Ugrás a tartalomhoz

A polimertechnika alapjai

Czvikovszky Tibor, Nagy Péter, Gaál János (2007)

Kempelen Farkas Hallgatói Információs Központ

12.2 Polimer alkatrészek hegesztése

12.2 Polimer alkatrészek hegesztése

A szintetikus polimerek nagyobb családja: a hőrelágyuló műanyagok hegesztése során – ugyanúgy mint a fémek esetén a képlékeny, ill. megömlesztett állapotba hozott szerkezeti anyagot megfelelő hőmérsékleten, megfelelő nyomással, rövid, de megfelelő ideig kapcsolatba hozva – ugyanabból az anyagból készült másik alkatrésszel jól köthetjük. A kötés tehát fizikai úton: hőközléssel és képlékeny alakítással jön létre. Maga a kötés a polimer láncok, – de legalább láncszegmensek – az eredeti határfelületen túl érvényesülő diffúziójával jön létre. A hegesztendő hőrelágyuló polimer tehát megfelelő mértékben folyékony (megfelelő viszkozitású) ömledéket kell, hogy képezzen.

Elasztomerek, duromerek (térhálós polimerek) értelemszerűen nem hegeszthetők. Különböző anyagú hőrelágyulók összehegesztését – pl. PS és PE – a polimerek keverhetőségének termodinamikai korlátai szabályozzák.

Polimerek hegesztési eljárásai

12.9 ábra: Polimerek hegesztési eljárásai [12.5]

A 12.9 ábrán a hőrelágyuló polimerek hegesztési eljárásait foglaltuk össze, az energiaátadás ( hőközlés) módja szerinti csoportosításban.

12.2.1 A hegedés folyamata

A tökéletes hegedésnél az egyes anyag-részek határfelületei eltűnnek, és a hegedésnél levő anyag összetétele és fizikai állapota megegyezik a határfelülettől távolabbi részek összetételével és fizikai állapotával. Ez az ideális hegedés csak akkor jöhet létre, ha a hegedő felületek anyagai kémiai és fizikai tulajdonságaikat tekintve is teljesen azonosak.

A hegedés folyamatából következik, hogy létrejöttéhez szabad részecskemozgás (vagyis folyékony halmazállapot) szükséges. Fémek hegesztésénél az olvadék kis viszkozitású, így a részecskék mozgása (diffúziója) gyors és kötetlen, ezért a hegedés gyorsan és tökéletesen végbemegy. A hőre lágyuló polimerek „részecskéi” igen nagyok (makromolekulák), és leginkább egy fonalgombolyaghoz, vagy vattacsomóhoz hasonlítanak. A polimer felületek összehegedéséhez szükséges feltételeket a fémekhez viszonyítva sokkal nehezebb létrehozni.

A polimerek hegedésénél a megolvasztott felületeken levő makromolekulák, illetve azok szegmensei és láncvégei „kapaszkodnak”, nemezelődnek egymásba. A hegedés annál tökéletesebb, minél sűrűbben és mélyebben hatolnak egymás anyagába ezek a szabad láncvégek és szegmensek, valamint minél szélesebbé és szerkezetileg az összehegesztendő anyagokhoz minél hasonlóbbá válik a hegedési zóna.

12.2.2 A hegeszthetőség feltételei

Polimerek esetén öt technológiai paraméter optimumát kell biztosítani a jó hegedés létrejöttéhez:

  • összeférhető anyagok

  • a megfelelő reológiai állapotot biztosító hőmérséklet (a rugalmas és viszkózus tulajdonságok optimuma)

  • a hegesztendő felületek molekuláris közelségét és a folyamat optimális lefutását biztosító nyomás

  • az előző két feltétel (2 és 3) hatásának optimális időtartama

  • a hegesztett kötés lehűtése a kezelhetőségi állapot eléréséig.

  • A polimerek hegesztésénél általában azonos anyagokat hegesztünk össze, bár a többrétegű csomagolófóliák elterjedésével előtérbe kerültek olyan rendszerek is, ahol az egyes komponensek nem azonosak, csak hasonlóak. A „hasonlóság” azt jelenti, hogy azonos kémiai szerkezet mellett a molekulatömeg, a molekulatömeg-eloszlás, az orientáció, a segédanyagok típusa és/vagy mennyisége, illetve az alkatrészek felületeinek állapota (pl. a koronakisüléssel kezelt felület polárosabb) eltérő.

    Eltérő kémiai szerkezet esetén is lehet hasonlóság, összeférhetőség, amennyiben az anyagok ömledékei (termodinamikai értelemben) egymással korlátlanul elegyednek.

  • Az optimális reológiai állapot létrehozásához szükséges hőmérséklet fontos technológiai paraméter. A felmelegítési folyamat a hegesztés legbonyolultabb és legkényesebb része. A polimerek viszkoelasztikus anyagok, ezért ömledék állapotban is rendelkeznek rugalmassággal. Ez elősegíti a felületeket összeszorító nyomás kialakulását. A kissűrűségű polietilén pl. még kellően nagy ömledék rugalmasságnál megolvad.

  • Polimereknél nem lehet olyan sima, nagy merevségű hegesztendő felületeket előállítani, mint fémeknél. Ennek oka a polimer felületek nagy flexibilitása, egyenetlensége, és a nagy hődilatáció. A nyomást a hegesztési folyamat során néha bonyolult program szerint vezérlik, hogy a melegedés, a hegedés és a lehűlés alatt fellépő dilatációs, deformációs változásokhoz optimálisan illeszkedjen.

  • A termelékenység legfontosabb technológiai paramétere a hegesztés időtartama. A nagy sebességű eljárások megvalósításához alapfeltétel a rendkívüli pontosság biztosítása, valamint az egymást követő folyamatok minél nagyobb mértékű „átlapolása”. Ez a gyakorlatban az egyes műveletek megkezdésének és befejezésének olyan időzítését jelenti, amelyben a felmelegedés, lehűlés, illetve a mechanikai mozgások egymást időveszteség nélkül tudják követni. A technológiai műveletek célszerűen automatizáltak, és folyamatos kontroll alatt állnak.

  • Egyes hőközlési módok igen gyors (néhány század másodperc) felmelegítést tesznek lehetővé (pl. NF), a lehűtést, a hő elvezetését azonban a hegesztési konstrukció szerkezeti feltételei határozzák meg, függetlenül a hőközlés módjától. Kezelhetőségi állapot alatt a hegesztett kötés olyan hőmérsékletre való lehűlését értjük, ahol már károsodás nélkül „elviseli” a hegesztést követő technológiai műveletek igénybevételét.

    Nagyobb hegedési zóna esetén a hegesztést és a lehűtés folyamatát szétválasztják, külön műveleti helyen végzik el. A lehűlési szakaszban nagy szerepe van a programozott nyomásnak. A nyomás szabályozásával tudjuk kompenzálni a hegesztett kötésben a hűlés során lejátszódó zsugorodási és utódeformációs (retardációs), valamint a feszültség csökkenési (relaxációs) folyamatok hatását.

12.2.3 Hegesztő eljárások

12.2.3.1 Hegesztés forró gázzal

A polimerek klasszikus hegesztési módszereinek egyike, amely a pálcás fémhegesztéshez hasonlít a leginkább (12.10 ábra). Elsősorban vastagfalú, nagyméretű alkatrészek (tartály-bélések, idomdarabok, csövek) összehegesztésére használják. A fémekkel ellentétben a polimerek pálcás hegesztésénél a hegesztendő felületeknek csak a külső rétegei olvadnak meg; és a pálca anyaga sem egyezik meg a hegesztendő darabokéval. Ennek oka, hogy a forró levegő ráfúvatása során a pálca anyaga jobban felhevül, nagyobb a termikus károsodás (degradáció) veszélye.

Forrógázas-pálcás hegesztés

12.10 ábra: Forrógázas-pálcás hegesztés [12.5] a) hegesztőkészülék, b) kemény és c) lágy polimer hegesztése

12.2.3.2 Hegesztés forró ömledékkel, extrúziós hegesztés

Folyékony anyaggal való hegesztésre azonos összetételű polimer (ömledék) használható, amely a kihűlés után a hegesztési területen marad, és folyamatos kötést biztosít. (Csak hőközlésre folyadékokat – a gázokkal ellentétben – nem szoktak alkalmazni.) Az extrúziós hegesztésnél (szemben a melegragasztással, „hot-melt”) a hegesztendő darabok felülete is meglágyul. Vékony termékeknél elég lehet az extrudátum hőtartalma a darabok kellő hőmérsékletre való melegítésére; vastag falú termékeknél járulékos fűtés (legtöbbször forró levegő) is szükséges. A 12.11 ábrán fóliák extrúziós hegesztésének vázlata, míg a 12.12 ábrán kézi extruderes hegesztőberendezés vázlata látható.

12.2.3.3 Fűtőelemes hegesztés közvetlen melegítéssel

A hegesztési hely közvetlen melegítését szilárd testekkel, legtöbbször fém betétekkel, ékekkel, bordákkal oldják meg. A legegyszerűbb fűtőelemes hegesztőberendezés a szabályozható hőmérsékletű páka. Minden kézi vezérlésű hegesztőberendezés közös hátránya az egyenetlen hőleadás, illetve a nem szabályozható hegesztési nyomás. Ezt a hátrányt küszöbölik ki az állandó továbbítási sebességű hegesztőberendezések, mint pl. a 12.13 ábrán látható fűtőékes fóliahegesztő.

Fóliák extrúziós hegesztésének elve

12.11 ábra: Fóliák extrúziós hegesztésének elve [12.5]

Extrúziós kézi hegesztőberendezés elve

12.12 ábra: Extrúziós kézi hegesztőberendezés elve [12.5]

Vastagfalú csővezetékek (gázcsövek, vízcsövek) hegesztésére fejlesztették ki az ún. tükörhegesztést, amely a pálcás hegesztést váltotta fel. Ez a hegesztési mód kifejezetten a polimerek tulajdonságaira épül, fémipari analógiája nincs. Az eljárás elvét a 12.14 ábra. szemlélteti. Az összehegesztendő csővégeket mindkét oldalán sima felületű fűtött tárcsához (a „tükörhöz”) szorítják. A kellő mértékben felmelegített csővégeket a tárcsa eltávolítása után egymáshoz szorítják és nyomás alatt lehűtik. A látszólag egyszerű eljárás sok hiba forrását rejti magában. A hegesztés jóságát több tényező is jelentősen befolyásolja:

  • a hegesztendő csövekben levő orientáció mértéke, és esetleges eltérő volta,

  • a cső külső és belső palástjában meglévő belső feszültségek,

  • a hegesztendő csövek anyagának, kristályosságának, kristályszerkezetének különbözősége,

  • a csővégek felületének párhuzamossága.

Fóliák fűtőékes hegesztése

12.13 ábra: Fóliák fűtőékes hegesztése [12.5] bal oldalon kézi, jobb oldalon automatikus mozgatással

Tükörhegesztés alapelve

12.14 ábra: Tükörhegesztés alapelve 1) fűtőbetét („tükör”), 2) csővég, 3) nyomás iránya

Ahol más módon nem oldható meg a hegesztés (pl. egymásba dugott csövek és csőidomok esetén), ott használják az anyagban maradó fűtőszál-betéteket. Ezeket vagy megfelelő áramcsatlakozón keresztül áramforrásra kapcsolják (fűtőellenállás), vagy zárt hurkot képeznek belőlük, és nagyfrekvenciás árammal, induktív úton hevítik fel a betéteket. Az indukciós hegesztés berendezése lényegesen költségesebb, ezért nem tudott széles körben elterjedni.

12.2.3.4 Fűtőelemes hegesztés közvetett melegítéssel

Közvetett melegítésű hegesztésről beszélünk, ha a hőt a hegesztendő darabon keresztül vezetik a hegesztési helyhez. A polimerek rossz hővezetési tulajdonságai miatt ez a módszer csak vékony (fólia) anyagokhoz alkalmazható, ott azonban a legelterjedtebb eljárás, különösen a csomagolástechnika területén. A közvetett fűtéssel végzett hegesztésnek két változata terjedt el: a tartósan melegített, illetve a szakaszosan melegített fűtőelemeket alkalmazó eljárások (ez utóbbi elven működnek a háztartási fóliahegesztő készülékek is). A szakaszos fűtésű eljárás előnye, hogy a fűtés megszűnte után az optimális hegedéshez szükséges nyomás biztosítható, ellentétben a folyamatosan fűtött változattal. A fűtőelemeket a folyamatos és a szakaszos eljárásnál is gyakran PTFE (Teflon), vagy poliimid fóliával vonják be, hogy elkerüljék a hegesztett anyag feltapadását a fűtőelemre. A 12.15 ábrán folyamatosan fűtött, a 12.16 ábrán szakaszosan fűtött bordás fóliahegesztés elve látható, a kialakuló hőmérsékleti profilokkal együtt.

Folyamatosan fűtött bordás fóliahegesztés elve és hőmérsékleteloszlása

12.15 ábra: Folyamatosan fűtött bordás fóliahegesztés elve és hőmérsékleteloszlása [12.5] A) a hegesztés kezdetén; B) a hegesztés végén; Tr) környezeti hőmérséklet, Tb) ellendarab hőmérséklete, Ts) hegesztési hőmérséklet, Th) a fűtőelem hőmérséklete

Folyamatosan fűtött bordás fóliahegesztés elve és hőmérsékleteloszlása

12.16 ábra: Szakaszosan fűtött bordás fóliahegesztés elve és hőmérsékleteloszlása [12.5] a) a hegesztés alatt, b) a hegesztést és a hűtést követően, Tr) környezeti hőmérséklet, Td) nyomóborda hőmérséklete, Ts) hegesztési hőmérséklet, Th) a fűtőszalag hőmérséklete, 1) nyomóborda, 2) szilikongumi kiegyenlítő csík, 3) PTFE/üvegselyem szövet, 4) fűtőszalag, 5) PTFE/üvegselyem szövet

12.2.3.5 Elektromágneses sugárzás elnyelésén alapuló hegesztési eljárások

Mint a 12.1 táblázatból látható, két típusuk létezik: a koherens és az inkoherens sugárzások elnyelésén alapuló hegesztési eljárások. Az inkoherens sugárzásoknál az infravörös fény mellett látható fénnyel is végezhető hegesztés, különösen a sötétre színezett anyagoknál. Sugárforrásként aranytükrös jód-kvarclámpát alkalmaznak, amelynek sugárzását elliptikus tükrökkel fókuszálják a hegesztendő területre.

Infravörös hegesztésnél a sugárforrás izzószalag lehet, amely nem érintkezik a hegesztendő anyaggal. Nehézkessége miatt ez az eljárás a gyakorlatban nem terjedt el.

Koherens sugárzást lézerekkel állítanak elő; különösen a rövid hullámhosszú, folytonos működésű CO2 lézer érdekes, mert 10,6 μm-es sugárzását a PE fólia jól elnyeli. Ezzel a módszerrel 0,2 mm-es fóliákat 25–40 cm/s sebességgel tudnak összehegeszteni. A berendezés drága, ezért még széles körben nem tudott elterjedni.

Az eddigi eljárások mindegyikénél külső hőforrás szolgáltatta a szükséges hőt, amelyet valamilyen anyag közvetítésével, esetleg sugárzás révén juttattak a hegesztendő anyagba. A következőkben olyan eljárásokról lesz szó, ahol a hőt magában az anyagban hozzák létre mechanikai, vagy elektromos energia felhasználásával.

12.2.3.6 Melegítés súrlódással – dörzshegesztés

Dörzshegesztésnél a szükséges hőmérsékletet az összekötendő részek egymás közti súrlódása szolgáltatja, külső hőforrásra nincsen szükség. Az alkatrészek mozgatása alapján a dörzshegesztést rotációs (forgató), vibrációs és dörzskúp hegesztésre lehet felosztani.

Rotációs dörzshegesztéssel (12.17 ábra, fent) forgásszimmetrikus testek, elsősorban csövek összekötése oldható meg. Előfeltétel, hogy legalább az egyik alkatrészt meg lehessen forgatni. Nem forgásszimmetrikus testek összekötésére fejlesztették ki a vibrációs eljárást (12.17 ábra, lent). Itt az alkatrészeket csak néhány fokkal kell tudni elfordítani egymáshoz képest. A vibrációt a szögelfordításon kívül tengelyirányú, vagy excentrikus mozgatással is el lehet érni. Az alkalmazott rezgetési frekvencia 90–120 Hz, amivel kb. 180 cm/s relatív sebesség érhető el. Fóliahegesztésre egyik dörzshegesztő eljárás sem alkalmas.

Dörzskúp hegesztéssel vastag (20 mm feletti falvastagságú) polimer elemeket, főként PE táblákat hegesztenek össze. A 12.18 ábrán látható eljárás során az összeszorított táblákba kúpos lyuksort fúrnak, amelyekbe jól illeszkedő PE kúpokat helyeznek, és azokat kb. 3000 ford/perc fordulatszámmal megforgatják. A súrlódás hatására a kúpok és a PE táblák anyaga összeolvad, összeheged. A kúpok kiálló részét később síkba munkálják.

12.2.3.7 Hegesztés nyomásváltozással – hang és ultrahang hegesztés

Hegesztés 10 kHz-es hanggal: A vibrációs dörzshegesztéstől annyiban tér el az eljárás, hogy itt a kötési helyeket nem csúsztatják el egymáson, hanem a hegesztendő anyag felületét gyors nyomásváltozásnak teszik ki. A 10 000 rezgés/másodperc körüli frekvencia kedvező, azonban a hallható hangok tartományába esik, ezért különleges zajvédelemről kell gondoskodni.

Rotációs (fent) és vibrációs (lent) dörzshegesztés elve

12.17 ábra: Rotációs (fent) és vibrációs (lent) dörzshegesztés elve [12.5]

PE lemezek dörzskúp hegesztése

12.18 ábra: PE lemezek dörzskúp hegesztése [12.5]

Hegesztés ultrahanggal: Előnyösebb a hallható tartományon kívüli (20–25 kHz) frekvenciák használata. (Nagyon kis alkatrészeket még magasabb – pl. 40 kHz-es –ultrahanggal célszerűbb hegeszteni.) Az ultrahangos hegesztésnél a molekuláris súrlódás miatt jön létre a hőfejlődés. A polimerben a bevezetett ultrahang intenzitása gyorsan csökken, ezért a legmagasabb hőmérséklet nem a szonotróda és a polimer felületének érintkezésénél, hanem a polimer anyagában, a felülettől kissé beljebb keletkezik, 12.19 ábra. Megfelelő alkatrész kiképzéssel ez a hátrányos tulajdonság kiküszöbölhető, erre azonban az ultrahangos hegesztéssel összekötendő alkatrészeknél már a tervezéskor gondolni kell.

Fóliák ultrahang hegesztésének elve és a hőmérsékleteloszlás

12.19 ábra: Fóliák ultrahang hegesztésének elve és a hőmérsékleteloszlás [12.5] a) az ultrahang bekapcsolása után, b) az ultrahang kikapcsolása után

12.2.3.8 Dielektromos melegítés – nagyfrekvenciás (NF) hegesztés

Az eddigi eljárásoktól eltérően a kondenzátorlemezek (elektródák, fegyverzetek) közé helyezett, elegendően nagy dielektromos állandóval rendelkező anyagok egyenletesen melegszenek fel, ha a kondenzátor fegyverzeteire nagyfrekvenciás (10...100 MHz) elektromos feszültséget kapcsolunk.

A nagyfrekvenciásan melegíthető polimereknek tehát poláros molekulaszerkezettel kell rendelkezniük (pl. PVC). A polimer térfogatában egyenletesen jelentkező felmelegedés nem előnyös a hegesztés szempontjából, ezért az elektródákat úgy képezik ki, hogy a polimer alkatrész (vagy fólia) felületéről vezesse el a hőt, így már a hegesztéshez alkalmas hőmérsékleteloszlást kapunk, 12.20 ábra. Ez azt is jelenti, hogy adott elektróda-konstrukció csak bizonyos vastagságú alkatrészekhez alkalmazható, más vastagsághoz más elektróda szükséges.

Nagyfrekvenciás hegesztés elve és hőmérsékleteloszlása

12.20 ábra: Nagyfrekvenciás hegesztés elve és hőmérsékleteloszlása [12.5]

Az engedélyezett frekvenciatartomány országonként eltérő lehet, Európában a 27,12 MHz terjedt el. Adott működési frekvencia mellett a szükséges fölmelegítési teljesítmény meghatározza az E villamos térerősséget, amelynek viszont a polimer alkatrész (fólia) villamos átütési szilárdsága szab határt:

12.1. egyenlet -


ahol P a (fajlagos) fölmelegítési teljesítmény, ε0 a vákuum permeabilitása, εr az anyag relatív permeabilitása, f a frekvencia és tg δ az anyag dielektromos veszteségi tényezője.