Экструзионная сварка – это способ соединения полимерных материалов с помощью нагрева и применения специальных присадок, подающихся на сварной шов. Данный способ позволяет соединять как пленки, так и трубы или другие толстостенные детали, а производительность и качество шва у данного вида сварки выше, чем при соединении пластмасс с помощью горячего газа.
Сварка экструзионным методом применяется в разных отраслях промышленности, где используются большие объемы полимерных материалов:
- Производство емкостей из пластика (кессоны, баки, канистры).
- Строительство безнапорных трубопроводов и водных резервуаров.
- Изготовление пластиковых корпусов в приборостроении.
Преимущественно данный способ сварки применяется при соединении пластмасс толщиной более 6 мм, но возможно и использование его для соединения полимерных пленок.
Оборудование
Для проведения экструзионной сварки применяется специальный аппарат, который называется экструдером. Приспособление для сварки вручную напоминает электродрель со специальной насадкой и нагревающим устройством, поэтому его называют экструзионным пистолетом.
Внутри экструдера установлен шнек, в котором присадка нагревается от корпуса экструдера, превращается в вязкую однородную массу и через башмак подается на сварной шов. Присадка может подаваться в устройство либо в виде проволоки, разматываемой с катушки, либо в виде гранул, поступающих через бункер.
Башмак – это часть аппарата, которая прижимается к соединяемым деталям и выполняет роль своеобразного утюга, придавливающего присадочный материал и не позволяющего ему растекаться в других направлениях. Изготавливается это устройство из тугоплавких полимеров (фторопласт, политетрафторэтилен), и для каждого типа и размера шва применяется собственный башмак. Нос башмака должен повторять форму соединяемых поверхностей, но не должен их касаться.
Через башмак (или независимо) подается горячий воздух для нагрева соединяемых поверхностей. Таким образом, нагрев происходит непосредственно перед подачей присадки. Современные экструдеры могут регулировать температуру воздуха и температуру присадочной массы.
В зависимости от назначения, мощности и производительности существуют различные группы экструдеров, несколько различающиеся по конструкции. Например, для производства пластиковых емкостей применяются аппараты, у которых сопло подачи воздуха установлено справа, и сварка осуществляется строго слева направо.
Большинство экструдеров выпускаются со шнеком, но существуют так же и безшнековые (плунжерные) аппараты. Присадочный материал из них выталкивается за счет давления нерасплавленного прутка. Главным недостатком такого типа экструдера является низкая производительность, но зато им можно работать в труднодоступных местах.
Цена профессионального оборудования стартует от 30 тысяч рублей, а самые «продвинутые» модели для промышленной сварки могут стоить порядка ста тысяч рублей. При этом следует учитывать, что для экструдеров западных фирм подходят проволока или гранулы только от производителя либо одобренных фирм. Отечественные аппараты менее требовательны к качеству присадок.
Теоретические основы
Экструзионная сварка применима только к материалам с большим диапазоном температуры, при которой сохраняется их вязко-текучее состояние, таким как полиэтилены, фторлоны, пластифицированный поливинилхлорид, полистирол. Такие материалы, способные нагреваться при температуре выше температуры текучести, называются термопластами. Диапазон температур между плавлением и термодеструкцией (разрушением материала) у термопластов составляет 50-180°С градусов.
Прочность соединения, полученного экструзионным способом, достигает 80-100% от расчетной прочности самих деталей, но при этом сильно зависит от температуры присадки. Нагрев присадочного материала осуществляется до температуры, превышающей его температуру текучести (Тт) на 30-60°C градусов. Расход теплоты присадки производится на потери в окружающую среду, на расплавление соединяемых кромок деталей и на сохранение вязкого состояния самой массы.
Следует заметить, что при этом температура нагрева деталей не должна превышать температуру термодеструкции материала, поскольку это приведет к снижению прочности соединения снизится.
На схеме ниже представлен процесс изменения структуры полимера при повышении температуры.
Соединению подлежат только соединения из термопластов, выполненных из одинакового материала. При этом присадка должна быть выполнена из того же вещества, что и соединяемые поверхности. В случае, если свариваемые детали обладают разными пределами текучести, предел текучести присадки должен быть равен среднему значению ПТ соединяемых деталей.
ПВХ и ПВДФ имеют небольшой интервал температур плавления и разрушения, поэтому их соединение должно проходить при тщательном контроле за температурным режимом. Для сварки таких материалов требуются экструдеры со шнеком, который тщательно перемешивает вязкую массу, а сварка должна производиться в один прием, без периодических выключений и нагревов экструдера.
Экструзионная сварка может применяться для формирования непрерывных протяженных швов на армированных материалах и пленках. При таком соединении экструзионная масса поступает на соединение пленок, которые протягиваются через прокатные валки. Затем соединяемый шов пропускается через прижимные валки, формируя сварочный шов.
Чтобы свести потери тепла к минимуму, экструзионная сварка должна проводиться при максимально большом диаметре присадочного прутка и высокой скорости подачи присадки.
Следует учитывать, что сварка экструдером запрещена для применения на трубопроводах, работающих под давлением.
В России правила проведения экструзионной сварки регламентируются стандартом ГОСТ 16310-80, этот стандарт регламентирует типы соединений, диапазон рабочих температур, толщины деталей, размеры кромок и другие технические параметры.
В мировой практике широко распространено применение немецкого стандарта DVS 2207-4, который более широко регламентирует проведение экструзионной сварки.
Примеры технических параметров сварки приведены в таблице.
Виды сварных швов
ГОСТ 16310-80 устанавливает более 10 видов сварочных швов, которыми можно соединять полимерные детали. Название шва зависит от внешнего вида его разреза. Рассмотрим основные из них.
С помощью столярного инструмента (ножовки, стамески или рубанка) производится обработка торцов соединяемых материалов. Создается скос, который в точке касания должен составлять угол в 45-90° градусов. На нижнем краю скоса должен оставаться прямой торец толщиной не более 1 мм.
Если стыкуются детали разной толщины, то сторона с большей толщиной срезается под большим углом, а меньшая – под меньшим. Таким образом, достигается равная толщина деталей в месте соединения.
Зазор между деталями не должен превышать 2 мм, чтобы обеспечить проникновение присадки во внутреннюю часть шва и обеспечить высокое качество соединения.
В отличии от V-образного шва, в X шве невозможно контролировать качество проварки. Но двойной шов призван компенсировать этот недостаток. Для такого вида шва предусмотрена собственная технология изготовления:
На соединяемых торцах формируются скосы с углом раскрытия 30-60° градусов,
Корневой слой стыкуется без зазора, предварительная фиксация осуществляется с помощью термофена. Проваривается шов сначала с лицевой части, затем с тыльной.
При применении такого шва производится обработка торцов скругленным скребком, затем производится предварительная фиксация листов с помощью термофена. Дополнительно может производится сварка со второй стороны соединения.
Выполнение такого шва аналогично выполнению V-шва, однако угол раскрытия не должен превышать 60° градусов. Детали не стыкуются вплотную, между ними остается зазор в 2 мм. Этот зазор позволяет присадке проникнуть в соединение и выйти с наружной стороны, герметично закрывая шов.
Процесс соединения деталей
Процесс подготовки и проведения сварочных работ с применением экструзионных покрытий проходит следующим образом:
- После запуска и прогрева экструдера производится его очистка от материала, использовавшегося ранее. Повторно применять присадку нельзя, потому что ее прочностные характеристики снижены,
- За 15-20 минут до начала сварочных работ производится очистка соединяемых поверхностей от пыли, масляных и жировых загрязнений механическим воздействием (скребками, мелкой наждачной бумагой),
- Обрабатываются торцы соединений под требуемый шов, на соединяемых поверхностях готовятся скосы или сварочные канавки,
- Производится нагрев соединяемых поверхностей горячим воздухом,
- Материал присадки поступает в экструдер, где нагревается от рубашки шнековой камеры и перемешивается до получения однородной пастообразной массы,
- Разогретая до вязкого состояния экструзия выдавливается через башмак на сварочный шов, частично расплавляя свариваемые детали и перемешиваясь с их веществом,
- На свариваемые поверхности с помощью сварочного башмака подается необходимое давление, обеспечивающее фиксацию деталей. Сила оказываемого давления зависит от материалов: так, для ПВД допустим широкий интервал давлений, а прочность соединения полипропилена падает при оказании слишком высокого давления.
- Процесс охлаждения проходит при естественных условиях, так как принудительное охлаждение приводит к уменьшению прочности шва вследствие перепада температур.
Существует два основных типа экструзионной сварки – бесконтактный и контактный.
Бесконтактный способ сварки требует применения прижимных устройств или прессов, с помощью которых оказывается давление на соединяемые детали. Экструзия при данном способе подается из мундштука, который не вводится в разъем.
При контактном способе мундштук вводится в соединяемый разъем до контакта с кромками и перемещается вдоль стыка под углом 10-15° градусов, заполняя полость присадочной массой. Давление, создаваемое присадкой, позволяет отказаться от оказания дополнительного давления на материал. Такая сварка позволяет обеспечить потери тепла и обеспечить дополнительный нагрев соединяемых поверхностей за счет тепла от мундштука.
