Механизм образования сварных соединений.

Процесс сварки следует рассматривать как топохимическую реакцию, т. е. химическую реакцию протекающую на поверхности твердого тела. В основе любой химической реакции лежит процесс разрыва связей в исходных веществах и возникновение новых связей, приводящих к образованию нового вещества. Таким образом, механизм образования соединения не должен меняться при переходе от одного способа сварки к другому и от одного материала к другому. Изменяется только совокупность явлений на контактных поверхностях, приводящая их в состояние взаимодействия. Эти явления могут быть различными и определяются природой материала и способом сварки.

Для топохимической реакции характерно ее протекание в три стадии:

-образование физического контакта;

- активация контактных поверхностей;

-объемное развитие взаимодействия.

Стадия образования физического контакта протекает обычно при приложении к свариваемым деталям давления. Следует отметить, что в некоторых случаях, когда в зону сварки поступает расплавленный присадочный материал, физический контакт между ним и свариваемыми материалами может осуществляться без приложения давления или при сравнительно небольшом давлении, что имеет место при сварке нагретым газом и экструзионной сварке.

Установление физического контакта между свариваемыми поверхностями может предшествовать нагреву, осуществляться после нагрева соединяемых поверхностей до температур сварки или одновременно с нагревом. В любом случае на этой стадии происходит пластическое деформирование макро- и микронеровностей, за счет чего происходит сближение контактирующих поверхностей. Работа деформации затрачивается также на удаление из контактной зоны инородных включений (газовых пузырей, масляных и жировых пятен и других загрязнений). Для мягких пластических масс и волокнистых материалов на этой стадии характерно уплотнение, проявляющееся в уменьшении толщины материала.

Активация свариваемых поверхностей включает в себя их нагрев для повышения энергии теплового движения макромолекул. Нагрев может осуществляться либо непосредственно за счет передачи тепла от нагретых инструмента, от газа или от присадочного материала к свариваемым деталям, либо за счет преобразования других видов энергии в тепловую. Это может быть механическая энергия ультразвуковых колебаний или трения, энергия высокочастотного электрического поля конденсатора, а также электромагнитная энергия, энергия инфракрасного излучения, лазера и концентрированного светового луча.

При сварке с использованием преобразования различных видов энергии в тепловую активации поверхностей будут предшествовать процессы, связанные со спецификой данного вида сварки: смещение диполей при сварке токами высокой частоты; ввод и распространение ультразвуковых колебаний, а также концентрация и преобразование энергии механических колебаний в тепловую - при ультразвуковой сварке, поглощение лучистой энергии - при сварке инфракрасным излучением.

Объемное развитие взаимодействия сопровождается рядом сложных физико-химических процессов, среди которых наиболее существенными являются диффузии, течение и физико-химические превращения.

Теория сварки, в которой главенствующая роль на этом этапе отводится диффузии, названа диффузионной. Теория, в которой считается, что ответственными за свариваемость являются процессы течения, названа реологической - по названию науки реологии, изучающей закономерности течения. Согласно диффузионной теории, для получения соединения необходимо, чтобы при соприкосновении двух поверхностей вещества происходило достаточно полное их слияние (коалесценция). Полная коалесценция двух слоев жидкости происходит при непосредственном контакте их и сопровождается исчезновением границы раздела между ними. В случае соединения полимеров одного контакта для коалесценции не достаточно, так как должно еще произойти структурообразование в зоне контакта, которое может быть достигнуто за счет диффузии макромолекул в целом или отдельных сегментов.

Перемещение макромолекул целиком особенно легко может происходить в том случае, если контакт слоев полимера осуществляется при температуре выше температуры текучести. В этом случае в зоне контакта сравнительно легко возникает структура, характерная для полимера. Диффузия отдельных сегментов макромолекулы может происходить и при температурах, соответствующих высокоэластическому состоянию полимера, при этом перемещение молекулы в целом затруднено. При таких температурах степень коалесценции меньше единицы (максимальная степень коалесценции равна единице и наблюдается только у жидкостей). Это объясняется тем, что после перемещения сегментов на определенную глубину диффузия прекращается из-за напряжений, возникающих в молекулярных цепях.

Доказательством диффузионного характера процесса сварки может служить то обстоятельство, что все меры, способствующие тепловому движению (повышение давления и температуры, введение пластификаторов и т.д.), вызывают увеличение прочности сварного соединения, и наоборот, факторы, замедляющие диффузию, снижают прочность.

Сторонники реологической теории считают, что если бы за образования была ответственна только диффузия, то время сварки составляло бы десятки минут. Однако на практике это время значительно меньше. Кроме того, следует учитывать, что процессу диффузии неизбежно препятствуют воздушные прослойки и загрязнения поверхностных слоев свариваемых материалов, поэтому время проникновения еще более увеличивается. Наконец, следует иметь в виду, что коэффициент диффузии не остается постоянным, а непрерывно снижается, так как по мере проникновения участков макромолекул через границу раздела непрерывно возрастает их торможение. Поэтому сторонники реологической теории предполагают, что проявлению сил межмолекулярного взаимодействия и диффузии в контактирующих объемах предшествует ряд явлений, связанных с течением и перемешиванием расплава.

Некоторые авторы [4,5] считают, что при контакте расплавленных поверхностей с напряжением, создаваемых усилием прижима (при ультразвуковой сварке и динамические напряжения), вызывают сдвиг слоев расплава. При таком сдвиге происходит удаление из зоны соединения воздушной прослойки и других инородных включений, а расплав выдавливается из зоны сварки, что говорит о получении качественного сварного соединения. Скорость сдвига в различных участках контактирующих поверхностей может различаться из-за неравномерности распределения температур и напряжений. Все это может привести к перемешиванию расплава в контактирующих объемах, что особенно вероятно в случаях сварки с использованием высокочастотных механических (ультразвуковая сварка) или электрических (ТВЧ) колебаний.

Явление перемешивания вязкотекучего материала в зоне сварки было подтверждено экспериментально [4,5] при изучения процесса сварки пластмасс нагретым инструментом. По-видимому, для макрообъемов вязкотекучего материала при сварке характерен процесс перемешивания, а для микрообъемов - процесс диффузии.

Если сварка проводится в интервале температур высокоэластичности, преимущественным является диффузионный механизм. При этом необходим длительный контакт свариваемых поверхностей друг с другом, сварные швы сохраняют границу раздела, а материал в зоне соединения не отличается от исходного по надмолекулярной структуре. Такая сварка протекает при значительных давлениях, что обусловливает значительные остаточные напряжения в зоне шва после охлаждения соединения.

Если сварка проводится в интервале температур вязкотекучести (для аморфных полимеров) или в интервале температур плавления (для частично-кристаллических полимеров), процесс подобен сварке металлов. Под воздействием внешних сил происходит быстрая коалесценция расплава, сопровождающаяся перемешиванием слоев. При этом слои расплава, содержащие газовые и оксидные включения, удаляются из зоны сварки, что облегчает даль-нейшую взаимную диффузию участков молекулярных цепей и целых макромолекул в микрообъемах. В сварных швах таких соединений практически отсутствует граница раздела соединяемых поверхностей. Они не разрушаются по первоначальной плоскости контакта, а надмолекулярная структура может изменяться в зависимости от условий охлаждения расплава.

Вязкость расплава в свою очередь зависит от природы пластмассы (молекулярной массы, разветвленности макромолекул полимера) и температуры нагрева в интервале вязкотекучести. Следовательно, вязкость может служить одним из признаков, определяющих свариваемость пластмассы: чем она меньше в интервале вязкотекучести, тем лучше свариваемость и, наоборот, чем больше вязкость, тем сложнее разрушить и удалить из зоны контакта ингредиенты, препятствующие взаимодействию макромолекул. Однако нагрев для каждого полимера ограничен определенной температурой деструкции Т_д, выше которой происходит его разложение – деструкция. Термопласты различаются по граничным значениям температурного интервала вязкотекучести, т. е. между температурой их текучести Т_т и температурой деструкции Т_д (табл.2).

Таблица 2