Сварка полимерных материалов

Сварка полимерных материалов – это метод создания неразъёмного соединения элементов конструкции из полимеров.

Полимеры – это высокомолекулярные вещества, молекулы которых состоят из большого числа повторяющихся звеньев – мономеров.

В зависимости от структуры молекулы и поведения при нагреве полимеры делят на 2 категории: термопласты и реактопласты.

Реактопласты – вещества, которые под действием температуры не способны переходить в вязко-текучее состояние, а при значительной температуре подвергаются необратимым изменениям.

В отличие от реактопластов, термопласты под воздействием температуры не подвергаются существенным химическим изменениям. Это свойство позволяет многократно их нагревать и доводить до вязко-текучего состояния, а затем возвращать в исходное. К термопластам относятся: полиэтилен (ПЭ), полипропилен (ПП), поливинилхлорид (ПВХ).

Для получения неразъемного соединения полимеров применяются: склеивание, штуцеры, а также разные виды сварки.

Если важнейшим требованием к процессу является возможность автоматизации, а соединяемые детали изготовлены из одинаковых материалов с близкими показателями текучести расплава и плотности, то сварка полимерных материалов является наиболее предпочтительным методом соединения.

Важно!

Недопустимо присутствие в зоне сварки чужеродных по отношению к соединяемым материалам посторонних элементов и/или клеевых прослоек.

Сварка полимеров: процесс

Сварка полимеров в целом заключается в локальном нагреве свариваемых материалов и последующей их диффузии.

Процессы, протекающие в зоне сварки:

1. Активация свариваемых поверхностей за счёт нагрева.
На данном этапе происходит повышение энергии теплового движения макромолекул полимера. 

Важно: под влиянием времени и ультрафиолетового излучения у некоторых полимеров происходят процессы деструкции и старения, изменяющие химико-физические свойства поверхностного слоя. Поэтому перед их нагревом необходимо зачищать поверхностные слои детали в зоне сварки.

2. Соединение свариваемых поверхностей.
Важнейший этап сварки полимеров. Происходит контакт свариваемых поверхностей, и под действием сдавливающего усилия макромолекулы вещества взаимодействуют друг с другом. В результате образуется соединение, которое по прочности и свойствам практически не отличается от исходного материала.

3. Формирование шва в зоне контакта.
При охлаждении соединения происходит формирование сварного шва.

Важно!

Из-за локальности зоны нагрева после сварки возникает остаточное напряжение в зоне сварного шва, которое со временем уменьшается. Сварные детали после окончания времени охлаждения следует передавать в эксплуатацию спустя некоторое время. Не рекомендуется искусственно ускорять процесс охлаждения. Это может привести к снижению прочности шва.

В процессе сварки полимерных материалов следует тщательно следить за температурой, давлением, продолжительностью всех этапов сварки и охлаждения, чтобы не допустить термодеструкции (разложение материала под действием температуры) или несплавления. Иначе шов будет обладать пониженными прочностными характеристиками.

Сварка полимерных труб: наиболее популярные методы

Сварка нагретым инструментом в раструб

Суть метода:

Происходит оплавление наружной поверхности полимерной трубы и внутренней поверхности фитинга с помощью специального аппарата для раструбной сварки. Затем свариваемые поверхности соединяются (труба вводится в фитинг).

Преимущественно данный метод сварки используется при работе с полипропиленом (ПП) который чаще всего применяется для внутренних трубопроводов. Реже встречается сварка полимерных трубопроводов данным способом для полиэтилена (ПЭ) и полибутена (ПБ). Для полиэтилена предпочтительнее использовать сварку нагретым инструментом встык (НИ) и сварку с закладными нагревателями (ЗН).

В основном раструбная сварка применяется для труб малых диаметров до 110 мм.

Приспособления для раструбной сварки:

1. Труборез.
   Используется для резки трубы под углом 90о
2. Калибратор.
   Инструмент для калибровки наружного диаметра трубы путем срезания слоя полимера до допустимого по стандарту значения.
3. Фаскосниматель.
   Инструмент для снятия фаски на торцах труб.
4. Сварочный аппарат.
   Устройство для раструбной сварки труб и фитингов.

Особенности метода:

1. Для соединения двух отрезков труб даже на прямых участках трубопровода требуется использование фитингов.
2. Для совмещения свариваемых деталей с нагретым инструментом требуется усилие. При работе с трубами диаметром до 50 мм возможно использование ручного сварочного аппарата. При работе с трубами от 50 мм и выше целесообразно использовать аппарат с механическим центратором.
3. Не применяется при работе с тонкостенными полимерными трубами из-за высокого риска деформации трубы.

Технология выполнения работ:

Подготовительный этап:

Необходимо обрезать трубы под прямым углом с помощью трубореза и обработать концы калибратором, чтобы диаметры труб в зоне сварки стали допустимого по ГОСТ размера. Для облегчения дальнейших работ необходимо с помощью фаскоснимателя на торцах труб обработать наружные фаски. Затем с помощью спиртовых салфеток требуется очистить поверхности свариваемых деталей от любых типов загрязнений.

Процесс:

Фитинг надевается на дорн нагретого инструмента (элемент сварочного аппарата для нагрева внутренней поверхности фитинга) соответствующего диаметра до упора. Одновременно с этим труба вставляется в гильзу нагретого инструмента (элемент сварочного аппарата для нагрева наружной поверхности трубы) до предварительно нанесенной отметки глубины сопряжения фитинга с трубой. 

Наружный слой трубы оплавляется, доходя до вязко-текучего состояния, и выдавливается наружу из гильзы в виде грата. Аналогичный процесс происходит и с фитингом: внутренняя поверхность оплавляется и наружу выдавливается грат. Теперь нужно быстро соединить эти два элемента. Отделяем трубу и фитинг от элементов нагревателя, вводим трубу в фитинг до отметки глубины сопряжения деталей и фиксируем в таком положении. Оставляем остывать на некоторое время (зависит от материала трубы и диаметра).

Сварка полимерных труб нагретым инструментом встык (НИ)

Суть метода:

Одновременно оплавляются торцы труб, затем прижимаются друг к другу, образуя неразъёмное соединение.

Состав оборудования для сварки нагретым инструментом встык (НИ).

1. Центратор.
   Конструкция, обеспечивающая соосное расположение труб. Позволяет выравнивать и перемещать трубы относительно друг друга и обеспечивает требуемое усилие их сжатия.
2. Гидравлический привод.
   Подключается к центратору. Позволяет регулировать давление прижима и управляет перемещением свариваемых труб.
3. Торцеватель.
   Предназначен для предварительной обработки торцов труб перед сваркой.
4. Нагретый инструмент.
   Обеспечивает нагрев торцов свариваемых деталей.
5. Блок управления. 
   Осуществляет подачу напряжения на составные компоненты сварочной машины.
6. Устройство протоколирования.
   Определяет и сохраняет основные параметры процесса сварки полимерных труб.

Особенности метода:

1. Не требует соединительных деталей на прямых участках трубопровода. Сварка происходит на торцах труб, что позволяет экономить на фитингах.
2. Данная технология применяется на большом диапазоне диаметров до 1600 мм.
3. Есть возможность производить сварку труб разных диаметров на одном и том же аппарате.
4. Для сварки трубопроводов больших диаметров используется большое и тяжелое сварочное оборудование. Это необходимо учитывать при планировании места проведения сварочных работ.
5. Образуется двойной грат как снаружи, так и внутри трубопровода.
6. Сваривать можно только трубы с одинаковой толщиной стенок.

Технология выполнения работ:

Подготовительный этап:

В первую очередь необходимо зафиксировать соединяемые трубы в центраторе. Затем торцеватель устанавливается в центратор, фиксируется и включается. Производится обработка и выравнивание трубных концов. После торцевания проверяем форму торцов и зазор между ними, если они в допустимых пределах, то все готово к сварке.

Процесс:

На первом этапе сварки необходимо с заданным усилием прижать торцы к нагревателю таким образом, чтобы расплавленный материал выдавился наружу, образовав первичный грат необходимой высоты по всему периметру труб. Как только грат образовался, переходим к следующему этапу. 

Производится снижение давления прижима трубы к нагревателю до 0 или заданной величины (зависит от условий, в которых производится сварка) и начинается прогрев торцов за счет тепла от нагревательного элемента. Тут важно внимательно следить за временем. Продолжительность прогрева зависит от диаметра труб и толщины стенки.

Как только заданное время прошло, трубы нужно развести в стороны, чтоб удалить нагреватель из зоны сварки. Затем выполнить быстрое сведение труб до контакта торцов и увеличить усилие прижима труб друг к другу. После достижения усилия расчетного сварочного значения его нужно зафиксировать и поддерживать до окончания времени остывания сварного шва. Если допустить нарушения в работе на заключительном этапе, в сварочном шве могут появиться воздушные поры.

Сварка полимерных труб соединительными деталями с закладными нагревателями (ЗН).

Суть метода:

Расплавление полимера на соединяемых поверхностях соединительной детали (муфты, отвода, перехода и тд.) и трубы происходит за счёт тепла, которое выделяется при протекании электрического тока по размещенному в соединительной детали закладному нагревателю, который представляет собой спираль из металлической проволоки. 

Особенности метода:

1. Не образуется внутренний грат при сварке. Исключается снижение проходимости трубопровода.
2. Позволяет соединять трубы с разными значениями SDR (с разными толщинами стенок).
3. При равных диапазонах рабочих диаметров оборудование для работы с ЗН стоит дешевле, чем оборудование для стыковой сварки.
4. Одним сварочным аппаратом можно сваривать большой диапазон диаметров труб.
5. Может использоваться при отсутствии возможности перемещения труб вдоль оси, что позволяет использовать данный метод для ремонта и реконструкции трубопроводов.
6. Большая площадь соприкосновения свариваемых деталей, что гарантирует высокую надежность сварных соединений.
7. Позволяет предварительно собирать на объекте конструктивно сложные трубопроводы в разных плоскостях разных диаметров.
8. Относительно высокая стоимость деталей с ЗН больших диаметров. Увеличивает стоимость строительства.

Технология выполнения работ:

Подготовительный этап:

После проведения входного контроля труб и соединительных деталей нужно обрезать концы труб под прямым углом с помощью трубореза. Далее перед механической обработкой наносятся метки, обозначающие границы зоны зачистки, и трубы помещаются в позиционер для предотвращения провисания во время сварки. Следующим этапом подготовки является механическая зачистка свариваемых поверхностей труб. Это нужно для того, чтобы убрать верхний слой полимера, подвергшийся деструкции. Затем, как и в любом другом способе сварки полимерных материалов, необходимо очистить все свариваемые поверхности: производится обезжиривание и очистка внутренней поверхности детали с ЗН и наружных поверхностей труб в зоне зачистки. Желательно использовать специальные салфетки, но, если их нет в наличии, можно воспользоваться салфетками или ветошью, смоченными обезжиривающей жидкостью (рекомендуется использовать чистый спирт).

Процесс:

В первую очередь после полного испарения обезжиривателя производится сборка конструкции в позиционере, т.е. осторожно, без больших усилий выполняется установка детали с ЗН на концах труб. После того как трубы соединены с деталью с ЗН и зафиксированы, сварочный аппарат с помощью кабеля подключают к клеммам детали. Затем в аппарат нужно ввести параметры сварки, считав штрих код с детали с ЗН с помощью сканера, либо ввести данные вручную на пульте управления сварочного аппарата, если это возможно. Сварка происходит автоматически после нажатия кнопки «старт» аппарат подает напряжение на клеммы детали с ЗН и протекающий по нагревательной спирали ток нагревает ее в течение заданного времени. Как и при любом другом виде полимерной сварки, после окончания времени сварки полученное соединение оставляем остывать естественным образом, не прикладывая к нему механических воздействий.

Подведем итог

Сварка полимерных материалов – технология, делающая нашу жизнь лучше. Полимерные материалы развиваются и становятся качественнее и надежнее, а полимерные трубопроводы становятся все более технологичными, что требует использования современного оборудования для работы с ним, а также подготовленных квалифицированных специалистов по монтажу полимерных трубопроводов.

В данной статье вы могли ознакомиться с основными принципами и методами сварки полимерных материалов. Если вам интересна данная тема, то в нашем учебном центре вы можете пройти обучение и подробно изучить все аспекты технологии сварки, а также повысить свою квалификацию и получить карту сварщика-оператора.

ПОДАТЬ ЗАЯВКУ