PRAKSA

PRACTICE

ZAVARIVANJE I ZAVARENE KONSTRUKCIJE (2/2009), str. 51-55 51

D. Runčev, Lj. Trpkovski

SUČEONO ZAVARIVANJE POLIETILENSKIH CEVI ZAGREJANIM ALATOM

BUTT WELDING OF POLYETHYLENE PIPES WITH HEATED TOOL Stručni rad / Professional paper

UDK / UDC: 621.791.053.6:621.643.2-036.7 621.791.053.6:678.742.2-462

Rad primljen / Paper received: April 2008

Adresa autora / Author's address: D. Runčev, Faculty of Mechanical Engineering, Ss. Cyril and Methodius University, P. O. Box. 464, Skopje, Republic of Macedonia. E-mail: runcev@mf.edu.mk

Lj. Trpkovski, MSc student of Faculty of Mechanical Engineering, Ss. Cyril and Methodius University, P. O. Box. 464, MK-1001 Skopje, Republic of Macedonia E-mail: lj.trpkovski@student.mf.edu.mk

Ključne reči: Polietilenske cevi, PE 100, sučeono zavarivanje, zagrejan alat - ploča.

Keywords: Polyethylene pipes, PE 100, butt welding, heated tool - plate.

Izvod U radu je prikazan deo rezultata dobijen istraživanjem zavarivanja polietilenskih cevi zagrejanim alatom u obliku ploče. Spojene su sučeonim zavarivanjem polietilenske cevi od PE 100 sa spoljašnim dijametrom Ø160 mm i debljine zida od 8,00 mm. Zavaren je veći broj proba, promenom dela parametara režima zavarivanja. Na zavrenim probama izvršeno je više ispitivanja za utvrđivanje kvaliteta sučeonog zavara. Izvršena je vizuelna kontrola i ispituvanje unutrašnjim pritiskom. Mehanička ispitivanja zatezanjem i savijanjem izvedena su na standardnim epruvetama izradjenim od svake zavarene probe. * Rad je izlagan na Savetovanju sa međunarodnim učešćem

“ZAVARIVANJE 2008” - Subotica

Abstract The paper shows a part of the investigation results of the heated tool butt welding of PE 100 pipes, with a diameter Ø160 mm and with thickness of 8,00 mm. Welding were performed on several tests, during which a part of the parameters of the welding regime were changed. Serial of tests for establishing the quality of the welded joint were performed. A visual control and test of resistance to internal pressure was applied. Test specimens were made from the welded pipes and a tensile and bending test were done.

UVOD

Upotreba cevnih instalacija od polimernih - plastčnih materijala: cevi, koljena, fitinzi i slično, je sve veća. Od velikog broja raznovrsnih polimernih materijala, za izradu cevi i cevnih elemenata, najviše se primenjuju: polietilen (PE) i polivinilhlorid (PVC), a u upotrebi su i poliamid (PA) i polipropilen (PP) [1, 2].

Spajanje u proizvodnji i montaži polimernih cevnih elemenata najčešće se izvodi zavarivanjem. Prema DIN 1910 deo 3, zavarivanje polimera, u zavisnosti od vida izvora toplote, može se izvesti: zagrejanim alatom, zagrejanim gasom, svetlоsnim snopom, ultrazvukom, trenjem i visokofrekfentnim zagrevanjem [3].

Zavarivanje polimera izvodi se kombinacijom toplote i pritiska, sa ili bez upotrebe dodatnog materijala, u zavisnosti od oblika spoja i debljine osnovnog materijala.

Razvoj zavarivanja polimera započinje u vreme otkrića polivinilhlorida (PVC) u 1935 godine. Na 180°C PVC je u termoplastičnom stanju i primenom pritiska ostvaruje

se homogena veza. U 1938. godini patentirano je zavarivanje zagrejanim gasom. U drugoj polovini 50 godina, intenzivno se razvija primena automatizovanih postupaka za zavarivanje polimera. [4, 5]

Zadnjih desetak godina ponovo je postalo intenzivnije istraživanje o zavarivanju polimera, radi sve veće primene polimernih materijala i u izradi odgovornih elemenata, kao i radi razvoja novih vrsta polimernih materijala i novih tehnologija za njihovo zavarivanje, kao na primer zavarivanje laserom ili hibridno zavarivanjae polimera istovremenim delovanjem laserskog snopa i drugog toplinskog izvora [6,7].

Za povećanje interesa istraživanja u ovoj oblasti zavarivanja potvrdjuje i fakt što je od početka 2007. godine DVS započeo sa izdavanjem posebnog naučno-stručnog časopisa pod naslovom Fügen von Kunststoffen (Joining of plastics), u kome su predstavljena najnovija naučna dostignuća.

Par godina pre toga, 2004/06, izdato je više stručnih knjiga iz oblasti polimera i njihovog spajanja [6-9].

PRAKSA

PRACTICE

52 ZAVARIVANJE I ZAVARENE KONSTRUKCIJE (2/2009), str. 51-55

SUČEONO ZAVARIVANJE ZAGREJANIM ALATOM

Ovim postupkom mogu se zavarivati polimeri u obliku ploče ili cevi. Kod ploče spajanje se izvodi sučeonim ili preklopnim zavarivanjem, a kod cevi spajanje se izvodi sučeono ili preklopno t.z. teleskopskim zavarom.

Površine koje se spajaju zagrevaju se do omekšanja, pomoću zagrejanog alata, koji ima raznovrstan oblik: ploča, prsten, čep i slično. Zagrevanje alata najčešće je električnim otporom.

U zavisnosti od oblika i deimenzija zavarivanih elemenata, ovaj postupak se može izvoditi ručno, mehanizovano ili avtomatizovano posebnim uređajem za zavarivanje.

Sam proces zavarivanja odvija se u više faza, prikazanih na slici 1. Na početku se postavljaju cevi u dvodeone "kandze" za prihvatanje (a), posle čega dolazi do pomeranja i sučeoni kontakt - podešavanje cevi (b). U sledećoj fazi dolazi do razdvajanja cevi i izmedju njih se postavlja umetak sa rotacionim nožem, koji paralelno i istovremeno poravnjava celo obe cevi (c). Nakon poravnjavanja, vrši se ručno čišćenje čela

cevi i između njih postavlja se zagrejani alat u obliku ploče (d). Prethodno zagrejana ploča na odredjenoj temperaturi i za odredjeno vreme zagreva čela cevi, koji su u isto vreme pritisnuti konstantnom silom na alatu. Po isteku predviđenog vremena grejanja, povlači se ploča i zagrejana i omeknuta čela cevi ponovo se pritiskaju jedno na drugo, određenim pritiskom u odredjeno vreme (e), posle čega se oslobađaju cevi od "kandzi" uređaja čime je zavarivanje završeno (f). Proces zavarivanja odvija se u vremenu od nekoliko sekundi do nekolko minuta, u zavisnosti od tipa polimera, oblika i dimenzije zavarivanih cevi.

SUČEONO ZAVARIVANJE PROBA

Zagrijanim alatom u obliku ploče zavarene su sučeono polietilenske cevi od PE 100, spoljašnim dijametrom Ø 160 mm i debljinom zida od 8,00 mm.

Zavarivanje je izvršeno prema režimu definisanom u Richtlinie DVS 2207-1, [9], imajući u vidu preporuke proizvođača opreme za zavarivanje. Režim zavarivanja izabire se u zavisnosti od tipa polimera, oblika i dimenzija zavarivanih proba, površina preseka koji se zavaruje.

a.) b.) c.)

d.) e.) f.)

Slika 1: Faze sučeonog zavarivanja zagrejanim alatom u obliku ploče

Na slici 2 dat je grafički prikaz režima zavarivanja, na kom su prikazane sve faze zavarivanja i promena temperature i pritiska tokom vremena.

Režim zavarivanja čine sledeći parametri:

T [oC] - temperatura zagrevanja alata - ploče,

p1 [N/mm2] - pritisak cevi na zagejani alat za vreme sučenog podešavanja,

p2 [N/mm2] - pritisak cevi na zagejani alat za vreme zagrevanja čeonog preseka,

PRAKSA

PRACTICE

ZAVARIVANJE I ZAVARENE KONSTRUKCIJE (2/2009), str. 51-55 53

p5 [N/mm2] - pritisak izmedju čeonih preseka cevi za vreme hlađenja,

t1 [s] - vreme sučenog podešavanja cevi,

t2 [s] - vreme zagrevanja čeonog preseka cevi,

t3 [s] - vreme otklanjanja zagrejane ploče,

t4 [s] - vreme postizanja pritska za zavarivanje,

t5 [s] - vreme hlađenja pod dejstvom pritska zavarivanja,

t6= t4 + t5 [s] - vreme zavarivanja.

t7= t1 + t2 + t3 + t6 - ukupno vreme zavarivanja,

Zavaren je veći broj proba, kod kojih je jedan deo parametara nepromenjiv, a drugi deo parametara menjan je u različitim nivoima.

Kao nepromenjivi parametri izabrani su:

T = 210 oC - temperatura zagrevanja alata - ploče,

p1 = 0,15 [N/mm2] - pritisak cevi na zagejani alat za vreme sučenog podešavanja,

p2 = 0,38 [N/mm2] - pritisak cevi na zagejani alat za vreme zagrevanja čeonog preseka,

t1max = 8 [s] - vreme sučenog podešavanje cevi,

t3max = 8 [s] - vreme otklanjanja zagrejane ploče,

t5 = 18 [min] = 1080 [s] - vreme hlađenja pod dejstvom pritska zavarivanja,

Kao promenjivi parametri izabrani su:

p5 = 1,9 - 2,3 [N/mm2] - pritisak između čeonih preseka cevi za vreme hlađenja,

t2 = 112 - 124 [s] - vreme zagrevanja čeonog preseka cevi,

t4 = 7 - 9 [s] - vreme postizanja pritska za zavarivanjе,

Zavarivanje probe izvedeno je kombinacijom promenjivih parametara režima, datih u tabeli 1.

Slika 2: Režim sučeonog zavarivanja zagrejanim alatom u obliku ploče

Tabela 1: Rezimi zavarivanja probe

P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9

t2 [s] 112 124 112 124 112 124 112 124 118

t4 [s] 7 7 9 9 7 7 9 9 8

p [N/mm2] 1,9 1,9 1,9 1,9 2,3 2,3 2,3 2,3 2,1 ISPITIVANJE ZAVARENIH SPOJEVA

Na zavrenim probama izvršeno je više ispitivanja za utvrđivanje kvaliteta sučeonog zavara. Izvršena je vizuelna kontrola zavara kod svih zavarenih proba, prema DVS 2202-1.

Mehanička ispitivanja zatezanjem i savijanjem izvedena su na standardnim epruvetama izradjenim od

svake zavarene probe. Ispitivanje zatezanjem izvedeno je prema DVS 2207 deo 5 i DIN 53455, ispitivanje savijanjem izvedeno je prema DIN 53452.

Na posebno zavarenim probama, kombinacijom parametara kao kod: P1, P8 i P9, izvedeno je ispitivanje na nepropustljivost unutrašnjim pritiskom prema ISO 1167.

PRAKSA

PRACTICE

54 ZAVARIVANJE I ZAVARENE KONSTRUKCIJE (2/2009), str. 51-55

REZULTATI I DISKUSIJA

Vizuelnom kontrtolom zavarenih proba, sa spoljašne i unutrašnje strane i na podužno isečene epruvete utvrđen je ravnomeran venac iz istisnutog materijala na mestu spoja, slike 1e i 1f. Nisu utvrđene greške u zavaru i njegovoj okolini, prema DVS 2202-1.

Tokom ispitivanja zatezanjem sve epruvete pokidane su u osnovnom materijalu daleko od zavarenog spoja, slika 3. Maksimalna čvrstoća ispitanih epruveta je u intervalu Rm = 21,15 -22,24 N/mm2, što je u intervalu

standardnih vrednosti za ovu vrstu materijala. Nosivost zavarenog spoja je viša od nosivosti osnovnih materijala i zavarivanje ne prouzrukuje promenu nosivosti osnovnih materijala.

Pri ispitivanju savijanjem 22 od ukupno 27 epruvete od zavarenih proba, savijeni su do ugla od 160°, bez lomljenja, što je u intervalu standardnih vrednosti za ovu vrstu materijala. Kod 3 epruvete pojavila se pukotina u zavaru kod ugla od 120°, a kod epruvete 2 pojavila se pukotina u zavaru na početku ispitivanja kod ugla manjeg od 10°, slika 4.

Slika 3: Probe ispitane zatezanjem

Slika 4: Probe ispitane savijanjem

Na tri posebno zavarene probe, u skladu sa ISO 1167, izvršeno je ispitivanje na nepropusljivost vode unutrašnjim pritiskom na temperaturi od 20°C.

Sve tri zavarene probe pripremljene su potrebnim priključcima i zatvaračima i potopljene su u bazen sa vodom. Ispitivanje je izvršeno opterećenjem unutrašnjim pritiskom od 2,177 do 2,194 MPa u vremenu trajanja od 60 minuta. Sve probe su izdržale

ispitni pritisak u određenom vremenu bez pojave trajnih deformacija, čime je utvrđena nepropustljivost zavara i osnovnih materijala. Nakon standardnog ispitivanja, sve probe opterećene su maksimalnim pritiskom ispitne instalacije od 5,00 MPa. U osnovnim materijalima kod maksimalnog pritiska uočene su trajne deformacije, ali nije došlo do pojave loma - eksplozije, čime je utvrđena nepropustljivost zavarenih proba, slika 5.

PRAKSA

PRACTICE

ZAVARIVANJE I ZAVARENE KONSTRUKCIJE (2/2009), str. 51-55 55

Slika 5: Probe pre i posle ispitivanja na nepropustljivost

ZAKLJUČAK

Sučeono zavareni spoj na polietilenskim cevima izveden zagrejanim alatom u obliku ploče odlikuje se visokim kvalitetom. Optimalno izabranim parametrima režima zavarivanja dobija se zavareni spoj bez grešaka, čvrštoćom većom od čvrštoće osnovnih materijala, savitljivošću kao i kod osnovnih materijala, homogenošću - nepropustlivošću kao i kod osnovnih materijala.

Obzirom na visoki kvalitet zavarenog spoja i visokih mehaničkih karakteristika, polimerne cevne instalacije zavarene zagrejanim alatom u obliku ploče mogu se upotrebljavati i kao elementi u instalacijama pod visokim radnim pritiskom.

LITERATURA

[1] Kienle, U., Schweißen von Kunstoffrohrmaterial, Jahrbuch Schweißtechnik ’99, DVS Verlag, 1998, S. 125-134.

[2] Renneebrg, H., Schneider,W., Kunststoffe im Anlagebau (Werkstoffe, Konstruktion, Schweißprozesse, Qualitätssicherung), ISBN 3-87155-176-7, DVS Verlag, 1998, S.1-392.

[3] N, N., Sacweißen von Kunststoffen – Verfahren, DIN 1910 Teil 3, 1977, S. 118-125.

[4] Hessel. J., Land, W., Schwarz, O., Schweißen von Kunstoffen, Jahrbuch Schweißtechnik ’97, DVS Verlag, 1996, S. 235-246.

[5] Haberstroh, E., Wolters,L., Stagmaier, M., Kunststoffeschweißen – Teil 1, Handwerkliche Verfahren, Schweissen & Schneiden, Heft 4, 2000, S. 214-224.

[6] Potente, H., Fügen von Kunststoffe (Grundlagen, Verfahren, Anwendung), Karl Hanser Verlag München Wien, ISBN 3-446-22755-6, 2004, S.1-348.

[7] Wilhelm, G., Handbuch Kunststoff - Verbindungstechnik, Karl Hanser Verlag München Wien, ISBN 3-446-22668-0, 2004, S. 1-754.

[8] Franck, A., Kunststoff - Kompendium, Karl Hanser Verlag München Wien, ISBN 978-3-8343-3085-7, 2006, S. 1-504.

[9] N, N., Taschenbuch DVS-Merkblätter und – Richtlinien Fügen von Kunststoffen, DVS Verlag, ISBN-13: 978-3-87155-217-5, ISBN-10:3-87155-217-8, 2006, S. 1-790.