Základné vedomosti o zváraní polyetylénu (časť 1); UNITRACC - Výcvik podzemnej infraštruktúry

Tento článok je prvou časťou trojdielnej série článkov o materiáli polyetylén, ktorú môžeme publikovať s láskavým dovolením odborného časopisu bbr - odborný časopis pre stavbu studní a potrubí. Tento článok sa objavil v brbr 5/05. Prvá časť sa týka zvárania polyetylénu.

základné

Zváranie plastov

Zváranie rúrok a častí potrubia z polyetylénu pomocou zvárania na tupo pomocou vykurovacích telies alebo elektrofúzneho zvárania je už mnoho rokov zavedeným procesom. V praxi sa však škody vyskytujú opakovane, čo ukazuje, že chýbajú základné základné vedomosti o porozumení procesu zvárania alebo že sa venuje a implementuje príliš malá pozornosť. Cieľom tejto prvej časti je demonštrovať základné spojenia zvárania pre odborníka.

Polyetylén je termoplast, to znamená jeden z plastov, ktoré sa pri zahrievaní topia (plastifikujú) a po ochladení opäť stuhnú. Polyetylén sa vo svojej základnej štruktúre skladá z dlhých reťazcov, takzvaných makromolekúl, ktoré sú zložené z rovnakých základných stavebných prvkov (etylén). Má čiastočne kryštalickú štruktúru (neusporiadané a usporiadané oblasti medzi molekulovými reťazcami) (tab. 1 + obr. 1a - b). Podrobnejší popis štruktúry a výsledných vlastností je uvedený v druhej časti tejto série.

Čo je to zváranie?

Pri zváraní termoplastov sú plastifikovaní spojovací partneri v podstate zjednotení pôsobením tlaku a vytvárajú tak materiálovú väzbu. Tu majú rozhodujúcu úlohu prietokové procesy počas zvárania (obr. 2). V odbornej literatúre existuje niekoľko teórií o zváraní, každá však popisuje iba niektoré javy, ktoré sa vyskytujú. Napríklad existujú adsorpcia, difúzia, teória minimálneho prietoku a teória viskoelastického kontaktu [4]. Veľmi zjednodušene si môžete predstaviť zváranie polyetylénu, akoby ste na tanier dávali čerstvo uvarené špagety. Špagety sú divoko prepletené a ak sú teplé, zodpovedajú termoplastickému rozsahu.

  • teplota zvárania,
  • zváracia sila a
  • doby zvárania.

Všetky tri veľkosti sú charakteristické pre každý zvariteľný termoplast a musia byť v určitých tolerančných rozsahoch. Ak je čo i len jedna z týchto troch ovplyvňujúcich veličín mimo týchto tolerancií, kvalita zvarového švu je zásadne spochybnená. Preto je pre kvalitu zvarového švu základné dodržiavanie ovplyvňujúcich premenných špecifikovaných v pokynoch DVS. Pre materiál polyetylén (PE) sú uvedené v smernici DVS 2207-1 pre zváracie procesy na zváranie na tupo (HS), elektrofúzne zváranie (HM) a na zváranie v puzdre (HD). Pokyny DVS sú vypracované Nemeckou asociáciou pre zváranie a príbuzné procesy (DVS) v Düsseldorfe a predstavujú všeobecne uznávané technologické pravidlá vrátane na zváranie plastov Posudzovanie zvarov sa vykonáva - či už v rámci odborných správ alebo úradných posudkov - v Nemecku v súlade s usmerneniami DVS.

Vplyv teploty zvárania

Na zváranie musí byť polyetylén najskôr uvedený do takzvaného termoplastického stavu (obr. 3). V tomto stave sa makromolekuly môžu voľne pohybovať bez akýchkoľvek ďalších významných medzimolekulových väzieb, to znamená, že sa čiastočne rozpustili čiastočne kryštalické štruktúry, ktoré sa topia iba pri vyšších teplotách (teplota topenia kryštalickej látky). Táto voľná mobilita musí byť zabezpečená, aby sa molekulárne reťazce počas zvárania posúvali proti sebe, mohli sa zmiešať v rozhraniach spojovacieho partnera a počas chladenia znovu vytvárať semikryštalické štruktúry s molekulovými reťazcami spojovacieho partnera.

Toto miešanie sa uskutočňuje iba v pohraničných oblastiach spájajúcich sa partnerov a nie je viditeľné pod mikroskopom. Mimochodom, termín termoplast naznačuje, že materiál nie je tekutý, ale skôr plastový (viskózny). Dôvodom sú dlhé molekulárne reťazce, ktoré sa pri topení zamotávajú, na rozdiel od veľmi malých molekúl, ako je voda, ktoré sa môžu rýchlo šíriť všetkými smermi. Aj menšie alebo ľahšie molekuly sú prítomné v plynnej forme, čo môže byť napríklad pri nadmerných teplotách alebo nadmerne dlhom vystavení teplu, ak sa fragmenty reťazca odštiepia v dôsledku nadmerného prísunu energie.

V tejto súvislosti je potrebné poznamenať, že dĺžka molekulových reťazcov má veľký vplyv na zvárateľnosť. Dĺžka reťaze by mala byť pokiaľ možno rovnaká, aby sa dosiahli homogénne vlastnosti tečenia. Pri veľmi vysokých molekulových hmotnostiach, ako napríklad pri PE 100, polyetyléne s veľmi vysokou molekulovou hmotnosťou (PE-HD-UHMW), je dĺžka reťazca taká veľká, že molekulárne reťazce v termoplastickom stave už nemôžu zo seba skĺzavať kvôli mnohým zapleteniam s inými molekulovými reťazcami. . To znamená, že materiál pri zahriatí mäkne, ale už nie je tekutý, a preto ho už nemožno zmysluplne zvárať.

Typy polyetylénu dostupné na trhu (časť 2 publikácie) sa značne líšia, pokiaľ ide o ich tekutosť v termoplastickej oblasti. Tieto rozdiely ovplyvňujú zvárateľnosť rôznych spojovacích partnerov takým spôsobom, že kvôli rozdielnej mobilite molekulárnych reťazcov (pri rovnakej teplote zvárania) nemusí dochádzať k dostatočnému premiešaniu v rozhraniach. Aby sa tento problém dostal pod kontrolu, boli polyetylény rozdelené do skupín na základe ich tekutosti.

Tieto MFR skupiny (MFR = hmotnostný prietok taveniny, predtým: index toku taveniny (MFI)) sú opísané v DVS 2207-1. V zásade je možné zvárať rovnaké skupiny MFR a v mnohých prípadoch aj susedné skupiny (napr. Skupiny MFR 005 a 010 pre PE). V zásade je potrebné konzultovať s predpismi alebo výrobcami. Príliš odlišné správanie pri prietoku môže mať trvalý vplyv na prietok, a tým aj na správanie pri zváraní. To znamená, že rovnaké termoplasty alebo termoplasty s podobnými tokovými vlastnosťami sa dajú zvárať oveľa lepšie. Ďalšia pozornosť by sa mala venovať stavu polyetylénu. Polyetylén má veľmi široký termoplastický rozsah medzi približne 140 a 300 ° C (obr. 3).

Prax však ukazuje, že polyetylén má najlepšie (dlhodobé) pevnosti pri teplote zvárania pri zváraní na tupo zváraným na tupo od 200 do 220 ° C. Nižšie alebo vyššie teploty majú nepriaznivý vplyv na pevnosť. Preto je potrebné klásť osobitný dôraz na meranie teploty vykurovacieho telesa pomocou vhodných a pravidelne kalibrovaných prístrojov na meranie teploty. Ak má jeden alebo obaja spojujúci partneri príliš nízku teplotu počas zvárania na tupo nahriatym nástrojom (napr. Kvôli príliš nízkemu času zahrievania, príliš dlhej dobe výmeny atď.), Existuje riziko, že mobilita molekulárnych reťazcov je príliš nízka, a preto je potrebné spochybniť dostatočné premiešanie spojovacích partnerov.

Pri zváraní rúrok z polyetylénu s vysokou hrúbkou steny predpisujú DVS výslovne, že teplota vykurovacieho telesa by mala byť pri zváraní na tupo zváraným nástrojom nastavená na spodnú hranicu prípustného teplotného rozsahu 200 až 220 ° C. Je to spôsobené tým, že kvôli nízkej tepelnej vodivosti polyetylénu a veľkej hrúbke materiálu je potrebný pomerne dlhý čas na zahriatie, aby sa dostatočne plastifikovali partneri spoja (t. J. Nielen na styčnej ploche s vykurovacím prvkom, ale aj v hĺbkach partnerov spoja). Teplota sa preto zníži, aby sa zabránilo poškodeniu v dôsledku dlhej doby pôsobenia. Ak sú spojovacie partneri plastifikované príliš málo do hĺbky, malý plastifikovaný materiál sa počas procesu spájania rýchlo vtlačí do zvarovacích guličiek a v spojovacej rovine sa stretnú príliš studené vrstvy, ktoré - ako už bolo opísané - už nemôžu dostatočne premiešať.

Vplyv zváracej sily

Zváracia sila sa používa na to, aby sa zmäkčené spojovacie partneri dostali do vzájomného kontaktu takým spôsobom, že sa molekulárne reťazce dostatočne premiešajú a môžu sa vyvinúť čiastočne kryštalické štruktúry určujúce pevnosť polyetylénu. Požadovaná zváracia sila (špecifický spojovací tlak) pre polyetylén je uvedená v DVS 2207-1 a musí sa previesť na príslušné existujúce zváracie oblasti (sila na plochu). Ak je zvárací tlak nesprávne vypočítaný alebo ak je stroj chybný/nie je kalibrovaný a je použitý nesprávny zvárací tlak alebo ak nie je možné udržiavať nastavený zvárací tlak (napr. Z dôvodu netesných tesnení piestu), existuje riziko, že diely, ktoré sa majú spojiť, nebudú správne premiešané. alebo - ak je spojovací tlak príliš vysoký - sa do zvarových guličiek vtlačí príliš veľa plastifikovaného materiálu.

Pretože v druhej sa stretávajú chladnejšie vrstvy, nedochádza k dostatočnému premiešaniu a tým k zníženiu pevnosti. Okrem toho nadmerne vysoký tlak spôsobuje neprípustne vysoké šmykové deformácie, ktoré následne vedú k zvýšeniu zvyškových napätí vo zvarovom šve. Nadmerné zvyškové napätia môžu výrazne znížiť pevnosť. Takže po zváraní musí existovať určitá zvyšková hrúbka taveniny (obr. 5). Predpokladá sa, že najlepšie pevnosti zvarového švu sa dosahujú pri posunutí taveniny asi 75 percent [2]. Pre semikryštalické termoplasty sú typické hrúbky vrstvy taveniny 0,2 až 0,4 x hrúbka steny [2].

Vplyv časov zvárania

Pri zváraní na tupo zváraným na tupo je potrebné brať do úvahy niekoľko časových parametrov. Najdôležitejšie sú:

Ďalšie ovplyvňujúce faktory

Podstatný vplyv na kvalitu zvarového švu majú aj vplyvy prostredia (napr. Vlhkosť, vietor atď.) A príprava zvarového švu (pravouhlé oddelenie rúrok, odstránenie vrstvy oxidu atď.). Všeobecne sa každý zvárač, ktorý bol vyškolený podľa všeobecne uznávaných smerníc DVGW (pracovný list DVGW GW 330) alebo DVS (DVS 2212-1), učí vyhnúť sa týmto negatívnym vplyvom zodpovedajúcim spôsobom.

Zvyškové napätia pri zváraní

Zvyškové napätia pri zváraní sa majú považovať za kritickú premennú vo zvarovom šve. Napätiam vo zvarovom šve sa nedá úplne vyhnúť v dôsledku prúdenia a vychyľovacích prúdov (obr. 6) počas procesu zvárania a zmršťovacích napätí počas procesu chladenia, je však možné ich výrazne zvýšiť, ak nebudú dodržané správne parametre zvárania alebo nebudú dodržané vplyvy prostredia.

Príliš vysoké zvyškové napätia pri zváraní môžu významne znížiť pevnosť a životnosť zvarového švu a viesť tak k predčasnému zlyhaniu. Skúsenosti ukazujú, že zvyškové napätia pri zváraní sú v súlade s predpismi DVS v nekritickom rozmedzí pre zvary. Trvalé pôsobenie môže mať aj zvýšené zvyškové napätia v polotovaroch, ktoré vznikli pri výrobe a ktoré sa uvoľňujú pri zahrievaní/zváraní. Preto sa všeobecne odporúča použitie vhodne certifikovaných polotovarov.

Hodnotenie lomového povrchu

Komplexné hodnotenie možných lomových plôch a ich možných príčin, najmä v okolí zvaru, by išlo nad rámec tejto publikácie. V zásade však možno rozlišovať medzi tvárnym a krehkým typom lomových plôch (obr. 7a + b). Krehké zlomeniny sa vyznačujú hladkými povrchmi a poukazujú na slabý/nedostatočný zvar. Tvárne lomové povrchy majú natiahnutú štruktúru a naznačujú dobrý zvar.

V prípade hladkých lomových povrchov sa molekulárne reťazce nemohli miešať alebo miešať len veľmi málo v rozhraniach dvoch spojovacích partnerov (napr. Kvôli príliš studeným spojovacím partnerom kvôli nedostatočným teplotám/časom ohrevu, vplyvom prostredia, príliš dlhým časom prepínania, príliš nízkym spojovacím tlakom atď.) Alebo jednému náhle napätie na šve. V prípade tvárnych zlomenín boli molekulárne reťazce, ktoré boli dobre zmiešané v rozhraniach, doslova roztrhané. Samotné rozťahovanie sa môže značne líšiť veľkosťou v závislosti od typu polyetylénu. Spravidla však majú biele sfarbenie (bielenie stresom).

Elektrofúzne zváranie polyetylénu

Na rozdiel od zvárania na tupo s vyhrievanými prvkami je pri elektrofúznom zváraní ovplyvňujúce premenné teplota a čas zvyčajne načítané a nastavované automaticky zváracími strojmi (väčšinou pomocou čiarového kódu) (obr. 8). Zdá sa teda, že zváraniu nie je potrebné venovať ďalšiu pozornosť. Toto nastavenie však nanešťastie opakovane vedie k poškodeniu, pretože zváracie stroje zvyčajne nemôžu zistiť chyby v príprave zvárania a majú trvalý vplyv na kvalitu zvaru. Zvárací tlak sa vytvára tým, že zmäkčený materiál medzi potrubím a konektorom vykurovacej špirály vytvára zodpovedajúci tlak v dôsledku tepelnej rozťažnosti špecifickej pre materiál.

Vďaka obmedzenej tepelnej rozťažnosti v zásuvke (v dôsledku hrubších stien, pancierovania drôtu alebo špecificky uvoľneného namrznutého zmršťovacieho napätia) a polyetylénu, ktorý rýchlo tuhne v okrajovej oblasti zásuvky (v takzvaných studených zónach), sa pri zahrievaní v spojovacej rovine vytvára potrebný zvárací tlak. V tejto fáze prebiehajú aj procesy toku medzi plastifikovanými materiálmi spojovacích partnerov. To však predpokladá, že medzera medzi rúrkou a hrdlom je v rámci prípustných tolerancií (rúrka, hrdlo, ovalita atď.) A že príprava zvarového švu (napr. Odstránenie vrstvy oxidu atď.) Bola vykonaná správne. Potrebné teploty zvárania sa generujú prúdom prúdu v odporových drôtoch. Aj tu platia už spomínané vzťahy. Kvalita elektrofúzneho spojenia je teda určená správnym nárastom tlaku, správnym nastavením teploty a času a teda v podstate know-how výrobcu a samozrejme správnou prípravou zvarového švu.

Zváranie zosieťované PE-X

Zváranie zosieťovaného polyetylénu (PE-X) bolo doteraz iba prakticky použiteľné a bežné v súvislosti s elektrofúznym zváraním a kombináciou „rúrky z PE-X a elektrofúznej prípojky z PE-HD“. Pokusy dosiahnuť čisté zvarové spoje vyrobené z PE-X alebo v kombinácii s partnerom PE-HD v procese zvárania na tupo vykurovacieho telesa s porovnateľnou dlhodobou pevnosťou ako čisté zvary PE-HD, doteraz zlyhali. Zosieťovaný polyetylén sa svojimi vlastnosťami významne líši od nezosieťovaného polyetylénu.

Počet chemických spojení medzi molekulovými reťazcami v zosieťovanom polyetyléne je veľmi nízky (zhruba porovnateľný s trojrozmernou sieťou so širokými okami). Samotné zosieťovania sú dôsledne v amorfných oblastiach materiálu. Z hľadiska zvárania je možné zosieťovaný polyetylén zmäkčiť zahrievaním, ale keďže sú molekulárne reťazce prítomné ako trojrozmerná sieť, nemôžu už zo seba kĺzať. To znamená, že zváranie v obvyklom zmysle už nie je možné. Silné stránky kombinácie „potrubia PE-X s konektorom vykurovacej špirály PEHD“, ktoré sú dostatočné na praktické použitie, sú vysvetlené skutočnosťou, že kvôli nízkemu stupňu zosieťovania v potrubiach PE-X sú medzi bodmi zosieťovania a na koncoch reťazí pomerne dlhé, pohyblivé časti reťaze. sa nachádzajú.

V pohraničných oblastiach sa tieto môžu aspoň čiastočne zmiešať s voľne sa pohybujúcimi molekulárnymi reťazcami (nezosieťovaného) konektora ohrievacej špirály vyrobeného z PE-HD a v niektorých prípadoch tiež po ochladení obnoviť čiastočne kryštalické štruktúry (hypotéza zmiešaných kryštálov, [13]). Nižšia úroveň pevnosti (kvôli obmedzenej mobilite zosieťovaných molekulárnych reťazcov) je kompenzovaná pomerne veľkou dostupnou zváracou plochou. Dosahujú sa požadované dlhodobé sily.

Zhrnutie

Rovnako ako pri iných materiáloch, aj pri zváraní polyetylénu sú potrebné určité základné materiálové a základné znalosti zvárania. Tieto vedomosti a ich správna implementácia v súlade s predpismi DVS umožňujú výrobu zvarových švov, ktoré majú preukázateľne dlhú životnosť pri zváraní na tupo a pri elektrofúznom zváraní - porovnateľne ako u polyetylénových rúr.

Zvárač môže tieto vedomosti získať napríklad na všeobecne uznávaných školeniach (podľa pracovného listu DVGW GW 330 alebo DVS 2212-1, DVS 2213). Okrem zvárania, kladenia a manuálnych zručností je príprava na zváranie a zariadenie nevyhnutnou zárukou dobrej kvality zvarového švu. Bez týchto základných znalostí a ich správnej implementácie je príslušná kvalita zvarového švu (nákladná) hazardná hra.

literatúry

Zdroj: BBR 5/05, strany 24-30