Температура сварки пнд листов

Обновлено: 30.06.2024

Оптимальным видом полиэтилена с точки зрения свариваемости является полиэтилен высокой плотности (PE-HD, ПЭНД), этот же вид полиэтилена наиболее широко применяется в промышленности и быту.

Изделия из полиэтилена высокой плотности группы плавления с индексом 005 (MFR 190/5:0,4-0,7 г/10 мин.), группы 010 (MFR 190/5:0,7-1,3 г/10 мин.) или группы 003 (MFR 190/5:0,3г/10 мин.) и 005 (MFR 190/5:0,4-0,7 г/10 мин.) пригодны для сварки друг с другом. Это подтверждается нормами DVS 2207 часть 1 (DVS - Немецкий союз сварщиков) и подтверждается в документах DVGW (Немецкий союз по газу и воде).

Для сварки листового полиэтилена высокой плотности в промышленных условиях в основном используются следующие технологии:

Сварка горячим воздухом (или сварка феном)
Сварка ручным экструдером
Сварка при помощи нагревательного элемента встык

Для сварки полиэтиленовых труб могут использоваться также электромуфтовая сварка, раструбная сварка и т.д. В данном разделе описываются основные виды сварки листового полиэтилена.

Сварка полиэтилена горячим газом (сварка феном)

Наиболее простой и бюджетный, с точки зрения оборудования, способ сварки, широко распространенный при сварке листов малой толщины и/или линейных размеров.

При этой технологии основные материалы и присадочный материал (сварочный пруток) свариваются подогретым газом (чаще всего воздухом) с использованием прижимного давления на соединяемых поверхностях которое создается вручную оператором. Проводка (подача прутка) также осуществляются вручную. Воздух подогревается электрическими нагревательными элементами (феном) до температуры необходимой для сварки. Нагрев места сварки и сварочного прутка происходит одновременно с помощью специальной сварочной насадки на фен. Форма и размеры насадки, в основном, определяются формой и сечением сварочного прутка.

Основные параметры процесса:

Сварка полиэтилена ручным экструдером

Данный способ применяется, в частности, при сварке толстостенных деталей, также требующий использования присадочного материала (сварочного прутка, реже – гранулята.) Экструдер при сварке не должен останавливаться (из-за опасности разложения).

В принципе, экструзионная сварка двух деталей заключается во впрыскивании расплавленного присадочного материала в зону сварки. Например, при взаимно перпендикулярном расположении двух листов присадочный материал впрыскивается в угол между ними, образуя т.н. шов K-типа.

Основные параметры процесса сварки полиэтилена ручным экструдером:

Температура экструдата, замеренная на выходе из форсунки, ºC	Температура воздуха, замеренная в форсунке подачи теплого воздуха, ºC	Количество воздуха, литров/мин.
200-230	210-240	350-400

Сварка полиэтилена с помощью нагревательного элемента (Butt Welding)

Сварка полиэтилена с помощью нагревательного элемента (называемая также сваркой встык) применяется для сварки плит, блоков и других профилей полуфабрикатов. Чрезвычайно широко данный вид сварки применятся для сварки трубопроводов из термопластов. В отличие от предыдущих двух способов сварки данный метод не требует использования присадочного материала.

Для сварки с помощью нагревательного элемента применяются т.н. машины для сварки встык, принцип действия которых (разогрев с помощью нагревательного элемента различной формы) одинаков, и отличающиеся между собой лишь типом привода (ручной, механический, пневматический и т.д.), передающего сдвижное усилие на свариваемые элементы. Кроме того, машины для сварки встык могут отличаться комплектацией специальным оборудованием и всевозможными опциями- например для сварки листов под углом, для сворачивания свариваемых листов.

Некоторые виды стыковых сварочных машин помимо ПЭНД позволяют сваривать также ВМПЭ и СВМПЭ.

При сварке полиэтилена встык необходимое тепло подводится непосредственно от подогревающего элемента в зону сварки соединяемых поверхностей. При этом достигается более благоприятное распределение тепла, так что ни одна из зон материала не нагружена теплом больше, чем другая. Кроме этого стыкующиеся поверхности подогревающего элемента должны быть чистыми и полностью прилегать. Такой вид сварного шва показывает небольшое внутреннее напряжение и его можно нагружать практически также, как и исходный материал.

1 Принцип сварки и устройство оборудования

Экструзионная сварка применяется для сварки листов, профилей и пленок из пластмасс - полиэтилена, полипропилена, реже ПВХ или ПВДФ, еще реже из других термопластов. Для монтажа напорных трубопроводов из термопластов экструзионная сварка неприменима по одной причине – при стыковом расположении свариваемых изделий (труб, листов или пр.) прочность сварного экструзионного соединения не превышает 80% от прочности исходных изделий.

1.2 Общие требования

Так же как и для любой другой технологии сварки пластмасс, для сварки экструдером действуют общие требования:

- Сваривать следует только изделия из одинаковых термопластов. Важнейшими показателями «одинаковости» являются химический состав, плотность и показатель текучести расплава. При сварке экструдером те же требования предъявляются к присадочному материалу.

Замечание: Если показатель текучести расплава (ПТР) свариваемых деталей отличаются, то присадочный материал следует по возможности выбирать таким образом, чтобы его ПТР был средним между ПТР свариваемых деталей.

- Свариваемые поверхности должны быть чистыми. При экструзионной сварке это требование настолько жесткое, что свариваемые поверхности должны быть механически очищены даже от тончайшего слоя окислившегося материала не более чем за 20 мин до начала сварки. Это связано с тем, что технология экструзионной сварки создает сравнительно небольшое течение и перемешивание материала в зоне сварки.

1.3 Главная идея

Технология сварки экструдером была изначально разработана для сварки сравнительно толстостенных деталей. По сравнению с технологией сварки горячим воздухом с применением присадочного материала (прутка), сварка экструдером обеспечивает следующие преимущества:

Позволяет сварить толстостенные детали за один проход;
Увеличивает скорость сварки;
Уменьшает влияние человеческого фактора на качество сварного шва.

В принципе, экструзионная сварка двух деталей заключается в следующем:

- Свариваемые поверхности – специально подготовленная сварочная канавка (рис.1) или угол между листами (рис.2) или поверхность пленки, уложенной внахлест (рис.3). Свариваемые поверхности предварительно нагреваются до температуры пластификации горячим воздухом, выходящим из сопла предварительного нагрева сварочного экструдера. В случае стационарных цеховых сварочных экструдеров поверхности могут нагреваться тепловым излучением.

- Одновременно с этим присадочный материал в форме прутка или гранул подается в экструдер, нагревается до вязко-текучего состояния и перемешивается шнеком экструдера до достижения гомогенной (однородной) массы.

- Вязко-текучий присадочный материал выдавливается из сварочного экструдера и подается в зону сварки через т.н. сварочный башмак.

- Давление, необходимое для экструзионной сварки, прикладывается через присадочный материал – сварочным башмаком. В случае стационарных цеховых сварочных экструдеров сварочное давление на присадочный материал может сообщаться отдельными приспособлениями.


Рис. 1 Шов V-типа	Рис. 2 Шов K-типа	Рис. 3 Шов F-типа

1.5 Схема работы сварочного экструдера

Поскольку зона сварки обязательно должна быть нагрета перед впрыскиванием присадочного материала, сварочный экструдер снабжен нагревателем воздуха. Горячий воздух подается в зону сварки через т.н. «сопло предварительного нагрева» и нагревает свариваемые поверхности до вязко-текучего состояния. Температура горячего воздуха регулируется специальным контроллером.

Нагреватель воздуха может быть в форме термофена, т.е. иметь встроенный нагнетатель воздуха. Как вариант, экструдер может быть рассчитан на внешнюю подачу воздуха – от компрессора или пневмосети предприятия.

Если речь идет о сварочном экструдере шнекового типа (Рис.4), то присадочный материал в форме сварочного прутка или гранул подается в шнековую (экструзионную) камеру.

Вращение шнека обеспечивается электроприводом, в качестве которого часто используют обычную ручную дрель. С учетом того, что нормальная продолжительность работы экструдера больше, чем у дрели, на качественных экструдерах используются модифицированные электромоторы, рассчитанные на продолжительный режим работы и имеющие больший ресурс.

Проходя через экструдер, присадочный материал постепенно нагревается и перемешивается до состояния однородной массы. Нагрев материала обеспечивается электронагревателями, расположенными вокруг экструзионной камеры. Температура электронагревателей регулируется специальным контроллером.

Как вариант, в более простых и дешевых моделях экструдеров нагрев экструзионой камеры может производиться горячим воздухом, который проходит через полость вокруг экструзионной камеры и только после этого подается в зону сварки. В этом случае температура нагрева присадочного материала «привязана» к температуре горячего воздуха.

Расплавленный присадочный материал подается в зону сварки через т.н. сварочный башмак.


Рис. 4 Схема работы сварочного экструдера шнекового типа	Рис. 5 Схема работы сварочного экструдера плунжерного типа

В сварочных экструдерах плунжерного типа (рис.5) используется упрощенная схема продвижения присадочного материала через зону нагрева.

Материал в виде сварочного прутка подается на профильные вальцы, которые с усилием вводят его в цилиндрическое отверстие зоны нагрева. Электронагреватели, расположенные вокруг зоны нагрева, постепенно нагревают пруток до вязко-текучего состояния. Таким образом, задняя твердая часть прутка служит поршнем для передней пластифицированной части.

Сварочные экструдеры плунжерного типа отличаются меньшей производительностью. Компактность и небольшой вес позволяют использовать такой экструдер в труднодоступных местах. К недостаткам плунжерных экструдеров следует отнести их высокую требовательность к диаметру и идеально круглой форме сварочного прутка. А подача присадочного материала в форме гранул здесь вообще невозможна.

Нагретый присадочный материал из сварочного экструдера плунжерного типа, так же как и из шнекового экструдера, подается в зону сварки через сварочный башмак.

Форма рабочей поверхности сварочного башмака соответствует форме свариваемых поверхностей. В передней части башмака имеется специальный «нос», ограничивающий выдавливание присадочного материала вперед по направлению сварки.

Давление присадочного материала на «нос» сварочного башмака обеспечивает движение сварочного экструдера в направлении прокладки сварного шва. Скорость движения сварочного экструдера, таким образом, определяется производительностью экструдера и площадью сечения сварного шва.

1.6 Свариваемые материалы

Экструзионной сваркой наиболее часто свариваются изделия из ПНД, ПП или др. термопластов 1-й группы, у которых разница между температурой вязко-текучего состояния и температурой начала термодеструкции составляет более 50ºС. Это означает, что даже значительный перегрев материала (на 30-40ºС) не может серьезно повредить материал.

Термопласты 2-й группы, как ПВДФ и особенно ПВХ, отличаются неприятной особенностью – температура термодеструкции материала не намного превышает температуру пластификации. Поэтому при сварке ПВДФ особые требования предъявляются к точности работы системы нагрева материала (экструзионной камеры). А для сварки ПВХ, кроме того, используется сварочный экструдер со шнеком специальной формы, который более тщательно перемешивает материал в процессе его расплавления, не допуская локального перегрева.

Температурная неустойчивость термопластов 2-й группы, кроме того, накладывает дополнительные ограничения на технологию экструзионной сварки – в частности, экструдер не должен выключаться и вновь включаться в процессе сварки, не должен надолго оставляться в режиме ожидания и т.п.

Другая неприятность, связанная с ПВХ – это его абразивность и высокая химическая активность при нагреве. Это предъявляет особые требования к стойкости материалов экструзионной камеры и шнека.

Полезные советы по сварке пластиков

Хотя к настоящему времени, как в России, так и за рубежом, накоплен богатый опыт по сварке инженерных пластиков, очень часто многие специалисты имеют недостаточный уровень знаний об основах сварки полимерных материалов, которые необходимы для выполнения качественной сварки.

Правило №1 при сварки полимерных материалов: сваривать необходимо только схожие по составу и свойствам материалы, и ключевой параметр здесь – индекс текучести расплава (Melt Flow Rate – MFR). При этом близкие значения MFR Должны иметь не только свариваемые материалы, но и присадочный материал (сварочный пруток).

Ниже приводятся другие полезные советы по сварке основных видов инженерных пластиков.

[I]Автоматическая подача прутка при сварке горячим воздухом[/I]

Полипропилен относится к числу наиболее легко свариваемых инженерных пластиков, и сварные конструкции из него находят свое применение в самых разных областях. Полипропилен обладает великолепной химической стойкостью, низким удельным весом, высокой прочностью на растяжение и является материалом с самой высокой стабильностью размеров среди полиолефинов.

Для сварки полипропилена горячим воздухом сварочный аппарат должен быть настроен на температуру около 300°С, точное значение температуры зависит от типа используемого сварочного аппарата и рекомендации производителя сварочного оборудования. Например при использовании сварочного аппарата 500 Вт/120 В необходимо установить подачу воздуха на 5 p.s.i., а реостат – на 5 и при этих условиях температура должна установиться в области 300°С.

[I]Правильная канавка для сварочного прутка на стыке свариваемых деталей[/I]

Другой хорошо свариваемый материал из семейства полиолефинов – полиэтилен. Полиэтилен имеет хорошую ударную прочность, великолепную стойкость к абразивному износу, высокую прочность на растяжение и низкую абсорбцию. Еще одно важное свойство полиэтилена – технологичность и легкость обработки.

Самое важное правило при сварке полиэтилена – можно сваривать материалы с высокой молекулярной массой прутком из материала с низкой молекулярной массой, но не наоборот. Например для сварки листов из полиэтилена высокой плотности (HDPE, ПЭНД) можно применять пруток из полиэтилена низкой плотности (LDPE, ПЭВД), но сварить прутком из ПЭНД листы из ПЭВД не получится.

За исключением этой особенности, в целом можно сказать, что полиэтилен сваривается очень легко. Температура сварки ПЭВД ~270°С, при этом подача воздуха устанавливается на уровне от 5-1/4 до 5-1/2, а реостат – на 5. Параметры же сварки полиэтилена высокой плотности (ПЭНД) аналогичны параметрам для сварки полипропилена, т.е. температура должна быть около 300°С.

[B]Сварка поливинилхлорида (PVC, ПВХ)[/B]

По сравнению с полипропиленом и полиэтиленом ПВХ является достаточно капризным, и в то же время чрезвычайно полезным материалом. ПВХ обладает отличной стойкостью к коррозии и износу, обладает высокой ударной прочностью, хорошими термо- и электроизолирующими свойствами, кроме того, он не горит в воздушной среде.
Если при сварке ПВХ температура слишком высока, то материал начинает обугливаться, при слишком же низкой температуре этот материал может не свариваться. Необходимо также удалить содержащиеся в материале хлориды. Для этого надо обозначить место сварки и обработать его растворителем (например метилэтилкетоном).

Температура сварки ПВХ, также как полипропилена и полиэтилена ~ 300°С. ПВХ представляет исключение из правила «сваривать можно только схожие материалы», например ПВХ можно варить акриловым прутком и наоборот.

Сварка листовых пластиков

Сварка пластиков – это наиболее удобный и наименее дорогой способ соединения пластиковых элементов. В некоторых случаях альтернатив и вовсе не бывает (когда соединение при помощи клея невозможно). К тому же, горячая сварка пластиков выполняется массово, как специалистами в промышленных организациях, так и обычными людьми, по мере необходимости. Конечно, при наличии всего сопутствующего инструмента, с учетом развития отрасли и распространения фирменных аксессуаров нет никаких проблем.

Есть огромное количество способов сварки полимеров. Большинство из них можно сразу разделить на пару условных групп: сварка при помощи нагрева и без помощи аппаратов горячего воздуха. Наиболее активно используемый метод, это нагрев материала до вязкотекучего состояния. Но даже в этом случае используется несколько видов нагрева и приборов:

Световое или лазерное излучение

Ток высокой частоты

Все полимеры также дополнительно разделяются на термопласты и реактопласты. Термопласты прекрасно подходят для сварки, так как не меняют свой состав в процессе нагрева, а после остывания принимают еще и обратно все свои физические свойства. Реактопласты, наоборот, принимают свои свойства единственный раз во время изготовления и больше их нельзя подвергать нагреву, после которого их структура не восстанавливается.

При взаимодействии с нагревающим элементом, структура термопласта становится мягкой и податливой, при этом происходит смешение двух отдельных объектов термопластов в один единый. Так образуются неразрывные швы высокой прочности.

Сварка нагревающими аппаратами

Одним из самых простых способов передачи тепла является прямой контакт свариваемых поверхностей пластиков с самим нагревательным прибором или (в случае воздушных аппаратов) нагретых струй воздуха. Из-за простоты техпроцесса и доступности аппаратов, и аксессуаров к ним, они широко распространена.

Вначале проходит разогрев, в качестве первого этапа. При этом оплавленные края надежно соединяются между собой.

Контакт нагретых пластиков и свариваемых деталей удерживается с определенным усилием на какое-то время.

Во время разогрева необходимо, чтобы контактируемые поверхности имели проплавление на определенную глубину. Это также нужно для того, чтобы избежать работы с любыми неровностями поверхностей.

Существует перечень технологических параметров сварки пластмасс:

Температура нагревательного элемента (или среды)

Усилие прижатия инструмента к детали

Усилие сжатия свариваемых деталей

Продолжительность давления после окончания сварки

Чрезвычайно важно максимально очистить контактирующие поверхности для нанесения качественного шва. Т.к. вкрапления иных материалов, грязи, пыли внутрь шва негативно скажутся на его надежности. Если поверхность покрыта маслянистыми выделениями, их удаляют соответствующими растворителями (безопасными для самого полимера). Если отчистить невозможно, или край объекта слишком неровен, его просто срезают для образования ровного, чистого среза.

Сварка нагретым газом

При сварке газом все тепло идет от нагретого газа, который уже передает его, выходя из сопла аппаратов и термофенов самых разных конструкций. При этом, в качестве теплоносителя выступает, как правило: аргон, углекислый газ, азот и, конечно же, воздух. Выбор газа зависит именно от свойств пластика, который будет подвергаться сварке. Например, некоторые виды пластиков сильно подвержены действию кислорода, и поэтому более качественные швы получаются при выборе газа, наподобие аргона.

Технология сварки пластиков газом предусматривает два варианта: при использовании присадочного материала и без его использования. Когда используется пруток, его диаметр, обычно, составляет 2 – 6 мм. Присадку обязательно изготавливают из того материала, который планируется сваривать. В некоторых случаях, в пруток добавляют специальные пластификаторы, повышающие качество сварки.

На схеме показаны: а - сварка без насадок, б - сварка с насадкой для твердых термопластов, в - сварка с насадкой для мягких термопластов, г - сварка с насадкой для твердых и мягких термопластов. 1а - стандартное сопло, 1б - производительное сопло, 2 - основной материал, 3 - прижимной ролик, 4 - присадочный пруток, 5 - направляющий канал, P - направление давления на присадочный материал, V - направление сварки.

К основным технологическим параметрам сварки газом с использованием прутка относятся:

Расход и уровень температуры газа

Используемые материалы и размеры сечения прутка

Угол наклона подаваемого прутка

Усилие прижима присадки

Угол нагревающего аппарата к плоскости детали

Скорость производимых сварочных работ

Температура газа на выходе не должна превышать на 50 – 100 градусов Цельсия выше, чем температура вязкотекучести полимера. Расстояние между соплом и материалом должно быть 5 – 8 мм и удерживаться статично, на протяжении всего процесса сварки.

При угле наклона прутка свыше 90 градусов, материал положенный в шов будет удлиняться и может повредиться при охлаждении. При угле менее 90 градусов пруток будет нагреваться быстрее полимерного материала, при этом увеличится расход прутка, а в шве возникнет внутреннее напряжение. Прочность подобного шва может уменьшаться.

Угол наклона оси горелки к плоскости изделий составляет 55-65 градусов, а затем уменьшается до 45 градусов. При этом струя газа направлена на основной материал, т.к. его масса свыше массы прутка. Скорость сварки может сильно колебаться и доходить вплоть до 15 м/ч.

Сварка экструдером

Возможен и другой вид сварки, при помощи экструдера, которая производится готовым расплавом. И вместо специальной «прожарки» сразу используется тепло расплавленного присадочного материала, создающего шов.

Сварка осуществляется только если температура расплава находится на 50 градусов выше, чем температура свариваемого основного материала. Существует два типа сварки: бесконтактный и контактный.

При бесконтактном способе прижим осуществляется специальным валиком, тогда как при контактном способе это происходит при давлении самой насадкой экструдера, как и показано на рисунке.

Сварка полиэтилена и полипропилена (ПЕ, ПП)

Такие материалы как полиэтилен и полипропилен являются самыми часто встречаемыми термопластами, что обусловлено их основными свойствами. Это распространенные полимеры, которые стоят недорого, легко свариваются с применением горячих видов сварки. Область применения данных полимеров также огромна, от пленок и труб, до изоляции, деталей для строительства и даже пищевых емкостей и контейнеров.

Важно отметить, что для ПП и ПЕ подходят далеко не все виды сварки. Так, к примеру, нельзя произвести сварку токами высокой частоты, а также при использовании растворителей, что обусловлено структурой этих материалов. А вот использование аппаратов горячего воздуха (или экструдеров) наоборот, приветствуется.

Сварка пластика с использованием растворителей

Существует еще один тип сварки для полимеров, при использовании растворителей. Для этого специалисту потребуется выполнить определенный ряд действий: смачивание свариваемых краев в растворителе, ожидание пока материал разбухнет под химическим действием и станет мягким, использование давления для сцепления и отвердевания сварочного шва. Такой вид сварки используется совокупно с аморфными полимерами, которые хорошо подходят для этой задачи. Материалы имеющие кристаллическую структуру, как правило, также имеют высокую сопротивляемость растворителям.

Для смачивания двух поверхностей, как правило, используют обычную губку или другой, схожий материал. Количество растворителя не должно быть большим, чтобы не вызывать разрушающих материал подтеков. Сразу после смачивания и размягчения, обе поверхности должны быть немедленно присоединены друг к другу. Иногда также используют дополнительный нагрев для ускорения испарения растворителя. В целом, сварка пластиков методом растворителей проста и дешева, однако из-за ядовитых паров от самих растворителей, применяется редко, фактически, только в тех случаях, когда другие методы не работают.

Читайте также: