Сварка и пайка неметаллических материалов

Е. О. Луковская

СВАРКА И ПАЙКА

НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ 

МАТЕРИАЛОВ

Допущено Министерством образования Республики Беларусь

в качестве учебного пособия для учащихся

учреждений образования,

реализующих образовательные программы 

среднего специального образования 

по специальности «Оборудование и технология

сварочного производства»

Минск
РИПО

2017

УДК 621.79(075.32)
ББК 34.64я723

Л84

А в т о р:

заведующий отделением УО «Могилевский

государственный политехнический колледж» Е. О. Луковская.

Р е ц е н з е н т ы:

цикловая комиссия сварочного производства ГУО «Бобруйский

государственный механико-технологический колледж» (Н. А. Свирко);

доцент кафедры механики материалов и конструкций

УО «Белорусский государственный технологический университет»,

кандидат технических наук, доцент О. И. Карпович.

Все права на данное издание защищены. Воспроизведение всей книги или 

любой ее части не может быть осуществлено без разрешения издательства.

Выпуск издания осуществлен при финансовой поддержке Министерства 

образования Республики Беларусь.

Л84

Луковская, Е. О.

Сварка и пайка неметаллических материалов : учеб. пособие / 

Е. О. Луковская. – Минск : РИПО, 2017. – …206 с. : ил.

ISBN 978-985-503-722-5.

Изложены сведения о неметаллических материалах, применяемых 

для изготовления сварных и паяных конструкций, теоретические основы 
процессов сваривания неметаллических материалов, методов их сварки 
и пайки. Рассмотрена технология сварки пластмасс. Приведено краткое 
описание оборудования, применяемого для изготовления пластмассовых 
сварных кон струкций, методов контроля качества сварных швов, требований по охране труда, безопасных методов и приемов работ по сварке 
пластмасс. 

Предназначено для учащихся учреждений среднего специального об
разования по специальности «Оборудование и технология сварочного 
производства».

УДК 621.79(075.32)
ББК 34.64я723

ISBN 978-985-503-722-5 
               © Луковская Е. О., 2017

 
 
 
               © Оформление. Республиканский институт

 
 
 
                    профессионального образования, 2017

ВВЕДЕНИЕ

Сварные и паяные соединения из неметаллических мате
риалов находят широкое применение практически во всех отраслях народного хозяйства. Неметаллические материалы – это 
органические и неорганические полимерные материалы: различные виды пластических масс, композиционные материалы 
на неметаллической основе, каучуки и резины, клеи, герметики,
лакокрасочные покрытия, а также графит, стекло, керамика. 
В качестве конструкционных материалов они служат важным дополнением к металлам, в некоторых случаях с успехом заменяют 
их, а иногда сами являются незаменимыми.

Из всех неметаллических материалов наиболее широкое при
менение для изготовления сварных конструкций нашли пластмассы. Заменяя металлы пластмассами, возможно значительно 
(в 3–5 раз) уменьшить вес конструкций, в 10–15 раз продлить 
их срок службы, в 3–6 раз снизить себестоимость изготовления, в 3–8 раз уменьшить трудоемкость и снизить транспортные расходы. Применение пластмасс позволяет также экономить 
дорогостоящие промышленно важные материалы – высоколегированные, специальные стали, цветные и драгоценные металлы, ценные породы дерева и т. п. Особенно эффективна замена 
пластмассами цветных металлов (свинца, меди, цинка, латуни, 
бронзы) и легированных сталей. Пластмассы являются весьма 
перспективным конструкционным материалом и благодаря своим положительным качествам используются не только как заменители металлов, но и как самостоятельный материал для различных изделий.

Применение пластмасс для изготовления сварных конструк
ций позволяет также механизировать и автоматизировать производственные процессы, повысить качество соединения и культуру производства. 

ВВедение

Исходными материалами для получения пластмасс служат 

синтетические или естественные полимеры – продукты переработки каменного угля, нефти, природного газа и др. На производство пластмасс требуется гораздо меньше капитальных вложений, чем на получение цветных металлов.

В настоящее время пластмассы – важнейшие конструкцион
ные материалы современной техники, которые успешно используются в различных отраслях народного хозяйства:

– в машиностроении (резервуары, подшипники скольжения, 

зубчатые и червячные колеса, детали тормозных узлов, рабочие 
органы насосов и турбомашин, технологическая оснастка и др.);

– в электро- и радиотехнике (устройство телеграфных стол
бов, различных деталей и др.);

– на железнодорожном и других видах транспорта (детали 

автомобилей, самолетов, ракет, кузова различного транспорта, 
трубопроводы и др.);

– в строительстве (создание большепролетных панелей по
крытия до 12 м, оболочек, в качестве отделочного материала, светопрозрачные ограждения, навесы, вентиляционные устройства, дымовые трубы, оконные переплеты, светопрозрачные стены и др.);

– в сельском хозяйстве (теплицы и др.);
– в медицине (приборы; аппараты; изготовление имплантан
тов и протезов для человеческого организма – костей, суставов, 
аорт и других крупных кровеносных сосудов);

– в химической промышленности (трубопроводы, травиль
ные и электролизные ванны, рабочие органы насосов и др.);

– в быту (посуда, игрушки, одежда, обувь, меха и др.).
При изготовлении конструкций из полимеров используются 

различные способы: штамповка, литье, обработка резанием и др. 
Особое место среди них занимает сварка пластмасс. 

Используются различные спо собы сварки пластмасс, предпо
чтительное применение каждого из которых зависит от строения, 
структуры и свойств свариваемых материалов, особенностей конструкций, массовости их производства. Некоторые способы сварки пластмасс аналогичны способам сварки металлов или схожи 
с ними по своей сущности и природе образования соединений 
(например, сварка нагретыми газами, экструдируемой присадкой, 
трением), однако имеют, безусловно, определенные особенности 
технологии. Другие способы сварки характерны исключительно 
для соединения полимеров.

ГЛАВА 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПЛАСТМАССАХ

1.1. СОСТАВ ПЛАСТМАСС

Пластмассы – это многокомпонентные смеси, технологи
ческие свойства которых, в том числе и свариваемость, определяются основным компонентом – полимером. Полимеры представляют собой высокомолекулярные вещества, макромолекулы 
ко торых состоят из большого числа повторяющихся звеньев (мономеров). 

Полимеры могут быть естественными (целлюлоза, натураль
ный каучук и др.) и искусственными (полиэтилен, полистирол, 
поливинилхлорид, полиметилметакрилат и т. д.).

Отличительная особенность строения полимеров – нали
чие цепных молекул (макромолекул), в которых последовательно 
связано большое количество атомных группировок, называемых 
звеньями. В самой цепи атомы соединяются прочными химическими связями. Прочностью этих связей и плотностью их в 
единице объема определяется прочность высокомолекулярных 
систем.

Образование макромолекул осуществляется в результате ре
акций полимеризации или поликонденсации. В связи с этим 
синтетические полимеры и пластмассы на их основе принято делить на полимеризационные и поликонденсационные.

Полимеризация – это процесс образования высокомолеку
лярных со единений без выделения побочных продуктов (полиэтилен, полипропилен, по лиизобутилен, полистирол и др.). Если 
в реакции полимеризации участвует несколько видов мономеров, 
то полученные продукты называются сополимерами. Сополимеризация расширяет номенклатуру полимерных материалов с разнообразными свойствами.

Поликонденсация – это образование высокомолекулярных 

соединений из мономеров одинакового или различного строе

1. Общие сВедения О пластмассах

ния, сопровождающееся выделением побочных низкомолекулярных веществ (полиамиды, полиуретаны, поликарбонаты и др.).

Полимеры различаются по строению макромолекул, способу 

получения, поведению при тепловой обработке, по составу и гибкости основной цепи. 

Любой полимер неоднороден по молекулярной массе. Наряду 

с очень большими молекулами в полимере могут быть и молекулы промежуточных размеров.

В зависимости от строения макромолекул различают 

(рис. 1.1):

линейные
•
 полимеры (макромолекулы представляют собой 

длинные зигзагообразные цепи); 

разветвленные
•
 полимеры (состоят из макромолекул с боко
выми ответвлениями, число и длина которых могут варьироваться в широких пределах);

сетчатые
•
 (пространственные) полимеры (построены из 

длинных цепей, соединенных друг с другом в трехмерную сетку 
поперечными химическими связями; при нагревании такие полимеры не плавятся и способны только к большему или меньшему размягчению, а в растворителях лишь набухают).

а

б

в

Рис. 1.1. Структура макромолекул:

а – линейная; б – разветвленная; в – сетчатая (сшитая)

По составу основной цепи макромолекулы полимера делят 

на три класса:

карбоцепные
•
 полимеры, основные цепи которых построены 

только из углеродных атомов. К ним относятся полиэтилен, поливинилхлорид, политетрафторэтилен, полистирол, полиметилметакрилат и т. д.;

1.2. Классификация, основные свойства и область применения пластмасс

гетероцепн
•
ые полимеры – имеют в основных цепях помимо 

углерода атомы кислорода, азота, серы (поликарбонаты, полиамиды, полиэфиры, полиакрилаты и др.).

элементоорганические
•
 полимеры – могут иметь в основных 

цепях атомы кремния, бора, алюминия, титана, никеля, германия.

Помимо полимеров, в состав пластмасс входят различные до
бавки – стабилизаторы, пластификаторы, красители, наполнители, отвердители и др. Добавки служат для придания пластмассам 
необходимых свойств, а также для облегчения их переработки. 
Добавки могут находиться в твердом, жидком или газообразном 
состоянии, иметь полимерную или мономерную структуру.

Стабилизаторы (термостабилизаторы и антиоксиданты) повы
шают стойкость полимеров при воздействии света, повышенных 
температур и других факторов. Обычно они предупреждают развитие цепной реакции разложения полимеров, обеспечивая тем 
самым повышение долговечности пластических масс и изделий 
из них. Например, сажа повышает стойкость против старения.

Пластификаторы улучшают технологические и эксплуатаци
онные свойства полимеров (текучесть, пластичность, эластичность и т. д.). Например, дибутифталат повышает пластичность 
поливинилхлорида.

Наполнители увеличивают прочность пластических масс, 

улучшают ди электрические и другие свойства, уменьшают расход 
полимерной смолы. Например, стеклоткань повышает прочность 
материала, а древесная мука снижает усадку. Наполнители бывают органическими (хлопковые очесы, обрезки ткани, бумаги, 
древесный шпон и т. д.) и неорганическими (например, асбестовые и стеклянные волокна).

Отвердители служат для отверждения пластмасс. Например, 

малеиновый ангидрид отверждает жидкую эпоксидную смолу.

1.2. КЛАССИФИКАЦИЯ, ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА
И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ПЛАСТМАСС

В зависимости от поведения при нагревании полимеры и 

пластические массы на их основе делят на две группы: термопластичные (термопласты) и термореактивные (реактопласты).

1. Общие сВедения О пластмассах

Термопласты под воздействием теплоты не претерпевают ко
ренных химических изменений, могут многократно нагреваться и доводиться до размягчения, а затем вновь возвращаться в 
исходное состояние. К термопластам относится большинство
полимеризационных пластмасс (полиолефины, фторопласты, поливинилхлориды и др.). Длинные цепные молекулы термопластов способны принимать различные пространственные формы, 
вид которых (зигзаг, винтовая, складчатая, клубок) существенно 
влияет на свойства пластмасс.

Для всех полимеров с повышением температуры изменение 

формы макромолекул становится более активным, гибкость цепей при этом повышается, а при некоторых высоких температурах тепловое движение выражается в перемещении целых макромолекул относительно друг друга. 

Реактопласты под воздействием повышенных температур 

подвергаются необратимым изменениям в результате соединения 
макромолекул друг с другом поперечными химическими связями 
с образованием трехмерных сеток. Изделия из реактопластов при 
нагреве не размягчаются и вторично не перерабатываются.

Полимерные вещества не могут быть переведены в газообраз
ное состояние; они могут находиться только в конденсированном 
состоянии: жидком и твердом.

Макромолекулы полимеров характеризуются способностью 

к упорядочиванию и образованию надмолекулярных структур. 
В зависимости от этого все полимеры можно разделить на аморфные и кристаллические.

В аморфных термопластах цепочки макромолекул расположе
ны в хаотичном порядке. Формы надмолекулярной организации 
в аморфных полимерах могут быть различными: глобулы, состоящие из отдельных свернутых макромолекул, развернутые цепи, 
собранные в пачки, характеризующиеся наличием ближнего порядка в расположении цепей, а также более сложные образования. Аморфное твердое состояние полимера, часто называемое 
стеклообразным, характеризуется фиксированным, но разрыхленным расположением макромолекул относительно друг друга 
и лишь ограниченной (но большей, чем в кристаллах полимера) 
подвижностью звеньев, обусловливающей упругие деформации 
материала.

Кристаллические полимеры имеют упорядоченную структуру 

макромолекул. Кристаллическая структура создается при нали

1.2. Классификация, основные свойства и область применения пластмасс

чии дальнего трехмерного порядка в расположении как цепей, 
так и звеньев. Способность полимеров к кристаллизации зависит от их химического строения и опре деляется регулярностью и 
гибкостью цепей полимера. Кристаллические полимеры никогда 
не бывают закристаллизованными полностью и содержат обычно 
как кристаллическую, так и аморфную фазу. 

Отношение объема кристаллических областей полимера к 

его общему объему называется степенью его кристалличности. 
Высокой степенью кристалличности обладают, например, полиэтилен высокой плотности, полипропилен, поликарбонаты, полиформальдегид; меньшая степень кристалличности свойственна 
полиамидам, поливинилиденхлоридам, полиэфирам, полиэтилену низкой плотности. В зависимости от условий роста кристаллы 
одного и того же материала могут принимать различную форму, 
что вызывает изменение фи зико-механических свойств. Кристаллическая структура повышает межмолекулярное взаимодействие, 
снижая гибкость молекул и хладотекучесть полимера под нагрузкой. Полимер становится более твердым и прочным, возрастает 
температура его размягчения и расплавления. 

Многие полимеры ни при каких условиях не проявляют спо
собности к кристаллизации.

Растяжением при температуре несколько ниже температуры 

плавления полимера можно ориентировать его кристаллы в направлении растягивающего усилия (рис. 1.2). Большая часть профильных изделий, волокон, пленок, листов, труб из термопластичных полимеров выпускается в ориентированном состоянии.

а
б

Рис. 1.2. Структура кристаллического полимера

до ориентации (а) и после ориентации (б)

1. Общие сВедения О пластмассах

Аморфные термопласты можно сваривать диффузионной 

сваркой, сваркой с применением растворителя. Кристаллические 
полимеры желательно сваривать химической сваркой. В результате соединения химически активных звеньев макромолекул образуется сварное соединение. 

Молекулы внутри термопластов могут соединяться за счет 

внутренних сил трения (такие материалы называют аполярными) или за счет сил электростатического притяжения (диполи). 
Для разрыва связей между молекулами у диполей их надо нагревать до более высоких температур.

Любой аморфный полимер в зависимости от температуры 

может находиться в трех состояниях, которые принято называть 
физическими состояниями полимеров: стеклообразном, высокоэластическом и вязкотекучем.

Стеклообразное (твердое) состояние характеризуется практи
чески полным отсутствием колебательных движений звеньев и 
пере мещений цепей макромолекул. Высокоэластическое состояние характеризуется наличием колебательного движения звеньев 
или групп звеньев, вследствие которого цепь полимера способна 
распрямляться под воздействием нагрузки и возвращаться в первоначальное состояние после ее снятия. В вязкотекучем состоянии 
макромолекулы полимера путем последо вательного перемещения 
сегментов передвигаются относительно друг друга. При нагревании полимера сначала появляется колебательное движение звеньев и только при более высокой температуре – движение цепей. 
При повышении температуры полимер постепенно переходит из 
стеклообразного в высокоэластическое, а затем в вязкотекучее 
состояние.

Переход полимера из одного физического состояния в другое 

совершается в некотором диапазоне температур, которые называются температурами перехода. Температура перехода полимера из 
высокоэластического состояния в стеклообразное (и обратно) называется температурой стеклования Тс, температура перехода из 
высокоэластического в вязкотекучее состояние – температурой 
текучести Тт.

Если рассмотреть более подробно процесс постепенного на
грева термопласта, можно выделить три стадии:

– высокоэластическая, которая наблюдается при незначи
тельном нагреве термопласта с последующим растяжением, после