ESTUDIO DE LAS UNIONES SOLDADAS EN TUBERÍAS DE POLIETILENO DE ALTA DENSIDAD (HDPE)

CONAMET/SAM -SIMPOSIO MATERIA 2002 ESTUDIO DE LAS UNIONES SOLDADAS EN TUBERÍAS DE POLIETILENO DE ALTA DENSIDAD (HDPE) Brunsley Elliot S., Víctor Bermont O. y Ricrdo Cstillo B. Universidd de L Seren, Fcultd de Ingenierí, Depto. Ing. Mecánic, Benvente 980 L Seren, Chile, e-mil: vermont@hotmil.com RESUMEN L plicción de mteriles plásticos h umentdo fuertemente en el ámito mundil. L necesidd ctul de producir elementos de plásticos con geometrís complejs y de grndes dimensiones, h motivdo estudir forms de unión, en especil l solddur. En Chile, el conocimiento sore uniones medinte solddur tiene un grn importnci, deido l creciente uso de los plásticos en l minerí y en l gricultur. El ojetivo de este trjo es profundizr el conocimiento sore l solddur de estos mteriles. Pr esto se nlizó l influenci de los prámetros: presión de solddur (P), tempertur de clentmiento (T) y tiempo de clentmient o (t), sore l resistenci mecánic de l unión soldd en tuerís de polietileno de lt densidd (HDPE). Se relizron ensyos mecánicos de trcción y doldo ls uniones soldds. Ls prticulriddes de ls superficies de frctur, producids en mos ensyos, se nlizron medinte microscopí electrónic de rrido SEM. Se encontró que los efectos de l tempertur y presión son los de myor significción, mientrs que el efecto del tiempo es menos significtivo. L presión influye fuertemente sore l frgilidd de l unión y en menor medid sore l resistenci l trcción. En los ensyos de trcción se encontró que l frctur se produjo en el mteril se dycente l unión. Además, en ls superficies de frctur se encontró presenci de un grn cntidd de gujeros u hoyuelos, lo cul indic que el proceso de frctur es controldo por deformción. Plrs clves: Plásticos, uniones soldds, ensyo de trcción, frctur, frctogrfí. 1. INTRODUCCION L myor plicción de mteriles plásticos en l industri miner, limentici, mrítim y otrs, h permitido solucionr prolems de oxidción y corrosión y entregr myores ventjs que muchos mteriles trdicionles y procesos de recurimientos superficiles [1,2]. L necesidd de producir piezs de geometrís complejs y de grndes dimensiones en mteriles plásticos, h motivdo l necesidd de estudir los conceptos de unión, y en especil l solddur [2]. Un de ls instituciones que desrroll éste tem es l Asocición Alemn de Solddur que promueve y entreg ls norms pr solddur de plásticos DVS Mrekltter und Richtlinien [3-5]. Ls crcterístics de soldilidd de los mteriles plásticos medinte l plicción de clor, dependen directmente de su nturlez termoplástic o termoendurecile, ls crcterístics físics y l geometrí de los elementos. Los mteriles termoplásticos son los que poseen l cpcidd de soldilidd medinte clor. Los vnces tecnológicos hn permitido el desrrollo de nuevos procesos de solddur de los plásticos [3]. En tuerís de Polietileno de Alt Densidd (HDPE), los tipos de uniones que podemos encontrr son fijciones de tipo mecánics y medinte solddur. El proceso de unión medinte plto clefctor es prticulrmente decudo, pues permite tiempos de solddur muy cortos y uniones resistentes en el tiempo [4]. El presente trjo está orientdo profundizr el conocimiento sore l relción entre los prámetros de solddur y l resistenci mecánic de ls tuerís de Polietileno de Alt Densidd HDPE_PE-100. Se considerron los prámetros de presión de solddur (P), tempertur de clentmiento (T) y el tiempo de clentmiento (t). El efecto sore l resistenci mecánic se determinó medinte ensyos de trcción y doldo. Además se relizron nálisis de microscopí electrónic (SEM) en ls superficies de frctur pr determinr los mecnismos de su desrrollo. 2. DESARROLLO EXPERIMENTAL Se usron tuerís de polietileno ncionles rotulds HDPE _PE-100, diámetro exterior 110 mm, elords jo norm ISO 4427. Ests fueron soldds en un máquin Roweld P-110,

Plstic Pipe Welding Mchine, figur 1, de cuerdo l ciclo mostrdo en l figur 2, donde: Zon 1: Tiempo de formción del reorde o pestñ en el perímetro de ls tuerís poyds en el plto clefctor. Zon 2 : Tiempo de difusión del clor trvés de l tuerí. L presión mínim solo segur el contcto entre el plto clefctor y ls tuerís. Zon 3: Tiempo pr seprr los crros, y unir ls tuerís. Zon 4: Tiempo necesrio pr lcnzr l presión de solddur El umento grdul de l presión reduce ls tensiones interns y fvorece un flujo suve del mteril hci el cordón de solddur Zon 5: Tiempo de enfrimiento de l unión presión constnte. P máx. P mín. Presión B Figur 1. Equipo Roweld P-110, Plstic Pipe Welding Mchine. A: Plto clefctor, B: Tuerís de HDPE soldr. 1 2 4 5 Figur 2. Períodos de presión plicds en el proceso de solddur. Desde ls tuerís soldds fueron cortds ls proets, dejndo l unión soldd en el centro de l muestr de cuerdo con los requerimientos pr los ensyos de trcción y doldo DVS 2203 [5-7]. El corte de ls proets se relizó medinte sierr mecánic y en l terminción se empleó un cepillo crpintero. Se confeccionron un totl de 40 proets de 170 de lrgo x 15 mm de ncho x 6.7 mm de espesor pr los ensyos de trcción y 40 proets de 170 de lrgo x 15 mm de ncho x 6.7 mm de espesor, pr los ensyos de doldo. 3 A Tiempo 5 Pr los ensyos de trcción se empleó un mquin TINIUS OLSEN, con un velocidd de desplzmiento de ls mordzs de 50 mm/min. Los ensyos de doldo se relizron en form mnul, considerndo un ángulo crítico de ceptción de 160 Pr el estudio frctográfico se empleó un microscopio electrónico de rrido JEOL T300. Dd l crcterístic dielectric del mteril estudido fue necesrio recurir con un cp de oro l superficie oservr. Pr esto se empleó un equipo Fine Cot ION SPUTTER JFC-1100. El proceso comprende un secdo 60 C durnte 12 minutos y luego el recurimiento en vcío. El recurimiento con oro duró 10 minutos y se logró un cp de proximdmente 350 Å. Pr estlecer l influenci de los prámetros de presión de solddur P, tempertur de clentmiento T y tiempo de clentmiento t, se estlecieron ocho cominciones con distintos vlores de F T - t. Donde F es l fuerz plicd por l mquin ls tuerís l momento de soldr. Los vlores de F considerdos son 180 N y 500 N, los cules l ser plicdos l áre trnsversles de solddur de ls tuerís, produjeron ls presiones P de 0.08 y 0.22 N/mm 2 respectivmente. 3. RESULTADOS Y DISCUSION 3.1 Ensyos mecánicos En l tl I se muestrn los vlores promedio de resistenci l trcción y ángulos de doldo otenidos en mos ensyos efectudo ls ocho cominciones (Com) de vlores de presión P, tempertur T y tiempo t. Cd vlor de ls columns R1 (Resistenci l trcción) y R2 (Resistenci l doldo 160 ) corresponden l promedio de cinco mediciones. Com. P N/mm 2 T C t seg R1 Kg/cm 2 R2 >160 I 0.08 180 35 240 Si II 0.08 265 35 255 Si III 0.22 180 35 251 No IV 0.22 265 35 252 Si V 0.08 180 165 246 Si VI 0.08 265 165 245 Si VII 0.22 180 165 247 No VIII 0.22 265 165 253 Si Tl I Resultdos de los ensyos de trcción y doldo pr ls diferentes cominciones 3.1.1 Ensyo de trcción Los vlores de R1 de ls distints cominciones resultron muy similres, existiendo solo un escs diferenci entre ellos. Además se encontró que en ls ocho cominciones l frctur se

produjo en l zon dycente l zon de solddur. Estos comportmientos indicrín que es posile cominr los vlores de presión de solddur, tempertur y tiempo de clentmiento, sin fectr los vlores de resistenci l trcción. 3.1.2 Ensyo de doldo Los vlores de R2 de ls ocho cominciones muestrn que en seis tipos de cominciones soport un lt deformción por doldo sin que se produzc l frctur, existiendo solo dos csos (III y VII) en los cules se produce l frctur ntes de lcnzr un ángulo de doldo de 160. Estos csos corresponden jo y lto tiempo de clentmiento (35 y 165 seg. respectivmente), comindo con el myor vlor de presión (P = 0.22 N/mm 2 ) pero con el menor vlor de tempertur (T = 180 C). Ls cominciones I y V, con jo y lto tiempo de clentmiento respectivmente, resistieron un doldo de 160. Ams cominciones tmién tienen el menor vlor de tempertur (T = 180 C) pero en este cso ms cominciones fueron sometids un vlor de presión ms jo (P = 0.08 N/mm 2 ). Ls cominciones II y IV, ms con jo tiempo de clentmiento (t = 35 seg.), fueron sometids un j y lt presión respectivmente, pero con el vlor más lto de tempertur (T = 265 C), resistiendo ms un doldo de 160. Ls cominciones VI y VIII, tmién fueron sometids un j y lt presión respectivmente, y con el vlor más lto de tempertur (T = 265 C), pero con lto tiempo de clentmiento (t = 165 seg.). En este cso, tmién ms cominciones resistieron un doldo de 160. El nálisis de los comportmientos ntes descr itos, permite indicr que l presión de solddur y l tempertur de clentmiento influyen fuertemente en ls propiedd de resistenci l doldo, y de ms, l tempertur es ms significtiv. Sin emrgo l tempertur puede ser j, pero en este cso se dee cuidr que l presión tmién se j con el propósito de evitr frgilidd. distints morfologís de los gujeros. L figur 3-c muestr con un myor mgnificción el recudro indicdo en l figur 3-. En ell se puede precir que microescl ocurre el mecnismo de desgrro denomindo tering, el cul corresponde un mecnismo dúctil de frctur [8]. A prtir de ests oservciones se puede inferir que l frctur microescl es de comportmiento dúctil y que l presenci de prtículs extrñs l mtriz pueden disminuir el lrgmiento que experiment este mteril ntes de producirse l frctur. 100 100 mm mm 3.2 Ensyos frctográficos Ls frctogfís que continución se nlizn corresponden ls zons de rotur por trcción y por doldo. 3.2.1 Trcción L figur 3 muestr ls crcterístics de l frctur por trcción. L figur 3- muestr el comportmiento topográfico de l superficie de frctur. Sore ell se oserv un grn cntidd de gujeros denomindos Dimples [8]. L figur 3- es un oservción mplid de l mism superficie de frctur. En est se muestrn ls c c 10 10 mm µm Figur 23 Crcterístics de ls superficies de frctur por trcción. 3.2.2 Doldo En l figur 4 se muestrn ls crcterístics de ls superficies de frctur de ls proets de doldo, indicándose l dirección de vnce de l frctur. L figur 4- corresponde l zon de myor tensión, donde se inici l rotur.

L figur 4- muestr que l frctur se v inicindo en distints zons y que cd un de ells irrdi en tod s ls direcciones, sliendo incluso l pso de l dirección del vnce principl de l frctur. El punto de inicio de ests pequeñs zons se muestr con un myor mgnificción en l figur 4-c, preciándose que l superficie de frctur se desrroll medinte el mecnismo dúctil de desgrro. L figur 4-d muestr l últim zon de frctur, l cul corresponde l zon sometid compresión l inicio de l frctur. En ell se oserv un zon muy firos seguid de un zon suve de frctur. L zon firos indicd en el recudro, se muestr con myor mgnificción en l figur 4-e. Se puede precir que l zon firos corresponde un mecnismo más complejo de frctur, donde coexisten zons de grn deformción formds por un red y zons esclonds de frctur. Ls diferentes forms de frcturs presentds en l figur, permite indicr que ls crcterístics de l superficie de frctur son fuertemente influencids por l mgnitud y signo de l crg. Dirección de vnce de l frctur d e 100 mm c 100 mm Figur 4 Crcterístics de l superficie de frctur por doldo

4. CONCLUSIONES - Es posile cominr los vlores de presión de solddur, tempertur y tiempo de clentmiento, sin fectr l resistenci l trcción de ls uniones soldds de polímeros de lt densidd solddos con plto clefctor. - Los vlores de l resistenci l trcción de ls distints cominciones resultron muy similres y l frctur se produjo en l zon dycente l zon de solddur - L presión de solddur y l tempertur de clentmiento fectn l resistenci l doldo, siendo l tempertur ms significtiv. Pr tempertur j, l presión tmién dee ser j con el propósito de evitr frgilidd. - Ls superficies de frctur por trcción presentron el mecnismo de frctur dúctil por desgrro. - Se sugiere seguir investigndo el efecto de los prámetros de solddur P,T,t en l resistenci mecánic l ftig, impcto y creep. Además estudir sus micromecnismos de frctur. - En l frctur por doldo los mecnismos son influencidos por l mgnitud de l crg. Inicilmente, en l zon de myor tensión, se present el mecnismo de desgrro mientrs que l finl en l zon de compresión, el mecnismo es más complejo, coexistiendo zons de grn deformción formds por un red con zons esclonds, dentro de l red. Referencis 1. Quezd, C., Iturriet, C., Plásticos en l Conducción de gu, Mnul de Curso de Solddur dictdo por CIP Chile Ltd. Sntigo, Chile, 2000. 2. ASM Interntionl Puliction, Guide to selecting engineered mterils, (1990)19-21. 3. Quezd, C., Iturriet, C., Solddur de Termoplásticos, Mnul de Curso de Solddur Dictdo por CIP Chile Ltd. Sntigo, Chile, 2000. 4. Elliot, B., Estudio de l influenci de prámetros de solddur sore l resistenci mecánic de un union soldd medinte plto clefctorueris de polietileno de lt densidd PE-100, Tesis ingenieril, ULS, 2001. 5. NORMA DVS 2203 TEIL 1. Prüfen von Kunstsoffen, Prüfverfhren-Anforderungen, März, 1986 6. NORMA DVS 2203 TEIL 2. Prüfen von Kunstsoffen, Zungversuc,. Juli 1985 7. NORMA DVS 2203 TEIL 5. Prüfen von Kunstsoffen, Technologischer Biegeversuch, Juli, 1985. 8. KERLINS, V., Modes of Frcture, Metls Hndook Ninth Edition Volume 12, Frctogrphy, pp.12-71