Федеральное агенство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Уфимский государственный авиационный технический университет
Кафедра оборудования и технологии сварочного производства
Лабораторная работа № 1
Изучение способов сварки труб
из полимерных материалов
по разделу «Сварка пластмасс» спецкурса
«Пайка, склеивание, сварка пластмасс»
Уфа 2007
Лабораторная работа № 1
Изучение способов сварки труб из полимерных материалов
Цель работы:
ознакомление с современными способами сварки труб и деталей трубопроводов из полиэтилена;
изучение технологической последовательности и особенностей процессов подготовки кромок, сборки и сварки труб из полиэтиленовых материалов различными способами.
Общие сведения
Соединение полиэтиленовых труб и деталей между собой при строительстве и реконструкции тру-
бопроводов осуществляется при помощи сварки, целью которой является получение нераземных сое- динений ,равнопрочных (или близких по прочности) основному материалу.
Образование сварных соединений при сварке пластмасс основано на физических и химических
процессах, протекающих на поверхностях соединяемых тел. Сущность этих процессов заключается в
образовании физического контакта между поверхностными молекулами при помощи оплавления и пластической деформации кромок свариваемых труб, сопровождающееся активацией атомов сблизи- вшихся макромолекул и возникновением между ними химических связей Ван-Дер-Ваальса. В резуль-
тате этих процессов происходит взаимное слияние (коалесценция) соединяемых поверхностей с исчез-
новением физической границы раздела и образованием в стыке соединяемых кромок промежуточного слоя с однородной или разнородной химической структурой.
В зависимости от температурного интервала вязкотекучего состояния (Т) и вязкости расплава
полимеры делятся на три условные группы: хорошо, средне и плохо свариваемых материалов. Вязкость
является отображением природы полимера, его молекулярной массы, разветвленности макромолекул и
может меняться в узком или широком интервале температур. Чем шире температурный диапазон вязко-
текучего состояния, тем легче выбрать оптимальные режимы сварки. Термопласты с Т ≥ 60 С и
вязкостью расплава 102 - 105 Па∙с являются хорошо свариваемыми. Соответственно термопласты с
Т 60 С и вязкостью расплава 106 -107 Па∙с, Т 60 С и вязкостью расплава 108-109 Па∙с
относятся к средне и плохо свариваемым материалам.
Вязкость расплава термопласта количественно оценивается показателем текучести расплава (ПТР).
За показатель текучести принимают массу термопласта, выдавливаемую через капиллярное отверстие
экструзионного пластомера за 10 минут при нагрузке на поршень пластомера 5 кг и 20 кг. Таким
образом в инженерной практике посредством измерения ПТР определяют свариваемость материала
труб.
Полиэтилен относится к хорошо свариваемым полимерам, прекрасно соединяется тепловой сваркой:
при относительно низкой температуре плавления (125-130 С) имеет широкий интервал вязкотекучего
состояния (около 150 С ). Прочность при стыковой сварке не менее 0.95 прочности основного мате-
риала. Температура эксплуатации от минус 20 до плюс 60 С. Имеет сравнительно небольшую стои-
мость. Благодаря этим качествам полиэтиленовые трубы и соединительные детали (фитинги) из полиэ-
тилена наиболее широко применяются при строительстве и реконструкции трубопроводов разного
назначения.
2.1. Способы сварки полимерных материалов
Для нагрева свариваемых поверхностей и кромок используют разные источники теплоты: газовый,
теплоноситель, ультразвуковые колебания, высокочастотное электрическое поле, энергию трения, поток лучистой энергии, нагретый инструмент и др.
В зависимости от вида тепловой энергии, используемой для перевода термопласта в вязкотекучее
состояние, и способа ее передачи сварку полимеров условно можно разделить на четыре класса:
термический, термомеханический, механический и электромеханический ( таблица 1 ). Каждому
классу соответствуют различные виды сварки, отличающиеся по способу подвода теплоты.
Таблица 1
К л а с с с в а р к и |
В и д ( с п о с о б ) с в а р к и |
|
Т е р м и ч е с к и й |
Сварка излучением |
|
Сварка пламенем |
||
Т е р м о м е х а н и ч е с к и й |
Сварка нагретым газом |
|
Сварка литьем под давлением |
||
Экструзионная сварка |
||
Сварка нагретым инструментом |
Сварка враструб |
|
Сварка встык |
||
Сварка закладными нагревателями |
||
М е х а н и ч е с к и й |
Ультразвуковая сварка |
|
Сварка трением |
||
Э л е к т р о м е х а н и ч е с к и й |
Высокочастотная сварка |
|
Магнитоимпульсная сварка |
||
Из перечисленных в таблице 1 видов сварки при строительстве трубопроводов, где к качеству свар- ных соединений предъявляются наиболее высокие требования, применяются главным образом сварка
нагретым инструментом, сварка закладными нагревателями и экструзионная сварка.
Сварка нагретым инструментом враструб
Сварка враструб основана на одновременном оплавлении при помощи нагревательного инструмента
внутренней поверхности раструба и наружной поверхности конца трубы с последующим сопряжением
оплавленных поверхностей путем быстрого надвигания конца трубы в раструб (рис. 1). Нагревательный
инструмент имеет сложную конфигурацию, при которой наружный диаметр дорна должен быть равным
или несколько больше номинального внутреннего диаметра раструба, а внутренний диаметр гильзы дол-
жен быть равным или несколько меньше минимального наружного диаметра трубы (рис. 2). Поэтому
перед сваркой размеры свариваемых труб проверяют при помощи специального калибра и, в случае несоответствия, концы труб (в том числе и раструбный) доводятся до требуемых размеров с помощью нагрева, расширения или механической обработки. В раструбных соединениях площадь сварки значите-
льно превышает площадь поперечного сечения трубы.
Для усиления несущей способности раструбных соединений применяют раструбно-стыковую свар-
ку, когда одновременно нагреваются торцы труб и боковые поверхности.
Технологический процесс сварки нагретым инструментом враструб выполняется в следующей
последовательности:
- подготовка концов труб (калибровка под размер нагретого инструмента, механическая и тепловая об-работка - до размеров калибра);
- нанесение метки на расстоянии от торца трубы, равном глубине раструба плюс 2 мм;
- сборка стыка: установка и закрепление концов свариваемых труб (трубы и детали) в зажимах центри-
рующего приспособления;
- проверка соосности и разметка стыка (на конце трубы дальше глубины раструба и на наружной поверхности раструба);
- оплавление и нагрев свариваемых поверхностей нагретым инструментом;
- удаление нагретого инструмента из зоны сварки;
- осадка стыка до образования сварного соединения (продолжительность осадки в 3 раза больше про-
должительности нагрева);
- охлаждение соединения;
- удаление центрирующего приспособления.
III
Рис. 1. Последовательность сварки: I – раструбной; II – раструбно – стыковой.
а – калибровка; б – подготовка к сварке; в – оплавление трубы и детали на нагретом
инструменте; г – сварное соединение;
1 – раструбный конец (трубы или детали); 2 – труба; 3 – ограничительный хомут;
4 – нагретый инструмент; 5 – оплавленная зона детали; 6 – сварной шов; 7 – калибр.
Рис. 2. Элементы раструбной сварки: а – калибр для проверки размеров свариваемых концов труб и раструбов соединительных деталей; б – нагревательный инструмент для раструбной сварки;
в – нагревательный инструмент для раструбно-стыковой сварки.
1 – гильза; 2- дорн; 3 –места оплавления торцов; 4 – электронагреватель.
В зависимости от материала труб, для обеспечения надежного оплавления поверхностей темпе-
ратура нагревательного инструмента меняется в пределах 300 – 260 С. Также, в зависимости от материала и толщины стенки трубы, продолжительность нагрева составляет от 6 до 50 секунд, а
охлаждения сварного соединения от 2 до 10 минут. Технологичесая пауза (время, за которое необхо-
димо удалить нагревательный инструмент из зоны сварки) не должна превышать 1 – 2 секунды.
Раструбные соединения не получили распространения для сварки ответственных трубопроводов
из-за сложности проведения подготовительных и сварочных работ и, как следствие возможности сни-
жения качества их выполнения.
В России после 2 – 5 лет эксплуатации из-за постоянных утечек газа в местах соединения враструб
полиэтиленовые газопроводы были вырезаны и заменены на стальные. В настоящее время в России этот
вид соединения для газопроводов запрещен, но в Белоруссии и в Украине он разрешен, кроме того, он
применяется при строительстве водопроводов и канализации.