UVOD

Zahvaljujući mogućnosti ispunjenja najrazličitijih zahteva, polimerni materijali nalaze primenu u praktično svim oblastima ljudske delatnosti. Razvoj hemijske industrije poslednjih godina 20-tog veka, posebno u oblasti polimernih materijala doveo je do razvoja čitavog niza novih proizvoda i masovne proizvodnje najrazličitijih materijala specifičnih mehaničkih i drugih karakteristika.

Sa pojavom kompozitnih materijala dolazi do nove tehnološke revolucije, jer se novi materijali mogu projektovati i proizvoditi tako da imaju znatno bolje karakteristike od pojedinačnih osobina polaznih materijala ili nama poznatih materijala. Poseban značaj novi materijali na bazi polimera dobijaju primenom u automobilskoj, avio i kosmičkoj industriji, kao i u građevinarstvu, elektrotehnici i telekomunikacijama.

Polimerni mateijali imaju veoma raznovrsnu strukturu što predstavlja osnovne probleme pri analizi uticaja polaznih sirovina i tehnoloških parametara na njihove karakteristike. Da bi se ovi uticaji odredili, potrebno je poznavanje hemijskih, mehaničkih, termičkih, električnih i drugih svojstava plastičnih masa, što podrazumeva obimna istraživanja kao i usavršavanje metoda za istraživanja.Izrada predmeta od plastičnih masa ima čitav niz prednosti: niska cena koštanja, mala gustina u odnosu na metale, laka izrada delova, posebno proizvoda složene konfiguracije, kao i visoka produktivnost pri njihovoj izradi, dobra dielektrična svojstva, zbog čega nalaze primenu kao dobri elektro-izolatori, visoka otpornost na kiseline, rastvore i druge agresivne sredine, dobra prozračnost i sposobnost bojenja, dobra prigušujuća svojstva, odnosno visoka otpornost na vibracije, zbog čega se koriste kao dobri izolatori vibracija, dobra svojstva apsorpcije zvuka, odnosno dobri su zvučni izolatori, dobre antifrikcione osobine, a po potrebi i dobra frikciona svojstva. 

Radi daljeg povećanja primene plastičnih masa, potrebno je obezbediti razvoj u tri pravca:− razvoj novih materijala plastičnih masa,− razvoj tehnologija prerade, uređaja i alata za preradu i− razvoj primene novih materijala i razvoj novih proizvoda od plastičnihmasa.

Plastične mase su organski visokomolekularni spojevi dobijeni veštačkim, odnosno, sintetskim putem.Imaju niz svojstava koje klasični materijali, npr. nemetali nemaju.

Dobra (ili bolja) svojstva u poređenju s nemetalima:

- mala gustoća (0,92 - 1,9 g/cm3),- dobra električna izolacijska svojstva,- mala toplotna provodljivost,- dobra postojanost prema koroziji, kiselinama I delimično rastvaračima,- ne deluju fiziološki štetno, bez mirisa su i bez ukusa,- dobro se obrađuju skidanjem i bez skidanja strugotine,- dobro boje u unutrašnjisti mase, kao i površinski.

Nepovoljna svojstva u odnosu na metale:

- slabo su otporne na toplotu,- imaju veliko istezanje na toploti,- mala čvrstoća u većini slučajeva,- zapaljivost.

Značajna prednost u odnosu na druge materijale je niža cena.Područje primjene. Osim za priozvodnju predmeta široke proizvodnje, plastične mase se primjenjuju za:

- opremu za motorna vozila, avione, železnice i brodove, uključujući tzv. organsko staklo,- izradu tehničkih delova, aparata i uređaja (pumpe, ventilatori, zupčanici, ležajevi, cevi, filterprese, posude, ventili, dizalice, itd.),- elektro i toplotne izolacijske materijale,- premaze i lepila, itd.

Podela plastičnih masa.

Podela se vrši prema načinu nastajanja, toplotnim I fizičkim svojstvima. U mašinstvu je ipak najinteresantnija podela prema toplotnim svojstvima:- Termoplastične materije (termoplasti),- Termostabilne materije (duroplasti).

Za tehnologiju zavarivanja interesantni su samo termoplasti budući da mogu pri ponovnom zagrevanju ponovno omekšati, a što nije karakteristično za duroplaste.

Tablica 1. Pregled najviše primjenjivanih plastičnih masa koje se spajaju zavarivanjem s nekim svojstvima.

TermoplastSvojstvo

PolietilenMeki (PE LD)

PolietilenTvrdi(PE HD)

Poliizobutilen(PB)

Polipropilen(PP)

Polivinilhlorid(PVC)

Gustoća(g/cm3)

0,935 0,955 0,914 0,905 1,40

Tačka mekšanja

(°C)

90 120 140 165 70

Tačka raspada(°C)

250 250 350-400 250 170

Tačka lomljivosti

(°C)

-60 -50 -100 -20 -5

Koeficijent toplotnog

izduživanja(10−6 / °C)

240-200 200-103 - 200 80

Toplotna provodljivost

(J / mh°C)

1,26 1,55 - 0,8 0,54

Zatezna čvrstoća

(N / cm2)

90-140 220-340 60 350 450-600

Zapaljivost gori gori gori gori teško

Modul elastičnosti

(N / cm2 10−3)

20-25 50-110 50-100 150 300

Promene u toku zavarivanja

Svojstva plastične mase zavise o tome kakva je građa osnovnih molekula i koliko osnovnih sačinjava makromolekul. Ponašanje plastičnih masa tokom zavarivanja, te objašnjenje pojedinih promena koje se događaju tokom zavarivanja može objasniti, tzv. dijagram stanja (slika 1).

Slika 1

Na dijagramu uočavamo 3 karakteristična stanja tokom zavarivanja, kao i 4 karakterističnetemperature. Kod sobne temperature plastična masa je u krutom (čvrstom) stanju. Dovođenjem toplote temperatura raste, sekundarne sile postaju slabije, one olabavljuju, što se manifestuje mekšanjem materijala. Sekundarne sile ne puštaju odmah, ali lanci dobijaju mogućnost kretanja (lanci se kreću i kod sobne temperature, ali su ti pomaci vrlo mali). Takvo toplotno kretanje nazivamo Brown-ovim kretanjem. Poznato je da kod svih materijala povišenjem temperature opada čvrstoća. Kod plastičnih masa ta pojava je mnogo izraženija. Može se reći da promene svojstava, koje kod metala nastaju u intervalu od 500 C, kod lakih metala od 150 C, a kod plastičnih masa dovoljno je 50 C.

Iz dijagrama se vidi da izduženje raste s povišenjem temperature, dok jako pada na niskimtemperaturama. Dosta naglo, skoro pravolinijski pad čvrstoće s rastućom temperaturom ide sve do jedne granične temperature koju nazivamo tačka mekšanja (To).Sekundarne veze su već prilično popustile, kreću se segmenti lanaca i kaže se da je oslobođeno"mikro" Brown-ovo kretanje.

Prelazom To materijal dolazi u termoelastično područje. Sekundarne veze su oslabljene ali još nisu pokidane. Ako bi pokušali zavariti u ovom području, znajući da se ono ostvaruje na račun difuzije, ustanovili bi da je difuzija moguća, ali samo izdvojenih delova molekula čime ne bi bila osigurana visoka čvrstoća spoja.U termoplastičnom području materijal ima nagli porast izduženja koje ovde dostiže maximum i onda opet naglo pada zatezna čvrstoća i dalje ima tendenciju smanjenja isto kao i elastičnost ali u nešto manjoj mjeri.Daljim povećanjem temperature dovodimo materijal do temperature tečenja (Tt). To je tako visoka temperatura da popuštaju sekundarne veze i oslobađa se "makro" Brown-ovo kretanje, što znači da se kreću celi lanci i to neometano. U tom području izduženje i zatezna čvrstoća su svedeni na nulu. Prelazom Tt dolazimo u termoplastično područje u kojem se ostvaruje zavarivanje zagrevanjem zavarivanih površina i to prvenstveno kao rezultat difuzije molekula dodirnih delova.

Dakle, zavaruju se oni termoplasti koji su sposobni da pri zagrevanju prelaze u termoplastično stanje, pri kojem molekuli polimera stiču sposobnost premeštanja u pograničnim slojevima i difuzuju tako u plastični materijal.Zavarivanje se mora izvoditi vrlo oprezno i mora se striktno pridržavati zadatih parametara, zato što se blizu temperaturi tečenja nalazi temperatura raspada Tr . To je temperatura kod koje se dolazi do razaranja hemijskih veza tj. do raspada materijala. Zato moramo paziti da nam u toku zavarivanja ne dolazi do lokalnih pregrevanja, što se manifestuje u stvaranju mehura, požutjelosti i znatnom sniženju čvrstoće.

Stupanj raspada ovisi, kako od temperature, tako i od vremena djelovanja temperature na materijal. Zato se kod zavarivanja mora omogućiti kratkotrajno zagrijavanje, kod kojeg temperatura zagrijavanja nikad ne smije postići vrijednost temperature raspada.Nakon zagrijavanja slijedi hlađenje zavara na sobnoj temperaturi. Pojave i stanja koja se događaju tokom hlađenja su reverzibilne onim pojavama koje su se događale tokom zavarivanja tj. material prelazi preko svih navedenih stanja obrnutim putem, sve do krutog stanja.Tokom hlađenja postupno dolazi do uspostavljanja sekundarnih veza i lanci molekula ostaju u stanju kojeg su zauzeli nakon završnog hlađenja.

Zavarivanje plastičnih masa

Plastične mase imaju dobru zavarljivost, te se mogu zavariti svim važnim postupcima.

Glavni načini zavarivanja plastičnih masa:1 - Zavarivanje toplim vazduhom ili plinom,2 - Zavarivanje zagrejanim elementom (kontaktno zavarivanje),3 - Zavarivanje strujama visoke frekvencije,4 - Zavarivanje trenjem,5 - Zavarivanje ultrazvukom.

Zavarivanje toplim vazduhom ili plinom

Ovaj način zavarivanja nalazi vrlo široku primjenu prilikom zavarivanja ploča, cijevi, rezervoara I drugih raznih profilnih konstrukcija.

Princip zavarivanja

Zagrejemo vazduh na određenu temperaturu dovodimo preko mlaznice zavarivačkog pištolja na mesto gde želimo dve ploče zavariti. Kao dodatni materijal nam služi "šipka" obično istog sastava kao I osnovni materijala. Dovedenu toplotu usmeravamo delom na osnovni, a delom na dodatni materijal, te oni pod delovanjem toplote prelaze u termoplastično stanje, gdje je moguća difuzija, te se uz pomoć pritiska ostvaruje spajanje.

Razlikujemo dva načina zavarivanja:

- sa upotrebom dodatnog materijala

- bez upotrebe dodatnog materijala

Pribor za zavarivanje

Zavarivanje sa dodatnim materijalom

Dodatni materijal u ovom slučaju je "šipka" ili traka (ređe) istog sastava kao i osnovni materijal, ali s nešto više omekšivača (5-12 %) radi sniženja temperature omekšivanja tj. radi lakšeg zavarivanja. Dodatni materijal za ručno zavarivanje je "šipka" prečnika 2, 3 i 4 mm, dužine manje od 1000 mm.

Postupak zavarivanja (slika 4)

Zagrejani vazduh (4) dolazi iz mlaznice grejača (2) i usmerava se delom na dodatni materijal (3), a delom na osnovni materijal (1). Nakon dovođenja "žice" i osnovnog materijala do testastog stanja, pritiskom "p" se ostvaruje zavareni spoj (5). Pritisak "p" na dodatni materijal je određen prečnikom dodatnog materijala:

Tablica 2

Prečnik “žice”

(mm)

Pritisak na “žicu”

(mm)2 10

3 20

4 30

Unapređenje postupka

Postupak zavarivanja se može i automatizovati.Šema poluautomatskog zavarivanja toplim zrakom sa dodatnim materijalom u vidu "žice" data je na slici 5.

Zavarivanje vrućim vazduhom uz pomoć trake

Pri sučeonom zavarivanju tankih ploča primenjujemo dodatni materijal u vidu trake debljine (0,8 - 1) mm i širine (10 - 15) mm. Zavarivanje može biti ručno i poluautomatsko (slika 6).

Slika 6

Zavarivanje toplim vazduhom bez dodatnog materijala

Princip je zasnovan na presovanju materijala u temperaturnom stanju. Pre zavarivanja ploče režemo pod uglom od 20°, te ih sastavljamo po ivicama, a nakon toga ravnomerno zagrevamo. Neposredno iza struje vazduha slede valjci koji pritiskom ostvaruju zavarivanje (slika 7).

1-grejač

2-puštanje gasa

3-predgrejač

4-ručica

5-kolica

6-kotrljajući valjak

7-vodeći valjak

Zavarivanje zagrejanim elementom

Princip zavarivanja

Dve plastične mase koje želimo zavariti ovim načinom, zagrejemo do temperature zavarivanja, na taj način, da između zavarenih površina stavimo planparalelnu električnom strujom zagrejanu ploču konstantne temperature, koja greje krajeve plastičnih masa direktno. Nakon izvesnog vremena kad je postignuto testasto stanje, element koji greje se brzo odstrani, a zavarivane površine se pod određenim pritiskom spoje.

Kontaktno zagrevanje zavarivanih površina možemo ostvariti na 2 načina:

1 - Grejač s spoljne strane dodiruje i predaje toplinu zavarivanim površinama kroz debljinu materijala,2 - Grejač je neposredno u kontaktu sa zavarivanim površinama.

Kontaktno zagrijavanje može biti:

a) Jednostrano (za folije i tanke ploče) (slika 8)

b) Dvostrano (deblji limovi) (slika 9)

Element koji greje

Materijal grejača je obično nerđajući čelik koji je fino poliran. Čim je finije poliran tim je bolji kvalitet zavara. Elementi koji greju mogu biti iz različitih konstrukcija, što zavisi od oblika dela koji se radi I vrste termoplasta. Tako elementi koji greju mogu biti: pljosnate i krivolinijske ploče, valjci, tanke trake, klinovi, prizme, cilindri, a takođe specijalni oblici klešta, elektr. aparat za lemljenje (250-400) W itd.

Princip zavarivanja dat je na slici 10.Parametri zavarivanja za nekoliko plastičnih masa dati su u tablici 3.

Tablica 3

Plastična masa

Temperatura grejača

(°C)

Vreme zagrevanja

(sek)

Vreme odmicanja

grejača(sek)

Pritisak pri zavarivanju(N / cm2)

Otvrdnjavanje(sek)

PE LD 180 20-60 10-12 10 5-10

PE HD 200 30-90 10-15 15-20 5-10

PP 220 30-120 10 10-15 10-15

PVC 230 20-60 3-5 20-25 20-30

Zavarivanje strujama visoke frekvencije

Strujama visoke frekvencije dosta lako zavarujemo one plastične mase koje slabo provode el. struju I toplotu, te čiji faktor dielektričnih gubitaka nije manji od 0,01.

Princip zavarivanja

Ako stavimo termoplast između elektroda koje su u spoju sa naizmeničnom strujom, primjetićemo da se masa zagreva. Ustvari, to je uzajamna veza između kondenzatora i plastične mase kao dielektrika. Zavarivanje plastičnih masa strujama visoke frekvencije je zasnovano na zagrevanju materijala, kao rezultat pretvaranja el. energije u toplotnu, neposredno unutar samog materijala. Dakle, struju visoke frekvencije dovodimo elektrodama i izazivajući polarizaciju molekula u masi stisnutoj među njima ostvarujemo zavarivanje (slika 11).

Specifična snaga izražena u vidu toplote pri postojanju dielektrika u el. polju:

f – frekvencija el.poljatg δ – tangens ugla dielektričnih gubitakaε - koeficjent dielektrične probojnosti materijala

Specifična snaga el. polja, teoretski neophodna za ostvarivanje procesa zavarivanja:

Gde je:

ζ - gustina materijalac - spec. toplota materijala∆ T∆t - brzina zagrevanja materijala

∆T - prirast temp. u ( )° u intervalu vremenaη -termički faktor dielektričnih gubitaka

Iz gornjih jednačina se vidi da je proces zagrevanja u el. polju visoke frekvencije određenparametrima el. polja (frekvencija i napon) i dielektričnim svojstvima plastične mase, a ne zavisi od mera i toplotne provodljivosti. Toplotna provodljivost određuje samo gubitke toplote u okolini materijala.

Načini zavarivanja

- Pločasto zavarivanje (slika 12)- Šavno zavarivanje- Tačkasto zavarivanje

Tehnologija zavarivanja

1 – generator visoke frekvencije

2 – kontaktne elektrode

3 – delovi koji se zavaruju

U procesu zavarivanja, faktori, kao što su: napon el. polja, pritisak i trajanje zagrevanja moraju se regulisati.

Za tvrdi PVC područje primene frekvencije je od (60-75)106 Hz, a za meki PVC (30-50)106 Hz.Vreme zagrevanja se kreće od nekoliko desetinki do nekoliko sekundi (0,1 - 5) sekundi.Pri zavarivanju termoplasta u visokofrekventnom polju pritisak je obično u granicama (10 -1000) N/cm2.

Zavarivanje trenjem

Princip zavarivanja

Princip zavarivanja se zasniva na tome što se pri međusobnom kontaktu dva dela, koji se okreću u suprotnim smerovima pojavljuje sila trenja, a kao rezultat toga je oslobađanje toplote, usled čega zavarivane površine dolaze u testasto stanje, te se uz pomoć pritiska ti delovi čvrsto spoje (slika 13).

Spec. snaga izražena u vidu toplote koja je ekvivalentna mehaničkoj snazi po jedinici površine tela:

Gde je:

Postoje 3 načina zavarivanja rotacijom: okretanjem jednog dela, okretanjem oba dela i okretanjem međukomada.

Jedan od glavnih nedostataka zavarivanja trenjem je ograničenje oblika zavarenih dijelova, te setrenjem mogu zavariti sledeći oblici (slika 14).

Tehnologija zavarivanja

Radi izbegavanja pregrevanja zone zavarivanja i održavanja potrebnog pritiska nužno je davremenskim trajanjem osiguramo puno topljenje dodirnih površina što je kraći zavarivački ciklussmanjuje se topljenje i pojavljuju se unutrašnja naprezanja. Obično od pojave trenja pa do zaustavljanja mašine prođe (3 - 25) sekundi. Zavar potpuno otvrdne nakon (5 - 8) minuta posle zaustavljanja mašine. Pritisak osigurava neophodno zagrevanje u zoni spajanja i čvrsti kontakt zavarivanih površina. Pritisak mora biti ravnomeran i donekle raste posle početka omekšavanja. Pritisak nije manji od 70 N/cm2.

Glavna prednost ovog postupka je velika brzina obrazovanja spoja. Brzinu rotacije određujemo na osnovu tipa termoplasta i konfiguracije obratka

Zavarivanje ultrazvukom

Zvuk predstavlja mehaničko elastično titranje sredine u kojoj se on prostire, dok ultrazvučnimtalasom nazivamo elastično titranje materijalne sredine s frekvencijom 20 kHz do 500 MHz.Za razliku od elektromagnetskih, ultrazvučni talasi mogu prolaziti samo kroz materijalnu sredinu. Princip zavarivanja plastičnih masa zasniva se na pretvaranju mehaničkih visokofrekventnih titraja u toplotnu energiju. Za razliku od zavarivanja ultrazvukom metala, kod plastičnih masa premeštanje I pritisak deluju u jednom pravcu. Stvoreni titraji visoke frekvencije deluju na zavarene površine tako da se na njima pojavljuju normalna naprezanja, izazivajući plastične deformacije materijala, usled čega se na mestu kontakta razvija povišenje temperature u vidu toplote. Pri tome toplota na mestu kontakta stvara površinsko omekšanje plast. mase i uz pomoć pritiska se vrši nerastavljivo spajanje (slika 14).

Ultrazvukom zavarujemo sučeone, preklopne i T-spojeve. Čišćenje površina pre zavarivanja nije potrebno, jer za vreme zavarivanja različita ulja, masti, prašina i emulzija se uklanjaju iz zone zavara pojavom titraja poprečnih talasa.Osnovni tehnološki parametri zavarivanja su: amplituda pomeranja kraja radnog instrumenta,frekvencija titraja, pritisak na materijal i vremensko trajanje zavarivanja.Odličnom osobinom ultrazvučnog zavarivanja javlja se visoka brzina rasta temperature u zoni zavara.

Npr. zavarujući PVC ploče (5 + 5) mm, frekvencijom 2000 Hz i amplitudom 24 m, već za (4 - 5) sek. se u zoni zavarivanja postiže 500C. Tako intenzivno zagrevanje osigurava veliku brzinu

VODA

PREMA ULTRAZVUČNOM

GENERATORU

1 – MAGNETNI TRANSFORMATOR

2 – TALASNI VOD

3 – RADNI KOMAD

4 – POKRETNA POLUGA

zavarivanja, ali istovremeno povećava opasnost izazivanja destrukcije materijala,posebno pri dužem delovanju ultrazvučnog polja.

Debljina materijala koji se zavaruje može biti veća nego kod zavarivanja strujama visoke frekvencije I kreće se od 0,1 do 10 mm.