Описание процесса сварки полиэтиленовых труб встык
Сваркой нагретым инструментом встык соединяются полиэтиленовые трубы диаметром от 50 мм* до 1200 мм.
Сварка полиэтиленовых труб ПНД встык заключается в нагреве торцов свариваемых труб или деталей до вязко текучего состояния полиэтилена в результате контакта с нагревателем и последующем соединении торцов под давлением после удаления нагревателя.
Процесс сварки можно разделить на следующие этапы: оплавление полиэтиленовых труб и фитингов, нагрев, удаление нагревателя, сварка и охлаждение.
При оплавлении происходит образование первичного грата. При нагреве тепло распространяется вглубь материала. Давление при этом близко к нулю (оно только обеспечивает контакт между торцами труб и нагревателем).
При удалении нагревателя происходит удаление нагревательного элемента из зоны сварки (технологическая пауза) и соединение поверхностей сварки.
Пауза должна быть как можно короче, во избежание снижения температуры и попадания загрязнений (пыль, песок и т.п.), влияющих на качество соединения.
При сварке полиэтиленовых труб ПНД образуется окончательный грат и молекулярные связи, обеспечивающие однородность соединения.
При охлаждении происходит осадка стыка и стык приобретает максимальную прочность. По окончании сварки полиэтиленовых труб, данный этап позволяет избежать напряжений или ударов, способных нарушить прочность соединения.
Основные этапы сварки полиэтиленовых труб
Процесс сварки полиэтиленовых труб ПНД включает в себя:
- подготовительные операции;
- сварка;
- заключительные операции после окончания остывания сваренных труб.
Немаловажно значение имеет подготовка рабочего места. Сварочное оборудование для полиэтиленовых (пэ) труб размещают на заранее расчищенной и спланированной площадке после складирования на ней полиэтиленовых труб, зачастую на деревянные полеты.
Подготовка сварочного оборудования проводится на отключенном от источника питания аппарате перед началом сварки и включает:
- визуальную проверку узлов сварочного аппарата и приспособлений:
- проверку изоляции электрокабелей и заземлителей,
- заправку топливом электрогенератора и проверку надежности его работы контрольным включением,
- проверку наличия масла в гидросистеме,
- проверку работы передвижного зажима,
- проверку исправности и заточки ножей торцевателя,
- проверку работы контрольно-измерительных приборов,
- подбор зажимов и редукционных вкладышей, соответствующих диаметру свариваемых труб,
- обработку смазкой, рекомендованной изготовителем аппарата, трущихся поверхностей и разъемных соединений,
- очистку от пыли и остатков полиэтилена и обезжиривание при помощи чистой хлопчатобумажной салфетки и растворителя (при необходимости) поверхности
- нагревателя в холодном состоянии, а также торцевателя и скребка.
- Подготовка труб и соединительных деталей под сварку.
- Сборка и центровка труб и фитингов.
- Механическая обработка торцов свариваемых труб и фитингов.
Подготовка и настройка сварочного оборудования для полиэтиленовых труб, должна выполняться специалистом строго по рекомендациям изготовителя. Данные проверки сварочного оборудования можно занести в журнал производства работ
Размещение сварочного оборудования должно производиться на заранее расчищенной и спланированной площадке или трассе трубопровода после складирования на ней полиэтиленовых труб. При необходимости место сварки защищают от атмосферных осадков, пыли и песка при помощи тентов или палаток.
При подготовке сварочного оборудования подбираются зажимы и вкладыши, соответствующие диаметру свариваемых труб. Вкладыши зажимов должны быть чистыми, без сколов и заусенцев, которые могли бы повредить поверхность труб. Трущиеся поверхности металлических деталей покрываются смазками по рекомендациям изготовителя. Рабочие поверхности нагревателя и инструмента для обработки полиэтиленовых труб очищаются от пыли и остатков полиэтилена при помощи чистых и сухих хлопчатобумажных или льняных тканей (или деревянных лопаточек), в заключение протираются растворителями. Очистку нагревателя от остатков налипшего полиэтилена производят в горячем состоянии. Электрические кабели полностью разматывают и присоединяют к автономным источникам питания или электрической сети.
Сборку свариваемых труб и деталей, включающую установку, центровку и закрепление свариваемых концов, производят в зажимах центратора сварочной машины. Рекомендуемый вылет концов труб из центратора при стыковой сварке составляет 30–50 мм (деталей с короткими хвостовиками — не менее 5 мм).
Зажимы стягивают так, чтобы предотвратить проскальзывание труб при приложении к ним усилия сварки и устранить, насколько это возможно, овальность на торцах. Под свободные концы труб устанавливают опоры, чтобы выровнять их в горизонтальной плоскости. Опоры должны быть устойчивыми и предусматривать возможность необходимого перемещения трубы в горизонтальной плоскости.
Правильное положение труб при сварке достигается с помощью специальных опор
Для труб больших диаметров это является крайне важным, так как обладающая достаточным собственным весом труба может повлиять на положение свариваемого конца и сместить его под углом к вертикали. Это является прямым нарушением технологии, и качество сварки не может быть гарантировано. Особое внимание расположению опор уделяется при использовании сварочных машин, имеющих только по одному зажиму для каждой трубы (двухзажимные сварочные машины)
Без применения опор труба большого диаметра может сместить свариваемый конец под углом к вертикали, что делает качественную сварку невозможной
Требование по установке опор действует и при сварке трубы с соединительными деталями. Концы труб и деталей при сварке нагретым инструментом встык центрируют по наружной поверхности таким образом, чтобы максимальная величина смещения кромок не превышала 10 % номинальной толщины стенки свариваемых труб.
Необходимость точной подгонки объясняется тем, что чрезмерное смещение кромок труб отрицательно сказывается на качестве стыков. Подгонку труб при центровке осуществляют поворотом одной или обеих труб вокруг оси, перестановкой опор под трубами на различном расстоянии, использованием прокладок и другими способами.
При разнице в толщине стенок свариваемых труб или деталей на трубе (детали), имеющей большую толщину, делают скос под углом 15 ± 3° к оси трубы до толщины стенки тонкой трубы (детали). Скос выполняют острым ножом или резцом в специальном приспособлении.
Коротко о сварке нагретым инструментом встык
Нагрев свариваемых поверхностей производится металлическим нагретым инструментом. Из-за прямого контакта с нагретым инструментом теплоперенос происходит значительно интенсивнее, чем при сварке горячим воздухом. При этом распределение тепла в массе свариваемого материала более равномерное, и ни одна зона не подвергается большему термическому воздействию, чем это необходимо для сварки.
Получаемые сварные швы не имеют зон термически поврежденного материала. Прочность соединения труб при таком способе сварки не ниже прочности исходной трубы.
1. Принципиальные положения
Рис. 1. Сварка встык
Сварка встык заключается, по сути, в нагреве торцов свариваемых труб до расплавления материала и в последующем сжатии нагретых торцов для их остывания.
Однако реализация этой простой идеи требует аккуратного выполнения ряда условий для получения качественного сварного соединения.
Современные автоматизированные аппараты для стыковой сварки существенно снижают влияние человеческого фактора на качество стыкового сварного соединения, но полностью его не устраняют.
2. Состав оборудования
Минимальный состав оборудования показан на рис. 2 и 3 и зависит от типа привода аппарата.
Рис. 2 Состав оборудования с механическим приводом для стыковой сварки
Рис. 3 Состав оборудования с гидравлическим приводом для стыковой сварки
В состав оборудования обязательно входит центратор с одним или двумя неподвижными зажимами для трубы (1) и одним или двумя подвижными зажимами (2).
Центратор располагается на раме (3).
Подвижные хомуты приводятся в движение с помощью давления масла в гидросистеме, создаваемого гидравлическим агрегатом, либо с помощью ручки механического привода (4).
Для очистки и выравнивания торцов свариваемых труб перед нагревом служит торцеватель (5), который может быть электрическим или механическим.
Для нагрева свариваемых торцов предназначено сварочное зеркало (6).
Торцеватель и зеркало могут быть закреплены на раме центратора или храниться на подставке (7).
Для фиксации труб различных диаметров служат сменные вкладыши для подвижного и неподвижного зажимов центратора.
3. Подготовка к сварке
Свариваемые части трубопровода должны быть зафиксированы в центраторе (см. рис. 4) сварочного аппарата. Как правило, центратор жестко фиксирует одну трубу и обеспечивает осевое перемещение второй трубы. Для устранения трения подвижной трубы о землю целесообразно использовать, например, роликовые упоры.
Кроме коаксиальной фиксации труб, фиксатор обеспечивает перемещение подвижной трубы в направлении неподвижной трубы с контролируемым усилием. Наиболее распространенные способы создания усилия — механический (вращение ручки привода) и гидравлический.
Рис. 4 Фиксация труб в центраторе
Для предотвращения прилипания трубы к нагретому инструменту и облегчения удаления нагревательного элемента из зоны сварки после нагрева поверхность инструмента, как правило, покрыта тефлоном. Тефлоновое покрытие также облегчает очистку инструмента.
После фиксации труб их торцы выравнивают торцевателем (см. рис. 5), который представляет собой дисковый рубанок. Свариваемые поверхности необходимо прижать к рабочим поверхностям торцевателя и обработать до получения ровной плоской поверхности. Для максимального приближения формы обработанной поверхности к идеальной плоскости глубина торцевания за один проход ножа торцевателя не должна превышать 0,2 мм. Торцеватель обеспечивает последующее плотное прилегание свариваемых торцов труб к поверхности нагретого инструмента, а также удаляет возможные загрязнения и оксидный слой.
Момент окончания торцевания легко определить визуально по появлению сплошной кольцевой стружки с обеих сторон торцевателя.
Не останавливая торцеватель, ослабьте усилие прижима и отведите подвижную трубу от торцевателя. Это позволит плавно и без задиров завершить торцевание.
Рис. 5 Установка торцевателя между свариваемыми торцами труб
После торцевания необходимо чистым инструментом удалить стружку из зоны сварки, особенно изнутри трубы. Не касайтесь свариваемой поверхности руками!
После удаления стружки сведите трубы и проверьте плотность прилегания свариваемых поверхностей. Остаточный зазор не должен превышать значения, указанного в табл. 1. Кроме того, несовпадение стенок свариваемых труб должно быть не более 10% толщины стенки трубы. Некоторые конструкции центраторов позволяют при необходимости уменьшить несовпадение специальными регулировками соосности. Отторцованные трубы должны выступать из фиксирующих зажимов центратора на расстояние не менее толщины стенки этих труб (см. п. 5).
| Наружный диаметр трубы, мм | Ширина зазора, мм |
|---|---|
| ≤ 355 | 0,5 |
| 400 … < 630 | 1,0 |
| 630 … < 800 | 1,3 |
| 800 … < 1000 | 1,5 |
4. Создание грата
Нагревательный элемент (т. н. сварочное зеркало), нагретый до необходимой температуры (см. рис. 7 и 8), располагается между свариваемыми торцами труб, затем торцы труб прижимаются к нагревательному элементу для предварительного нагрева.
При небольшом увеличении видно, что гладкая на вид поверхность сварочного зеркала на самом деле имеет неровности. Поверхность торца трубы, обработанная торцевателем, тоже все же отличается от идеальной плоскости. Поэтому для достижения равномерного контролируемого нагрева свариваемых торцов необходимо в первый момент прижать их к нагретому сварочному зеркалу с существенным усилием. Через короткое время материал свариваемых поверхностей оплавляется и плотно прижимается к поверхности сварочного зеркала, увеличивая площадь теплопереноса до 100% площади торца трубы.
Каким должно быть усилие прижима при предварительном нагреве? Усилие это, очевидно, ограничено двумя условиями:
- создаваемое давление должно быть как можно больше, чтобы 100%-ный тепловой контакт между торцом трубы и сварочным зеркалом был достигнут как можно быстрее;
- создаваемое давление должно быть не очень большим, чтобы выдавливаемый материал был вполне расплавленным и текучим.
Этим условиям удовлетворяет усилие, создающее давление 1,5 кгс/см2 для изделий из ПНД или 1,0 кгс/см2 для изделий из ПП. Для конкретной трубы усилие прижима рассчитывается с учетом материала трубы, ее диаметра и толщины стенки.
В результате нагрева под давлением по внешнему и внутреннему периметру торца трубы выступает валик пластифицированного материала, который называется гратом (см. рис. 1). Отрицательной особенностью грата является некоторое уменьшение условного прохода трубы после завершения сварки; поэтому, в частности, детали безнапорной канализации не рекомендуется соединять с помощью сварки.
Однако грат увеличивает толщину стенки трубы в месте сварного шва. Если учесть, что любой полимер при нагреве до пластического состояния в большей или меньшей степени подвергается термическому шоку, то увеличение толщины стенки в зоне сварного шва — это единственный способ достичь здесь прочности не ниже прочности исходной трубы. Поэтому нагрев с приложением усилия продолжают и после того, как достигнут 100% тепловой контакт между сварочным зеркалом и торцом трубы, — пока грат не достигнет рекомендуемой величины. Очевидная закономерность: необходимая высота грата тем больше, чем больше толщина стенки свариваемых труб (или толщина свариваемых листов). Оптимальная высота грата к моменту окончания предварительного нагрева определена для каждой толщины свариваемых изделий и для различных термопластов, она указывается в сварочных таблицах (см. табл. 2).
Замечание. Занижение давления прижима при создании грата ведет лишь к отсрочке момента 100%-ного контакта между торцом трубы и поверхностью зеркала. Дополнительное время, которое в этом случае требуется на создание грата, нельзя считать потерянным, т. к. большая его часть — это уже, фактически, начало основного нагрева (см. п. 5). А вот превышение давления при создании грата ведет к выдавливанию недогретого материала, который формирует грат неправильной формы и не обеспечивает должного усиления шва.
5. Основной нагрев поверхностей
В течение времени нагрева, которое начинается после создания грата нужной высоты, давление прижима — почти нулевое:
- это давление должно быть ничтожно мало, чтобы не вызывать дальнейшего увеличения грата, однако
- это давление должно быть достаточным, чтобы гарантировать контакт торцов трубы со сварочным зеркалом.
На рис. 6 показано изменение давления прижима в ходе сварочного процесса.
Рис. 6 Изменение давления прижима в ходе сварочного процесса
Отличительной особенностью стыковой сварки является медленный глубокий нагрев поверхностей сварочным зеркалом, нагретым до сравнительно невысокой температуры (около 200-210°С).
Теоретически, для сварки более толстостенных изделий рекомендуется применять более низкую температуру зеркала в течение более длительного времени (см. рис. 7 и 8), чтобы прогреть толстостенное изделие (трубу) на большую глубину. С другой стороны, погрешности оборудования и окружающая среда вносят отклонения температурного режима больше, чем рекомендуемые изменения настроек температуры в зависимости от толщины стенки трубы. Поэтому на практике температура зеркала не зависит от толщины стенки трубы.
Замечание. Рекомендуемые и общепринятые режимы нагрева труб и листов (температура и время) подобраны таким образом, что обеспечивают плавный прогрев материала на глубину, приблизительно равную толщине стенки трубы или толщине листа (см. рис. 9). Это обстоятельство рекомендуется учитывать при фиксации труб и торцевании. Отторцованная труба должна выступать из зажимов центратора на длину не менее толщины стенки трубы.
Рис. 7 и 8 Температура сварочного зеркала для ПНД и ПП
При температуре сварочного зеркала около 200°С и при температуре окружающей среды около комнатной скорость прогрева материала в глубину поддается точному расчету (для ПНД условно считается приблизительно равной 1 мм за 10 сек). Эта скорость определяет рекомендуемое время нагрева в зависимости от толщины стенки трубы (см. табл. 2).
Рис. 9 График распределения температуры в трубах с разной толщиной стенки
6. Перестановка (технологическая пауза)
После нагрева поверхностей решающее значение имеет быстрое удаление нагретого инструмента и совмещение нагретых свариваемых поверхностей. При этом необходимо не смять, не запачкать и не повредить другим способом нагретые поверхности! Максимально допустимое время на отведение подвижной трубы, удаление сварочного зеркала и сведение торцов труб называется временем перестановки и указывается в сварочных таблицах. Превышение этого времени ведет к остыванию оплавленных торцов и, как следствие, к плохому качеству шва. Очевидно, что для более толстостенных изделий допустимое время перестановки выше (см. табл. 2).
Замечание. Во время перестановки нагретый материал, контактируя с воздухом, быстро окисляется. Кроме того, тонкий слой нагретой поверхности успевает немного остыть. Поэтому следует стремиться к уменьшению времени перестановки.
Скорость сведения труб в момент их контакта должна быть как можно ближе к нулю. Приложение значительного давления в первый момент контакта приведет к выдавливанию расплавленного материала из зоны шва и, к тому же, сильно увеличит высоту грата.
Важно! Сварка труб при температурах ниже минус 10 °С также нежелательна, т.к. возможно переохлаждение расплава в технологической паузе. Кроме того, слишком быстрое охлаждение вызывает в зоне сварки значительные внутренние напряжения, которые не успевают сглаживаться (за счет перехода части деформаций в высокоэластичные) до того, как к швам прикладываются дополнительные монтажные нагрузки (от выемки труб из зажимов сварочной машины, перемещения плетей вдоль траншеи и пр.).
7. Осадка
От момента контакта свариваемых поверхностей, по мере остывания материала, давление прижима поверхностей необходимо медленно и плавно увеличивать до рекомендуемого давления охлаждения. При увеличении давления расплавленный материал частично выдавливается из зоны шва и течет в направлении наружного и внутреннего грата, при этом тонкий слой материала, окислившийся и остывший во время перестановки, смешивается с более глубокими слоями и не оказывает отрицательного влияния на качество шва.
Экспериментально определенное оптимальное время, в течение которого должно быть плавно достигнуто давление охлаждения, известно как время осадки и указывается в сварочных таблицах (см. табл. 2). Во время осадки и на первом этапе последующего охлаждения происходит окончательное формирование грата.
8. Охлаждение
При охлаждении окончательно формируется зона сварного соединения. Основная идея этого процесса состоит в том, чтобы толщина стенки трубы в зонах, прилегающих к сварному шву, увеличилась. Причем это увеличение должно быть тем больше, чем больше был нагрет (подвергся термической деградации) материал в данной точке. Рекомендуемые режимы нагрева и осадки подобраны таким образом, что оптимальным для охлаждения является усилие прижима, равное усилию при предварительном нагреве.
После осадки давление прижима деталей сохраняется постоянным до полного охлаждения при комнатной температуре. Время охлаждения зависит от материала и толщины стенки свариваемых труб (или толщины листов) и указывается в сварочных таблицах (см. табл. 2).
Не следует пробовать ускорить остывание (применение холодной воды или пр.) – это приведет к созданию внутренних напряжений в материале и, как результат, к снижению прочности шва.
После остывания сваренные части можно вынуть из аппарата.
