塑料焊接技术
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第四节 热风焊

热风焊是一种应用非常广泛的焊接工艺,它的应用成本很低,并且能适应多种不同形式的热塑性塑料焊接。根据焊条施加方式的不同,热风焊可分为圆嘴热风焊和快速热风焊。在具体生产过程中可根据待焊部件的形状、工时要求等选择不同的焊接方式。

一、圆嘴热风焊

(一)圆嘴热风焊工艺原理

圆嘴热风焊是利用加热后的风或者说是空气来同时预热焊条与待焊的母材相应部位,待其熔融之后,操作者对焊条垂直施加一定的压力,将焊条的熔融区与待焊母材的熔融区进行对接,并保持一定的焊接速度以使其有足够承压时间,最后冷却定型。圆嘴热风焊的原理如图3.10所示。

图3.10 圆嘴热风焊

如前所述,塑料焊接就是相容塑料材料中相互缠绕的大分子链受热之后,由于具备了足够的能量和空间,在自身的分子热运动和外在压力的作用下,相互迁移、扩散到对方熔融区中,随着温度的下降和时间的推移,再次发生缠绕冷却结晶定型的过程。

在圆嘴热风焊过程中,操作者必须小心控制所施加的压力和焊接速度。因为通过设定合适并且可准确进行控制的温度,能保证得到合适的大分子熔融区;如果所施加的压力太小,则大分子链无法迁移和扩散;如果压力太大,则大分子链都被挤出熔融区而无法停留在界面参与迁移和扩散过程,也就无法实现真正的焊接。

在冷却过程中,塑料在微观结构上也会发生明显的变化。对于无定形材料,其改变表现为焊接区分子链的取向。对于半结晶的材料,结晶程度和晶粒大小的形成与冷却速度有关。当冷却温度超出规定的温度范围,则形成的晶体结构有可能在承受应力时会发生破坏;不合适的温度和过快的冷却速度会导致结晶度降低,同时形成的晶粒比较小。较小的晶粒结构在在遭受化学物质和溶剂侵蚀以及承受应力的情况下也非常容易发生破坏。因此,应尽量避免使用过快的冷却速度。同时,焊接过程中支撑焊件的材料也会影响冷却速度。在焊接时,应避免使用混凝土、厚的金属板或其他容易从焊接区域吸收热量的材料作为支撑件,否则即使提高热风的温度也不能很好地解决问题。

(二)圆嘴热风焊的工艺过程

圆嘴热风焊的工艺过程包括五个阶段:待焊部件表面处理、加热、加压、分子链间扩散和冷却。每个阶段的具体操作要求取决于具体待焊部件的外观形状和内部结构设计。表3.12给出了圆嘴热风焊几个典型工艺步骤所需要的时间;表3.13给出了影响焊接质量的重要工艺参数及其影响因素。

表3.12 圆嘴热风焊典型工艺步骤

  表3.13 焊接工艺参数总汇

正式焊接之前,先对待焊部件的表面进行相关处理。目的一是在焊接区加工出焊缝所需要的坡口或槽口,例如V形槽口(见图3.10所示);其二是去除材料表面的杂质、脏物或者氧化层等影响焊接质量的不利因素。

明确所焊接材料的种类,根据相关标准规定的焊接参数,设定焊接工具的温度;设定温度时必须考虑环境因素的影响。焊接工具的温度达到设定值后,即可对焊条和待焊母材进行加热。

加热一定时间后,在焊接区域内的焊条和待焊母材都会形成一定尺寸大小的熔融层;此时,焊接操作人员则需要人工对焊条在垂直方向施加规定的压力,以使处于熔融区的大分子链开始流动。

大分子链受热可以流动后,操作人员继续对焊条施加压力;由于受到外界压力的作用,焊条和待焊母材大分子链在界面处开始相互扩散,进入对方的熔融区并重新形成大分子链之间的缠结。

焊接完成之后,焊缝部位材料需要冷却并重新进行固化定型。在冷却过程中,不可对焊接部件的固定夹具进行拆卸,也不可对焊接部件进行任何形式的移动,尽量避免使焊接部件受到外力的冲击;同时注意不能使冷却速度太快,以保证形成合格的焊缝。

(三)圆嘴热风焊的控制要素

圆嘴热风焊几乎是纯粹的手工焊接,因而对操作人员的技能水平依赖性很大。在整个焊接过程中,操作人员对于以下几个要素必须给予特别注意:

(1)清理材料表面的杂质时,用刮刀或溶剂去除;用溶剂去除杂质时,必须等溶剂完全挥发之后才能进行焊接;开坡口或槽口时,其角度和母材厚度的关系要符合相关标准的规定。去除杂质或开坡口/槽口完毕后,要避免发生二次污染。

(2)确定焊条和待焊母材的种类、牌号和相关尺寸满足要求。

(3)对于无温度显示功能的焊接工具,每次焊接之前,都需要测量其温度是否在标准规定的范围之内;同时必须考虑环境因素对于温度的影响;对于有温度显示功能的焊接工具,则需要定期对其温度检验和校定。

(4)必须同时加热焊条和待焊母材,加热段的直线长度大致相等。

(5)操作人员在焊接之前,要通过带有数字显示功能的称重仪上,先行检测自己的所施加的压力,确保能够满足相关标准的要求。

(6)焊接速度要保持均匀,速度大小要符合表3.13的相关规定。

(7)操作工人初次焊接或使用新材料时,必须先进行试焊以确定准确的工艺参数。

二、快速热风焊

(一)快速热风焊工艺原理

快速热风焊也是利用加热后的风或者说是空气来预热焊条与待焊母材相应部位的方法来进行焊接。快速热风焊需要的焊接风嘴比较特殊,焊接风嘴底部形状一般为突出的弯曲面,用来将焊条压入母材的待焊部位。焊条穿过焊接风嘴内部并且从风嘴中伸展出一段。加热时,一部分热风对风嘴底部的焊条进行加热,另外一部分热风则加热母材的待焊区域。如图3.11所示。图3.12中所示为另外一种快速热风焊风嘴。

图3.11 快速热风焊

图3.12 另外一种快速热风焊风嘴

如图3.13、图3.14所示,快速焊接工艺过程中,焊条通过快速焊接风嘴出来,在焊接风嘴中先进行部分预热。同时从风嘴中吹出的部分热风则对母材的待焊部位进行预热。焊接压力通过风嘴的末端施加到焊条上,完成整个焊缝的焊接。

图3.13 使用快速热风焊工艺焊接小型容器(一)

图3.14 使用快速热风焊工艺焊接小型容器(二)

(二)快速热风焊工艺过程

同圆嘴热风焊一样,快速热风焊的工艺过程同样包括五个阶段:待焊部件表面处理、加热、加压、分子链间扩散和冷却。并且每个阶段的具体操作要求和具体待焊部件的外观形状和内部结构设计息息相关。表3.14给出了圆嘴热风焊几个典型工艺步骤所需要的时间;影响焊接质量的重要工艺参数及其影响因素同表3.13。

表3.14 快速热风焊典型工艺步骤

正式焊接之前,先对待焊部件的表面进行相关处理。目的一是在焊接区加工出焊缝所需要的坡口或槽口,例如V形槽口(见图3.10所示);其二是去除材料表面的杂质、脏物或者氧化层等影响焊接质量的不利因素。在快速热风焊中,最常见的为垂直焊接方式。根据设计要求,可以选择开开坡口,也可以直接进行焊接。

明确所焊接材料的种类,根据相关标准规定的焊接参数,设定焊接工具的温度;设定温度时必须考虑环境因素的影响。焊接工具的温度达到设定值后,在不加焊条的前提下,通过焊接风嘴对焊条和待焊母材起始焊接部位进行预热。

加热一定时间后,待焊区域内起始部位的母材开始部分呈现熔融态;此时,将焊条插入焊接风嘴中,并从风嘴底部伸出,在待焊区域起始部位停留约10 s,然后通过风嘴将焊条压入焊缝部位与母材进行贴合。焊接操作人员通过焊接工具本身施加规定的压力,以使处于熔融区的大分子链开始流动。

大分子链受热可以流动后,操作人员继续对焊条施加压力;由于受到外界压力的作用,焊条和待焊母材大分子链在界面处开始相互扩散,进入对方的熔融区并重新形成大分子链之间的缠结。

焊接完成之后,焊缝部位材料需要冷却并重新进行固化定型。在冷却过程中,不可对焊接部件的固定夹具进行拆卸,也不可对焊接部件进行任何形式的移动,尽量避免使焊接部件受到外力的冲击;同时注意不能使冷却速度太快,以保证形成合格的焊缝。

(三)快速热风焊的控制要素

同圆嘴热风焊相比,快速热风焊施加压力时更为方便,焊接的速度也相对较快,但仍然无法摆脱对手工方式的依赖。也因为如此,焊接操作人员的技能水平很大程度上决定了焊接质量。在整个焊接过程中,操作人员对于以下几个要素必须给予特别注意:

(1)清理材料表面的杂质时,用刮刀或溶剂去除;用溶剂去除杂质时,必须等溶剂完全挥发之后才能进行焊接;开坡口或槽口时,其角度和母材厚度的关系要符合相关标准的规定。去除杂质或开坡口/槽口完毕后,要避免发生二次污染。

(2)确定焊条和待焊母材的种类、牌号和相关尺寸满足要求。

(3)对于无温度显示功能的焊接工具,每次焊接之前,都需要测量其温度是否在标准规定的范围之内;同时必须考虑环境因素对于温度的影响;对于有温度显示功能的焊接工具,则需要定期对其温度检验和校定。

(4)必须先行对母材待焊区域的起始部位单独进行预热,预热时风嘴中不用插入焊条。

(5)焊条插入风嘴并从底部伸出之后,不能立即进行焊接,否则会造成“冷焊”。

(6)焊条必须有部分超出母材待焊起始部位之外,焊条端部不能和起始部位平齐,更不可在母材待焊区域起始部位以内。

(7)风嘴底部必须始终处于两部分待焊母材的正中间,不可偏离/偏向某一部分母材。

(8)压力施加的方向和焊缝方向始终垂直。

(9)焊接速度要保持均匀,速度大小要符合表3.13的相关规定。

(10)操作工人初次焊接或使用新材料时,必须先进行试焊以确定准确的工艺参数。

三、热风焊工艺参数

热风焊接的温度(热风温度)一般控制在300~320℃,如材料为高密度聚乙烯、焊接速度较快、焊件较厚,可选择较高的温度;如材料为低密度聚乙烯、焊接速度较慢、焊件较薄,可选择较低的温度。热风风量应达到40~50L/min。焊接的压力控制一般靠手工控制,根据焊件的厚度和不同的焊接方法,可参考以下的压力值。热风焊,焊件厚度3mm,压力6~10N;焊件厚度4mm,压力15~20N;挤压热风焊,焊件厚度3mm,压力10~16N;焊件厚度4mm,压力25~35N。

焊条速度:根据焊条和喷嘴直径大小来选择焊接速度,以150~250mm/min为宜。

焊丝尺寸的选择见表3.15;焊条规定及选用见表3.16和表3.17。

表3.15 焊丝尺寸选择

  表3.16 热风焊焊条规定及选用(单焊条规格)

  表3.17 热风焊焊条规定及选用(双焊条规格)

热风焊相关参数见表3.18。

  表3.18 热风焊相关工艺参数

①热风温度是指风嘴中部进去5mm处的温度。

热风焊的短期焊接系数和长期焊接系数见表3.19。

表3.19 热风焊的短期焊接系数和长期焊接系数