A polietilén hegesztésének alapismeretei (1. rész); UNITRACC - Földalatti infrastrukturális képzés
Ez a cikk a polietilén anyagról szóló három részes cikksorozat első része, amelyet kiadhatunk a bbr - kút- és csőépítéssel foglalkozó szaklap szíves engedélyével. Ez a cikk a bbr 5/05. Az első rész a polietilén hegesztéséről szól.
Műanyag hegesztés
A polietilénből készült csövek és csővezeték-alkatrészek hegesztése fűtőelemes fenékhegesztéssel vagy elektrofúziós hegesztéssel évek óta bevett folyamat. A gyakorlatban azonban újra és újra bekövetkezik a kár, ami azt mutatja, hogy a hegesztési folyamat megértéséhez elemi alapismeretek hiányoznak, vagy hogy túl kevés figyelmet fordítanak és alkalmaznak. Ennek az első résznek a célja az alapvető hegesztési kapcsolatok bemutatása a szakember számára.
A polietilén egy hőre lágyuló műanyag, vagyis azon műanyagok egyike, amelyek melegítés közben megolvadnak (lágyulnak) és lehűlve ismét megszilárdulnak. Alapfelépítésében a polietilén hosszú láncokból, úgynevezett makromolekulákból áll, amelyek ugyanazokból az alapvető építőelemekből (etilén) állnak. Részben kristályos szerkezetű (rendezetlen és rendezett területek vannak a molekulaláncok között) (1. tábla + 1a. - b. Ábra). A szerkezet és az ebből adódó tulajdonságok részletesebb leírását a sorozat második része tartalmazza.
Mi a hegesztés?
Alapvetően a hőre lágyuló műanyagok hegesztésekor a lágyított csatlakozó partnereket nyomás hatására egyesítik, hogy anyagkötést képezzenek. A hegesztés folyamata folyamatok itt meghatározó szerepet játszanak (2. ábra). A hegesztésről számos elmélet létezik a szakirodalomban, de mindegyik csak néhány előforduló jelenséget ír le. Például vannak adszorpció, diffúzió, minimális áramlási sebesség elmélet és a viszkoelasztikus érintkezés elmélete [4]. Nagyon leegyszerűsítve úgy képzelheti el a polietilén hegesztését, mintha frissen főtt spagettit rakna egy tányérra. A spagetti vadul összefonódik, és meleg állapotban megfelel a hőre lágyuló műanyag tartománynak.
- a hegesztési hőmérséklet,
- a hegesztőerő és
- a hegesztési idők.
Mindhárom méret jellemző minden hegeszthető hőre lágyuló műanyagra, és bizonyos tűréshatárokon belül kell lenniük. Ha e három befolyásoló változó közül csak az egyik kívül esik ezen tűréshatárokon, akkor a hegesztési varrat minősége alapvetően kérdéses. Ezért a DVS irányelvekben meghatározott befolyásoló változók betartása elengedhetetlen a hegesztési varrat minőségéhez. A polietilén (PE) anyagához a DVS 2207-1 irányelv a hegesztési folyamatokhoz fűtött fenekű hegesztéshez (HS), elektrofúziós hegesztéshez (HM) és fűtött elem foglalatú hegesztéshez (HD) vonatkozik. A DVS irányelveket a német hegesztési és szövetséges folyamatok szövetsége (DVS), Düsseldorf készítette, és egyebek mellett a technológia általánosan elismert szabályait képviselik. A varratok értékelését - akár szakértői jelentésekkel, akár hivatalos értékelésekkel összefüggésben - Németországban végzik a DVS irányelveinek megfelelően.
A hegesztési hőmérséklet hatása
A hegesztéshez a polietilént először úgynevezett hőre lágyuló állapotba kell hozni (3. ábra). Ebben az állapotban a makromolekulák minden további jelentős molekulák közötti kötés nélkül szabadon mozoghatnak, vagyis a részlegesen kristályos szerkezetek, amelyek csak magasabb hőmérsékleten (kristályos olvadási hőmérsékleten) olvadnak fel, feloldódtak. Ezt a szabad mobilitást úgy kell biztosítani, hogy a hegesztés során a molekulaláncok egymás ellen csúszjanak, belekeveredhessenek az összekötő partner felületeibe, és hűtés közben újra felépítsék a félkristályos szerkezeteket az összekötő partner molekulaláncaival.
Ez a keverés csak a csatlakozó partnerek határterületein megy végbe, és mikroszkóp alatt nem látható. A termoplasztikus kifejezés egyébként azt jelzi, hogy az anyag nem folyékony, hanem inkább műanyag (viszkózusan folyó). Ennek oka az a hosszú molekulalánc, amely olvadás közben összekuszálódik, ellentétben a nagyon kicsi molekulákkal, például a víz, amelyek gyorsan terjedhetnek minden irányban. Még kisebb vagy könnyebb molekulák is gáz halmazállapotúak, ami például túlzott hőmérsékleten vagy túl hosszú hőhatás esetén fordul elő, amikor a láncfoszlányok elszakadnak a túlzott energiabevitel miatt.
Ebben az összefüggésben meg kell jegyezni, hogy a molekulaláncok hossza nagy hatással van a hegeszthetőségre. A homogén áramlási tulajdonságok elérése érdekében a lánc hosszának a lehető legnagyobbnak kell lennie. Nagyon nagy molekulatömeg mellett, például a PE 100-nál, egy nagyon nagy molekulatömegű polietilénnél (PE-HD-UHMW), a lánc hossza olyan nagy, hogy a hőre lágyuló állapotban lévő molekulaláncok már nem tudnak lecsúszni egymásról a sok más molekulalánccal való összefonódás miatt. . Ez azt jelenti, hogy bár az anyag hevítve megpuhul, már nem folyékony és ezért már nem lehet értelmesen hegeszteni.
A piacon kapható polietilén típusok (a kiadvány 2. része) a hőre lágyuló műanyag területén való folyékonyságuk tekintetében jelentősen különböznek egymástól. Ezek a különbségek úgy befolyásolják a különböző csatlakozó partnerek hegeszthetőségét, hogy a molekulaláncok eltérő mobilitása (ugyanazon hegesztési hőmérsékleten) elégtelen keveredéshez vezethet az interfészekben. Ennek a problémának a kezelése érdekében a polietiléneket folyékonyságuk alapján csoportokba osztották.
Ezeket az MFR csoportokat (MFR = olvadék tömegáram, korábban: olvadási index (MFI)) a DVS 2207-1. Alapvetően ugyanazok az MFR-csoportok hegeszthetők össze, és sok esetben szomszédos csoportok is (pl. MFR 005 és 010 csoport PE esetén). Elvileg ehhez az előírásokkal vagy a gyártókkal kell konzultálni. A túl eltérő áramlási viselkedés tartósan befolyásolhatja az áramlást és ezáltal a hegesztési viselkedést. Ez azt jelenti, hogy ugyanazok a hőre lágyuló műanyagok vagy hasonló áramlási tulajdonságokkal rendelkező hőre lágyuló műanyagok sokkal jobban hegeszthetők. Egy másik hangsúlyt kell fektetni a polietilén állapotára. A polietilén hőre lágyuló műanyagtartománya kb. 140 és 300 ° C között van (3. ábra).
A tapasztalatok azonban azt mutatják, hogy a polietilénnek a legjobb (hosszú távú) szilárdsága van hegesztési hőmérsékleten, 200–220 ° C-os fűtött szerszámhegesztésnél. Az alacsonyabb vagy magasabb hőmérséklet hátrányosan befolyásolja az szilárdságot. Ezért különös hangsúlyt kell fektetni a fűtőelem hőmérsékletének mérésére megfelelő és rendszeresen kalibrált hőmérsékletmérő eszközökkel. Ha az egyik vagy mindkét csatlakozó partnernek túl alacsony a hőmérséklete a fűtött szerszámhegesztés során (például túl rövid fűtési idő, túl hosszú átállási idő stb. Miatt), fennáll annak a kockázata, hogy a molekulaláncok mobilitása túl alacsony, és ezért az összekötő partnerek megfelelő keveredését meg kell kérdőjelezni.
A nagy falvastagságú polietilénből készült csövek hegesztésekor a DVS előírások kifejezetten rámutatnak, hogy a fűtőelem hőmérsékletét a fűtőelemek fenékhegesztésénél a megengedett 200 és 220 ° C közötti hőmérséklet alsó határára kell beállítani. Ez annak a ténynek köszönhető, hogy a polietilén alacsony hővezető képessége és az anyag nagy vastagsága miatt viszonylag hosszú bemelegedési időre van szükség az ízületi partnerek kellő képlékenyítése érdekében (azaz nemcsak a fűtőelemmel érintkező felületen, hanem az ízületi partnerek mélységében is). A hosszú expozíciós idő miatti károsodások elkerülése érdekében a hőmérséklet ezért csökken. Ha az összekötő partnereket túlságosan kevéssé mélyen lágyítják, akkor a kevés lágyított anyagot gyorsan összenyomják a hegesztési gyöngyökbe az összekapcsolási folyamat során, és a túl hideg rétegek találkoznak az összekötő síkban, amelyek - mint már leírtuk - már nem tudnak kellőképpen keveredni.
A hegesztőerő hatása
A hegesztőerőt arra használják, hogy a lágyított csatlakozó partnereket egymással érintkezésbe hozzák, oly módon, hogy a molekulaláncok kellően összekeveredjenek, és kialakulhassanak a polietilén szilárdságát meghatározó részben kristályos szerkezetek. A polietilénhez szükséges hegesztési erő (fajlagos csatlakozási nyomás) a DVS 2207-1 szabványban van meghatározva, és azt a megfelelő meglévő hegesztési területekké kell átalakítani (területenként érvényes erő). Ha a hegesztési nyomást helytelenül számolják ki, vagy ha a gép hibás/nincs kalibrálva, és rossz hegesztési nyomást használnak, vagy ha a beállított hegesztési nyomást nem lehet fenntartani (pl. A szivárgó dugattyútömítések miatt), fennáll annak a veszélye, hogy az összekapcsolandó alkatrészek nem megfelelően keverednek össze vagy - ha a csatlakozási nyomás túl nagy - túl sok lágyított anyagot nyomnak a hegesztési gyöngyökbe.
Mivel az utóbbiban hidegebb rétegek találkoznak, nincs elegendő keverés és ezáltal csökken az szilárdság. Ezenkívül a túlzottan magas nyomás elfogadhatatlanul nagy nyírási deformációkat okoz, amelyek viszont megnövekedett maradék feszültségekhez vezetnek a hegesztési varratban. A túlzott maradék feszültségek jelentősen csökkenthetik az erőt. Tehát hegesztés után bizonyos maradék olvadékvastagságnak kell lennie (5. ábra). Feltételezzük, hogy a legjobb hegesztési varratszilárdságot kb. 75 százalékos olvadék elmozdulással érik el [2]. A félkristályos hőre lágyuló műanyagok esetében az 0,2–0,4 x falvastagságú olvadékréteg-vastagságok jellemzőek [2].
A hegesztési idők hatása
A fűtött szerszámhegesztésnél több időparamétert kell figyelembe venni. A legfontosabbak:
Egyéb befolyásoló tényezők
A környezeti hatások (pl. Nedvesség, szél stb.) És a hegesztési varrat előkészítése (a csövek derékszögű szétválasztása, az oxidréteg eltávolítása stb.) Szintén jelentősen befolyásolják a hegesztési varrat minőségét. Általánosságban elmondható, hogy minden hegesztő, akit a DVGW (DVGW munkalap GW 330) vagy a DVS (DVS 2212-1) általánosan elismert irányelvei szerint képeztek ki, megtanulja ennek megfelelően elkerülni ezeket a negatív hatásokat.
Maradék hegesztési feszültségek
A hegesztés maradék feszültségeit kritikus változónak kell tekinteni a hegesztési varratban. A hegesztési varratban a hegesztési folyamat során áramló és eltérítő áramok (6. ábra) és a hűtési folyamat során fellépő zsugorodási feszültségek miatt nem lehet teljesen elkerülni a feszültségeket, de jelentősen megnövelhetők, ha nem tartják be a helyes hegesztési paramétereket, vagy nem figyelik meg a környezeti hatásokat.
A túl magas maradék hegesztési feszültségek jelentősen csökkenthetik a hegesztési varrat szilárdságát és élettartamát, és ezáltal idő előtti meghibásodáshoz vezethetnek. A tapasztalatok azt mutatják, hogy a maradék hegesztési feszültségek a DVS irányelveknek megfelelően a varratok kritikátlan tartományában vannak. A félkész termékek megnövekedett maradékfeszültségei, amelyek a gyártás során keletkeztek és a hevítés/hegesztés során felszabadultak, szintén tartós hatást gyakorolhatnak. Ezért általában megfelelő tanúsítású félkész termékek használata ajánlott.
Törésfelület értékelése
A lehetséges törési felületek és azok lehetséges okainak átfogó értékelése, különösen a hegesztés területén, meghaladná a kiadvány kereteit. Elvileg azonban meg lehet különböztetni a törékeny felületek képlékeny és törékeny típusait (7a + b. Ábra). A törékeny töréseket sima felületek jellemzik, és gyenge/nem megfelelő hegesztést jeleznek. A képlékeny törésfelületek szerkezete kifeszített, és jó varratot jeleznek.
Sima törésfelületek esetén a molekulaláncok csak keveset tudtak keveredni vagy keveredni a két csatlakozó partner interfészében (pl. Az elégtelen fűtési hőmérséklet/idő miatt túl hidegek csatlakozási partnerek, környezeti hatások, túl hosszú átállási idők, túl alacsony csatlakozási nyomások stb.) Miatt hirtelen stressz a varraton. A képlékeny törések esetében az interfészekben jól összekevert molekulaláncokat szó szerint széthúzták. Maga a nyújtás mérete változhat a polietilén típusától függően. Azonban általában fehér elszíneződésük van (stresszfehérítés).
Polietilén elektrofúziós hegesztése
A fűtött elemű hegesztéssel ellentétben az elektrofúziós hegesztéssel a hőmérséklet és idő befolyásoló változóit a hegesztőgépek általában beolvassák és automatikusan beállítják (főleg vonalkód segítségével) (8. ábra). Úgy tűnik tehát, hogy a hegesztésre nincs szükség további figyelemre. Sajnos ez a beállítás többször károsodáshoz vezet, mivel a hegesztés előkészítésében fellépő hibákat a hegesztőgépek általában nem tudják észlelni, és tartósan befolyásolják a varrat minőségét. A hegesztési nyomást az a tény hozza létre, hogy a cső és a fűtőtekercs csatlakozója közötti lágyított anyag az anyagspecifikus hőtágulás miatt megfelelő nyomást képez.
Az aljzat akadályozott hőtágulása miatt (a vastagabb falak, a huzalpáncélozás vagy a kifejezetten felszabaduló fagyott zsugorodási feszültségek miatt) és a foglalat peremterületén (az úgynevezett hideg zónákban) gyorsan megszilárduló polietilén miatt a hegesztési nyomás a hegesztési síkban felhalmozódik. Az összekötő partnerek lágyult anyagai közötti áramlási folyamatok is ebben a fázisban zajlanak. Ez azonban azt feltételezi, hogy a cső és a foglalat közötti rés a megengedett tűréshatárokon belül van (cső, foglalat, ovalitás stb.), És hogy a hegesztési varrat előkészítése (például az oxidréteg eltávolítása stb.) Megfelelően megtörtént. A szükséges hegesztési hőmérsékleteket az ellenállási huzalokban áramló áram adja. A már említett kapcsolatok itt is érvényesek. Az elektrofúziós csatlakozás minőségét tehát a helyes nyomásfelépítés, a hőmérséklet és az idő megfelelő beállítása, tehát lényegében a gyártó know-how-ja és természetesen a hegesztési varrat helyes előkészítése határozza meg.
Térhálós PE-X hegesztése
A térhálósított polietilén (PE-X) hegesztése eddig csak az elektrofúziós hegesztésnél és a "PE-X-ből készült cső és a PE-HD-ből készült elektrofúziós csatlakozó" kombinációjánál volt használható és szokásos. A PE-X-ből vagy a PE-HD csatlakozópartnerrel kombinált tiszta hegesztési kötések elérésének kísérletei a fűtőelem fenékhegesztési folyamatában, a hosszú távú szilárdságokkal összehasonlítva a tiszta PE-HD hegesztésekkel, mindeddig kudarcot vallottak. A térhálósított polietilén tulajdonságai tekintetében jelentősen különbözik a nem térhálósított polietiléntől.
A térhálós polietilén molekuláris láncai közötti kémiai kapcsolatok száma nagyon alacsony (nagyjából összehasonlítható egy háromdimenziós, széles szemű hálóval). Maga a keresztkötés következetesen az anyag amorf területein található. Hegesztési szempontból a térhálós polietilén melegítéssel lágyítható, de mivel a molekulaláncok háromdimenziós hálózatként vannak jelen, már nem tudnak lecsúszni egymásról. Ez azt jelenti, hogy a szokásos értelemben vett hegesztés már nem lehetséges. A "PE-X cső PEHD fűtőtekercs-csatlakozóval" kombinációjának a gyakorlati felhasználásra elegendő erejét azzal magyarázzák, hogy a PE-X csövekben a kis térhálósodás miatt viszonylag hosszú, mozgatható láncszakaszok vannak a keresztkötött pontok között és a láncvégeken találhatók.
A határ menti területeken ezek legalább részben keveredhetnek a PE-HD-ből készült (nem térhálósított) fűtőtekercs-csatlakozó szabadon mozgó molekulaláncaival, és egyes esetekben a részlegesen kristályos szerkezeteket is lehűthetik, amikor lehűlnek (vegyes kristály hipotézis, [13]). Az alacsonyabb szilárdsági szintet (a keresztkötéses molekulaláncok akadályozott mobilitása miatt) a rendelkezésre álló meglehetősen nagy hegesztési terület kompenzálja. A szükséges hosszú távú erősségeket elértük.
Összegzés
A többi anyaghoz hasonlóan a polietilén hegesztése is igényel néhány alapvető anyagspecifikus és alapvető hegesztési ismeretet. Ez az ismeret és a DVS-előírásoknak megfelelő megvalósítása lehetővé teszi olyan hegesztési varratok gyártását, amelyek igazolhatóan hosszú élettartammal rendelkeznek a fűtőelemek feneke és az elektrofúziós hegesztés terén - összehasonlítva a polietilén csövekkel.
A hegesztő ezeket az ismereteket például általánosan elismert képzéseken szerezheti meg (a DVGW GW 330 vagy DVS 2212-1, DVS 2213 munkalap alapján). A hegesztési, fektetési és kézi készségek mellett a hegesztés előkészítése és a berendezés elengedhetetlen garancia a hegesztési varrat jó minőségére. Ezen alapismeretek és megfelelő megvalósítás nélkül a hegesztési varrat minősége (drága) szerencsejáték.
irodalom
Forrás: BBR 5/05, 24-30