Problematika dějů při svařování plastů vybranými technologiemi

Důvod pro využívání technologií svařování termoplastů je zřejmý. Přináší snížení investičních nákladů za náročné technologie, technologické modifikace nebo úpravy nástrojů technologií stávajících. Teoreticky možná výroba tvarově a rozměrově komplikovaných plastových dílů se podstatně zjednodušuje výrobou polotovarů a jejich následným svařením. Nasazení konkrétních metod svařování plastů je dáno zejména hospodárností, dosažitelnou pevností svarových spojů a přesností svařenců.

V závislosti na průmyslovém odvětví se často setkáváme například ve stavebnictví se svařováním pomocí extrudéru, topnou spirálou nebo se svařováním horkým tělesem a horkým plynem. V automobilovém průmyslu je využíváno vibrační svařování, ale i již uvedené svařování horkým tělesem. Svařování ultrazvukové se nasazuje též u techniky pro medicínu, předpokládá-li se využití svařenců v biologicky aktivních prostředích, kde lepené spoje nedosahují požadované doby životnosti nebo je z hlediska zdravotní nezávadnosti nelze použít. Technologie využívající k ohřevu svarových ploch záření, jako jsou technologie svařování infračerveným paprskem a technologie laserového svařování, mohou být za určitých předpokladů využity jako alternativy nebo doplnění výše zmíněných technologií.

Obr. 1. Tepelné a napěťové poměry ve svarové zóně
Pro zvětšení klikněte na obrázek.

Uvedené a další metody svařování plastů mohou nabídnout své výhody vždy s ohledem na velikost sérií, materiál nebo kombinaci svařovaných materiálů, geometrii svarové zóny a geometrii dílů jako takových. Z fyzikálního hlediska je u všech zmíněných technologií možné svařování pouze termoplastických materiálů, tedy až na několik výjimek zahrnujících kombinace termoplastů a reaktoplastů za vzniku mechanické vazby mezi svařovanými díly. Obecně jsou všechny termoplasty svařitelné, dokonce i některé jejich kombinace, nejlepších výsledků je ovšem vždy dosaženo v případě stejných materiálů. Z hlediska nadmolekulární struktury nelze vzájemně svařovat materiály s amorfní strukturou a materiály částečně krystalické. Princip svařování termoplastů je u všech metod stejný – přivést do svarové zóny potřebné množství tepla a prostřednictvím tlaku zajistit tečení taveniny.

Pod pojmem svarová zóna rozumíme oblast spojení svařovaných dílů, kde dochází k lokálnímu natavení a následně toku materiálu pod působícím tlakem na svařované díly. V této zóně vznikají při optimálním osově symetrickém spojení dvě charakteristické napěťové oblasti včetně odpovídajících tahových a smykových deformací. Jejich průběh je zřejmý z obr. 1.

Oblast tahových deformací vzniká v okolí spojení svařovaných dílů. Deformace narůstají od osy symetrie stěny svařovaných dílů, kde jsou nulové. Jejich nestejnoměrnost má za následek rozdílný stupeň orientace makromolekul v místě spojení. Pokud jsou teplota a tlak dostatečné, může dojít k určitému vyrovnání napětí v jednotlivých vrstvách a zároveň ke snížení smrštění, které vzniká tepelnou kontrakcí materiálu. Kritickou oblast ovšem tvoří oblast smykových deformací vznikající na přechodu pevný základní materiál – tavenina plastu. Díky toku taveniny termoplastu kolmo od neutrální osy směrem ke krajovým vrstvám dochází na tomto přechodu k výrazné orientaci makromolekul, které nemohou krystalizovat ve standardních krystalických útvarech (sférolitech) anebo zaujímat energeticky výhodnější postavení v podobě globulí (obr. 2).

Obr. 2 Mikrotomový řez svarovou zónou neplněného semikrystalického termplastu
Pro zvětšení klikněte na obrázek.

Za předpokladu správně provedeného svaru dochází při porušení svařence k lomu v oblastech blízkých smykovým defomacím. Pevnost svarového spoje je určena nejen technologií, ale i typem svařovaného materiálu, přičemž obvykle nedosahuje pevnosti základního materiálu. Pouze v u neplněných typů plastů se za optimálních procesních předpokladů a při správné volbě parametrů svařování lze této hodnotě přiblížit. Rozhodující pronapěťové stavy ve svarové zóně jsou podmínky, které jsou nastaveny na svařovacím stroji, resp. takové podmínky, které jsou dané obsluhou svařovacího stroje v případě ručních metod. Velmi vysoké svařovací tlaky enormně zvyšují smyková napětí a zároveň mají za následek zbytečný výtok taveniny plastu ze svarové zóny (obr. 3).

U materiálů plněných vlákny způsobují napětí vznikající ve svarové zóně silnou orientaci. Jsou-li k sobě vzájemně svařovány díly s orientací vláken kolmou k rovině svarového spoje, dochází jejím vlivem k významnému snížení pevnosti svarového spoje.

Mechanické vlastnosti svarových spojů plastových dílů nejsou určeny pouze tepelně-tlakovými podmínkami v oblasti svarových zón. Rozhodující pro kvalitu svarového spoje je i historie dílu, tzn. jakou technologií a při jakých parametrech byly díly vyrobeny a při jakých podmínkách byly díly před svařováním skladovány. U navlhavých plastů je důležitá výchozí vlhkost dílu, která se může projevit porézní strukturou nebo hydrolýzou materiálu ve svarové zóně. Nezanedbatelné jsou účinky fotooxidace (působení kyslíku a UV záření) a dalších kombinací fyzikálních a chemických dějů. Především u citlivých metod, jako je například ultrazvukové svařování, mohou drobné odchylky vstřikovaných dílů (například v modulu pružnosti materiálu ovlivněné rozdílným dotlakem) způsobovat kolísání pevnosti svaru, přestože opakovatelnost spoje je na velmi dobré úrovni.

Další problémy vznikající přímo ve svarových zónáchbývají úzce spojeny s konkrétními metodami svařování plastů. Například při využití technologie vibračního svařování, u které se teplo vyvíjí výhradně vzájemným třením ploch dílů, dochází v počáteční fázi procesu k oděru svařovaných dílů. Částice oděru pak mohou způsobovat poškození povrchu pohledových ploch a jsou-li díly ještě před jejich svařením například kašírovány, lakovány nebo jinak povrchově upravovány, mohou se tyto částice dostávat mezi matrici nástroje a zušlechtěnou plochu,kde způsobují vzhledové vady. K intenzivnímu poškození zušlechtěných povrchů (kašírovaných měkkými fóliemi) dochází hlavně u plastů plněných skelnými vlákny (obr. 4). Částice oděru obsahující skelná vlákna dosahují relativně vysoké tvrdosti a působí abrazivně. Řešení těchto problémů se nabízí v kombinování této technologie s předehřevem pomocí infračerveného zářiče.

Obr. 4. Částice oděru plastu plněného skelnými vlákny (vlevo) a poškození zušlechtěného povrchu plastového výrobku (vpravo).
Pro zvětšení klikněte na obrázek.

U ultrazvukového svařování dílů s vyšším modulem pružnosti může při nevhodném nastavení svařovacího tlaku docházet k poškození dílů vlivem mechanického kmitání zaváděného kolmo k rovině svaru. V tomto případě musí být toto kmitání přeneseno přímo do svarové zóny. V případě, že se tak nestane, nástroj nejenže poškodí kontaktní plochu dílu, ale může zapříčinit i porušení vnitřní struktury a to vede ke snížení pevnosti svařence (při testování dochází k lomu mimo svarovou zónu, což může být mylně interpretováno jako svarový spoj s pevností vyšší než svařovaný materiál).

Velmi výhodné se v tomto ohledu ukazují být stroje umožňující variabilní nastavení rychlosti nebo síly v závislosti na dráze, resp. na čase. U takovýchto strojů je pak možné lépe „řídit“ podmínky ve svarové zóně. Díky současným možnostem digitálních generátorů a vysokých komunikačních rychlostí mezi jednotlivými členy odpovídají reálné průběhy rychlosti nástroje velmi dobře nastaveným hodnotám.Často však bohužel bývá věnována poměrně malá pozornost dotlakové fázi svařovacího cyklu (fáze držení). Možnost nastavení tlakových podmínek v této fázi obdobným způsobem by mohla pomoci zvýšit kvalitu svarových spojů.

Fraunhofer IWU

Dr.-Ing. Ondřej Kotera

Ondrej.Kotera@iwu.fraunhofer.de

www.iwu.fraunhofer.de