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 T_r. 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 T_l - 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.).

Typy maszyn

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,

Rodzaj kombinacji	Zgrzewanie promieniami podczerwonymi (IR)		Zgrzewanie doczołowe płytą grzejną (HS)
		Średnia wartość	Odchylenie standardowe	Średnia wartość	Odchylenie standardowe
rura-rura	0,93	0,05	0,84	0,09
kształtka kształtka	0,88	0,06	0,78	0,10
rura-kształtka	0,90	0,05	0,82	0,11
ogółem	0,90	0,06	0,81	0,11

Porównanie współczynników zgrzewania elementów z PVDF o średnicach 63 - 225 mm przy temperaturze badania -40°C:

że przy zgrzewaniu promieniami podczerwonymi wysokość wypływki jest wynikiem drogi łączenia, każde połączenie jest identyczne, niezależnie od zgrzewacza.

Korzyści wynikające z zastosowania połączeń na podczer­wień w rurociągach:

- Bardzo małe wypływki przy zgrzewaniu podczerwienią wytwarzają znacznie mniejszy obszar martwy, gdzie mogą osa­dzać się zanieczyszczenia, które powodowałyby zanieczysz­czenie przewodzonego medium, jak np. woda czysta lub woda o najwyższym stopniu czystości.

- Zmniejszenie nakładów związanych z obsługą rurociągów (płukanie). Wzrost efektywnego czasu produkcji. Wzrost opła­calności instalacji.

- Poprawa parametrów przepływu - przy małych wymia­rach różnice mogą wynieść do 30%.

- Możliwość zmniejszenia mocy pompy, a także zastoso­wania rur o mniejszej średnicy. To obniżenie kosztów zwięk­sza rentowność instalacji.

Główne obszary zastosowań zgrzewarek typu IR są tam, gdzie wymagana jest wysoka jakość i czystość połączeń. Sam proces zgrzewania nie pozostawia żadnych śladów, ani w po­staci substancji dodatkowych, ani w postaci przemian mate­riałowych.

Zastosowanie technologii zgrzewania podczerwienią brane jest pod uwagę dla tych gałęzi przemysłu, które wymagają instalacji o wysokiej czystości.

Instalacje o wysokiej czystości można spotkać przede wszyst­kim w przemyśle farmaceutycznym, biotechnice, technice me­dycznej, przemyśle elementów półprzewodnikowych oraz po części również w przemyśle środków spożywczych i przemy­śle kosmetycznym. Pojęcie "czystości" nie jest równoznaczne dla wszystkich gałęzi przemysłu. Tak np. w branży medyczno-farmaceutycznej ze względu na wysokie ryzyko (przeznaczone dla ludzi roztwory do injekcji oraz do wlewów muszą być "ab­solutnie" sterylne) dla pojęcia sterylności przyjmuje się surow­sze normy niż w przemyśle spożywczym czy kosmetycznym, gdyż skutki niesterylności w sektorze medyczno-farmaceutycznym są bez porównania bardziej doniosłe. W branży spożyw­czej mówi się o sterylności komercyjnej. Artykuł żywnościowy jest "komercyjnie sterylny" wtedy, kiedy z dużym prawdopo­dobieństwem nie zawiera on chorobotwórczych oraz zdolnych do rozmnażania i siejących spustoszenie w organizmie zaraz­ków, znacznie skracających trwałość przechowywania produk­tów lub wyrządzających szkodę konsumentowi podczas spoży­cia. W przemyśle elektronicznym, w którym stosowana jest woda o najwyższym stopniu czystości, przez czystość rozumie się brak zanieczyszczeń jonowych i organicznych.

Wysokie wymagania jakościowe w tych gałęziach przemysłu, stawiane czystości w obrębie procesu produkcyjnego, wynikają z ustawowych przepisów (ustawy o środkach leczniczych, farma­kopeach, ustawy o artykułach żywnościowych itd.) lub z koniecz­ności zredukowania ilości braków oraz obniżki kosztów.

Woda jest środkiem stosowanym w dużych ilościach przez wszystkie gałęzie przemysłu. Woda różnej jakości jest najważ­niejszym surowcem wytwarzania produktów w znaczących gałęziach gospodarki. Jednakże woda używana jest także do czyszczenia urządzeń.

Woda, względnie system wodny, stanowi pod względem mikrobiologicznym zawsze ogromnie podatną część procesu produkcji. Wymagania stawiane czystości wody obowiązują zarówno dla produktu, jak też dla wody czyszczącej.

Przemysł elementów półprzewodnikowych potrzebuje wody niemal wyłącznie do czyszczenia struktur „chipów" po każdej fazie procesu wytwarzania, natomiast w przemyśle farmaceu­tycznym, kosmetycznym oraz spożywczym większość wody zużywana jest na sam produkt.

Nieodpowiednie rurociągi, występujące w nich np. martwe strefy przepływu, zła jakość powierzchniowa, mogą stać się prawdziwym ogniskiem zakażenia, rozszerzającym się na całą instalację i prowadzącym, w zależności od stanu skażenia, do unieruchomienia produkcji na wiele dni. Ekonomiczne efekty takiego dylematu można łatwo sobie wyobrazić.

Obok techniki łączenia oraz geometrii części składowych rurociągów (złączki, rury, armatura) jednym z najważniejszych czynników przy budowie np. instalacji uzdatniania wody jest materiał, jaki się stosuje.

Szczególnie dobrze dostosowany do konstrukcji rurociągów wypełnionych środkami wysokiej czystości, środkami gorą­cymi lub agresywnymi w wymienionych uprzednio gałęziach przemysłu jest PVDF.

PVDF (polifluorek winylidenu) jest po części krystalicz­nym tworzywem termoplastycznym o doskonałych właściwo­ściach mechanicznych, fizycznych oraz chemicznych. Pod za­rejestrowanym znakiem towarowym SYGEF® firma Georg Fi-scher oferuje kompletny system rur i złączek z tego materiału.

Oto jego najistotniejsze właściwości:

- znakomita odporność na starzenie,

- zakres stosowania od -40°C do +140°C,

- duża odporność na odkształcenia cieplne,

- wybitna stabilność termiczna,

- duża odporność chemiczna,

- odporność na promieniowanie jonizujące,

- znakomita odporność na ścieranie,

trudnozapalność (właściwości samogaszące).

Podsumowanie

Zgrzewarki typu IR firmy Georg Fischer wykazują dużo istotnych zalet w porównaniu z tradycyjnymi zgrzewarkami doczołowymi. Należą do nich: nagrzewanie bezdotykowe, przez co zminimalizowane zostaje ryzyko zanieczyszczenia powierzchni zgrzewanej; odtwarzalne procesy łączenia, gdyż nie nacisk łączenia, a droga łączenia steruje procesem zgrze­wania; odpada tu proces przystosowania, przez co uzyskuje się poprawę geometrii wypływki oraz skrócenie czasu proce­su; prosta i zrozumiała obsługa za pośrednictwem wskaźnika ciekłokrystalicznego.

Dzięki temu dysponuje się techniką łączenia systemów prze­wodów rurowych z tworzyw sztucznych, która wraz z opraco­wanymi w tym celu złączkami zgrzewania doczołowego two­rzy szeroko zakrojone i reprezentujące wysoki poziom jakości rozwiązanie systemowe.

Ponad 2,5 miliona stosowanych na całym świecie zgrzewarek typu IR oraz około 3000 wyszkolonych oraz posiadających od­powiedni certyfikat spawaczy w podczerwieni ilustruje olbrzymi sukces technologii zgrzewania promieniami podczerwonymi.

Temat: Technologia zgrzewania tworzyw sztucznych promieniami podczerwonymi - technika i obszary zastosowań.1

Opracował: Piotr Dubiel

---