• Vysoká pevnost sváru i u technických plastů, např. polyamidů.

Nevýhody:

• Inertní plyn.
• Vysoké energetické náklady.
• Investice do odsávání.

Zpět na začátek

13. 4 Svařování extruderem

Podstatou metody je ohřev základního materiálu horkým plynem a vytlačování zplastikovaného přídavného materiálu do svařovací zóny obvykle pod tlakem. Svařuje se pomocí druhově shodného přídavného materiálu, který se vytlačuje jako proud taveniny z plastikační jednotky extrudéru. Přídavný materiál je tak zcela homogenní a dokonale zplastifikovaný. Pro správné vytvoření tlaku je nutné, aby byl přídavný materiál přitlačován do svarové zóny, což se děje různými způsoby podle jednotlivých postupových variant.

Metodou svařování vytlačováním se spojuje velká skupina polotovarů z termoplastů: potrubí, atypické potrubní tvarovky, konstrukce z desek, utěsňovací pásy, nejčastěji z materiálů PP, PE, ale i z PVC a PVDF. Touto metodou se také provádějí opravy plastových dílů automobilů, motocyklů apod.

Základem vytlačovacího svařovacího stroje je plastikační jednotka (obr. 102), tj. vyhřívaný válec se šnekem nebo pístem, kde dojde k ohřevu přídavného materiálu na nastavenou svařovací teplotu a jeho homogenizaci. Vytlačení přídavného materiálu do svarové zóny se většinou děje pomocí přítlačné botičky, u některých konstrukcí se přídavný materiál pěchuje ručně, nebo je součástí stroje přítlačný válečkový systém. V případě tlaku botičkou se tlak vyvozuje váhou extrudéru, proto je nutno při svařování „v pozici“ (kolmo nebo nad hlavou) vyvinout stejný tlak silou. Současně s vytlačováním zplastikovaného přídavného materiálu a vyvíjením tlaku ve svaru je nutný předehřev základního materiálu většinou horkým plynem, nebo jiným tepelným zdrojem.

Obr. 102: Svařování extruderem. [15]

Zpět na začátek

13.5 Svařování infračerveným paprskem

Infračervené (IČ) záření je odráženo, absorbováno nebo prochází skrz materiál. Absorbováno je infračervené spektrum, které se shoduje s vlnovou délkou molekulárního kmitočtu v materiálu. Materiál je ohříván díky absorpci (obr. 103). Čím více záření je absorbováno, tím lepší je výsledek svařování. Absorpční vlastnosti ovlivňuje materiál plastu jako i přítomnost pigmentů, obsah aditiv nebo tloušťka stěn materiálu. Krátkovlnné záření prochází hluboko do materiálu a zajišťuje rovnoměrný ohřev. Středněvlnné záření je absorbováno již venkovní vrstvou a ohřívá tak převážně povrch dílu.

Technické plasty ABS, PA, PP, PMMA nebo PC jsou z hlediska svého složení vhodné pro dostatečnou absorpci IČ záření.

Ohledně použití barviv platí jednoduchá „Faustova“ formule: Čím tmavší a čím černější, tím vyšší absorpce.

Obr. 103: Princip svařování infračerveným zářením.

Zdrojem IČ záření mohou být halogenové, keramické nebo fóliové zářiče (obr. 104). Fóliové zářiče jsou fólie se speciálním niklovým legováním, nanýtované na kovovém základu, založeny ve vyfrézované drážce. Skleněné halogenové zářiče vyzařují krátkovlnné IČ spektrum. Konturové zářiče jsou krátkovlnné zářiče kopírující tvar svařovaných dílů. Použití zdroje závisí na konstrukci svařovacího nástroje a materiálu plastu.

Obr. 104: Zářiče používané při infračerveném svařování. [14]

IČ svařování má uplatnění na velkoplošné díly, např. přístrojové desky, dveřní obložení, střední konzoly, díly se složitými 3D svařovacími geometriemi, vzduchové kanály, zásobníky na kapaliny, nádrže na palivo, kryty a pouzdra, např. vzduchový filtr, světla, kryty autobaterie, technické díly, např. sanitární a zdravotní technika, bílé zboží a další (obr. 105).

Obr. 105: Díly spojené IČ svařováním. [14]

Výhody:

• Vysoká pevnost sváru.
• Možnost svaření rozdílných materiálů.
• Komplikované geometrie.
• Žádné přichytávání taveniny (bezkontaktní ohřev).
• Žádné tvorba mikročástic (otřepů).
• Minimální přetoky taveniny.
• Nízké nároky na geometrii sváru.

Nevýhody:

• Málo známá technologie na trhu (nejistota).
• Mírně delší čas cyklu (oproti vibračnímu svařování).
• Životnost IČ skleněných zářičů.

Zpět na začátek

13.6 Svařování laserem

Při laserovém svařování jsou plasty svařeny prostřednictvím laseru (zostřeného světla). Laserové svařování se dělí na průchozí a konturové (obr. 106). Využíván je převážně diodový laser.

Průchozí laserové sváření:

Na absorpční plastový díl je pomocí přípravku zafixován transparentní díl. Laser prozáří transparentní materiál a nataví povrch absorpčního materiálu. Díky vedení tepla je natavena též dotyková plocha transparentního materiálu. Tento proces může být prostřednictvím laseru exaktně řízen a průběžně vyhodnocován.

Konturové laserové sváření:

Při konturovém laserovém svařování jsou proti sobě upnuty oba díly a laser je veden podél spoje, čímž nataví obě dotykové hrany. Pohyb laserového systému je ve většině případů zajištěn robotem (obr. 107).

Obr. 106: Princip svařování laserem. A – Průchozí, B – konturové.

Obr. 107: Možnosti laserového svařování.

Zpět na začátek

13.7 Vysokofrekvenční svařování

Vysokofrekvenční svařování je nazývané též dielektrické svařování, RF (Radio Frequency) svařování, nebo také dielektrické zatavení (Dielectric sealing).

Podstatou vysokofrekvenčního svařování je ohřev materiálu vysokofrekvenčním proudem mezi dvěma elektrodami za současného působení tlaku. Svařovaný plast má funkci dielektrika a spolu s horní a spodní elektrodou tak tvoří kondenzátor. Generátory vysokofrekvenčních svářecích strojů pracují ve většině případů se stabilizovanou frekvencí 27,12 MHz, která vyhovuje předpisům o radiotelekomunikačním odrušení. Tato frekvence je současně i optimální pro svařování měkčeného i neměkčeného PVC, kopolymerů PVC a všech materiálů, které jsou s PVC kombinovány, jako jsou různé druhy textilií, papírová lepenka a kartony. Svářecí stroje se vyrábějí v mnoha variantách, buď jako stacionární, s posuvným dvoupolohovým stolem, na němž je upevněna spodní elektroda, s karuselovým uspořádáním apod. Základními parametry jsou doba působení elektrického pole, tlak a doba chlazení.

Dielektrické vlastnosti omezují vysokofrekvenční svařitelnost termoplastů. Jako i ostatní metody, má VF svařování svoje výhody i nevýhody. Předně je omezeno dielektrickými vlastnostmi termoplastů. Základními charakteristikami jsou relativní permitivita ε , ztrátový činitel tg δ, z hlediska tloušťky svařovaných materiálů je důležitá i elektrická průrazná pevnost. K vyjádření vhodnosti materiálu pro vysokofrekvenční svařování se používá ztrátový součin ε · tg δ, který je mírou energie přeměňující se v dielektriku průchodem vysokofrekvenčního střídavého proudu v teplo. Jeho hodnota má být větší než 0,01. Permitivita i ztrátový činitel jsou v přímém vztahu k elektrickému dipólovému momentu molekuly, jinými slovy, čím má molekula polárnější charakter, tím jsou větší obě hodnoty.

Použití vysokofrekvenčního svařování je tak omezeno pouze na polární polymery, které mají vysoké hodnoty ε a tg δ (viz tabulka 4). Je však nutno zdůraznit, že dielektrické vlastnosti jsou silně ovlivňovány různými modifikacemi základního polymeru, druhem plniv a změkčovadel. Za velmi dobře vysokofrekvenčně svařitelné lze považovat plasty s hodnotou ztrátového činitele tg δ okolo 0,1 a větším, zatímco hodnoty 0,01 a větší sice také umožňují svařování vysokofrekvenčním ohřevem, většinou je však zapotřebí větší frekvence nebo ohřevu svařovacích elektrod. Nejvhodnějším plastem pro vysokofrekvenční svařování je PVC, vysokofrekvenčně však lze svařovat i některé další typy plastů, jako např. polyvinylidenchlorid (PVDC) a kopolymery, kopolymer etylenu s vinylacetátem (EVA), terpolymery ABS nebo PET. V posledních letech byly dokonce vyvinuty speciální technologie, které umožňují vysokofrekvenčně svařovat i polyolefiny. To by z hlediska dalších perspektiv posunulo vysokofrekvenční svařování termoplastů výrazně dopředu. [16]

Tab. 4: Dielektrické vlastnosti vybraných polymerů. [16]