Посредством экструзионной сварки формируются прочные, неразъемные соединения на основе пластика. Процедура проводится в рамках монтажных и сборочных работ, обеспечивает решение многих задач:
- производство полиэтиленовых емкостей для хранения жидкостей;
- прокладка безнапорных трубопроводов из ПНД;
- выпуск пластмассовых корпусов и композитных деталей для различных приборов.
Экструзионная сварка полиэтилена целесообразна при соединении компонентов толщиной более 6 мм. В противном случае вероятна деформация изделий, появление прожогов и отслоений.
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.
Самодельное устройство
Стоимость нового экструдера достаточно высока – цена на модели начального уровня стартуют с 300 $. Это подталкивает мастеров к изобретению различных самоделок. Обладая необходимыми навыками, можно собрать ручной экструдер своими руками без особых затрат. В интернете можно найти рабочие чертежи рабочих аппаратов с различными характеристиками.
Для сборки самого простого агрегата понадобится промышленный фен и двигатель коллекторного типа, который легко переносит постоянные изменения режима работы. Подавать прутки придется вручную. Насадки изготавливают самостоятельно или приобретают и приспосабливают запасные части существующих моделей.
Использование плунжерного привода позволит выполнять работы на гранулированном сырье.
Такое устройство подходит только для простых домашних работ, поскольку качество готового соединения будет гораздо ниже, по сравнению со сваркой полиэтилена экструдером промышленного изготовления.
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.
Выбор модели
При подборе экструдера для пайки пластика следует обращать внимание на следующие характеристики:
- Производительность устройства;
- Диапазон регулировки рабочих параметров;
- Максимальная толщина соединяемых заготовок;
- Диаметр применяемых прутков.
- Наличие сменных насадок;
Неопытные пользователи не уделяют должного внимания последнему пункты, несмотря на его важность. От грамотного выбора насадки зависит расход присадочного материала.
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.
V шов
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.
X шов
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.
К шов
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.
HV шов
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.
Double HV шов
Что такое экструзионная сварка и как она выполняется
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.
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.
Принцип работы
Поверхностями для сварки полиэтиленовых труб и иных изделий являются сварочные канавки, углы полипропиленовых листов, поверхности пленки, расположенной внахлест. Сначала поверхности разогреваются до температуры, необходимой для начала процесса пластификации. Для этого используется нагретый воздух, который исходит их сварочного экструдера. Для нагревания также могут быть использованы внешние способы, например тепловое излучение от стационарного экструдера.
Вместе с этим будущий присадочный материал пока что в виде специальных гранул или прутка помещается в специальную камеру экструдера, в которой происходит нагрев содержимого. Содержимое нагревается до текучего состояния и с помощью шнека или диска (в зависимости от вида экструдера) выдавливается через сварочный башмак в область сварки.
Схема работы
Так как соединяемые поверхности должны стать вязкими перед сваркой, нагретый до определенной температуры воздух выходит в зону сварки из специального сопла. Температуру можно регулировать. Нагрев может быть осуществлен встроенными нагревателями в экструдере (термофен), либо может поступать от внешних носителей (компрессор или пневмосеть в организации).
Образцы шнеков для сварочного экструдера
Экструдеры бывают шнековые и безшнековые. Шнековые экструдеры отличаются тем, что присадочный материал расплавляется в шнековой камере и выталкивается наружу с помощью шнека. В безшнековых экструдерах присадочный материал выталкивается с помощью твердой, еще не расплавленной части прутка. Такие экструдеры еще называют плунжерными. Их производительность меньше, чем у шнековых, с ними невозможно использовать гранулы в качестве присадочного материала. Зато его легко можно использовать в малодоступных местах. На окончании сварочного башмака имеется специальное отверстие, которое контролирует поступление присадочного материала в зону сварки.
Экструзионный вид сварки используется чаще для полиэтилена низкого давления, полипропилена, других термопластов 1-й группы. Эта группа отличительна тем, что разница между расплавленным состоянием и состоянием термодеструкции примерно пятьдесят градусов. Таким образом, незначительный перегрев на 30-40 градусов не испортит материал. Термопласты 2-й группы – это ПВДФ и ПВХ. Разница в температурах между вышеуказанными состояниями небольшая, что требует строгого соблюдения температурного режима в зоне нагрева. Шнек для термопластов 2-й группы должен иметь особую форму для более тщательного перемешивания присадочного материала без перегрева.
РУЧНОЙ СВАРОЧНЫЙ ЭКСТРУДЕР: СХЕМА РАБОТЫ
При осуществлении соединения обе детали должны быть нагреты. Ручной сварочный экструдер для целей нагревания поверхностей перед выдавливанием присадочного материала может содержать в своей конструкции специальный нагреватель потока воздуха или по-другому термофен. Также нагретый поток воздуха может идти от внешнего оборудования: компрессор или пневмосеть организации. Нагрев присадочного материала осуществляется с помощью специальных электрических нагревателей вокруг шнековой (экструзионной) камеры. Но в более старых экструдерах нагрев камеры происходит с помощью горячего воздуха, который используется для нагрева зоны сварки. Перед нагревом области сварки воздух проходит вокруг шнекового отделения и расплавляет присадочный материал. Присадочный материал в расплавленном виде выходит наружу в зону сварки через сварочный башмак.
Сварка экструдером чаще всего применяется для полиэтилена низкого давления , полипропилена и других видов термопластов первой группы. У этого вида термопластов разница температуры расплавленного состояния и состояния термодеструкции около 50 градусов. Это говорит о том, что даже большой перегрев материала (примерно на 30-40 градусов) не способен сильно повредить его.
К термопластам второй группы относятся ПВДФ и ПВХ. У них разница температур между термодеструкцией и текучим состоянием материала незначительная, поэтому при сварке жесткие требования к работе отдела нагрева. При работе с термопластами второй группы существуют особые требования к шнеку, он должен быть специальной формы, чтобы более тщательно перемешивать массу, не допуская перегрева.
Также в процессе работы с ПВХ и ПВДФ экструдер не должен выключаться и/или долго находится в режиме ожидания.
Основные принципы и схема работы ручного сварочного экструдера
Среди обильного многообразия сварочных аппаратов на современном рынке особое место занимает ручной сварочный экструдер. Ручной экструдер для сварки представляет собой аппарат для соединения изделий из полиэтилена, полипропилена , пропилена, иных разновидностей пластмасс, пластиковых листов, пленки, ёмкостей (бочек, бассейнов и прочее), колодцев, детских горок и так далее. Редко используется для соединения изделий из ПВХ. Не подлежит для использования в сварке трубопроводов, так как прочность таких соединений не более 80%, они не будут герметичными.
Принцип работы этого аппарата заключается в следующем: горячий воздух подаётся из сопла экструдера и нагревает пространство (сварочная канавка или стык) между плоскостями деталей, доводя их до состояния пластика. Вместе с тем пруток подается в рабочую зону оборудования, нагревается и смешивается со шнеком (или диском), а затем образует однородную массу из пластика. Сквозь фильеру или сварочный башмак выдавливается полимер в расплавленном состоянии, затем после полного остывания получается готовый шов. Выдавливание полимера можно представить как выдавливание зубной пасты из тюбика.
Соединяемые поверхности должны быть одинаковыми. Под этим понятием в данном ключе понимается одинаковый химический состав, плотность и текучесть материала. Пруток по этим показателям должен быть идентичный свариваемым деталям.
