Temat: Technologia zgrzewania tworzyw sztucznych promieniami podczerwonymi – technika i obszary zastosowań.1
Wstęp.
Wymóg uzyskiwania wysokiej wytrzymałości mechanicznej i wysokiej jakości wykonywanych połączeń oraz ich powtarzalności przy budowie rurociągów ciśnieniowych w instalacjach przemysłowych jest dla ludzi techniki wyzwaniem, z którym zmierzyła się firma Georg Fischer. W roku 1992 firma Georg Fischer wprowadziła na rynek nową technologię zgrzewania tworzyw sztucznych z wykorzystaniem promieniowania podczerwonego. Głównymi zaletami tej bezdotykowej metody są: równomierne stapianie łączonego materiału, zmniejszenie wypływek oraz uzyskiwanie dużej wytrzymałości i powtarzalności.
Przekazywanie ciepła.
Przekazywanie ciepła w konwencjonalnych metodach zgrzewania doczołowego lub polifuzyjnego wymaga bezpośredniego kontaktu elementu grzejnego z materiałem. Nośnikami energii są obydwa ciała stałe - element grzejny oraz uplastyczniona rura lub kształtka. Na powierzchni granicznej występuje tylko jedna temperatura Tr. W przeciwieństwie do tego w procesie zgrzewania przy użyciu promieniowania podczerwonego brzegi rur są nagrzewane i uplastyczniane bezdotykowo. To promieniowanie cieplne jest nam znane dzięki obecności słońca. Nośnikami energii są tu fale elektromagnetyczne o długości od 800 do 40000 nm. W strefie granicznej napotyka się dwie temperatury: T2 - bardzo wysoką temperaturę promiennika oraz Tl - temperaturę łączonego materiału.
Wysokość temperatury promiennika wywiera wpływ jedynie na intensywność promieniowania oraz na długość fal promieniowania. Im wyższa temperatura T2 - tym wyższa intensywność promieniowania oraz krótsze fale.
W bilansie energetycznym emitowanego promieniowania promiennika nieużyteczne są straty promieniowania, promieniowanie odbite oraz przepuszczone. Jedynie promieniowanie absorbowane zostaje przekształcone w ciepło.
Opatentowana przez firmę Georg Fischer konstrukcja promiennika zapewnia wysoki oraz stały stopień emisji ciepła podczas pracy.
W przypadku tradycyjnego zgrzewania doczołowego temperatura na powierzchni czołowej rury podnosi się w krótkim czasie do temperatury elementu grzejnego; spada ona jednak bardzo szybko w miarę oddalania się od tej powierzchni brzegu rury w wyniku specyficznej przewodności cieplnej tworzyw sztucznych.
Natomiast przy zgrzewaniu podczerwienią, temperatura na powierzchni czołowej wzrasta wolniej niż w przypadku konwencjonalnego zgrzewania doczołowego, a rozkład temperatury jest bardziej równomierny.
Analiza czasowego przebiegu temperatur pozwala zauważyć, iż w przypadku tradycyjnego zgrzewania doczołowego powierzchnia czołowa przez cały okres stapiania posiada temperaturę elementu grzejnego, podczas gdy w przypadku zgrzewania promieniami podczerwonymi powierzchnia czołowa rury uzyskuje pożądaną temperaturę dopiero w fazie końcowej. Można więc mówić tu o stapianiu łagodniejszym, a raczej o uplastycznianiu, zwłaszcza iż wiadomo jest, że nie tylko temperatura, lecz również czas jej utrzymania wywiera silny wpływ na ewentualny rozkład ciepła w tworzywach termoplastycznych (rys. 1a i rys. 1b).
Dzięki zgrzewaniu bezdotykowemu nie dochodzi do zanieczyszczenia powierzchni czołowych rur promiennikiem grzejnym. Nie trzeba również czyścić promiennika po każdym zgrzewaniu, gdyż nie występuje przyklejanie się materiału (co szczególnie w przypadku polifluorku winylidenu - PVDF stanowi istotny problem).
Ponadto całkowicie pomija się fazę wyrównywania, wielokrotnie przysparzającą problemów podczas tworzenia się wypływki.
Wytwarzanie nacisku połączenia.
Drugą istotną różnicą w porównaniu z tradycyjnym zgrzewaniem doczołowym jest wytwarzanie nacisku połączenia poprzez określony odcinek między łączonymi płaszczyznami, tzn. określoną drogę łączenia, a nie poprzez sprężynę, jako integralną część urządzenia.
W przypadku sprężyny znany jest bezpośredni związek: ugięcie sprężyny x stała sprężyny = nacisk sprężyny
ugięcie sprężyny
Ta sama analogia zachodzi również w przypadku łączenia. Zamiast stałej sprężyny mamy tu do czynienia z lepkością stopionego materiału. Wynika z tego równanie: droga łączenia x wskaźnik topienia = nacisk łączenia
głębokość stopienia
droga łączenia
nacisk łączenia
Korzyści są oczywiste:
Ze względu na to, iż wytwarzanie nacisku łączenia następuje przez zastosowanie ogranicznika ruchu, powtarzalność jest bardzo duża (określona droga łączenia).
Niewielka wypływka o określonej wielkości w nieznacznym tylko stopniu zmniejsza przekrój rury, nie utrudnia przepływu medium i ogranicza wielkość obszarów martwych. Z uwagi na to, że siła łączenia nie zależy od siły zwierania, można zignorować siły tarcia oraz siły bezwładności masy. Nie mają one wpływu na zgrzewanie.
Natomiast podczas tradycyjnego zgrzewania doczołowego pragnienie uzyskania z jednej strony krótkich czasów przełączeniowych (tzn. dużych sił przyspieszania) oraz z drugiej strony dokładnego nacisku łączenia (po części bardzo małych sił zwierania) może prowadzić do konfliktu interesów i tym samym do nieodtwarzalnych charakterystyk zgrzewania (różne wielkości zgrzein, rozrzut trwałości połączeń zgrzewanych itd.).
Georg Fischer ma w swojej ofercie dwie zgrzewarki na promieniowanie podczerwone. Poręczna w obsłudze i o zwartej konstrukcji zgrzewarka typu IR 63 przeznaczona jest do spajania rur o średnicy od 20 do 63 mm, a zgrzewarka IR 225 - o średnicy od 63 do 225 mm. Obie maszyny nadają się do zgrzewania polifluorku winylidenu (PVDF) oraz polipropylenu (PP).
Podczas projektowania i konstruowania zgrzewarek przykładano z jednej strony dużą wagę do sztywności korpusów maszyn, z drugiej strony, natomiast, uwzględniono wymogi bezpieczeństwa pracy i ergonomii oraz zastosowano nowoczesne wzornictwo przemysłowe. Z uwagi na to, iż wszystkie zgrzewarki firmy Georg Fischer są zaprojektowane, produkowane i kontrolowane ściśle wg normy ISO 9001, możliwe było spełnienie wszystkich tych ważnych kryteriów.
Poniżej przedstawiono najważniejsze części wchodzące w skład konstrukcji obydwu zgrzewarek:
- Promiennik na podczerwień z powłoką ceramiczną zapewnia doskonałą stabilność temperatury podczas całego procesu zgrzewania. Temperatura pracy promiennika mieści się w przedziale 320°C do 520°C, w zależności od materiału i średnicy rury, przy czym zachowuje się określoną odległość od 1,5-2,0 mm od topionego elementu.
- Bardzo duża sztywność korpusu aluminiowego oraz punktów mocujących wraz z precyzyjną prowadnicą zapewnia również w górnym zakresie wymiarów dokładną obróbkę elementów zgrzewanych.
- Wolnoobrotowa strugarka zapewnia precyzyjną obróbkę końców rur.
- Zintegrowany system dźwigni kolanowych zapewnia wysoki komfort obsługi przy małym wydatkowaniu siły. Konstrukcja ta umożliwia krótkie czasy przełączania oraz równomierny i powolny wzrost nacisku łączenia w ostatniej fazie procesu łączenia.
- Precyzyjne urządzenie pomiarowe (potencjometr) gwarantuje dokładne nastawienie drogi łączenia (długości zakładki zgrzeiny).
- Posługując się zgrzewarką typu IR 63, można za pomocą zdejmowalnych sanek oraz dodatkowych kabli przedłużających wykonywać zgrzeiny na istniejącej instalacji
Wyniki zgrzewania.
Współczynnik zgrzewania jest miarą jakości zgrzewanego połączenia. Ustala się go w oparciu o próby rozciągania. Współczynnik zgrzewania wyliczany jest ze stosunku naprężenia niszczącego zgrzewaną próbkę do wytrzymałości materiału podstawowego (bez połączenia zgrzewanego).
Współczynnik zgrzewania np. 0,9 oznacza, że zgrzewana próbka posiada 90% wytrzymałości próbki nie zgrzewanej.
Zgodnie z wytycznymi DV S 2203, część 2, doraźna próba rozciągania przeprowadzana jest w temperaturze 20°C. Materiał ulega jednak tak znacznemu wydłużeniu, że słabe miejsca w połączeniu zgrzewanym nie przejawiają swego oddziaływania w pełnym wymiarze. Wyniki tej próby nie stanowią podstawy do jednoznacznej oceny. Przyczynę pękania po długim okresie eksploatacji stanowi zazwyczaj pojawienie się kruchości materiału. Ten wzrost kruchości (sztuczne starzenie) symulowany jest w niskotemperaturowej próbie rozciągania.
W celu zaostrzenia warunków badania podczas niskotemperaturowej próby rozciągania temperatura próbki obniżona zostaje do -40°C, w odróżnieniu od zwykłej próby, zgodnej z wytycznymi DVS 2203, część 2. Poprzez obniżenie temperatury badania próbki, próbka staje się bardziej krucha i wyraźniej reaguje na wady zgrzeiny. Współczynniki zgrzewania mogą przez to ulec
obniżeniu o 20%. Zyskuje się jednak znacznie wiarygodniejsze wyniki badań.
W porównaniu tym uwzględniono połączenia elementów o średnicy od 63 do 225 mm zgrzewane podczerwienią oraz płytą grzejną. W całym zakresie podanych wymiarów uzyskuje się wymienione w tabeli średnie wartości oraz odchylenia standardowe.
Odchylenie standardowe stanowi dobrą oznakę powtarzalności wyników zgrzewana. Odchylenie standardowe (rozrzut wokół wartości średniej) jest przy zgrzewaniu HS znacznie wyższe, gdyż wynik spawania w dużym stopniu uzależniony jest od personelu obsługującego zgrzewarkę oraz jego doświadczenia. Na proces przystosowania oraz kształtowanie nacisku łączenia, pozostając tylko przy tych dwóch czynnikach, wpływają bezpośrednio obsługujący zgrzewarkę. Natomiast przy zgrzewaniu podczerwienią efekty zgrzewania są w znacznej mierze niezależne od obsługi, gdyż to maszyna zadaje i kontroluje wartości procesu zgrzewania.
Obszary zastosowań.
W przypadku zgrzewania promieniami podczerwonymi wypływka jest znacznie mniejsza niż przy zgrzewaniu tradycyjnym. W przeprowadzonych fachowo przez doświadczonego specjalistę operacjach zgrzewania elementem grzejnym, wysokość wy-pływki zawsze jest o 30% do 100% większa niż przy zgrzewaniu podczerwienią. Różnice kształtują się w zależności od wymiaru rury oraz materiału. Jeżeli porównuje się jednak operacje zgrzewania w praktyce, napotyka się częstokroć znacznie większe różnice, gdyż na wielkość wypływki w tradycyjnym zgrzewaniu elementem grzejnym bezpośrednio wpływa obsługa. W połączeniach widoczny jest więc stres oraz przemęczenie operatora. Ze względu na to,
alina_kujawa