Сварка экструдером

Принцип сварки экструдером

Назначение

Экструзионная сварка — технология, которая применяется для соединения материалов, таких как:

• полипропилен;
• полиэтилен;
• пластмассы;
• ПВХ;
• ПВДФ.

Экструзионная сварка не используется для монтажа напорных трубопроводов. Причина — стыковое расположение элементов не дает показателя прочности выше 80 % от прочности самого изделия (в данном случае — труб, изготовленных из термопластов).

Требования

Для достижения высокого показателя прочности стыковых швов при сварке материалов на основе ПВХ и ПВДФ необходимо соблюдать 2 основных требования:

1. Стыковке подлежат только материалы, одинаковые химическому составу, а также по характеристикам. Под этим подразумевается следующие показатели:
   • плотность;
   • ПТР — показатель текучести расплава.

   Применение экструзионной сварки требует использование присадочного материала, соответствующего показателям плотности и текучести расплава, стыкующихся пластмассовых поверхностей.

   Внимание!

   Если соединяемые материалы имеют разные показатели текучести расплава, необходимо подбирать присадку, у которой ПТР — это средний показатель текучести.

2. Соединяемые поверхности должны быть тщательно очищены. Экструзионная сварка не терпит наличия даже небольшого количества окислившегося материала на поверхностях материалов. Поэтому для обеспечения прочности стыков, швов очистку полипропилена, полиэтилена, пластмасс, а также других материалов следует проводить за 20 минут до начала сварки. Это требование должно выполняться максимально точно, что обусловлено небольшой текучестью и перешиванием материалов в области формирования шва.

Экструзионная сварка: спецификация

Экструзионная сварка ориентирована на стыковку толстостенных компонентов, деталей, поверхностей, изготовленных из ПВХ, ПВДФ.

Экструзионная технология обладает такими преимуществами по сравнению с методом сварки материалов горячим воздухом с использованием присадочного материала:

• уменьшает время сварки;
• сводит к минимуму влияние человеческого фактора на прочностные показатели шва;
• формирует сплошной стык вдоль поверхностей.

Технологическая организация процесса

Технология экструзионной сварки требует подготовки поверхностей перед стыковкой. Это делается тремя способами:

• созданием сварочной канавки, углубления на стыкуемых поверхностях;
• формированием скоса, среза под углом на торцах соединяемых поверхностей;
• укладкой материалов внахлест.

Сам сварочный процесс начинается с разогрева материалов с целью доведения их до пластичного состояния. Для этого используется поток разогретого воздуха, подаваемого соплом сварочного экструдера. Стационарные промышленные комплексы разогревают материалы перед сваркой излучением.

Одновременно с пластификацией идет подготовка присадочного материала. Это делается путем подачи в шнек экструдера основы — ПВХ-гранул или прутка, который нагревом доводится до вязкотекучего состояния. Перемешивание превращает расплавленный материал в однородную массу.

Полученный материал с помощью сварочного башмака подается к месту стыковки поверхностей для формирования шва. Сварочным башмаком создается необходимое для этого процесса давление. Стационарные промышленные комплексы могут иметь другую схему компрессионного воздействия на присадочный материал с помощью отдельных узлов, агрегатов.

Особенности работы сварочного экструдера

Экструдеры комплектуются нагревателями воздуха для обеспечения пластификации стыкуемых материалов. Это необходимо для подачи присадочного материала. Поток горячего воздуха поступает к месту сварки через сопло предварительного нагрева, за счет чего происходит нагрев стыкуемых материалов. Температурный режим воздушного потока регулируется специальным контроллером.

Существует 2 варианта устройства системы подачи воздуха для нагрева:

• встроенные узлы подачи воздуха;
• с применением внешних источников. Это может быть компрессор или пневматическая сеть.

В экструдерах шнекового типа присадочный материал загружается в специализированную камеру, которая называется экструзионным шнеком. Ее вращение обеспечивается электродвигателем, функции которого чаще всего выполняет ручная дрель. Функционирование устройства подразумевает более длительную работу электрического привода шнека. Поэтому надежные экструдеры комплектуются модифицированными приводами, обладающими увеличенным эксплуатационным ресурсом.

Пластификацию присадочного материала в шнеке обеспечивают электрические нагреватели. Они размещаются с внешней стороны шнековой камеры. Их температурный режим нагревателей контролируется через специальное регулирующее устройство. Такой системой оснащаются продвинутые модификации экструдеров.

Простые модели аппаратов осуществляют нагрев материала в шнековой камере воздухом, проходящим по внешнему контуру шнековой камеры. Для этого в конструкции экструдера предусмотрена специальная полость. Затем этот воздух подается в область сварки для пластификации свариваемых материалов. Такое устройство нагрева присадочного материала предусматривает привязку температуры потока, проходящего через полость шнековой камеры, к теплоте воздуха, подаваемого для нагрева материалов перед сваркой. Сама присадка подается в зону сварки через башмак. Некоторые модели комплектуются упрощенной системой движения присадочного материала через участок термического воздействия.

Материал сварочного прутка поступает на профильные вальцы, они с силой переводят его в отверстие участка нагрева, имеющее цилиндрическую форму. Тут в дело вступают электрические нагреватели и начинают термическое воздействие на присадку, превращая ее в однородную разогретую вязкотекучую массу. Такая схема превращает заднюю часть прутка в толкатель для передней.

Плунжерные экструдеры обладают низким показателем производительности. Компенсируют эту особенность компактные размеры, что позволяет работать с аппаратом в труднодоступных местах. Недостатком плунжерных экструдеров является высокая требовательность к диаметру и форме прутка присадочного материала. Она должна быть ровной, без погрешностей. Возможность загрузки гранулированного материала в плунжерных экструдеров отсутствует.

Пластичная присадочная масса поступает к месту формирования шва через сварочный башмак. Это общая технологическая особенность шнековых и плунжерных сварочных аппаратов.

Рабочая поверхность башмака соответствует форме стыкуемых поверхностей. Передняя его часть оснащается специальным носом, который не допускает поступление присадочного материала перед зоной сварки.

Присадка оказывает давление на носовую часть башмака, создает поступательное движение аппарата в заданном направлении, где формируется шов. Скорость движения в этом случае определяется показателем производительности и площадью сечения шва.

Свариваемые материалы: температурный режим, особенности

Чаще всего экструдером свариваются ПНД и ПП. Это термопласты первой группы. Их преимуществом является большой температурный диапазон между достижением состояния пластификации и термодеструкции (разрушения от нагрева), который составляет 50–186 °C. Значительный перегрев таких материалов не оказывает на них критического воздействия.

Во вторую группу термопластов входят ПВХ и ПВДФ. Они наоборот, отличаются небольшой разницей между пластификацией и термодеструкцией. Эта особенность требует повышенного внимания к температурному режиму: необходимо максимально точно соблюдать его. Обеспечить ее может только отладка нагревательной системы аппарата.

Сварка ПВХ имеет еще одну особенность — экструдеры, ориентированные на работу с этим материалом, оборудуются шнеком специальной формы. Она обеспечивает тщательное перемешивание присадки и контроль температурного воздействия. Это позволяет избежать термодеструкции.

Неустойчивость второй группы термопластов к воздействию температуры требует соблюдения еще одного требования при проведении сварки. Аппарат нельзя надолго оставлять в режиме ожидания. Его нужно отключать полностью при длительных временных перерывах.

Еще один минус ПВХ — повышенная химическая активность при нагреве, а также абразивность. Из-за этого к шнековой камере предъявляются специализированные технологические требования.

Формы сварных экструзионных швов

Основные формы экструзионных швов определены в отраслевом стандарте DVS 2207-4. Также документ содержит правила проведения сварки:

• швы формируются за один проход;
• желательно делать двухсторонний шов. Он обеспечивает высокие прочностные характеристики изделий из термопластов;
• двухсторонний шов обеспечивает экономию присадочного материала;
• двухсторонний шов в меньшей степени влияет на характеристики основы листа или пленки во время остывания.

Стандарт ГОСТ 16310-80 содержит меньше требований к подготовке основы для сварки и ее проведению. Описание сварочных башмаков в нормативном документе отсутствует. При этом ГОСТ 16310-80 подробно описывает виды и формы швов.

Формы и особенности сварочных башмаков

Готовая к работе присадка поступает в зону формирования шва через сварочный башмак. Также он выполняет следующие функции:

• оказывает давление на поступающий материал;
• формирует шов;
• сглаживает поверхность стыка.

Размеры и форма сварочного башмака определяет форму и размер шва. Материал, из которого изготавливается башмак, — фторопласт четвертой группы или ПТФЭ. Он обладает высокими показателями термоустойчивости и антиадгезионности.

Глубина зоны создания давления должна быть не менее 1/5 глубины шва. Глубина разреза должна составлять приблизительно 0,5 мм с расширением вперед. Это позволяет опоре не деформировать поверхность корневого слоя. Сделать это — легко, так как материал находится в разогретом состоянии. Нос башмака препятствует неконтролируемому распределению присадки. В свою очередь, создаваемое ею давление продвигает аппарат.

Нос башмака не должен соприкасаться со свариваемыми листами, но его форма должна повторять их конфигурацию. Выполнить это требование можно при создании зазора между носом башмака и корневым слоем от 1 до 3 мм. Сам он должен иметь скругленный передний и задний край. Такая опора предотвращает утечку присадки. Для этого необходимо создавать прижимное усилие во время сварки.

Подготовка к процессу сварки

Листы и пленка должны проходить подготовку непосредственно перед началом процесса. Это обусловлено быстрым окислением поверхности полимеров. Другая причина такого требования — возможность попадания загрязнения (пыли, влаги) на поверхность основы. Это может значительно снизить прочностные показатели шва.

Проводить подготовку полимеров к сварке необходимо за 20 минут до начала сварки. Если прошло больше указанного временного промежутка, следует повторно провести подготовку и незамедлительно приступить к сварке.

Внимание!

Удаление загрязнения с поверхности полимеров проводится механическим способом, например с помощью скребков. Обезжиривающие составы неэффективны при подготовке к экструзионной сварке.

V-образный шов

Шов V-образной формы требует предварительной обработки торцов, кромок стыкующихся материалов. Такая подготовка проводится с использование столярного инструмента:

• рашпиля;
• рубанка;
• ножовки;
• стамески.

Созданный на кромках скос должен обеспечить раскрытие шва в диапазоне 45–90 градусов. Толстые полимерные листы требуют создания скоса с большим углом. Тонкие — с меньшим. Угол раскрытия должен обеспечивать заполнение присадкой всего пространства, образуемого торцевыми срезами. Ограниченный угол раскрытия для толстостенных материалов обусловлен показателем общей ширины шва и зон перехлестов на его поверхности. Этот показатель не должен превышать 30 мм. Игнорирование данного требования не позволит создать необходимое усилие, которое обеспечит отсутствие выступания присадки за края сварочного башмака.

Корневой слой шва должен содержать миллиметровые нескошенные участки. Их отсутствие приведет к перегреву и оплавлению материала в зоне сварки при неравномерном движении сварочного аппарата. Последствием этого также станет нарушение ширины зазора между листами: он станет заметно шире или уже.

Материал перед началом сварки фиксируется. Благодаря этому формируется равномерный зазор, оптимальная ширина которого не должна быть больше 2 мм. Это позволит присадке проникать на внутреннюю часть свариваемых материалов, что гарантирует высокое качество сварки.

Механическая обработка шва должна осуществляться не ближе, чем в 2 мм от кромок скоса. Это делается при условии, что перехлест шляпки стыка в две стороны составляет не более, чем 2 мм.

X-образный шов

Данный тип шва является двухсторонней версией V-образного стыка. Это позволяет использовать в работе одни и те же правила. Разница заключается только в невозможности контролировать качество проварки корневого слоя X-образным швом. Такая особенность меняет требования к работе с основой:

• на торцах формируются скосы;
• угол их раскрытия — 30–60 градусов;
• лицевая сторона обрабатывается механически на расстоянии 2 мм от края скоса;
• корневой слой фиксируется без зазора;
• предварительно необходимо провести стыковку с помощью термофена с применением специальной насадки;
• формируется V-образный шов лицевой части.

Теперь листы необходимо перевернуть и повторить все вышеописанные действия с другой стороны.

Шов типа HV

Для такой формы шва угол раскрытия определяется толщиной корневого слоя и составляет 45–60 градусов. Более значимое влияние на это оказывает вертикальный лист. Здесь необходимо оставить на торце нескошенный участок шириной 1 мм. Листы нужно зафиксировать, чтобы между ними оставался зазор 2 мм. Это даст гарантию качественной проварки.

Внимание!

Расстояние от края горизонтального листа до начала шва после окончания сварки должно составлять не менее 10 мм.

Плоскость, находящаяся с левой стороны, обрабатывается механически не ближе, чем в 3 мм от края скоса кромки. Тут необходимо предусмотреть запас. Алгоритм действий при формировании шва формы HV аналогичен созданию X-образного шва.

K-образный шов

Угловое внутреннее соединение требует предварительной фиксации листов. Это делается с помощью термофена. Для временной сварки подойдет специальная насадка или сопло с присадочным материалом.

Зона временной фиксации обрабатывается с помощью скребка:

• при использовании насадки для сварки это делается заостренным краем инструмента;
• использование присадочного материала требует механической обработки скругленной поверхностью скребка.

Теперь корневой слой готов к экструзионной сварке.

Шов с переменным сечением

Представленные выше конфигурации швов являются идеализированными. Но зачастую оператор сталкивается с необходимостью формирования шва, сечение которого будет меняться. Пример такой работы — вваривание патрубка в трубу большего диаметра.

Для качественной реализации такой задачи требуется модернизация башмака. Это параллелепипед со скругленными углами. Он соприкасается с верхней частью корневой основы, где угол между листами прямой (90 градусов), и с нижней частью, где угол может достигать 120–140 градусов.