Приводим выдержки из книги С.С. Волков «Сварка и склеивание полимерных материалов», Москва из-во «Химия» 2001г. ББК 37.710, В61

 

_______________Глава 2

ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СВАРКЕ ПЛАСТМАСС

гл. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОНЯТИЯ СВАРКИ

Сварные соединения являются неразъемными, т.е. не могут быть разобраны без поломки деталей. Это свидетельствует о мо­нолитности (сплошности) сварных соединений. Такая монолит­ность может быть обеспечена, если между поверхностными мак­ромолекулами соединяемых деталей возникнут силы взаимодей­ствия (силы Ван-дер-Ваальса) и произойдет их взаимное пере­мещение из одной детали в другую, например за счет диффузии.

Казалось бы, достаточно сблизить поверхности на такие рас­стояния (0,3-0,4 им), на которых начинают заметно проявляться эти силы, чтобы между поверхностными макромолекулами сва­риваемых пластмасс возникли связи, исчезла граница раздела и произошла сварка. Именно этими соображениями руководству­ются некоторые авторы, определяя сварку как технологический процесс получения неразъемного соединения частей изделия, основанный на взаимной диффузии и химическом взаимодейст­вии макромолекул полимеров, в результате которых между со­единяемыми поверхностями исчезает граница раздела.

Однако даже в идеальном случае, когда на соединяемых по­верхностях отсутствуют микронеровности (идеально гладкие по­верхности), различные загрязнения, адсорбированные газы и другие составляющие, препятствующие такому сближению, не­обходима затрата извне деформационной и тепловой энергии. Деформационная энергия будет затрачиваться на преодоление сил отталкивания, возникающих между сближаемыми поверхно­стными атомами. Тепловая энергия увеличивает вероятность развития взаимодействия между ними. Если исходить из таких представлений, то в сварочной зоне можно выделить два основ­ных процесса: первый - подвод и преобразование энергии и второй - движение (или превращение) вещества. Интенсивность процесса преобразования энергии и его характер определяют вид сварки [1-5].

Для осуществления процесса сварки необходима активация свариваемых поверхностей. Это достигается за счет подвода и, в некоторых случаях, преобразования энергии. Введение вещества необходимо только при некоторых видах сварки пластмасс, на­пример при сварке нагретым газом с применением присадочного материала, а также при сварке расплавом. В последнем случае с присадочным материалом и расплавом подводится и энергия.

Движение вещества при различных видах сварки пластмасс может быть значительным. Оно обусловлено перемешиванием и диффузией, протекающими в материале, нагретом до вязкотекучего состояния. Особым видом движения следует считать хими­ческую реакцию активных групп, расположенных на сваривае­мых поверхностях, между собой или с активными группами проме­жуточного вещества, которая также может протекать при подводе энергии того или иного вида (химическая сварка) [1,4, l6].

Исходя из сказанного, можно считать, что в термодинамиче­ском смысле не может быть разницы в определении сварки пла­стмасс и металлов. Это определение может быть сформулирова­но следующим образом: сварка - это процесс получения моно­литного соединения материалов за счет введения и термодина­мически необратимого преобразования энергии и вещества в месте соединения [16-19].

2.2. МЕХАНИЗМ ПРОЦЕССА СВАРКИ И СВАРИВАЕМОСТЬ ПЛАСТМАСС

Согласно современным представлениям, процесс сварки сле­дует рассматривать как топохимическую реакцию, т.е. химиче­скую реакцию, протекающую по поверхности твердого тела. В основе любой химической реакции лежит процесс разрыва связей в исходных веществах и возникновения новых связей, приводящий к образованию нового вещества. Таким образом, механизм образования соединения не должен меняться при пе­реходе от одного способа сварки к другому и от одного материа­ла к другому. Изменяется только совокупность явлений на кон­тактных поверхностях, приводящая их в состояние взаимодейст­вия. Эти явления могут быть различными и определяются при­родой материала и способом сварки [1-5, 10, 16, 18].

Для топохимической реакции характерно протекание в три стадии: образование физического контакта; активация контакт­ных поверхностей; объемное развитие взаимодействия.

Образование физического контакта происходит обычно при приложении к свариваемым деталям давления. В отдельных слу­чаях, когда в зону сварки поступает расплавленный присадоч­ный материал, физический контакт между ним и свариваемыми кромками может осуществляться без приложения давления или при сравнительно небольшом давлении. Это относится к сварке нагретым газом и экструзионной сварке.

Установление физического контакта между свариваемыми поверхностями может предшествовать нагреву, осуществляться

после нагрева соединяемых поверхностей до температур сварки или одновременно с нагревом. В любом случае на этой стадии происходит пластическое деформирование макро- и микроне­ровностей, за счет чего происходит сближение контактирующих поверхностей. Работа деформации затрачивается также на уда­ление из контактной зоны инородных включений (газовых пу­зырей, масляных и жировых пятен и других загрязнений). Для мягких пластмасс и волокнистых материалов на этой стадии ха­рактерно уплотнение, проявляющееся в уменьшении толщины материала.

Активация свариваемых поверхностей включает в себя их на­грев для повышения энергии теплового движения макромоле­кул. Нагрев может осуществляться либо непосредственно за счет передачи тепла от нагретых инструмента, газа или присадочного материала к свариваемым деталям, либо за счет преобразования других видов энергии в тепловую. Это может быть механическая энергия ультразвуковых колебаний или трения, энергия высоко­частотного электрического поля конденсатора, электромагнит­ная энергия, энергия инфракрасного излучения, лазера и кон-центрированного светового луча.

При сварке с использованием преобразования различных видов энергии в тепловую термической активации поверхностей будут предшествовать процессы, связанные со спецификой данного вида сварки: смещение диполей - при сварке токами высокой частоты;

ввод и распространение ультразвуковых колебаний, а также кон­центрация и преобразование энергии механических колебаний в тепловую энергию - при ультразвуковой сварке; поглощение лучи­стой энергии - при сварке инфракрасным излучением.

Стадия термической активации может также сопровождаться развитием деформационных процессов, так как действие стати­ческой, а при ультразвуковой сварке и динамической нагрузок приводит к внедрению инструмента в поверхность соприкасаю­щейся с ним детали, а также к вытеснению пластицированного или расплавленного материала из зоны сварки.

Объемное развитие взаимодействия сопровождается рядом слож­ных физико-химических процессов, среди которых наиболее суще­ственными являются диффузия, течение и физико-химические пре­вращения. Теория сварки, в которой главенствующая роль на этом этапе отводится диффузии, названа диффузионной. Теория, в кото­рой считается, что ответственными за свариваемость являются про­цессы течения, названа реологической ~ по названию науки рео­логии, изучающей закономерности течения.

Согласно диффузионной теории, для получения со­единения необходимо, чтобы при соприкосновении двух по­верхностей вещества происходило достаточно полное их слияние

(коалесценция). Полная коалесценция двух слоев жидкости происходит при непосредственном их контакте и сопровождает­ся исчезновением границы раздела между ними. В случае соеди­нения полимеров одного контакта для коалесценции недоста­точно, так как должно еще произойти структурообразование в зоне контакта, которое может быть достигнуто за счет диффузии макромолекул в целом или отдельных сегментов. Перемещению сегментов препятствуют их связи с остальной макромолекулой, поэтому диффузия сегментов вызывает некоторое изменение конфигурации цепной молекулы. В результате этого большое число последовательных перемещений сегментов будет приво­дить не только к изменению формы макромолекул, но и к сме­щению их центров тяжести. Перемещение сегментов и макро­молекул в целом получило название микроброуновского и мак-роброуновского движения соответственно.

Перемещение макромолекул целиком особенно легко может происходить в том случае, если контакт слоев полимера осуще­ствляется при температуре выше температуры течения. В этом случае в зоне контакта сравнительно легко возникает структура, характерная для полимера. Диффузия отдельных сегментов мак­ромолекул может происходить и при температурах, отвечающих высокоэластическому состоянию полимера, при этом перемеще­ние молекулы в целом затруднено. При таких температурах сте­пень коалесценции меньше единицы (максимальная степень коалесценции равна единице и наблюдается только у жидко­стей), ^го объясняется тем, что после перемещения сегментов на определенную глубину диффузия прекращается из-за напря­жений, возникающих в молекулярных цепях.

Доказательством диффузионного характера процесса сварки может служить то обстоятельство, что все меры, способствую­щие тепловому движению (повышение давления и температуры, введение пластификаторов и т. д.), вызывают увеличение проч­ности сварного соединения и, наоборот, факторы, замедляющие диффузию, снижают прочность.

Сторонники реологической теории указывают, что если бы за образование соединения была ответственна только диффузия, то время сварки составляло бы десятки минут. Одна­ко на практике это время значительно меньше. Кроме того, сле­дует учитывать, что процессу диффузии неизбежно препятству­ют воздушные прослойки и загрязнения поверхностных слоев свариваемых материалов, поэтому время проникновения еще более увеличивается. Наконец, следует иметь в виду, что коэф­фициент диффузии не остается постоянным, а непрерывно сни­жается, так как по мере проникновения участков макромолекул через границу раздела непрерывно возрастает их торможение.

Поэтому сторонники реологической теории предполагают, что проявлению сил межмолекулярного взаимодействия и диф­фузии в контактирующих объемах предшествует ряд явлений, связанных с течением и перемешиванием расплава (1-4, 16|.

Считается, что при контакте расплавленных поверхностей напряжения, создаваемые усилием прижима (а при ультразвуко­вой сварке и динамические напряжения), вызывают сдвиг слоев расплава. При таком сдвиге происходит удаление из зоны со­единения воздушной прослойки и других инородных включе­ний, а расплав выдавливается из зоны сварки, что свидетельст­вует о получении качественного сварного соединения. Скорость сдвига на различных участках контактирующих поверхностей может различаться из-за неравномерности распределения темпе­ратур и напряжений. Все это может привести к перемешиванию расплава в контактирующих объемах, что особенно вероятно в случаях сварки с использованием высокочастотных механиче­ских (ультразвуковая сварка) или электрических (сварка ТВЧ) колебаний |1-4}.

Явление перемешивания вязкотекучего материала в зоне свар­ки подтверждено экспериментально при изучении процесса свар­ки пластмасс нагретым инструментом. По-видимому, для макро-объемов вязкотекучего материала при сварке характерен процесс перемешивания, а для микрообъемов - процесс диффузии.

Если сварка проводится в интервале температур высокоэластичности, преимущественным является диффузионный механизм. При этом необходим длительный контакт свариваемых поверхностей друг с другом, сварные швы сохраняют границу раздела, а материал в зоне соединения не отличается от исходного по надмолекулярной структуре. Такая сварка протекает при значительных давлениях, что обусловливает значительные остаточные напряжения в зоне шва после охлаждения соединения |7-10].

Если сварка проводится в интервале температур вязкотекучести (для аморфных полимеров) или в интервале температур плавления (для частично-кристаллических полимеров), процесс подобен сварке металлов. Под воздействием внешних сил про­исходит быстрая коалесценция расплава, сопровождающаяся перемещением и перемешиванием слоев. При этом слои распла­ва, содержащие газовые и оксидные включения, удаляются из зоны сварки, что облегчает дальнейшую взаимную диффузию участков молекулярных цепей и целых макромолекул в микро­объемах. В сварных швах таких соединений практически отсут­ствует граница раздела соединяемых поверхностей. Они не раз­рушаются по первоначальной плоскости контакта, а надмолекулярная структура может изменяться в зависимости от условий охлаждения расплава 19-11 ].

В связи с тем, что сварка плавлением на заключительном этапе связана с течением расплава, свариваемость пластмасс оценивают по таким характеристикам, как энергия активации вязкого течения, температурный интервал вязкотекучего состоя­ния и вязкость расплава. В свете этих представлений становится очевидным, что чем меньше энергия активации вязкого течения и вязкость расплава и чем больше температурный интервал вяз-котекучести, тем более вероятно образование высококачествен­ного сварного соединения. По реологическим свойствам пласт­массы могут быть разделены на три группы (1, 4, 10, 16, 18, 19|.

К первой группе можно отнести неориентированные термо­пласты, у которых энергия активации вязкого течения значи­тельно меньше энергии химической связи и не превышает 150 кДж/моль; температурный интервал вязкотекучего состояния (Tт и Тр где Tт - температура текучести, а Тр- температура разложе­ния) превышает 50 °С; вязкость расплава составляет 102-105 Па • с.

Такие термопласты при нагреве переходят в вязкотекучее со­стояние без термодеструкции и пребывают в вязкотекучем со­стоянии в достаточно широком интервале температур; при этом вязкость расплава такова, что при незначительных усилиях мо­жет быть обеспечена быстрая и полная его коалесценция. Эти термопласты хорошо свариваются плавлением различными ме­тодами сварки в широком интервале режимов. Наиболее типич­ные представители этой группы термопластов - полиолефины.

Ко второй группе можно отнести ориентированные термо­пласты с указанными выше реологическими свойствами; неори­ентированные и ориентированные термопласты с высокой энергией активации вязкого течения (близкой к энергии хими­ческой связи); термопласты с узким интервалом между темпера­турой текучести и температурой разложения (менее 50 °С) и сравнительно высокой вязкостью расплавов.

Для термопластов с высокой энергией активации вязкого те­чения существует опасность деструкции при нагреве до вязкоте­кучего состояния. Термопласты с узким температурным интер­валом между Tт и Тр могут разлагаться при незначительном пе­регреве. В ориентированных термопластах при нагреве до вязко­текучего состояния неизбежно нарушается ориентированная структура, обеспечивающая прочность материала. У термопла­стов с высокой вязкостью расплавов трудно обеспечить полную коалесценцию и перемешивание расплава.

Такие термопласты могут свариваться плавлением только при некоторых обязательных условиях. Для ориентированных мате­риалов и материалов с узким интервалом между Tт и Тр сварка плавлением не должна вызывать разориентацию и деструкцию материала, что возможно только при условии быстрого и ло­

кального нагрева до температуры текучести свариваемых по­верхностей без проплавления материала по всей толщине. Что касается термопластов с вязкостью расплавов выше 105 Па • с, то сварка их плавлением возможна только при условии снижения вязкости расплава в процессе сварки. Следовательно, для обес­печения возможности сварки плавлением термопластов, принад­лежащих к этой группе, необходимо в каждом конкретном слу­чае изыскивать оптимальные способы и технологические прие­мы сварки.

К этой группе относятся поливинилхлорид, поливинилиден-хлорид, пентапласт, полиэтилентерефталат, поликарбонат, плав­кие фторопласты и другие термопласты.

К третьей группе относятся термопласты, энергия активации вязкого течения которых превышает энергию химической связи, а также термопласты с вязкостью расплава 1011 - 1012 Па • с. Эти термопласты не могут быть переведены в вязкотекучее состоя­ние, т.е. не могут свариваться плавлением. К ним относятся, на­пример, фторопласт-4, ацетат целлюлозы, поливинилацетат. Об­разование соединений таких термопластов возможно только по механизму диффузионной сварки с нагревом поверхностей до температур высокоэластического состояния, с длительной вы­держкой под давлением, равным пределу вынужденной эластич­ности свариваемых материалов, при максимально возможной температуре.

Ускорение диффузионной сварки может быть достигнуто применением растворителей, в которых данный термопласт спо­собен набухать и растворяться. Растворители увеличивают под­вижность макромолекул, поэтому температура сварки может быть снижена.

 

 

4.2. СВАРКА ПРЯМЫМ НАГРЕВОМ ПРИ МОНТАЖЕ ТРУБОПРОВОДОВ

4.2.1. Сварка труб встык

Пластмассовые трубопроводы получили в последние годы широкое применение как у нас в стране, так и за рубежом. Та­кое широкое использование пластмассовых трубопроводов обу­словлено тем, что они в-4-5 раз легче стальных, проявляют вы­сокую стойкость к агрессивным средам и имеют меньшее гид­равлическое сопротивление. Затраты труда на монтаж и эксплуа­тацию трубопроводов из пластмасс в среднем в 2 раза меньше, чем трубопроводов из углеродистых качественных сталей, и в 3-4 раза, - чем трубопроводов из нержавеющих сталей.

Наибольшее применение имеют трубы из полиэтилена низ­кой и высокой плотности, полипропилена и поливинилхлорида диаметром до 315 мм. В ближайшем будущем намечено приме­нение труб из полиэтилена высокой плотности диаметром до 630 мм. Основной тип соединения таких труб при строительстве трубопроводов - сварка встык.

 

Таблица 4.1. Ориентировочные значения параметров режима сварки некоторых термопластов нагретым инструментом (прямым нагревом)

Термопласт

Температура инструмента, К

Время на­грева, с

Время вы­держки после сварки

Давление осадки. МПа

Полиэтилен высо­кой плотности*

493-523

25-30

30-40

0.1-0.2

Полиэтилен низ­кой плотности

473-493

20-25

30-40

0,1-0.15

Полипропилен

513-533

30-50

30

0,2

Полиизобутилен

523

30

30

0.15-0,2

Полиэтилентере-фталат (лавсан)

593

20-25

30

0,15-0,2

Поливинил хлорид (винипласт)

513-523

40-50

30

0,4-0,5

Полиамид 6

673-713

15

30

0,8-1,0.

Полистирол

433-453

25-30

30-60

2.0-2,5

 *Светостабилизирован техническим углеродом.

Высокое качество сварных соединений пластмассовых трубо­проводов обеспечивается при проведении комплекса мероприя­тий по контролю на различных стадиях производства. Этот ком­плекс включает три этапа: предупредительный контроль (до на­чала сварки), активный (в процессе сварки) и приемочный (после завершения сварки) [5, 10, 16, 19].

Предупредительный контроль включает в себя контроль каче­ства свариваемых материалов, выбор сварочного оборудования с учетом показателей его эффективности, проверку квалификации сварщиков и контроль технологической подготовки производства.

При поступлении на склад необходимо сортировать трубы так, чтобы на сборку поступали трубы, близкие по геометриче­ским параметрам. На их поверхности и по торцам не должно быть трещин, пузырей, раковин и посторонних включений, ви­димых простым глазом, следов холодных спаев и разложения материала.

Условия хранения труб должны исключить попадание на них прямых солнечных лучей, так как при этом возможно не только снижение прочности материала труб, но и значительное ухуд­шение их свариваемости.

Перед сваркой трубы подвергаются механическим и термоме­ханическим испытаниям.

Гарантийный срок хранения труб - два года со дня изготов­ления. По истечении указанного срока трубы перед использова­нием должны подвергаться повторной проверке.

 Большое значение имеет подготовка труб к сборке и сварке. Внутреннюю и наружную поверхности концов свариваемых труб на расстоянии не менее 30 мм от торца очищают от пыли, мас­ла, технического углерода и других загрязнений, отрицательно влияющих на свариваемость и вызывающих растрескивание сварного шва в процессе эксплуатации. Соединяемые поверхно­сти труб, зажатых в сварочной установке, после очистки под­вергают торцовке. Стружку, образовавшуюся при торцовке, уда­ляют чистой тряпкой или другим способом, исключающим за­грязнение торцов заготовок. В некоторых случаях применяется обезжиривание свариваемых концов растворителем (ацетоном, спиртом). Деформированные, порванные или имеющие забоины концы труб обрезаются. Режущий инструмент перед обработкой кромок должен быть обезжирен. Запрещается применять при этом охлаждающие эмульсии и смазки.

Следующими важными операциями являются сборка и цен­тровка труб перед сваркой. Эти операции должны осуществлять­ся на специальном устройстве или на установке, на которой бу­дет вестись сварка. Концы стыкуемых труб должны крепиться в кольцевых зажимах (центраторах) сварочной установки таким образом, чтобы вылет труб составлял 60-70 мм. После сборки между обработанными торцами труб, приведенных в соприкос­новение, не должно быть зазоров, превышающих 0,5 мм при диа­метрах труб до 110 мм и 0,7 мм - при диаметрах более 110 мм. Смещение соединяемых концов труб, подготовленных к сварке, по наружному периметру не должно превышать 10% толщины стенки труб.

Контроль в процессе сварки проводится с целью строгого со­блюдения основных параметров режима и цикла сварки. Ориен­тировочные значения основных параметров стыковой сварки труб прямым нагревом приведены в табл. 4.2 [1, 2, 4, 5, 10, 16, 19].

Основным параметром процесса является температура нагре­ва сварочного инструмента, которую необходимо поддерживать постоянной с точностью до ±10 К. Время нагрева - ©плавления торцов свариваемых труб сварочным инструментом - зависит от температуры окружающей среды, толщины стенки труб, подго­товки торцов труб под сварку. Сокращение продолжительности нагрева при постоянной температуре инструмента приводит к недостаточному размягчению материала и, как следствие, к ухудшению качества сварного шва. Точное соблюдение времени нагрева не всегда гарантирует стабильную глубину прогрева, она может изменяться в зависимости от условий окружающей среды.

 При нагреве сварочный инструмент должен касаться кромок труб по всему периметру. При правильном ведении процесса по всему периметру трубы должен образовываться равномерный грат расплавленного материала в виде валика высотой не более 2-3 мм.

После оплавления концов труб необходимо быстро удалить нагреватель и произвести осадку труб. Время между удалением нагревателя и осадкой труб не должно превышать 1-2 с, иначе происходит снижение прочности сварного шва в результате бы­строго охлаждения свариваемых поверхностей. При увеличении давления происходит чрезмерное выдавливание оплавленного материала наружу и внутрь трубы, что ухудшает качество свар­ного соединения. Продолжительность охлаждения под давлени­ем определяется с учетом толщины стенки свариваемых труб, температуры окружающего воздуха и типа пластмассы. Сварен­ный стык необходимо выдерживать под давлением до полного затвердевания материала, так как перемещение концов труб сра­зу же после сварки может привести к созданию в стыке допол­нительных внутренних напряжений.

Таблица 42. Ориентировочные значения параметров режима стыковой сварки труб нагретым инструментом

Параметры

Материал  труб

 

ПЭНП

 ПЭВП 

 ПП 

ПВХ

Температура  сварки 
(инструмента), К

493±10

473±10

473±10

482±5

Давление сжатия при нагреве торцов труб, МПа

0,02-0,05

0.02-0,05

0.04-0,08

0,05-0,08

Время нагрева (с) при толщи­не стенки трубы (мм)**:

4

6

8

10

12

14

16

 

 

35

50

70

85

100

120

160

 

 

50

70

90

110

130

160

180

 

 

 

 

60

80

90

100

150

180

230

 

 

 

35

45

50

60

70

-

-

 

Давление осадки, МПа

0,1-0,2

0,2-0,3

0,2-0,3

0.2-0,3

Время (мин) охлаждения сты­ка под давлением при толщи­не стенки трубы (мм):

4-6

7-12

14-16

 

 

 

3-4

5-8

10-15

 

 

 

3-5

6-9

10-15

 

 

 

3-5

 6-10

 12-16

 

 

 

2-3

 3-5

-

* НП и ПЭВП - полиэтилен низкой и высокой плотности соответственно; ПП - полипропилен; ПВХ - поливинилхлорид.

** при температуре окружающего воздуха 293 К.

 

Оставшийся после сварки на сварочном инструменте рас­плавленный материал необходимо удалить при помощи скреб­ков, металлических щеток и ветоши.

Правильность соблюдения технологического процесса сварки может быть установлена по внешнему виду и форме сварного соединения. Наиболее высокое качество сварного соединения соответствует образованию двойного плавно скругленного вали­ка грата равномерной по всему периметру шва толщины.