1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Термин «сварка пластмасс» означает процесс получения неразъемных соединений деталей из термопластичных полимерных материалов. Для осуществления сварки полимерные детали разогреваются до температуры, обеспечивающей переход полимера в вязкотекучее состояние, и соединяются под определенным давлением.
Отличительная особенность сварки – возможность получения, в области соединения, материала наиболее близкого по составу и свойствам к основному материалу свариваемых изделий [1].
Естественно реологические процессы, протекающие при сварке, накладывают отпечаток на ориентацию макромолекул в области сварки и формирование надмолекулярных образований, однако химические свойства материала сварного соединения подобны свойствам основного материала.
Сварка не предусматривает целенаправленных проведение химических реакций. Однако при нагревании полимеров неизбежно ускоряются нежелательные химические реакции, в частности, термоокислительная деструкция полиолефинов, а также сшивка характерная для полиэтиленов низкого давления, негативно влияющие на свойства сварных соединений [2].
Согласно общепринятым представлениям на качество сварных соединений влияет природа и характеристики свариваемых полимеров, конструкция соединения и технология его выполнения.
Основные технологии сварки различаются по способу нагревания соединяемых поверхностям, специфическим процедурам и основным параметрам сварки. Конструкция сварочных машин должна обеспечивать точное соблюдение норм сварки.
Независимо от технологических особенностей сварки для качества сварных соединений важны поверхностные явления между свариваемыми деталями, реологические процессы (вязко-упругие высокоэластические и пластические деформации, а также течение расплавов полимеров), кинетика диффузии макромолекул и их сегментов, ориентация макромолекул в области соединения и внутренние напряжения сварочного происхождения.
Все эти положения актуальны в отношении сварки закладными нагревателями (ЗН).
При сварке ЗН свариваемые поверхности соединяются внахлест. Источником тепла обычно является металлическая проволока с высоким сопротивлением, разогреваемая электрическим током. Проволока (ЗН) при изготовлении фитинга размещается на рабочей поверхности фитинга (рис 1.1).
Рис. 1.1. Размещение проволоки в муфте
Известны попытки применить тепловыделяющие элементы из полимерных электропроводящих композиций, но они не получили широкого распространения.
Тепловая энергия распространяется в зоне сварки в течение всего периода сварки. При этом вначале плавится материал фитинга или раструба, а затем материал трубы. Такой механизм наиболее явно выражен для фитингов с закрытыми спиралями, утопленными в теле фитинга.
Если спирали расположены на поверхности детали, то разогрев свариваемых поверхностей начинается практически одновременно.
В пространстве между свариваемыми поверхностями образуется определенный объем расплава, который продолжает расширяться по мере роста температуры. Расширяясь, расплав вытекает из горячей зоны действия электроспиралей в холодную зону, где застывает в зазоре между свариваемыми деталями, образуя «пробку», препятствующую дальнейшему течению расплава. Дальнейший разогрев расплава приводит к образованию сварочного давления, обеспечивающего надежную сварку заготовок.
Сварка ЗН чаще всего применяется для соединения заготовок их следующих материалов:
–полиэтилен (ПЭ) низкого давления (высокой плотности, средней плотности) – PE-HD (ПЭНД);
– полиэтилен сшитый – PEX (ПЭС);
–статистический сополимер пропилена и этилена, – PP-RС (ПП-Р или ПП тип 3);
–полибутен – РВ (ПБ).
Полимерные трубы и фитинги с ЗН не разрешается изготавливать из базовых полимеров. Чистые, исходные, полимеры не обладают необходимым комплексом свойств, в частности стойкостью к термоокислительной деструкции, фотостарению и механодеструкции. Согласно действующим нормам, при производстве труб и соединительных деталей применяют только специальные композиционные материалы.
Композиция – это гомогенная гранулированная смесь базового полимера с добавками (антиоксиданты, пигменты и УФстабилизаторы и другие), вводимыми на стадии производства композиции (компаундирование) в концентрациях, необходимых для переработки материала и использования изделия. Важнейшей характеристикой трубной композиции является минимальная длительная прочность материала (Minimum required strength (MRS)). Соответствие MRS полимера нормам, гарантирует его эксплуатационные качества в части долговечности труб. MRS используется в расчетах рабочего давления в трубопроводе.
Фитинги с ЗН изготавливаются преимущественно методом литья под давлением, но из композиций экструзионного назначения.
Композиции полиолефинов отличаются хорошей свариваемостью, т.е. способностью образовывать сварные соединения необходимого качества в достаточно широком диапазоне технологических параметров сварки.
Молекулярная, макромолекулярная и надмолекулярная структуры полимеров оказывают настолько существенное влияние на свойства сварных соединений, что эффект структурных параметров может значительно превысить влияние технологических параметров сварки [2]. При экспертизе аварий трубопроводов анализ структуры полимеров часто бывает необходим [3].
Минимальные требования к материалам свариваемых деталей можно сформулировать так: одинаковая природа материала и близкие значения вязкости расплава полимера. В производственной практике вязкость оценивается по индексу текучести расплава (ИТР) в г/10 мин при фиксированной температуре и величине груза. Так для разных трубных марок полиэтиленов низкого давления (ПНД) диапазон ИТР составляет 0.2÷1.2 при 190ºС и нагрузке 5 кгс [5].
При сварке ЗН эти положения претерпевают значительные изменения. В ряде случаев этим методом сваривают все трубные марки ПЭ (градаций ПЭ32-100), частично сшитые и даже сшитые полиэтилены – РЕХ [6]. Однако, чаще всего, практично сваривать детали не только из одинаковых материалов, но и из полимеров идентичных или близких градаций, например, полиэтилена с минимальной длительной прочностью MRS 8 МПа (ПЭ 80) и MRS 10 МПа (ПЭ 100).
Полипропиленовые фитинги с ЗН применяют для соединения изделий из этого же полимера. Сварка изделий из других полимеров (например ПВХ) полиэтиленовыми фитингами не допускается.