Designing an automated butt welding machine for welding high-density polyethylene pipes and investigating butt welding parameters
Yükleniyor...
Dosyalar
Tarih
2022
Yazarlar
Dergi Başlığı
Dergi ISSN
Cilt Başlığı
Yayıncı
İstanbul Gedik Üniversitesi
Erişim Hakkı
info:eu-repo/semantics/openAccess
Özet
Due to the wide use of butt fusion (heated tool) welding in pipeline engineering and construction, butt-fused joints should be observed so that welding defects are reduced in projects. This study aimed at improving the heated tool welding method by designing a semi-automatic butt welding machine using ensured corrective quality improvement, the resulting butt-fused joints were per DVS 2207 international butt welding standard and eliminated welding defects that may result from mishandling of the welding equipment. A new welding algorithm that improved the resulting butt-fused joints in line with the recommended method described by the process in the literature was applied in the designed semi-automatic butt-fusion machine. The gradual application of the welding pressure parameter proposed in this research which directly affects the quality of the weld was applied linearly and continuously in the welding procedure proposed by the literature. However, it was observed that the result of linearly applying the welding pressure at T4 exposed the less heated surfaces of the heated zone on the welds which resulted in the formation of weak joints due to insufficient polymer diffusion during the fusion process. To overcome this, welding pressure was gradually increased when joining the HDPE pipes since the heated surfaces of the joints to be welded were not suddenly ejected; the resulting joint provided better mechanical, chemical, and performance properties. The identified series of defects in the literature and on-site experience included inadequate entanglement of HDPE molecular chains at the joint causing poor mechanical performance of the derived butt fused weld. When the welding pressure at build-up time T4 was linearly increased at once as described in the literature, the melted surfaces to be joined on either end of the pipe were easily displaced and in most instances overflew, hence exposing the unheated hard surfaces of the joints. This resulted in any or all of the three welding defects: cold welds, bead misalignment, and non-uniform penetration of polyethylene chains. This was because the hard unheated surfaces could not enhance the penetration of polyethylene chains, they lacked an even and homogenized distribution of melted PE material during the joining period and finally had poor intermolecular diffusion taking place from one pipe to the other which also affected the smooth distribution of carbon black (CB) to the butt fused joints. The identified defects can be avoided by either automating the system as proposed in this research, or by employing expensive professional experienced operators when welding HDPE pipes using the manual machine. This research tackled the common flaws by automating the machine and integrating it with a better welding algorithm, at T4 initial welding pressure is (0 N)??mm?^2 , build-up welding pressure was applied as follows, ((0 to P2) N)??mm?^2 , then finally (P3 (to P1) N)??mm?^2 within 10 seconds. The mechanical properties, chemical properties, and performance of the fused joints were tested using the test method described in HDPE pipe technical standards. It was observed that the resulting joints exerted identical mechanical properties to the parent pipe because the new welding algorithm integrated into the designed mechatronics system guaranteed that no exposure of the partially cooled melted PE chains had occurred before fusion during the pipe joining the stage at T4. This was successfully achieved by carefully optimizing a uniform force in this case welding pressure which was applied to facilitate the homogenous thermal movement of the melted material which was strategically adjusted to eliminate exposure of the cold zones during the fusion stage. Since a carefully optimized unvarying welding pressure was applied in the presence of heat during fusion at T4, such favorable conditions enhanced the dispersion of polyethylene chains throughout the material's matrix resulting in adequate meshing within the PE micro-structure chains. The butt-fused samples from the semi-automatic welding machine were characterized by better mechanical strength, longer life span, and excellent performance compared to the butt fused samples from the manually operated welding machine which was characterized by poor mechanical strength and performance in some joints because the fused joints obtained from the manual welding machine had some welded pipe samples resulting in brittle failure mode when the tensile strength test was conducted, this meant that not all joints guaranteed a successful polyethylene entanglement during fusion at T4. The resistance to internal hydrostatic pressure at 80°C for 165 hours, under the pressure of 5.4 MPa for both machines' butt fused pipe samples was performed to evaluate a long-term internal pressure rating by investigating the material's enduring strength, functioning temperature, application settings, and pipe size, tests had shown that both the manual welding machine and automatic welding machine samples did not rupture or break after 165 hours. Also, the oxidation induction time (OIT) for both sample groups obtained by either manual butt fusion or automatic butt fusion was more than 20 minutes because the samples used were produced from the same batch of raw materials. Therefore, it was safe to say the method of fusion used had a negligible effect on the time it took for oxidation to occur on the welded pipe samples. However, it was observed that a nonhomogeneous distribution of CB in the PE matrix for samples performed by the manual welding machine had a significant effect on the resulting butt-fused joints' mechanical performance. This is why some of the resulting fused joints from the manual welding machine resulted in brittle failure mode during the tensile strength test.
Alın kaynağının boru hattı ve yapımlarında yaygın olarak kullanılması nedeniyle, projelerde kaynak hatalarının azaltılması için alın kaynaklı bağlantılara dikkat edilmelidir. Bu çalışma, düzeltici kalite iyileştirme kullanılarak yarı otomatik bir alın kaynak makinesi tasarlanarak ısıtmalı kaynak yöntem proseslerini iyileştirmeyi amaçlamıştır. Tasarlanan makine, elde edilen alın kaynaklı bağlantıların DVS 2207 Uluslararası Alın Kaynak Standardına uygun olmasını sağlar ve kaynak ekipmanının yanlış kullanılmasından kaynaklanabilecek kaynak hatalarını ortadan kaldırır. Tasarlanan yarı otomatik alın kaynak makinesinde, alın kaynak standardı ve literatürde önerilen yöntem doğrultusunda elde edilen alın kaynaklı birleştirmeleri iyileştiren yeni bir kaynak algoritması uygulanmaktadır. Kaynak kalitesini doğrudan etkileyen bu araştırmada önerilen kaynak basıncı parametresinin kademeli uygulaması, literatürde önerilen kaynak prosedüründe doğrusal ve sürekli olarak uygulanmaktadır. Ancak, T4'te kaynak basıncının lineer olarak uygulanması sonucunun, kaynaklar üzerinde ısınan bölgenin daha az ısınan yüzeylerini açığa çıkardığı ve bunun sonucunda ergitme işlemi sırasında yetersiz polimer difüzyonu nedeniyle zayıf bir bağlantının oluşmasına neden olduğu görülmüştür. Bunu aşmak için, HDPE boruların birleştirilmesi sırasında kaynak yapılacak bağlantıların ısınan yüzeyleri aniden dışarı çıkmadığından kaynak basıncı kademeli olarak uygulanmalıdır; ortaya çıkan kaynak daha iyi mekanik, kimyasal ve performans özellikleri sağlar. Literatürde ve saha deneyimlerinde tanımlanan kaynak hataları HDPE moleküler zincirlerinin yetersiz oluşmasının alın kaynaklı birleştirmede zayıf mekanik performansına neden olmasını içermektedir. Kaynak basıncı T4 literatürde anlatıldığı gibi bir kerede aniden uygulandığında, borunun her iki ucunda birleştirilecek olan erimiş yüzeyler kolayca yer değiştirmiş ve çoğu durumda taşmış, dolayısıyla kaynak yapılacak bağlantıları ısıtılmamış ve sert yüzeyleri açığa çıkarmıştır. Bu durum, üç hatadan herhangi birine veya tümüne neden olur; soğuk kaynak elde etmesi, yanlış hizalanma ve polietilen zincirlerin düzgün olmayan penetrasyonu. Bunun nedeni, ısıtılmamış sert yüzeylerin polietilen zincirlerinin penetrasyonunu artıramamasıydı, birleştirme süresi boyunca erimiş PE malzemesinin eşit ve homojen dağılımının olmamasındandır, ve son olarak bir borudan diğerine zayıf moleküller arası difüzyon meydana geldiğinden durum karbon siyahının (CB) alın kaynak bağlantılara düzgün dağılımını etkiler. Belirlenen kusurlar ve kaynak hataları, ya bu araştırmada önerildiği gibi sistemi otomatikleştirerek ya da HDPE boruları manuel makine kullanarak kaynak yaparken profesyonel deneyimli mühendisler ve teknisyenler çalıştırarak önlenebilir. Bu araştırmada, makineyi otomatikleştirerek ve daha iyi bir kaynak algoritması ile entegre ederek yaygın kaynak hataları ele alınmıştı, T4 başlangıç kaynak basıncı (0 N)??mm?^2 , kaynak basıncı oluşturma aşağıdaki gibi uygulandı, ((0 to P2) N)??mm?^2 , ardından son olarak (P3 (to P1) N)??mm?^2 , 10 saniye içinde. Kaynak bağlantılarının mekanik özellikleri, kimyasal özellikleri ve performansı, HDPE boru teknik standartlarında açıklanan test yöntemi kullanılarak test edilmiştir. Ortaya çıkan bağlantıların ana boruya aynı mekanik özellikleri uyguladığı gözlemlendi, çünkü tasarlanan mekatronik sistemine entegre edilen yeni kaynak algoritması, T4'te boru birleştirme aşaması sırasında füzyondan önce kısmen soğutulmuş erimiş PE zincirlerinin maruz kalmamasını garanti eder. Bu, ergimiş malzemenin homojen termal hareketini kolaylaştırmak için uygulanan ve füzyon aşaması sırasında soğuk bölgelerin maruz kalmasını ortadan kaldırmak için stratejik olarak ayarlanan kaynak basıncının bu durumda düzgün bir kuvvetin dikkatlice optimize edilmesiyle başarılı bir şekilde elde edilmiştir. T4'te füzyon sırasında ısı mevcudiyetinde dikkatle optimize edilmiş değişmeyen bir kaynak basıncı uygulandığından, bu tür uygun koşullar, polietilen zincirlerinin malzemenin matrisi boyunca dağılımını arttırarak, PE mikro yapı zincirleri içinde yeterli bağlantı oluşumuna neden olmuştur. Yarı otomatik kaynak makinesinden alınan alın kaynaklı numuneler, manuel olarak çalıştırılan kaynak makinesinden alınan alın kaynaklı numunelere kıyasla daha iyi mekanik mukavemet, daha uzun ömür ve mükemmel performans ile karakterize edilmiştir. Manuel kaynak makinesinden T4'te füzyon sırasında elde edilen erimiş bağlantıların bazı kaynaklı boru numuneler sahip olması nedeniyle, bazı bağlantılarda zayıf mekanik dayanım ve performans ile karakterize edilen, çekme dayanımı testi yapıldığında gevrek arıza moduna neden olmuştur. Bu, tüm bağlantıların başarılı bir polietilen garanti etmediği anlamına gelir. Her iki makinenin alın kaynaklı boru numuneleri için 80°C, 165 saat içerisinde 5,4 MPa basınç altında dahili hidrostatik basınca direnç, malzemenin dayanıklılık, çalışma sıcaklığı ve uygulama ayarlarını inceleyerek uzun vadeli bir iç basınç derecesini değerlendirmek için gerçekleştirilmiştir. Boru boyutu, testler, hem manuel kaynak makinesi hem de otomatik kaynak makinesi numunelerinin 165 saat sonra yırtılmadığını veya kırılmadığını göstermiştir. Ayrıca, manuel kaynak makinesi veya otomatik kaynak makinesi ile elde edilen her iki numune grubu için oksidasyon indüksiyon süresi (OIT), kullanılan numuneler aynı hammadde partisinden üretildiği için, oksidasyon indüksiyon süresi 20 dakikadan fazlaydı. Bu nedenle, kullanılan kaynak makinesi kaynaklı boru numunelerinde oksidasyonun meydana gelmesi için geçen süre üzerinde ihmal edilebilir bir etkiye sahip olduğunu söylemek güvenlidir. Ama, manuel kaynak makinesi tarafından gerçekleştirilen numuneler için PE matrisinde CB'nin homojen olmayan bir dağılımının, elde edilen alın kaynaklı bağlantıların mekanik performansı üzerinde önemli bir etkiye sahip olduğu gözlenmıştır. Bu nedenle, manuel kaynak makinesinden kaynaklanan bazı kaynak bağlantıların çekme mukavemeti testi sırasında gevrek davranış gösterdiği tespit edilmiştir.
Alın kaynağının boru hattı ve yapımlarında yaygın olarak kullanılması nedeniyle, projelerde kaynak hatalarının azaltılması için alın kaynaklı bağlantılara dikkat edilmelidir. Bu çalışma, düzeltici kalite iyileştirme kullanılarak yarı otomatik bir alın kaynak makinesi tasarlanarak ısıtmalı kaynak yöntem proseslerini iyileştirmeyi amaçlamıştır. Tasarlanan makine, elde edilen alın kaynaklı bağlantıların DVS 2207 Uluslararası Alın Kaynak Standardına uygun olmasını sağlar ve kaynak ekipmanının yanlış kullanılmasından kaynaklanabilecek kaynak hatalarını ortadan kaldırır. Tasarlanan yarı otomatik alın kaynak makinesinde, alın kaynak standardı ve literatürde önerilen yöntem doğrultusunda elde edilen alın kaynaklı birleştirmeleri iyileştiren yeni bir kaynak algoritması uygulanmaktadır. Kaynak kalitesini doğrudan etkileyen bu araştırmada önerilen kaynak basıncı parametresinin kademeli uygulaması, literatürde önerilen kaynak prosedüründe doğrusal ve sürekli olarak uygulanmaktadır. Ancak, T4'te kaynak basıncının lineer olarak uygulanması sonucunun, kaynaklar üzerinde ısınan bölgenin daha az ısınan yüzeylerini açığa çıkardığı ve bunun sonucunda ergitme işlemi sırasında yetersiz polimer difüzyonu nedeniyle zayıf bir bağlantının oluşmasına neden olduğu görülmüştür. Bunu aşmak için, HDPE boruların birleştirilmesi sırasında kaynak yapılacak bağlantıların ısınan yüzeyleri aniden dışarı çıkmadığından kaynak basıncı kademeli olarak uygulanmalıdır; ortaya çıkan kaynak daha iyi mekanik, kimyasal ve performans özellikleri sağlar. Literatürde ve saha deneyimlerinde tanımlanan kaynak hataları HDPE moleküler zincirlerinin yetersiz oluşmasının alın kaynaklı birleştirmede zayıf mekanik performansına neden olmasını içermektedir. Kaynak basıncı T4 literatürde anlatıldığı gibi bir kerede aniden uygulandığında, borunun her iki ucunda birleştirilecek olan erimiş yüzeyler kolayca yer değiştirmiş ve çoğu durumda taşmış, dolayısıyla kaynak yapılacak bağlantıları ısıtılmamış ve sert yüzeyleri açığa çıkarmıştır. Bu durum, üç hatadan herhangi birine veya tümüne neden olur; soğuk kaynak elde etmesi, yanlış hizalanma ve polietilen zincirlerin düzgün olmayan penetrasyonu. Bunun nedeni, ısıtılmamış sert yüzeylerin polietilen zincirlerinin penetrasyonunu artıramamasıydı, birleştirme süresi boyunca erimiş PE malzemesinin eşit ve homojen dağılımının olmamasındandır, ve son olarak bir borudan diğerine zayıf moleküller arası difüzyon meydana geldiğinden durum karbon siyahının (CB) alın kaynak bağlantılara düzgün dağılımını etkiler. Belirlenen kusurlar ve kaynak hataları, ya bu araştırmada önerildiği gibi sistemi otomatikleştirerek ya da HDPE boruları manuel makine kullanarak kaynak yaparken profesyonel deneyimli mühendisler ve teknisyenler çalıştırarak önlenebilir. Bu araştırmada, makineyi otomatikleştirerek ve daha iyi bir kaynak algoritması ile entegre ederek yaygın kaynak hataları ele alınmıştı, T4 başlangıç kaynak basıncı (0 N)??mm?^2 , kaynak basıncı oluşturma aşağıdaki gibi uygulandı, ((0 to P2) N)??mm?^2 , ardından son olarak (P3 (to P1) N)??mm?^2 , 10 saniye içinde. Kaynak bağlantılarının mekanik özellikleri, kimyasal özellikleri ve performansı, HDPE boru teknik standartlarında açıklanan test yöntemi kullanılarak test edilmiştir. Ortaya çıkan bağlantıların ana boruya aynı mekanik özellikleri uyguladığı gözlemlendi, çünkü tasarlanan mekatronik sistemine entegre edilen yeni kaynak algoritması, T4'te boru birleştirme aşaması sırasında füzyondan önce kısmen soğutulmuş erimiş PE zincirlerinin maruz kalmamasını garanti eder. Bu, ergimiş malzemenin homojen termal hareketini kolaylaştırmak için uygulanan ve füzyon aşaması sırasında soğuk bölgelerin maruz kalmasını ortadan kaldırmak için stratejik olarak ayarlanan kaynak basıncının bu durumda düzgün bir kuvvetin dikkatlice optimize edilmesiyle başarılı bir şekilde elde edilmiştir. T4'te füzyon sırasında ısı mevcudiyetinde dikkatle optimize edilmiş değişmeyen bir kaynak basıncı uygulandığından, bu tür uygun koşullar, polietilen zincirlerinin malzemenin matrisi boyunca dağılımını arttırarak, PE mikro yapı zincirleri içinde yeterli bağlantı oluşumuna neden olmuştur. Yarı otomatik kaynak makinesinden alınan alın kaynaklı numuneler, manuel olarak çalıştırılan kaynak makinesinden alınan alın kaynaklı numunelere kıyasla daha iyi mekanik mukavemet, daha uzun ömür ve mükemmel performans ile karakterize edilmiştir. Manuel kaynak makinesinden T4'te füzyon sırasında elde edilen erimiş bağlantıların bazı kaynaklı boru numuneler sahip olması nedeniyle, bazı bağlantılarda zayıf mekanik dayanım ve performans ile karakterize edilen, çekme dayanımı testi yapıldığında gevrek arıza moduna neden olmuştur. Bu, tüm bağlantıların başarılı bir polietilen garanti etmediği anlamına gelir. Her iki makinenin alın kaynaklı boru numuneleri için 80°C, 165 saat içerisinde 5,4 MPa basınç altında dahili hidrostatik basınca direnç, malzemenin dayanıklılık, çalışma sıcaklığı ve uygulama ayarlarını inceleyerek uzun vadeli bir iç basınç derecesini değerlendirmek için gerçekleştirilmiştir. Boru boyutu, testler, hem manuel kaynak makinesi hem de otomatik kaynak makinesi numunelerinin 165 saat sonra yırtılmadığını veya kırılmadığını göstermiştir. Ayrıca, manuel kaynak makinesi veya otomatik kaynak makinesi ile elde edilen her iki numune grubu için oksidasyon indüksiyon süresi (OIT), kullanılan numuneler aynı hammadde partisinden üretildiği için, oksidasyon indüksiyon süresi 20 dakikadan fazlaydı. Bu nedenle, kullanılan kaynak makinesi kaynaklı boru numunelerinde oksidasyonun meydana gelmesi için geçen süre üzerinde ihmal edilebilir bir etkiye sahip olduğunu söylemek güvenlidir. Ama, manuel kaynak makinesi tarafından gerçekleştirilen numuneler için PE matrisinde CB'nin homojen olmayan bir dağılımının, elde edilen alın kaynaklı bağlantıların mekanik performansı üzerinde önemli bir etkiye sahip olduğu gözlenmıştır. Bu nedenle, manuel kaynak makinesinden kaynaklanan bazı kaynak bağlantıların çekme mukavemeti testi sırasında gevrek davranış gösterdiği tespit edilmiştir.
Açıklama
Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, Mekatronik Ana Bilim Dalı, Mekatronik Mühendisliği Bilim Dalı
Anahtar Kelimeler
Corrective Quality Improvement, Butt Fusion Machine, Cold Weld, Internal Hydrostatic Pressure, Oxidation Induction Time, Düzeltici Kalite İyileştirme, Alın Kaynak Makinesi, Soğuk Kaynak, İç Basınç Direnci Tayini, Oksidasyon İndüksiyon Süresi
