1.4. Механизм образования сварных соединений и свариваемость полимеров

Механизм образования сварных соединений. Образование соединений при сварке пластмасс основано на возможности получения между их макромолекулами химических связей, представляющими собой силы межмолекулярного взаимодействия, называемые силами Ван-дер-Ваальса. Установление химических связей данного типа между макромолекулами достигается при помощи сжатия полимерных материалов, предварительно переведенных в вязкотекучее состояние.

Перевод полимерных материалов в вязкотекучее состояние в зоне сварки может осуществляться смачиванием их поверхностей растворителем, вызывающим набухание, или нагревом.

Наряду с достижением вязкотекучего состояния другими необходимыми условиями получения химических связей и сварного соединения полимеров являются активация их макромолекул и образование между ними физического контакта. Выполнение последних условий обеспечивается нагревом и сжатием объемов термопластов, находящихся в вязкотекучем состоянии с обеих сторон от поверхности их соприкосновения.

Под образованием физического контакта при сварке пластмасс понимают сближение макромолекул соединяемых поверхностей на расстояния 3-4 Ǻ, когда между ними могут возникать силы межмолекулярного взаимодействия, называемые силами Ван-дер-Ваальса.

Активация макромолекул представляет собой повышение их энергии до значения, требуемого для преодоления ими потенциального барьера при переходе в новое термодинамическое состояние, характеризующимся наличием химических связей между макромолекулами. Активация, независимо от способа ее осуществления, проявляется в повышении энергии теплового движения макромолекул. Она может достигаться не только за счет их контакта с теплоносителями (нагретыми инструментами, газами, нагретым присадочным материалом), но и за счет поглощения и преобразования в тепло энергии высокочастотного электрического поля, механической энергии трения, лучистой энергии, энергии механических колебаний ультразвуковой частоты (при сварке ультразвуком).

Активация макромолекул происходит непрерывно как при нагреве полимерного материала с целью придания ему вязкотекучего состояния, так и последующей осадке в зоне формирования сварного соединения.

Перевод полимерных материалов в вязкотекучее состояние, образование физических контактов между макромолекулами и активация макромолекул представляют в совокупности первую стадию формирования сварного соединения.

Завершающаяся стадия процесса сварки – это взаимодействие активированных макромолекул свариваемых поверхностей при контакте друг с другом и образование между ними сил межмолекулярного взаимодействия, называемые силами Ван-дер-Ваальса.

Указанные физические процессы формирования сварного соединения (образование физических контактов, активация макромолекул и возникновение между ними химических связей) в каждом микрообъеме деформируемого вязкотекучего материала могут не совпадпть во времени. Течение объемов полимерных материалов, вызываемое силами сжатия, сопровождается их перемешиванием, диффузией частей макромолекул и релаксацией. Интенсивность этих процессов зависит от вида и количества материала, находящегося в вязкотекучем состоянии, его вязкости в зоне сварки, от скорости течения, определяемой, в свою очередь, давлением, прилагаемым к свариваемым изделиям, а также от состояния поверхностей. Результатом качественно выполненных процессов является взаимное слияние (коалесценция) соединяемых поверхностей с исчезновением между ними физической границы раздела и образование в стыке соединяемых кромок равнопрочного с основным материалом промежуточного слоя с однородной или разнородной химической структурой.

В случае, когда вязкотекучее состояние полимеров в зоне сварки достигается смачиванием растворителями участков их поверхностей, а образование физического контакта, активация и взаимодействие макромолекул в зоне сварки с образованием химических связей осуществляются в процессе деформации набухших объемов соединяемых полимеров, сварку называют химической. Химическую сварку применяют для соединения реактопластов с поперечными связями и некоторых термопластов кристаллической структуры.

В основе химической сварки, как и тепловой, лежит процесс образования химических связей между макромолекулами. По природе образования соединений химическая сварка может быть отнесена к процессам склеивания пластмасс.

Свариваемость термопластичных полимеров. Процесс сварки термопластов может происходить лишь при определенных условиях:

- повышенной температуре в месте сварки, при которой достигается вязкотекучее состояние данного полимерного материала;

- плотном контакте свариваемых поверхностей;

- времени протекания процесса, достаточном для активации макромолекул и образования между ними связей Ван-дер-Ваальса.

Для каждого вида термопласта существует свой оптимальный термомеханический цикл сварки и соответствующие его физическим и химическим свойствам технологические параметры режима сварки. Основными технологическими параметрами режима каждого термомеханического цикла сварки, которые должны устанавливаться и контролироваться, являются время нагрева и температура материала свариваемых изделий в зоне сварки, давление при нагреве и сварке, время охлаждения под давлением. При выборе параметров термомеханических циклов сварки их значения должны быть такими, чтобы термопластические материалы в зоне нагрева и физического контакта не нагревались до температуры их разложения.

Поскольку полимерные материалы малотеплопроводны, при некоторых методах сварки только тонкий слой, прилегающий к зоне контакта и подвергаемый воздействию источника нагрева, достигает вязкотекучего состояния. Поэтому легче свариваются термопластичные материалы, имеющие диапазон температуры вязкотекучего состояния Т ≥ 60С.

К хорошо свариваемым полимерам относится полиэтилен. Он прекрасно соединяется тепловой сваркой: при относительно низкой температуре плавления (125-130 С) он имеет интервал вязкотекучего состояния около 150С. Прочность при стыковой сварке не менее 0.95 прочности основного материала. Температура эксплуатации от минус 20 до плюс 60 С. Имеет сравнительно небольшую стоимость. Благодаря этим качествам полиэтиленовые трубы и соединительные детали (фитинги) из полиэтилена наиболее широко применяются при строительстве и реконструкции трубопроводов разного назначения.

К хорощо свариваемым термопластам следует отнести и пропилен, однако вследствие сравнительно высокой температуры хрупкости (ноль градусов Цельсия) он находит значительно меньшее применение, чем полиэтилен.

Реакция полимерных материалов на термомеханический цикл сварки различна. Так как пластмассы имеют высокий коэффициент температурного расширения, в процессе сварки под действием нагрева и прилагаемых усилий в шве возникают внутренние напряжения, снижающие прочность соединений, при охлаждении могут образоваться микроскопические трещины. Поэтому сварные швы нельзя подвергать нагрузкам сразу после сварки. Спустя некоторое время внутренние напряжения снижаются вследствие релаксации.

2. Способы сварки труб из полимерных материалов

Основными методами получения неразъемных соединений изделий из термопластов являются способы сварки, при которых вязкотекучее состояние достигается нагревом. В зависимости от способа нагрева полимерных материалов в зоне образования соединений различают сварку газовым теплоносителем, нагретым присадочным материалом, ультразвуком, высокочастотным электрическим полем (токами высокой частоты), трением, потоком лучистой энергии, нагретым инструментом, закладными нагревателями и другие.

В данной лабораторной работе предлагается изучить основные методы сварки труб из полимерных материалов и физические процессы, протекающие при сварке этими методами.

2.1.Сварка нагретым инструментом враструб

Сварка враструб основана на одновременном нагреве и 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. 2.2). Нагревательный инструмент имеет сложную конфигурацию, при которой наружный диаметр дорна должен быть равным или несколько больше номинального внутреннего диаметра раструба, а внутренний диаметр гильзы должен быть равным или несколько меньше минимального наружного диаметра трубы (рис. 2.1). 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 и расширения или механической обработки. В раструбных соединениях площадь сварки значительно превышает площадь поперечного сечения трубы.

Для усиления несущей способности раструбных соединений применяют раструбно-стыковую сварку, 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);

- нанесение метки на расстоянии от торца трубы, равном глубине раструба минус 2 мм;

- сборка стыка: установка и закрепление концов свариваемых труб (трубы и детали) в зажимах центрирующего приспособления;

- проверка соосности ;

- оплавление и нагрев свариваемых поверхностей нагретым инструментом;

- удаление нагретого инструмента из зоны сварки;

- осадка стыка до образования сварного соединения;

- охлаждение соединения;

- удаление центрирующего приспособления.

Рис. 2.1. 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 температура 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. Технологическая пауза (время, за которое необходимо удалить нагревательный инструмент из зоны сварки) не должна превышать 1 – 2 секунды.

Рис. 2.2. 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.