Сварка полимерных материалов
Сварка полимерных материалов – это метод создания неразъёмного соединения элементов конструкции из полимеров.
Полимеры – это высокомолекулярные вещества, молекулы которых состоят из большого числа повторяющихся звеньев – мономеров.
В зависимости от структуры молекулы и поведения при нагреве полимеры делят на 2 категории: термопласты и реактопласты. Реактопласты – вещества, которые под действием температуры не способны переходить в вязко-текучее состояние, а при значительной температуре подвергаются необратимым изменениям. В отличие от реактопластов, термопласты под воздействием температуры не подвергаются существенным химическим изменениям. Это свойство позволяет многократно их нагревать и доводить до вязко-текучего состояния, а затем возвращать в исходное. К термопластам относятся: полиэтилен (ПЭ), полипропилен (ПП), поливинилхлорид (ПВХ). Для получения неразъемного соединения полимеров применяются: склеивание, штуцеры, а также разные виды сварки. Если важнейшим требованием к процессу является возможность автоматизации, а соединяемые детали изготовлены из одинаковых материалов с близкими показателями текучести расплава и плотности, то сварка полимерных материалов является наиболее предпочтительным методом соединения.
Важно!
Недопустимо присутствие в зоне сварки чужеродных по отношению к соединяемым материалам посторонних элементов и/или клеевых прослоек.
Сварка полимеров: процесс
Сварка полимеров в целом заключается в локальном нагреве свариваемых материалов и последующей их диффузии. Процессы, протекающие в зоне сварки: 1. Активация свариваемых поверхностей за счёт нагрева.
На данном этапе происходит повышение энергии теплового движения макромолекул полимера. Важно: под влиянием времени и ультрафиолетового излучения у некоторых полимеров происходят процессы деструкции и старения, изменяющие химико-физические свойства поверхностного слоя. Поэтому перед их нагревом необходимо зачищать поверхностные слои детали в зоне сварки. 2. Соединение свариваемых поверхностей.
Важнейший этап сварки полимеров. Происходит контакт свариваемых поверхностей, и под действием сдавливающего усилия макромолекулы вещества взаимодействуют друг с другом. В результате образуется соединение, которое по прочности и свойствам практически не отличается от исходного материала. 3. Формирование шва в зоне контакта.
При охлаждении соединения происходит формирование сварного шва.
Важно!
Из-за локальности зоны нагрева после сварки возникает остаточное напряжение в зоне сварного шва, которое со временем уменьшается. Сварные детали после окончания времени охлаждения следует передавать в эксплуатацию спустя некоторое время. Не рекомендуется искусственно ускорять процесс охлаждения. Это может привести к снижению прочности шва.
В процессе сварки полимерных материалов следует тщательно следить за температурой, давлением, продолжительностью всех этапов сварки и охлаждения, чтобы не допустить термодеструкции (разложение материала под действием температуры) или несплавления. Иначе шов будет обладать пониженными прочностными характеристиками.
Сварка полимерных труб: наиболее популярные методы
Сварка нагретым инструментом в раструб
Суть метода: Происходит оплавление наружной поверхности полимерной трубы и внутренней поверхности фитинга с помощью специального аппарата для раструбной сварки. Затем свариваемые поверхности соединяются (труба вводится в фитинг). Преимущественно данный метод сварки используется при работе с полипропиленом (ПП) который чаще всего применяется для внутренних трубопроводов. Реже встречается сварка полимерных трубопроводов данным способом для полиэтилена (ПЭ) и полибутена (ПБ). Для полиэтилена предпочтительнее использовать сварку нагретым инструментом встык (НИ) и сварку с закладными нагревателями (ЗН). В основном раструбная сварка применяется для труб малых диаметров до 110 мм. Приспособления для раструбной сварки:
- Труборез.
Используется для резки трубы под углом 90о - Калибратор.
Инструмент для калибровки наружного диаметра трубы путем срезания слоя полимера до допустимого по стандарту значения. - Фаскосниматель.
Инструмент для снятия фаски на торцах труб. - Сварочный аппарат.
Устройство для раструбной сварки труб и фитингов.
Особенности метода:
- Для соединения двух отрезков труб даже на прямых участках трубопровода требуется использование фитингов.
- Для совмещения свариваемых деталей с нагретым инструментом требуется усилие. При работе с трубами диаметром до 50 мм возможно использование ручного сварочного аппарата. При работе с трубами от 50 мм и выше целесообразно использовать аппарат с механическим центратором.
- Не применяется при работе с тонкостенными полимерными трубами из-за высокого риска деформации трубы.
Технология выполнения работ:
Подготовительный этап:
Необходимо обрезать трубы под прямым углом с помощью трубореза и обработать концы калибратором, чтобы диаметры труб в зоне сварки стали допустимого по ГОСТ размера. Для облегчения дальнейших работ необходимо с помощью фаскоснимателя на торцах труб обработать наружные фаски. Затем с помощью спиртовых салфеток требуется очистить поверхности свариваемых деталей от любых типов загрязнений.
Процесс:
Фитинг надевается на дорн нагретого инструмента (элемент сварочного аппарата для нагрева внутренней поверхности фитинга) соответствующего диаметра до упора. Одновременно с этим труба вставляется в гильзу нагретого инструмента (элемент сварочного аппарата для нагрева наружной поверхности трубы) до предварительно нанесенной отметки глубины сопряжения фитинга с трубой.
Наружный слой трубы оплавляется, доходя до вязко-текучего состояния, и выдавливается наружу из гильзы в виде грата. Аналогичный процесс происходит и с фитингом: внутренняя поверхность оплавляется и наружу выдавливается грат. Теперь нужно быстро соединить эти два элемента. Отделяем трубу и фитинг от элементов нагревателя, вводим трубу в фитинг до отметки глубины сопряжения деталей и фиксируем в таком положении. Оставляем остывать на некоторое время (зависит от материала трубы и диаметра).
Сварка полимерных труб нагретым инструментом встык (НИ)
Суть метода:
Одновременно оплавляются торцы труб, затем прижимаются друг к другу, образуя неразъёмное соединение.
Состав оборудования для сварки нагретым инструментом встык (НИ).
- Центратор.
Конструкция, обеспечивающая соосное расположение труб. Позволяет выравнивать и перемещать трубы относительно друг друга и обеспечивает требуемое усилие их сжатия. - Гидравлический привод.
Подключается к центратору. Позволяет регулировать давление прижима и управляет перемещением свариваемых труб. - Торцеватель.
Предназначен для предварительной обработки торцов труб перед сваркой. - Нагретый инструмент.
Обеспечивает нагрев торцов свариваемых деталей. - Блок управления.
Осуществляет подачу напряжения на составные компоненты сварочной машины. - Устройство протоколирования.
Определяет и сохраняет основные параметры процесса сварки полимерных труб.
Особенности метода:
- Не требует соединительных деталей на прямых участках трубопровода. Сварка происходит на торцах труб, что позволяет экономить на фитингах.
- Данная технология применяется на большом диапазоне диаметров до 1600 мм.
- Есть возможность производить сварку труб разных диаметров на одном и том же аппарате.
- Для сварки трубопроводов больших диаметров используется большое и тяжелое сварочное оборудование. Это необходимо учитывать при планировании места проведения сварочных работ.
- Образуется двойной грат как снаружи, так и внутри трубопровода.
- Сваривать можно только трубы с одинаковой толщиной стенок.
Технология выполнения работ:
Подготовительный этап:
В первую очередь необходимо зафиксировать соединяемые трубы в центраторе. Затем торцеватель устанавливается в центратор, фиксируется и включается. Производится обработка и выравнивание трубных концов. После торцевания проверяем форму торцов и зазор между ними, если они в допустимых пределах, то все готово к сварке.
Процесс:
На первом этапе сварки необходимо с заданным усилием прижать торцы к нагревателю таким образом, чтобы расплавленный материал выдавился наружу, образовав первичный грат необходимой высоты по всему периметру труб. Как только грат образовался, переходим к следующему этапу.
Производится снижение давления прижима трубы к нагревателю до 0 или заданной величины (зависит от условий, в которых производится сварка) и начинается прогрев торцов за счет тепла от нагревательного элемента. Тут важно внимательно следить за временем. Продолжительность прогрева зависит от диаметра труб и толщины стенки.
Как только заданное время прошло, трубы нужно развести в стороны, чтоб удалить нагреватель из зоны сварки. Затем выполнить быстрое сведение труб до контакта торцов и увеличить усилие прижима труб друг к другу. После достижения усилия расчетного сварочного значения его нужно зафиксировать и поддерживать до окончания времени остывания сварного шва. Если допустить нарушения в работе на заключительном этапе, в сварочном шве могут появиться воздушные поры.
Сварка полимерных труб соединительными деталями с закладными нагревателями (ЗН).
Суть метода:
Расплавление полимера на соединяемых поверхностях соединительной детали (муфты, отвода, перехода и тд.) и трубы происходит за счёт тепла, которое выделяется при протекании электрического тока по размещенному в соединительной детали закладному нагревателю, который представляет собой спираль из металлической проволоки.
Особенности метода:
- Не образуется внутренний грат при сварке. Исключается снижение проходимости трубопровода.
- Позволяет соединять трубы с разными значениями SDR (с разными толщинами стенок).
- При равных диапазонах рабочих диаметров оборудование для работы с ЗН стоит дешевле, чем оборудование для стыковой сварки.
- Одним сварочным аппаратом можно сваривать большой диапазон диаметров труб.
- Может использоваться при отсутствии возможности перемещения труб вдоль оси, что позволяет использовать данный метод для ремонта и реконструкции трубопроводов.
- Большая площадь соприкосновения свариваемых деталей, что гарантирует высокую надежность сварных соединений.
- Позволяет предварительно собирать на объекте конструктивно сложные трубопроводы в разных плоскостях разных диаметров.
- Относительно высокая стоимость деталей с ЗН больших диаметров. Увеличивает стоимость строительства.
Технология выполнения работ:
Подготовительный этап:
После проведения входного контроля труб и соединительных деталей нужно обрезать концы труб под прямым углом с помощью трубореза. Далее перед механической обработкой наносятся метки, обозначающие границы зоны зачистки, и трубы помещаются в позиционер для предотвращения провисания во время сварки. Следующим этапом подготовки является механическая зачистка свариваемых поверхностей труб. Это нужно для того, чтобы убрать верхний слой полимера, подвергшийся деструкции. Затем, как и в любом другом способе сварки полимерных материалов, необходимо очистить все свариваемые поверхности: производится обезжиривание и очистка внутренней поверхности детали с ЗН и наружных поверхностей труб в зоне зачистки. Желательно использовать специальные салфетки, но, если их нет в наличии, можно воспользоваться салфетками или ветошью, смоченными обезжиривающей жидкостью (рекомендуется использовать чистый спирт).
Процесс:
В первую очередь после полного испарения обезжиривателя производится сборка конструкции в позиционере, т.е. осторожно, без больших усилий выполняется установка детали с ЗН на концах труб. После того как трубы соединены с деталью с ЗН и зафиксированы, сварочный аппарат с помощью кабеля подключают к клеммам детали. Затем в аппарат нужно ввести параметры сварки, считав штрих код с детали с ЗН с помощью сканера, либо ввести данные вручную на пульте управления сварочного аппарата, если это возможно. Сварка происходит автоматически после нажатия кнопки «старт» аппарат подает напряжение на клеммы детали с ЗН и протекающий по нагревательной спирали ток нагревает ее в течение заданного времени. Как и при любом другом виде полимерной сварки, после окончания времени сварки полученное соединение оставляем остывать естественным образом, не прикладывая к нему механических воздействий.
Подведем итог
Сварка полимерных материалов – технология, делающая нашу жизнь лучше. Полимерные материалы развиваются и становятся качественнее и надежнее, а полимерные трубопроводы становятся все более технологичными, что требует использования современного оборудования для работы с ним, а также подготовленных квалифицированных специалистов по монтажу полимерных трубопроводов.
В данной статье вы могли ознакомиться с основными принципами и методами сварки полимерных материалов. Если вам интересна данная тема, то в нашем учебном центре вы можете пройти обучение и подробно изучить все аспекты технологии сварки, а также повысить свою квалификацию и получить карту сварщика-оператора.
https://www.polyplastic.ru/uc/stati/svarka-polimernyh-materialov