Varmplatta svetsning

Varmplattsvetsning , även kallad uppvärmd verktygssvetsning, är en termisk svetsteknik för sammanfogning av termoplaster . Ett uppvärmt verktyg placeras mot eller nära de två ytorna som ska sammanfogas för att smälta dem. Därefter avlägsnas värmekällan och ytorna sammanförs under tryck. Varmplattsvetsning har relativt långa cykeltider, från 10 sekunder till minuter, jämfört med vibrations- eller ultraljudssvetsning . Men dess enkelhet och förmåga att producera starka fogar i nästan all termoplast gör att den används i stor utsträckning i massproduktion och för stora strukturer, som plaströr med stor diameter. Olika inspektionstekniker implementeras för att identifiera olika diskontinuiteter eller sprickor.

Historia

Värmeplattsvetsning användes först i början av 1930-talet för att sammanfoga PVC . Det blev populärt med förekomsten av polyolefiner , som är svåra att limma. På 1960-talet var det bland de mest använda plastsvetsmetoderna . Värmeplattsvetsning användes för rörledningar och apparater samt formsprutningar . Många nationella och internationella svetsorganisationer har specifikationer och riktlinjer för svetsning av värmeplattor, inklusive Deutscher Verband fuer Schweissen (DVS) i Tyskland, American Welding Society (AWS) i USA och Comité Européen de Normalization (CEN) i Europa.

Bearbeta

Konventionell värmeplattasvetsning

Tryck kontra tid för faserna av värmeplåtssvetsning

Värmeplattsvetsprocessen kan delas in i fyra faser: matchning, uppvärmning, växling och svetsning/smidning.

Matchningsfasen tjänar till att matcha svetsytornas geometri till det teoretiska svetsplanet. Svetsytorna värms upp genom ledning genom fysisk kontakt med värmeplattan. Värmeplattans temperaturområde är 30 till 100 °C (86 till 212 °F) över materialets smälttemperatur, och ett konstant tryck mellan 0,2 och 0,5 MPa appliceras mot värmeplattan. Detta gör att svetsytorna överensstämmer med värmeplattan, som har den önskade svetsgeometrin. Detta tar också bort ytojämnheter som skulle öka värmekontaktmotståndet. Efter att delarna är i full kontakt med värmeplattan startar uppvärmningsfasen och trycket reduceras till ett minimum.

Under uppvärmningsfasen värms svetsområdet ledande tills det smälter, utan väsentlig förskjutning av materialet. Trycket hålls antingen på ett minimum för att hålla delarna och värmeplattan i kontakt eller på noll med en förinställd förskjutning. Smältytan når ungefär 20 °C (68 °F) under värmeplattans temperatur. Viskositeten hos det smälta materialet kan styras genom värmeplattans temperatur och uppvärmningstiden. Ytan på värmeplattan är ofta belagd med PTFE för att förhindra att den smälta plasten fastnar, vilket begränsar värmeplattans temperatur till 270 °C (518 °F). Temperaturen på delarna under denna fas kan modelleras genom att anta ett konstant temperaturgränsvillkor och använda den endimensionella värmeekvationen :

där θ är temperaturen, x är positionen, t är tiden, θi termiska är den initiala temperaturen, θs är den konstanta yttemperaturen, κ är den diffusiviteten och erfc är den komplementära felfunktionen . Denna modell är giltig i de flesta fall, eftersom det termiska kontaktmotståndet är lågt och den termiska massan hos det heta verktyget är stor jämfört med plastdelarna. För mer exakta förutsägelser av värmeflödet måste även det termiska kontaktmotståndet och temperaturberoendet av plastens termiska egenskaper beaktas.

Efter tillräcklig uppvärmningstid börjar växlingsfasen. Under denna fas dras delarna tillbaka från värmeplattan, plattan flyttas snabbt bort och delarna förs samman. Omställningen bör vara så kort som möjligt, eftersom det smälta området kyls av under denna tid.

Svets-/smidningsfasen börjar när de två smälta ytorna pressas samman. Detta skapar intermolekylär diffusion av plastmolekylerna enligt reptationsteorin . Svetshållfasthet tillhandahålls genom intrassling av de diffusa plastmolekylerna. Det nödvändiga svetstrycket beror på delarnas smältviskositet och väggtjocklek och ligger vanligtvis mellan 0,025 och 0,05 MPa. Detta tryck bibehålls medan det smälta materialet svalnar och stelnar igen. Under detta pressas en del mjukgjort material i svetszonen ut, vilket bildar flash . Mekaniska stopp kan användas för att begränsa mängden utpressat material för att förhindra en kall svets.

Varianter

Vanliga varianter av konventionell värmeplattsvetsning inkluderar högtemperatur- och beröringsfria versioner. Båda dessa varianter hjälper till med problemet med att material fastnar på värmeplattan mellan svetscyklerna; det fastnade materialet kan försämras och överföras till efterföljande svetsar, vilket resulterar i dålig kvalitet och estetiskt föga tilltalande svetsar.

Vid högtemperatursvetsning av värmeplattor värms en obelagd värmeplatta upp till mellan 300 och 400 °C (572 och 752 °F), eftersom PTFE-beläggningen bryts ned vid höga temperaturer. Den höga temperaturen minskar smältans viskositet, så att den kan lossna från värmeplattan när delarna tas bort. Detta kan åtföljas under växlingsfasen av snabb rörelse av delarna från värmeplattan; detta förhindrar strängning av den smälta plasten på grund av dess viskoelastiska egenskaper. Eventuellt restmaterial på värmeplattans yta oxideras vanligtvis bort eller avlägsnas mekaniskt. Med vissa termoplaster kan restmaterialet inte lätt avlägsnas och ackumuleras med tiden. Värmeplattorna kan behöva tas bort och rengöras mellan cyklerna. Med de högre temperaturerna förkortas matchnings- och uppvärmningsfaserna från konventionella värmeplattsvetsningar. Dock kan minskad svetshållfasthet från termisk nedbrytning av plasten fortfarande förekomma, även om det mesta av det nedbrutna materialet tvingas ut av flödet av smält material. Högtemperatursvetsning av värmeplattor är känd för att fungera bra för:

Vid beröringsfri värmeplåtsvetsning smälts svetsytorna utan fysisk kontakt med värmeplattan genom konvektion och strålningsuppvärmning . Värmeplattans temperatur är mellan 400 och 550 °C (752 och 1 022 °F), och svetsytorna placeras cirka 1 till 3 millimeter (0,039 till 0,118 tum) från värmeplattan. Värmetillförseln måste kontrolleras för att förhindra termisk nedbrytning medan materialet mjukgörs. Denna variant har ingen matchningsfas, så delpassningen måste vara bra före svetsning, med delavvikelse som inte överstiger 0,2 millimeter (0,0079 tum). I praktiken används beröringsfri värmeplattsvetsning endast för små delar vars dimensioner inte överstiger 100 gånger 100 millimeter (3,9 gånger 3,9 tum). Ett ytterligare övervägande är stapeleffekten när värmeplattan är orienterad vertikalt, vilket kan orsaka ojämn uppvärmning av svetsytorna.

En annan variant är varmkil- eller varmskosvetsning för sammanfogning av tunna plåtar med överlappssömmar. En uppvärmd kil rör sig mellan de två plåtarna och smälter svetsytorna medan kilrullar utövar lätt tryck för att tvinga fram intim kontakt; drivrullar applicerar tryck vid spetsen av kilen där arken konvergerar för att bilda en kontinuerlig söm. Varmkilsvetsning kan ge antingen enkel- eller dubbla skarvar. För dubbla skarvar används en delad kil som är ouppvärmd i mitten. Detta lämnar en osvets luftficka mellan sömmarna som kan trycksättas för att oförstörande testa fogens integritet. Vid varmkilsvetsning är färdhastigheten en extra parameter eftersom kilenheten är självgående av rullarna. Det typiska temperaturintervallet vid svetsning av högdensitetspolyeten (HDPE) är 220 till 400 °C (428 till 752 °F); färdhastigheten är vanligtvis 0,7 till 4 meter per sekund (2,3 till 13,1 fot/s).

Parametrar

Parametrar som används vid värmeplåtssvetsning är värmeplattans temperatur, trycket (eller förskjutningen) under matchningen, trycket under uppvärmningen, trycket och förskjutningen under svetsfasen och tiderna för matchning, uppvärmning, omställning och kylning. Dessa parametrar har en inbördes beroende effekt på svetskvaliteten och kan inte ställas in individuellt.

Värmeplattans temperatur tas vid plattans yta. Den ställs in baserat på värmeplåtssvetsvarianten tillsammans med materialets egenskaper, inklusive smälttemperatur, smältviskositet och gränser för termisk nedbrytning. Konventionell värmeplåtssvetsning använder temperaturer 30 till 100 °C (86 till 212 °F) över smälttemperaturen. Högtemperaturvarianten använder temperaturer över materialets nedbrytningstemperatur, cirka 100 till 200 °C (212 till 392 °F) över smältpunkten. Den beröringsfria varianten använder temperaturer 300 till 400 °C (572 till 752 °F) över smältpunkten. Vid beröringsfri svetsning beror strålningsuppvärmningen inte bara på temperaturen utan också på värmeplattans emissionsförmåga .

Trycket under matchningsfasen tar bort skevhet av svetsytorna för att säkerställa full kontakt med värmeplattan utan att delarna deformeras. Under uppvärmningsfasen upprätthålls ett minimitryck för att hålla delarna i kontakt med värmeplattan, eftersom ett större tryck skulle pressa ut material. Svetstrycket för de smälta svetsytorna i intim kontakt och pressar ut innesluten luft. För högt tryck skulle pressa ut det mesta av det varma materialet från fogen, vilket lämnar kallare material för att bilda en kall svets. För lågt tryck begränsar intermolekylär diffusion och ger en svag svets. Ett mekaniskt stopp kan användas i svetsfasen för att begränsa mängden material som pressas ut genom att variera svetstrycket.

Matchnings- och uppvärmningstiderna styr mängden värmetillförsel under dessa faser. Matchningstiden är inställd så att ytojämnheter smälts och tas bort. Uppvärmningstiden bestämmer smältskiktets tjocklek. En för tjock smälta resulterar i överskottsflash och ogynnsam molekylär orientering vid foggränsytan. En för tunn smälta ger en spröd svets. Omställningstiden bestämmer temperaturen på det smälta materialet när svetsningen börjar och bör därför vara så kort som möjligt för att minimera ytkylning. Typiska växlingstider är cirka 2 till 3 sekunder, även för stora delar. Kyltid avser tiden tills de sammanfogade delarna har stelnat (när det smälta materialet har svalnat under sin smälttemperatur) och kan avlägsnas från maskinen. Den svetsade delen ska inte belastas förrän den har svalnat ytterligare till rumstemperatur.

Utrustning

Värmeplattsvetsutrustning består av två huvudkomponenter, en klämfixtur och en eller flera värmeplattor. Fixturens primära funktion är att ge stöd under svetsprocessen för att förhindra deformation under svetstryck. Konventionella maskiner har fixturer som helt överensstämmer med de delar som svetsas och möjliggör flexibilitet i produktionen genom att acceptera olika fixturkonfigurationer. Anpassade maskiner kan konfigureras för att svetsa en specifik komponent och ger inte lika mycket flexibilitet som standardmaskiner.

Varmplattor är i allmänhet utformade för specifika arbetstemperaturer. Varmplattor för konventionell värmeplattsvetsning har en arbetstemperatur på minst 270 °C (518 °F) och är gjorda av aluminiumlegeringar. Värmeplattorna kan också vara belagda med polytetrafluoretylen (PTFE) för att förhindra att polymeren fastnar på värmeplattan. Försiktighet bör iakttas eftersom PTFE-beläggningarna försämras med tiden och uppsättningar av utbytbara fixturer bör finnas tillgängliga under kontinuerlig drift. Varmplattor för högtemperatursvetsning av värmeplattor har en maximal arbetstemperatur på 430 °C (806 °F) och är gjorda av aluminiumbronslegeringar. På grund av den lägre värmeledningsförmågan hos dessa legeringar måste försiktighetsåtgärder vidtas för att säkerställa att det finns en jämn uppvärmning längs värmeplattans yta. PTFE har en maximal arbetstemperatur på 270 °C (518 °F) och därför kan non-stick-beläggningar inte användas för denna typ av operation. Slutligen används värmeplattor för beröringsfri svetsning av värmeplattor för temperaturer upp till 550 °C (1 022 °F) tillverkade av antingen aluminiumbrons eller rostfritt stål.

Termoplastiska fogdesigner

Värmeplattsvetsmaskiner drivs vanligtvis av pneumatiska, hydrauliska eller elektromekaniska kontroller. Maskiner kan konfigureras för att utföra svetsningar med infästningsytan i antingen horisontellt eller vertikalt läge. Längre komponenter såsom rör svetsas oftare i horisontellt läge medan lister med invändiga beslag såsom ett startbatteri svetsas i vertikalt läge. En proportionell-integral-derivata (PID) styrenhet hjälper också till att upprätthålla önskade temperaturer under varje process.

Ledtyper

Även om det finns olika fogkonfigurationer, är en stumfog där de två fogmaterialen är inriktade längs samma plan en av de vanligaste fogdesignerna för termoplaster. Det finns olika modifieringar av denna skarv som är implementerade för olika applikationer som inkluderar följande listade nedan.

  • Förstorad fogyta - Användning av tillsatsmaterial i svetsar sänker den totala hållfastheten och detta kan kompenseras genom att förstora fogytan.
  • Butt Joint Flash Trap (intern) - Pärlan är täckt av en revben eller blixtfälla.
  • Butt Joint Flash Trap (extern) - Denna typ av fog döljer blixt på utsidan och används vanligtvis för att minska buller i omgivande områden.
  • Butt Joint Flash Trap (dubbel) - Gör ytan mer visuellt tilltalande genom att dölja blixten på båda sidor av svetsen.

Materialsvetsbarhet

Varmplattsvetsning kan användas för sammanfogning av alla termoplaster och termoplastiska elastomerer vars smälttemperaturområde ligger under deras sönderdelningstemperatur . Eftersom endast själva plasten kan sammanfogas, kan tillsatser , som används för att förbättra materialegenskaper eller minska kostnaderna, minska svetsbarheten. Tillsatser kan också minska svetshållfastheten genom att fungera som spänningskoncentratorer . Exempel på tillsatser är stabilisatorer, smörjmedel, processhjälpmedel, färgämnen, förstärkningsmaterial (talk, glasfibrer, kolfibrer, etc.).

Vattenhalten i plasten påverkar också svetsbarheten. Detta påverkar termoplaster som absorberar vatten från den omgivande luften, främst amorfa termoplaster. Högt vatteninnehåll kan leda till bildning av bubblor under uppvärmning och sammanfogning, vilket minskar svetshållfastheten. Därför bör delar svetsas kort efter formsprutning, förvaras i torr miljö eller svetsas med justerade parametrar.

Värmeplattsvetsning kan användas för att sammanfoga vissa kombinationer av olika termoplaster. Vanligtvis halvkristallina plaster endast kompatibla med halvkristallina plaster, och amorfa plaster är endast kompatibla med amorfa plaster. Om plasterna har samma smältpunkt och smältviskositet kan konventionell eller högtemperatursvetsning av värmeplåt användas. Med olika smältpunkter eller olika viskositeter bör dubbla värmeplattor användas, med varje värmeplatta inställd på olika temperatur. Vanliga termoplastkombinationer inkluderar:

  • ABS – PMMA
  • ABS – PC
  • ABS – SAN
  • PMMA – PC + ABS
  • PC – PC + ABS

Ansökningar

Värmeplattsvetsning används för att sammanfoga delar från några centimeter upp till 1,6 meter. Den används också för att göra kontinuerliga svetsar i fodermembran. Dess användning kan delas in i två huvudkategorier, nämligen produktionsapplikationer och rörsvetsning. Dessa skiljer sig åt i sin utrustning och fogdesign.

Produktionsapplikationer

En stor industri som använder värmeplåtssvetsning är fordonssektorn. Bakljushöljen gjorda av ABS är sammanfogade med linser gjorda av antingen PMMA eller PC med en modifierad stumfog. ABS och PMMA har liknande smälttemperaturer och kan svetsas med en enda värmeplatta, medan ABS och PC kräver dubbla värmeplattor på grund av PC:s högre smälttemperatur. Vakuumsugkoppar används för att flytta delarna för att förhindra nötning. Både konventionella och högtemperaturvarianter används. En typisk cykeltid är 60 sekunder med en värmeplattas temperatur på 370 °C.

Bränsletankar gjorda av formblåst HDPE behöver så många som 34 delar svetsade till den, inklusive clips, påfyllningshalsar, ventilationsledningar, Värmesköldens utsprångsplugg, Gasventilationsvärde/Rull-over-ventiler, Luftningsnippel och fästen. Delarna svetsas individuellt med räfflade stumfogar. Varje komponent behöver en annan matchningstid, och cykeltiderna är mindre än en minut per komponent.

Fodral och lock till bilbatterier är gjorda av tunna PP-sampolymerer, som har låg smältviskositet. Högtemperaturvärmeplattsvetsning används på stumfogar med blixtskydd. En typisk maskin kan svetsa två batterier på en tid på mindre än 30 sekunder.

Andra fordonskomponenter svetsade med värmeplatta är förgasarflottörer, kylvätske- och spolarvätskebehållare och ventilationskanaler. Icke-bilar inkluderar diskmaskinssprayarmar, tvättmedelslådor, ångstrykbehållare, HDPE-fat, PP-transportpallar, medicinska nålar och PVC-fönsterramar.

Rörsvetsning

Varmplattsvetsning, kallad smältsvetsning i många industrier, används vanligtvis för att sammanfoga plaströr. Dessa rör, i motsats till stål, är mindre benägna att brista under en jordbävning. Rörsvetsning använder speciella fogkonfigurationer, nämligen stump, hylsa och sadel/sidovägg, var och en med sina egna svetsprocedurer.

Stumsvetsning har liknande processfaser som konventionell värmeplåtssvetsning. Före svetsning vänds rörändarna och profilerna är rundade och inriktade med varandra. De återstående faserna fortsätter som vanligt, men ibland kan matchningsfasen hoppas över. Vid svetsning av olika plaster, i stället för dubbla värmeplattor, kan röret med det lägre smältflödesindexet värmas upp tidigare än det andra, så att båda rörändarna har samma smältviskositet i slutet av uppvärmningsfasen. Efter kylning avlägsnas ibland blixtpärlan för att lämna släta ytor på insidan och utsidan. Problem med svetsen kan fastställas genom att inspektera denna sträng.

Sockets fusion svetsning använder manliga och hona värmeverktyg fästa på en värmeplatta för att värma utsidan av röret och det inre av sockeln samtidigt. Detta används vanligtvis för rör som sträcker sig från 40 till 125 millimeter. Med denna skarv levereras svetstrycket av rörets och muffens interferenspassning, så dessa delar såväl som värmeverktygen måste ligga inom toleransen.

Sadel/sidoväggssvetsning används för att sammanfoga sadelbeslag på sidoväggen av ett rör för att skapa grenar. Utsidan av röret och den matchande ytan på sadelbeslaget värms upp med hjälp av konkava och konvexa värmeverktyg. Sadelfusionsmaskinen applicerar svetskraft genom rörets mittlinje. Före svetsning måste rörets utsida rengöras från alla föroreningar, eftersom rörets smältskikt inte förskjuts från fogen.

Icke-förstörande testning (NDT)

Det finns två metoder för testning, inklusive oförstörande och destruktiv testning. Medan kvaliteten på en svets endast kan bestämmas genom destruktiva medel, tillåter NDT bestämning av defekter i det svetsade området. Följande avsnitt kommer att belysa några av de oförstörande metoder som används vid svetsning av termoplaster.

Visuell inspektion

Visuell inspektionstestning kan endast användas för att upptäcka brister på svetsytan men är den billigaste metoden för NDT. Denna inspektionsmetod kan utföras både under och efter svetsning. Under svetsning inspekterar operatören för missfärgning, felinriktning, skåror och andra ytdiskontinuiteter. Inspektion efter svetsning tillåter operatören att inspektera för mikrostrukturella egenskaper som kan vara skadliga för den svetsade delen.

Röntgenundersökning

Röntgentestning är en kostsam inspektionsmetod; därför är den i allmänhet begränsad till tryckkärl och rörledningar som transporterar farligt material. Denna metod är mest effektiv när densiteterna av imperfektionen och plasten har en väsentlig skillnad och används för att detektera hålrum, inneslutningar och andra defekter. En nackdel med denna metod är att mikrostrukturella defekter inte kan fastställas genom denna testmetod.

Täthetstest

Denna testmetod används oftast för svetsade rör och andra slutna behållare. Det finns olika varianter av detta test som är beroende av typen av medium (vatten, luft, gas) som används för att trycksätta provet. Det är vanligt att utföra detta test under vakuum.

Högspänningstest

Högspänningstestning känd som "gnisttest" är ett alternativ till täthetstestet. Detta test utfördes genom att belägga svetsen med ett elektriskt ledande ämne såsom en tråd, fibrer eller spolar. När en spänning appliceras bildas en ljusbåge som visar närvaron av en läcka. Detta test är inte väl lämpat för polära termoplaster som PVC eftersom de genererar värme som leder till potentiell nedbrytning av svetsen.

Ultraljudstestning

Ultraljudstestning använder högfrekventa vågor som färdas genom de svetsade områdena. Dessa vågor kan upptäcka defekter baserat på de olika densiteterna mellan imperfektionen och plastdelen. Det finns två primära metoder för att utföra ultraljudstestning och det är genom att använda en sändare och mottagare i kombination eller genom att använda en ultraljudsgivare. Dessa konventionella metoder som liknar röntgentestning kan inte upptäcka mikrostrukturella förändringar i svetsen. Avancerad ultraljudstestning såsom Phased array ultrasonics (PAUT) utvecklas för närvarande för inspektion av värmeplatta och elektrofusionsfogar.

Polyetenrör (PE) är önskvärda framför andra material såsom metaller för transport av vätskor på grund av deras motståndskraft mot korrosion vilket leder till längre livslängder. De är dock begränsade från att användas i kärnkraftverk på grund av opålitliga NDT-metoder. Nuvarande metoder innebär att man använder metoder som inte ger en fullständig analys av ett svetsat PE-rör.

Att använda en stumfogskonfiguration ger en liten smältzon och inspektionen är ytterligare komplicerad på grund av den höga dämpningen av PE. Korrekt sondplacering är också begränsad under inspektion på grund av interferens med svetssträngen. PAUT-systemet har fem primära komponenter. Dessa komponenter är den fasade arraysonden, sondkilen, sondhållaren, skannern och feldetektorn. Minst fyra fasade arraysonder krävs för att ultraljudssignalen ska upptäcka ett fel. Membranvattenkilen överför ultraljudet från sonderna in i röret samtidigt som energiförlusten minimeras och sondhållaren säkerställer korrekt kontakt mellan kilen och röret. Skanningssystemet som gjorts speciellt för denna testmetod bär sonden runt rörets skarv under inspektion. Slutligen analyserar feldetektorn signalen från sonden. Denna metod är speciellt utformad för inspektion av elektrosvetsar och stumsvetsar av rör i olika storlekar som sträcker sig från en tjocklek på 8-65 mm och en diameter på 90-800 mm. PAUT lämpar sig väl för detektering av:

  • Plana defekter- Detta kan orsakas av att svetsytan är täckt av fukt.
  • Föroreningar - Torra och blåsiga miljöer kan leda till att partiklar fäster på rörets yta.
  • Kallsvetsar - Detta orsakas av ofullständig eller partiell intermolekylär diffusion som resulterar i ett sprött misslyckande. Inducerad av kalla temperaturer eller om det finns ett stort gap mellan röret och kopplingen.
  • Under penetration - Denna typ av defekt orsakas av att klämmor inte är ordentligt fastsatta under svetsprocessen.

Två ISO- rapporter är under utveckling och granskas av teknisk kommitté (TC) 138 (Plaströr, kopplingar och ventiler för transport av vätskor) för att inkludera PAUT som en metod för volymetrisk NDT av PE-rör. En procedur har också gjorts för UT av stumfogar inklusive men inte begränsat till HDPE och mediumdensitetspolyeten (MDPE). ISO- och ASME-standarderna är listade som:

  • ISO/DTS 16943 - Termoplaströr för transport av vätskor - Inspektion av polyetenelektrofusionsmuffar med hjälp av fasad array ultraljudstestmetod
  • ISO/DTS 22499 - Termoplaströr för transport av vätskor - Inspektion av polyetenstumpar med ultraljudsförband av polyeten testmetod
  • ASME E3044/E3044M1 − 16e1 Standardpraxis för ultraljudstestning av polyetenbutt Fusion Joints