Основни познания за заваряване на полиетилен (част 1); UNITRACC - Обучение за подземна инфраструктура

Тази статия е първата част от поредица статии от три части за материала полиетилен, които ни е позволено да публикуваме с любезното разрешение на bbr - специализирано списание за кладенец и тръбна конструкция. Тази статия се появи в bbr 5/05. Първата част е за заваряване на полиетилен.

Заваряване на пластмаса

Заваряването на тръби и части от тръбопроводи, изработени от полиетилен с помощта на челно заваряване с нагревателен елемент или електрофузионно заваряване, е установен процес от много години. На практика обаче повредите се появяват отново и отново, което показва, че липсват елементарни основни познания за разбиране на процеса на заваряване или че се обръща и прилага твърде малко внимание. Целта на тази първа част е да демонстрира основните заваръчни връзки за практикуващия.

Полиетиленът е един от термопластите, т.е. към пластмасите, които се топят (пластифицират) при нагряване и отново се втвърдяват при охлаждане. В основната си структура полиетиленът се състои от дълги вериги, така наречените макромолекули, които са съставени от същите основни градивни елементи (етилен). Той има частично кристална структура (неподредени и подредени области между молекулните вериги) (Tab. 1 + Фиг. 1a - b). По-подробно описание на структурата и произтичащите от това свойства са дадени във втората част на тази серия.

Какво е заваряване?

По принцип, при заваряване на термопластични материали, пластифицираните свързващи партньори се обединяват под натиска, за да образуват материална връзка. Тук решаваща роля играят поточните процеси по време на заваряване (фиг. 2). В специализираната литература има няколко теории за заваряването, но всяка от тях описва само някои от явленията, които се случват. Има напр. адсорбцията, дифузията, теорията за минималния дебит и теорията за вискоеластичния контакт [4]. По много опростен начин можете да си представите заваряването на полиетилен, сякаш слагате прясно приготвени спагети върху чиния. Спагетите са диво преплетени и когато са топли, съответстват на термопластичния диапазон.

температурата на заваряване,
силата на заваряване и
времената на заваряване.

И трите размера са характерни за всеки заваряем термопластмаса и трябва да бъдат в определени граници на толеранс. Ако само една от тези три влияещи променливи е извън тези допустими отклонения, качеството на заваръчния шев е основно под въпрос. Следователно спазването на влияещите променливи, посочени в насоките на DVS, е елементарно за качеството на заваръчния шев. За материала полиетилен (PE) те са посочени в насоката DVS 2207-1 за заваръчните процеси с нагряване на челни елементи (HS), електрофузионно заваряване (HM) и заваряване с нагревателни елементи (HD). Насоките на DVS са създадени от Германската асоциация за заваряване и съюзни процеси (DVS), Дюселдорф, и представляват общопризнатите правила на технологията и други подобни. а. за заваряване на пластмаси. Оценката на заваръчните шевове се извършва - независимо дали в контекста на експертни доклади или официални оценки - в Германия в съответствие с насоките на DVS.

Влияние на температурата на заваряване

За заваряване полиетиленът първо трябва да бъде приведен в така нареченото термопластично състояние (фиг. 3). В това състояние макромолекулите са свободни да се движат без допълнителни значителни междумолекулни връзки, т.е. Частично кристалните структури, които се топят само при по-високи температури (кристална температура на топене), също са се разтворили. Тази свободна мобилност трябва да бъде осигурена, така че молекулните вериги да се плъзгат една по друга по време на заваряване, да могат да се смесват в интерфейсите на присъединяващия се партньор и да изграждат полукристалните структури с молекулните вериги на присъединяващия се партньор отново по време на охлаждане.

Това смесване се извършва само в граничните области на присъединяващите се партньори и не се вижда под микроскопа. Между другото, терминът термопласт показва, че материалът не е течен, а по-скоро пластмасов (вискозно течащ). Причината за това са дългите молекулни вериги, които се заплитат при топене, за разлика от много малки молекули като Вода, която може бързо да се разпространи във всички посоки. Дори по-малки или по-леки молекули са в газообразна форма, която напр. В случай на прекомерни температури или прекомерно дълго излагане на топлина, това може да се случи, ако фрагментите на веригата се отцепят поради прекомерното влагане на енергия.

В този контекст трябва да се отбележи, че дължината на молекулните вериги оказва голямо влияние върху заваряемостта. Дължината на веригата трябва да бъде еднаква, колкото е възможно, за да се получат хомогенни свойства на потока. С много големи молекулни тегла, като PE 100, полиетилен с ултра високо молекулно тегло (PE-HD-UHMW), дължината на веригата е толкова голяма, че молекулните вериги в термопластично състояние вече не могат да се плъзгат една от друга поради многото заплитания с други молекулярни вериги . Т.е. че материалът омеква при нагряване, но вече не тече и следователно не може да бъде заварен по същество.

Видовете полиетилен, предлагани на пазара (част 2 от публикацията), се различават по отношение на тяхната течливост в термопластичната област. значителна. Тези разлики влияят върху заваряемостта на различни присъединяващи се партньори по такъв начин, че различната подвижност на молекулярните вериги (при една и съща температура на заваряване) може да доведе до недостатъчно смесване в интерфейсите. За да се овладее този проблем, полиетилените бяха разделени на групи според тяхната течливост.

Тези MFR групи (MFR = масов дебит на стопилката, преди това: индекс на стопилка (MFI)) са описани в DVS 2207-1. По принцип същите MFR групи могат да бъдат заварени заедно, а в много случаи и съседни групи (напр. MFR групи 005 и 010 за PE). По принцип за това трябва да се консултират разпоредбите или производителите. Твърде различното поведение на потока може да има траен ефект върху потока и по този начин върху поведението на заваряване. Това означава, че същите термопласти или термопласти с подобни свойства на течливост могат да бъдат заварени много по-добре. Друг акцент трябва да бъде върху състоянието на полиетилена. Полиетиленът има много широк термопластичен диапазон между приблизително 140 и 300 ° C (фиг. 3).

Опитът обаче показва, че полиетиленът има най-добрата (дългосрочна) якост при температура на заваряване при нагряване на челно заваряване на инструмент от 200 до 220 ° C. По-ниските или по-високите температури имат неблагоприятен ефект върху якостта. Поради това трябва да се постави специален акцент върху измерването на температурата на нагревателния елемент с помощта на подходящи и редовно калибрирани измервателни уреди. Ако един или и двамата от присъединяващите се партньори имат твърде ниска температура по време на нагряване на челно заваряване на инструмента (например поради твърде кратко време за нагряване, твърде дълго време за превключване и т.н.), съществува риск подвижността на молекулярните вериги да е твърде ниска и следователно трябва да се постави под въпрос достатъчното смесване на присъединяващите се партньори.

Когато заварявате тръби, изработени от полиетилен с висока дебелина на стените, правилата на DVS изрично посочват, че температурата на нагревателния елемент трябва да бъде настроена на долната граница на допустимия температурен диапазон от 200 до 220 ° C за заваряване на нагревателни елементи. Това се дължи на факта, че поради ниската топлопроводимост на полиетилена и голямата дебелина на материала е необходимо относително дълго време за загряване, за да се пластифицират достатъчно партньорите на съединението (т.е. не само на контактната повърхност с нагревателния елемент, но и в дълбочината на партньорите на съединението). За да се предотвратят повреди поради продължителното време на излагане, температурата се намалява. Ако свързващите партньори са пластифицирани твърде малко в дълбочина, малкото пластифициран материал бързо се натиска в заваръчните перли по време на процеса на съединяване и прекалено студените слоеве се срещат в равнината на свързване, което - както вече беше описано - вече не може да се смесва достатъчно.

Влиянието на заваръчната сила

Заваръчната сила се използва, за да доведе пластифицираните свързващи партньори в контакт помежду си по такъв начин, че молекулните вериги да се смесват достатъчно и частично кристалните структури, които определят якостта на полиетилена, могат да се развият. Необходимата сила на заваряване (специфично присъединително налягане) за полиетилен е посочена в DVS 2207-1 и трябва да се преобразува в съответните съществуващи зони на заваряване (сила на площ). Ако заваръчното налягане е неправилно изчислено или ако машината е дефектна/не е калибрирана и се използва неправилно заваръчно налягане или зададеното заваръчно налягане не може да се поддържа (напр. Поради течащи уплътнения на буталата), съществува риск частите, които трябва да се съединят, да не бъдат смесени правилно или - ако налягането на свързване е твърде високо - твърде много пластифициран материал се натиска в заваръчните перли.

Тъй като в последните се срещат по-студени слоеве, има недостатъчно смесване и по този начин намаляване на якостта. Освен това прекомерното налягане причинява недопустимо високи деформации на срязване, което от своя страна води до повишени остатъчни напрежения в заваръчния шев. Прекомерните остатъчни напрежения могат значително да намалят якостта. Следователно трябва да има определена остатъчна дебелина на слоя стопилка след заваряване (фиг. 5). Предполага се, че най-добрата якост на заваръчния шев се постига с изместване на стопилката от около 75% [2]. Дебелината на стопения слой от 0,2 до 0,4 x дебелина на стената е типична за полукристалните термопласти [2].

Влиянието на времената на заваряване

При нагряването на челно заваряване на инструменти има няколко времеви параметъра, които трябва да се вземат предвид. Най-важните са:

Други влияещи фактори

Влиянията на околната среда (напр. Влага, вятър и др.) И подготовката на заваръчния шев (правоъгълно отделяне на тръбите, отстраняване на оксидния слой и др.) Също оказват значително влияние върху качеството на заваръчния шев. По принцип всеки заварчик, който е обучен в съответствие с общоприетите насоки на DVGW (работен лист DVGW GW 330) или DVS (DVS 2212-1), се научава да избягва съответно тези негативни влияния.

Остатъчни заваръчни напрежения

Остатъчните заваръчни напрежения трябва да се разглеждат като критична променлива в заваръчния шев. Напреженията не могат да бъдат напълно избегнати в заваръчния шев поради протичащи и отклоняващи токове (фиг. 6) по време на процеса на заваряване и напрежения на свиване по време на процеса на охлаждане, но те могат да бъдат значително увеличени, ако не се спазват правилните параметри на заваряване или не се спазват влиянията на околната среда.

Прекомерните остатъчни заваръчни напрежения могат значително да намалят якостта и експлоатационния живот на заваръчния шев и по този начин да доведат до преждевременна повреда. Опитът показва, че остатъчните заваръчни напрежения са в некритичния диапазон за заваръчните шевове в съответствие с насоките на DVS. Повишените остатъчни напрежения в полуфабрикатите, които са причинени по време на производството и се освобождават по време на нагряване/заваряване, също могат да имат траен ефект. Поради това обикновено се препоръчва използването на подходящо сертифицирани полуфабрикати.

Оценка на повърхността на фрактурата

Цялостна оценка на възможните повърхности на счупване и техните възможни причини, особено в областта на заваръчния шев, ще надхвърли обхвата на тази публикация. По принцип обаче може да се направи разлика между типовете повърхности на пластична и крехка фрактура (фиг. 7а + б). Крехките фрактури се характеризират с гладки повърхности и показват лоша/неадекватна заварка. Пластмасовите повърхности на счупване имат разтегната структура и показват добро заваряване.

В случай на гладки фрактурни повърхности, молекулните вериги не могат да се смесват или да се смесват много малко в интерфейсите на двата присъединяващи се партньора (например поради присъединяване на партньори, които са били твърде студени поради недостатъчни температури/времена на нагряване, влияния на околната среда, твърде дълги времена на превключване, твърде ниско присъединително налягане и т.н.) внезапно натоварване на шева. В случай на пластични фрактури молекулярните вериги, които бяха добре смесени в интерфейсите, бяха буквално разкъсани. Самото разтягане може да варира по размер в зависимост от вида на полиетилена. Въпреки това, те обикновено показват бяло обезцветяване (избелване на стреса).

Електрофузионно заваряване на полиетилен

За разлика от челното заваряване с нагрети елементи, при електрофузионно заваряване влияещите променливи температура и време обикновено се отчитат и настройват автоматично от заваръчните машини (най-вече с помощта на баркод) (Фиг. 8). Така че изглежда, че не е необходимо допълнително внимание към заваряването. За съжаление тази настройка многократно води до повреда, тъй като грешките в подготовката на заваряването обикновено не могат да бъдат открити от заваръчните машини и имат траен ефект върху качеството на заваръчния шев. Налягането при заваряване се създава от факта, че пластифицираният материал между тръбата и съединителя на нагревателната намотка изгражда съответно налягане поради специфичното за материала термично разширение.

Поради затрудненото термично разширение в гнездото (поради по-дебели стени, брониране на тел или специално освободени напрежения на свиване) и полиетилена, който бързо се втвърдява в областта на ръба на гнездото (в така наречените студени зони), необходимото заваръчно налягане се натрупва в равнината на съединението, когато се нагрява. В тази фаза протичат и поточните процеси между пластифицираните материали на присъединяващите се партньори. Това обаче предполага, че пролуката между тръбата и гнездото е в рамките на допустимите допустими отклонения (тръба, гнездо, овалност и др.) И че подготовката на заваръчния шев (например отстраняване на оксидния слой и др.) Е извършена правилно. Необходимите температури на заваряване се генерират от текущия поток в съпротивителните проводници. Вече споменатите отношения важат и тук. Следователно качеството на електрофузионната връзка се определя от правилното натрупване на налягане, правилната настройка на температурата и времето и по този начин главно от ноу-хау на производителя и, разбира се, от правилната подготовка на заваръчния шев.

Заваряване на омрежен PE-X

Заваряването на омрежен полиетилен (PE-X) досега е било практически приложимо и често срещано във връзка с електрофузионно заваряване и комбинацията от "тръба от PE-X и електрофузионен съединител от PE-HD". Опитите за постигане на чисто заварени съединения, направени от PE-X или в комбинация с PE-HD партньор в процеса на челен заваръчен елемент със съпоставима дългосрочна якост с чисти PE-HD заварки, досега са неуспешни. Омреженият полиетилен се различава значително от не-омрежения полиетилен по отношение на неговите свойства.

Броят на химичните връзки между молекулните вериги в омрежен полиетилен е много нисък (приблизително сравним с триизмерна мрежа с широки мрежи). Самите кръстосани връзки са постоянно в аморфните области на материала. От гледна точка на заваряване, омреженият полиетилен може да бъде омекотен чрез нагряване, но тъй като молекулярните вериги съществуват като триизмерна мрежа, те вече не могат да се плъзгат една от друга. Това означава, че заваряването в обичайния смисъл вече не е възможно. Силата на комбинацията от "PE-X тръба с PEHD съединител за нагревателна намотка", която е достатъчна за практическа употреба, се обяснява с факта, че поради ниската степен на омрежване в PE-X тръбите има относително дълги, подвижни участъци на веригата между омрежените точки и в краищата на веригата се намират.

В граничните зони те могат поне частично да се смесват със свободно движещите се молекулни вериги на (не-омрежен) съединител на нагревателната намотка, направен от PE-HD. също така изграждат частично кристалните структури отново, когато се охладят (хипотеза за смесен кристал, [13]). По-ниското ниво на якост (поради затруднената подвижност на омрежените молекулни вериги) се компенсира от доста голямата налична площ на заваряване. Постигнати са необходимите дългосрочни сили.

Обобщение

Заваряването на полиетилен изисква - както и при други материали - някои основни специфични за материала и базови технически познания. Тези знания и правилното им прилагане в съответствие с разпоредбите на DVS позволяват производството на заваръчни шевове, за които е доказано, че имат дълъг експлоатационен живот на нагревателния елемент и електрофузионно заваряване - сравним с този на полиетиленовите тръби.

Заварчикът може да използва това знание напр. в общопризнати курсове за обучение (съгласно DVGW работен лист GW 330 или DVS 2212-1, DVS 2213). В допълнение към заваряването, полагането и ръчните умения, подготовката за заваряване и оборудването са съществена гаранция за добро качество на заваръчния шев. Без тези основни познания и правилното им прилагане, съответното качество на заваръчния шев е (скъпа) хазартна игра.

литература

Източник: BBR 5/05, страници 24-30