Cunoștințe de bază despre sudarea polietilenei (partea 1); UNITRACC - Pregătirea infrastructurii subterane

Acest articol este prima parte a unei serii de articole din trei părți despre materialul din polietilenă, pe care ni se permite să o publicăm cu amabilitatea revistei de specialitate bbr - pentru construcția de sonde și țevi. Acest articol a apărut în bbr 5/05. Prima parte este despre sudarea polietilenei.

Sudarea plasticului

Sudarea țevilor și a pieselor conductelor din polietilenă prin intermediul elementelor de încălzire sudare cap la cap sau sudare electrofuziune a fost un proces stabilit de mai mulți ani. Cu toate acestea, în practică, daunele apar din nou și din nou, ceea ce arată că lipsesc cunoștințele elementare de bază pentru înțelegerea procesului de sudare sau că este acordată și implementată prea puțină atenție. Scopul acestei prime părți este de a arăta tehnicianului sudor conexiunile de bază.

Polietilena este una dintre termoplastice, adică la materialele plastice care se topesc (se plasticizează) atunci când sunt încălzite și se solidifică din nou când sunt răcite. În structura sa de bază, polietilena constă din lanțuri lungi, așa-numitele macromolecule, care sunt compuse din aceleași blocuri de bază (etilenă). Are o structură parțial cristalină (zone dezordonate și ordonate între lanțurile moleculare) (Tab. 1 + Fig. 1a - b). O descriere mai detaliată a structurii și a proprietăților rezultate sunt date în a doua parte a acestei serii.

Ce este sudarea?

Practic, la sudarea termoplastelor, partenerii de îmbinare plastificați sunt uniți sub presiune pentru a forma o legătură materială. Procesele de curgere în timpul sudării joacă un rol decisiv aici (Fig. 2). Există mai multe teorii despre sudare în literatura de specialitate, dar fiecare descrie doar unele dintre fenomenele care apar. Există de ex. adsorbția, difuzia, teoria debitului minim și teoria contactului viscoelastic [4]. Într-un mod foarte simplificat, vă puteți imagina sudarea polietilenei ca și cum ați pune spaghete proaspăt fierte pe o farfurie. Spaghetele sunt împletite sălbatic și, când sunt calde, corespund gamei termoplastice.

temperatura de sudare,
forța de sudură și
timpii de sudare.

Toate cele trei dimensiuni sunt caracteristice fiecărui material termoplastic sudabil și trebuie să se încadreze în anumite intervale de toleranță. Dacă doar una dintre aceste trei variabile care influențează este în afara acestor toleranțe, calitatea cusăturii de sudură este fundamental pusă în discuție. Prin urmare, respectarea variabilelor de influență specificate în ghidurile DVS este elementară pentru calitatea cusăturii sudate. Pentru materialul din polietilenă (PE), acestea sunt stipulate în ghidul DVS 2207-1 pentru procesele de sudare sudare prin sudare a elementelor încălzite (HS), sudare prin electrofuziune (HM) și sudare prin soclu pentru elementele de încălzire (HD). Orientările DVS sunt create de Asociația Germană pentru Sudare și Procese Aliate (DVS), Düsseldorf și reprezintă regulile tehnologice general recunoscute și altele asemenea. A. pentru sudarea materialelor plastice.Evaluarea sudurilor se efectuează - fie în contextul rapoartelor de expertiză sau al evaluărilor oficiale - în Germania, în conformitate cu liniile directoare ale DVS.

Influența temperaturii de sudură

Pentru sudare, polietilena trebuie adusă mai întâi în așa-numita stare termoplastică (Fig. 3). În această stare, macromoleculele se pot deplasa liber, fără alte legături intermoleculare semnificative, adică Structurile parțial cristaline, care se topesc doar la temperaturi mai ridicate (temperatura de topire cristalină), s-au dizolvat, de asemenea. Această mobilitate gratuită trebuie acordată astfel încât lanțurile moleculare să alunece unul împotriva celuilalt în timpul sudării, să se poată amesteca în interfețele partenerului de îmbinare și să construiască din nou structurile semi-cristaline cu lanțurile moleculare ale partenerului de îmbinare la răcire.

Această amestecare are loc numai în zonele de frontieră ale partenerilor care se alătură și nu este vizibilă la microscop. De altfel, termenul termoplastic indică faptul că materialul nu este lichid, ci mai degrabă plastic (curge vâscos). Motivul pentru aceasta este lanțurile moleculare lungi, care se încurcă atunci când se topesc, spre deosebire de molecule foarte mici, cum ar fi Apă care se poate răspândi rapid în toate direcțiile. Chiar și moleculele mai mici sau mai ușoare sunt sub formă gazoasă, care de ex. Acest lucru se poate întâmpla în cazul temperaturilor excesive sau al expunerii excesiv de lungi la căldură, dacă fragmentele de lanț se separă din cauza aportului excesiv de energie.

În acest context, trebuie remarcat faptul că lungimea lanțurilor moleculare are o mare influență asupra sudabilității. Lungimea lanțului trebuie să fie aceeași posibilă pentru a obține proprietăți de curgere omogene. La greutăți moleculare foarte mari, cum ar fi cu PE 100, o polietilenă cu greutate moleculară foarte mare (PE-HD-UHMW), lungimea lanțului este atât de mare încât lanțurile moleculare în starea termoplastică nu mai pot aluneca unul pe altul datorită numeroaselor încurcături cu alte lanțuri moleculare. . Adică că materialul se înmoaie atunci când este încălzit, dar nu mai poate curge și, prin urmare, nu mai poate fi sudat în mod semnificativ.

Tipurile de polietilenă disponibile pe piață (partea 2 a publicației) diferă în ceea ce privește fluiditatea lor în zona termoplastică. considerabil. Aceste diferențe influențează sudabilitatea diferiților parteneri de îmbinare în așa fel încât mobilitatea diferită a lanțurilor moleculare (la aceeași temperatură de sudare) poate duce la amestecarea insuficientă a interfețelor. Pentru a controla această problemă, polietilenele au fost împărțite în grupuri în funcție de fluiditatea lor.

Aceste grupuri MFR (MFR = debitul de masă topit, anterior: index topit (MFI)) sunt descrise în DVS 2207-1. Practic, aceleași grupuri MFR pot fi sudate împreună și, în multe cazuri, și grupuri adiacente (de exemplu, grupurile MFR 005 și 010 pentru PE). În principiu, reglementările sau producătorii trebuie consultați în acest sens. Un comportament prea diferit al debitului poate avea un efect de durată asupra debitului și, astfel, asupra comportamentului de sudare. Aceasta înseamnă că aceleași termoplastice sau termoplastice cu proprietăți de curgere similare pot fi sudate mult mai bine. Un alt accent ar trebui să se concentreze asupra stării polietilenei. Polietilena are o gamă foarte largă de termoplastic între aproximativ 140 și 300 ° C (Fig. 3).

Cu toate acestea, experiența arată că polietilena are cele mai bune rezistențe (pe termen lung) la o temperatură de sudare pentru sudarea încălzită a capului sculei de 200 până la 220 ° C. Temperaturile mai scăzute sau mai mari au un efect dezavantajos asupra rezistenței. Prin urmare, trebuie pus un accent special pe măsurarea temperaturii elementului de încălzire folosind dispozitive de măsurare a temperaturii adecvate și calibrate regulat. Dacă unul sau ambii dintre partenerii de îmbinare au o temperatură prea scăzută în timpul sudării cu capăt a sculei încălzite (de exemplu, din cauza unui timp de încălzire prea mic, a unui timp de schimbare prea mare etc.), există riscul ca mobilitatea lanțurilor moleculare să fie prea mică și să fie pus în discuție o amestecare suficientă a partenerilor de îmbinare.

La sudarea țevilor din polietilenă cu grosimi ridicate ale pereților, reglementările DVS subliniază în mod expres că temperatura elementului de încălzire ar trebui setată la limita inferioară a intervalului de temperatură admisibil de 200 până la 220 ° C pentru sudarea încălzită a capului sculei. Acest lucru se datorează faptului că, datorită conductivității termice scăzute a polietilenei și a grosimii mari a materialului, este necesar un timp de încălzire relativ lung pentru a plastifica suficient partenerii de îmbinare (adică nu numai pe suprafața de contact cu elementul de încălzire, ci și în adâncimile partenerilor de îmbinare). Prin urmare, pentru a preveni deteriorarea cauzată de timpul de expunere lung, temperatura este redusă. Dacă partenerii de îmbinare sunt plastificați prea puțin în adâncime, puținul material plastificat este presat rapid în granulele de sudură în timpul procesului de îmbinare și straturile prea reci se întâlnesc în planul de îmbinare, care - așa cum s-a descris deja - nu mai poate amesteca suficient.

Influența forței de sudură

Forța de sudură este utilizată pentru a aduce partenerii de îmbinare plastificați în contact unul cu celălalt, astfel încât lanțurile moleculare să se amestece suficient și să se poată dezvolta structurile parțial cristaline care determină rezistența polietilenei. Forța de sudare necesară (presiunea de îmbinare specifică) pentru polietilenă este specificată în DVS 2207-1 și trebuie convertită în zonele de sudare existente corespunzătoare (forță pe suprafață). Dacă presiunea de sudare este calculată incorect sau dacă mașina este defectă/nu este calibrată și se folosește o presiune de sudură greșită sau presiunea de sudură setată nu poate fi menținută (de exemplu, datorită etanșărilor etanșe ale pistonului), există riscul ca părțile care trebuie îmbinate să nu fie amestecate corespunzător sau - dacă presiunea de îmbinare este prea mare - se presează prea mult material plasticizat în bile de sudură.

Deoarece straturile mai reci se întâlnesc în acestea din urmă, amestecul este insuficient și, prin urmare, se reduce rezistența. În plus, presiunea excesiv de ridicată determină deformări de forfecare inadmisibile, care la rândul lor duc la creșterea tensiunilor reziduale în cusătura de sudură. Tensiunile reziduale excesive pot reduce considerabil rezistența. Deci trebuie să existe o anumită grosime reziduală a topiturii după sudare (Fig. 5). Se presupune că cele mai bune rezistențe ale cusăturii de sudură se realizează cu o deplasare a topiturii de aproximativ 75% [2]. Grosimile stratului de topit de 0,2 până la 0,4 x grosimea peretelui sunt tipice pentru termoplastele semi-cristaline [2].

Influența timpilor de sudare

La sudarea cu cap la cap a sculei încălzite, există mai mulți parametri de timp care trebuie luați în considerare. Cele mai importante sunt:

Alți factori de influență

Influențele de mediu (de exemplu, umiditate, vânt etc.) și pregătirea cusăturii de sudură (separarea unghiulară a țevilor, îndepărtarea stratului de oxid etc.) au, de asemenea, o influență semnificativă asupra calității cusăturii de sudură. În general, fiecare sudor care a fost instruit în conformitate cu recomandările general recunoscute ale DVGW (foaia de lucru DVGW GW 330) sau DVS (DVS 2212-1) învață să evite aceste influențe negative în consecință.

Tensiuni reziduale de sudare

Tensiunile reziduale de sudare trebuie considerate ca o variabilă critică într-o cusătură de sudură. Stresurile nu pot fi complet evitate într-o cusătură de sudură datorită curenților de curgere și de deviere (Fig. 6) în timpul procesului de sudare și a tensiunilor de contracție în timpul procesului de răcire, dar pot fi crescute semnificativ dacă nu sunt respectați parametrii corecți de sudare sau nu sunt respectate influențele de mediu.

Tensiunile reziduale excesiv de ridicate de sudare pot reduce semnificativ rezistența și durata de viață a unei cusături de sudură și, astfel, pot duce la defectarea prematură. Experiența a arătat că eforturile reziduale de sudare din suduri în conformitate cu ghidurile DVS sunt în domeniul necritic. Tensiunile reziduale crescute în semifabricatele care au fost cauzate în timpul fabricării și care sunt eliberate în timpul încălzirii/sudării pot avea, de asemenea, un efect de durată. Prin urmare, în general se recomandă utilizarea produselor semifabricate certificate corespunzător.

Evaluarea suprafeței fracturii

O evaluare cuprinzătoare a posibilelor suprafețe de fractură și a cauzelor posibile ale acestora, în special în zona sudurii, ar depăși sfera acestei publicații. Cu toate acestea, în principiu, se poate face o distincție între tipurile de suprafețe de fractură ductile și fragile (Fig. 7a + b). Fracturile fragile sunt caracterizate de suprafețe netede și indică o sudură slabă/inadecvată. Suprafețele de fractură ductilă au o structură întinsă și indică o sudură bună.

În cazul suprafețelor de fracturare netede, lanțurile moleculare nu s-au putut amesteca sau amesteca foarte puțin în interfețele celor doi parteneri de îmbinare (de exemplu, datorită partenerilor de îmbinare care erau prea reci din cauza temperaturilor/timpilor de încălzire insuficienți, a influențelor mediului, a timpilor de schimbare prea lungi, a presiunilor de îmbinare prea mici etc.) sau stres brusc pe cusătură. În cazul fracturilor ductile, lanțurile moleculare, care au fost bine amestecate în interfețe, au fost literalmente îndepărtate. Întinderea în sine poate varia în mărime în funcție de tipul de polietilenă. Cu toate acestea, de obicei au o decolorare albă (albirea stresului).

Sudarea prin electrofuziune a polietilenei

Spre deosebire de sudarea cap la cap a elementului încălzit, cu sudarea prin electrofuziune, variabilele de influență temperatură și timp sunt de obicei citite și setate automat de către mașinile de sudat (în principal folosind un cod de bare) (Fig. 8). Deci, se pare că nu este necesară o atenție suplimentară sudării. Din păcate, această setare duce în mod repetat la deteriorări, deoarece erorile în pregătirea sudurii nu pot fi detectate de obicei de către mașinile de sudat și au un efect de durată asupra calității cusăturii sudurii. Presiunea de sudare este creată de faptul că materialul plastifiat dintre țeavă și conectorul bobinei de încălzire creează o presiune corespunzătoare datorită expansiunii termice specifice materialului.

Datorită expansiunii termice împiedicate în priză (datorită grosimilor mai ridicate ale peretelui, armăturii firului sau tensiunilor de contracție înghețate eliberate în mod specific) și polietilenei care se solidifică rapid în zona de margine a prizei (în așa-numitele zone reci), presiunea de sudare necesară se acumulează în planul articulației atunci când este încălzită. Procesele de curgere între materialele plastificate ale partenerilor de îmbinare au loc, de asemenea, în această fază. Totuși, acest lucru presupune că decalajul dintre țeavă și mufă se încadrează în toleranțele admise (țeavă, mufă, ovalitate etc.) și că pregătirea cusăturii de sudură (de exemplu, îndepărtarea stratului de oxid etc.) a fost efectuată corect. Temperaturile necesare de sudare sunt generate de curentul curent în firele de rezistență. Relațiile deja menționate se aplică și aici. Calitatea unei conexiuni de electrofuziune este, prin urmare, determinată de creșterea corectă a presiunii, de setarea corectă a temperaturii și a timpului și, prin urmare, în esență de cunoștințele producătorului și, desigur, de pregătirea corectă a cusăturii de sudură.

Sudare PE-X reticulată

Sudarea polietilenei reticulate (PE-X) a fost până acum practic aplicabilă și obișnuită în legătură cu sudarea prin electrofuziune și combinația de „țeavă din PE-X și conector de electrofuziune din PE-HD”. Încercările de a realiza îmbinări sudate pure realizate din PE-X sau în combinație cu un partener de îmbinare PE-HD în procesul de sudare prin capăt a elementului de încălzire cu rezistențe comparabile pe termen lung cu sudurile PE-HD pure au eșuat până acum. Polietilena reticulată diferă semnificativ de polietilena reticulată în ceea ce privește proprietățile sale.

Numărul conexiunilor chimice dintre lanțurile moleculare din polietilenă reticulată este foarte scăzut (aproximativ comparabil cu o rețea tridimensională cu plasă largă). Legăturile încrucișate se află în mod constant în zonele amorfe ale materialului. Din punct de vedere al sudării, polietilena reticulată poate fi înmuiată prin încălzire, dar din moment ce lanțurile moleculare există ca o rețea tridimensională, ele nu mai pot aluneca unul de altul. Aceasta înseamnă că sudarea în sensul obișnuit nu mai este posibilă. Punctele tari ale combinației „conductei PE-X cu conectorul bobinei de încălzire PEHD”, care sunt suficiente pentru o utilizare practică, se explică prin faptul că, datorită gradului redus de reticulare în conductele PE-X, există secțiuni de lanț relativ lungi, mobile, între punctele reticulate și la capetele lanțului sunt localizate.

În zonele de frontieră, acestea se pot amesteca cel puțin parțial cu lanțurile moleculare în mișcare liberă ale conectorului bobinei de încălzire (fără rețele) din PE-HD. de asemenea, construiți din nou structurile parțial cristaline atunci când se răcesc (ipoteza cristalului mixt, [13]). Nivelul inferior de rezistență (datorită mobilității împiedicate a lanțurilor moleculare reticulate) este compensat de zona de sudare destul de mare disponibilă. Sunt atinse punctele forte pe termen lung.

rezumat

Ca și în cazul altor materiale, sudarea polietilenei necesită cunoștințe de bază specifice materialului și sudarea de bază. Această cunoaștere și punerea sa în aplicare corespunzătoare în conformitate cu reglementările DVS permit producerea de cusături de sudură care au o durată de viață verificabilă pentru sudarea cap la cap a elementelor de încălzire și sudarea prin electrofuziune - comparabilă cu cea a țevilor din polietilenă.

Sudorul poate folosi aceste cunoștințe de ex. în cursuri de formare general recunoscute (conform fișei de lucru DVGW GW 330 sau DVS 2212-1, DVS 2213). În plus față de abilitățile de sudare, așezare și manual, pregătirea pentru sudare și echipament este o garanție esențială pentru o bună calitate a cusăturii de sudură. Fără aceste cunoștințe de bază și implementarea corectă a acestora, calitatea respectivă a cusăturii de sudură este un joc de noroc (scump).

literatură

Sursa: BBR 5/05, paginile 24-30