MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA
RENOVACE PLASTOVÝCH SOUČÁSTÍ SVAŘOVÁNÍM Bakalářská práce
Vedoucí bakalářské práce:
Vypracoval:
Ing. Jiří Votava, Ph.D.
Michal Vermouzek Brno 2010
Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy
Vedoucí bakalářské práce:
Vypracoval:
Ing. Jiří Votava, Ph.D.
Michal Vermouzek
Brno 2010
PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma RENOVACE PLASTOVÝC SOUČÁSTÍ SVAŘOVÁNÍM, vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Bakalářská práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům, jen se souhlasem vedoucího bakalářské práce a děkana AF MU v Brně.
dne………………………………………. podpis studenta……………………….
Poděkování Děkuji svému vedoucímu bakalářské práce, Ing. Jiřímu Votavovi Ph.D. Za příkladné vedení mé bakalářské práce a za pomoc při řešení dané problematiky.
Abstrakt Bakalářská práce se zabývá svařováním plastů a použitím renovace v automobilovém průmyslu. V první části práce, je rozdělení makromolekulárních látek, jaké mechanické a tepelné vlastnosti mají plasty, podle jakých zkoušek se stanovují a normy, podle kterých se tyto zkoušky provádějí. Ve zbývající části je rozebráno svařování termoplastů. Nejpoužívanější technologie a pro jaký druh plastů je vhodný typ svařovaní, Na závěr, je provedena praktická zkouška, která má dnešní době velké uplatnění při renovaci plastů. Klíčová slova: svařování, mechanické vlastnosti, tepelné vlastnosti
Abstract The bachelor thesis deals with the welding of plastics and the use of renovation in the car industry. The first part of the thesis contains the division of macromolecular substances, mechanical and thermal properties of plastics, and the test setting standards under which the tests are carried out. The second part of the thesis analyses the welding of thermoplastic materials, the most widely used technologies, and the types of welding for particular plastics. The thesis concludes a practical test valuable for today’s plastic renovation.
Keywords: plastic welding, mechanical and thermal properties of plastics, plastic renovation
OBSAH 1 Úvod............................................................................................................................... 7 2 Historie plastů ................................................................................................................ 7 3 Rozdělení makromolekulárních látek ............................................................................ 8 3.1 Polymery ............................................................................................................ 8 3.2 Elastomery.......................................................................................................... 8 3.3 Plasty .................................................................................................................. 8 3.3.1 Termoplasty ................................................................................................ 8 3.3.2 Reaktoplasty................................................................................................ 9 4 Zkoušky plastů ............................................................................................................. 10 4.1 Krátkodobá tahová zkouška ............................................................................. 10 4.2 Dlouhodobá zkouška tahem ............................................................................. 11 4.3 Zkoušky ohybové ............................................................................................. 11 4.4 Houževnatost .................................................................................................... 12 4.5 Minimální požadovaná pevnost (MRS) ........................................................... 13 4.6 Tvrdost ............................................................................................................. 13 5 Termodynamické vlastnosti plastů .............................................................................. 13 6 Tepelné vlastnosti plastů ............................................................................................ 16 6.1 Teplota skelného přechodu .............................................................................. 16 6.2 Teplota měknutí podle Vicata .......................................................................... 16 6.3 Hořlavost .......................................................................................................... 17 6.4 Stanovení hořlavosti ......................................................................................... 18 7 Svařování termoplastů ................................................................................................ 19 7.1 Základní parametry svařování .......................................................................... 20 8 Technologie svařování termoplastů ............................................................................. 21 8.1 Svařování horkým tělesem ............................................................................... 21 8.2 Svařování na tupo horkým tělesem .................................................................. 22 8.3 Svařování radiační ............................................................................................ 23 8.4 Svařování třením .............................................................................................. 24 8.5 Svařování polyfúzní ........................................................................................ 25 8.6 Svařování horkým klínem ................................................................................ 26 8.7 Svařování horkým plynem a přídavným materiálem ....................................... 26 8.8 Svařování horkým plynem extrudérem ............................................................ 28 8.9 Svařování ultrazvukem..................................................................................... 29 8.10 Svařování infračerveným paprskem ............................................................. 29 9 Praktická zkouška ........................................................................................................ 31 9.1 Svařovací pistole .............................................................................................. 31 9.2 Technologický postup ...................................................................................... 31 10 Závěr .......................................................................................................................... 33 11 Normy a předpisy....................................................................................................... 33 11.1 ČSN, ČSN EN, ČSN EN ISO ...................................................................... 33 11.2 Zahraniční normy, směrnice a předpisy ....................................................... 33 12 Použitá Literatura ....................................................................................................... 34 13 Seznam obrázků ......................................................................................................... 35 14 Seznam tabulek .......................................................................................................... 35
1 ÚVOD Bakalářská práce se zabývá technologii svařování plastů a jejím využitím v praxi. První část práce je zaměřena na rozdělení makromolekulárních látek, jejich tepelnými a mechanickými vlastnostmi. Zbývající část je věnována normám a technologiím svařování plastů. V závěru práce je uváděn praktický příklad svařováním prasklého nárazníku vozidla Ford eskort horkým plynem a přidaným materiálem.
2 HISTORIE PLASTŮ Od rané existence lidstva se člověk snaží vyvíjet umělé materiály, které mají lepší vlastnosti než látky, vyskytující se běžně v přírodě. Umělé hmoty - plasty - byly poprvé vyvinuty v 19. století a dnes se s nimi setkáváme v moderní společnosti prakticky všude každý den. První plast - nitrát celu objevil Alexandr Parkes v polovině minulého století a poprvé byl veřejnosti představen na Velké výstavě v Londýně 1862. Byly z něj vyrobeny podešve bot a biliárové koule. John W. Hyatt zlepšil vlastnosti nitrátu celulózy smícháním s kafrem a nazval nový produkt celuloid. Tento nový plast byl s oblibou používán na výrobu hřebenů, knoflíků a rukojetí. Nové polymerní materiály ve svých počátcích představovaly modifikované přírodní látky, z nichž nejznámější je viskózové vlákno. Tento polo-přírodní polymer vyráběný z celulózy, je používán v textilním průmyslu a je znám i jako transparentní film - celofán. Prvním plně syntetickým plastem, byl bakelit, vynalezený Leo Baekelondem v Americe roku 1909. Tento plast vyráběný z fenolu a formaldehydu se vyznačuje pevností, lehkostí, tepelnou odolností a dobrými izolačními vlastnostmi. Z těchto důvodů byl dlouhá léto používán v elektrotechnice. Vývoj plastů pokračoval ve 20. a 30. letech. K jejich masovému využití došlo během 2. Světové války. Na začátku 50. let si plasty našly cestu i do našich domovů. Lze říci, že žijeme ve století plastu. Jejich výroba se výrazně zvýšila a spotřeba vzrostla z přibližně milionu tun v roce 1939 na více než 120 milionů tun v roce 1994. Dnes plasty běžně nahrazují tradiční materiály, jako je dřevo, kovy, sklo, kůži, papír i pryž, protože jsou lehčí, pevnější, odolné proti korozi, trvanlivé, snadněji zpracovatelné a mají lepší izolační vlastnosti. Z těchto důvodů je použití plastů ,ve srovnáni s klasickými materiály, ekonomicky výhodnější. Jsou používány v průmyslu,
domácnostech, obchodech, školách, nemocnicích, ovlivňují módu i náš život. Plasty jsou běžně známé pod různými jmény. Např. nylon, polyester, polyetylén, polyvinylchlorid - PVC. [9]
3 ROZDĚLENÍ MAKROMOLEKULÁRNÍCH LÁTEK 3.1
Polymery Polymer se skládá z molekul kyslíku, vodíku a uhlíku. V dnešní době je velký
narůst ve spotřebě plastu, oborníci odhaduji, že v roce 2010 bude průměrná spotřeba činit na osobu 40 kg. Polymery se zpracovávají, jak v kapalném stavu, tak i v pevném stavu, proto se polymery dělí na kaučuky, elastomery dále reaktoplasty, termoplasty a to patří do skupiny plastů. Tab. 1 Rozdělení polymerů [8]
Polymery Kaučuky
Termoplasty
Elastomery 3.2
Reaktoplasty
Plasty
Elastomery Elastomer je elastický plast, který můžeme velmi malou silou, deformovat,
tato deformace je většinou vratná. Nejvíce elastomerů se vyrábí z kaučuku.
3.3 Plasty Plasty jsou polymery, za běžné teploty tvrdé, při zahřívaní se stávají plastickými. Pokud je plastická změna vratná, jedná se o termoplast a pakliže je plastické změna nevratná, jedná se o reaktopast. 3.3.1 Termoplasty Jsou to polymerní materiály, které při zahřívání přecházejí do plastického stavu - stav vysoce viskózních nenewtonovských kapalin, kde je lze snadno tvářet a zpracovávat různými technologiemi. Do tuhého stavu přejdou ochlazením pod teplotu tání Tm (semikrystalické plasty), resp. teplotu viskózního toku Tf (amorfní plasty). Protože při zahřívání nedochází ke změnám chemické struktury, lze proces měknutí a následného tuhnutí opakovat teoreticky bez omezení. Jedná se pouze
8
o fyzikální proces. K termoplastům patří většina zpracovávaných hmot, jako je polyethylen (PE), polypropylen (PP), polystyren (PS), polyvinylchlorid (PVC), polyamid (PA). [3] 3.3.2 Reaktoplasty Jedná se o polymerní materiály, dříve nazývané termosety, které rovněž v první fázi zahřívání měknou a lze je tvářet, avšak jen omezenou dobu. Během dalšího zahřívání dochází k chemické reakci – prostorovému zesíťování struktury, k tzv. vytvrzování. Výrobek je možno považovat za jednu velkou makromolekulu. Ochlazování reaktoplastů probíhá mimo nástroj, neboť zajištění rychlého ohřevu formy pro vytvrzení a následné rychlé ochlazení materiálu by bylo obtížné. Tento děj je nevratný a vytvrzené plasty nelze roztavit ani rozpustit, dalším zahříváním by došlo k rozkladu hmoty (degradaci). Patří sem fenolformaldehydové hmoty, epoxidové pryskyřice, polyesterové hmoty. [3] Tab. 2 Zkratky a názvy důležitých plastů [1] Značka Název plastu Technologie pouţití Polyvinylchlorid svařovaní na tupo, svařování třením PVC Neměkčený svařování rychlotryskou PVC - U polyvinylchlorid Nízkohustotní (rozvětvený) ruční svařování, svařování třením PE - LD polyetylén Vysokohutotní (lineární) svařováním horkým tělesem ohraňovaní, PE - HD polyetylén svařování elektrotvarovkou ruční svařování, impulsní svařování horkým Polypropylen tělesem, svařování rychlotryskou, svařování PP extrudérem Polyvinylidenchlorid svařování rychlotryskou PVDF Polybuten polyfůzní svařování PB svařovaní na tupo, svařování ultrazvukem, PMMA Polymethylmetakrylát svařování třením Kopolymer etylensvařovaní na tupo E-CTFE chlortrifluorethylen Ethylenový kopolymer svařování horkým klínem ECB bitumen Kopolymer svařování horkým klínem EVA etylen/vinylacetát Akrylonitril-butadienruční svařování, svařování třením ABS styren
9
4 ZKOUŠKY PLASTŮ 4.1 Krátkodobá tahová zkouška Provádí se podle ČSN EN ISO 527-1 z 1.8 1997 a EN ISO 527-2 1996 . Zkouška se provádí na trhacím stroji, na přístroji se měří rychlost deformace a umožňuje sledovat průběh síly a velikost deformace. Zkoušky se provádí bud´ časově omezené, používá se zpravidla 30 min až 1 hodina, nebo dlouhodobé zkoušky (životností zkoušky). Pro určitý materiál se používají specifické rychlosti. Například pro PE-HD 50 mm/min nebo PP a PVDF 20 mm/min a pro PVC – U 10 mm/min. Na zkoušky se používají především zkušební tělíska typu 1 A a 1 B
2
3
4
5
σ (Mpa)
1
ε (%)
Obr. 1 Deformační křivka termoplastu [8]
(1 - lineárně pružná oblast, 2 – lineárně viskoelastická, 3 – neliearně viskoelastická, 4 – zúžení (krček), 5 – plastický tok
10
Tab. 3 Rozměry zkušebních tělísek 1A a 1B [1] 1A
1B
Celková délka
150
150
délka úzké paralelní části
80
60
Rádius
20-25
60
paralelními částmi
104-113
106-120
Šířka na koncích
20
20
Šířka úzké části
10
10
Doporučená tloušťka
4
4
Měřená délka
50
50
Počáteční odstup svorek
115
l2 +5
Vzdálenost mezi širokými
4.2 Dlouhodobá zkouška tahem Provádí se podle normy Din 53 444. Zkouška se provádí převážně u svařování spojů z termoplastů. U zkoušených vzorků se v místě styku vyvrtá otvor o průměru 3 mm. Provádí se z důvodu, aby došlo k porušení právě ve svaru. Tělísko se namáhá klidovou tahovou silou. Z důvodu zkrácení pokusu se zkušební tělísko ponoří do 2 % roztoku smáčedla při vyšší teplotě. Zkušební napětí se bere takové, aby pokus skončil křehkým lomem. Z výsledků vypočteme dlouhodobý svařovací faktor. To je poměr pevností v tahu vzorku svařovaného a vzorku z původních materiálů.
4.3 Zkoušky ohybové Zkoušky v ohybu se provádí podle normy ČSN EN ISO 178, zatěžováním zkušebního tělesa, které je položeno mezi dvě podpěry. Uprostřed tělesa je přítlačný trn, který tlačí na tělísko, určitou silou. Metoda se používá především pro křehké materiály, u kterých se špatně provádí tahová zkouška. Rychlost zkoušky se nastavuje dle normy zkoušeného materiálu.
11
Obr. 1 Zkouška ohybová [4]
4.4 Houţevnatost Pojmem houževnatost se rozumí, jaká síla, je potřebná k přeražení tělesa. Měří se pomocí kyvadlového kyvadla s tuhou konstrukcí, podobně, jak u měření houževnatosti kovových materiálu. Používají se dvě metody. Metoda Charpy Zkouší se podle normy ČSN EN ISO 179 z června 1998. Zkušební těleso ve tvaru hranolu, se položí na dvě ramena a kladivo bije do místa, kde má hranol přesný střed. Břit kladiva je z kalené oceli a je zkosený do úhlu 30°.
Obr. 2 Metoda Charpy [11]
12
Metoda Izold Dle normy ČSN EN ISO 180. Je velmi podobná jako metoda Charpy. Zkušební těleso je ukotveno ve svěráku, ve svislé poloze a kladivo bije do místa vzdáleného 22 mm od horního upínacího přípravku. Kladivo je z kalené oceli a má tvar válcové plochy o poloměru 0,8 mm. Posouzení typu přeraţení: C – úplné přeražení H – Kloubové přeražení, těleso je téměř přeseknuto, ale drží tenkou obvodovou vrstvu P – částečné přeražení, neúplné přeražení NB – Těleso je nepřeraženo, těleso je pouze ohnuto
4.5 Minimální poţadovaná pevnost (MRS) Jde o nový způsob měření termoplastů ve formě trubek, resp. tvarovek pro tlakové aplikace. Základem je odolnost proti vnitřnímu přetlaku vody při 20°C a době 50 let. Podrobnosti udává ČSN EN ISO 12 162 z března 1997. [1]
4.6 Tvrdost Tvrdost definuje, jaký je odpor tělesa proti vnikání cizího tělesa. Měří se nejčastěji pomocí ocelové kuličky, která se vtlačuje do zkušebního tělíska. Poté se měří hloubka vtisku. Zkoušku nám udává norma ČSN EN ISO 2039-1 . Používá se i metoda Shore, její použití je především pro měkčí materiály, místo kuličky se vtlačuje do zkušebního tělíska ocelový hrot. Zkoušku popisuje norma ČSN EN ISO 868.
5 TERMODYNAMICKÉ VLASTNOSTI PLASTŮ Obdobně jako u jiných materiálů jsou vlastnosti polymerů závislé především na teplotě. V určité oblasti teplot probíhají tyto změny rychleji, nebo se mění skokově. Takové oblasti jsou nazývány přechodové a v těchto oblastech existují přechodové teploty: Tg - teplota
zeskelnění nebo
teplota
13
skelného
přechodu, Tf -
teplota
viskózního toku (pro amorfní plasty), Tm - teplota tání (pro semikrystalické plasty). [2] U amorfních plastů se hodnota meze pevnosti v tahu (a také modulu pružnosti) v přechodové oblasti v okolí teploty zeskelnění Tg mění skokově, modul pružnosti asi o tři řády, koeficient teplotní roztažnosti o 100 %. Konkrétní hodnota je závislá na velikosti mezimolekulárních sil (čím budou tyto síly větší, tím bude vyšší i teplota zeskelnění) a ohebnosti řetězců (čím bude ohebnost větší a mezimolekulární síly menší, tím bude nižší teplota zeskelnění). Teplotu zeskelnění je možno ovlivnit např. přídavkem změkčovadel, které sníží mezimolekulární soudružnost a tím i Tg. Je tedy patrné, že nejnižší hodnotu teploty zeskelnění vykazují kaučuky, neboť mají malé mezimolekulární síly a značně ohebné řetězce (-100 –120 oC) a semikrystalické plasty (např. PE – 120 oC, PP –10 oC). Amorfní termoplasty mají hodnotu teploty zeskelnění výrazně nad teplotou okolí (např. PS 85 až 100 oC). [2]
Obr. 3 Vliv deformačních vlastností u amorfního plastu (8) Při teplotě viskózního toku Tf narůstá intenzita změn vlastností polymeru. Při této teplotě ztrácí hmota své kaučukovité vlastnosti a mění se ve vysoce viskózní kapalinu. Nad touto teplotou leží oblast zpracovatelnosti materiálu. Zvýšením teploty klesají mezimolekulární síly a tím se snižuje i viskozita taveniny. Při dalším zvyšování teploty začne probíhat tepelná degradace polymeru (teplota Tz). Zesíťované amorfní polymery se ve srovnání s lineárními chovají odlišně. Tuhá síť chemických vazeb vylučuje přesuny makromolekul jako celku, a proto lze u těchto materiálů nalézt při vysokých teplotách, jen určitou kaučukovitou oblast s relativně
14
vysokým modulem pružnosti, jehož hodnota pak zůstává konstantní, až do teploty rozkladu. [2]
Obr. 4 Vliv struktury na modul pružnosti ve smyku (8) U semikrystalických polymerů dochází k nejrychlejším změnám vlastností v oblasti teplot, kterou charakterizuje teplota tání Tm. Při teplotě tání dochází k rozpadu a tání krystalitů, což je provázeno změnou fáze hmoty, která přechází ze stavu tuhého, do stavu kapalného. Je zřejmé, že tání se děje v určitém teplotním intervalu a teplota Tm představuje, pouze střední hodnotu této oblasti, podobně jako teplota Tg. Konkrétní hodnota závisí na velikosti mezimolekulárních sil a na velikosti makromolekul. Zvětšení obou veličin má za následek zvýšení teploty tání [2]
Obr. 5 Průběh deformačních vlastností u semikrystalického plastu (8)
15
Obr. 6 Vliv stupně krystalinity na modul pružnosti ve smyku [8] Protože i semikrystalické polymery obsahují určité množství amorfních podílů, lze u nich stanovit teplotu zeskelnění, která charakterizuje výrazné změny vlastností polymeru. Tyto změny se ovšem dotýkají pouze amorfní složky hmoty, takže čím bude polymer vykazovat vyšší stupeň krystalinity (vyšší uspořádanost), tím jsou změny při Tg méně patrné. [2]
6 TEPELNÉ VLASTNOSTI PLASTŮ 6.1 Teplota skelného přechodu Je definována jako přechod z vizkozního nebo kaučukovitého stavu, do stavu pevného, ale platí to i naopak. Tato změna nastává v relativně úzkém rozsahu teplot a dochází i ke změně tvrdosti, křehkosti a tepelné roztažnosti. Značí se Tg a je to střední teplota. Při tepelném přechodu dochází ke změnám elektrickým, mechanickým, tepelných a fyzikálních vlastností. Tato teplota se mění, podle toho, co právě sledujeme, proto Tg považujeme za přibližnou. Řídi se podle normy ČSN EN 61006. [2]
6.2 Teplota měknutí podle Vicata Podle Vicata se stanovuje teplota, při které termoplast rychle začíná měknout. Podstatou zkoušky je stanovení teploty. Jehla o ploše 1 mm2 se vtlačí do hloubky 1mm pod povrch zkoušeného tělíska a působí se definovaným zatížením viz tab. 4. Tato teplota se značí zkratkou VST a jednotky jsou v oC. Ohřev se provádí buď tak, že zkušební tělísko, je ponořeno do ohřáté kapaliny s přesnou teplotou, rozdíl teploty kapaliny musí být maximálně 0,5 oC, nebo se ohřev roždí cirkulaci ohřátého vzorku,
16
V tom případě musí být ve vzorku zabudováno teplotní čidlo. Nejčastěji se používá metoda A 50 a B 50. Tab. 4 Pracovní podmínky pro měření tepelné odolnosti podle Vicata [1] Rychlost zvyšování Metoda Použité zatížení teploty A 50
10 ± 0,2 N
50 oC. h -1
B 50
50 ± 1 N
50 oC. h -1
A 120
10 ± 0,2 N
120 oC. h -1
A 120
50 ± 1N
120 oC. h -1
ABCDEFGH-
Číselníkový úchylkoměr Výměnné závaží Zatěžovací talíř Tyč Hladina kapaliny Jehla Zkušební těleso Podpěra
Obr. 7 Přístroj na měření podle Vicata (8)
6.3 Hořlavost Plasty jsou organické látky, proto velmi dobře hoří. Při ideálním spalování vzniká vždy CO2 a H2O. Jiná situace je při spalování plastů obsahující halogeny, především PVC, ten obsahuje 60 procent chloru. Spalováním PVC se významně znečisťuje ovzduší, dochází i k překyselení půdy, snížení trvanlivosti betonu, omítek.
17
6.4 Stanovení hořlavosti Stanovení kyslíkového čísla To vyjadřuje percentuální podíl kyslíku ve směsi - kyslík - dusík, ve které zapálené, svisle upevněné zkušební těleso ještě hoří. Viz tab. 5. Tuto poměrně objektivní metodu popisuje ČSN ISO 4589 – 2. [1] Tab. 5 Kyslíková čísla [1] materiál
kyslíkové číslo
polyformaldehyd
15
polyakryláty
16
polyolefiny
17
polystyren
18
polyethylentereftalát
23
PVC
23,5
acetát celulosy
25
polyamidy
27
polyfenylenoxid
29
fenoplasty
35
polyvinylidenfluorid
43,7
PVC-U
46
polyvinyllidenchlorid
60
polytetrafluorethylen
95
Zkouška ţhavou tyčí Měří se délka ohořelé zkušební tyče po dotyku slitinové zahřáté tyče na teplotu 955- 1000 oC. Zkouška se řídí podle normy ČSN ISO 181. Zkouška UL- 94 Je to zkouška hořlavosti plastových hmot pomocí testu. Zkouška UL-94 se nazývá vertikální test hořlavosti, zkušební plastová tyč, je ve vertikální poloze a plamen zapaluje týč ze spodu. Po dokončení zápalného procesu, se měří doba, která
18
je potřeba k uhašení plamene. To poté dostane klasifikační číslo, tj. V-0 (nejméně hořlavé) V-1, V-2. Zkouška UL-94 HB Pokud plamen při vertikálním testu hořlavosti nezhasne během určité doby, je vzorek stejného typu podroben horizontálnímu testu hořlavosti (HB). Při tomto testu se vzorek drží horizontálně a je zapálen na jediné straně. Pokud plamen během určité doby zhasne, dostane umělá hmota klasifikaci HB. HB je nejvyšší klasifikace, kterou UL umělým hmotám uděluje. Pokud se tento test nezdaří, nedostane umělá hmota žádnou UL klasifikaci. UL klasifikace od nejvíce po nejméně hořlavé jsou: HB, 5V, V-2, V-1 a V-0. [10]
7 SVAŘOVÁNÍ TERMOPLASTŮ Legislativa V Československé republice, došlo k velké obměně trubek u kanalizaci a pitné vody, do této doby se používaly kovové trubky, ty poté byly masově nahrazovány plastovými trubkami. Proto musela byt nahrazena stará norma ČSN 05 0705, normou německou DVS. Je to německá norma, které konkrétně říká, jak postupovat při svařování platových trubek, různými technologiemi. Podmínky svařování plastů Svařují se pouze termoplasty, některé termoplasty se dají lepit i mechanicky spojovat. Naopak reaktoplasty se svařovat nedají, ty se pouze lepí či mechanicky spojují. Podstata svařování Kolem teploty 200-250 oC, se mění termoplast na taveninu, kterou je možno spojit. Při dosáhnutí spojovací teploty, se příslušným tlakem přitlačí proti sobě, aby došlo k promísení makromolekul ve spoji. Po spojení se nechá přirozeně zchladnout.
19
7.1 Základní parametry svařování Teplota Je různá s druhem plastu a technologii svařování. Například při svařovaní polypropylenu technologií polyfuzní je 250-270 oC, při svařování na tupo je 200-220 oC a při svařovaní horkým plamem a s přídavným materiálem je teplota 280-330 oC. Tlak Je pro svařování termoplastů velmi důležitý. Vždy působí na spojovaných plochách svařovaných dílů. Tlak způsobuje buď samotný svářeč rukou, nebo při strojním svařováním přitlačují spojovaný materiál, přítlačné pružiny. Čas Čas je velmi ovlivněn technologií svařování, při svařování polyfůzním, či svařováním na tupo, je čas přesně vymezen pro jednotlivé fáze postupu. Všechny tři parametry se zapisují do svařovacího protokolu, nebo je sám svářecí přístroj vytiskne. Ten se poskytuje odběrateli, aby bylo přesně určeno, kterou technologii byl plast svařen. Vliv okolního prostředí Vliv okolního prostředí se také bere jako důležitá podmínka pro svařovaní., Pokud nebudou dobré podmínky pro svařování, může dojit ke špatnému spojení svařovaného materiálu. Tab. 6 Vliv okolního prostředí [10] Podmínky Vliv na svařování
Protiopatření
prostředí Sráţky
Vadné sváry, není možné svařovat
Postavit ochranný stan, zabránit vniknuti vody
Nízké teplot
Tvorba kondenzátu, změněné
Předehřátí svařovaných
(< 5 °C)
svařovací podmínky
oblastí na 10-15 °C. Výtápění ochranného stanu (pokud je k dispozici)
20
Podmínky
Vliv na svařování
Protiopatření
Nepřípustné změny rozměrů velou
Přizpůsobení podmínek
prostředí Vysoké teploty
tepelnou roztažností (přesazení, problémy s lícováním)
Přímé
Nestejnoměrná tepelná roztažnost,
sluneční
změny rozměrů a tvarů
Chránit zakrytím před slunečními paprsky
záření Zvýšená a nepravidelná tepelná
Zastínění ochrannými
roztažnost. Nestejnoměrná
stěnami, vhodnější je
Vítr,
svařovací teplota. Nedostatečná a
ochranný stan
průvan
nepravidelná plastifikace svařovací zóny. Nečistoty v oblasti svaru (zanesení prachu)
Komínový
Nepřípustné ochlazování topných a
Uzavřít nesvařované
efekt u
svař. Ploch během svařovacího
konce trubek při
trubek
pochodu
svařování
Zvýšená a nepravidelná tepelná
Temperování materiálů
Nestejné
roztažnost. Nestejnoměrná
dostatečně dlouhou dobu
teploty svař.
svařovací teplota. Nedostatečná a
před svařováním
Dílů
nepravidelná plastifikace svařovací zóny.
8 TECHNOLOGIE SVAŘOVÁNÍ TERMOPLASTŮ 8.1 Svařování horkým tělesem Přímé svařování horkým tělesem Horké těleso je vložené přesně mezi dva plasty, které chceme svařit. Výhodou je že můžeme svařit i tlustější stěny.
21
Obr. 8 Přímé svařování [8] Nepřímé svařování horkým tělesem Horké těleso působí na protilehlé straně ke svařované ploše. Teplo od svařovacího tělíska musí projít celou tloušťkou jednoho ze svařovacích materiálů. Teplota je nerovnoměrná, proto se tato technologie se používá na tloušťky maximálně 0,5 mm. Používá se převážně na svařování folii.
Obr. 9 Nepřímé svařování [8]
8.2 Svařování na tupo horkým tělesem Je to princip, při kterém se ohřívají čela trubek topným tělesem. Poté se pomocí tlaku spojí. Při této technologii se nepoužívá přídavný materiál.
22
Obr. 10 princip svařování na tupo horkým tělesem [1] 1 – svařovaný materiál, 2 – topné těleso, A – fáze přípravná, B – fáze nahřívací a prohřívací, C – svařovací fáze
Obr. 11 Časový průběh při svařováni natupo [1]
8.3
Svařování radiační Je obdobou předchozí technologie svařování, pouze s tím rozdílem, že povrch
svařovaných materiálů, není ohříván dotykem ohřátým nástrojem (kondukcí), ale je ohříván přenosem tepla sáláním, zářením (radiací). Na rozdíl od technologie svařování kondukcí, zde však dochází k oxidaci povrchu svařovaných ploch, a tedy ke zhoršení kvality a pevnosti svařovaného spoje. Z tohoto důvodu není tato technologie svařování příliš rozšířená, používá se hlavně u fólií a ustupuje vůči kondukčnímu svařování do pozadí [8].
23
Obr. 12 Svařování radiační [8]
8.4 Svařování třením Principem této metody svařování, je přeměna mechanické energie na energii tepelnou, při tření svařovaných povrchů, rotačních nebo tvarových, avšak vždy souměrných v rovině spoje. Velikost uvolněného tepla, je závislá na třecím výkonu, který je dán koeficientem tření, přítlačnou silou a vzájemnou rychlostí třených ploch. Množství tepla v místě sváru lze regulovat dobou tření. [1]
Obr. 13 Svařování třením [8]
24
Tab. 7 Svařovací teplota a svařovací tlak [8]
8.5 Svařování polyfúzní Technologie, při které se současně ohřívá objímka i trubka. Svařování polyfúzní dělíme do dvou typů, které se liší technologickým postupem přípravy materiálu.
Obr. 14 Polyfůzní svařovaní [8] Typ A – tento typ je v České republice nejrozšířenější, neprovádí se žádná kalibrace, svařovaný materiál se pouze očistí. Jediné na co si svářeč musí dát pozor je, aby trubky a tvarovky byly vyrobeny v přesných rozměrových tolerancích. Typ B- u této technologie se provádí kalibrace vnějšího povrchu trubky na kalibrovacím stroji, který nám odstraní zoxidovanou vrchní část trubky a zabezpečí správnou kruhovitost trubky.
25
8.6 Svařování horkým klínem Technologie, při nichž nahřívají spojovací plochy, do té doby, než začne docházet k plastifikaci. Poté se spojí tlakem do jednoho celku. Velké uplatnění má svařování folií. Tab. 8 Svařovací parametry pro vybrané materiály [1] Teplota topného klínku Specifická spojovací síla (N/mm šířky válečku) Svařovací rychlost (m/min)
PE-HD
ECB
PVC-P
280 až 400
360 až 450
400 až 450
20
3 až 5
1,5 až 2,5
0,5 až 2,5
2 až 3
1,5 až 2,5
8.7 Svařování horkým plynem a přídavným materiálem Při této technologii se nejprve do svařované plochy přivedou horké plyny, především se jedná o horký vzduch, který přivede materiál do plastického stavu. Poté se spojuje tlakem. Ruční svařování horkým plynem (WF) Při této činnosti se zahřívání základního a přídavného materiálu provádí ručně. Základní materiál a přídavný materiál se zahřívá do plastifikovaného stavu a poté se ručně zatlačí do sebe. Při této technologii se používá kulatá tryska.
Obr. 15 Princip svařování horkým plynem s přídavným materiálem [8] (1 – základní materiál, 2 – přídavný materiál, 3 – tryska svařovací pistole, 4 – horký vzduch)
26
Pracovní postup
Oblast, kterou svařujeme, nahříváme horkým plynem. Pomocí kývavého pohybu dostaneme svařovanou oblast do plastického stavu. Svářeč musí dbát na to, aby stejnoměrně zahříval jak svařovaný materiál, tak i přídavný materiál. Poté svářeč vyvine sílu na přídavný materiál a zatlačí ho do svařovaného místa. Svařování horkým plynem s rychlotryskou (WZ) Pro zefektivnění předchozí metody se začala používat tato metoda za pomocí rychlosvařovací nástavce. Hlavním úkolem nástavce je rychle předehřátí přídavného materiálu. Přídavný materiál je přímo v hubici a je přímo v kontaktu s horkým plynem. Hlavní výhodou je, že oproti technologii (WF) je 3-4 krát rychlejší.
Obr. 16 Princip svařování horkým plynem při použití rychlosvařovacího nástavce [8] (1 – základní materiál, 2 – přídavný materiál, 3 – přívod vzduchu, 4 – rychlosvařovací nástavec svař. Pistole, 5 – nahřívání základního materiálu, 6 – ohřev místa svaru, 7 – roztavený termoplast) Pracovní postup Horký vzduch a přidaný materiál pomocí rychlosvařovacího nástavce se dostává přímo na svařované místo. Svařovací sílu vyvíjí svářeč. Při svařování se tryska táhne stejnoměrnou rychlostí po předem určené, nachystané svařovací ploše. Typy trysek: Přístroje používané pro svařování rychlotryskou nebo pro stehování, mohou být vybaveny různými tvary, přizpůsobenými podle přídavného materiálu a podle
27
metody svařování. Pro ruční svařování, je určena kulatá tryska nebo vícenásobná tryska. Pro rychlosvařování je nutné použít rychlotrysky, pro přípravu, stehovací trysky. [1]
a)
b)
c)
Obr. 17 Druhy rychlotrysek [1] a)rychlotryska na profilový drát, b)rychlotryska kulatý drát, c)kulatá tryska
8.8 Svařování horkým plynem extrudérem Technologie velmi podobná technologii svařování s přídavným materiálem. Rozdíl je v tom, že do svařovaného místa se nepřidává přídavný materiál ve formě tyčinky, ale ve formě zplastikovaného termoplastu ve tvaru housenky. Tato technologie se v dnešní době stává jednou z nejpoužívanějších. Hlavní použití má při svařování tlustostěnných materiálů. Svařuje se takzvanými jednohousenkovými svary. Svar je hladký a má vyšší pevnost, než má metoda svařování horkým vzduchem. Rychlost svařování je také vyšší o 20 – 40 %.
Obr. 18 Princip extruderového svařování [8] 1 - extruder, 2 – hubice se zplastikovaným přídavným materiálem, 3 – svařované materiály, 4 – tlakové kotouče, 5 – svarový spoj, A, B – svařování desek, C – svařování fólií
28
Postup svařování extrudérem Zkontroluje se svařovací přístroj (kontrola trysek, botičky, měřič teploty, atd.). Poté se kontroluji vnější podmínky. Teplota, vlhkost vzduchu a čistota vzduchu. U svařovaného materiálu se kontrolují trhliny praskliny a znečištění. Místa, která se budou se svařovat se musí třískově opracovat a poté chemický očistit. Svářeč nastaví svařovací parametry a provede zkušební svar. V praxi se nejvíce provádí takzvaná jehlová zkouška. Jehla o průměru 1 mm2 se musí do zplastikovaného materiálu zapíchnout do hloubky nejméně 0,5mm. Při měření tepoty používáme zapichovací teploměr. Po zkontrolování všech parametrů a nastavení začne samotné svařování.
8.9 Svařování ultrazvukem Při svařování ultrazvukem se především používají termoplasty. Tato technologie je založena na principu kmitání elektrody takzvané sonotrody. Ultrazvuk se šíří ze sonotrody do místa svaření. Ultrazvukové kmity se šíří na jeden ze svařovaných součástí. Ultrazvukové kmity se potom šíří k místu svaření obou ploch, kde se mění v teplo, pomocí tření a ultrazvuku. Poté se musí na svařované součásti vyvinout tlak (0,2 až 0,3 MPa).
Obr. 19 Princip ultrazvukového svařování [8] 1, 2 – svařované materiály, 3 – sonotroda, 4 – pevný doraz, 5 – svarový spoj, A – svařování v dalekém poli, B – svařování v blízkém poli
8.10 Svařování infračerveným paprskem Princip metody Firma Georg Fischer, označuje tuto technologii, kterou je možno zařadit do kategorie svařování sáláním, jako IR. Princip je podobný svařování na tupo, s tím
29
rozdílem, že zdroj tepla se nedotýká svařovaných ploch a tudíž nemůže vnášet nečistoty do svaru. Technologie svařování, je založena na bezdotykovém ohřevu čelních ploch trubek a tvarovek infračerveným zářičem. Infračervené paprsky jsou součástí elektromagnetického spektra v rozsahu vlnových délek přibližně 0,8 až 400 µm. Ohraničeny jsou z jedné strany viditelným spektrem a z druhé mikrovlnným rozsahem s vyzařováním tepla. Výhodou je také svarový výronek menší, než u svařování na tupo, při dosažení dostatečné pevnosti spoje. [1] Svařované materiály a polotovary IR svařovací technologie je vázaná na systém speciálně přizpůsobených tvarovek z PP a PVDF. Uplatnění nachází především v oblasti rozvodů medicinálních kapalin, farmaceutickém průmyslu, biotechnologiích, průmyslu polovodičů. Vytváření menšího výronku, než při svařování na tupo horkým tělesem, se svařovává zóna stává příznivější pro proudění kapalin a nedochází u potrubí k větší tvorbě usazenin a zhoršují se podmínky množení mikroorganismů. [1] Svařovací stroje Firma Georg Fischer k tomu účelu vyvinula svařovací stroj IR 63, s rozsahem svařování do průměru 63 mm, a stroj IR 225 pro průměry do 225 mm. Stroje přesně vymezují vzdálenosti infračerveného zářiče od čel trubek nebo tvarovky a řídí celý pochod svařování s možností výtisku protokolu.
Obr. 20 Přístroj IR 63 [8]
30
9 PRAKTICKÁ ZKOUŠKA Na závěr bakalářské práce byla provedena praktická zkouška renovace prasklého nárazníku. V dnešní době se ceny nových plastových nárazníků pohybují v řádech tisíců korun, proto je výhodnější si nechat prasklý nárazník zrenovovat. Při renovaci nárazníku můžeme ušetřit i více jak 50 % z ceny nového nárazníku.
9.1 Svařovací pistole LEISTER M100.706 TRIAC-S 1G3 Pistole horkovzdušná svářecí Parametry: - Napětí 230V - Výkon 1600W - Množství vzduchu 230 l/min - Teplota regulovatelná 20-700 °C - Rozměry 340x90mm - Hmotnost 1,3Kg
Obr. 21 Svařovací pistole LEISTER M100.706 TRIAC-S 1G3 [9]
9.2 Technologický postup 1. Na poškozeném plastu se najde jeho označení. např: PP(polypropylen) ABS(akrylonitril – butadien – styren) 2. Podle označení plastu zvolíme přesně daný přídavný plast, kterým se bude svařovat. 3. Poté se poškozené misto, očístí od nečistot, odmastí od mastnot.
31
4. V místě praskliny se vyfrézuje frážka a uděla se místo pro svařovaní a opět se odmastí technickým benzínem. 5. Podle druhu plastu, který se najde na zadní strane poškozeného narazníku se nastaví požadovaná teplota svařování, pro každý druh plastů je jina teplota. 6. Do vyfrézované drážky se začne pomocí horkovzdušné pistole a přídavného plastu vtlačovat plast. 7. Plast se nechá vychladnout, může se použít i voda na chlazení. 8. Po této procedůře se obrousí svár tak, aby splynul s okolím. 9. Na závěr se vyzkouší pevnost sváru a když plast vyhový, nalakuje na požadovanou barvu.
Foto praktické zkoušky
Obr. 22 Poškozený nárazník Ford Escort
Obr. 23 Svařený nárazník a zatmenelný
Obr. 24 Svařený nárazník renovovaný
32
10 ZÁVĚR Tato bakalářská práce pojednává o technologiích svařování plastů. Ceny nových součástí vedou často k renovaci poškozených dílů svařováním. Na praktickém příkladu lze dokázat ekonomickou úspornost této technologie. Renovace svařováním byla provedena na nárazníku vozidla Ford eskort. Cena nového nárazníku je 9500 Kč. Cena renovovaného nárazníku je 4000 Kč. Tj. 1500 Kč svaření trhliny, 2500 Kč lakování nárazníku. Rozdíl mezi novým a opraveným nárazníkem je 5500 Kč, to znamená finanční úspora 58 % z ceny nového nárazníku.
11 NORMY A PŘEDPISY Výběr norem pro svařování plastů a norem k činnostem související (názvy některých norem, zákonů a směrnic jsou účelově zkráceny)
11.1 ČSN, ČSN EN, ČSN EN ISO ČSN EN ISO 527-1 Plasty – Stanovení tahových vlastností – část 1: Základní principy ČSN EN ISO 178 Plasty – Stanovení ohybových vlastností ČSN EN ISO 179 Plasty- Stanovení rázové houževnatosti metodou Charpy ČSN EN ISO 180 Plasty- Stanovení rázové houževnatosti metodou Izold ČSN EN ISO 306 Plasty – Termoplasty – Stanovení tepoty měknutí dle Vicata ČSN EN ISO 868 Plasty a ebonit. Stanovení tvrdosti vtlačováním hrotů (Shore) ČSN EN 729 Požadavky na jakost svařování. Tavné svařování kovů. ČSN ISO 181 Plasty. Stanovení charakteristik hořlavosti tuhých plastů při dotyku s rozžhavenou tyčí ČSN 05 0705 Zváranie. Bezpečnostné ustanovenia pre zváranie kovov ČSN EN ISO 12 162 Materiály z termoplastů pro tlakové trubky a tvarovky. Klasifikace a označování. Celkový provozní koeficient.
11.2 Zahraniční normy, směrnice a předpisy DIN 53 444 Dlouhodobá tahová zkouška DIN 1910 – 3 Svařování, svařování plastů, postupy DIN 1910 – 1 Svařování, pojmy, rozdělení svařovacích postupů
33
12 POUŢITÁ LITERATURA [1] Ing. Miloslav Loyda, Vlatimil Šponer, Ladislav Ondráček a kolektiv. Svařování termoplastů. Praha: Nakladatelství UNO, 2001. s. ISBN 80–238–6603–6 [2] Drebs J.Technologie zpracování nekovových materiálů, část 1. Zpracování plastů. VŠST Liberec, 1991 [3] ŠTĚPEK, Zelinger, Kuta. Technologie zpracováni a vlastnosti plastů. SNTL 1989 [4] F. Rybnikář a kolektiv. Analýza a zkoušení plastických hmot. SNTL Praha 1989 [5] Doležel B. Odolnost plastů a pryží. SNTL Praha 1981 [6] Filípek Josef. Nauka o materiálu. 1 vydání Brno: Vysoká škola zěmědělská 1981 [7] Filípek josef. Technické materiály: (přednášky). 1 výdání Brno: VŠZ 1988 Internetové stránky: [8] http://www.ksp.tul.cz/cz/kpt/obsah/vyuka/skripta_tkp/sekce_plasty/12.htm [9]http://www.argona.cz/DataStorage/File/KR%C3%81TCE%20Z%20HISTORIE%20 PLAST%C3%9A.pdf [10] http://www.heyman.cz/media/documentation/UL-94_CZ.pdf [11] http://www.strojari.wz.cz/kom/razova_zkouska_soubory/image001.gif
34
13 SEZNAM OBRÁZKŮ Obr. 1 Deformační křivka termoplastu......................................................................... 10 Obr. 2 Metoda Charpy [11] ............................................................................................ 12 Obr. 3 Vliv deformačních vlastností u amorfního plastu [8] .......................................... 14 Obr. 4 Vliv struktury na modul pružnosti ve smyku (8) .................................................. 15 Obr. 5 Průběh deformačních vlastností u semikrystalického plastu [8]......................... 15 Obr. 6 Vliv stupně krystalinity na modul pružnosti ve smyku [8] ................................... 16 Obr. 7 Přístroj na měření podle Vicata [8] .................................................................... 17 Obr. 8 Přímé svařování [8] ............................................................................................. 22 Obr. 9 Nepřímé svařování [8]......................................................................................... 22 Obr. 10 princip svařování na tupo horkým tělesem [1] .................................................. 23 Obr. 11 Časový průběh při svařováni natupo [1] .......................................................... 23 Obr. 12 Svařování radiační [8] ...................................................................................... 24 Obr. 13 Svařování třením [8] ......................................................................................... 24 Obr. 14 Polyfůzní svařovaní [8] ..................................................................................... 25 Obr. 15 Princip svařování horkým plynem s přídavným materiálem [8] ....................... 26 Obr. 16 Princip svařování horkým plynem při použití rychlosvařovacího nástavce [8] 27 Obr. 17 Druhy rychlotrysek [1] ...................................................................................... 28 Obr. 18 Princip extruderového svařování [8] ................................................................ 28 Obr. 19 Princip ultrazvukového svařování [8] ............................................................... 29 Obr. 20 Přístroj IR 63 [8] ............................................................................................... 30 Obr. 21 Svařovací pistole LEISTER M100.706 TRIAC-S 1G3 [9] ................................. 31 Obr. 22 Poškozený nárazník Ford Escort ....................................................................... 33 Obr. 23 Svařený nárazník a zatmenelný ......................................................................... 32 Obr. 24 Svařený nárazník renovovaný ............................................................................ 32
14 SEZNAM TABULEK Tab. 1 Rozdělení polymerů [1] ......................................................................................... 8 Tab. 2 Zkratky a názvy důležitých plastů [1] .................................................................... 9 Tab. 3 Rozměry zkušebních tělísek 1A a 1B [1] ............................................................ 11 Tab. 4 Pracovní podmínky pro měření tepelné odolnosti podle Vicata [1] ................... 17 Tab. 5 Kyslíková čísla [1] ............................................................................................... 18 Tab. 6 Vliv okolního prostředí [10] ................................................................................ 20 Tab. 7 Svařovací teplota a svařovací tlak [8] ................................................................ 25 Tab. 8 Svařovací parametry pro vybrané materiály [1] ................................................. 26
35
