Технология экструзионной сварки

В данной статье я постараюсь подробно рассказать, про такой метод соединения как экструзионная сварка.

Описание процесса

Экструзионная сварка — это технология соединения пластмасс, разработанная в начале 1960-х годов для изготовления деталей и конструкций из термопластичных материалов. В основном данный способ используется для сварки полипропилена (ПП) и полиэтилена высокой плотности (ПЭВП), хотя возможно осуществлять процесс сварки ПВХ и ПВДФ. Экструзионная сварка обычно выполняется вручную, хотя ее можно автоматизировать для непрерывных сварочных работ.

Технология включает в себя непрерывную экструзию расплавленного полимера из того же материала (и в идеале того же сорта), что и свариваемые детали, в подготовленный участок между соединяемыми деталями, с помощью экструзионного сварочного пистолета.

Место соединения двух деталей предварительно нагревается до температуры размягчения потоком горячего воздуха, после чего расплавленный полимер подается в место сварки под некоторым давлением. Это обеспечивает сплавление расплавленного полимера и соединяемых деталей и образованию сварного шва.

Перед сваркой поверхности подлежащие сварке, должны быть очищены, зачищены и обработаны для получения определенного типа соединения. На рисунке ниже представлены основные типы сварных швов применяемые при экструзионной сварке.

Применяемые типы сварных соединений в соответствии с DVS 2207-4, есть отечественный ГОСТ на экструзионную сварку, однако там представлено меньшее количество применяемых типов соединения ГОСТ Р 56155-2014.

Детали подлежащие сварке должны быть предварительно очищены, зачищены и обработаны для получения необходимого соединения. Прихватку свариваемых деталей часто делают при помощи сварки нагретым газом или нагретым инструментом. В качестве альтернативы, для удержания двух деталей во время сварки можно использовать сборочные (зажимные) приспособления, если такое позволяет конструкция деталей.

Ниже представлен процесс зачистки поверхностей перед сваркой

и процесс сборки, можно сказать выполнения прихваток, это можно делать как с применением присадочного материала, так и без него.

Перед сваркой важно проверить температуру расплавленного полимера и предварительно нагретого воздуха, чтобы убедиться, что фактические температуры совпадают с температурами, установленными на регуляторе температуры экструзионного сварочного аппарата. Экструдер также следует продуть, чтобы удалить любой перегретый или деградировавший материал, оставшийся в цилиндре от предыдущей операции сварки.

В начале сварочного процесса оператор предварительно нагревает детали, осторожно перемещая сварочный пистолет для экструзии вперед и назад вдоль шва. Если этого не сделать, расплавленный полимер будет осаждать холодный материал, что приведет к получению сварного шва низкого качества (возможны непровары и несплавления). Сварочный пистолет для экструзии следует держать под правильным углом как в продольном, так и в поперечном направлениях, чтобы обеспечить равномерный предварительный нагрев и получить гладкую поверхность. Перемещение вперед осуществляется путем ручного нажатия вниз и вперед на экструдер, при этом скорость сварки определяется скоростью подачи расплавленного полимера.

Достоинства и недостатки экструзионной сварки

Наиболее существенным преимуществом использования экструзионной сварки по сравнению со сваркой нагретым газом является то, что сплошной сварочный шов формируется за один проход, в отличие от многопроходной сварки нагретым газом, и, благодаря увеличенному объему подаваемого материала, время изготовления значительно короче, чем при сварке нагретым газом. Кроме того, прочность сварного шва получается выше, чем при сварке нагретым газом, поскольку достигается более точный контроль параметров сварки.

Наиболее существенным недостатком экструзионной сварки по сравнению с сваркой нагретым газом является вес и габариты оборудования; некоторые экструзионные сварочные пистолеты могут весить более 12 кг. Поэтому сварка в вертикальном положении, особенно длительное время, может стать очень неудобной для оператора. Также сварка внутренних углов и сварка в ограниченном пространстве затруднены из-за размеров оборудования. Еще к недостаткам данного метода можно отнести ограниченную номенклатуру свариваемых материалов.

Применение

Экструзионная сварка используется при изготовлении крупных термопластичных конструкций, таких как резервуары и трубы, где необходимо получить большой объем, однородные сварные швы за один проход.

Экструзионная сварка трубы большого сечения

Экструзионная сварка также используется для соединения облицовочных материалов для строительства полигонов твердых отходов и кровельных покрытий.

Экструзионная сварка оболочки из полиэтилена высокой плотности на наземной строительной площадке

Эта технология все чаще используется в сельском хозяйстве и гидротехнике, например, при изготовлении систем водоотведения, водосборных резервуаров и люков.

Резервуар для хранения ливневых вод, сваренный экструзионным способом

Свариваемые материалы

Экструзионная сварка используется в основном для сварки полипропилена (ПП) и полиэтилена (ПЭ), хотя некоторые экструдеры были разработаны специально для сварки ПВХ и поливинилденфторида (ПВДФ). В случае с ПВХ, из-за узкого диапазона рабочих температур, экструдер следует продувать после каждого сварочного цикла полипропиленом или полиэтиленом, чтобы гарантировать отсутствие остатков ПВХ в цилиндре, которые могли бы перегреться и разрушиться.

Оборудование для экструзионной сварки

Основные компоненты экструзионного сварочного пистолета показаны на рисунке ниже:

Схема экструзионного сварочного пистолета

Приводной двигатель (1) представляет собой электрический сварочный аппарат с зубчатой ​​передачей, который приводит в движение винтовой вал в нагретом цилиндре. Он также подает сварочный пруток (2) в точку подачи прутка через пару прижимных роликов (3), а затем в экструдер (4). Современные экструдеры имеют специальную систему подачи сварочного прутка, которая предотвращает скручивание сварочного прутка и обеспечивает постоянную подачу прутка. Это улучшает однородность сварочного шва, поскольку изменения подачи из-за перегибов и скручиваний сварочного прутка приведут к изменениям на выходе. Шнек экструдера измельчает сварочный пруток в гранулы, которые затем подаются в плавильную камеру (5), где они постепенно плавятся. Затем материал проходит через нагретый цилиндр, пока не покинет экструдер через футеровочный элемент (6), который формирует необходимую форму шва. Детали, подлежащие сварке, нагреваются нагревательным соплом (7) с подачей воздуха (в данной конкретной конструкции) через встроенный блок нагрева воздуха (8).

Некоторые машины также имеют возможность подачи гранул напрямую, а не сварочного прутка. Эти экструдеры в основном используются в полигонах твердых бытовых отходов, где часто требуются очень длинные швы. Бункеры могут быть закрыты, чтобы уменьшить вероятность попадания влаги и твердых частиц в исходное сырье.

Достижимы типичные скорости экструзионной сварки 0,5–1,0 м/минуту.

Существует множество вариантов сварочных наконечников, каждый из которых предназначен для конкретных геометрических форм сварных швов и областей применения. Примеры различных сварочных наконечников показаны на рисунке ниже:

Примеры сварочных наконечников для экструзионной сварки: (a) для стыковой сварки толстостенных листов; (b) заготовка, позволяющая сварщику придать наконечнику форму для конкретного соединения; (c) для стыковой сварки листов толщиной до 15 мм; (d) для сварки облицовочных материалов, геомембран, пленок для прудов и т. д.; (e) для угловой сварки; и (f) для получения профиля углового сварного шва

Конструкция соединения

Для экструзионной сварки кромки могут быть выполнена в виде одинарного V-образного или двойного V-образного шва:

Типичные конструкции стыковых соединений при экструзионной сварке: (a) одностороннее V-образное соединение; (b) двухстороннее Х-образное соединение

Конструкции соединений тавровых швов приведены на рисунке ниже:

Примеры Т-образных соединений для экструзионной сварки

Конструкция нахлесточного соединения приведена на рисунке ниже:

Нахлесточный шов для экструзионной сварки футеровочных мембран

Параметры экструзионной сварки

Основные параметры экструзионной сварки:

• Скорость экструзии.
• Температура расплавленного полимера.
• Расход воздуха для предварительного нагрева.
• Температура воздуха для предварительного нагрева.
• Скорость сварки.
• Положение сварочного пистолета.

Максимальная скорость сварки, которая может быть достигнута, зависит от скорости экструзии, толщины материала, площади поперечного сечения шва, а также размера и конструкции сварочного наконечника.

Типичные температуры экструзионной сварки для ПП должны находиться в районе 230 °C для расплавленного полипропилена и 250 °C для газа предварительного нагрева. Для ПНД температура расплавленного полиэтилена должна быть около 240 °C, а температура газа предварительного нагрева должна быть около 260 °C. Эти температуры будут варьироваться в зависимости от условий окружающей среды и типа используемого сварочного аппарата для экструзионной сварки. Перед началом сварки рекомендуется выполнить пробные сварные швы и протестировать их, чтобы оптимизировать условия сварки.

На рисунке ниже показан угловой сварной шов, где были использованы правильные параметры сварки:

Экструзионная сварка с использованием правильных сварочных параметров.

На рисунке ниже показан угловой сварной шов, где были использованы неправильные параметры сварки:

Экструзионная сварка с использованием неправильных сварочных параметров.

Скорость охлаждения сварного шва также влияет на прочность соединения. По возможности, сварному шву следует дать остыть естественным образом. Принудительное охлаждение приведет к образованию кристаллической структуры, которая с большей вероятностью вызовет разрушение при воздействии химических веществ или напряжений.

Итак, теперь вы знаете основы экструзионной сварки. Продолжайте учиться, экспериментировать и совершенствовать свое мастерство. Ведь именно так рождаются настоящие профессионалы своего дела!

Спасибо за внимание, подписывайтесь на мой Дзен-канал, ставьте лайки и оставляйте комментарии. До новых встреч! 🔥✨