Основно познавање на заварување полиетилен (дел 1); UNITRACC - Обука за подземна инфраструктура

Оваа статија е прв дел од триделна серија статии за материјалот полиетилен, што смееме да ги објавиме со theубезна дозвола на ббр - специјализирано списание за изградба на бунари и цевки. Оваа статија се појави на бб 5/05. Првиот дел е за заварување полиетилен.

Пластично заварување

Заварувањето на цевките и деловите на цевководи изработени од полиетилен со помош на заварување на задник на грејни елементи или заварување со електрофузија е воспоставен процес многу години. Меѓутоа, во пракса, штетата се јавува повторно и повторно, што покажува дека недостасуваат основни основни знаења за разбирање на процесот на заварување или дека премногу малку внимание се посветува и спроведува. Целта на овој прв дел е да ги демонстрира основните заварувачки врски за лекарот.

Полиетилен е термопластика, т.е. една од пластиките што се топат (пластифицираат) кога се загреваат и повторно се зацврстуваат кога се ладат. Во својата основна структура, полиетиленот се состои од долги ланци, т.н. макромолекули, кои се составени од истите основни градежни блокови (етилен). Има полукристална структура (нарушени и подредени области помеѓу молекуларните ланци) (Таб. 1 + Слика 1а - б). Подетален опис на структурата и добиените својства се дадени во вториот дел од оваа серија.

Што е заварување?

Во основа, при заварување на термопластика, пластифицираните партнери што се приклучуваат се обединуваат под примена на притисок за да формираат материјална врска. Процесите на проток за време на заварувањето играат одлучувачка улога тука (Слика 2). Постојат неколку теории за заварување во специјалистичката литература, но секоја опишува само некои од феномените што се случуваат. На пример, постојат адсорпција, дифузија, минимална теорија на проток и теорија на вискоеластичен контакт [4]. На многу поедноставен начин, можете да помислите на заварувањето на полиетилен како да ставате свежо зготвени шпагети на чинија. Шпагетите се диво испреплетени и одговараат на термопластичниот опсег кога се топли.

температурата на заварување,
силата на заварување и
времињата на заварување.

Сите три големини се карактеристични за секоја заварлива термопластика и мора да бидат во одредени опсези на толеранција. Ако дури и една од овие три варијабли што влијаат е надвор од овие толеранции, квалитетот на заварениот спој е фундаментално под знак прашалник. Затоа, усогласеноста со променливите што влијаат наведени во упатствата за DVS, е основна за квалитетот на заварениот спој. За материјалот полиетилен (PE) тие се наведени во упатството DVS 2207-1 за процесите на заварување заварување на загреан елемент (HS), заварување со електрофузија (HM) и заварување на приклучок за греење (HD). Упатствата за ДВС се создадени од Германското здружение за заварување и сојузнички процеси (ДВС), Дизелдорф и претставуваат, меѓу другото, општо признати правила за технологија. за заварување на пластика. Проценката на заварените рабови се спроведува - без оглед дали е во контекст на стручни извештаи или официјални проценки - во Германија во основа според упатствата на ДВС.

Влијание на температурата на заварување

За заварување, полиетилен прво мора да се доведе во таканаречената термопластична состојба (слика 3). Во оваа состојба, макромолекулите можат слободно да се движат без други значајни меѓумолекуларни врски, т.е. се растворени делумно кристалните структури кои се топат само на повисоки температури (кристална температура на топење). Оваа бесплатна подвижност мора да се даде така што молекуларните ланци се лизгаат едни против други за време на заварувањето, можат да се мешаат во интерфејсите на партнерот што се приклучува и да ги изградат полукристалните структури со молекуларните ланци на партнерот што се приклучува повторно за време на ладењето.

Ова мешање се одвива само во пограничните области на здружените партнери и не е видливо под микроскоп. Патем, терминот термопластични означува дека материјалот не е течен, туку пластичен (вискозен тече). Причината за ова се долгите молекуларни ланци кои се заплеткуваат при топењето, за разлика од многу малите молекули како што е водата, кои можат брзо да се шират на сите правци. Дури и помали или полесни молекули се присутни во гасовита форма, што може да се случи, на пример, при прекумерни температури или прекумерно долго изложување на топлина, ако фрагментите од ланецот се распаднат поради прекумерната влезна енергија.

Во овој контекст, треба да се забележи дека должината на молекуларните ланци има големо влијание врз заварливоста. Должината на ланецот треба да биде иста што е можно за да се добијат хомогени својства на проток. На многу големи молекуларни тежини, како што е со PE 100, полиетилен со ултра висока молекуларна тежина (PE-HD-UHMW), должината на ланецот е толку голема што молекуларните ланци во термопластична состојба не можат повеќе да се лизгаат едни од други, поради многуте заплеткувања со други молекуларни ланци . Ова значи дека материјалот омекнува кога се загрева, но повеќе не е проток и затоа не може повеќе да се заварува значајно.

Видовите на полиетилен достапни на пазарот (Дел 2 од публикацијата) значително се разликуваат во однос на нивната проточност во термопластичната област. Овие разлики влијаат на заварливоста на различните придружни партнери на таков начин што различната подвижност на молекуларните ланци (на иста температура на заварување) може да доведе до недоволно мешање во интерфејсите. Со цел да се стави овој проблем под контрола, полиетилените беа поделени во групи според нивната проточност.

Овие групи MFR (MFR = стапка на проток на маса на топење, претходно: индекс на топење (MFI)) се опишани во DVS 2207-1. Во суштина, истите MFR групи можат да се заваруваат заедно, а во многу случаи и соседни групи (на пр. MFR групи 005 и 010 за PE). Во принцип, прописите или производителите мора да бидат консултирани за ова. Премногу различното однесување на протокот може да има траен ефект врз протокот, а со тоа и врз однесувањето на заварувањето. Ова значи дека истата термопластика или термопластика со слични својства на проток може да се заварат многу подобро. Друг фокус треба да биде на состојбата на полиетилен. Полиетилен има многу широк термопластичен опсег помеѓу приближно 140 и 300 ° C (Слика 3).

Искуството, сепак, покажува дека полиетилен има најдобри (долгорочни) јаки страни на температурата на заварување при заварување на задник со загреана алатка од 200 до 220 ° С. Пониските или повисоките температури имаат неповолен ефект врз јачината. Затоа, посебен акцент мора да се стави на мерењето на температурата на грејниот елемент со употреба на соодветни и редовно калибрирани уреди за мерење на температурата. Ако едниот или обајцата придружни партнери имаат премногу ниска температура при заварување на задник со загреана алатка (на пр., Поради премало време на загревање, предолго време на промена и слично), постои ризик подвижноста на молекуларните ланци да биде прениска и дека треба да се доведе во прашање доволно мешање на партнерите што се приклучуваат.

При заварување на цевки изработени од полиетилен со големи дебелини на wallидовите, прописите за DVS експресно посочуваат дека температурата на грејниот елемент треба да се постави на долната граница на дозволениот температурен опсег од 200 до 220 ° C за заварување на задник на грејниот елемент. Ова се должи на фактот дека поради малата топлинска спроводливост на полиетилен и големата дебелина на материјалот, потребно е релативно долго време на загревање со цел доволно пластифицирање на заедничките партнери (т.е. не само на контактната површина со грејниот елемент, туку и во длабочините на заедничките партнери). Со цел да се спречи оштетувањето како резултат на долгото време на изложеност, температурата се намалува. Ако партнерите што се приклучуваат се пластифицираат премногу малку во длабочина, малку пластифициран материјал брзо се притиска во мониста за заварување за време на процесот на спојување и премногу ладни слоеви се среќаваат во спојната рамнина, што - како што е веќе опишано - веќе не може да се меша доволно.

Влијанието на силата на заварување

Силата на заварување се користи за да се донесат пластифицираните партнери за спојување во контакт едни со други на таков начин што молекуларните ланци се мешаат доволно и може да се развијат делумно кристалните структури што ја одредуваат јачината на полиетилен. Потребната сила на заварување (специфичен притисок на спојување) за полиетилен е специфицирана во DVS 2207-1 и мора да се претвори во соодветните постојни области на заварување (сила по површина). Ако притисокот на заварувањето е погрешно пресметан или ако машината е неисправна/не е калибрирана и се користи погрешен притисок на заварување или не може да се одржи поставениот притисок на заварување (на пр., Поради спукани заптивки на клипот), постои ризик деловите што треба да се спојат да не се мешаат правилно или - ако притисокот на спојување е преголем - премногу пластифициран материјал се притиска во заварувачките зрна.

Бидејќи во последните се среќаваат постудени слоеви, постои недоволно мешање, а со тоа и намалување на јачината. Покрај тоа, претерано високиот притисок предизвикува недопустливо големи деформации на смолкнување, што пак доведува до зголемени преостанати напони во заварениот спој. Прекумерните преостанати стресови можат значително да ја намалат јачината. Значи, мора да има одредена преостаната дебелина на топењето по заварувањето (слика 5). Се претпоставува дека најдобрите јачини на цвест на заварот се постигнуваат со поместување на топењето од приближно 75 проценти [2]. Дебелини на слојот на топење од 0,2 до 0,4 x дебелина на wallидот се типични за полукристална термопластика [2].

Влијанието на времето на заварување

Со загреано заварување на задникот на алатот, постојат неколку временски параметри кои мора да се земат предвид. Најважни се:

Други фактори на влијание

Влијанијата врз животната средина (на пр. Влага, ветер и сл.) И подготовка на заварен спој (под аголно одделување на цевките, отстранување на оксидниот слој итн.) Исто така имаат значително влијание врз квалитетот на заварениот спој. Општо земено, секој заварувач кој е обучен според општо признатите упатства на DVGW (работен лист DVGW GW 330) или DVS (DVS 2212-1) учи соодветно да ги избегнува овие негативни влијанија.

Преостанати напони на заварување

Преостанатите напони на заварувањето треба да се сметаат за критична варијабла во заварен спој. Стресовите не можат целосно да се избегнат во заварен спој поради струи на проток и отклон (слика 6) за време на процесот на заварување и напрегања на смалувањето за време на процесот на ладење, но тие можат значително да се зголемат ако не се почитуваат точните параметри на заварување или не се почитуваат влијанијата врз животната средина.

Премногу високите преостанати напони на заварување можат значително да ја намалат јачината и работниот век на спојот на заварот и на тој начин да доведат до предвремено откажување. Искуството покажа дека преостанатите напони на заварување се во некритичниот опсег за заварувања во согласност со упатствата за ДВС. Зголемените преостанати напони во полупроизводите што беа предизвикани за време на производството и се ослободуваат при загревање/заварување, исто така, можат да имаат траен ефект. Затоа генерално се препорачува употреба на соодветно сертифицирани полупроизводи.

Проценка на површината на фрактурата

Сеопфатна проценка на можните површини на фрактури и нивните можни причини, особено во областа на заварот, ќе го надмине опсегот на оваа публикација. Во принцип, сепак, може да се направи разлика помеѓу еластични и кршливи типови на површини на фрактури (Слика 7а + б). Кршливи фрактури се карактеризираат со мазни површини и укажуваат на слаб/недоволно заварување. Површините на дуктилната фрактура имаат истегната структура и укажуваат на добар заварување.

Во случај на мазни површини на фрактури, молекуларните ланци не можат да се мешаат или мешаат само малку во интерфејсите на двајцата партнери што се приклучуваат (на пр., Поради здружување на партнери кои биле премногу ладни поради недоволни температури/времиња на греење, влијанија од околината, премногу долго време на промена, премногу ниски притисоци на спојување итн.) ненадеен стрес на цвест. Во случај на дуктилни фрактури, молекуларните ланци кои беа добро измешани во интерфејсите беа буквално раздвоени. Самото истегнување може да варира во големина во зависност од видот на полиетилен. Сепак, тие обично покажуваат бела промена на бојата (белење на стрес).

Заварување со електрофузија на полиетилен

За разлика од заварувањето на задник со загреан елемент, со заварување со електрофузија, влијанието на температурата и времето на променливите обично се читаат и се поставуваат автоматски од машините за заварување (претежно со употреба на баркод) (слика 8). Значи, се чини дека не е потребно дополнително внимание на заварувањето. За жал, оваа поставка постојано доведува до оштетување, бидејќи грешките во подготовката на заварувањето обично не можат да се откријат од машините за заварување и да имаат траен ефект врз квалитетот на заварениот спој. Притисокот на заварување се создава од фактот што пластифицираниот материјал помеѓу цевката и приклучокот за грејната намотка гради соодветен притисок поради специфичното за материјалот термичко проширување.

Поради попречената термичка експанзија во приклучокот (поради поголема дебелина на wallидот, засилување на жицата или специфично ослободени замрзнати напрегања на стегање) и полиетилен кој брзо се зацврстува во областа на работ на приклучокот (во т.н. ладни зони), потребниот притисок на заварување се собира во рамнината на спојот кога се загрева. Процесите на проток помеѓу пластифицираните материјали на партнерите што се приклучуваат исто така се одвиваат во оваа фаза. Сепак, ова претпоставува дека јазот помеѓу цевката и приклучокот е во рамките на дозволените толеранции (цевка, приклучок, овалност, итн.) И дека подготовката на заварениот спој (на пр. Отстранување на оксидниот слој итн.) Е извршена правилно. Потребните температури на заварување се генерираат од протокот на струја во жиците за отпор. Веќе споменатите врски се применуваат и овде. Квалитетот на електрофузиската врска се определува со правилно зголемување на притисокот, правилно поставување на температурата и времето и, според тоа, во суштина од знаењето на производителот и, се разбира, од правилната подготовка на спојот на заварот.

Заварување вкрстено поврзано PE-X

Заварувањето на вкрстениот полиетилен (PE-X) досега беше практично применливо и вообичаено само во врска со заварување со електрофузија и комбинацијата на "цевка изработена од PE-X и приклучок за електрофузија изработена од PE-HD". Обидите да се постигнат чисти заварени споеви изработени од PE-X или во комбинација со PE-HD заеднички партнер во процесот на заварување задник на грејниот елемент со споредливи долгорочни јачини со чисти заварувања PE-HD досега не успеаја. Вкрстениот полиетилен значително се разликува од не-вкрстениот полиетилен во однос на неговите својства.

Бројот на хемиски врски помеѓу молекуларните ланци во вкрстено поврзаниот полиетилен е многу мал (приближно споредлив со тродимензионална мрежа со широка мрежа). Самите вкрстени врски се наоѓаат во аморфните области на материјалот. Од гледна точка на заварување, вкрстениот полиетилен може да се омекне со загревање, но бидејќи молекуларните ланци постојат како тродимензионална мрежа, тие повеќе не можат да се лизгаат едни од други. Ова значи дека заварувањето во вообичаена смисла повеќе не е можно. Јаките страни на комбинацијата на "цевка PE-X со приклучок за греење на серпентина HDPE", што се доволни за практична употреба, се објаснуваат со фактот дека, поради нискиот степен на вкрстено поврзување во цевките PE-X, има релативно долги, подвижни делови на ланец помеѓу пресечните точки и краевите на ланецот се наоѓаат.

Во граничните области, овие можат барем делумно да се мешаат со слободно движечките молекуларни ланци на (не-вкрстено) приклучокот за намотка за греење направен од PE-HD и во некои случаи, исто така, да ги обноват делумно кристалните структури кога ќе се оладат (хипотеза на мешани кристали, [13]). Пониското ниво на јачина (поради попречената подвижност на вкрстено поврзаните молекуларни ланци) се компензира со прилично голема достапна површина за заварување. Се постигнуваат потребните долгорочни јаки страни.

Резиме

Како и со другите материјали, заварувањето на полиетилен бара некои основни специфични за материјалите и основни знаења за заварување. Ова знаење и неговото правилно спроведување во согласност со прописите за ДВС овозможуваат производство на заварени споеви кои имаат веродостојно долг век на траење за заварување на загреваниот елемент и заварување со електрофузија - споредливо со оној на полиетиленските цевки.

Заварувачот може да го стекне ова знаење, на пример, во општо признати курсеви за обука (според работниот лист DVGW GW 330 или DVS 2212-1, DVS 2213). Покрај заварувањето, поставувањето и рачните вештини, подготовката за заварување и опремата е суштинска гаранција за добар квалитет на заварување. Без ова основно знаење и неговото правилно спроведување, соодветниот квалитет на заварување е (скапа) игра на среќа.

литература

Извор: ББР 5/05, страници 24-30