Базові знання зварювання поліетилену (частина 1); UNITRACC - Навчання підземної інфраструктури

Ця стаття є першою частиною тричастинної серії статей про матеріал поліетилен, яку ми маємо змогу публікувати з люб'язного дозволу bbr - спеціалізованого журналу з будівництва свердловин та труб. Ця стаття з’явилася у bbr 5/05. Перша частина - про зварювання поліетилену.

Зварювання пластику

Зварювання труб та деталей трубопроводів з поліетилену за допомогою стикового зварювання нагрівальних елементів або електрозварювального зварювання є усталеним процесом протягом багатьох років. Проте на практиці пошкодження трапляються знову і знову, що свідчить про те, що елементарні базові знання для розуміння процесу зварювання відсутні або що надто мало уваги приділяється та впроваджується. Метою цієї першої частини є продемонструвати основні зварювальні з'єднання для практикуючого.

Поліетилен - це термопластик, тобто одна з пластмас, яка плавиться (пластифікується) при нагріванні і знову твердне при охолодженні. За своєю основною структурою поліетилен складається з довгих ланцюгів, так званих макромолекул, які складаються з тих самих основних будівельних блоків (етилену). Він має частково кристалічну структуру (невпорядковані та впорядковані ділянки між молекулярними ланцюгами) (табл. 1 + рис. 1а - б). Більш детальний опис структури та отриманих властивостей наведено у другій частині цієї серії.

Що таке зварювання?

В основному, при зварюванні термопластів пластифіковані з'єднуючі партнери об'єднуються під тиском, щоб утворити матеріальний зв'язок. Вирішальну роль тут відіграють потокові процеси під час зварювання (рис. 2). У спеціалізованій літературі є кілька теорій про зварювання, але кожна лише описує деякі явища, що відбуваються. Наприклад, існують адсорбція, дифузія, теорія мінімального витрати та теорія в'язкопружного контакту [4]. Дуже спрощено ви можете уявити зварювання поліетилену так, ніби ви кладете на тарілку свіжоприготовлені спагетті. Спагеті дико переплітаються і в теплі відповідають термопластичному діапазону.

температура зварювання,
зусилля зварювання та
час зварювання.

Всі три розміри характерні для кожного зварюваного термопластика і повинні знаходитись у певних межах допуску. Якщо лише одна з цих трьох змінних змінних знаходиться за межами цих допусків, якість зварного шва принципово під питанням. Отже, дотримання змінних змінних, зазначених у керівництві DVS, є елементарним для якості зварного шва. Що стосується матеріалу поліетилен (ПЕ), це передбачено в настанові DVS 2207-1 для зварювальних процесів стиковим зварюванням елементів (HS), електрозварювальним зварюванням (HM) та зварюванням гнізд з нагрітим елементом (HD). Настанови DVS створені Німецькою асоціацією зварювання та суміжних процесів (DVS), Дюссельдорф, і, серед іншого, представляють загальновизнані технологічні правила. для зварювання пластмас. Оцінка зварних швів проводиться - в контексті експертних звітів чи офіційних оцінок - у Німеччині відповідно до керівних принципів DVS.

Вплив температури зварювання

Для зварювання спочатку поліетилен потрібно перевести у так званий термопластичний стан (рис. 3). У цьому стані макромолекули можуть вільно рухатися без подальших значних міжмолекулярних зв’язків, тобто частково кристалічні структури, які плавляться лише при більш високих температурах (температура кристалічного плавлення), також розчиняються. Ця вільна рухливість повинна надаватися таким чином, щоб молекулярні ланцюги ковзали одна проти одної під час зварювання, могли змішуватися в інтерфейсах партнера, що приєднується, і будувати напівкристалічні структури з молекулярними ланцюгами партнера, що приєднується, при охолодженні.

Це змішування відбувається лише в прикордонних зонах партнерів, що приєднуються, і не видно під мікроскопом. До речі, термін термопластичний вказує на те, що матеріал не є рідким, а скоріше пластичним (в'язким, що тече). Причиною цього є довгі молекулярні ланцюги, які заплутуються при розплавленні, на відміну від дуже дрібних молекул, таких як вода, яка може швидко поширюватися в усі боки. Навіть менші або легші молекули присутні в газоподібній формі, що може бути, наприклад, при надмірних температурах або надмірно тривалому впливі тепла, якщо фрагменти ланцюга відколюються через надмірне надходження енергії.

У цьому контексті слід зазначити, що довжина молекулярних ланцюгів має великий вплив на зварюваність. Довжина ланцюга повинна бути якомога однаковою для отримання однорідних властивостей потоку. При дуже великих молекулярних масах, таких як PE 100, поліетилен з надвисокою молекулярною масою (PE-HD-UHMW), довжина ланцюга настільки велика, що молекулярні ланцюги в термопластичному стані більше не можуть ковзати одна від одної через безліч переплутань з іншими молекулярними ланцюгами . Це означає, що, хоча матеріал при нагріванні розм’якшується, він більше не сипучий і, отже, більше не може бути зварений значущим чином.

Види поліетилену, доступні на ринку (частина 2 публікації), значно відрізняються щодо їх сипучості в термопластичній зоні. Ці відмінності впливають на зварюваність різних партнерів, що з'єднуються, настільки, що внаслідок різної рухливості молекулярних ланцюгів (при однаковій температурі зварювання) може відбуватися недостатнє змішування в межфазних поверхнях. Для того, щоб отримати цю проблему під контролем, поліетилени були розділені на групи відповідно до їх сипучості.

Ці групи MFR (MFR = масовий витрата розплаву, раніше: індекс розплаву (MFI)) описані в DVS 2207-1. В основному, одні й ті ж MFR-групи можуть бути зварені між собою, а в багатьох випадках і суміжні групи (наприклад, MFR-групи 005 та 010 для PE). В принципі, для цього необхідно проконсультуватися з нормативними актами чи виробниками. Занадто інша поведінка потоку може мати тривалий вплив на потік і, отже, на поведінку зварювання. Це означає, що ті самі термопласти або термопласти з подібними властивостями течії можна зварювати набагато краще. Інший акцент слід зробити на стані поліетилену. Поліетилен має дуже широкий термопластичний діапазон між приблизно 140 і 300 ° C (рис. 3).

Однак досвід показує, що поліетилен має найкращу (тривалу) міцність при температурі зварювання при стиковому зварюванні нагрітого інструменту від 200 до 220 ° С. Більш низькі або вищі температури негативно впливають на міцність. Тому особливий акцент слід зробити на вимірюванні температури нагрівального елемента за допомогою відповідних та регулярно відкаліброваних приладів для вимірювання температури. Якщо у одного або обох партнерів, що приєднуються, є занадто низька температура під час нагрівання стиковим зварюванням інструменту (наприклад, через занадто низький час нагрівання, занадто довгий час заміни тощо), існує ризик того, що рухливість молекулярних ланцюгів буде занадто низькою, і що достатнє змішування з'єднувальних партнерів повинно ставитися під сумнів.

При зварюванні труб з поліетилену з великою товщиною стінок у правилах DVS прямо зазначається, що температура нагрівального елемента повинна бути встановлена на нижню межу допустимого діапазону температур від 200 до 220 ° C для стикового зварювання нагрівальних елементів. Це пов’язано з тим, що через низьку теплопровідність поліетилену та велику товщину матеріалу необхідний відносно великий час нагрівання для достатньої пластифікації партнерів з’єднання (тобто не тільки на поверхні контакту з нагрівальним елементом, але і в глибині партнерів з’єднання). Щоб запобігти пошкодженню через тривалий час витримки, температуру знижують. Якщо стикувальні партнери пластифіковані занадто мало в глибині, трохи пластифікованого матеріалу швидко вдавлюється в зварювальні гранули під час процесу стикування, а шари, які є занадто холодними, стикаються в площині стикування, яка - як вже було описано - більше не може змішуватися в достатній мірі.

Вплив сили зварювання

Зварювальна сила застосовується для приведення пластифікованих з’єднувальних партнерів в контакт один з одним таким чином, що молекулярні ланцюги в достатній мірі змішуються і можуть розвиватися частково кристалічні структури, що визначають міцність поліетилену. Необхідна сила зварювання (питомий тиск приєднання) для поліетилену зазначена в DVS 2207-1 і повинна бути перетворена на відповідні існуючі зони зварювання (сила на область). Якщо зварювальний тиск неправильно розрахований або якщо машина несправна/не відкалібрована і використовується неправильний зварювальний тиск, або заданий зварювальний тиск неможливо підтримувати (наприклад, через негерметичні ущільнення поршня), існує ризик неправильного змішування деталей, що з'єднуються або - якщо тиск на з'єднання занадто високий - занадто багато пластифікованого матеріалу вдавлюється в зварні намистини.

Оскільки в останніх стикаються більш холодні шари, відбувається недостатнє перемішування і, отже, зниження міцності. Крім того, надмірно високий тиск спричиняє неприпустимо високі деформації зсуву, що в свою чергу призводить до збільшення залишкових напружень у зварному шві. Надмірні залишкові напруження можуть значно знизити міцність. Отже, після зварювання повинна бути певна залишкова товщина розплаву (рис. 5). Передбачається, що найкраща міцність зварного шва досягається при зміщенні розплаву приблизно 75 відсотків [2]. Товщина шару розплаву від 0,2 до 0,4 х товщини стінки характерна для напівкристалічних термопластів [2].

Вплив часу зварювання

При стиковому зварюванні інструмента при нагріванні існує кілька часових параметрів, які необхідно враховувати. Найважливішими є:

Інші фактори впливу

Вплив навколишнього середовища (наприклад, волога, вітер тощо) та підготовка зварного шва (прямокутне відокремлення труб, видалення оксидного шару тощо) також мають значний вплив на якість зварного шва. Загалом, кожен зварник, який пройшов підготовку відповідно до загальновизнаних рекомендацій DVGW (аркуш DVGW GW 330) або DVS (DVS 2212-1), вчиться уникати цих негативних впливів відповідно.

Залишкові зварювальні напруження

Залишкові зварювальні напруги слід розглядати як критичну змінну в зварному шві. Неможливо повністю уникнути напружень у зварному шві через протікання та відхилення струмів (рис. 6) під час зварювального процесу та напружень усадки в процесі охолодження, але їх можна значно збільшити, якщо не дотримуватися правильних параметрів зварювання або не дотримуватися впливів навколишнього середовища.

Надмірно великі залишкові зварювальні напруги можуть значно зменшити міцність і термін служби зварного шва і, таким чином, призвести до передчасного руйнування. Досвід показав, що залишкові зварювальні напруги знаходяться в некритичному діапазоні для зварних швів відповідно до вимог DVS. Підвищені залишкові напруження в напівфабрикатах, які виникли під час виготовлення та вивільняються при нагріванні/зварюванні, також можуть мати стійкий ефект. Тому, як правило, рекомендується використовувати напівфабрикати, що мають відповідну сертифікацію.

Оцінка поверхні руйнування

Комплексна оцінка можливих поверхонь руйнування та їх можливих причин, особливо в районі зварного шва, вийшла б за межі даної публікації. Однак у принципі можна розрізнити пластичні та крихкі типи поверхонь руйнування (рис. 7а + б). Крихкі руйнування характеризуються гладкими поверхнями і свідчать про поганий/недостатній зварювальний шов. Пластичні поверхні руйнування мають розтягнуту структуру і свідчать про хороший зварний шов.

У разі гладких поверхонь руйнування молекулярні ланцюги не могли змішуватись або змішувати лише дуже мало в інтерфейсах двох партнерів, що з'єднуються (наприклад, через те, що партнери, що з'єднуються, були занадто холодними через недостатню температуру/час нагрівання, вплив навколишнього середовища, занадто довгий час перемикання, занадто низький тиск з'єднання тощо) або один раптове навантаження на шов. У разі пластичних переломів молекулярні ланцюги, які добре перемішувались у розділах, буквально розривались. Сама розтяжка може відрізнятися за розміром залежно від виду поліетилену. Однак вони зазвичай мають біле забарвлення (відбілювання від стресу).

Електрофузійне зварювання поліетилену

На відміну від стикового зварювання нагрітими елементами, при електрозварювальному зварюванні зварювальні машини, як правило, зчитують і встановлюють автоматичні впливні змінні (переважно із використанням штрих-коду) (рис. 8). Отже, здається, що подальша увага до зварювання не потрібна. На жаль, це налаштування неодноразово призводить до випадків пошкодження, оскільки помилки в підготовці зварювальних апаратів зазвичай не можуть бути виявлені зварювальними апаратами і мають тривалий вплив на якість зварного шва. Тиск зварювання створюється тим, що пластифікований матеріал між трубою та з'єднувачем нагрівальної котушки створює відповідний тиск за рахунок теплового розширення, специфічного для матеріалу.

Завдяки утрудненому тепловому розширенню в гнізді (через товстіші стінки, дротовий армування або спеціально вивільнені замерзлі усадочні напруги) та поліетилену, який швидко застигає в крайовій зоні гнізда (у так званих холодних зонах), при нагріванні в площині шва накопичується необхідний зварювальний тиск На цій фазі також відбуваються потокові процеси між пластифікованими матеріалами партнерів, що з'єднуються. Однак це передбачає, що зазор між трубою і муфтою знаходиться в межах допустимих допусків (труба, муфта, овальність тощо) і що підготовка зварного шва (наприклад, видалення оксидного шару тощо) була проведена належним чином. Необхідні температури зварювання генеруються потоком струму в проводах опору. Вже згадані стосунки застосовуються і тут. Отже, якість електрозварювального з'єднання визначається правильним нарощуванням тиску, правильним налаштуванням температури і часу, а отже, по суті, ноу-хау виробника і, звичайно, правильною підготовкою зварного шва.

Зварювання зшитого PE-X

До цього часу зварювання зшитого поліетилену (PE-X) було практично застосовним і поширеним лише у зв'язку з електрозварювальним зварюванням та поєднанням "труби з PE-X та електрофузійного з'єднувача з PE-HD". Спроби досягти чистого зварного з'єднання з PE-X або в поєднанні з партнером з з'єднання PE-HD у процесі стикового зварювання нагрівального елемента з порівнянними довготривалими показниками міцності з чистими звареними швами PE-HD поки не вдалися. Зшитий поліетилен за своїми властивостями істотно відрізняється від зшитого поліетилену.

Кількість хімічних зв’язків між молекулярними ланцюгами в зшитому поліетилені дуже низька (приблизно порівнянно з тривимірною мережею з широкими осередками). Самі зшивки постійно знаходяться в аморфних ділянках матеріалу. З точки зору зварювання зшитий поліетилен можна пом'якшити нагріванням, але оскільки молекулярні ланцюги існують як тривимірна мережа, вони більше не можуть зісковзувати один з одного. Як наслідок, зварювати в звичному розумінні вже неможливо. Міцності, достатні для практичного використання в поєднанні "труби PE-X з роз'ємом нагрівальної котушки з ПНД", пояснюються тим, що через низький ступінь зшивання труб PE-X між зшитими точками та кінцями ланцюга є відносно довгі рухомі ділянки ланцюга розташовані.

У прикордонних районах вони можуть принаймні частково змішуватися з вільно рухаються молекулярними ланцюгами (не зшитого) роз’єму котушки нагріву, виготовленого з PE-HD, а в деяких випадках також відновлювати частково кристалічні структури, коли вони охолоджуються (гіпотеза змішаних кристалів, [13]). Нижчий рівень міцності (через утруднену рухливість зшитих молекулярних ланцюгів) компенсується великою доступною площею зварювання. Необхідні довгострокові сили досягаються.

Резюме

Як і у випадку з іншими матеріалами, для зварювання поліетилену потрібні деякі базові знання щодо зварювання матеріалів та основи. Ці знання та їх належне впровадження відповідно до правил DVS дають змогу виготовляти зварні шви, які мають достовірно довгий термін служби стикових нагрівальних елементів та електрозварювального зварювання - порівнянний із поліетиленовими трубами.

Зварювальник може отримати ці знання, наприклад, на загальновизнаних навчальних курсах (відповідно до аркуша DVGW GW 330 або DVS 2212-1, DVS 2213). Окрім зварювання, укладання та ручних навичок, підготовка до зварювання та обладнання є важливою гарантією гарної якості зварного шва. Без цих базових знань та їх належного впровадження, відповідна якість зварного шва є (дорогою) азартною грою.

література

Джерело: BBR 5/05, сторінки 24-30