Сварка изделий из пластика: материалы, технологии, оборудование

Общее описание

Сварка полимерных изделий — это способ создания неразъемных соединений из термопластичных материалов. Для этого необходимо нагреть стыки деталей (воздух между ними и присадочный материал) до вязко-текучего состояния. Затем их с усилием прижимают друг к другу. В зоне контакта происходит перемешивание расплава соединяемых изделий и выдавливание воздуха за счет давления прижима. Дальнейшее увеличение прочности происходит в результате молекулярной диффузии, что позволяет создать монолитную деталь.

Иногда такую технологию называют пластиковой сваркой. Она применяется для соединения большинства полимерных труб, мембран, листов, пленок и других элементов.

Исключение составляют изделия из реактопластов и эластомеров: они не свариваются. Причина заключается в том, что нагревание не переводит эти материалы в вязко-текучее состояние. У реактопластов, в отличие от термопластов, есть химические связи, которые препятствуют проявлению текучести при нагревании.

Совместимость свариваемых материалов

Для получения прочного сварного соединения необходимо соблюдать следующие условия:

• оба полимера должны иметь одинаковый химический состав. Например, сварка ПП из рандом сополимера PP-R с ПП третьего типа;
• свариваемые полимеры и присадочные материалы должны обладать одинаковой текучестью. Для количественной оценки этого свойства применяют показатель текучести расплава, который измеряется в граммах материала, протекающего в единицу времени через капилляр экструзионного вискозиметра. Численное значение этого параметра приводится в характеристиках термопласта для различных температур и давлений.

Различие в цвете полимерных материалов не влияет на свариваемость, поскольку пигмент вводится в малом количестве и является химически нейтральным веществом.

Подготовка свариваемых поверхностей

Во избежание дефектов сварных соединений необходима правильная подготовка поверхностей. Загрязняющие вещества (жир, масло, пыль), окислы и влага могут помешать процессу смешивания расплавленных полимеров и снизить прочность шва.

Очистку поверхностей следует производить не более чем за 20 минут до начала сварки. Объем работ включает следующие процедуры:

• очистку свариваемых поверхностей. Идеальным инструментом является скребок, которым удаляют верхний слой полимера. Обезжиривание выполняют этиловым спиртом;
• удаление налипшего материала с нагреваемого инструмента;
• очистку присадочного прутка. Производится механически — скребком. Если на поверхности прутка имеется конденсат, то в процессе сварки влага будет смешиваться с расплавленным полимером с образованием пор и каверн. Эти дефекты приводят к снижению прочности сварного соединения. Такая ситуация может возникнуть при внесении присадочного материала из холодного помещения в теплый цех. Проблему устраняют высушиванием присадочных гранул и прутка.

Наждачную бумагу и растворитель не следует использовать при подготовке поверхностей, так как остатки растворителя и абразивная пыль могут попасть в шов.

Охлаждение шва

Сварное соединение не следует принудительно охлаждать после окончания сварки. Дело в том, что повышение интенсивности теплоотдачи приведет к неравномерному распределению температуры по сечению шва и появлению внутренних напряжений и дефектов, что снизит прочностные характеристики стыка.

Это обстоятельство учитывают при сварке толстостенных изделий. Время остывания шва увеличивают. После окончания сварки его немедленно укутывают теплоизоляцией.

Классификация способов

Методы сварки полимерных материалов подразделяются на две группы:

• способы, использующие для нагревания внешний источник;
• способы, в которых тепло для нагрева соединяемых деталей создается внутри них.

Таблица 1. Классификация методов сварки

Сварка с внешним источником тепла	Нагретым газом	С присадочным материалом
		Без присадочного материала
	Нагретым инструментом	Насадка выводится из зоны шва	Косвенный нагрев	Сварка ленточная
				Сварка роликовая
				Сварка прессовая (плоской или клиновидной насадкой)
				Сварка термоимпульсная (плоской лентой или проволокой)
			Прямой нагрев
		Насадка остается в шве	Сварка электрическим сопротивлением
			Сварка индукционная	Металлическим инструментом
				С помощью порошков оксидов металлов
	Сварка нагретым присадочным материалом	Нагретым прутком
		Экструдированным материалом
Сварка с созданием тепла внутри свариваемого материала	Сварка трением	Вращением	Соединяемых деталей
			Промежуточного элемента
		Вибротрением
	Сварка ультразвуковая	Прессовая	Точечная
			Прямошовная
			Контурная
		Роликовая	Нагретым швом
			Прерывистым швом
	Сварка излучением	Лазерная	Без присадочного материала
			С присадочным материалом
		ИК-излучением	На соединяемые поверхности
			На внешние поверхности

Выбор подходящего способа сварки осложнен тем, что зачастую сложно определить даже марку полимерного материала. Наилучшим образом ситуация обстоит с трубами из пластика, на которые нанесена маркировка.

Сварка труб из полимера

В таблице 2 даны общие рекомендации по выбору технологии сварки трубных изделий.

Таблица 2. Методы сварки в зависимости от типа трубы и ее назначения

Маркировка (цвет)	Тип материала	Назначение	Способ сварки
Черный	ПЭ (гладкая труба)	Трубопровод холодной воды под давлением подземной и надземной прокладки	Нагретым инструментом встык
		Трубопровод холодной воды под давлением в яме	Электросварными фитингами
		Дренаж	Нагретой насадкой встык Электросварными фитингами Горячим воздухом
	ПЭ (гофрированная труба)	Трубопровод подземного дренажа или канализации
Желтый или черный с желтой полосой	ПЭ	Трубопровод холодной воды под давлением	Нагретой насадкой встык
		Ремонт трубопровода в яме	Электросварными фитингами
Черный с синей полосой	ПЭ	Прокладка газовой магистрали под землей	Нагретой насадкой встык
		Ремонт трубопровода подвода газа в яме	Электросварными фитингами
Синий	ПЭ	Прокладка трубопровода газа в траншее или над землей	Нагретой насадкой встык
	ПП	Трубопровод горячего, холодного водоснабжения и теплоснабжения	Нагретой насадкой Электросварными фитингами
	ХПВП		Клеевое соединение фитингами с раструбом
Зеленый или кирпичный	ПП		Нагретой насадкой в раструб или встык Электросварными фитингами
Белый	ПП

Распространенные способы сварки

Сварка труб нагретым инструментом в раструб

Технология основана на использовании инструмента, который одновременно нагревает внутреннюю поверхность фитинга и наружную — пластиковой трубы. Получение неразъемного соединения достигается совмещением нагретых поверхностей деталей. Данный метод обеспечивает прочность сварного соединения, равную прочности основного материала. К другим плюсам способа относятся:

• высокая скорость сварки в связи с применением насадки, нагретой до температуры около 260 °С;
• возможность соединения труб из пластика небольших диаметров (от 16 до 32 мм) недорогими аппаратами. Не требует высокой квалификации сварщика.

Особенности и ограничения метода:

• невозможность сварки тонкостенных деталей из-за быстрого их прогрева по всей толщине;
• применение технологии невыгодно при монтаже полимерных труб больших калибров. Дело в том, что цена фитингов, которые используются при сварке, слишком высока;
• для установки трубы и фитинга в сварочную насадку, а затем — для их дальнейшей сборки требуется приложение осевой силы, которая зависит от диаметра деталей. Уже для калибров более 50 мм ручную сборку механизируют с помощью центраторов. А для пластиковых труб диаметром свыше 125 мм раструбовая сварка не используется. Причина — высокие цены на центраторы и фитинги больших размеров.

Указанным особенностям метода сварки нагретой насадкой в раструб наилучшим образом соответствуют полипропиленовые трубы. Модели имеют необходимую толщину стенки и подходящие диаметры. Кроме того, их практически не используют при прокладке длинными прямолинейными участками. Невысокая цена и термостойкость полипропилена способствовали широкому применению деталей и труб из него при внутренней разводке трубопроводов теплоснабжения и горячей воды.

Хорошо свариваются нагретой сварочной насадкой достаточно редкие трубы из поливинилиденфторида (фторопласт-2).

Трубы из полиэтилена, поливинилхлорида (ПВХ) и хлорированного ПВХ практически не сваривают данной технологией из-за тонкостенности этих моделей.

Сварка труб встык

Торцы свариваемых труб одновременно нагревают и с определенным усилием прижимают друг к другу. Прочность сварного соединения соответствует прочности материала трубы.

В отличие от сварки в раструб, соединение встык не требует использования фитингов. Поэтому данный метод применяют при прокладке трубопроводов больших диаметров.

Особенности метода:

• чтобы обеспечить прочность шва, требуется тщательно совместить выровненные торцы. Любые отклонения (несоосность, перекосы) приведут к потере площади сварки и получению меньшей прочности соединения, чем у самой трубы. Для минимизации деструкции время прогрева, которое ограничено температурой инструмента (от 200 до 240 °С), должно быть достаточно большим. Прижим торцов производится с нормированным осевым усилием. Данные обстоятельства приводят к необходимости использовать для сварки встык сложное и дорогое оборудование. Для монтажа труб калибром до 160 мм применяют механический привод. А для сварки больших диаметров полимерных труб — гидравлические машины;
• на внутренней и наружной сторонах стыкового шва образуется валик выдавленного при прижиме полимера (грат). Из-за этого недостатка сварки встык ее не рекомендуют применять для сборки безнапорных пластиковых трубопроводов (канализации, дренажа), так как внутренний выступ создает гидравлическое сопротивление, задерживает движение твердых частиц и образует засоры. При необходимости внутренний и наружный грат можно срезать специальными устройствами;
• для организации разветвлений полимерных трубопроводов применяют соединительные детали, которые имеют те же диаметры и толщины, что и основные. Отводы и фитинги для больших труб изготавливают из этих же труб: их нарезают на сегменты и сваривают встык;
• для сварки газопроводов и ответственных трубопроводных систем применяют автоматизированные аппараты, которые позволяют протоколировать параметры сварочного процесса.

Наиболее подходящим изделием для стыковой сварки являются полиэтиленовые трубы среднего и большого калибров. Низкая цена полиэтилена, химическая и коррозионная стойкость, прочность, морозостойкость способствуют широкому их использованию при подземной прокладке магистральных трубопроводов.

Трубы из фторопласта-2 и полипропилена диаметрами более 125 мм хорошо свариваются встык. Для меньших калибров предпочтительнее применение раструбовой сварки.

При сварке встык труб из обычного и хлорированного ПВХ необходимо точно поддерживать температуру инструмента и засекать время до смыкания торцов после прекращения нагрева. Поскольку данные материалы хорошо склеиваются, то сваривают их очень редко.

Сварка труб электронагревательными фитингами

Соединительная деталь имеет вид муфты, которая надевается внутренней поверхностью на соединяемые концы труб. Она содержит встроенную терморезисторную спираль с двумя внешними клеммами для подключения к сварочному аппарату. Для сварки применяют фитинг и соединяемые трубы. Они должны быть изготовлены из одного полимера. При подаче напряжения внутренняя поверхность фитинга и наружная поверхность труб плавятся до полужидкого состояния, а после остывания образуется прочное соединение.

На корпусе соединителя нанесен штрихкод, который содержит информацию об оптимальных режимах сварки. Ее считывает сканер устройства. Оно автоматически настраивается на требуемые параметры: силу и напряжение тока, время сварки и сигнал о готовности соединения после остывания соединения. Роль мастера состоит только в наблюдении.

Автоматизация возможна, если изготовитель фитингов использовал при их производстве универсальные коды известных производителей сварочного оборудования. Если в автоматическом режиме запустить сварку не получается, то параметры процесса задаются вручную. Данные для этого указаны на корпусе электронагревательного фитинга.

В отличие от сварки встык, электрические фитинги повышают прочность соединения за счет увеличения площади шва. Это важно для труб малых диаметров.

Метод соединения с помощью встроенных электронагревателей, также как и раструбовая и стыковая виды сварки, обеспечивает прочность сварного шва не меньше, чем у полимерной трубы.

Особенности метода:

• в процессе сварки соединяемые трубы не требуется перемещать. Поэтому способ часто используется при монтаже и ремонте трубопроводов в труднодоступных местах и ограниченном пространстве (в ямах, узких траншеях, подвальных помещениях, под потолком);
• полная автоматизация ускоряет монтаж, повышает надежность соединения, не требует особенной квалификации мастера, позволяет протоколировать параметры сварки. Данное обстоятельство важно при сварке полиэтиленовых газопроводов;
• возможно соединение труб широкого диапазона диаметров и толщин стенок, в том числе тонкостенных (применяются безнапорные фитинги). При этом отсутствует грат, что является преимуществом при устройстве канализации и дренажа;
• цена электросварной соединительной детали в несколько раз превышает стоимость фитинга для сварки нагревательным инструментом в раструб. Поэтому такие элементы используют в случаях, когда их преимущества принципиально важны.

Электросварные фитинги наиболее востребованы для сварки труб из полиэтилена, которые в последнее время часто используют для замены стальных моделей большого диаметра, особенно при подземной прокладке. Соединительные детали в основном изготовляют из полиэтилена низкого давления ПЭ-100, что позволяет использовать их при монтаже напорных и безнапорных трубопроводов, транспортирующих газ, воду, канализационные стоки. Диаметры соединяемых труб составляют от 20 до 1600 мм, они работают при давлении 1,0 МПа для газа и 1,6 МПа для воды. Сварные соединения устойчивы к гидравлическим ударам. Выдерживают многократное замерзание-оттаивание рабочих сред.

Сварка данным методом труб из полипропилена и фторопласта-2 возможна, но проигрывает в цене соединению в раструб.

Трубы из стандартного и хлорированного ПВХ проще соединить клеем. Поэтому их не сваривают электросварными фитингами.

Стыковая сварка листов нагретым инструментом

Принцип соединения состоит в нагревании инструментом стыков двух листов, которые прижимают друг к другу нормированным усилием. Технология позволяет получить прочность соединения, равную таковой у листа. Подходит для сварки листов из популярных термопластичных полимеров:

• полиэтилена;
• полипропилена;
• поливинилхлорида.

Метод предполагает качественную подготовку сварочных кромок. Они должны быть идеально выровнены, чтобы получить прочное соединение. Дело в том, что площадь сварки равна площади соединяемых торцов без запаса. Как и при стыковой сварке труб, требуется сложное и дорогое станочное оборудование. Необходимо аккуратно состыковать листы и прижимать их заданной осевой силой длительное время в процессе глубокого прогрева. Применяется сварочное оборудование стационарного типа, устанавливаемое в цехе, так как ширина листов может достигать 4 м.

Полученный сварной шов имеет грат с обеих сторон. При необходимости его удаляют специальным инструментом, работающим по принципу рубанка.