Определение понятия сварки

К неразъемным соединениям (т. е. тем, которые могут быть разобраны только путем поломки деталей) относится и метод соединения сваркой. Т. о. это является свидетельством монолитности сварных соединений. Она обеспечивается в случае возникновения сил взаимодействия между макромолекулами свариваемых деталей на их поверхности (сил Ван-дер-Ваальса) и взаимного перемещения этих молекул из одной детали в другую (например, за счет диффундирования).

Можно сделать неверный вывод, что для образования связей между макромолекулами на поверхностях свариваемых полимеров, исчезновения границы разделы (т. е., собственно, чтобы произошла сварка), будет достаточно лишь приблизить поверхности на расстояния, где подобные процессы начинают заметно проявляться (0,3 - 0, 4 им). Отдельные авторы придерживаются именно такого ошибочного мнения: они считают сварку основанным на принципе взаимной диффузии и химического взаимодействия макромолекул пластмасс технологическим процессом, при котором части деталей неразъемно соединяются и существующая граница раздела между ними исчезает.

Однако тут не учитывается тот момент, что даже в случае, который можно считать идеальным (идеально гладкие поверхности без загрязнений, адсорбированных газов и любых других препятствующих необходимому сближению элементов), нужно осуществить подачу извне деформационной и тепловой энергий. Первая необходима, чтобы преодолеть возникающие между сближающимися поверхностными атомами силы отталкивания; вторая позволяет увеличить возможность возникновения взаимодействия между ними. Из данных представлений следует, что в зоне сварки можно выделить 2 происходящих процесса: во-первых, подвод энергии с ее последующим преобразованием, во-вторых, превращение вещества. Величина интенсивности преобразующего процесса, а также его характер, являются определяющими вид сварки.

Процесс сварки осуществляется при активации поверхностей свариваемых деталей. Для достижения этого необходим подвод энергии (а в некоторых случаях и ее преобразование). Некоторые виды сварки полимеров могут потребовать введения вещества. Например, это необходимо при осуществлении сварки расплавом, а также при сваривании деталей с помощью нагретого газа с использованием присадочных материалов. Энергия подводится с расплавом и присадочным материалом.

Отдельные виды сварки полимеров могут вызывать значительное движение вещества. Обуславливается оно процессами перемешивания и диффузии, которые происходят в нагреваемом до вязкотекучего состояния  материале. Химическая реакция активных групп, протекающая или между ними самими или с участием активных групп промежуточных веществ, которая тоже может иметь место в случае подвода энергии какого-либо типа (химическая сварка) должна считаться движением особого вида.

Все вышесказанное демонстрирует, что сварка металлов и пластмасс в термодинамическом смысле не отличается. Сформулировать это можно таким образом: сварка - это процесс получения монолитного соединения материалов за счет введения и термодинамически необратимого преобразования энергии и вещества в месте соединения.

Несколько слов о механизме процесса сварки полимеров и об их свариваемости

В настоящее время процесс сварки определяется как топохимическая реакция (химическая реакция, протекающая на поверхности твердого тела). Основой каждой химической реакции является процесс, разрывающий связи исходных веществ и создающий новые связи, т. е. создающий таким образом новое вещество. Следовательно, сам механизм, образующий соединение, не должен отличаться у разных типов сварки и разных типов материалов. Изменения происходят только в совокупности происходящих на поверхностях контакта явлений. Явления же различаются в зависимости от природы материалов и способа сварки.

Топохимические реакции обычно протекают в 3 стадии: возникновение физического контакта, процесс активации контактирующих поверхностей, развитие взаимодействия в объеме.

Физический контакт образуется в случае приложения давления к свариваемым изделиям. В случаях поступления в зону сварки расплавленного присадочного материала, свариваемые кромки с ним могут вступать в физический контакт при достаточно маленьком давлении или даже без его приложения вовсе. Это происходит при сваривании нагретым газом и экструзионном методе сварки. Физический контакт между соединяемыми поверхностями может осуществляться до нагрева, после нагрева свариваемых поверхностей до необходимых температур, либо может происходить единовременно с нагревом. В каждом из этих случаев на данной стадии макро- и микронеровности пластически деформируются, а за счет этого сближаются контактирующие поверхности. "Деформационная" работа идет также на удаление различных инородных включений (пятна масла и жира, газовые пузыри и пр.) из зоны контакта. Волокнистые материалы и мягкие пластмассы в течение этой стадии уплотняются, что вызывает уменьшение толщины материала.

Активацией поверхностей сварки называется процесс их нагрева, повышающий энергию теплового движения макромолекул. Осуществление нагрева может происходить как с помощью передачи тепла свариваемым деталям нагретыми инструментами, газом или присадочным материалом, так и за счет перехода в тепловую энергию других ее видов: например, механической энергии ультразвуковых колебаний (а также трения), энергии электрического поля высокой частоты от конденсатора, электромагнитной энергии, энергии излучений (инфракрасного, лазера, концентрированного светового луча) и т. д.

Если при сварке происходит переход энергии в тепловую из других ее видов, то до начала термической активации свариваемых поверхностей будут происходить процессы, определяемые спецификой конкретного вида сварки:

• в случае сварки токами высокой частоты происходит процесс смещения диполей;
• для ультразвуковой сварки характерны процессы ввода и распространения ультразвуковых колебаний, кроме того, энергия механических колебаний концентрируется и преобразуется в тепловую;
• при сварке с помощью инфракрасного излучения поглощается лучистая энергия.

В стадии термической активации также могут развиваться процессы деформации: например, из-за того, что процесс действия статической нагрузки (а при сварке ультразвуком - динамической) ведет к внедрению инструмента в соприкасающуюся с ним деталь, а также провоцирует вытеснение материала в пластицированном виде или в виде расплава из зоны сварки.

Развитие процесса взаимодействия в объеме проходит вместе с целым рядом сложных процессов физико-химической природы. Как наиболее существенные среди них можно выделить: диффузию, течение и физико-химические превращения. В зависимости от того, какой процесс признается главенствующим, существуют следующие теории сварки: диффузионная теория, признающая главным процессом, соответственно, диффузию, и реологическая теория (от названия науки реологии, которая изучает закономерности течения).

Диффузионная теория утверждает, что соединение достигается за счет достаточно полного слияния веществ (коалесценции) при соприкосновении их поверхностей. Полное слияние взаимодействующих слоев жидкости осуществляется при их непосредственном контакте, сопровождающемся процессом исчезновения границы раздела между ними. При соединении полимеров только контакта для осуществления коалесценции мало - еще необходимо осуществление структурообразования в зоне контакта. Оно достигается диффузией макромолекул или их отдельных сегментов. Связь сегментов с макромолекулой является препятствием для их перемещения, из-за этого меняется конфигурация цепной молекулы при диффузии сегментов. Из-за этого при большом числе последовательных перемещений сегментов будет меняться форма макромолекул, а также будут смещаться их центры тяжести. Перемещение сегментов называют микроброуновским, а макромолекул в целом - макроброуновским движением.

Наиболее легко перенос целых макромолекул может осуществляться при контакте полимерных слоев в условиях, когда температура превышает температуру течения. В данном случае характерная для полимеров структура может легко возникнуть в зоне контакта. Отдельные сегменты макромолекул могут диффундировать, когда температура соответствует температуре высокоэластичного состояния полимера. Однако в данном случае перемещение целой молекулы затруднено. Степень коалесценции при такой температуре остается меньше единицы (степень коалесценции максимальна у жидкостей и равна единице), поскольку напряжения, возникающие в молекулярных цепях, препятствуют продолжению диффузии, как только произойдет перемещение сегментов на определенную глубину.

Диффузионный характер сварки подтверждается тем фактом, что улучшающие тепловое движение факторы (например, введение пластификатора, увеличение температуры или давления и пр.) делают сварное соединение более прочным, а замедляющие диффузию факторы прочность делают меньше.

Однако специалисты, поддерживающие реологическую теорию, замечают, что если бы соединение образовывалось только за счет диффузии, процесс сварки длился бы десятки минут. На практике же все происходит намного быстрей. Также нельзя не учесть того момента, что процесс диффузии замедляется из-за различных загрязнений свариваемых поверхностей, что должно было бы еще увеличивать время проникновения молекул. А также следует помнить о том, что происходит непрерывное снижение коэффициента диффузии из-за постоянно возрастающего торможения макромолекул, прошедших через границу раздела. Все это дает сторонникам реологической теории основания предполагать, что до проявления сил межмолекулярного взаимодействия и процесса диффузии во взаимодействующих объемах происходит ряд явлений, которые можно связать с процессами течения и перемешивания расплава.

Предполагается, что в случае контакта расплавленных поверхностей создавшиеся из-за усилия прижима напряжения (а в случае ультразвуковой сварки еще и динамические напряжения) провоцируют смещение (сдвиг) слоев расплава. Из-за этого сдвига из зоны соединения удаляется воздушная прослойка и прочие инородные включения, сам же расплав из зоны сварки оказывается выдавленным, что является признаком качества сварного соединения. Неравномерность распределения температур и напряжений на различных участках взаимодействующих поверхностей делает скорость сдвига на них разной. Все это может спровоцировать перемешивание расплава в контактирующих объемах, что является наиболее вероятным сварки методом механических (ультразвуковая) или электрических (сварка ТВЧ) колебаний высокой частоты.

Лабораторными экспериментами по изучению сварки полимеров с помощью нагретых инструментов подтверждается перемешивание вязкотекучего материала в зоне сварки. Можно предположить, что макрообъемам вязкотекучего материала присущ процесс перемешивания, а микрообъемам - диффузия.

В случае проведения сварки в интервале температур высокоэластичности, механизм диффузии является преимущественным. В данном случае необходимо обеспечить продолжительный контакт свариваемых поверхностей, сварные швы при этом сохранят границу раздела, материал же в зоне контакта не будет надмолекулярной структурой отличаться от исходного. Такой вид сварки проходит при высоких давлениях, обуславливая появление значительных остаточных напряжений на шве после охлаждения соединения.

Процесс сварки пластмасс аналогичен процессу сварки металлов в случаях прохождения в интервале температур вязкотекучести (когда свариваются аморфные полимеры) или в интервале температур плавления (когда соединяются частично-кристаллические полимеры). Воздействующие внешние силы вызывают быструю коалесценцию расплава, при которой слои перемещаются и перемешиваются. При этом происходит удаление из зоны сварки слоев расплава с содержанием газовых и оксидных включений. Таким образом облегчается последующая взаимная диффузия как участков молекулярных цепей, так и макромолекул целиком в микрообъемах. Сварные швы подобных соединений практически не имеют границы раздела соединенных поверхностей. Разрушения по первоначальной плоскости контакта в них не происходит, при этом в зависимости от условий охлаждения расплава может поменяться их надмолекулярная структура.

Свариваемость пластмасс при сварке плавлением, связанная на заключительном этапе с течением расплава, оценивается следующими характеристиками: энергией активации вязкого течения, вязкостью расплава, температурным интервалом вязкотекучего состояния.

Из выше рассмотренного следует, что вероятность образования высококачественного сварного шва увеличивается в случае возможно большего температурного интервала вязкотекучести при возможно меньшей энергии активации вязкого течения и вязкости расплава.

В зависимости от реологических свойств все пластмассы можно разделить на 3 группы:

1. Неориентированные термопласты, имеющие значительно меньшую энергию активации вязкого течения (не более 150 кДж/моль) по сравнению с энергией химической связи; превышающий 50°С температурный интервал вязкотекучего состояния (Tт - Тр, где Tт - температура текучести, а Тр - температура разложения); вязкость расплава порядка 10 2-105 Па*с. Термопласты этой группы способны без термодеструкции перейти в вязкотекучее состояние, а затем пребывать в нем в весьма широком диапазоне температур. Вязкость же расплава при этом достаточна для того, чтобы даже при минимальных усилиях обеспечивалась его быстрая и полная коалесценция. Такие материалы отлично свариваются методом плавления при самых разных видах процесса сварки в широком диапазоне температур. Одним из самых типичных представителей группы являются полиолефины.

2. Ориентированные термопласты (их реологические свойства указаны выше); также сюда относятся как неориентированные, так и ориентированные термопласты, имеющие высокую энергию активации вязкого течения (близка к энергии химической связи). Кроме этого в группу входят термопласты, имеющие узкий интервал (до 50°С) между температурой текучести и температурой разложения, при этом ни обладают относительно высокой вязкостью расплава. Термопласты, обладающие высокой энергией активации вязкого течения, могут подвергнуться деструкции в процессе нагрева до вязкотекучего состояния. Термопласты, у которых интервал между Tт и Тр мал, подвергаются опасности разложения уже при незначительном перегреве. При достижении вязкотекучего состояния ориентированными термопластами, их ориентированная структура, благодаря которой обеспечивается прочность материала, становится нарушенной. Для термопластов, характеризующихся высокой вязкостью расплавов, достаточно сложно обеспечить полную коалесценцию и перемешивание расплава. Свариваются такие термопласты в случае выполнения ряда обязательных условий. Разориентация и деструкция ориентированных материалов, а также материалов, у которых интервал Tт и Тр узок, при сварке плавлением не происходят в случае нагрева до температуры текучести соединяемых поверхностей без проплавления материала по всей толщине, который должен происходить быстро и локально. Термопласты, вязкость которых превышает 10⁵ Па•с, могут быть сварены плавлением только если в процессе сварки будет снижаться вязкость расплава. Таким образом, при работе с термопластами данной группы для обеспечения процесса сварки плавлением для них надо находить индивидуальные технологические приемы для каждого из них. Представителями данной группы пластиков являются: плавкие фторопласты, пентапласт, поливинилхлорид, поликарбонат, поливинилиден-хлорид и т. д.

3. Термопласты с энергией активации вязкого течения, превышающей энергию химической связи, кроме того, сюда же относятся термопласты, у которых вязкость расплава 10¹¹ - 10¹² Па*с. Достижение вязкотекучего состояния для таких термопластов невозможно, т. е. сваривать плавлением их нельзя. Представителями данной группы являются: ацетат целлюлозы, поливинилацетат, фторопласт-4 и т. д. Соединяют подобные термопласты с помощью сварки диффузией при нагреве поверхностей до температур высокоэластического состояния, длительное время выдерживая их под давлением, которое равно пределу вынужденной эластичности свариваемых материалов. Температуру при этом надо поддерживать максимально возможную. Ускорить процесс диффузионной сварки помогают растворители, обеспечивающие разбухание и растворение данного термопласта. С помощью растворителей увеличивается подвижность макромолекул, что позволяет снизить температуру сварки.

Сварка труб встык

В настоящее время полимерные трубопроводы широко распространены во всем мире, в том числе в нашей стране. Обусловлено это целым рядом их преимуществ: в 4-5 раз большая легкость, чем у стальных, высокая устойчивость к агрессивным средам, а также небольшое гидравлическое сопротивление. Монтаж и эксплуатация таких трубопроводов требуют в среднем в 2 раза меньше трудозатрат по сравнению с трубопроводами из углеродистой стали и в 3-4 раза меньше по сравнению с трубопроводами из стали нержавеющей.

Наиболее широко распространены полипропиленовые, поливинилхлоридные, полиэтиленовые трубы (как низкой, так и высокой плотности) диаметров до 315 мм. В скором времени планируется появление труб из высокоплотного полиэтилена диаметром до 630 мм. В строительной области основным типом соединения пластиковых труб является сварка встык.

Таблица 1. Примерные значения параметров режима сварки отдельных видов термопластов нагретым инструментом (с помощью прямого нагрева)

*Светостабилизирован с помощью технического углерода.

Комплекс мероприятий, направленных на обеспечение контроля качества на всех стадиях производства работ, обеспечивает высококачественные сварные соединения полимерных трубопроводов. В комплекс входят 3 этапа: первичный контроль (или предупредительный; проводится до начала работ), активный (проводимый во время сваривания) и приемочный (по завершении процесса сварки).

Предупредительным контролем называют проверку качества исходных материалов, учитывающий показатели эффективности выбор оборудования для сварки, контроль квалификации сварщика, контроль технологической готовности производства.

Поступающие на склад трубы должны сортироваться таким образом, чтобы на сборку передавались близкие по геометрии трубы. Ни в коем случае не допускается на трубах наличие раковин, трещин, пузырей, посторонних включений, которые можно зафиксировать невооруженным глазом, также не должно быть следов разложения металла и холодных спаев. При хранении труб необходимо добиться исключения возможности попадания на них прямых солнечных лучей, поскольку это ведет к снижению прочностных характеристик материала, а также сильно ухудшает свариваемость.

Необходимо до начала процесса сварки подвергать трубы механическим, а также термомеханическим, испытаниям. Время гарантийного хранения труб - 2 года, после чего перед использованием нужно будет подвергнуть их повторной проверке.

Необходимо тщательно подготавливать трубы к сборке и сварке. Для этого их внутреннюю и наружную поверхность не менее чем на 3 см. от торца чистят от масла, технического углерода, пыли и любых других ухудшающих свариваемость и могущих привести к растрескиванию в дальнейшем шва загрязнений. Поверхности труб, которые будут соединены, закрепляют в сварочной установке и после чистки осуществляют торцовку. Образующуюся в процессе стружку удаляют с помощью чистой тряпки или любым другим не загрязняющим поверхность труб способом. В отдельных случаях необходимо использовать обезжиривающий растворитель (например, ацетон или спирт). Концы труб с деформациями, разрывами или забоинами обрезаются. При этом предварительно обезжиривается и режущий инструмент. Применение охлаждающих эмульсий и смазок при этом запрещено.

После этого проводят сборку и центровку труб перед их свариванием. Проводить их необходимо с помощью специального устройства или установки, на которой будет осуществляться сварка. Необходимо закрепить трубы в кольцевых зажимах (т. н. центраторы) установки с вылетом трубы в 6-7 см. Результатом сборки должно быть соприкосновение труб без зазоров свыше 0,5 мм. для труб диаметром до 110 мм. и свыше 0,7 мм при трубах более 110 мм. диаметром. Соединяемые концы труб не должны быть смещены по наружному периметру более чем на 10 % от толщины стенки труб.

Во время процесса сварки строго контролируется соблюдение необходимых параметров режима и цикла сварки. В табл. 2 можно ознакомиться с примерными значениями главных параметров при стыковой сварке труб прямым нагревом.

Главным параметром считается температура, до которой нагревается сварочный инструмент. Ее обязательно надо поддерживать неизменной с точностью до ±10ºС. На время, необходимое для оплавления торцов соединяемых труб, влияет температура окружающей среды, толщина стенок труб, качество подготовки торцов перед сваркой. Если время нагрева при постоянной температуре не будет выдержано, материал размягчиться недостаточно и качество шва, таким образом, будет ниже. Также необходимо помнить, что даже при точном соблюдении времени нагрева можно не получить необходимую глубину прогрева, на которую, помимо прочего, влияют условия окружающей среды.

В процессе нагрева необходимо следить, чтобы инструмент касался кромки труб по всему периметру. Если процесс будет идти правильно, то по всему периметру должен сформироваться равномерный грат расплавляемого материала. Он образует валик высотой около 2-3 мм.

Как только произойдет оплавление торцов труб, нужно как можно быстрее убрать нагреватель и осуществить осадку труб. Между удалением нагревательного прибора и осадкой труб не должно пройти более 1-2 с., т. к. после этого уже начинается быстрое охлаждение нагретых поверхностей, в результате чего прочность сварного шва существенно снижается. Также качество шва становится хуже, если давление не будет соответствовать необходимым параметрам: в таком случае происходит излишнее выдавливание расплавленного материала внутри и снаружи трубы.

Длительность охлаждения шва под давлением зависит от толщины стенок труб, вида пластика и температуры окружающей среды. Необходимо держать проваренный стык труб под давлением до затвердевания материала, также надо обеспечить отсутствие сдвигов, которое может стать причиной возникновения в стыке незапланированных внутренних напряжений.

Таблица 2. Ориентировочные значения параметров режима стыковой сварки труб нагретым инструментом

* НП и ПЭВП - полиэтилен низкой и высокой плотности соответственно; ПП - полипропилен; ПВХ - поливинилхлорид.

** при температуре окружающего воздуха 293 К.

После проведения сварных работ необходимо удалить со сварочного инструмента оставшийся на нем расплавленный материал. Осуществляется это с помощью ветоши, специальных скребков и металлических щеток.

Определить правильность осуществления процесса сварки можно визуально: по форме получившегося соединения. Наилучшему качеству сварки соответствует образование валика грата, который должен быть плавно скругленным, с равномерной толщиной, на всем периметре шва.

По материалам книги С.С. Волкова «Сварка и склеивание полимерных материалов», Москва из-во «Химия» 2001г. ББК 37.710, В61.