Способы сварки пластмасс, оборудование

 

1.Введение

Пластмассы нашли широкое  применение в разных отраслях промыш ленности. Их применение обеспечивает большой экономический эффект бла-годаря их свойствам. Изготовление пластмассовых конструкций (деталей), как правило, менее трудо и энергоемко, чем из других материалов. Пластмассы легко перерабатываются в изделия различными способами, приобретая при этом любую заданную форму, цвет, фактуру, не требуя почти никакой дополнительной обработки.

Пластмассы  с успехом заменяют конструкции  из легированных сталей,

драгоценных металлов, дерева и других материалов, позволяя экономить 

промышленно важные материалы. При этом коэффициент их использования

составляет 0,9-0,95 (при обработке металлов он равен 0,6-0,7).Применение пластмасс в ряде случаев позволяет исключить проблему

защиты  от коррозии, в 10-15 раз продлить срок службы изделий по сравнению с остальными.

Однако  не всегда можно этими методами сразу получить готовое изделие. Это относится к крупногабаритным изделиям, изделиям сложной формы, трубопроводным системам и т.д. В этих случаях задача решается путем расчленения сложного изделия на отдельные технологически простые детали. После изготовления их соединяют известными методами. Применяют сварные, резьбовые, заклепочные, клеевые и др. виды соединений. Наиболее перспективным способом соединения является сварка, поскольку этот процесс в наибольшей степени поддаётся механизации, обеспечивает высокое качество соединений, позволяет снизить трудоемкость операций и т.д.

Канализационные системы, водостоки, трубопроводы для транспортировки всевозможных агрессивных веществ, водо и газопроводы – вот далеко не полный перечень областей применения полимерных труб. Такое широкое использование пластмассовых трубопроводов обусловлено тем, что они в 4-5 раз легче стальных, проявляют высокую стойкость к агрессивным средам и имеют меньшее гидравлическое сопротивление. Затраты труда на монтаж и эксплуатацию трубопроводов из пластмасс в среднем в 2-3 раза меньше, чем стальных трубопроводов.

Наибольшее  применение имеют трубы из полиэтилена  низкой и высокой

плотности, полипропилена и поливинилхлорида диаметром до 630 мм и более. Основной тип соединения таких труб при строительств трубопроводов – сварка встык.

При монтаже полимерных трубопроводов  в зависимости от назначения и

условий производства могут применяться  различные методы сварки:

• сварка встык с помощью нагретого инструмента;

• сварка полиэтиленовых, полимерных, полипропиленовых труб и др.

материалов  враструб;

• сварка муфтами с закладным нагревательным элементом.

 

 

2. Основы сварки прямым нагревом

Основные  технологические параметры при  сварке деталей прямым нагре-

вом:

- температура  нагревателя – ТН;

- продолжительность  нагрева – tH;

- усилие прижатия  инструмента к детали (давление  оплавления) – РОПЛ;

- давление  осадки – РОС;

- продолжительность  выдержки под давлением после  сварки – tОХЛ.

Иногда указывают  скорость оплавления VОП, скорость осадки VОС и вели-

чину осадки ΔОС.

Оплавление

При контактной сварке оплавлением деталей из термопластов (труб, лис-

тов, профильных изделий) встык нагревательный инструмент вводят в непо-

средственный контакт с кромками заготовок, подлежащих сварке. В процессе

нагрева происходит оплавление (укорочение) детали на некоторую  величину S(рис.1) в связи с тем, что часть расплавленного материала под давлением инструмента вытекает из зоны контакта.

Оплавление  необходимо для равномерного прогрева торцов свариваемых

стержней  на определенную глубину. Для обеспечения  эффективности такого

прогрева  необходимо обеспечить плотный контакт свариваемых торцов стержней с нагретым инструментом. Это достигается оплавлением микронеровностей и удалением образующегося при этом расплава под действием давления. Эти процессы протекают тем быстрее, чем выше температура инструмента и давление и чем ниже вязкость расплава. Во время установления такого контакта основная часть тепловой энергии затрачивается на оплавление микронеровностей, а слои, удаленные от торцов, практически не разогреваются. Это время называют инкубационным периодом оплавления. Эту стадию оплавлениянеобходимо проводить при максимальном давлении 0,05-0,08 МПа.

а                                                         б

Рис.1. Оплавление поверхности перед сваркой: а – изотерма плавления и

образование первичного грата при  нагреве; б - форма оплавленной

поверхности после удаления нагревателя

Скорость  продвижения теплового фронта с  температурой,

равной темпе-ратуре перехода пластмассы в вязкотекучее состояние (изотермы плавления),

 

называется  скоростью проплавления, а глубина  продвижения изотермы

плавления –  глубиной проплавления hопл (рис.4.5, б).

При оплавлении плоских кромок плоским нагревателем тепловой фронт,

распространяющийся внутрь нагреваемой детали, не параллелен нагревателю. В соответствии с этим линия границы проплавления также не линейна, а имеетпараболическую форму (рис.4.5, а). Асимметрия теплового потока на оплавленном торце обусловлена тем, что к краям торцов поступает не только энергия от линейного теплового потока (Q1) непосредственно от нагретого инструмента. Туда же поступает энергия из внутренних областей (поток Q2) с вытекающим в первичный грат расплавом и энергия теплового излучения (поток Q3) от

участков  инструмента, выступающих за пределы  торцов. Кривизну зоны про-

плавления можно  уменьшить путем охлаждения кромок вблизи нагреваемых

торцов.

После окончания  инкубационного периода скорость проплавления интен-

сивно возрастает, достигая максимальной величины, после чего между скоро-

стью проплавления и скоростью оплавления (укорочение стержня) наступает

равновесие. Процесс переходит в квазистационарный. Эффективность нагрева при квазистационарном процессе минимальна, так как глубина проплавления практически перестает расти. Дальнейший нагрев деталей уже не имеет смысла, т.к. расплавленный полимер будет весь эвакуироваться в грат, а hпр больше не увеличивается. Для уменьшения количества первичного грата, т.е. объема вытекающего в грат расплава, в процессе нагрева по мере оплавления необходимо уменьшать давление. Давление должно обеспечивать лишь контакт инструмента с расплавом, необходимый для теплопередачи за счет теплопроводности. Для получения максимальной глубины проплавления с минимальным первичным гратом, незначительной кривизной зоны проплавления и серповидностью оплавленного торца вторую стадию оплавления следует проводить при плавном уменьшении давления до 0,005-0,01 МПа. После отрыва нагретого инструмента от оплавляемого торца кромки приобретают серповидную форму (рис.4.5, б). Это необходимо учитывать при выборе технологических параметров режимов оплавления и осадки. Серповидность обусловлена неравномерностью распределения тепловых деформаций, а также адгезией расплава к инструменту. Глубина серповидности увеличивается с увеличением длительности нагрева и толщины стенки детали. Сварку прямым нагревом (оплавлением) выполняют либо в режимах, исключающих деструкцию полимера при оплавлении, т.е. сварочный инструмент имеет температуру, незначительно превышающую температуру текучести свариваемых материалов, либо инструмент нагревается на 100 – 150 градусов выше температуры текучести, но при этом продолжительность оплавления резко сокращается.

 

Пауза, необходимая для удаления инструмента, равна времени перехода

от этапа  оплавления к этапу осадки. За это  время расплавленные торцы не

должны сильно переохладиться. Кроме того, при  длительной паузе интенсивноразвивается процесс термоокислительной деструкции, начавшийся при контакте торцов с инструментом. Этот процесс сопровождается выделением газов. В связи с этим продолжительность паузы не должна превышать 1-3 с в зависимости от типа сварочной установки, её привода и геометрии изделия.

Осадка обеспечивает непосредственный физический контакт оплавлен-

ных кромок и взаимодействие макромолекул по поверхности свариваемых деталей. Возникновению межмолекулярного взаимодействия могут препятствовать пузырьки воздуха, захваченные расплавом полимерного материала, окисленный поверхностный слой, а также различные загрязнения.

 

 

Рис.2. Схема захвата воздуха при стыковке торцов на этапе осадки

На рис.2. показано, как происходит захват воздушного пузыря при со-

единении серповидных торцов. Удаление воздушных прослоек, продуктов термоокислительной деструкции и других загрязнений возможно только при развитом течении расплава за зону сварки с образованием вторичного грата.

Для этого  давление должно быть снова повышено и обеспечена необходимая

скорость  осадки. Однако при больших скоростях осадки упругие напряжения, возникающие в расплаве, могут достигать больших значений. После осадки во избежание появления поля собственных напряжений стык необходимо выдержать под давлением до его естественного охлаждения и релаксации напряжений. Однако течение вдоль стыка приводит к ориентации макромолекул после охлаждения также вдоль стыка, т.е. перпендикулярно направлению приложения эксплуатационной нагрузки. Такая ориентация наряду с неполным вытеснением газовых прослоек и загрязнений снижает прочность сварных соединений.

 

 

 

3. Сварка труб встык

Высокое качество сварных соединений пластмассовых трубопроводов обеспечивается проведением комплекса мероприятий по контролю на различных стадиях производства. Этот комплекс включает три этапа: предупредительный контроль (перед сваркой), активный (в процессе сварки)

4

 

и приемочный(после сварки).Технология сварки трубопроводов включает операции контроля, подготовки и сварки.

Предупредительный контроль включает в себя контроль качества

свариваемых материалов, проверку квалификации сварщика и контроль технологической подготовки производства.

Условия хранения труб должны исключать попадание  на них прямых

солнечных лучей, так как при этом возможно не только снижение прочности

материала труб, но и значительное ухудшение  их свариваемости.

Перед сваркой трубы подвергают механическим и термомеханическим

испытаниям. По истечении гарантийного срока хранения труб (два года со дня изготовления) перед использованием трубы должны подвергаться повторной проверке. Подготовка тру б к сборке и сварке . Стадии сварочного цикла представлены на технологической схеме процесса (рис.3, а). Сборка и центровка перед сваркой осуществляются на специальном устройстве или на установке, на которой будет выполняться сварка. Концы труб должны крепиться в кольцевых зажимах (центраторах) сварочной установки таким образом, чтобы вылет трубы составлял 60-70 мм.

 

 

 

 

 

 

б Р1 – давление при оплавлении

Р2 – давление при нагреве

Р3 – давление при осадке

t1 – время оплавления

t2 – время нагрева

t3 – время технологической паузы

t4 – время нарастания сварочного

давления

t5 – время охлаждения под давлением

 

Рис.3. Основные стадии сварочного цикла (а) и циклограмма прилагаемого давления (б)

Внутреннюю и наружную поверхности концов свариваемых труб на рас-

стоянии не менее 30 мм от торца очищают от пыли, масла, технического угле-

и других загрязнений, отрицательно влияющих на свариваемость. Соединяемые поверхности  труб, зажатые в сварочной установке, после очистки подвергают торцовке. Стружку, образовавшуюся при торцовке, удаляют способом, исключающим загрязнение  торцов заготовок. Иногда применяется  обезжиривание ацетоном, спиртом. Запрещается  при торцовке кромок применять охлаждающие  эмульсии и смазки.

После сборки между торцами труб не должно быть зазоров, превышающих 0,5 мм при диаметрах труб до 110 мм и 0,7 мм – при диаметрах более

110 мм. Смещение соединяемых концов  труб по наружному периметру  не

должно  превышать 10% толщины стенки труб.

Контроль  в процессе сварки проводится с целью строгого соблюдения основных параметров режима и цикла сварки. Температуру нагретого

сварочного  инструмента необходимо поддерживать с постоянной с точностью до± 10 ОС. При нагреве сварочный инструмент должен касаться кромок труб по всему периметру. При правильном ведении процесса по всему периметру трубы должен образовываться равномерный грат расплавленного материала в виде валика высотой не более 2-3 мм.

После оплавления концов труб необходимо быстро удалить  нагреватель и

произвести  осадку труб. Время между удалением нагревателя и осадкой труб недолжно превышать 1-2 с, иначе происходит снижение прочности шва в результате быстрого охлаждения свариваемых поверхностей. При превышении давления осадки происходит чрезмерное выдавливание

оплавленного  материала наружу и внутрь трубы, что ухудшает качество сварного соединения. Сваренный стык необходимо выдерживать под давлением до полного затвердевания материала, так как перемещение концов труб сразу после сварки может привести к созданию в стыке дополнительных внутренних напряжений. Циклограмма прилагаемого давления показана на рис.3, б. Оставшийся после сварки на инструменте расплавленный материал необходимо удалить при помощи скребков, металлических щеток и ветоши. О высоком качестве сварного соединения свидетельствует образование двойного плавно скругленного валика грата равномерной по всему периметру шва толщины (рис.4).