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技術(shù)文章

塑料熱風(fēng)焊接技術(shù)及應(yīng)用

點(diǎn)擊次數(shù):3422 發(fā)布時(shí)間:2014-8-19

  在與化工相關(guān)的行業(yè)中,普遍使用的塑料容器、儲(chǔ)槽以及部分管路系統(tǒng),都需要借助熱風(fēng)焊接工藝,才能達(dá)到理想的連接牢度。而熱風(fēng)工藝本身也因其簡單實(shí)用,而被行業(yè)內(nèi)專業(yè)人士廣泛接受,尤其是對于PE、PP、PVC和PVDF等塑料種類的焊接,更具有*的優(yōu)勢。
  
  塑料焊接,實(shí)際上就是相容的塑料材料中相互纏繞的大分子鏈?zhǔn)軣嶂?,由于具備了足夠的能量和空間,在自身的分子熱運(yùn)動(dòng)和外在壓力的作用下,相互遷移和擴(kuò)散到對方的熔融區(qū)中,并隨著溫度的下降和時(shí)間的推移,再次發(fā)生纏繞、冷卻、結(jié)晶和定型的過程。在塑料制品的諸多連接技術(shù)中,熱風(fēng)焊接工藝是比較常見的一種,化工行業(yè)中普遍使用的塑料容器、儲(chǔ)槽以及部分管路系統(tǒng)等均可以使用該工藝。本文對幾種主要的熱風(fēng)焊接工藝進(jìn)行了簡單的介紹。
  
  圓嘴熱風(fēng)焊接技術(shù)
  
  通常,圓嘴熱風(fēng)焊的工藝過程包括5個(gè)階段,分別是:待焊部件的表面處理、加熱、加壓、分子鏈間擴(kuò)散和冷卻。每個(gè)階段的具體操作要求取決于待焊部件的具體外觀形狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。其工作原理(如圖所示)是:利用加熱后的風(fēng)或空氣,同時(shí)預(yù)熱焊條與待焊的母材相應(yīng)部位;待其熔融之后,操作者通過對焊條垂直施加一定的壓力,將焊條的熔融區(qū)與待焊母材的熔融區(qū)進(jìn)行對接,并保持一定的焊接速度,使其具有足夠的承壓時(shí)間;zui后,進(jìn)行冷卻定型。
  
  圓嘴熱風(fēng)焊接的工作原理示意圖
  
  在正式焊接之前,應(yīng)先對待焊部件的表面進(jìn)行相關(guān)處理,這樣做的目的是:一方面,為了在焊接區(qū)域加工出焊縫所需要的破口或槽口,例如V形或X形槽口(如圖所示);另一方面,為了去除材料表面的雜質(zhì)、臟物或者氧化層等影響焊接質(zhì)量的不利因素。
  
  V形焊縫示意圖
  
  X形焊縫示意圖
  
  由于圓嘴熱風(fēng)焊接技術(shù)主要用于塑料零部件的修復(fù),因此,在進(jìn)行圓嘴熱風(fēng)焊接的過程中,操作者必須小心控制所施加的壓力和焊接速度。這是因?yàn)?,通過設(shè)定合適并且可準(zhǔn)確控制的溫度,能保證得到合適的大分子熔融區(qū)。如果所施加的壓力太小,則大分子鏈無法進(jìn)行遷移和擴(kuò)散;如果壓力太大,則大分子鏈會(huì)被擠出熔融區(qū),無法停留在界面內(nèi)參與遷移和擴(kuò)散過程,也就無法實(shí)現(xiàn)真正的焊接。
  
  在冷卻過程中,塑料在微觀結(jié)構(gòu)上會(huì)發(fā)生明顯的變化:對于無定形材料,其改變表現(xiàn)為焊接區(qū)分子鏈的取向;對于半結(jié)晶的材料,結(jié)晶程度和晶粒大小的形成與冷卻速度有關(guān)。當(dāng)冷卻溫度超出規(guī)定的溫度范圍時(shí),形成的晶體結(jié)構(gòu)可能會(huì)在承受應(yīng)力時(shí)發(fā)生破壞,而不合適的溫度和過快的冷卻速度則會(huì)導(dǎo)致結(jié)晶度降低,同時(shí)形成的晶粒比較小,而這種較小的晶粒結(jié)構(gòu)非常容易在遭受化學(xué)物質(zhì)和溶劑侵蝕以及承受應(yīng)力的情況下發(fā)生破壞。因此,應(yīng)盡量避免使用過快的冷卻速度。
  
  同時(shí),焊接過程中支撐焊件的材料也會(huì)影響冷卻速度。在焊接時(shí),應(yīng)避免使用混凝土、厚的金屬板或其他容易從焊接區(qū)域吸收熱量的材料作為支撐件,否則,即使提高熱風(fēng)的溫度,也不能很好地解決問題。
  
  快速熱風(fēng)焊接
  
  快速熱風(fēng)焊接技術(shù)也是利用加熱后的風(fēng)或者空氣來預(yù)熱焊條與待焊母材相應(yīng)部位的方法實(shí)現(xiàn)焊接的。但是,快速熱風(fēng)焊接技術(shù)所使用的焊接風(fēng)嘴比較特殊,風(fēng)嘴底部的形狀一般為凸出的彎曲面,用來將焊條壓入母材的待焊部位,而焊條則穿過焊接風(fēng)嘴內(nèi)部,并從風(fēng)嘴中伸展出一段。加熱時(shí),一部分熱風(fēng)對風(fēng)嘴底部的焊條進(jìn)行加熱,另外一部分熱風(fēng)則用于加熱母材的待焊區(qū)域。由圖可知,在快速焊接的工藝過程中,焊條從快速焊接風(fēng)嘴中出來,并在焊接風(fēng)嘴中*行部分預(yù)熱。同時(shí),從風(fēng)嘴中吹出的部分熱風(fēng)對母材的待焊部位進(jìn)行預(yù)熱。焊接壓力則通過風(fēng)嘴的末端施加到焊條上,完成整個(gè)焊縫的焊接。
  
  與圓嘴熱風(fēng)焊接工藝一樣,該工藝過程同樣包括表面處理、加熱、加壓、分子鏈間擴(kuò)散和冷卻這5個(gè)階段,并且每個(gè)階段的具體操作要求也與待焊部件的具體外觀形狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)。
  
  快速熱風(fēng)焊接技術(shù)
  
  擠出焊接
  
  擠出焊接技術(shù)是20世紀(jì)60年代經(jīng)過一系列技術(shù)改進(jìn)后成功開發(fā)的一種加工工藝,它的出現(xiàn)大大縮短了焊接厚壁板材所需要的時(shí)間。上表列出了對厚度為25mm的高密度聚乙烯(HDPE)材料上的長度為1m的單V形焊縫進(jìn)行焊接時(shí),采用擠出焊接和快速熱風(fēng)焊接兩種工藝各自需要的時(shí)間??梢钥闯觯瑪D出焊接技術(shù)的平均用時(shí)僅為快速熱風(fēng)焊接技術(shù)的1/6。由此可知,在某些應(yīng)用領(lǐng)域中,如大型酸洗槽等,擠出焊接已經(jīng)成為一種非常經(jīng)濟(jì)的焊接方法。
  
  擠出焊接雖然也是通過熱風(fēng)進(jìn)行焊接,但是,它和前面所述的兩種熱風(fēng)焊接存在明顯的不同之處,即它是通過擠出機(jī)或類似擠出機(jī)的裝置對焊條進(jìn)行加熱擠出,使其先形成均勻塑化或熔融的熔體條,并不經(jīng)過冷卻就直接壓在待焊部位進(jìn)行焊接。在熔體條被壓入母材上之前,母材的待焊部位必須事*行預(yù)熱至熔融溫度,使其變?yōu)槿廴趹B(tài),然后在焊條熔體上施加壓力實(shí)現(xiàn)焊接,冷卻后即可形成堅(jiān)固的焊縫。
  
  在擠出焊接的過程中,焊條和待焊母材/制件采用了不同的加熱方式。焊條不僅可以在擠出機(jī)或類似擠出機(jī)裝置的型腔中以及在通向焊接靴的熔體導(dǎo)管中進(jìn)行傳導(dǎo)加熱,而且能夠在擠出機(jī)或類似擠出機(jī)裝置的型腔中,通過螺桿的剪切作用而受到剪切摩擦熱。相比之下,待焊母材/制件則通常通過擠出焊槍出風(fēng)口的熱風(fēng)進(jìn)行對流加熱。提高熱風(fēng)的流量和熱風(fēng)溫度可以提高待焊母材/制件的表面溫度,同時(shí)得到比較厚的熔體層。另外,在擠出焊接的過程中,需要操作者人工施加壓力,并且在整個(gè)焊縫的焊接過程中,需要確保所施加的壓力始終保持同等大小,從而確保熔融的焊條和待焊母材/制件的熔融表面緊密接觸,促進(jìn)大分子鏈間的良好擴(kuò)散和相互纏繞。
  
  在焊接過程中,除了大分子鏈間的擴(kuò)散之外,熱塑性聚合物在冷卻時(shí)的微觀結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生變化。對于無定形聚合物,焊接區(qū)域在冷卻時(shí)會(huì)發(fā)生分子鏈的取向。對于半結(jié)晶熱塑性聚合物來說,結(jié)晶程度和晶粒大小的形成與冷卻速度有關(guān)。當(dāng)冷卻溫度超出規(guī)定的溫度范圍時(shí),形成的晶體結(jié)構(gòu)在承受應(yīng)力時(shí)可能會(huì)發(fā)生破壞;不合適的溫度和過快的冷卻速度則會(huì)導(dǎo)致結(jié)晶度的降低,并產(chǎn)生較小的晶粒,而這種結(jié)構(gòu)在化學(xué)物質(zhì)、溶劑或應(yīng)力的作用下也非常容易發(fā)生破壞

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