Прочность и долговечность различных коммуникаций из пластика зависит, насколько точно учтена температура пайки полипропиленовых труб. При сваривании изделий из полипропилена необходимо учитывать время нагрева материала, время остывания стыков. Правильное сопоставление и учет температурных и временных показателей процесса пайки технических изделий из полипропилена способствует изготовлению прочного и надежного материала. При отклонении от технологии изделие будет иметь разрывы в местах стыка и отличаться низким качеством.
Общая информация
Температурный режим пайки трубных изделий из полипропилена напрямую зависит от применяемого полимера. На практике используются 4 типа материалов:
- PN10, применяемые для использования технических изделий при температурном режиме до +40 0 С;
- PN16 для использования при +60 0 С;
- PN20, используемые в водопроводе от +80 0 С до +95 0 С;
- PN25 для режимов эксплуатации свыше +95 0 С.
Помимо выдержки температурного режима, зависит от давления, которое способно выдержать трубное технических изделий конкретной маркировки.
Первый тип применяется при прокладывании техизделий, предназначенных для холодного водоснабжения. Трубные изделия с маркировкой PN20 считаются универсальными и предназначены для холодного и горячего водоснабжения, но при учете, что воздействие +95 0 С носит кратковременный характер. Если температура не соблюдается, то от ее действия они потеряют герметичность и деформируются.
Режим пайки и его влияние на процесс
Заключается в их нагревании, после чего происходит размягчение входящего в их состав пластика. При соединении двух нагретых изделий возникает диффузия (взаимопроникновение) молекул полипропилена одного технических изделий в молекулы другого. В результате образовывается прочная молекулярная связь, делающая получившийся материал герметичным и прочным.
Если наблюдается недостаточный режим, то при соединении двух материалов не произойдет достаточная диффузия. В итоге стык техизделия получится слабым, что приведет к нарушению герметичности всего материала.
«Обратите внимание!
Излишний перегрев фитинга и трубного техизделия при сваривании становится причиной деформации деталей. Нарушается их геометрия, а во внутреннем сечении происходит наплыв валика.»
На выходе получается трубопровод с минимальным внутренним отверстием в месте стыка, диаметр которого не соответствует технологическим нормам.
Учитываются надо не только температуру нагрева при сварке полипропиленовых труб, но и время, температурный режим среды и диаметр технических изделий. Время нагрева трубных материалов находится в прямой зависимости от их диаметра.
Значение имеет внешняя среда. Минимально допустимый температурный показатель при сваривании изделий из полипропилена составляет -10 0 С. Максимально допустимый его показатель +90 0 С. Таблица температур сварки полипропиленовых труб таблица наглядно показывает, что в основном все зависит от времени.
Внешняя среда оказывает сильное влияние на качество пайки. Это связано с тем, что от момента снятия материалов с аппарата для сваривания до их непосредственного соединения проходит время. Подобная пауза сильно влияет на качество сварного шва. При небольшом внешнем температурном режиме в мастерской рекомендуется увеличивать время нагрева стыкуемых изделий на несколько секунд. Внешняя температура пайки полипропиленовых труб 20 мм должна быть выше 0 0 С. Важно не перегреть их. Есть риск затекания полимера во внутреннее отверстие трубного материала и уменьшения его внутреннего просвета. Это сильно отразится на пропускной способности будущего участка трубопровода.
Выдержка температурного режима, ее особенности
Перед тем как ответить, какая температура нужна для сварки полипропиленовых труб, требуется определиться с используемым сварочным аппаратом. Для пайки материалов, изготовленных на основе полипропилена, применяется паяльник. Возникает вопрос: какая температура паяльника для пайки полипропиленовых труб должна устанавливаться? Оптимальным значением являются 260 0 С. Допустимо проведение сварочных работ в диапазоне 255 0 -280 0 С. Если перегреть паяльник свыше 271 0 С, уменьшив время нагрева, то верхний слой изделий прогреется больше внутреннего. Сварочная пленка окажется чрезмерно тонкой.
Существует таблица температур пайки полипропиленовых труб.
| Время сваривания, с | Время нагревания, с | Время для охлаждения, с | |
| 4 | 6 | 120 | 259-280 |
| 25 | 4 | 7 | 180 |
| 4 | 8 | 240 | 259-280 |
| 40 | 5 | 12 | 240 |
| 5 | 18 | 300 | 259-280 |
| 63 | 6 | 24 | 360 |
| 6 | 30 | 390 |
Температура сварки полипропиленовых труб 20 мм колеблется в диапазоне от 259 до 280 0 С, как и температура сварки полипропиленовых труб 25 мм.
Нет особых требований к такому показателю, как температура сварки полипропиленовых труб, армированных стекловолокном. Она устанавливается в том же диапазоне, что и для других технических изделий из полипропилена. Перед сваркой необходимо шейвером снять с таких изделий верхний армированный слой.
При сваривании изделий из полипропилена имеются особенности:
- необходимость избегать больших расстояний между паяльником и местом сваривания, поскольку происходит потеря тепла и снижение сварочного температурного режима, приводящее к плохому качеству шва;
- нарушение порядка действий при пайке, при котором мастер не делает последний стык из-за невозможности установить паяльник между двумя изделиями, что становится следствием деформации трубопровода и возникновения статического напряжения в его участках;
- недопустимость последовательного нагрева деталей конструкции.
Фитинг и трубный материал должны нагреваться одновременно, а не последовательно. При несоблюдении требования по равномерному нагреву деталей нарушится вся технология процесса.
В заключение
Для достижения результативности процесса необходимо, чтобы температурный режим устанавливался в соответствии с технологическими требованиями, для сварки использовался качественный агрегат, расстояние между ним и местом сварки было 1,4 м, а помещение было достаточно прогретым.
Сварные соединения являются неразъемными, т.е. не могут быть разобраны без поломки деталей. Это свидетельствует о мо-нолитности (сплошности) сварных соединений. Такая монолит-ность может быть обеспечена, если между поверхностными мак-ромолекулами соединяемых деталей возникнут силы взаимодей-ствия (силы Ван-дер-Ваальса) и произойдет их взаимное пере-мещение из одной детали в другую, например за счет диффузии.
Казалось бы, достаточно сблизить поверхности на такие рас-стояния (0,3-0,4 им), на которых начинают заметно проявляться эти силы, чтобы между поверхностными макромолекулами сва-риваемых пластмасс возникли связи, исчезла граница раздела и произошла сварка. Именно этими соображениями руководству-ются некоторые авторы, определяя сварку как технологический процесс получения неразъемного соединения частей изделия, основанный на взаимной диффузии и химическом взаимодейст-вии макромолекул полимеров, в результате которых между со-единяемыми поверхностями исчезает граница раздела.
Однако даже в идеальном случае, когда на соединяемых по-верхностях отсутствуют микронеровности (идеально гладкие по-верхности), различные загрязнения, адсорбированные газы и другие составляющие, препятствующие такому сближению, не-обходима затрата извне деформационной и тепловой энергии. Деформационная энергия будет затрачиваться на преодоление сил отталкивания, возникающих между сближаемыми поверхно-стными атомами. Тепловая энергия увеличивает вероятность развития взаимодействия между ними. Если исходить из таких представлений, то в сварочной зоне можно выделить два основ-ных процесса: первый - подвод и преобразование энергии и второй - движение (или превращение) вещества. Интенсивность процесса преобразования энергии и его характер определяют вид сварки .
Для осуществления процесса сварки необходима активация свариваемых поверхностей. Это достигается за счет подвода и, в некоторых случаях, преобразования энергии. Введение вещества необходимо только при некоторых видах сварки пластмасс, на-пример при сварке нагретым газом с применением присадочного материала, а также при сварке расплавом. В последнем случае с присадочным материалом и расплавом подводится и энергия.
Движение вещества при различных видах сварки пластмасс может быть значительным. Оно обусловлено перемешиванием и диффузией, протекающими в материале, нагретом до вязкотекучего состояния. Особым видом движения следует считать хими-ческую реакцию активных групп, расположенных на сваривае-мых поверхностях, между собой или с активными группами проме-жуточного вещества, которая также может протекать при подводе энергии того или иного вида (химическая сварка) .
Исходя из сказанного, можно считать, что в термодинамиче-ском смысле не может быть разницы в определении сварки пла-стмасс и металлов. Это определение может быть сформулирова-но следующим образом: сварка - это процесс получения моно-литного соединения материалов за счет введения и термодина-мически необратимого преобразования энергии и вещества в месте соединения .
Механизм процесса сварки и свариваемость пластмасс
Согласно современным представлениям, процесс сварки сле-дует рассматривать как топохимическую реакцию, т.е. химиче-скую реакцию, протекающую по поверхности твердого тела. В основе любой химической реакции лежит процесс разрыва связей в исходных веществах и возникновения новых связей, приводящий к образованию нового вещества. Таким образом, механизм образования соединения не должен меняться при пе-реходе от одного способа сварки к другому и от одного материа-ла к другому. Изменяется только совокупность явлений на кон-тактных поверхностях, приводящая их в состояние взаимодейст-вия. Эти явления могут быть различными и определяются при-родой материала и способом сварки .
Для топохимической реакции характерно протекание в три стадии: образование физического контакта; активация контакт-ных поверхностей; объемное развитие взаимодействия.
Образование физического контакта происходит обычно при приложении к свариваемым деталям давления. В отдельных слу-чаях, когда в зону сварки поступает расплавленный присадоч-ный материал, физический контакт между ним и свариваемыми кромками может осуществляться без приложения давления или при сравнительно небольшом давлении. Это относится к сварке нагретым газом и экструзионной сварке.
Установление физического контакта между свариваемыми поверхностями может предшествовать нагреву, осуществляться после нагрева соединяемых поверхностей до температур сварки или одновременно с нагревом. В любом случае на этой стадии происходит пластическое деформирование макро- и микроне-ровностей, за счет чего происходит сближение контактирующих поверхностей. Работа деформации затрачивается также на уда-ление из контактной зоны инородных включений (газовых пу-зырей, масляных и жировых пятен и других загрязнений). Для мягких пластмасс и волокнистых материалов на этой стадии ха-рактерно уплотнение, проявляющееся в уменьшении толщины материала.
Активация свариваемых поверхностей включает в себя их на-грев для повышения энергии теплового движения макромоле-кул. Нагрев может осуществляться либо непосредственно за счет передачи тепла от нагретых инструмента, газа или присадочного материала к свариваемым деталям, либо за счет преобразования других видов энергии в тепловую. Это может быть механическая энергия ультразвуковых колебаний или трения, энергия высоко-частотного электрического поля конденсатора, электромагнит-ная энергия, энергия инфракрасного излучения, лазера и кон-центрированного светового луча.
При сварке с использованием преобразования различных видов энергии в тепловую термической активации поверхностей будут предшествовать процессы, связанные со спецификой данного вида сварки: смещение диполей - при сварке токами высокой частоты.
Ввод и распространение ультразвуковых колебаний, а также кон-центрация и преобразование энергии механических колебаний в тепловую энергию - при ультразвуковой сварке; поглощение лучи-стой энергии - при сварке инфракрасным излучением.
Стадия термической активации может также сопровождаться развитием деформационных процессов, так как действие стати-ческой, а при ультразвуковой сварке и динамической нагрузок приводит к внедрению инструмента в поверхность соприкасаю-щейся с ним детали, а также к вытеснению пластицированного или расплавленного материала из зоны сварки.
Объемное развитие взаимодействия сопровождается рядом слож-ных физико-химических процессов, среди которых наиболее суще-ственными являются диффузия, течение и физико-химические пре-вращения. Теория сварки, в которой главенствующая роль на этом этапе отводится диффузии, названа диффузионной. Теория, в кото-рой считается, что ответственными за свариваемость являются про-цессы течения, названа реологической ~ по названию науки рео-логии, изучающей закономерности течения.
Согласно диффузионной теории, для получения со-единения необходимо, чтобы при соприкосновении двух по-верхностей вещества происходило достаточно полное их слияние (коалесценция). Полная коалесценция двух слоев жидкости происходит при непосредственном их контакте и сопровождает-ся исчезновением границы раздела между ними. В случае соеди-нения полимеров одного контакта для коалесценции недоста-точно, так как должно еще произойти структурообразование в зоне контакта, которое может быть достигнуто за счет диффузии макромолекул в целом или отдельных сегментов. Перемещению сегментов препятствуют их связи с остальной макромолекулой, поэтому диффузия сегментов вызывает некоторое изменение конфигурации цепной молекулы. В результате этого большое число последовательных перемещений сегментов будет приво-дить не только к изменению формы макромолекул, но и к сме-щению их центров тяжести. Перемещение сегментов и макро-молекул в целом получило название микроброуновского и мак-роброуновского движения соответственно.
Перемещение макромолекул целиком особенно легко может происходить в том случае, если контакт слоев полимера осуще-ствляется при температуре выше температуры течения. В этом случае в зоне контакта сравнительно легко возникает структура, характерная для полимера. Диффузия отдельных сегментов мак-ромолекул может происходить и при температурах, отвечающих высокоэластическому состоянию полимера, при этом перемеще-ние молекулы в целом затруднено. При таких температурах сте-пень коалесценции меньше единицы (максимальная степень коалесценции равна единице и наблюдается только у жидко-стей), ^го объясняется тем, что после перемещения сегментов на определенную глубину диффузия прекращается из-за напря-жений, возникающих в молекулярных цепях.
Доказательством диффузионного характера процесса сварки может служить то обстоятельство, что все меры, способствую-щие тепловому движению (повышение давления и температуры, введение пластификаторов и т. д.), вызывают увеличение проч-ности сварного соединения и, наоборот, факторы, замедляющие диффузию, снижают прочность.
Сторонники реологической теории указывают, что если бы за образование соединения была ответственна только диффузия, то время сварки составляло бы десятки минут. Одна-ко на практике это время значительно меньше. Кроме того, сле-дует учитывать, что процессу диффузии неизбежно препятству-ют воздушные прослойки и загрязнения поверхностных слоев свариваемых материалов, поэтому время проникновения еще более увеличивается. Наконец, следует иметь в виду, что коэф-фициент диффузии не остается постоянным, а непрерывно сни-жается, так как по мере проникновения участков макромолекул через границу раздела непрерывно возрастает их торможение.
Поэтому сторонники реологической теории предполагают, что проявлению сил межмолекулярного взаимодействия и диф-фузии в контактирующих объемах предшествует ряд явлений, связанных с течением и перемешиванием расплава (1-4, 16|.
Считается, что при контакте расплавленных поверхностей напряжения, создаваемые усилием прижима (а при ультразвуко-вой сварке и динамические напряжения), вызывают сдвиг слоев расплава. При таком сдвиге происходит удаление из зоны со-единения воздушной прослойки и других инородных включе-ний, а расплав выдавливается из зоны сварки, что свидетельст-вует о получении качественного сварного соединения. Скорость сдвига на различных участках контактирующих поверхностей может различаться из-за неравномерности распределения темпе-ратур и напряжений. Все это может привести к перемешиванию расплава в контактирующих объемах, что особенно вероятно в случаях сварки с использованием высокочастотных механиче-ских (ультразвуковая сварка) или электрических (сварка ТВЧ) колебаний |1-4}.
Явление перемешивания вязкотекучего материала в зоне свар-ки подтверждено экспериментально при изучении процесса свар-ки пластмасс нагретым инструментом. По-видимому, для макро-объемов вязкотекучего материала при сварке характерен процесс перемешивания, а для микрообъемов - процесс диффузии.
Если сварка проводится в интервале температур высокоэластичности, преимущественным является диффузионный механизм. При этом необходим длительный контакт свариваемых поверхностей друг с другом, сварные швы сохраняют границу раздела, а материал в зоне соединения не отличается от исходного по надмолекулярной структуре. Такая сварка протекает при значительных давлениях, что обусловливает значительные остаточные напряжения в зоне шва после охлаждения соединения |7-10].
Если сварка проводится в интервале температур вязкотекучести (для аморфных полимеров) или в интервале температур плавления (для частично-кристаллических полимеров), процесс подобен сварке металлов. Под воздействием внешних сил про-исходит быстрая коалесценция расплава, сопровождающаяся перемещением и перемешиванием слоев. При этом слои распла-ва, содержащие газовые и оксидные включения, удаляются из зоны сварки, что облегчает дальнейшую взаимную диффузию участков молекулярных цепей и целых макромолекул в микро-объемах. В сварных швах таких соединений практически отсут-ствует граница раздела соединяемых поверхностей. Они не раз-рушаются по первоначальной плоскости контакта, а надмолекулярная структура может изменяться в зависимости от условий охлаждения расплава 19-11].
В связи с тем, что сварка плавлением на заключительном этапе связана с течением расплава, свариваемость пластмасс оценивают по таким характеристикам, как энергия активации вязкого течения, температурный интервал вязкотекучего состоя-ния и вязкость расплава. В свете этих представлений становится очевидным, что чем меньше энергия активации вязкого течения и вязкость расплава и чем больше температурный интервал вяз-котекучести, тем более вероятно образование высококачествен-ного сварного соединения. По реологическим свойствам пласт-массы могут быть разделены на три группы (1, 4, 10, 16, 18, 19|.
К первой группе можно отнести неориентированные термо-пласты, у которых энергия активации вязкого течения значи-тельно меньше энергии химической связи и не превышает 150 кДж/моль; температурный интервал вязкотекучего состояния (Tт и Тр где Tт - температура текучести, а Тр- температура разложе-ния) превышает 50 °С; вязкость расплава составляет 102-105 Па. с.
Такие термопласты при нагреве переходят в вязкотекучее со-стояние без термодеструкции и пребывают в вязкотекучем со-стоянии в достаточно широком интервале температур; при этом вязкость расплава такова, что при незначительных усилиях мо-жет быть обеспечена быстрая и полная его коалесценция. Эти термопласты хорошо свариваются плавлением различными ме-тодами сварки в широком интервале режимов. Наиболее типич-ные представители этой группы термопластов - полиолефины.
Ко второй группе можно отнести ориентированные термо-пласты с указанными выше реологическими свойствами; неори-ентированные и ориентированные термопласты с высокой энергией активации вязкого течения (близкой к энергии хими-ческой связи); термопласты с узким интервалом между темпера-турой текучести и температурой разложения (менее 50 °С) и сравнительно высокой вязкостью расплавов.
Для термопластов с высокой энергией активации вязкого те-чения существует опасность деструкции при нагреве до вязкоте-кучего состояния. Термопласты с узким температурным интер-валом между Tт и Тр могут разлагаться при незначительном пе-регреве. В ориентированных термопластах при нагреве до вязко-текучего состояния неизбежно нарушается ориентированная структура, обеспечивающая прочность материала. У термопла-стов с высокой вязкостью расплавов трудно обеспечить полную коалесценцию и перемешивание расплава.
Такие термопласты могут свариваться плавлением только при некоторых обязательных условиях. Для ориентированных мате-риалов и материалов с узким интервалом между Tт и Тр сварка плавлением не должна вызывать разориентацию и деструкцию материала, что возможно только при условии быстрого и ло-кального нагрева до температуры текучести свариваемых по-верхностей без проплавления материала по всей толщине. Что касается термопластов с вязкостью расплавов выше 105 Па. с, то сварка их плавлением возможна только при условии снижения вязкости расплава в процессе сварки. Следовательно, для обес-печения возможности сварки плавлением термопластов, принад-лежащих к этой группе, необходимо в каждом конкретном слу-чае изыскивать оптимальные способы и технологические прие-мы сварки.
К этой группе относятся поливинилхлорид, поливинилиден-хлорид, пентапласт, полиэтилентерефталат, поликарбонат, плав-кие фторопласты и другие термопласты.
К третьей группе относятся термопласты, энергия активации вязкого течения которых превышает энергию химической связи, а также термопласты с вязкостью расплава 1011 - 1012 Па. с. Эти термопласты не могут быть переведены в вязкотекучее состоя-ние, т.е. не могут свариваться плавлением. К ним относятся, на-пример, фторопласт-4, ацетат целлюлозы, поливинилацетат. Об-разование соединений таких термопластов возможно только по механизму диффузионной сварки с нагревом поверхностей до температур высокоэластического состояния, с длительной вы-держкой под давлением, равным пределу вынужденной эластич-ности свариваемых материалов, при максимально возможной температуре.
Ускорение диффузионной сварки может быть достигнуто применением растворителей, в которых данный термопласт спо-собен набухать и растворяться. Растворители увеличивают под-вижность макромолекул, поэтому температура сварки может быть снижена.
СВАРКА ПЭ ТРУБ ПРЯМЫМ НАГРЕВОМ ПРИ МОНТАЖЕ ТРУБОПРОВОДОВ
Стыковая сварка полиэтиленовых труб
Пластмассовые трубопроводы получили в последние годы широкое применение как у нас в стране, так и за рубежом. Та-кое широкое использование пластмассовых трубопроводов обу-словлено тем, что они в-4-5 раз легче стальных, проявляют вы-сокую стойкость к агрессивным средам и имеют меньшее гид-равлическое сопротивление. Затраты труда на монтаж и эксплуа-тацию трубопроводов из пластмасс в среднем в 2 раза меньше, чем трубопроводов из углеродистых качественных сталей, и в 3-4 раза, - чем трубопроводов из нержавеющих сталей.
Наибольшее применение имеют трубы из полиэтилена низ-кой и высокой плотности, полипропилена и поливинилхлорида диаметром до 315 мм. В ближайшем будущем намечено приме-нение труб из полиэтилена высокой плотности диаметром до 630 мм. Основной тип соединения таких труб при строительстве трубопроводов - сварка встык.
Таблица 4.1. Ориентировочные значения параметров режима сварки некоторых термопластов нагретым инструментом (прямым нагревом)
* Светостабилизирован техническим углеродом.
Высокое качество сварных соединений пластмассовых трубо-проводов обеспечивается при проведении комплекса мероприя-тий по контролю на различных стадиях производства. Этот ком-плекс включает три этапа: предупредительный контроль (до на-чала сварки), активный (в процессе сварки) и приемочный (после завершения сварки) .
Предупредительный контроль включает в себя контроль каче-ства свариваемых материалов, выбор сварочного оборудования с учетом показателей его эффективности, проверку квалификации сварщиков и контроль технологической подготовки производства.
При поступлении на склад необходимо сортировать трубы так, чтобы на сборку поступали трубы, близкие по геометриче-ским параметрам. На их поверхности и по торцам не должно быть трещин, пузырей, раковин и посторонних включений, ви-димых простым глазом, следов холодных спаев и разложения материала.
Условия хранения труб должны исключить попадание на них прямых солнечных лучей, так как при этом возможно не только снижение прочности материала труб, но и значительное ухуд-шение их свариваемости.
Перед сваркой трубы подвергаются механическим и термоме-ханическим испытаниям.
Гарантийный срок хранения труб - два года со дня изготов-ления. По истечении указанного срока трубы перед использова-нием должны подвергаться повторной проверке.
Сварка ПЭ труб - подготовка к сварке и сборке
Большое значение имеет подготовка труб к сборке и сварке. Внутреннюю и наружную поверхности концов свариваемых труб на расстоянии не менее 30 мм от торца очищают от пыли, мас-ла, технического углерода и других загрязнений, отрицательно влияющих на свариваемость и вызывающих растрескивание сварного шва в процессе эксплуатации. Соединяемые поверхно-сти труб, зажатых в сварочной установке, после очистки под-вергают торцовке. Стружку, образовавшуюся при торцовке, уда-ляют чистой тряпкой или другим способом, исключающим за-грязнение торцов заготовок. В некоторых случаях применяется обезжиривание свариваемых концов растворителем (ацетоном, спиртом). Деформированные, порванные или имеющие забоины концы труб обрезаются. Режущий инструмент перед обработкой кромок должен быть обезжирен. Запрещается применять при этом охлаждающие эмульсии и смазки.
Следующими важными операциями являются сборка и цен-тровка труб перед сваркой. Эти операции должны осуществлять-ся на специальном устройстве или на установке, на которой бу-дет вестись сварка. Концы стыкуемых труб должны крепиться в кольцевых зажимах (центраторах) сварочной установки таким образом, чтобы вылет труб составлял 60-70 мм. После сборки между обработанными торцами труб, приведенных в соприкос-новение, не должно быть зазоров, превышающих 0,5 мм при диа-метрах труб до 110 мм и 0,7 мм - при диаметрах более 110 мм. Смещение соединяемых концов труб, подготовленных к сварке, по наружному периметру не должно превышать 10% толщины стенки труб.
Контроль в процессе сварки проводится с целью строгого со-блюдения основных параметров режима и цикла сварки. Ориен-тировочные значения основных параметров стыковой сварки труб прямым нагревом приведены в табл. 4.2 .
Основным параметром процесса является температура нагре-ва сварочного инструмента, которую необходимо поддерживать постоянной с точностью до ±10 К. Время нагрева - плавления торцов свариваемых труб сварочным инструментом - зависит от температуры окружающей среды, толщины стенки труб, подго-товки торцов труб под сварку. Сокращение продолжительности нагрева при постоянной температуре инструмента приводит к недостаточному размягчению материала и, как следствие, к ухудшению качества сварного шва. Точное соблюдение времени нагрева не всегда гарантирует стабильную глубину прогрева, она может изменяться в зависимости от условий окружающей среды.
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 не должно превышать 1-2 с, иначе происходит снижение прочности сварного шва в результате бы-строго охлаждения свариваемых поверхностей. При увеличении давления происходит чрезмерное выдавливание оплавленного материала наружу и внутрь трубы, что ухудшает качество свар-ного соединения. Продолжительность охлаждения под давлени-ем определяется с учетом толщины стенки свариваемых труб, температуры окружающего воздуха и типа пластмассы. Сварен-ный стык необходимо выдерживать под давлением до полного затвердевания материала, так как перемещение концов труб сра-зу же после сварки может привести к созданию в стыке допол-нительных внутренних напряжений.
Таблица 4.2 . Ориентировочные значения параметров режима стыковой сварки труб нагретым инструментом
| Параметры | Материал труб | |||
|---|---|---|---|---|
| ПЭНП | ПЭВП | ПП | ПВХ | |
| Температура сварки (инструмента), К |
493±10 | 473±10 | 473±10 | 482±5 |
| Давление сжатия при нагреве торцов труб, МПа | 0,02-0,05 | 0.02-0,05 | 0.04-0,08 | 0,05-0,08 |
| Время нагрева (с) при толщи-не стенки трубы (мм)**: 4 6 8 10 12 14 16 | 35 50 70 85 100 120 160 | 50 70 90 110 130 160 180 | 60 80 90 100 150 180 230 | 35 45 50 60 70 - - |
| Давление осадки, МПа | 0,1-0,2 | 0,2-0,3 | 0,2-0,3 | 0.2-0,3 |
| Время (мин) охлаждения сты-ка под давлением при толщи-не стенки трубы (мм): 4-6 7-12 14-16 | 3-4 5-8 10-15 | 3-5 6-9 10-15 | 3-5 6-10 12-16 | 2-3 3-5 - |
* НП и ПЭВП - полиэтилен низкой и высокой плотности соответственно; ПП - полипропилен; ПВХ - поливинилхлорид.
** при температуре окружающего воздуха 293 К.
Оставшийся после сварки на сварочном инструменте рас-плавленный материал необходимо удалить при помощи скреб-ков, металлических щеток и ветоши.
Правильность соблюдения технологического процесса сварки может быть установлена по внешнему виду и форме сварного соединения. Наиболее высокое качество сварного соединения соответствует образованию двойного плавно скругленного вали-ка грата равномерной по всему периметру шва толщины.
Технология сварки ПНД труб
Центратор представляет из себя конструкцию из двух зажимных хомутов-неподвижная, закреплённая непосредственно на направляющих, и соустановленная с ней, подвижная. Подвижная каретка установлена с возможностью перемещения по двум направляющим с помощью двух гидроцилиндров приводимые в действие насосом. . Каретки выполнены в виде фиксированных нижних и верхних съёмных полухомутов, которые с помощью откидывающихся винтов имеют возможность зажимать свариваемые трубы. Для сварки труб различного диаметра машина снабжена сменными вкладышами, которые закрепляются винтами в полухомутах центратора.
Торцеватель состоит из двух соединённых между собой дисков, на которых закреплены по одному ножу. Посредством рукоятки с собачкой диски имеют возможность вращаться во втулках. Торцеватель снабжён двумя опорами, посредством которых торцеватель при работе устанавливается на направляющих центратора.
Планшайба предназначена для установки на ней фасонных изделий (втулок под фланец и переходов с D63 до 225мм), для крепления последних в планшайбе установлены прижимы. Они используются для центрирования и зажима переходов и втулок под фланец, при этом планшайба устанавливается и зажимается в подвижной каретке.
Работа машины заключается в центровке и фиксации свариваемых труб, подготовки торцев свариваемых труб к сварке, последующем нагревании торцев осадки стыка. В подготовку торцев труб входит очистка их от грязи, пыли и других веществ и последующее торцевание соединяемых поверхностей при помощи торцевателя. Торцы труб должны выступать от хомутов не более 55 -60 мм.
Подготовленные торцы труб нагреваются до температуры 220 С для ПНД и 200 С для ПВД. Нагрев производится нагревателем установленным между торцами свариваемых труб. Торцы труб в ручную подводятся к нагревателю (1 этап оплавления) с помощью гидропривода создаётся давление 0,49 Х 10... 0,78 X 10 Па (0,5...0,8 кгс/ см) обеспечивающее плотное прилегание торцев труб к плоскостям нагревателя (II этап оплавления). Необходимое давление контролируется установленными на насосе манометром.
По истечении заданного времени нагревания торцы труб отводят от нагревателя, убирают нагреватель и прижимают торцы труб друг другу с подъёмом давления до 2,00 Х 10 + 0,04 X 10 Па (2,0 + 0,04 кгс/ см) для труб ПНД и 0,98 Х 10 + 0,025 X 10 Па (1,0 + 0,025 кгс/ см) для труб ПВД.
- Необходимое давление осадки выбирается по таблице 3. Справочному значению прибавляется усилие протяжки необходимое для сведения торцев плетей труб.
- Приварку производят при обратном ходе подвижной каретки (Разжим). Параметры сварки приведены в таблице
Состав
Принцип работы
Затем идёт охлаждение сварного шва под давлением. Длительность этапов процесса сварки полиэтиленовых труб должна соответствовать таблице 3. Время оплавления 2-ого этапа оплавления при нагреве должно корректироваться в сторону увеличения зависимости от температуры окружающего воздуха (t окр.). Из расчёта 10 сек. на 1 градус при понижении температуры (нормальная температура эксплуатации 20° С).
| Параметр труб ПНД, мм | Оплавление торцев труб | Технологическая пауза C,не более | Сварка | ||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Диаметр | Толщина стенки | Первый этап | Второй этап | Время подъема давления осадки, С, не более | Давление осадки, Рос, кгс/см2 | ||||||||
| Давление, Pопл, Кгс/см2 | Продолжительность C, не более | Высота грата, мм | Давление, Кгс/см2 | Про- должи- тельностьC, не более | Высота грата, мм | Ход каретки на сжатие | Ход каретки на | Время охлаждения давления мин | |||||
| Ход каретки на сжатие | Ход каретки на | ||||||||||||
| 63 | 2,0 | 0,9 (+0,1) | 15 | 0,5 | 0,2...0,5 | 40 (+10) | 2 (+1) | 3 | 4 | 1,2 (+0,1) | 8 (+2) | ||
| 2,5 | 1,1 (+0,1) | 45 (+10) | 1,4 (+0,1) | ||||||||||
| 3,6 (+0,6) | 1,4 (+0,1) | 50 (+10) | 1,9 (+0,1) | ||||||||||
| 5,8 (+0,6) | 2,1 (+0,1) | 55 (+10) | 2,8 (+0,1) | ||||||||||
| 110 | 2,7 (+0,5) | 2,0 (+0,1) | 40 (+10) | 3,0 (+0,1) | |||||||||
| 4,3 (+0,7) | 3,0 (+0,1) | 50 (+10) | 4,0 (+0,1) | ||||||||||
| 6,3 (+0,9) | 4,3 (+0,1) | 65 (+10) | 3 (+1) | 4 | 5,7 (+0,1) | ||||||||
| 10,0 (+1,2) | 8,0 (+0,2) | 25 | 85 (+15) | 6 | 10,7 (+0,1) | 12 (+3) | |||||||
| 160 | 3,9 (+0,6) | 4,4 (+0,2) | 15 | 45 (+10) | 2 (+1) | 3 | 4 | 5,9 (+0,2) | 8 (+2) | ||||
| 6,2 (+0,9) | 6,5 (+0,2) | 60 (+15) | 4 | 8,5 (+0,2) | |||||||||
| 9,1 (+1,2) | 8,9 (+0,2) | 25 | 85 (+15) | 3 (+1) | 11,8 (+0,2) | 12 (+3) | |||||||
| 14,6 (+1,7) | 13,0 (+0,2) | 35 | 0,8 | 130 (+15) | 5 | 6 | 17,5 (+0,3) | 15 (+3) | |||||
| 225 | 5,5 (+0,8) | 8,6 (+0,1) | 15 | 0,5 | 55 (+15) | 2 (+1) | 4 | 4 | 11,5 (+0,3) | 8 (+2) | |||
| 8,7 (+1,1) | 12,5 (+0,2) | 25 | 80 (+15) | 3 (+1) | 6 | 16,7 (+0,3) | 10 (+3) | ||||||
| 12,8 (+1,5) | 17,4 (+0,2) | 35 | 0,8 | 120 (+15) | 5 | 7 | 23,0 (+0,3) | 15 (+3) | |||||
| 20,5 (+2,3) | 25,0 (+0,2) | 50 | 1,0 | 180 (+20) | 4 (+1) | 6 | 10 | 34,5 (+0,3) | 25 (+5) | ||||
Стыковая сварка ПНД труб. Технология сварки встык.
Основные пложения стыковой сварки
Свариваемые элементы должны быть совместимы в химическом и физическом отношении, указанная совместимость должна заверяться производителем труб и фитингов. Трубы должны иметь одинаковую толщину стенки и одинаковый диаметр.
Сварка осуществляется при соблюдении следующих условий:
- В условиях низкой температуры, ветра, запыленности и загрязненности необходимо использовать палатку (при низких температурах - обогреваемую) для создания защищенной площадки для проведения сварочных работ. На сварных соединениях следует проводить тесты, позволяющие убедиться, достаточны ли принятые меры.
- Концы труб должны оставаться чистыми до этапа сварки включительно.
- Во время сварки концы труб должны нагреваться до одинаковой температуры (использовать защиту от солнечных лучей).
- Во время сварки (и особенно на этапе остывания) исключить любое механическое воздействие.
- Концы труб, не задействованные в сварочном процессе, должны быть закрыты заглушками во избежание охлаждения притоком воздуха.
- Рекомендуется использовать вводной ролик в целях облегчения перемещения труб и уменьшения силы трения.
Общие положения
Принцип сварки заключается в следующем: свариваемые поверхности прижимаются к термоэлементу (при определенном давлении, в течение определенного времени). Когда грат достиг определенной нормативами высоты, термоэлемент извлекается, и свариваемые детали соединяются (под давлением в течение некоторого времени).
Принцип и различные этапы сварки встык.
Выделяют 5 этапов цикла сварки:
- Этап оплавления (образования грата)
- Этап нагрева
- Этап выброса термоэлемента (зеркала)
- Этап сварки
- Этап охлаждения
Время и давление различны в зависимости от нормативов. Далее приводятся основные этапы сварочного цикла и их цели.
Этап оплавленияя
На данном этапе происходит процесс образования грата. Он идет вслед за подготовкой свариваемых элементов (позиционированием, торцеванием, расчетом параметров, нагреванием до необходимой для сварки температуры) и позволяет удалить оставшиеся при обработке мелкие частицы.
Этап нагрева ПЭ труб
На данном этапе температура распространяется внутрь материала, происходит глубокое прогревание. В основном, давление при этом близко к нулю (оно должно лишь компенсировать силу сопротивления движению, чтобы свариваемые поверхности не отстояли от нагревательного элемента).
Этап выброса термоэлемента
На данном этапе происходит выброс зеркала и соединение поверхностей сварки. Данный этап должен быть как можно короче, чтобы избежать потери температуры и снизить риск попадания посторонних частиц, которые могут повлиять на качество сварного соединения (пыль, песок...)
Этап сварки ПЭ труб
На этом этапе образуется окончательный грат и молекулярные связи, обеспечивающие однородность соединения.
Этап охлаждения ПЭ труб
По окончании сварки данный этап позволяет избежать напряжений или ударов, способных нарушить прочность соединения.
Различные нормы сварки встык.
Время и давление зависят от используемых нормативных документов. Далее приведены этапы сварочного цикла и значения времени и давление на каждом из них.
е - толщина стенки, Dn - номинальный диаметр, S - поверхность сварки, fct (: зависим. от)
| Температура нагреват. элемента | P1 | t1 | P2 | t2 | t3 | P4 | t4 | P5 | t5 | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| DVS 2207 1995 e < 70mm | 200 C- 220 C | 0,15 Mpa | 0,5- 4 mm |
0 Mpa | 10e | Fct(e) | 0,15 Mpa | Fct(e) | ||
| DVS 2207 1995 e <50mm | 195 C- 220 C | 0,15 Mpa | 0,5 - 3,5 mm |
0 Mpa | 190 -xxxs | Fct(e) | 0,15 Mpa | Fct(e) | ||
| WRCWIS e>20mm | 230 C +-10 | 0,15 Mpa | Грат = 2 mm |
0 Mpa | 10e | 0,15 Mpa | 10 s | 0,15 Mpa | 50 e | |
| DS/INF | 200 C- 220 C | 0,18 Mpa | Грат = 0,5 + 0,1e |
0,01 Mpa | 15e | 3+ 0,01 Dn | 0,18 Mpa | 3 + 0,03 Dn | 0,18 Mpa | 10s + 0,5e |
| VEG 85 NEN 7200 | 210 C +-10 | 0,18 Mpa | Грат = 0,5 + 0,1e |
0 Mpa | 12e | 3+ 0,01 Dn | 0,18 Mpa | 3 + 0,03 Dn | 0,18 Mpa | 10s + 0,5e |
| Electrabel Becetel I 110-250mm | 210 C +-10 | 0,05 Mpa | 10e | < 3s | 0,3 Mpa | Fct(S) | ||||
| Electrabel Becetel I 250-315 | 210 C +-10 | 0,05 Mpa | 10e | < 3s | 0,24 Mpa | 10 s | 0,05 Mpa | Fct (S) | ||
| GASTEC | 220 C +-15 | 0,18 Mpa | Грат = 0,5 + 0,1e |
0,01 Mpa | 12e | 4 + 0,01 e | 0,18 Mpa (4+0,03e) | 3+e min | 0,01 Mpa | 1,5e min |
| GAZ Natural Si Dn=315 | 225 C +-15 | 0,18 Mpa | 1-2mm или 2-3 mm если DN 160 |
0,03 00,2 Mpa | Dn/2 + 30 +- 10 | Dn 4 < 200 5 >250 6 |
0,18 Mpa | >10min | 1,5e min c max 20 min |
НОРМЫ UNI:
- e: Толщина трубы
- Dn: Номинальный диаметр
- b: высота грата = 0,5 + (0,1е) мм
- t1: время обр.грата = fct (b) = 0,5 + (0,1е) мм
- t2: время нагрева = 12е
- t3: максимальное время выброса зеркала = 4 + (0,3е) сек
- t4: максимальное время роста давления = 4 + (0,4е) сек
- t5: время сварки = (3 + е) мин
- t6: время охлаждения = (1,5е) мин
Для сварки труб и фитингов, у которых стенки больше или равны 20мм, добавляется фаза 6, в остальных случаях она включена в фазу 5.
S = Площадь сварки в мм2 = Pi(Dn2 - Di2)/4
Sc = Площадь цилиндра машины в мм2
- e: Толщина трубы
- Dn: Номинальный диаметр
- Di: Внутренний диаметр (Dn-2e)
- Sc: Площадь цилиндра машины в мм2 (4,32 см2, 5,88 см2, 8,46 см2)
- b: высота шва = 0,5 + (0,1е) мм
- T: Температура нагревательного элемента
- P1: Давление образ.грата = 0,15 (S/Sc) х 10 (бар)
- P2: Давление нагрева = 0,02 (S/Sc) х 10 (бар)
- P5: Давление Сварки = 0,15 (S/Sc) х 10 (бар)
- Р6: Давление охлаждения = если е 20 мм 0
- если е 20 мм 0,05 (S/Sc) х 10 (бар)
- t1: время образ.грата = fct (b) = 0,5 + (0,1е) мм
- t2: время нагрева = (10t) + 60 сек
- t3: максимальное время выброса зеркала = 10 сек
- t4: 10 сек
- t5: время сварки = если е 20 мм (3 + е) мин
- если е 20 мм 10 сек
- t6: время охлаждения = если е 20 мм= 0
- если е 20 мм= (3 + е) мин
Для расчета принимаем значения:
S = Площадь сварки в мм2 = Pi(Dn2 - Di2)/4
Sc = Площадь цилиндра машины в мм2
- e: Толщина трубы
- Dn: Номинальный диаметр
- Di: Внутренний диаметр (Dn-2e)
- Sc: Площадь цилиндра машины в мм2 (4,32 см2, 5,88 см2, 8,46 см2)
- b: высота грата= 0,5 + (0,1е) мм
- T: Температура нагревательного элемента: Смотри таблицу
- P1: Давление оплавления = 0,15 (S/Sc) х 10 (бар)
- P2: Давление нагрева = 0,02 (S/Sc) х 10 (бар)
- P5: Давление Сварка-Охлаждение = 0,15 (S/Sc) х 10 (бар)
- t1: время оплавления = Смотри таблицу
- t2: время нагрева = Смотри таблицу
- t3: максимальное время выброса зеркала = Смотри таблицу
- t4: максимальное время сдавливания = Смотри таблицу
- t5: время сварки = Смотри таблицу
Электрофузионная или электромуфтовая сварка
Аппараты электромуфтовой сварки используются для соединения полиэтиленовых и полипропиленовых труб. Принцип работы электрофузионных аппаратов заключается в том, что свариваемые трубы вставляются в специальную муфту, состоящую из материала основной массы соединяемой трубы и нагревательного элемента. В процессе нагрева нагревательного элемента (обычно проволоки с высоким сопротивлением), часть пластиковой массы расплавляется и соединяется с общей массой трубы с образованием сварного соединения.
Вследствие того, что электрофузионная муфта после сварки остается на трубе, подобное соединение получается дорогим и высококачественным, что важно при сварке газовых труб. Этот способ позволяет проводить сварку и врезку в газопроводы под давлением, а также ремонт пластиковых трубопроводов. Кроме того, сами аппараты для электрофузионной сварки относительно легки в сравнении с любыми стыковыми аппаратами и позволяют соединять трубы практически любых диаметров.
Электромуфтовые аппараты подразделяются на следующие типы:
- электромуфтовые аппараты для сварки ненапорных трубопроводов (очень легки, хотя ограничены в области применения);
- электромуфтовые аппараты для сварки напорных трубопроводов без протоколирования сварочного цикла;
- электромуфтовые аппараты для сварки напорных трубопроводов с протоколированием сварочного цикла.
Пластиковые трубопроводы вытесняют металлические из нашего обихода, так как превосходят стальные и медные трубы по своим характеристикам: простота монтажа и обслуживания, стойкость к агрессивным средам и низкий уровень местных сопротивлений. Однако это кажущаяся простота. Пластиковые трубопроводы требуют высокого уровня культуры монтажа труб, а также достаточного уровня знаний - когда, при каких условиях и каким способом можно монтировать трубы. Поэтому многие производители инструментов и труб проводят бесплатные семинары и практикумы по монтажу трубопроводов, а также предлагают специальные обучающие программы, для повышения уровня квалификации монтажников.
8 Параметры сварочного процесса
Казалось бы, с вводом в действие ГОСТ Р ИСО 55276 анархия кончилась. Или скоро кончится. Законными на территории РФ останутся только режимы стыковой сварки полиэтиленовых труб, описанные в ГОСТ.
Однако в Европе в извечной конкуренции между нормами DVS (Германской ассоциации сварщиков) и стандартами ISO чаще побеждают нормы DVS. Возможно, потому, что нормы DVS более пригодны для непосредственного использования. В частности, подготовка труб к сварочному процессу здесь нормирована в цифрах - и допустимое несовпадение стенок труб, и допустимый зазор между торцами. Температура нагретого инструмента (сварочного зеркала) здесь также описана подробно - в зависимости от материала трубы и толщины стенки. А не в виде широкого допустимого диапазона без пояснений.
В нашей стране нормам DVS тоже пока больше доверяют. Режимы стыковой сварки труб из ПЭ и ПП, регламентированные нормами DVS, соответствуют нашим нормативам, успешно применявшимся в течение десятилетий - ОСТ 6-19-505-79 и ВСН 003-88 и др.
В итоге европейские производители стыковых сварочных машин по умолчанию поставляют их со сварочными таблицами согласно нормам DVS, а российского потребителя это полностью устраивает.
Тем не менее, следует учитывать, что режимы стыковой сварки согласно ISO 21307 в Европе или согласно ГОСТ Р 55276 в России обладают не меньшей легитимностью, чем нормы DVS. И приводят в итоге к более-менее тому же результату, во всяком случае с точки зрения прочности и надежности сварного соединения. Осталось только понять, есть ли смысл отдавать им предпочтение и в каких случаях.
ГОСТ (и его прототип ISO) описывает 3 режима стыковой сварки – при единственном низком давлении, при двойном низком давлении, при единственном высоком давлении. Речь идет о давлении, создаваемом в материале свариваемых изделий на стадии формирования сварного шва и остывания. ГОСТ не дает разъяснения, в каких условиях какой из режимов предпочтителен. Некую ясность дает только пристальное изучение их особенностей.
8.1 Краткое сравнение режимов стыковой сварки
8.1.1 Первый режим – Сварка при единственном низком давлении
Этот режим стыковой сварки ПЭ труб можно назвать классическим, поскольку он очень близок к DVS 2207-1, ко всем другим национальным технологиям европейских стран, а также к режимам, когда-либо описанным в Российских нормативах. Возможно, поэтому его описание более, чем у других режимов сварки полиэтиленовых труб, пригодно для непосредственного использования сварщиком.
Существенные отличия от двух других режимов сварки, описанных в ГОСТ:
- По сравнению с третьим режимом стыковой сварки, первый режим может выполняться на более дешевом оборудовании. Поскольку регламентированное сварочное давление – всего 1,7 кгс/см 2 (в DVS 2207-1 похоже: 1,5 кгс/см 2) . Существенно ниже просто нельзя, иначе обеспечить прочность сварки уже будет нельзя ни удлинением времени, ни увеличением температуры нагревателя. Самое низкое сварочное давление обозначает, что нет необходимости в безумно прочном центраторе и чрезмерно мощном гидравлическом агрегате. Расплата за это – несколько большей продолжительностью цикла сварки стыкового соединения.
- По сравнению со вторым режимом стыковой сварки, первый режим требует длительного поддержания давления на фазе остывания. Это позволяет снизить температуру нагретого инструмента, уменьшить время нагрева, а главное – сократить общую продолжительность цикла сварки стыкового шва.
8.1.2 Второй режим – Сварка при двойном низком давлении
Этот режим стыковой сварки полиэтиленовых труб разработан для сварочных аппаратов, которые не только не могут обеспечить сварочное давление выше 1,5 кгс/см 2 , но даже такое давление могут поддерживать только в течение короткого времени.
Существенные отличия от двух других сварочных режимов, описанных в ГОСТ:
- По сравнению с третьим режимом стыковой сварки, второй режим не требует дорогостоящего оборудования, способного создавать высокое сварочное давление.
- По сравнению с первым режимом стыковой сварки, второй режим не требует длительного поддержания сварочного давления – всего лишь 10 сек в начале остывания. Для того чтобы такое непродолжительное сжатие обеспечивало удовлетворительную прочность шва, пришлось увеличить температуру нагретого инструмента и время нагрева.
По нашему мнению, второй режим стыковой сварки практической ценности не имеет по двум причинам: (1) за долгую практику продаж сварочного оборудования и изучения оборудования конкурентов нам не приходилось встречать аппаратов, не способных поддерживать давление в течение длительного времени, а главное (2) второй режим стыковой сварки и в ГОСТе, и в первоисточнике ISO 21307 описан противоречиво и вряд ли пригоден для практического применения. Поэтому далее рассматривать его не будем.
8.1.3 Третий режим – Сварка при единственном высоком давлении
Этот режим стыковой сварки полиэтиленовых труб сводит продолжительность сварки стыковых соединений к минимуму, не обращая внимания на повышенные требования к оборудованию. А производители оборудования – извольте соответствовать.
Существенные отличия от обоих других режимов стыковой сварки, описанных в ГОСТ:
- Третий режим сокращает чистое время сварочного процесса в 2.0-2.5 раза (см.п.8.3). И это безусловный плюс.
- Третий режим требует сварочное давление 4,2÷6,2 кгс/см 2 . Это в 3 раза выше, чем у первого режима. И в 3.5 раза выше, чем у DVS 2207-1. Это обстоятельство имеет две стороны медали. С одной стороны, для сварки большой трубы (близко к верхнему пределу рабочего диапазона сварочной машины) потребуется в разы более крепкий центратор и более мощный гидравлический агрегат. Другими словами, более дорогая машина. Но с другой стороны, при сварке маленькой трубы (близко к нижнему пределу рабочего диапазона сварочной машины или немножко ниже диапазона) третий режим оказывается настоящим спасением!
8.2 Сравнение параметров сварки ПЭ труб при низком и высоком давлении
8.2.1 Температура нагревателя
Температура T
нагретого инструмента имеет значение для двух фаз сварочного процесса – фаза 1 (оплавление) и фаза 2 (нагрев). Далее нагретый инструмент убирается из зоны сварки и больше в процессе не участвует.
Главное и единственное назначение нагретого инструмента – нагреть торцы труб.
График распределения температуры по оси трубы непрерывно изменяется в течение всего сварочного процесса. Нас сейчас интересует, какой будет температура свариваемых торцов в момент их касания после удаления нагретого инструмента (технологическая пауза).
8.2.3 Максимально допустимое время технологической паузы
Допустимая продолжительность t 3 технологической паузы ограничивается двумя основными процессами, происходящими с нагретым полимером на воздухе – остывание и окисление. Если не уложиться в регламентированное время, то торцы труб либо не слипнутся при сварочном давлении, либо тонкий слой материала в зоне шва будет окисленным, непрочным.
У горячего полиэтилена окисление сравнительно небольшое, ограничение времени технологической паузы определяется в основном процессом остывания – в отличие, например, от ПВХ , у которого основные разрушения приносит окисление. Таким образом, для полиэтилена максимально допустимое время технологической паузы определяется скоростью остывания (зависит от толщины стенки) и минимально допустимой итоговой температурой (зависит от дальнейшего сварочного давления).
Для первого режима стыковой сварки полиэтилена (низкое давление сварки) ГОСТ определяет максимальную продолжительность технологической паузы в секундах формулой 0,1 +4, для третьего режима (высокое давление сварки) – 0,1 +8.
DVS 2207-1 приводит максимальную продолжительность технологической паузы в виде таблицы, которую можно интерполировать похожей функцией с сохранением того же принципа: чем больше толщина стенки, тем больше допустимое время перестановки.
8.2.4 Величина сварочного давления
После нагрева и технологической паузы распределение температуры по оси трубы соответствует графику на рис.25. Где горячее, там материал больше подвергся термодеструкции. И после остывания будет менее прочным.
Как же не потерять прочность трубы при менее прочном материале? Выход один – увеличить толщину стенки трубы в этом месте.
 |
Если мысленно разбить трубу на участки очень малой длины (рис.29), то станет понятным, что каждый участок был нагрет до вполне определенной температуры, соответственно, претерпел вполне определенное ухудшение прочностных свойств в результате этого нагрева, и требует вполне определенного относительного увеличения толщины стенки для компенсации этого ухудшения. Чтобы достичь такого неравномерного увеличения толщины стенки, свариваемые трубы необходимо с усилием прижать друг к другу, пока нагретые слои не остыли. Тогда каждый участок трубы «расплющится» и увеличит толщину стенки тем больше, чем больше он был нагрет и чем большую термодеструкцию претерпел. Всё понятно, логично и целесообразно. С каким же усилием необходимо прижать трубы друг к другу, чтобы увеличение толщины стенки в каждом сечении компенсировало ухудшение прочностных свойств материала в этом сечении? Понятно, что величина относительного расширения зависит от сварочного давления. Т.е. при одинаковом нагреве режим стыковой сварки при высоком давлении даст большее увеличение толщины стенки, чем режим сварки при низком давлении. Однако следует помнить, что во время дальнейшего остывания полиэтилен сохраняет эластичность, которая снижается со снижением температуры. И после снятия сварочного давления достигнутое нами утолщение стенки несколько отыграет назад. Чем раньше снимем давление, тем сильнее отыграет. Подробнее об этом – в п.8.2.6 . |
|---|---|
| Рис. 29 Распределение нагрева |
Малое сварочное давление (1,5-1,7 кгс/см 2) рассчитано на то, что такое давление будет действовать, пока температура полиэтилена не снизится до 40-45°C.
А увеличение толщины стенки при сварочным давлении 4,2-6,2 кгс/см 2 будет гораздо больше. Тогда остывание под давлением можно закончить гораздо раньше, остаточного увеличения толщины стенки все равно будет достаточно.
8.2.5 Время осадки
По истечении технологической паузы сварочное давление достигается не мгновенно, а занимает некоторое время, называемое фазой осадки, или фазой подъема давления. Хотя бы потому, что ни один привод не способен выполнить такую работу мгновенно. Но есть и другая причина.
Снова рассмотрим график распределение температуры в момент касания труб после технологической паузы (рис.25). Как видим, тонкий слой материала находится в вязко-текучем состоянии, т.е. имеет температуру выше T ВТ . Это необходимое условие, мы к этому специально стремились, иначе торцы труб не слипнутся при контакте.
Если мы теперь резко создадим сварочное давление, в этом тонком слое будет особенно сильное течение выдавливаемого материала. Это течение материала бессмысленно увеличит наружный и внутренний грат, что, в частности, снизит проходимость трубопровода в месте стыкового сварного шва (рис.30).
Но главная проблема – в другом. Направленное течение термопласта в тонком зазоре приведет к последующей направленной кристализации полиэтилена, что снизит прочность трубопровода на разрыв вдоль оси трубы.
Короче говоря, нельзя допустить выраженного течения материала в тонком зазоре. А это значит, что полное сварочное давление можно применять только когда немного остынет наш самый горячий тонкий слой материала. А именно, когда он успеет отдать часть тепла соседним слоям материала (рис.31).
На это перераспределение тепла уходят считанные секунды. Очевидно, что чем больше толщина стенки трубы и, соответственно, чем больше глубина прогрева торцов и чем толще слой вязко-текучего материала, тем это перераспределение тепла занимает больше времени. Для первого режима сварки полиэтиленовых труб (низкое давление сварки) ГОСТ Р ИСО 55276 определяет его в секундах формулой 0,4 +2.
Однако есть противоположная опасность. Если сварочное напряжение создать с большой задержкой, его величина может оказаться недостаточной для утолщения остывшей стенки. И эта опасность страшнее возможного увеличения грата и направленной кристаллизации. Поэтому ГОСТ называет указанное время осадки «максимальным».
8.2.6 Время остывания
Когда мы сжимаем трубы на фазе 4 (осадка) силой F 5 и поддерживаем созданное сварочное давление в течение фазы 5 (остывание), характер деформации материала в зоне нагрева – одновременно пластический (необратимый) и эластический (обратимый). Под воздействием сварочного давления стенка трубы утолщается, продолжая упруго сопротивляться силе F 5 .
Если в какой-то момент мы уберем сжимающую силу F 5 , наша деформация заметно вернется назад (рис.32).
Чем позже мы уберем усилие прижима, тем меньше вернется назад наша деформация. Объясняется это просто. По мере остывания термопласта силы Ван-дер-Ваальса, действующие между звеньями соседних макромолекул, начинают преобладать на силами теплового колебания звеньев. Можно упрощенно сказать, что материал твердеет в том положении, в котором его насильно удерживают.
До какой же температуры необходимо остудить материал, чтобы можно было убрать сжимающую силу F 5 и не бояться, что деформация вернется назад слишком сильно? Все зависит от того, насколько большая деформация была создана вначале, т.е. какое сварочное давление ее вызвало. Если увеличение толщины стенок изначально было создано низким сварочным давлением (1,5-1,7 кгс/см 2), то запаса практически нет, остужать придется до температуры 40-45°C. Для первого режима сварки полиэтиленовых труб (низкое давление сварки) ГОСТ определяет минимально допустимое время остывания в минутах формулой +3.
А если изначально увеличение толщины стенок было вызвано высоким сварочным давлением (4,2-6,2 кгс/см 2), то, согласно ГОСТ, остывание под давлением можно закончить через (0,43) минут, остаточное утолщение стенки все равно будет достаточным для компенсации термодеструкции, возможного несовпадения стенок труб и возможных ошибок оператора. Вот откуда берется экономия времени у третьего сварочного режима.
Далее общее правило для любых сварочных режимов: ни в коем случае нельзя пытаться ускорить процесс остывания, поливая зону сварного соединения водой, или другими методами. Это приведет к созданию внутренних напряжений в материале и, в результате, к общему ослаблению сварного соединения. Чтобы наглядно проиллюстрировать, как это работает, возьмем горячую полиэтиленовую пластину и мысленно разобьем ее на 2 слоя – верхний и нижний (рис.33). Если мы теперь сверху польем пластину водой, верхний слой быстро остынет. Поскольку полимеры имеют высокий коэффициент температурного расширения, верхний слой при остывании уменьшится в размерах. Нижний слой пока горячий и мягкий, он мало препятствует сокращению размеров наружного слоя; вместо этого он сам без особого сопротивления уменьшает свою длину и увеличивает толщину. Поэтому пластина выгнется вниз совсем незначительно.
Теперь начинает остывать нижний слой. При остывании он также стремится уменьшить все свои размеры. Однако остывший твердый верхний слой упруго сопротивляется уменьшению длины. В результате пластина очень заметно выгнется вверх.
А вот у стенки трубы (в т.ч. в зоне сварного шва) нет возможности выгнуться. В случае охлаждения водой она сохранит форму, но внутренний слой будет растянут, как пружина. Это сильно ослабляет стенку трубы. Правда, справедливости ради следует сказать, что в полиэтилене внутренние напряжения исчезают очень быстро. Через 2-3 года от них не останется и следа. Если только за это время давление воды (или газа) внутри трубы не порвет наш сварной шов, ослабленный внутренними напряжениями.
8.2.7 Давление оплавления; высота первичного валика
Теперь вернемся к началу сварочного процесса.
Когда торец трубы впервые касается сварочного зеркала, необходимо как можно скорее достичь полного теплового контакта между поверхностями торца трубы и сварочного зеркала. Единственный способ сделать это – прижать трубу к сварочному зеркалу со значительным усилием, чтобы оплавляемый материал начал течь и вытеснять воздух из пустот. При этом некоторое количество расплавленного материала выдавливается по всему периметру торца трубы в виде наружного и внутреннего грата, что является наглядным свидетельством «подгонки» поверхности торца трубы к поверхности сварочного зеркала (рис.18).
Давно разработанные режимы стыковой сварки (в т.ч. DVS) были придирчивы к форме получившегося первичного валика, по этой форме косвенно определялось давление, при котором он был создан. Первичный валик в форме острого лепестка (рис.34) свидетельствовал о слишком высоком давлении на первой фазе сварки и считался ошибкой.
Действительно, старые одномодальные марки полиэтилена вели себя именно так, а острый лепесток, теоретически, создавал «концентратор напряжений» во внутреннем углу. Однако современные би- и полимодальные марки полиэтилена отличаются плавной термомеханической кривой, их текучесть более плавно увеличивается с ростом температуры и давления. Форма первичного валика при давлении, явно превышающем 1,5-1,7 кгс/см 2 , может быть самой неожиданной, от капли до плоского столбика. В результате форму первичного валика оставили в покое, а вместе с этим любое давление на фазе оплавления торцов перестали считать ошибкой.
Теперь логика при выборе давления оплавления – следующая. Маленькое давление нежелательно, иначе формирование первичного валика займет слишком много времени. Кроме того, с точки зрения удобства управления сварочным аппаратом, проще перед началом сварки стыкового шва один раз настроить регулировочный клапан на определенное сварочное давление, и затем использовать это давление как при оплавлении торцов, так и при формировании сварного шва.
Интересно, что для третьего режима стыковой сварки (высокое сварочное давление) размер первичного валика в ГОСТе не определен. Зато определен (опять же, в миллиметрах) размер валика, который должен получиться по окончании нагрева: 0,15 +1. Это одна из причин, по которым сварщик не может непосредственно использовать описание режима стыковой сварки при высоком давлении – невозможно понять, при каком первичном валике закончить оплавление (сбросить давление), чтобы по окончании нагрева получить валик предписанного размера. Можно сделать предположение, что при нагреве размер валика увеличивается незначительно, и ориентироваться на указанный размер вторичного валика уже при оплавлении. Однако оставим это разработчикам технологических карт сварки полиэтиленовых труб.
8.2.8 Давление нагрева
Главная задача фазы нагрева – прогреть торцы труб на нужную глубину. Это значит, что давление нагрева должно быть достаточно малым, чтобы размер валика больше не увеличивался. В теории – давление должно быть нулевым.
Но это только в теории. При практическом применении нулевое давление нагрева может привести к нечаянной потере контакта между торцом трубы и нагревателем. Особенно если давление перемещения мало и/или если давление перемещения определяется не трением (или не только трением), а сползанием трубы с наклонного склона.
Теоретическая часть описания обеих процедур в ГОСТ рекомендует давление нагрева в диапазоне от 0 до давления перемещения. Однако пример, приведенный ниже в ГОСТ, устанавливает давление нагрева на уровне 0,25 кгс/см 2 сверх давления перемещения, и такая величина пригодна для практического применения.
8.3 Сравнение длительности сварки при низком и высоком давлении
Для оценки выигрыша во времени сварки полиэтиленовых труб, который обеспечивает третий режим стыковой сварки (при высоком давлении) по сравнению с первым режимом (при низком давлении) попробуем сравнить время сварки при разных режимах для труб с одинаковой толщиной стенки.
При этом не учитываем время оплавления, время технологической паузы и время осадки. Эти времена малы и не до конца определены. А главное – они вносят разнонаправленный «довесок» в общую продолжительность сварки (оплавление короче при высоком давлении, а технологическая пауза и осадка короче при низком давлении), поэтому для грубого сравнения двух процедур ими можно пренебречь.
|
Сварочный процесс |
Толщина стенки |
Время нагрева |
Время остывания |
Общее время |
|---|---|---|---|---|
|
Низкое давление | ||||
|
Высокое давление | ||||
|
Низкое давление | ||||
|
Высокое давление | ||||
|
Низкое давление | ||||
|
Высокое давление |
Видим, что для труб с малой толщиной стенки режим стыковой сварки при высоком давлении дает выигрыш времени сварки стыка более чем в 2,5 раза. Для средних толщин – примерно в 2 раза. Для больших толщин – чуть менее, чем в 2 раза.
Это только чистое время сварки стыка полиэтиленовых труб. Если учесть время подготовки к сварке стыка – фиксацию труб, торцовку, проверку соосности и пр. – мы, тем не менее, получим оценочную разницу времени в 1,3-1,6 раза. Другими словами, там, где традиционная технология стыковой сварки может сделать 10 стыков в день, процедура сварки при высоком давлении может сделать 13-16 стыков.
ВЫВОД: Принимая во внимание, что стоимость оборудования для стыковой сварки по традиционной технологии и аналогичного оборудования для сварки при высоком давлении отличается примерно в 1,2-1,3 раза, сварка при высоком давлении имеет прямой смысл.
Есть еще мнение, что высокое сварочное давление позволит справиться с «капризами» нестекающих марок полиэтилена. Однако это пока только гипотеза.
ВНИМАНИЕ! Мы привыкли к тому, что по окончании сварки по традиционной технологии (при низком давлении) сварной шов уже остыл до 40-45°C и не боится физических нагрузок. При использовании третьего сварочного режима (при высоком давлении) следует помнить, что по окончании остывания под давлением зона сварки еще довольно горячая, поэтому трубопровод после извлечения из центратора еще некоторое время требует аккуратного обращения.
Годовой (с весны 2014г.) опыт продаж оборудования для сварки полиэтиленовых труб при высоком сварочном давлении показал, что Российские потребители не спешат массово переходить на него, а по-прежнему предпочитают машины для стыковой сварки по традиционной технологии . Автор видит для этого две возможные причины:
- Режим стыковой сварки при высоком сварочном давлении разработан только для труб из полиэтилена, в то время как для стыковой сварки полипропиленовых, ПВДФ и ПБ труб самыми популярными по-прежнему остаются режимы сварки DVS с низким сварочным давлением. И реализация этих сварочных режимов неудобна на машинах с избыточно мощной гидравликой.
- В любом ответственном деле новшества воспринимаются с осторожностью. В основном из-за недостатка информации.
Чтобы устраиваемые коммуникации, выполненные из пластиковых материалов, служили долго, очень важно правильно определиться с температурой пайки полипропиленовых элементов. При устройстве разводок трубопроводов водяных магистралей и отопления на основе полипропилена очень важно в точности выдержать необходимые температурные и временные значения при проведении работ по сварке труб. Если будут допущены отклонения от рекомендованных показателей, то существует риск образования повреждения на участках соединения. Другим негативным следствием этого может стать ухудшение циркуляции жидкости по трубам.
Подбор видов пайки
При работе с трубами сечением до 63 мм
чаще всего выбор останавливают на методе пайки, предусматривающем использование таких элементов, как муфты и раструбы. Примечательно, что в обоих случаях обязательным является применение такого дополнительного компонента, как муфты. Если соединяемые элементы превышают в диаметре 63 мм, то чаще всего используют стыковой метод.
Если значение диаметра не превышает 40 мм, то такие трубы сваривают с применением электросварочного портативного агрегата. Если сечение конструкции превышает 49 мм, то работы по соединению элементов проводят с применением прибора, имеющего центрическую конструкцию.
При соединении полимерных элементов применяют метод нагрева, осуществляемый при помощи насадок сварного агрегата.
Если выбор был остановлен на раструбном методе, то вначале необходимо провести подготовительные мероприятия:
Недопустимым считается, если при соединении электрических изделий температура наружного воздуха не соответствует оптимальному режиму . Этому моменту необходимо уделить особое внимание. Если в летний период и на улице наблюдается сильный зной, то необходимо снизить продолжительность нагрева компонентов. В обратной ситуации, когда температура наружного воздуха является пониженной, то нагревать соединяемые элементы следует дольше обычного. Чтобы определиться с подходящей температурой для сварки труб, важно принимать во внимание все нюансы.
К первой сварке приступают по истечении 5 минут с момента, когда сварочный агрегат был включён для разогрева. В то же время, когда очередной процесс сварки с использованием электросварочного агрегата будет завершён, необходимо удалить с его рабочих поверхностей частицы пластика.
Влияние температуры на процесс муфтовой стыковки ПП труб и фитингов
Если говорить об особенностях соединения полипропиленовых труб, то обязательной процедурой, которая предваряет пайку, является нагрев элементов до определенной температуры. Соблюдение этого условия позволяет придать пластическим массам стыкуемых элементов достаточную эластичность. Закончив работу по пайке полипропиленовых труб, можно наблюдать такое явление, как диффузия молекул полипропилена . Иными словами, структура сваренных элементов изменяется на молекулярном уровне, поэтому после отвердевания материала пластические массы на участке стыка обретают крепкие связи.
Выбранный температурный режим является одним из ключевых факторов, от которого зависит прочность соединяемых поверхностей полипропиленовых труб. Если температура нагрева оказалась недостаточной, что чаще всего это заканчивается тем, что в процессе пайки не удается обеспечить достаточный диффузионный процесс. В результате молекулы тела трубы и фитинги не состоянии добраться до сопрягаемых участков, что негативным образом сказывается на качестве соединения. Под воздействием нагрузок пайка разрушается или же через короткий промежуток времени в используемой конструкции наблюдается течь.
Если же соединяемые элементы будут перекрыты, то можно столкнуться с критической деформацией тела элементов . На фоне этого сваренные детали лишаются своей геометрии или может образоваться наплыв чрезмерного валика во внутреннем сечении. Следствием этого становится уменьшение диаметра внутреннего отверстия изделия на участке сварки.
Особенности подбора температуры
При работе с полипропиленовыми трубами важно в области стыковки обеспечить нагрев до уровня 255-265 градусов Цельсия. При выборе температурного режима необходимо обращать внимание и на ряд дополнительных параметров:
- диаметр;
- температура окружающей среды;
- продолжительность нагрева.
На практике удается наблюдать прямую зависимость между диаметром соединяемых элементов и продолжительностью их разогрева.
Особое внимание необходимо уделять увеличению температуры наружного воздуха. Это связано с тем, что при проведении монтажных работ обязательно образуются небольшие перерывы, связанные с необходимостью извлечения элементов от нагревательного сварочного агрегата и выполнения их муфтовой стыковки. Чтобы свести к минимуму эффект, вызываемый остыванием при низких температурах изделия, желательно подвергать конструкции из полипропилена нагреву в течение более длительного времени. В качестве рекомендуемого промежутка следует выбирать 2-3 секунды, причем в отдельных случаях этот вопрос решается опытным путем.
Также необходимо быть очень осторожным при выборе для нагревательного устройства температурного режима выше отметки 270 градусов Цельсия на фоне относительно небольшого периода нагрева. При пайке полипропиленовых труб с такими параметрами возникает риск того, что верхние слои материала буквально через мгновение разогреются до высоких температур, а при этом основное тело будет прогрето недостаточно. Выполнение стыковки в подобных условиях может привести к образованию чересчур тонкой прозрачной пленки.
Инструкции нагрева, значение времени воздействия
Решая вопрос с параметрами нагрева соединяемых полипропиленовых труб, необходимо обращать внимание на диаметры деталей, которые можно узнать из соответствующей таблицы. Причем в зависимости от того, какие размеры имеет полипропиленовая труба, необходимо менять продолжительность нагрева, оставляя неизменной заранее выбранную температуру на нагревательном элементе. Чтобы обеспечить высокую надежность муфтового стыка, необходимо соблюдать следующие критерии:
- продолжительность нагрева;
- время, в течение которого должен быть зафиксирован стык;
- продолжительность паузы, по истечении которой допускается продолжить операцию по сварке соединяемых элементов.
Факторы, способные повлиять на качество работ
Среди нюансов, которые необходимо учитывать при создании сварного соединения полипропиленовых труб, следует выделить необходимость изготовления сварочного пояса, который должен иметь оптимальную длину. Чаще всего он имеет тот же размер, что и глубина цилиндрических насадок
, которые используются на нагревательном элементе сварочного оборудования. Чтобы обеспечить необходимый размер стыка, необходимо основательно закрепить полипропиленовую трубу на теле элемента.
В тех случаях, когда сварка выполняется в условиях отрицательных температур, желательно использовать теплый материал, для чего его перед проведением работ следует подержать в теплом помещении в течение некоторого времени.
Перед проведением работ сварочный агрегат необходимо прогреть до температуры 283 градусов Цельсия, причем точный режим определяется с учетом температуры окружающей среды. Действуя подобным образом, можно предотвратить возникновение значительных потерь тепла в момент, когда соединяемый элемент будет доставляться от аппарата к участку, где должно быть выполнено соединение. Для определения оптимальной величины нагрева и его продолжительности проводят предварительный нагрев , каждый раз корректируя указанные показатели на одну - две секунды.
Некоторые особенности выдержки теплового режима
Во время разработки проекта полипропиленового трубопровода нужно учесть особенности последующего пошагового монтажа. Нежелательно размещать сварочное оборудование слишком далеко от места, где будет создаваться соединение с участием нагреваемых элементов. В некоторых случаях могут быть допущены ошибки, из-за которых сложно обеспечить непосредственный доступ к месту сварки.
В подобном случае не остается ничего другого, как производить нагрев элементов на большом расстоянии от аппарата . Все это приводит к появлению потерь тепла в тот момент, когда свариваемые элементы доставляются к месту их соединения, где приходится тратить время на точное размещение на участке муфтового стыка. Если пренебречь этими нюансами, то часто не удается обеспечить достаточную прочность шву.
Если сварка будет осуществляться не в том порядке, то следствием этого станет невозможность создания завершающего стыка. Подобное может случиться из-за того, что между элементами недостаточно пространства, чтобы вставить туда нагревательный элемент. В подобных ситуациях следует избегать деформации места на трубопроводе, чтобы добиться большей ширины зазора . Решив создать более удобные условия для размещения аппарата на участке будущего стыка, можно ухудшить привлекательный вид коммуникаций, а вдобавок к этому есть вероятность возникновения статического напряжения отдельных участков системы.
Заключение
Процесс сварки полипропиленовых труб предусматривает множество нюансов, среди которых одним из главных является правильный выбор температуры нагрева свариваемых элементов. Необходимо помнить, что продолжительность нагрева может не только повлиять на качество соединения, но и изменить внешний вид самой инженерной системы. По этой причине важно уделить внимание всем особенностям, которые должны быть учтены при проведении пайки элементов трубопровода.
Причем выбранная температура зависит не только от размеров свариваемых элементов, но и от условий, в которых будут выполняться работы по пайке изделий. Пренебрежение одним и тем более несколькими нюансами может негативно повлиять на работы всей системы. Причем в некоторых случаях это может даже привести к появлению аварийных ситуаций.
Сварка встык нагретым инструментом заключается в нагревании свариваемых торцов труб или деталей до вязкотекучего состояния полиэтилена при непосредственном контакте с нагретым инструментом ипоследующем соединении торцов под давлением осадки после удаления инструмента.
Основными параметрами процесса сварки встык являются:
– температура нагретого инструмента Т н;
– продолжительность оплавления t оп и нагрева t н;
– давление нагретого инструмента на торцы при оплавлении Р оп и нагреве Р н;
– продолжительность технологической паузы между окончанием нагрева и началом осадки t п;
– давление на торцы при осадке Р ос;
– время охлаждения сваренного стыка под давлением осадки t охл.;
Для машин со средней и высокой степенью автоматизации дополнительным нормируемым параметром может являться время нарастания давления осадки t Д
Изменение величины параметров по времени в процессе сварки производят по циклограмме, рис.7.
Технологические параметры сварки выбирают по таблицам 1 – 4 в соответствии с маркой полиэтилена, из которого изготовлены трубы и детали.
Температуру рабочей поверхности нагретого инструмента выбирают по таблице 4 взависимости от материала свариваемых труб (ПЭ 80, ПЭ 100).
Продолжительность оплавления t оп. , как правило, не нормируется и зависит от появления первичного грата.
Оплавление и нагрев торцов свариваемых труб и деталей осуществляют одновременно (синхронно) посредством их контакта с поверхностями нагретого инструмента.
Оплавление торцов необходимо выполнять при давлении
Р оп = 0,2 ± 0,02
МПа
(2,0±
0,2 кгс/см 2), в течение времени t оп достаточного для образования по всему периметру, контактирующих с нагревателем торцов труб валиков расплавленного материала (первичного грата) высотой не менее:
– 1,0 мм при толщине стенки труб от 5 до 10 мм;
– 1,5 мм при толщине стенки труб от 10 до 12 мм;
– 2,0 мм при толщине стенки труб от 12 до 20 мм;
– 2,5 мм при толщине стенки труб от 20 до 26 мм;
– 3,0 мм при толщине стенки туб от 26 до35 мм.
После появления первичного грата давление необходимо снижать до Р н = (0,02±0,01) МПа (0,2±0,1 кгс/см 2) и торцы нагревать в течение времени t н, которое в зависимости от сортамента (толщины стенки) труб, температуры окружающего воздуха Т о следует выбирать по табл. 5.
Таблица 4.
Температура рабочей поверхности нагретого инструмента, ºС
Таблица 5.
Время нагрева торцов труб t н, с, из ПЭ80 и ПЭ100
| Температура окружающего воздуха Т о, ºС и время прогрева, с | ||||
| От минус 15 до 0 | От 0 до 20 | От 20 до 45 | ||
| SDR 11 | 63х5,8-75х6,8 | 75-110 | 60-105 | 50-.95 |
| 90х8,-110х10,0 | 100-140 | 85-140 | 70-125 | |
| 125х11,4-140х12,7 | 120-170 | 100-165 | 80-150 | |
| 160х14,6-180х16,4 | 155-210 | 135-200 | 105-185 | |
| 200х18,2-225х20,5 | 190-260 | 160-250 | 125-225 | |
| 250х22,7-315х28,6 | 250-360 | 225-350 | 210-310 | |
| SDR 17,6 | 90х5,2-110х6,3 | 70-105 | 55-100 | 45-90 |
| 125х7,1-140х8,0 | 95-125 | 80-120 | 60-110 | |
| 160х9,1-180х10,3 | 105-140 | 90-140 | 70-125 | |
| 200х11,4-225х12,8 | 120-170 | 100-165 | 80-150 | |
| 250х14,27-315х18,5 | 135-200 | 115-190 | 90-180 |
Допускается давление Р н снижать до минимума при сохранении постоянства контакта торцов труб (деталей) с нагретым инструментом.
Продолжительность технологической паузы, необходимой для удаления нагретого инструмента, должна быть минимальной, не более:
– 3 с – для труб Ø 63 мм;
– 4 с - для труб от Ø 90 до 140мм;
– 5 с - для труб от Ø 140 до 250мм;
6 с – для труб от Ø 250 до 315 мм.
После удаления нагретого инструмента торцы труб или труб идеталей сводят и производят осадку стыка при давлении Р ос = (0,2±0,02) МПа (2,0±0,02 кгс/см 2). Осадку стыка необходимо осуществлять плавным увеличением давления до заданного уровня. Время нарастания давления осадки t д, с, для труб из ПЭ 80, ПЭ 100, следует принимать по табл.6.
Охлаждение стыка необходимо производить под давлением осадки в течение времени t охл. , величина которого принимается по табл. 7. в зависимости от толщины стенки свариваемых труб и деталей и температуры окружающего воздухе Т о.
Таблица 6.
Время нарастания давления осадки t д, с, для труб из ПЭ80, ПЭ100
| Сортамент свариваемых труб по ГОСТ Р 50838 | Времяt д, с | |
| Стандартное размерное отношение | Диаметр и толщина стенки трубы, мм | |
| SDR 11 | 63х5,8-75х6,8 | 3-7 |
| 90х8,2-110х10,0 | 4-8 | |
| 125х11,4-140х12,7 | 4-11 | |
| 160х14,6-180х16,4 | 6-12 | |
| 200х18,2-225х20,5 | 8-14 | |
| 250х22,7-315х28,6 | 10-16 | |
| SDR 17,6 | 90х5,2-110х6,3 | 3-6 |
| 125х7,1-140х8,0 | 4-7 | |
| 160х9,1-180х10,3 | 4-8 | |
| 200х11,4-225х12,8 | 5-10 | |
| 250х14,27-315х18,5 | 8-12 |
Таблица 7.
Время охлаждения стыка t охл., мин, не менее, для труб из ПЭ80 и ПЭ100
| Сортамент свариваемых труб по ГОСТ Р 50838 | Температура окружающего воздуха Т о, ºС, и время прогрева, с | |||
| Стандартное размерное отношение | Диаметр и толщина стенки трубы, мм | От минус 15 до 0 | От 0 до 20 | От 20 до 45 |
| SDR 11 | 63х5,8--75х6,8 | 4-5 | 5 -6 | 6-7 |
| 90х8,2--110х10,0 | 6-7 | 7-8 | 8-9 | |
| 125х11,4--140х12,7 | 8-11 | 10-13 | 12-15 | |
| 160х14,6--180х16,4 | 11-14 | 13-16 | 15-18 | |
| 200х18,2--225х20,5 | 16-21 | 18-23 | 20-25 | |
| 250х22,7--315х28,6 | 24--30 | 26-.32 | 28-36 | |
| SDR 17,6 | 90х5,2--110х6,3 | 4-5 | 5-6 | 6-7 |
| 125х7,1--140х8,0 | 5-6 | 6-7 | 8-9 | |
| 160х9,1--180х10,3 | 8-10 | 9-12 | 10-12 | |
| 200х11,4--225х12,8 | 10-11 | 11-13 | 13-15 | |
| 250х14,27--315х18,5 | 18-22 | 19-24 | 21-28 |
С целью повышения точности поддержания заданных давлений (Р оп., Р н, Р ос) в процессе сварки необходимо учитывать потери на трение движущихся частей сварочной машины иперемещаемой при сварке трубы (секции). Для этого перед сваркой каждого стыка производят замер усилия при холостом ходе подвижного зажима центратора машины с закреплённой в нем трубой (секцией), которое суммируют с усилием, необходимым для создания заданных давлений (Р оп., Р н, Р ос).
При сварке нагретым инструментом рабочие поверхности нагревателя покрывают антиадгезионным слоем, препятствующим налипанию расплава на инструмент.
Параметры циклограммы процесса (рисунок 7) и режимы сварки (таблицы 4 – 7) труб различного сортамента соблюдаются сварочной машиной с высокой степенью автоматизации автоматически, со средней степенью автоматизации – часть параметров выполняется в ручном режиме, в ручных сварочных машинах автоматически поддерживается только температура нагревательного инструмента.
Маркировку сварных стыков (код оператора) производят несмываемым карандашом - маркером яркого цвета (например: белого или желтого – для черных труб, черного и голубого - для желтых труб).
Маркировку (номер стыка и код оператора) наносят рядом со стыком со стороны, ближайшей заводской маркировке труб.
Допускается маркировку (код оператора) производить клеймом на горячем расплаве грата через 20-40 с после окончания операции осадки в процессе охлаждения стыка в зажимах центратора сварочной машины в двух диаметрально противоположных точках. Рекомендуется использовать клейма типа ПУ-6 или ПУ-8 по ГОСТ 2930.
При выполнении работ проводить систематический операционный контроль качества сборки под сварку и режимов сварки;
Подготовка к работе и порядок работы. На месте производства работ свариваемые трубы зафиксировать в неподвижном и подвижном зажимах сварочного блока. Концы должны выступать от 15-20 мм. Детали фасонного профиля, переходы и втулки фиксируются только в подвижном зажиме, вспециальных вкладышах, которые поставляются со сварочным блоком и устанавливаются взамен вкладышей 14. (рис. 4). При переходе от трубы большегодиаметра к меньшему, переходную втулку предварительно приварить к трубеменьшего диаметра. На штоки цилиндров установить торцовочное устройствоизафиксировать. Ручкой 10 (рис. 4) плотно поджать к торцовочному устройствуторцы закрепленных труб. Поворотом рукоятки торцовочного устройства производится подрезка торцов обеих труб. Одновременно с торцовкой труб производится нагрев нагревателя (поверхности нагревателя должны бытьочищены от наплавлений скребком).
Контроль температуры его нагрева осуществляется автоматически. Индикатор находится в нагревателе до тех пор, пока на его шкале стрелка не остановит в пределах отмеченного сектора, при этом для труб из полиэтилена средней плотности ПСП стрелка должна находиться в начале сектора (TH-230-240º С), а для труб из полиэтилена высокой плотности ПВП в конце сектора (ТН-250-260º С). После определения температуры, индикатор вынимается из отверстия нагревателя и вставляется в скобу, предусмотренную на кожухе горелки. Затем нагреватель устанавливается в зазор между обработанными торцами изделий. Перемещением подвижного зажима вручную с помощью механизма ручного перемещения производится прижим торцов к плоскостям нагревателя.
Кран гидросистемы перекрывается и насосом создается требуемое давление. После оплавления торцов быстро сбрасывается давление в гидросистеме и насосом создается давление, необходимое для прогрева. После прогрева снова сбрасывается давление. Для этого необходимо открыть кран 19 (рис. 4) и убрать нагреватель. Трубы быстро с помощью ручного привода сводятся до соприкосновения, кран закрывается и насосом 11 создается необходимое давление.
Контроль давления осуществляется по манометру с предельными отклонениями 20%. Показания манометра должны складываться из двух величин по формуле:
Р раб = Р расч + Р хол. хода
где Р раб. – рабочее давление, кгс/см 2 ; Р расч – давление, необходимое для создания усилия прижима свариваемых поверхностей при оплавлении, прогреве или осадке материала, кгс/см 2 . Оно выбирается в зависимости от диаметра и типа свариваемых труб по таблице 4.
Р хол. хода – давление в системе, необходимое для преодоления сил трения в подвижном зажиме (усилие холостого хода), кгс/см 2 . Оно определяется через 200 часов работы установки, т.к. эта величина зависит от состояния трущихся поверхностей.
Трубы после сварки должны быть выдержаны в зажимах сварочного блока в течение 5-7 минут для охлаждения, после чего трубы освобождаются из зажимов и установка передвигается к месту сварки нового стыка. Допускается торцовку труб производить следующим образом. При помощи гидравлической системы подвести концы труб к торцовочному устройству, обеспечив оптимальный прижим для снятия стружки, торцовку производить до прекращения выхода стружки. При необходимости поджим концов труб к торцовочному устройству повторить и вновь произвести торцовку.
Оборудование и материалы
1. Установка для сварки нагретым инструментом, принципиальная схема которой представлена на рис.4.
2. Заготовки из труб термопласта размером 63×5,8 мм(один из материалов – полиэтилен, винипласт, оргстекло) – 10 шт.
3. Машина для испытания на растяжение усилием до 15000 Н, оснащенная специальными захватами.
4. Инструмент для изготовления образцов: шаблон, чертилка, ножовка, полукруглый напильник, штангенциркуль, шабер.
Порядок выполнения работы
1. Ознакомиться с инструкцией по работе с установкой мобильной для сварки полиэтиленовых труб.
2. Произвести опытную сварку одной заготовки с целью проверки работы установки и получения навыка настройки ее на определенный режим.
3. Провести маркировку и замеры свариваемых сечений для подсчета необходимой величины усилий во время сварки. Данные занести в табл. 8.
4. Сварить заготовки при четырех-пяти различных значениях одного из параметров и неизменной величине остальных (по указанию преподавателя).
При креплении труб в хомутах обращать внимание на правильность установки заготовок. Смещения кромок не допускать.
5. После охлаждения сварного шва (время охлаждения не менее 1 мин)освободить заготовки от верхних зажимов, отвести подвижный хомут в исходное положение и снять заготовку с установки.
6. Провести визуальный контроль полученного сварного соединения.Критерии оценки внешнего вида соединений, выполненных нагретым инструментом встык, приведены в таблице 26 приложения А.
Таблица 8
Результаты измерений
| № пп. | Материал заготовок | Размеры заготовок до сварки | Режим сварки | Разрывное усилие, Н | Предел прочности при растяжении, МПа | Относительная прочность, % | Характер разрушения | Форма и размер грата, мм | |||||||||
| Ширина | Высота | ||||||||||||||||
| Толщина, см | Средний диаметр, см | Площадь, см 2 | Температура инструмента, ºС | Время, с | Давление, МПа | ||||||||||||
| Оплавления | Нагрева | Оплавления 0,2±0,02 | Нагрева 0,02±0,01 | ||||||||||||||
Вопросы для самопроверки:
1.Назовите разновидности стыковой сварки термопластов нагретым инструментом?
2. Составные части установки для сварки полиэтиленовых труб?
3.Назовите основные параметры процесса сварки встык?
4.Циклограмма процесса сварки встык нагретым инструментом труб из полиэтилена?
5. В зависимости от чего выбирают температуру рабочей поверхности нагретого инструмента?
6. От каких факторов зависит время нагрева торцов труб при сварке НИ?
7. От каких факторов зависит время охлаждения стыка?
8. Что такое технологическая пауза?
9. От каких факторов зависит время технологической паузы?
10. Какую величину составляет давление при оплавлении торцов труб?
11. Что называют гратом?
12. Какой высоты должны быть валики первичного грата при толщине стенки труб от 10 до 12 мм?