В чем отличие стыковой сварки нагретым инструментом от раструбной сварки нагретым инструментом

Обновлено: 08.01.2025

Нагрев свариваемых поверхностей производится металлическим нагретым инструментом. Из-за прямого контакта с нагретым инструментом теплоперенос гораздо более интенсивный, чем в случае сварки горячим воздухом; распределение тепла в массе свариваемого материала в этом случае также более благоприятно, никакие зоны материала не получают большего термического стресса, чем необходимо для сварки. Получаемые в результате сварные швы не имеют зон термически поврежденного материала. Прочность соединения труб при таком способе сварки не ниже, чем прочность исходной трубы.

1. Принципиальные положения

Труба и соединительный элемент (фитинг) свариваются в раструб. Нагретый инструмент состоит из двух частей – муфты и дорна – которые крепятся на нагревателе сварочного аппарата. После нагрева инструмента до рабочей температуры внешняя поверхность трубы нагревается муфтой нагретого инструмента, одновременно с этим внутренняя поверхность фитинга нагревается дорном нагретого инструмента. По достижении оплавления внешней поверхности трубы и внутренней поверхности фитинга нагретый инструмент удаляется из зоны сварки, а труба и фитинг совмещаются и остужаются. Внешний диаметр трубы незначительно выше номинального диаметра, а внутренний диаметр фитинга – незначительно меньше номинального диаметра трубопровода. Например, труба диаметром 20 мм на самом деле имеет наружный диаметр 20,3-20,5мм, а фитинг соответствующего размера имеет внутренний диаметр 19,5-19,7мм. При этом диаметры рабочих поверхностей сварочных насадок в их средней части соответствуют номинальному диаметру. Таким образом, труба и фитинг без нагрева не могут быть совмещены ни со сварочными насадками, ни друг с другом.

По мере совмещения трубы с муфтой нагретого инструмента наружный слой трубы оплавляется и выдавливается наружу в форме валика (грата), а внутренние слои прогреваются достаточно, чтобы упруго сжаться и позволить трубе войти в муфту нагретого инструмента. Похожий эффект наблюдается при совмещении фитинга с дорном нагретого инструмента. При совмещении трубы и фитинга после нагрева труба упруго сжимается, а фитинг упруго растягивается. В результате нагретые свариваемые поверхности давят друг на друга, вытесняя воздух и обеспечивая перемешивание расплавленного материала.
Сравнительно сложное описание принципа раструбной сварки, однако, выражается для монтажника в выполнении довольно простых действий, не отнимающих много времени для выполнения соединения.

2. Подготовка к сварке

Свариваемую внешнюю поверхность трубы рекомендуется подготовить с помощью калибратора и фаскоснимателя. Калибратор устраняет т.н. эллипсность трубы и, в случае необходимости, уменьшает ее внешний диаметр до нормы, при этом удаляя возможные загрязнения и оксидный слой.

СП 40-102-200 рекомендует на концах труб снимать наружную фаску под углом 45° на 1/3 толщины стенки трубы с помощью т.н. фаскоснимателя. Для труб небольшого диаметра (до 40мм) этой рекомендацией обычно пренебрегают. Для труб диаметром 50мм и выше – пренебрегать не стоит. Фаскосниматель позволяет также снять внутреннюю фаску с торца трубы для уменьшения возможного внутреннего грата и риска уменьшить внутреннее сечение трубопровода в месте сварки.

Замечание: В подавляющем большинстве случаев нет необходимости делать на внешней стороне трубы отметку глубины входа трубы в муфту сварочной насадки. Эта глубина, так же как и глубина погружения нагретого дорна сварочной насадки в фитинг, – величина стандартизованная для каждого диаметра трубопровода. На практике труба вставляется в муфту сварочной насадки, пока не упрется в дно муфты. Фитинг надевается на нагретый дорн, пока не упрется в основание дорна – в этот же момент вершина дорна касается внутреннего ограничителя фитинга.

Внимание! После того как труба уперлась в дно муфты сварочной насадки, а внутренний ограничитель фитинга уперся в вершину дорна сварочной насадки, не следует продолжать давить на трубу и фитинг с прежней силой. Просто зафиксируйте положение трубы и фитинга на время нагрева. Продолжая прилагать усилие, вы рискуете смять торец трубы и внутренний ограничитель фитинга в процессе нагрева.

Если по какой-либо причине глубина фитинга не соответствует размерам нагретого инструмента, следует измерить глубину фитинга вручную и сделать отметку на внешней стороне трубы.

3. Процесс сварки

Оплавление свариваемых поверхностей (наружной поверхности трубы и внутренней поверхности фитинга) должно осуществляться быстро, чтобы труба и фитинг не успели прогреться насквозь. Иначе они потеряют форму, совместить их будет невозможно. Поэтому температура нагретого инструмента должна быть высокой.
Излишний перегрев нагретого инструмента ведет к существенной термической деградации материала трубы и фитинга.
Политетрафторэтилен (тефлон), которым покрыты рабочие поверхности нагретого инструмента, длительно работоспособен при температурах до 260°С, при более высоких температурах он постепенно деградирует.

Такой режим нагрева приводит к последующему созданию некоторого вредного внутреннего напряжения материала в зоне соединения. Однако это компенсируется почти двойной толщиной стенки полученного трубопровода в зоне соединения и большой площадью сварки (гораздо больше площади торца трубы при сварке встык).

Температура нагретого инструмента задается оператором на панели управления (если таковая имеется у аппарата), автоматика аппарата поддерживает ее на постоянном уровне в пределах погрешности этого аппарата.

Фитинг совмещается с дорном нагретого инструмента до упора, одновременно труба совмещается с муфтой нагретого инструмента до упора (или, как в вышеописанном случае, до отметки на трубе).

Замечание: Если одновременное совмещение невозможно, следует начать с фитинга.

После упора не следует прилагать дальнейших усилий по совмещению трубы и фитинга с нагретым инструментом – при дальнейшем нагреве это может привести к деформации торца трубы и внутреннего упора фитинга, и в конечном счете – к уменьшению внутреннего сечения трубопровода в месте сварки. От момента достижения упора начинается отсчет времени нагрева (см. табл).

Коротко о сварке нагретым инструментом в раструб

Труба и соединительный элемент (фитинг) свариваются в раструб. Нагретый инструмент состоит из двух частей ? муфты и дорна ? которые крепятся на нагревателе сварочного аппарата. После нагрева инструмента до рабочей температуры внешняя поверхность трубы нагревается муфтой нагретого инструмента, одновременно с этим внутренняя поверхность фитинга нагревается дорном нагретого инструмента. По достижении оплавления внешней поверхности трубы и внутренней поверхности фитинга нагретый инструмент удаляется из зоны сварки, а труба и фитинг совмещаются и остужаются.

Внешний диаметр трубы незначительно выше номинального диаметра, а внутренний диаметр фитинга ? незначительно меньше номинального диаметра трубопровода. Например, труба диаметром 20 мм на самом деле имеет наружный диаметр 20,3-20,5мм, а фитинг соответствующего размера имеет внутренний диаметр 19,5-19,7мм. При этом диаметры рабочих поверхностей сварочных насадок в их средней части соответствуют номинальному диаметру. Таким образом, труба и фитинг без нагрева не могут быть совмещены ни со сварочными насадками, ни друг с другом.

Сравнительно сложное описание принципа раструбной сварки, однако, выражается для монтажника в выполнении довольно простых действий, не отнимающих много времени для выполнения соединения.

СП 40-102-200 рекомендует на концах труб снимать наружную фаску под углом 45? на 1/3 толщины стенки трубы с помощью т.н. фаскоснимателя. Для труб небольшого диаметра (до 40мм) этой рекомендацией обычно пренебрегают. Для труб диаметром 50мм и выше ? пренебрегать не стоит. Фаскосниматель позволяет также снять внутреннюю фаску с торца трубы для уменьшения возможного внутреннего грата и риска уменьшить внутреннее сечение трубопровода в месте сварки.

Замечание: В подавляющем большинстве случаев нет необходимости делать на внешней стороне трубы отметку глубины входа трубы в муфту сварочной насадки. Эта глубина, так же как и глубина погружения нагретого дорна сварочной насадки в фитинг, ? величина стандартизованная для каждого диаметра трубопровода. На практике труба вставляется в муфту сварочной насадки, пока не упрется в дно муфты. Фитинг надевается на нагретый дорн, пока не упрется в основание дорна ? в этот же момент вершина дорна касается внутреннего ограничителя фитинга.

В отличие от стыковой сварки, где нагрев свариваемых поверхностей производится невысокой температурой в течение длительного времени для избежания внутренних напряжений в материале, при раструбной сварке температура нагретого инструмента завышена, и нагрев происходит быстро. Выбор температуры нагретого инструмента при разработке технологии раструбной сварки основывался на нескольких ограничениях:

Оплавление свариваемых поверхностей (наружной поверхности трубы и внутренней поверхности фитинга) должно осуществляться быстро, чтобы труба и фитинг не успели прогреться насквозь. Иначе они потеряют форму, совместить их будет невозможно. Поэтому температура нагретого инструмента должна быть высокой.

Излишний перегрев нагретого инструмента ведет к существенной термической деградации материала трубы и фитинга.

Политетрафторэтилен (тефлон), которым покрыты рабочие поверхности нагретого инструмента, длительно работоспособен при температурах до 260?С, при более высоких температурах он постепенно деградирует.

После упора не следует прилагать дальнейших усилий по совмещению трубы и фитинга с нагретым инструментом ? при дальнейшем нагреве это может привести к деформации торца трубы и внутреннего упора фитинга, и в конечном счете ? к уменьшению внутреннего сечения трубопровода в месте сварки. От момента достижения упора начинается отсчет времени нагрева (см. табл. 1).

Таблица 1 Технологические интервалы для раструбной сварки трубопроводов из ПП Тип 3 (согласно DVS 2207-1)

Сварка пластмасс

Сварка пластмасс – это технологический процесс получения неразъемного соединения элементов конструкции посредством диффузионно-реологического или химического взаимодействия макромолекул полимеров, в результате которого между соединяемыми поверхностями исчезает граница раздела и образуется структурный переход от одного полимера к другому.

Классификация способов сварки пластмасс

По механизму процесса сварку пластмасс можно разделить на диффузионную и химическую; по методам активирования процесса — на тепловую сварку, сварку растворителями и сварку комбинированием нагрева и действия растворителей (рис. 1).

Сварка пластмасс растворителями

При сварке с растворителями необходимая подвижность молекулярных цепей создается за счет набухания контактирующих поверхностей в растворителе или смеси растворителей. Подразделяется она на сварку чистым растворителем (или смесью растворителей), лаковой композицией (раствором полимера в растворителе) и полимеризующейся композицией (раствором полимера в мономере).

Тепловая сварка пластмасс

Тепловая сварка имеет наибольшее число разновидностей. Классифицировать ее можно по различным критериям:

способам передачи тепловой энергии;
степени механизации;
по области применения;
в зависимости от источника энергии.

Однако наиболее точно отражает современное состояние технологии сварки пластмасс классификация разновидностей тепловой сварки в зависимости от источника нагрева.

При этом выделяют две группы сварки: с использованием внешнего теплоносителя и с генерированием тепла внутри свариваемого материала за счет преобразования различных видов энергии.

Сварка пластмасс с использованием внешнего теплоносителя

Группа способов сварки пластмасс с использованием внешнего теплоносителя подразделяется на сварку нагретым газом, нагретым инструментом и расплавом.

Сварка нагретым газом

Сварка нагретым газом производится путем одновременного разогрева свариваемых изделий струей горячего газа-теплоносителя, нагреваемого в специальном устройстве. Сварку нагретым газом выполняют с применением присадочного материала и без него, вручную или с использованием специальных приспособлений для механизации процесса сварки. Применяется присадочный материал в виде прутков с различной формой сечения. При сварке по классической схеме нагревательное устройство совершает колебательные движения в плоскости, образованной направлением шва и осью присадочного прутка. Сварочный пруток прижимают и удерживают рукой, если он достаточно жесткий или при помощи ролика, если пруток мягкий. Применяя специальные насадки на нагревательное устройство, обеспечивают одновременный подогрев свариваемых кромок и прутка, при этом пруток втягивается в отверстие насадки при перемещении устройства вручную вдоль шва и прижимается к кромкам выступом на насадке. Сварка без присадочного материала может производиться с подводом тепла непосредственно к свариваемым поверхностям (прямой метод) или с подводом тепла к внешней поверхности деталей (косвенный метод).

Сварка нагретым инструментом

Сварка нагретым инструментом основана на оплавлении поверхностей сварки путем их прямого соприкосновения с нагреваемым инструментом. Подразделяется на сварку инструментом, удаляемым из зоны сварного шва (с подводом тепла как с внешней стороны деталей, так и непосредственно к соединяемым поверхностям), и сварку элементом, остающимся в сварном шве.

При сварке косвенным методом нагретый инструмент соприкасается с внешними поверхностями соединяемых деталей, а тепло передается к перекрывающим друг друга свариваемым поверхностям за счет теплопроводности свариваемого материала. В настоящее время нашли применение ленточная, роликовая, прессовая и термоимпульсная сварка. При ленточной сварке для нагрева свариваемых изделий и создания давления используется нагретый инструмент в виде ленты, а при роликовой – в виде ролика. При прессовой сварке для создания необходимого сварочного давления применяются сварочные прессы, позволяющие осуществить шаговую сварку. При термоимпульсной сварке используют малоинерционный нагреватель (лента или проволока), по которому периодически пропускают электрический ток; после отключения электроэнергии сварной шов быстро охлаждается.

Из применяемых способов сварки с подводом тепла к соединяемым поверхностям известны сварки:

стыковая;
раструбная(используется преимущественно для соединения труб);
сварка нахлесточных соединений (используется для соединения тонкостенных изделий и пленок);
сварка с одновременным формованием изделий(в паз или с изгибанием деталей).

При стыковой и раструбной сварке после оплавления свариваемых поверхностей изделия разводятся, инструмент убирается, а оплавляемые поверхности соединяются под небольшим давлением и свариваются. При стыковой сварке соединяются торцы изделий, а в качестве нагревательного инструмента применяется плоский или профилированный диск (кольцо).

При раструбной сварке соединяются внутренняя поверхность раструба и наружная поверхность трубы, а нагревательный инструмент имеет два рабочих элемента: гильзу для оплавления наружной поверхности конца трубы и дорн для оплавления внутренней поверхности раструба.

Сварку нахлесточных соединений можно осуществлять одновременным нагревом соединяемых поверхностей по всея длине, а также, перемещая инструмент или свариваемые изделия. Наибольшее распространение получил способ сварки с механизированной подачей свариваемых изделий и неподвижным нагревательным инструментом.

Из способов сварки элементом, остающимся в сварном шве, практическое применение нашли сварка электросопротивлением и индукционная сварка. Сварка электросопротивлением основана на применении закладных нагревательных элементов с высоким электрическим сопротивлением. Закладные элементы в виде сетки или спирали вводятся между соединяемыми поверхностями. При пропускании по закладному элементу электрического тока соединяемые поверхности оплавляются.

При индукционной сварке нагрев закладного элемента происходит в электромагнитном высокочастотном поле, а в качестве нагревательного элемента используются металлические вкладыши или порошки оксидов металлов.

Сварка пластмасс расплавом

Сварка расплавом основана на использовании тепла расплавленного присадочного материала, подаваемого между соединяемыми поверхностями и передающего часть своего тепла материалу соединяемых изделий, что ведет к его плавлению и получению неразъемного соединения. Подразделяется на сварку экструдируемой присадкой, расплавленным прутком и литьем под давлением, которые могут выполняться как с предварительным подогревом свариваемых поверхностей нагретым газом или теплоотдачей от мундштука сварочного устройства, так и без подогрева.

При сварке экструдируемой присадкой (экструзионной сварке) расплав получается с помощью экструдера, обеспечивающего непрерывную подачу расплава, а в качестве исходного сырья используется гранулированный материал. При сварке расплавленным прутком расплав получается из присадочного прутка путем его нагрева в устройствах прямоточного типа, откуда расплав выдавливается непрерывно поступающим еще не нагретым присадочным прутком, который сматывается с бухты и подается в нагревательный цилиндр с помощью специальных тянущих роликов. При сварке литьем под давлением для получения расплавленного присадочного материала применяются литьевые машины.

Сварка пластмасс с генерированием тепла внутри свариваемого материала

Группа способов сварки пластмасс с генерированием тепла внутри свариваемого материала путем преобразования различных видов энергии подразделяется на сварку трением, сварку ультразвуковую, сварку высокочастотную и сварку излучением.

Сварка пластмасс трением

Сварка трением основана на получении тепловой энергии для оплавления свариваемых поверхностей за счет трения. Очень низкая теплопроводность, характерная для термопластов, способствует сохранению тепла лишь в зоне трущихся поверхностей, в то время как температура всего изделия остается практически неизменной. Разделяется на сварку вращением (вращение соединяемых деталей; вращение промежуточных элементов) и вибротрением.

Ультразвуковая сварка пластмасс

Ультразвуковая сварка основывается на нагреве свариваемых поверхностей до температуры размягчения в результате превращения энергии колебаний ультразвуковой частоты в тепловую энергию, при этом механические колебания ультразвуковой частоты и давление действуют по одной линии, перпендикулярно к соединяемым поверхностям. В зависимости от взаимного перемещения инструмента и деталей подразделяется на прессовую сварку (точечная, прямошовная, контурная) и роликовую сварку (сварка непрерывным и прерывистым швом). Ультразвуковая сварка может классифицироваться также и по другим признакам: в зависимости от способа подведения энергии, наличия присадочного материала, а также в зависимости от способа дозирования энергии.

Высокочастотная сварка пластмасс

Высокочастотная сварка пластмасс основана на диэлектрическом нагреве материала в высокочастотном электромагнитном поле в результате преобразования электрической энергии в тепловую. В зависимости от схемы взаимного перемещения инструмента и свариваемых изделий высокочастотная сварка подразделяется на прессовую и роликовую. Может выполняться в основном поле и в поле рассеивания с нагревом соединяемого материала или материала прокладок, располагаемых как снаружи свариваемых деталей, так и между ними.

Сварка пластмасс излучением

Из разновидностей сварки излучением, отличающихся друг от друга источником и характером излучения, используется световая сварка с применением и без применения присадочного материала, сварка лазерная и сварка инфракрасном излучением с подводом тепла непосредственно к соединяемым поверхностям (прямой метод) или к внешней поверхности соединяемых изделий (косвенный метод). Более широко применяется сварка инфракрасным излучением, которая основывается на свойстве термопластичных материалов поглощать падающие на них инфракрасные лучи и превращать электромагнитную энергию в тепловую.

Список литературы:
Зайцев К.И., Мацюк Л.Н. Сварка пластмасс.- М.: Машиностроение,1978.-222с.
Комаров Г.В. Способы соединения деталей из пластических масс.- М.: Химия,1979.-288с.
Шестопал А.Н., Шишкин В.А., Новиков В.А Способы соединения элементов конструкций из листовых полимерных материалов.- К.: О-во «Знание» УССР,1982.-31с.
Автор: Шестопал А.Н., Васильев Ю.С., Минеев Э.А. и др
Источник: Справочник по сварке и склеиванию пластмасс
Дата в источнике: 1986 год

Эволюция технологии стыковой сварки пластмассовых труб

В середине 50-х годов прошлого века немецкий химик-органик Карл Циглер и итальянский физик-химик Джулио Натта подарили миру технологии производства полиэтилена низкого давления и изотактического полипропилена. Рождение этих технологий ознаменовало начало великого переворота, который мы до сих пор переживаем во многих областях жизни, особенно ? в системах трубопроводного транспорта. Специалисты разных стран очень быстро оценили достоинства новых материалов:

Поэтому на стыке 50-х и 60-х годов технологи стран с развитой промышленностью лихорадочно разрабатывали технологии производства трубопроводов из этих материалов.

Новые материалы оказались более ярко-выраженными термопластами, чем уже известный ПВХ, т.е. температура терморазрушения намного превышала температуру вязкой текучести. Поэтому известные технологии экструдирования труб и литья соединительных деталей были легко адаптированы для ПНД и ПП даже с некоторыми упрощениями.

Однако рекомендации по технологии сварки в различных источниках того времени заметно отличались друг от друга и нуждались в практической проверке.

Это не испугало, а, скорее, вдохновило специалистов технически развитых стран на эксперименты по созданию оборудования и проведению ?опытного? монтажа пластмассовых трубопроводов.

2. Через несколько лет в Отчете Экспериментально-Конструкторского Бюро Госмонтажспецстроя СССР по теме ?Применение неметаллических труб в технологических трубопроводах? (1964г.) для соединения труб предлагаются:

Разъемные механические соединения, аналогичные современным фитингам для труб из PEX. Рекомендуются для применения ??в полиэтиленовых трубопроводах для сред, не вызывающих коррозии металлических деталей?.

Комментарий автора: Время релаксации напряжений у ПНД в несколько раз меньше, чем у PEX . Другими словами, ПНД сравнительно быстро ?вытекает? из-под обжимающих деталей механического соединения, соединение теряет прочность и герметичность.

Прутковая сварка горячим газом. Рекомендуется для труб из ПНД и ПВХ. Отмечается, однако, что прочность сварного соединения колеблется в пределах 30-80% прочности основного материала.
Раструбная сварка.
Контактно-стыковая сварка.

Применявшиеся в то время технологии раструбной и стыковой сварки существенно отличаются от современных описанных в нормативных документах и широко применяемых технологий.

?При контактно-стыковой сварке на концах свариваемых труб снимаются внутренние фаски под углом 60 º . Затем торцы труб прижимают к поверхности металлического нагревательного элемента, нагретого газовой горелкой до температуры 200-230 º и держат до тех пор, пока не начнут плавиться подлежащие сварке поверхности, после чего концы труб соединяются небольшим усилием рук.

Нагревательные элементы для контактной сварки изготавливаются из тщательно отполированной нержавеющей стали или из меди?

Фторопласт-4 (политетрафторэтилен), который составляет основу всем привычного теперь ?тефлонового? покрытия, в то время был диковинкой, хотя и производился в СССР для оборонных целей уже с 1948г. Поэтому тефлоновое покрытие на рабочие поверхности нагревателя не наносилось. Полировка поверхности и другие ухищрения достойного эффекта, к сожалению, не давали. Но ведь не отказываться из-за этого от контактной сварки пластмасс!

В своей Научно-исследовательской работе по теме ?22 ?Трубопроводы из термопластов? (1963г.) Лаборатория пластмассовых труб и изделий Отдела полимерных материалов Академии строительства и архитектуры СССР дает следующее оправдание прилипанию расплавленного материала к нагретому инструменту:

??часть вязко-текучего материала остается на нагревательных поверхностях вследствие прилипания?Отрыв материала происходит по зоне, находящейся в наиболее текучем состоянии?Прилипание поверхностного слоя полиэтиленовых труб и деталей к инструменту имеет положительное значение. На нагревательных поверхностях остается как раз та часть материала, которая наиболее окислилась при контакте и которая могла быть загрязнена с поверхности.?

К 1965г. стандартизация труб, деталей и методов их сварки вс? еще не была проведена. В отчете ВНИИГС Госмонтажспецстроя СССР по теме ?Трубопроводы из полимерных материалов? (1964-1965гг.) указывается на недостаток технологий и нормативной базы:

??до сих пор не произведен отбор наилучших видов приспособлений, инструмента, нет официальных инструкций по изготовлению и монтажу полиэтиленовых трубопроводов из ПВП в пределах всего действующего сортамента выпускаемых труб, т.е. до Ø 300мм?.

3. Даже в 1970г. технология стыковой сварки еще далека от совершенства. Согласно Отчету ВНИИМОНТАЖСПЕЦСТРОЯ по теме ?Разработка технологии изготовления деталей и узлов трубопроводов из полимерных материалов? (1970г.), технология стыковой сварки состоит в следующем (см. рис.1):

??концы свариваемых труб торцуют, снимают фаски?После центровки труб торцы их прижимают к нагревательному инструменту с небольшим усилием, обеспечивая равномерность прогрева материала и удаления пузырьков. Для труб из ПНД величина усилия составляет ? 0,5 кгс/см 2 .?

Правда, рекомендации по температуре нагретого инструмента и времени нагрева торцов здесь уже близки к современной технологии, а поверхность нагревателя рекомендуется хромировать, никелировать или (!) покрывать фторопластовой пленкой. Однако, время перестановки, осадки и охлаждения, а также усилие прижима труб при охлаждении никак не регламентируются, а прочность шва по-прежнему составляет 75-85% прочности основного материала

Тем не менее, технология стыковой сварки в России оставалась ?недоделанной? и не утвержденной единым государственным документом до 1979г, когда

?Многолетние исследования НПО ?Пластик? и ВНИИ строительства магистральных трубопроводов завершены разработкой ОСТ 6-19-505-79 Сварка контактная встык труб из полиэтилена.?

В 1988г. технология стыковой сварки была закреплена в более новом нормативном документе - ВСН 003-88 СТРОИТЕЛЬСТВО И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТРУБОПРОВОДОВ ИЗ ПЛАСТМАССОВЫХ ТРУБ.

Для того чтобы оценить огромный путь, пройденный разработчиками технологии, попробуем проследить ход их мысли.

Для осуществления процесса сварки необходимо нагреть свариваемые поверхности для разрыва сил взаимодействия между макромолекулами (Ван-дер-Ваальсовых сил) и приведения материала в вязко-текучее состояние. Затем необходимо прижать поверхности друг к другу, в результате чего вязко-текучий материал в зоне контакта начинает течь, выдавливая загрязнения и пузырьки воздуха, макромолекулы свариваемых поверхностей перемешиваются, граница между свариваемыми изделиями исчезает. При охлаждении материала тепловое движение молекул становится слабее, и Ван-дер-Ваальсовы силы снова связывают их в твердое тело. (Вольное изложение книги С.С. Волкова 'Сварка и склеивание полимерных материалов', Москва из-во 'Химия' 2001г.)

На первый неискушенный взгляд, технология стыковой сварки, описанная в 1964г., работоспособна и достаточна. Кажется, что к ней нечего добавить, кроме тефлонового покрытия нагревателя.

При ближайшем рассмотрении оказывается, что первая ошибка была допущена в рекомендации снятия внутренней фаски при подготовке торцов труб к сварке (рис.1). Фаски давали пространство для внутреннего валика расплавленного материала (грата), в результате внутреннее сечение трубопровода в месте сварки не уменьшалось. Зато уменьшение площади сечения торца трубы (т.е. свариваемой поверхности) отнимало все шансы приблизить прочность такого сварного соединения к прочности исходной трубы.

Зато когда недопустимость слишком маленькой площади свариваемой поверхности была осознана, эксперименты с т.н. сваркой в конический раструб постепенно привели к созданию современной технологии раструбной сварки. Но это совсем другая история.

Помимо этого, рекомендованный в 1964г. непродолжительный нагрев свариваемых поверхностей ??пока не начнут плавиться подлежащие сварке поверхности?? приводит к резким перепадам температуры в близко расположенных друг от друга областях (рис.2). В результате после охлаждения шва получаем внутренние напряжения, снижающие прочность шва.

Для максимального устранения внутренних напряжений необходим как можно более глубокий и плавный прогрев торца трубы (или листа, если речь о стыковой сварке листов). Глубина прогрева ограничивается тем обстоятельством, что при последующем прижиме торцов друг к другу прогретая область не должна смяться.

Оптимальная глубина прогрева примерно равна толщине стенки трубы (или толщине листа), причем тонкий слой материала, контактирующий с нагревателем, должен быть нагрет до вязко-текучего состояния (рис. 3). Современное описание технологии утверждает, что такой прогрев обеспечивается при следующих условиях:

значение времени нагрева в секундах приблизительно равно десятикратному значению толщины стенки трубы в миллиметрах (табл. 1).

В рекомендациях 1970г. значения температуры нагревателя уже указаны верно. Однако усилию прижима торца трубы к нагревателю еще не уделили должного внимания.

При первом контакте торцов труб и поверхности нагревателя оказывается, что даже тщательно подготовленная поверхность торца далека от идеальной плоскости. Поверхность нагревателя также имеет определенную шероховатость. Тонкий воздушный зазор, который остается между торцом трубы и нагревателем ? серьезное препятствие для переноса тепла от нагревателя к свариваемой поверхности.

Осталось определить, с каким усилием необходимо прижимать трубу к нагревателю. Если усилие будет недостаточным, грат рано или поздно вс?-таки достигнет нужной высоты, однако время будет упущено.

Оптимальное усилие прижима для труб из ПНД к нагревателю на ПЕРВОМ этапе сварки, рекомендуемое в DVS 2207-1 (Германия) и нескольких Российских нормативных документах ? 1,5 кгс на каждый см 2 площади торца трубы.

Время образования грата нужной высоты не регламентируется. Готовность грата оператор всегда определяет визуально, даже при сварке на автоматизированном аппарате.

Когда полный тепловой контакт достигнут, усилие прижима между трубой и нагревателем, теоретически, можно сбросить до нуля. Практически, для поддержания гарантированного контакта между трубой и нагревателем на реальном оборудовании какое-то минимальное усилие прижима вс?-таки нужно оставить. Расчеты показывают, что 10-кратное уменьшение усилия прижима (т.е. до 0,15 кгс/см 2 ) вполне достаточно, чтобы вязко-текучий материал перестал сколько-нибудь заметно течь, увеличивая высоту грата.

Поскольку время образования грата незначительно по сравнению с требуемым временем нагрева торца трубы (табл. 1), отсчет времени нагрева (ВТОРОЙ этап сварочного процесса) начинают именно от момента сброса усилия прижима.

По окончании нагрева (рис. 3) необходимо удалить нагреватель и прижать свариваемые поверхности друг к другу для их сварки. Время от момента потери контакта между трубой и нагревателем до момента касания свариваемых торцов труб называют временем перестановки (ТРЕТИЙ этап).

Среди факторов, ограничивающих допустимое время перестановки, на первом месте ? остывание оплавленного торца трубы до потери вязко-текучего состояния. Поскольку проведение сварки пластмассовых изделий рекомендовано при температуре воздуха в диапазоне 5-40ºС, максимально допустимое время перестановки с небольшой перестраховкой определено для самых жестких условий ? для температуры 5ºС. Очевидно, что для толстостенных труб допустимое время перестановки выше, чем для тонкостенных. От диаметра трубы оно никак не зависит.

По некоторым исследованиям, горячий полиэтилен (ПНД) довольно быстро окисляется на воздухе, хотя и заметно медленнее, чем полипропилен (ПП). Поэтому следует стараться всеми силами сокращать время перестановки.

Очевидно, что идеальным результатом является соединение, которое в течение расчетного срока эксплуатации трубопровода будет иметь прочность не ниже прочности исходной трубы.

Однако по меньшей мере два фактора снижают качество материала в зоне сварки. Первый из них ? возможное наличие пузырьков воздуха, окисленного материала и загрязнений в зоне сварки, о чем говорилось выше. Способ борьбы с этой неприятностью ? прижать свариваемые поверхность со значительным усилием, чтобы указанные вредные включения ?текли? наружу вместе с расплавленным материалом.

Второй ?неприятный? фактор ? известен как термодеструкция. Макромолекулы даже самых лучших термопластов статистически разрушаются при нагреве, средняя длина молекул снижается, и прочность материала уменьшается. Этот эффект тем больше, чем выше температура нагрева материала.

Оптимальное усилие прижима для ПНД, соответствующее указанному режиму нагрева, это опять же 1,5 кгс/см 2 .

Однако не это самое страшное. Макромолекулы материала в исходной стенке трубы расположены хаотично, без какой-либо преимущественной направленности. Благодаря этому исходный материал имеет одинаковую прочность в любом направлении, т.е. является аморфным. Если же заставить материал течь в тонком зазоре, то в этом самом зазоре преимущественное расположение макромолекул будет направленным от оси трубы. Принимая во внимание, что у подавляющего большинства термопластов ?расслоить? макромолекулы (т.е. преодолеть Ван-дер-Ваальсовы силы) значительно легче, чем разорвать саму макромолекулу (т.е. преодолеть силы химического взаимодействия между ее звеньями), такой сварной шов будет иметь низкую прочность в направлении, параллельном оси трубы.

Для снижения этого неприятного эффекта между перестановкой и охлаждением введена дополнительная технологическая фаза ? осадка (ЧЕТВЕРТЫЙ этап сварочного процесса). Заключается она в том, что после контакта торцов трубы усилие прижима необходимо создавать не мгновенно, а плавно, в течение строго регламентированного ?времени осадки?. Таким образом, самый горячий слой успевает отдать часть тепла соседним слоям материала и перейти из вязко-текучего состояния в пластичное. Распределение температуры в изделии через короткое время после контакта показано на рис.9.

Регламентированное время осадки, очевидно, увеличивается с увеличением толщины стенки и не зависит от диаметра трубы.

Реальный шов (рис. 10) отличается от идеального (рис. 7) наличием грата. Бытует мнение, что грат увеличивает прочность шва. Однако испытания показали, что углы, образуемые гратом, при приложении нагрузок к трубе являются такими же концентраторами напряжений, как и острый надрез. Поэтому, в общем случае, аккуратное (без царапин) удаление грата не снижает прочность сварного соединения.

5. Не умаляя достоинств Российских разработчиков технологии и не сомневаясь в самостоятельности их работы, следует, однако, заметить, что в настоящее время в мире существует несколько стандартов на технологию стыковой сварки - DVS, INSTA, WIS, UNI и др. Эти стандарты обыгрывают три основных параметра каждого технологического этапа сварки ? температуру, усилие прижима и продолжительность. Однако приводят к более или менее одинаковым результатам, из которых главный - прочность сварного соединения не ниже прочности исходной трубы. Наиболее популярным для стыковой сварки труб из ПНД является DVS 2207-1 Германской Ассоциации Сварочных Технологий (Deutscher Verband für Schweißtechnik DVS). Российский ВСН 003-88 во многом его повторяет, хотя и недостаточно подробно.

Сварка встык нагретым инструментом

1. Принципиальные положения

Сварка встык заключается, в принципе, в нагреве торцов свариваемых труб до расплавления материала и в последующем сжатии нагретых торцов для остывания.

Однако, реализация этой простой идеи требует аккуратного выполнения целого ряда условий для получения качественного сварного соединения.

Современные автоматизированные аппараты для стыковой сварки существенно снижают влияние человеческого фактора на качество стыкового сварного соединения, но полностью его не устраняют.

2. Состав оборудования

Минимальный состав оборудования показан на рис. 2 и 3 и зависит от типа привода аппарата.

Рисунок №2 «Состав оборудования с механическим приводом для стыковой сварки»

Рисунок №3 «Состав оборудования с гидравлическим приводом для стыковой сварки»

центратор с одним или двумя неподвижными зажимами для трубы (1) и одним или двумя подвижными зажимами (2).
Центратор располагается на раме (3).
Подвижные хомуты приводятся в движение с помощью давления масла в гидросистеме, производимого гидравлическим агрегатом, или с помощью ручки механического привода (4).
Для очистки и выравнивания торцов свариваемых труб перед нагревом служит торцеватель (5), который может быть электрическим или механическим.
Для нагрева свариваемых торцов предназначено сварочное зеркало (6).
Торцеватель и зеркало могут быть закреплены на раме центратора, а могут храниться на подставке (7).
Для фиксации труб различных диаметров служат сменные вкладыши (7) для подвижного и неподвижного зажимов центратора

Свариваемые части трубопровода должны быть зафиксированы в центраторе (см. рис. 4) сварочного аппарата. Как правило, центратор жестко крепит одну трубу и обеспечивает осевое перемещение второй трубы. Для устранения трения подвижной трубы о землю целесообразно пользоваться, например, роликовыми упорами.

Кроме коаксиальной фиксации труб, фиксатор обеспечивает перемещение подвижной трубы в направлении неподвижной трубы с контролируемым усилием. Наиболее распространенные способы создания усилия – механический (вращение ручки привода) и гидравлический.

Рисунок №4 «Фиксация труб в центраторе»

Для предотвращения прилипания трубы к нагретому инструменту и для облегчения удаления нагретого инструмента из зоны сварки после нагрева, поверхность инструмента, как правило, покрыта тефлоном. Тефлоновые покрытия также облегчают очистку инструмента.

После фиксации труб их торцы выравниваются и торцевателем (см. рис. 5), который представляет собой дисковый рубанок. Свариваемые поверхности необходимо прижать к рабочим поверхностям торцевателя и обработать до достижения ровной плоской поверхности. Для максимального приближения формы готовой поверхности к идеальной плоскости глубина торцевания за один проход ножа торцевателя не должна превышать 0,2 мм. Торцеватель обеспечивает последующее плотное прилегание свариваемых торцов труб к поверхности нагретого инструмента, а также удаляет возможные загрязнения и оксидный слой.

Момент окончания торцевания легко определить визуально по появлению сплошной кольцевой стружки с обеих сторон торцевателя.

Не останавливая торцеватель, ослабьте усилие прижима и отведите подвижную трубу от торцевателя. Это позволит плавно и без задиров закончить торцевание.

Рисунок №5 «Установка торцевателя между свариваемыми торцами труб»

После торцевания необходимо чистым инструментом удалить стружку из зоны сварки, особенно – изнутри трубы. Не касайтесь свариваемой поверхности руками!

После удаления стружки сведите трубы и проверьте плотность прилегания свариваемых поверхностей. Остаточный зазор не должен превышать значения, указанного в табл. 1. Кроме того, несовпадение стенок свариваемых труб должно быть не более 10% толщины трубы. Некоторые конструкции центраторов позволяют в случае необходимости уменьшить несовпадение специальными регулировками соосности. Отторцованные трубы должны выступать из фиксирующих зажимов центратора на расстояние не менее толщины стенки этих труб (см. п.5).

Таблица №1 «Максимально допустимая величина зазора между торцами труб»

При небольшом увеличении видно, что гладкая на вид поверхность сварочного зеркала на самом деле имеет неровности. Поверхность торца трубы, обработанная торцевателем, тоже всё-таки отличается от идеальной плоскости. Поэтому для достижения равномерного контролируемого нагрева свариваемых торцов необходимо в первый момент эти торцы прижать к нагретому сварочному зеркалу с существенным усилием. Через короткое время материал свариваемых поверхностей оплавляется и плотно прижимается к поверхности сварочного зеркала, увеличивая площадь теплопереноса до 100% площади торца трубы.

Создаваемое давление должно быть как можно больше, чтобы 100%-ный тепловой контакт между торцом трубы и сварочным зеркалом был достигнут как можно быстрее;
Создаваемое давление должно быть не очень большим, чтобы выдавливаемый материал был вполне расплавленным и текучим.

В результате нагрева под давлением по внешнему и внутреннему периметру торца трубы выступает валик пластифицированного материала, который называется гратом (см. рис. 1). Отрицательной особенностью грата является некоторое уменьшение условного прохода трубы после завершения сварки; поэтому, в частности, детали безнапорной канализации не рекомендуется соединять с помощью сварки.

Однако, грат увеличивает толщину стенки трубы в месте сварного шва. Если учесть, что любой полимер при нагреве до пластического состояния в большей или меньшей степени подвергается термическому шоку, то увеличение толщины стенки в зоне сварного шва – это единственный способ достичь здесь прочности не ниже прочности исходной трубы. Поэтому нагрев с приложением усилия продолжают и после того, как достигнут 100% тепловой контакт между сварочным зеркалом и торцом трубы – пока грат не достигнет рекомендуемой величины. Очевидная закономерность: необходимая высота грата тем больше, чем больше толщина стенки свариваемых труб (или толщина свариваемых листов). Оптимальная высота грата к моменту окончания предварительного нагрева определена для каждой толщины свариваемых изделий и для различных термопластов, она указывается в сварочных таблицах (см. табл. 2).

Замечание: Занижение давления прижима при создании грата ведет лишь к отсрочке момента 100%-ного контакта между торцом трубы и поверхностью зеркала. Дополнительное время, которое в этом случае требуется на создание грата, нельзя считать потерянным, т.к. большая его часть – это уже, фактически, начало основного нагрева (см. п.5).

это давление должно быть ничтожно мало, чтобы не вызывать дальнейшего увеличения грата, однако
это давление должно быть достаточным, чтобы гарантировать контакт торцов трубы со сварочным зеркалом.

Рисунок №6 «Изменение давления прижима в ходе сварочного процесса»

Отличительной особенностью стыковой сварки является медленный глубокий нагрев поверхностей сварочным зеркалом, нагретым до сравнительно невысокой температуры (около 200-210°С).

Теоретически, для сварки более толстостенных изделий рекомендуется применять более низкую температуру зеркала в течение более длительного времени (см. рис. 7 и 8), чтобы прогреть толстостенное изделие (трубу) на большую глубину. С другой стороны, погрешности оборудования и окружающая среда вносят отклонения температурного режима больше, чем рекомендуемые изменения настроек температуры в зависимости от толщины стенки трубы. Поэтому на практике температура зеркала не зависит от толщины стенки трубы.

Замечание: Рекомендуемые и общепринятые режимы нагрева труб и листов (температура и время) подобраны таким образом, что обеспечивают плавный прогрев материала на глубину, приблизительно равную толщине стенки трубы или толщине листа (см. рис. 9). Это обстоятельство рекомендуется учитывать при фиксации труб и торцевании. Отторцованная труба должна выступать из зажимов центратора на длину не менее толщины стенки трубы.

Рисунок №7-8 «Температура сварочного зеркала для ПНД и ПП»

При температуре сварочного зеркала около 200°С и при температуре окружающей среды около комнатной скорость прогрева материала в глубину поддается точному расчету (для ПНД условно считается приблизительно равной 1мм за 10 сек). Эта скорость определяет рекомендуемое время нагрева в зависимости от толщины стенки трубы (см. табл. 2).

Рисунок №9 «График распределения температуры в трубах с разной толщиной стенки»

6. Перестановка

После нагрева поверхностей решающее значение имеет быстрое удаление нагретого инструмента и совмещение нагретых свариваемых поверхностей. При этом необходимо не смять, не запачкать и не повредить другим способом нагретые поверхности! Максимально допустимое время на отведение подвижной трубы, удаление сварочного зеркала и сведение торцов труб называется временем перестановки и указывается в сварочных таблицах. Превышение этого времени ведет к остыванию оплавленных торцов и, как следствие, к плохому качеству шва. Очевидно, что для более толстостенных изделий допустимое время перестановки выше (см. табл. 2).

Замечание: Во время перестановки нагретый материал, контактируя с воздухом, быстро окисляется. Кроме того, тонкий слой нагретой поверхности успевает немного остыть. Поэтому следует стремиться к уменьшению времени перестановки.

Скорость сведения труб в момент их контакта должна быть как можно ближе к нулю. Приложение значительного давления в первый момент контакта приведет к выдавливанию расплавленного материала из зоны шва и, к тому же, сильно увеличит высоту грата.

7. Осадка

От момента контакта свариваемых поверхностей, по мере остывания материала, давление прижима поверхностей необходимо медленно и плавно увеличивать до рекомендуемого давления охлаждения. При увеличении давления расплавленный материал частично выдавливается из зоны шва и течет в направлении наружного и внутреннего грата, при этом тонкий слой материала, окислившийся и остывший во время перестановки, смешивается с более глубокими слоями и не оказывает отрицательного влияния на качество шва.

Экспериментально определенное оптимальное время, в течение которого должно быть плавно достигнуто давление охлаждения, известно как время осадки и указывается в сварочных таблицах (см. табл. 2). Во время осадки и на первом этапе последующего охлаждения происходит окончательное формирование грата.

8. Охлаждение

При охлаждении окончательно формируется зона сварного соединения. Основная идея этого процесса состоит в том, чтобы толщина стенки трубы в зонах, прилегающих к сварному шву, увеличилась. Причем это увеличение должно быть тем больше, чем больше был нагрет (подвергся термической деградации) материал в данной точке. Рекомендуемые режимы нагрева и осадки подобраны таким образом, что оптимальным для охлаждения является усилие прижима, равное усилию при предварительном нагреве.

После осадки давление прижима деталей сохраняется постоянным до полного охлаждения при комнатной температуре. Время охлаждения зависит от материала и толщины стенки свариваемых труб (или толщины листов) и указывается в сварочных таблицах (см. табл. 2).

Не следует пробовать ускорить остывание (применение холодной воды или пр.) – это приведет к созданию внутренних напряжений в материале и, как результат, к снижению прочности шва.
После остывания сваренные части можно вынуть из аппарата.

Замечание: Перед раскрытием зажимов, фиксирующих трубы в фиксаторе, не забудьте сбросить усилие прижима до нуля!

Читайте также: