Témata
Reklama

Problematika dějů při svařování plastů vybranými technologiemi

V současnosti průmyslově využívané technologie svařování plastů mohou do výrobního procesu vnést neočekávané problémy. Cílem článku je seznámit čtenáře s možnými úskalími, která mohou nastat při svařování některých typů 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.

Reklama
Reklama
Reklama

Obvyklé technologie svařování plastů

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.

Svařitelnost plastů

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.

Svarová zóna

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.

Parametry svařování a pevnost svarového spoje

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.

Obr. 3. Svarové zóny svařenců zhotovených za různých podmínek (zleva: p = 0,5 Mpa, t = 10,0 s; p = 2 MPa, t = 4,0 s; p = 8 MPa, t = 1,0 s). Mechanické vlastnosti spojů (zleva: tahová pevnost = 32 MPa, tažnost = 7,5 %; tahová pevnost = 27 MPa, tažnost = 3,5 %; tahová pevnost = 24 MPa, tažnost = 2,5 %)

Vliv historie dílu a podmínek skladování

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.

Rizika technologie vibračního svařování

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.

Rizika technologie ultrazvukového svařování

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

Reklama
Firmy
Související články
Plazmová povrchová úprava nanovlákených polymerních struktur

Technologie plazmových povrchových úprav spočívá v navázání funkčních skupin na povrch řetězce polymeru v plazmovém výboji. Jedná se převážně o hydroxylové skupiny. Nepolární charakter povrchu materiálu se tímto mění na polární, tedy hydrofobní povrch se stává hydrofilním či naopak. Tato technologie nachází stále širší uplatnění v různých průmyslových, ale i medicínských aplikacích.

Jedině CO2 laser pro opracování plastů? Dnes už ne

Implementace a nahrazování mechanických střihadel funkčními celky s CO2 lasery je již dlouhou dobu etablovaný proces pro odstraňování vtokových soustav. Ale co když chceme výrobek z plastu kompletně opracovat? Zjednodušit tvar formy a snížit tak náklady ve výrobě? Musíme kupovat drahé 3D CO2 laserové celky? Není možné laserovou technologii integrovat do technologie stávající?

Výrobní laserové technologie

Výrobní laserové technologie lze dělit mnoha způsoby-, podle použitého výkonu, délky pulzu nebo interakce s materiálem. Nejjednodušší způsob rozdělení laserových technologií je do tří skupin: dělení a odebírání materiálu, spojování materiálu a úprava povrchu materiálu. Vzhledem k rozmanitosti využití laseru není toto dělení zcela jednoznačné a existuje několik dalších technologií, které se nacházejí mezi těmito kategoriemi.

Související články
Laserová i optická řešení a mnohem více

Pravidelné podzimní dny otevřených dveří uspořádala pro své současné i potenciální zákazníky koncem září společnost Lascam systems. Po tři dny mohli zájemci o laserové technologie navštěvovat showroom dceřiné společnosti Elya Solutions v Horních Počernicích, kde bylo v provozu více než sedm různých aplikací dceřiných i zastupujících společností. Jednotlivá stanoviště prezentovala široké portfolio aplikací a služeb, jež integrátorská společnost Lascam nabízí.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Výroba stavebnic leteckých modelů

Pamětníci si možná vzpomenou na reportáž o výrobě plastikových leteckých modelů, která vyšla v MM Průmyslovém spektru 1, 2/2004. Když jsem loni na setkání uživatelů softwaru NX potkal pana Vladimíra Šulce, jednoho ze zakladatelů společnosti Eduard – Model Accessories, pozval mě, ať se k nim do Obrnic přijedu znovu podívat, protože za tu dobu se mnohé změnilo.

Igráček slaví 40. narozeniny

Generace Husákových dětí si jistě dobře vzpomíná na malou plastovou figurku představující různá povolání. Igráček letos oslaví 40. narozeniny, a tak určitě stojí za to, podívat se důkladněji na jeho osud i na jeho výrobu.

Zavedení nového softwaru zefektivnilo konstrukci forem

Společnost Dramco Tool & Die Co. z Grand Islandu se specializuje na výrobu komplexních vstřikovacích forem pro automobilový a spotřební průmysl. S ohledem na potřebu upgradovat a změnit systém konstrukce a výroby forem za účelem zvýšení efektivity začala hledat systém, který by umožňoval rychlou konstrukci forem, automatizaci některých procesů a umožňoval práci jak s objemovými tělesy, tak s volnými plochami.

Plasty a robot – jde to dohromady?

Žijeme v době, kdy nás plasty provázejí na každém kroku. Možná si ani neuvědomujeme, kde všude nám pomáhají, kde nás ovlivňují. Od tužky či propisky přes klávesnici, u které sedíme skoro každý den, po stravování a umělohmotné vařečky, které nahradily ty dřevěné, jež používaly naše babičky. Snažíme se usnadnit si život. Těžké díly ze železa vyměnit za lehčí, plastové. Stejně tak i tvůrci softwaru se snaží zjednodušit výrobu.

První plnobarevná stolní 3D tiskárna

Společnost Mcor představila jako první na světě plnobarevnou stolní 3D tiskárnu Mcor ARKe a klade si za cíl dostat tuto 3D tiskárnu do každé kanceláře či učebny.

Příprava pracovníků pro výrobu technologií vstřikování plastů

Následující příspěvek představuje jeden ze způsobů přípravy pracovníků ve firmách, jejichž hlavní pracovní náplní je technologie vstřikování plastů

Automatizační řešení pro kratší doby cyklů

Díky nové funkci active vibration control rozpoznají lineární roboty Engel viper nejen své vlastní vibrace, ale mohou také reagovat na vibrace, které jsou způsobeny vnějšími vlivy. Aktivní kompenzace kmitání během běžícího procesu zvyšuje rychlost nastavení polohy a zkracuje dobu cyklu.

Sledování forem ve výrobě, skladu i údržbě

Jednou z nejdůležitějších věcí, které firmy pracující v oblasti výroby výlisků řeší, je sledování forem a řešení problémů, které při výrobě nastanou. Důležité je problémy řešit tak, aby příště, pokud se stejný problém objeví znovu, bylo možné sáhnout do databáze a problém vyřešit ihned, bez zbytečných časových prodlev. To umožňuje systém MachineLOG IT, jenž maximálně zjednodušuje sledování pohybu forem, jejich oprav i nasazení ve výrobě.

Uniplast Brno vstoupil do druhé padesátky

V roce 2015 vstoupil Uniplast Brno do druhé padesátky let své činnosti, proto mi dovolte ohlédnout se za jeho pracovní činností v uplynulém roce. V souladu s prací v předešlém období navázal na tradiční konference, konzultace, exkurze, semináře a publikační činnost.

Systémové řešení z jednoho zdroje

Nová vysoce automatizovaná výrobní buňka pomohla jednomu z dodavatelů pro automobilový průmysl v České republice optimálním způsobem vyřešit zvýšené požadavky na množství výrobků, když pro výrobu snímačů hladiny oleje investoval do řešení na klíč od společnosti Engel.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit