455 W. Victoria Street, Compton, CA 90220 U.S.A.   •  www.weldon.com  

 

 

 

 

 

 

 

THE SCIENCE OF SOLVENT WELDING 

A technical presentation for specifiers and owners 

about the inner workings of solvent cements 

 

 

By Fabio Castellani 

May 2, 2012 

   

 

Often tim

piping bus

‘reputatio

cementin

the most 

joining vin

Let me sta

What this

(primer if 

variations

‘magnitud

industrial 

pumps, ta

work beca

not used c

When any

made to b

include in

and/or ce

I write thi

needed fo

what is th

results th

e, things that

siness this in 

on’. Sometime

g’ (SC) and th

cost effective

nyl and ABS p

art by showin

s pie chart sho

needed) in c

s of the show

de’ of the per

application it

anks, actuato

ause the wro

correctly the 

yone argues t

bring the chea

n the specifica

ertified by the

is paper to br

or it to work a

he correct way

at can be exp

t are perceive

turns brings 

es this applie

hat is a shame

e, most reliab

piping system

ng something 

ows are the c

onstruction (

n cost allocat

rcentage of th

t could be as 

rs, etc.).  Yet,

ng products a

remaining 99

that all cemen

apest contrac

ation that the

e SC provider 

ring clarity to 

as advertised,

y to use the p

pected when a

ed to be simp

problems, fai

s to solvent w

e because wh

ble, most resil

s. 

that amazes 

cost allocation

commercial o

tions dependi

he cement co

high as 1% be

 if that minisc

are used, bec

9+% is in jeop

nts are the sa

ctor regardles

e contractor m

(certification

what solvent

, what is the 

product, why 

all this comes

1 

ple or easy are

lures, high m

welding or, as

en properly u

lient, stronge

me every tim

ns for the pur

or residential

ing on the bu

mpared to th

ecause there 

cule percenta

ause inferior 

pardy. 

ame and price

ss of experien

must either sh

 that Weld‐O

t welding real

relevance of 

it must be us

s together. 

e the ones mo

maintenance c

s it is more co

understood a

est  and longe

me I look at it

rchase of pipe

).  Although t

uilding or mat

he PVF will no

 tends to be a

age of the bill

quality is cho

e is the only d

nce or expert

how certificat

On provides fo

lly is‐‐how it w

pipe and fitti

sed in a very s

ost overlooke

costs and with

ommonly refe

and implemen

est lasting way

: 

e, valves, fitti

there can cert

terial used or 

ot very by mu

a lot more joi

l of material c

osen or becau

differentiator

ize, when Eng

tion or needs

or free), I am 

works, why it

ng dimension

specific way a

ed and in the 

h all that com

erred to, ‘solv

nted it is bar n

y of permane

 

ng and ceme

tainly be 

sizes, the 

ch. In an 

ints (but also 

cost does not

use the produ

, when choice

gineers refus

s to be trained

frankly stunn

t works, what

ns and toleran

and what are

mes a 

vent 

none 

ently 

nt 

t 

uct is 

es are 

e to 

d 

ned. 

t is 

nces, 

e the 

 

Just one n

message i

understoo

connect P

PART 1 

As a manu

the differe

the two fa

chemistry

substrate

Before we

but essen

convince t

the Contr

A glue or 

picture be

If the two

them and

By contra

and part B

fusing par

The obvioeach otheis it?   

The fact is

swell (dep

thus allow

with the a

note before w

is that high q

od how and w

PVC, CPVC and

– FUSING,

ufacturer of b

ence betwee

amilies of pro

y but rather th

s, (part A to p

e dive into th

tial for specif

them of the i

actors so tha

an adhesive w

elow), in esse

o components

 therefore no

st, a solvent c

B. The reason

rt A into part 

ous observatioer but what is

s that some o

pending on th

wing the subs

addition of so

we begin‐‐ alth

uality produc

why they wor

d ABS piping 

, NOT GLU

both SC and g

n the two pro

oducts but the

he very differ

part B) which 

e difference, 

fiers because 

mportance o

t they will alm

works by bon

ence it works 

s are in actua

o bond (reme

cement does 

n for this is th

B. A simplifie

on in the cases not so obvio

of the compon

he solvent – m

trates to rega

ome pressure 

hough the ex

cts are readily

k and minima

systems with

ING   

glues, Weld‐O

oducts. There

e difference I

rent way in w

in our case is

why is it imp

it needs to in

f not leaving

most instincti

nding itself to 

as a bridge.

l contact with

mber the bon

not work we

at 80% of the

ed depiction o

e of a solventous is that the

nents (the so

more about th

ain crystallinit

pushing part 

2 

xplanations w

y available an

al training is p

 fantastic, co

On is perhaps 

e are of cours

 am referring

which they acc

s pipe and fitt

ortant to und

nfluence their

the choice of

vely use the p

part A on on

h each other, 

nd is only wit

ell, if at all, wh

e bond streng

of a successfu

t weld is that ere is nothing

lvents) in a SC

his later) the 

ty and with it

A into part B

will be long an

d their use is

provided. This

onsistent resu

in a better po

e numerous t

g to here is no

complish the 

ting.  

derstand it? It

r choice of pr

f SC to the co

product corre

e side and to

 there would 

th the glue).

hen there is a

gth that can b

ul solvent we

the two subsg between the

C are designe

material and 

t all of their p

B, now they ar

d at times co

 indeed very 

s is truly a ve

ults as long as

osition than m

technical diff

ot the differe

same exact t

t is in fact not

roduct or, mo

ontractor. It is

ectly.   

o part B on the

 

 be no glue le

actually a spac

be achieved w

lding looks lik

 

strates have nem. Did we no

ed to penetra

then evapora

physical prope

re one solid b

mplex, the m

simple, once 

ry simple way

 it is done rig

most to appre

ferences betw

nce in their 

hing: bonding

t only import

ore important

s also essentia

e other side (

eft in betwee

ce between p

with a SC com

ke this: 

now ‘flown’ inot use SC? W

te, melt and/

ate complete

erties. Howev

block!   

main 

it is 

y to 

ght! 

eciate 

ween 

g two 

tant 

tly, 

al for 

(see 

n 

part A 

es by 

nto here 

/or 

ely 

ver, 

 

‘Connecti

1. Th

w

2. So

co

PART 2 

It is possib

fortunate

rally work

Actually t

parts (the

functions

True Solve

We have a

what we d

These are

deeper in

always th

etc.) whe

penetratio

put toget

by figure 

on the rig

to both ce

start to w

through it

Which ass

penetratio

ng’ the above

he installer ca

work them into

omehow we 

ompress agai

– CHEMIC

ble to discuss

 because suc

k. 

he name itse

e solvents and

.   

ents 

already briefl

didn’t say is t

e referred to a

to the pipe a

e most desira

n appropriate

on. Assume t

her two piece

on the left be

ght. Both pene

ements meet

wiggle them–t

ts life as the m

sembly do yo

on). 

e statement t

annot just dep

o the materia

must find a w

nst each othe

CAL COMPO

s the make‐up

h discussion w

lf (Solvent Ce

d the cement)

ly mentioned

hat certain so

as ‘true solve

nd fitting wal

able thing (de

e it is easy to 

hat our true s

es of wood. T

elow, while a 

etrate the tw

ing the ASTM

his is equivale

material ages

u think will co

to the actual a

posit the SC o

al.  

way to genera

er.  

OSITION O

p of SC witho

will lead to ye

ement) gives u

) which, by de

SO

 that the solv

olvents are al

nts’ and beca

ll. While a ver

epending on f

illustrate the

solvent and it

The cement w

cement with

wo boards eno

M performanc

ent to the me

.  

ome apart fir

3 

applications o

on the surface

ate radial pres

OF SC

ut revealing a

et more unde

us the first ve

esign, will per

OLVENTS

vents will soft

so necessary

ause of their v

ry deep pene

factors such a

e difference b

ts percentage

with a greater 

 a smaller con

ough to initial

e standard. B

echanical load

rst? Obviously

of a SC, it is n

es (as if it wa

ssure so that 

any proprieta

erstanding of 

ery important

rform two ve

ten or swell th

y to actually d

very aggressiv

etration of the

as wall thickn

etween deep

e in the ceme

concentratio

ncentration o

lly hold them

But now take 

ds that your p

y, the one wit

now clear that

s a glue) but 

the pipe OD 

ary informatio

these produc

t clue; these p

ery different y

he pipe and f

dissolve PVC o

ve nature wil

e pipe and fitt

ess, installati

p or shallow s

ent is a nail th

on of true solv

of the same so

 together; th

each pair of n

piping system

th the shorte

 

t: 

rather needs

on socket ID 

on; this is 

cts and how t

products have

yet essential 

fitting materia

or CPVC resin

l also penetra

ting wall is no

on temperatu

solvent 

hat we are usi

vents is depic

olvent is depi

is can be equ

nailed boards

m will undergo

r nail (lesser 

 to 

they 

e two 

al but 

. 

ate 

ot 

ure, 

ng to 

cted 

icted 

ated 

s and 

o 

4  

Boiling Point 

Some solvents are also included in the cement formulation for their high boiling point which slows down 

their evaporation. This is a good feature for large diameter systems or very hot weather installations but 

not so desirable for small diameter jobs where a quick cure time is needed or in very cold weather 

applications. 

Swelling 

We have also seen how certain solvents will swell the material. This is important for two reasons:(1) it 

will make the surfaces more porous, allowing deeper penetration of the solvents and (2) it will increase 

the interference between pipe and fittings, which is essential to creating that radial pressure which will 

in turn force material from the two components to mix with and into each other. These create that lock 

and that single thicker substrate to which we previously referred.  

Lubrication 

In a roundabout way, solvents also act as lubricants. This is important to allow the absolutely essential 

full penetration of the pipe into the fitting socket in any interference‐fit connection (a highly desirable 

condition we will further analyze later). I say ‘in a roundabout way’ because the solvents don’t really 

lubricate anything but create conditions the results of which is similar to lubrication. In these 

circumstances, it would require incredible force to push the pipe all the way to the stop of the fitting in 

an interference‐fit type joint, which would surely damage either the pipe or the fitting or both. 

However, after the solvent have been worked into the surfaces, a percentage (if we did this right 

approx. 1/3 of the wall thickness) of the pipe OD and socket ID will be mollified thus offering little 

resistance when pushed together: they will simply ‘mix’.  

Solvent Welding 

In the end the right combination and proportion of solvents (accompanied by radial pressure) is what 

really fuses or welds the pipe and fitting together. This is a true weld. Think about this for a second‐‐

what are the conditions necessary for what we normally think of as a weld? We need heat to melt the 

parts, and we need pressure so that they flow into each other.  We are performing a chemical weld, 

meaning that we are achieving our melt with chemicals rather than heat, and when we add some 

pressure ‐‐voila`! The fact is that if it were possible to eliminate ± tolerances in plastic pipe and fittings 

we could probably get away with just Solvents and no or little need for Cement.  

CEMENT 

But we do have tolerances and in molded (fittings, valves) and extruded (pipe) plastic it is basically 

impossible to have perfect dimensions. In addition, in North America we use tapered sockets. That 

means that while we hope to always have interference at the bottom of the socket, we will always have 

a gap towards the mouth of the fitting and sometimes even at the bottom. We therefore need to: 

1. Fill that gap 

5  

2. Fill it with material that has sufficient density to act as a wedge and actually generate some 

radial pressure even in places where there are gaps 

3. Fill it with material which is compatible with the installation and performance of the operating 

system  

The ‘Cement’ components in a SC are the ones tasked with performing the three functions listed above, 

and they are referred to as ‘solids’. Much like solvents, there are different materials which are used, 

each with a different function. 

Resin 

The first obvious one is resin. This is the same resin that is used for the compounds with which pipe and 

fittings are made and should have the same cell classification so that they can mechanically, chemically 

and thermally perform, at the same level that the system will perform. As an example, PVC with a 

pressure rated cell class should be used in cements sold for use with pressure rated PVC pipe and 

fittings.  With the exception of ABS (which has a much weaker chemical resistance than PVC or CPVC and 

as such requires weaker solvents) the solvents used in both PVC and CPVC cements are capable of 

dissolving both resins. This is an important point and means that CPVC cements can be used on PVC 

systems since the solvents in a CPVC cement will soften and swell PVC and the resin deposited (CPVC) in 

the interstitial spaces will be able to handle anything that a PVC system can handle (and then some). The 

opposite however is not true; while the solvents in a PVC SC will soften and swell CPVC, the resin 

deposited by a PVC cement will not be able to handle the operating parameters of a CPVC system. 

Therefore in theory we could use CPVC SC in any CPVC or PVC application but it would be an 

unnecessary expense for PVC systems.  

The amount of resin that is used in a SC will vary depending on the gap to be filled and therefore the 

desired viscosity, but even in Extra Heavy Body SC there is a limit (around 20%). This limit is set by 

chemistry since it would not be possible (even with only true solvents) to dissolve much more resin than 

that. We need to remember that this is a solution and once saturated nothing more will dissolve, just 

like sugar or salt in a cup of water. It is interesting to notice that to meet ASTM a minimum of 10% of 

homopolymer resin must be used; this means that two manufacturers one using 10% and one using 18% 

can claim to meet the standard; but is it the same? 

Additives & Fillers 

But even 20% of resin will not give us the needed viscosity for SC to be used in large diameter systems, 

so other materials are added. Similar to fillers, additives and stabilizers in pipe and fittings, these 

materials help with various functions such as increased viscosity, improved stability and shelf life, color 

differentiation, etc. 

   

 

SC for che

Most of th

exception

chemical 

formulate

360° inter

the only m

selected t

even a ne

not chem

leak path.

back weld

with a hot

rating, wh

specifying

The great

they are n

Pipe & Fit

We have a

weld to h

America o

The pipe O

Interferen

 

emical applica

hese additive

nally well in m

systems. Whe

ed with specia

rference betw

material expo

to resist the p

et fit then it is

ically resistan

. This is so co

ding of every 

t air gun (nob

hich is far less

g the use of a 

est SC on the

not prepared 

ttings 

already ment

appen as inte

our solution is

OD is slightly 

nce Fit and is 

ations 

es are well kno

many pressure

en specifying

alty chemical

ween pipe and

osed to the ch

particular che

 likely the som

nt, they will c

mmon in app

PVC or CPVC 

body would u

s than any pro

proven, chem

e planet howe

correctly and

tioned severa

ended. Differe

s a tapered fit

larger than t

the ideal fit w

 

own and univ

e and non‐pre

 SC for chemi

ly resistant so

d fitting, they

hemical flow w

micals in the 

me of the sol

orrode and e

plication such

fitting. This is

se an extrude

ocess systems

mically resista

INST

ever will not d

d/or the SC is 

al times the n

ent parts of t

tting socket. T

he ID of the b

which will pro

6 

versally used;

essure applica

ical installatio

olid compoun

y will fuse tog

will in fact be

line). Howev

ids will be ex

rode over tim

 as water trea

s a double‐sil

er to back we

s and (b) the 

ant SC.      

TALLATION

do a good job

not applied c

ecessity to ha

he world dea

The figure be

bottom 1/3 of

ovide the bes

; however wh

ations, they c

on, it is essen

nds. Rememb

gether around

e that of the p

ver, if there is

posed to the 

me due to the

atment that s

ly move beca

eld) has no mo

real simple a

N 

b if poor quali

correctly. 

ave radial pre

al with this in 

elow shows a

f the fitting so

st, most consi

hile they may 

can be a liabil

ntial to select 

ber that if the

d the entire c

pipe and fittin

s some out of 

flow as well.

e chemical att

some enginee

ause (a) a bac

ore than 5psi

and successfu

ity pipe and f

essure in orde

different way

n ideal ‘fit’ fo

ocket. This is 

istent results

 

work 

ity in process

only product

re is a perfec

ircumference

ngs (obviously

roundness o

 If these solid

tack and crea

ers require th

ck weld perfo

i of pressure 

l solution is 

fittings are us

er for the solv

ys but in Nort

or solvent wel

called 

. 

s or 

ts 

ct 

e and 

y 

r 

ds are 

te a 

he 

rmed 

ed, 

vent 

th 

lding. 

 

There are

Net Fit ‐ A

resistance

acceptabl

Loose Fit 

encounte

 With the 

Fit will pro

between 

will provid

fitting into

Above the

20% of th

increase o

Pipe prep

It is essen

fusion par

Although 

only great

the socke

Burrs and

removed 

of the pip

scrape off

e however two

A snug fit, def

e towards the

e fit which w

‐ This should 

rs no resistan

proper applic

oduce joints t

pipe and fitti

de that 360° p

o the pipe. 

e fusion area 

e strength of

of contact are

paration   

ntial to cut the

rt of the joint

an exaggerat

tly diminish t

t where 80% 

 filings can pr

from the out

pe or the shar

f the cement 

o other possi

fined by the d

e bottom of th

ill produce ex

never be use

nce all the wa

cation of cem

that are stron

ng (aided by 

pressure nece

is the bond a

f the joint is in

ea that it prov

e pipe square

t. 

tion, the figur

he contact ar

of the joint s

revent prope

side and the 

p edge (made

from the fusi

ble ‘fits’ that 

dry pipe (befo

he socket but

xcellent resul

ed in a solven

ay to the stop

ment and prep

nger than the

our solids in a

essary to forc

area, and this 

n this area, it 

vides. 

e since only a 

re below clea

rea between p

strength is de

r contact betw

inside of the 

e even worse

ion area as th

7 

can be encou

ore any ceme

t which can st

ts if the ceme

t cement syst

 inside the so

paration of th

e individual co

a Net Fit) at t

ce material fro

is where the 

is still very im

square cut w

rly shows tha

pipe an fitting

veloped. 

ween pipe an

pipe.  Also a 

e by the raised

he pipe is inse

untered: 

nt is applied t

till be bottom

ent applicatio

tem. This occ

ocket, and it’s

he pipe both a

omponents be

the bottom of

om the pipe i

 solids always

mportant bec

will provide th

at anything le

g, but it will d

nd fitting duri

slight bevel n

d edge create

erted. 

 

to it) encoun

med out.  This

on is done pro

curs when the

s actually loos

an Interferen

ecause the in

f the socket i

into the fittin

s play a big ro

ause of the v

he maximum s

ess than a squ

do so in the lo

ing assembly 

needs to be p

ed by the cutt

tering some 

s is still an 

operly. 

e dry pipe 

se. 

ce Fit and a N

nterference 

n the fusion a

ng and from t

ole. While on

very significan

surface area 

uare cut will n

ower portion 

and must be

laced at the e

ting tool) will

Net 

area 

he 

ly 

nt 

in the 

not 

of 

 

end 

 

8  

There are actually three (3) separate reasons for not wanting the removal of cement from this area.  

1.  Removal of the cement will eliminate the necessary lubrication in the fusion area. This in turn 

will almost certainly guarantee that the pipe is not fully inserted, thus missing the all‐important fusion 

area. 

2.  Removal of the cement will also eliminate/shorten the exposure of the fitting wall to the 

softening agent which together with the radial pressure generated by the proper interference are the 

only reasons why fusion between pipe and fittings occur. A shortened exposure to the softening agents 

in the cement will result in a more superficial fusion, the consequence of which will vary greatly from 

decreased safety factor to shorter life expectancy. 

3.  If the sharp edges of the pipe remove the cement, where does it go? Only one place – down into 

the waterway. Lack of a proper bevel is in fact one of the two reasons (the other being over‐ cementing 

the fitting socket) why this undesirable condition can occur. 

Application of cement  

This document does not intend to be an instruction manual so we will glide over many of the details and 

just provide a flavor of how simple steps are so important to the success of every joint. 

After selecting the right cement, attention should be given to the size of the applicator. If too big, there 

is too much cement is deposited in the socket; if too small, the time to coat the pipe and fitting will be 

longer than the set time.In other words, the cement starts to harden before a full coat and/or insertion 

is achieved.  

Pipe sizes 1 ¼”and above need to always receive a second cement application on the pipe end. FIRST 

APPLY CEMENT ON THE PIPE END, THEN IN THE FITTING SOCKET, AND, FINALLY, ON THE PIPE END 

AGAIN. This is the brilliant ingenuity of solvent cementing! 

Since we are dealing with pipe and fittings that have ± tolerances, it means that they will always be 

different. We are also dealing with tapered sockets, which mean that the top, bottom and middle fit/gap 

between pipe OD and fitting ID is different by design. So how do we make sure that we always use the 

exact right amount of cement, not too much or too little? We simply apply a generous amount of 

cement to the pipe, so that whatever gap we will have it will be filled, and a thin coating on the fitting 

socket so that we achieve softening of the walls but there is simply not enough material to be pushed 

into the waterway. Whatever excessive material we have deposited on the pipe will be pushed out 

during pipe insertion so that (a) it is not in the waterway (b) it provides us with a very useful indicator 

that all gaps have been filled and (c) we can easily wipe off. BRILLIANT!  

There are many more details available (e.g.  when and how to insert the pipe, set and cure times, 

solvent welding in either cold or hot conditions, etc.), but again the purpose of this document is to 

provide the reader with a ‘sense’ of how this simple process and products in fact require some very 

specific knowledge and more attention from the decision makers and specifiers than it usually gets  

9  

Fusion welding is indeed a very straight forward, time proven process utilizing products with an 

astounding success rate. It is also a small expense tasked with a very large responsibility. Choosing the 

right products and installers who have been trained and understand how to use them is the key to 

taking full advantage of the many benefits of vinyl piping systems.