2.7. Методы соединения пластмасс и армированных композитов.

Механические соединения

При использовании механических соединений пластмасс и армированных композитов необходимо учитывать не только напряжения при растяжении и изгибе в исходном материале, но и напряжения изгиба в соединении, потери прочности при растяжении за счет сверления материала, сдвиговые свойства соединения; трение между соединяемыми частями, уменьшающее напряжение; типы соединений и их усталостные свойства.

Механические соединения пластмасс и армированных композитов различаются по видам используемых механических креплений: клепаные, резьбовые и штифтовые, Применение того или иного вида соединения зависит от типа нагрузок, надежности, легкости в производстве, стоимости от необходимости получения съемных, подвижных или других видов соединений.

При конструировании изделий из композиционных материалов необходимо учитывать, что все они практически являются ортотропными, имеющими три взаимно перпендикулярные оси упругой симметрии, которые соответствуют двум направлениям в плоскостях слоя и направление, перпендикулярное слоям. В стеклотекстолитах, где в каждом слое существует два взаимно перпендикулярных направления максимальных прочностных свойств, прочность материала не зависит от ориентации волокон. В основном же прочностные свойства существенно зависят от ориентации армирующей компоненты.

В стекловолокнитах, текстолитах, углепластиках, рассмотренных выше и представляющих собой слоистые пластики, материал состоит из многих слоев армирующей компоненты, заполненных термореактивной связующей. Армирующая компонента воспринимает растягивающие и сжимающие нагрузки, в то время как матрица (связующее) перераспределяет напряжения между волокнами и предотвращает потерю устойчивости волокон. Тип матрицы определяется в основном величиной температуры эксплуатации изделия.

Диаграммы напряжение-деформация показывают, что армированные композиционные материалы больше соответствуют по упругим свойствам чугуну и другим "мягким" материалам, чем стали или другим "жестким" материалам. Для большинства армированных композитов существует два линейных участка на диаграмме напряжение-деформация, соответствующих двум модулям упругости. В основном армированные композиты являются материалами, обладающими малыми деформациями разрушения (порядка 1-2%).

При конструировании соединений всех композиционных материалов необходимо знать прочность этих материалов при смятии и сдвиге, прочность при растяжении и сжатии, напряжения сдвига, возникающие при изгибе в соединениях. Необходимо также знание термических напряжений, пределов усталости и воздействия окружающей среды.

2.7.1.Сварка пластмасс

Свариваемость характеризует пригодность материала к образованию неразъемного соединения при рациональном технологическом процессе. Схема механизмов образования сварки приведена на рис.2.8.

Рис.2.8. Схема механизма процесса сварки пластмасс

Диффузионно-реологический процесс взаимодействия свариваемых поверхностей реализуется в стадии вязкотекучего состояния (макромолекулы приобретают максимальную подвижность и имеют наименьшую плотность упаковки). Степень и скорость диффузии зависят от молекулярной массы полимеров и полярности звеньев молекул. Свариваемость полимеров количественно оценивают по энергии активации вязкого состояния, характеризующей молекулярно-массовое распределение; разветвленность молекулярных цепей; полярность молекулярных звеньев.

Химический процесс взаимодействия свариваемых поверхностей основан на образовании химических связей между полимерными материалами. Материалы, не поддающиеся диффузионной сварке (отвержденные реакто-пласты, редкосетчатые полимеры, линейные полициклические полимеры), а также стремящиеся сохранить структуру свариваемых материалов (кристаллические или ориентированные термопласты: полиимиды, полиэтилентерефталаты, полиамиды, фторсополимеры), можно соединить путем химического взаимодействия функциональных групп или с помощью присадочного материала, близкого по активности к каждому из свариваемых полимеров, при этом нагрев и сварочное давление создают необходимые условия для протекания процесса, а присадочные материалы способствуют активизации реакционноспособных групп. Качество химической сварки определяется:

•длиной активных групп контактирующих материалов;

• концентрацией активных групп контактирующих материалов;

• подвижностью активных групп контактирующих материалов.

Сварка пластмасс - технологический процесс получения неразъемного соединения элементов конструкции посредством диффузионно-реологического или химического взаимодействия макромолекул полимеров, в результате которого между соединяемыми поверхностями исчезает граница раздела и образуется структурный переход от одного полимера к другому[19].

Классификация методов и способов сварки пластмасс (рис. 2.9) включает тепловую, сварку, сварку растворителями и сварку комбинированием нагрева и действия растворителей. Тепловая сварка имеет наибольшее количество способов. Подразделяют две группы сварки: с использованием внешнего теплоносителя и с генерированием тепла внутри свариваемого материала за счет преобразования различных видов энергии.

Сварку нагретым газом производят путем одновременного разогрева свариваемых изделий струей горячего газа-теплоносителя, нагреваемого в специальном устройстве. Такую сварку выполняют с применением приса-дочного материала (рис. 2.9 и 2.10) и без него, вручную или с использованием специальных приспособлений и устройств для механизации процесса сварки. Присадочный материал применяют в виде прутков с различной формой сечения. При сварке по классической схеме нагревательное устройство совершает колебательные движения в плоскости, образованной направлением шва и осью при садочного прутка. Присадочный пруток прижимают и удерживают рукой, если он достаточно жесткий, или с помощью ролика, если пруток мягкий. Применяя специальные насадки на нагревательное устройство,

Рис.2.9. Обобщенная схема сварки пластмасс нагретым газом

обеспечивают одновременный подогрев свариваемых кромок и прутка, при этом пруток втягивается в отверстие насадки при перемещении устройства вручную вдоль шва и прижимается к кромкам выступом на насадке.

Сварка без присадочного материала можно производить с подводом тепла непосредственно к свариваемым поверхностям (прямой метод) или с подводом тепла к внешней Сварка нагретым инструментом основана на оплавлении поверхностей сварки путем их прямого соприкосновения с нагреваемым инструментом.

При сварке косвенным методом нагретый инструмент соприкасается с внешними поверхностями соединяемых деталей, а тепло передается к перекрывающим друг друга свариваемым поверхностям за счет теплопроводности свариваемого материала. Применяются ленточная, роликовая, прессовая и термоимпульсная сварки. При ленточной сварке для нагрева свариваемых изделий и создания давления используется нагретый инструмент в виде ленты, а при роликовой - в виде ролика. При прессовой сварке для создания необходимого сварочного давления применяются сварочные прессы, позволяющие осуществлять шаговую сварку.

Среди способов сварки с подводом тепла к соединяемым поверхностям применяются стыковая и раструбная технология сварки, сварка нахлёсточных соединений.

При стыковой и раструбной сварке после оплавления свариваемых поверхностей изделия они разводятся, инструмент убирается, а оплавленные поверхности соединяются под не большим давлением и свариваются. При стыковой сварке соединяют торцы изделий, а в качестве нагревательного инструмента применяют плоский или профилированный диск (кольцо). При раструбной сварке соединяют внутреннюю поверхность раструба и наружную поверхность трубы, а нагревательный инструмент имеет два рабочих элемента: гильзу для оплавления наружной поверхности конца трубы и дорн для оплавления внутренней поверхности раструба.

Сварку нахлёсточных соединений можно осуществлять одновременным нагревом соединяемых поверхностей по всей длине, а также - перемещая инструмент или свариваемые изделия. Применяют способ сварки с механизированной подачей свариваемых изделий и неподвижным нагревательным инструментом.

Из способов сварки элементом, остающимся в сварном шве, практическое применение нашли сварка электросопротивлением, которая основана на применении закладных нагревательных элементов с высоким электрическим сопротивлением. Закладные элементы в виде сетки или спирали вводят между соединяемыми поверхностями. При пропускании по закладному элементу электрического тока соединяемые поверхности оплавляются. при индукционной сварке нагрев зaкладного элемента происходит в высокочастотном электромагнитном поле, а в качестве закладного нагреватель-

Рис.2.10. Схема процесса сварки пластмасс

ного элемента используют металлические вкладыши или порошки оксидов металлов.

Технология сварки расплавом основана на использовании тепла расплавленного присадочного материала, подаваемого между соединяемыми поверхностями и передающего часть своего тепла материалу соединяемых изделий, что ведет к его плавлению и получению неразъемного соединения. Под разделяется на сварку экструдируемой присадкой, расплавленным прутком и литьём под давлением. Эти способы сварки могут выполняться как с предварительным подогревом свариваемых поверхностей нагретым газом или теплоотдачей от мундштука сварочного устройства, так и без подогрева. При сварке экструдируемой присадкой - экструзионной сварке - расплав получается с помощью экструдера, обеспечивающего непрерывную подачу расплава, а в качестве исходного сырья используется гранулированный материал. При сварке расплав ленным прутком расплав получается из расплавленного прутка путем его нагрева в устройствах прямоточного типа, откуда расплав выдавливается непрерывно поступающим ещё не нагретым присадочным прутком, который сматывается с бухты и подаётся в нагревательный цилиндр. Типовое оборудование для сварки пластмасс показано на рис.2.11.

Высокочастотная сварка пластмасс является разновидностью диффузионной тепловой сварки. Разогрев и размягчение материала осуществляют под действием тепла, выделяющегося непосредственно в свариваемых деталях в результате взаимодействия молекул материала термопласта с высокочастотным электрическим полем, возбужденным сварочными электродами. Последнее обстоятельство определяет преимущества высокочастотного метода сварки:

●возможность изготовления изделий со сложным расположением сварных швов за одну операцию;

Рис.2.11.Обрудование и примеры сварки пластмасс [welding site.com.ua]

●высокая культура производства;

●низкие требования к квалификации оператора-сварщика.

Вместе с тем этот способ предъявляет к термопластам специальные требования в части их электрических свойств. Например, полиэтилен невозможно сварить высокочастотным методом, но такой материал как поливинилхлорид, находящий широкое применение при изготовлении разнообразных изделий в различных отраслях промышленности, хорошо сваривается этим методом.

Высокочастотную сварку пластмасс можно осуществлять как при нагреве в электрическом поле высокой частоты (за счет диэлектрических потерь), так и в магнитном поле (индукционный нагрев) (рис. 2.12 и 2.13).

Рис.2.12.Принцип сварки в электрическом поле: а — принципиальная схема;

б — прерывистая сварки; в — непрерывная сварка; 1 —плоские электроды;

2 — круглые электроды; 3 — нажимные и транспортные ролики; 4, 5 —

свариваемые детали; 6 — распределение температур; 7 — реле времени;

8 — регулировочный конденсатор; 9 — высокочастотный генератор

Рис. 2.13. Принцип сварки в магнитном поле: 1 — виток индуктора (хромоникелевая или медная проволока диаметром 0,4-1,0 мм);

2 — генератор высокой частоты; 3, 4 — свариваемые изделия; 5 — индуктор

Из всех способов сварки при нагреве в электрическом поле высокой частоты - роликового (непрерывно-последовательная), шагового (по принципу швейной машины), ручного (с помощью клещей или другого инструмента), прессового - последний способ сварки наиболее универсален и технологичен. Он позволяет, подобно штамповке, точно и многократно повторять операцию сварки по заданной конфигурации. Кроме того, прессовый способ позволяет сваривать не только пластифицированные пленки, но также непласти-фицированные термопласты: винипласт, полиамиды и т.д.

Сварочные электроды являются основным рабочим органом сварочных устройств. При их конструировании для активного нагрева материала под сварку наибольшую напряженность электрического поля необходимо обеспечить в пространстве между электродами. Для этого края кромок сварочных электродов надо закруглить так, чтобы между электродами создавалось относительно однородное с максимальной напряженностью электрическое поле. Из опыта высокочастотной сварки установлено, что радиус закругления кромок электродов должен быть близким к 1/8 ширины его рабочей зоны. Ширина шва рабочей зоны приблизительно равна двойной толщине свариваемого пакета.

Конструкция электрода зависит от размера и конфигурации изделия, от вида сварного соединения и от того, следует ли одновременно со сваркой производить обрезку материала.

При использовании электродов, приведенных на рис. 2.14 (а, б, ж), сварку можно провести как без обрезки материала, так и с его обрезкой. В последнем случае электрод снабжают обрезной кромкой.

Рис. 2.14. Образцы сварных швов и варианты размещения электродов

при сварке: а, б, в — внахлест; г, д, е — встык; ж, з — с отбортовкой. Знак (+)

обозначает высоковольтный электрод, знак (-) —заземленный электрод

Под термином «встречный электрод» понимают, как правило, соответствующую сварочному электроду встречную форму, выполненную из расчета зеркального отражения сварочного электрода или близкого к нему. Отклонение формы встречного электрода от зеркального отражения сварочного электрода состоит в основном в том, что основной электрод снабжается режущей кромкой, которая отсутствует у «встречного электрода». При сварке со встречными электродами сварной шов формируется с обеих сторон свариваемого изделия, что позволяет получить сварные швы с более высокими прочностными показателями. Кроме того, сварка встречными электродами используется еще и при изготовлении таких изделий, у которых с противоположной стороны шва нежелательно получать плоскую поверхность из эстетических соображений, например при изготовлении таких изделий, как портсигар, футляры для очков и т.п. [25].

Лазерная сварка пластмасс. При трансмиссионной лазерной сварке пластмассовые детали или края полимерной пленки плотно соединяют и на них направляют лазерный луч инфракрасного диапазона. Лазерная энергия поглощается, слои деталей расплавляются и сливаются.

Лазерная сварка пластмасс позволяет быстро соединять самые хрупкие детали и проводить работы, требующие стерильных условий. Сегодня она конкурирует с ультразвуковой сваркой и сваркой нагретым инструментом в электронике, медицине, автомобильной и упаковочной промышленности. Например, лазер сваривает стомикрометровую полиэтиленовую пленку со скоростью 100 м/мин, не снижая скорости движения конвейера и не нарушая стерильности производства. Заключенные в полиэтиленовую пленку продукты или медицинские принадлежности остаются стерильными. Другие преимущества лазерной сварки: возможность автоматической сварки деталей; отсутствие вспышки и вибрации; прочность получаемых швов; качественное соединение смол с различным составом и окраской.

В наши дни практически все термопласты и термопластические эластомеры пригодны для лазерной сварки. Это касается материалов, в состав которых входят полипропилен, полистирол, поликарбонат, АБС, полиамиды, полиметилметакрилат. Самые лучшие характеристики при лазерной сварке демонстрируют такие полимеры, как полистирол (ПС), акрилонитрил-стирол (АНС), полиэфирсульфон (ПЭС), смесь ПС и АБС, смесь полиметилметакрилата (ПММА) и АБС.

Технология ультразвуковой сварки (УЗ-сварка) характеризуется надежным соединением деталей из поликарбоната, полистирола, полипропилена, поливинилхлорида, полиамида и других термопластичных полимерных материалов, а также их комбинаций. На производстве изделий с применением искусственных кож, полусинтетических тканей и нетканых материалов ультразвуковая сварка позволяет добиться наилучшего качества с минимальными затратами.

УЗ-сварку широко используют в электронной, электротехнической, автомобильной промышленности, в медицине. Автомобильные фары и фонари, георешетки для укрепления склонов, медицинские диализаторы, фильтры для воды, одноразовые перчатки и маски, средства индивидуальной химической защиты, упаковки для жидких и сыпучих продуктов производят с применением ультразвуковой сварки.

Оборудование для ультразвуковой сварки пластмасс Telsonic Ultrasonic AG востребовано такими мировыми брендами, как BMW, Mercedes-Benz, Bosch, 3M, Tetra Pak, DuPont, Gillette, Philips, а также крупными российскими предприятиями - Аквафор, Димитровградский автоагрегатный завод, 494 УНР, ЗАО «Меттэм-Технологии» (фильтры для воды «Барьер») и многими другими [www.windeq.ru]..

Склеивание - как метод создания неразъемного соединения материалов, рассмотрено в гл. З данного учебного пособия.

Вопросы для самостоятельной работы

1.Напишите формулы, торговые марки и примеры использования в машиностроении следующих полимеров:

1.1.Полиэтилена

1.2.Полипропилена

1.3.Полистирола

1.4.Полиакрилонитрила

1.5.Поливинилхлорида

1.6.Поликарбонаты

1.7.Полиэтилентерефталата

1.8.Полиметилметакрилата

1.9.Политетрафторэтилена.

2.Опишите вклад нанотехнологий в развитии машиностроения.

3.Современное смесевое топливо бензин-этанол вызывало при их использовании коррозию металлических поверхностей деталей автомобилей,

Содержащих Zn, Латунь, Pb, Al, сталь, покрытую сплавом Pb и Sn, припой на свинцовой основе. Коррозионное воздействие этанольных бензинов приводит к быстрому износу трубопроводов, резервуаров, топливных баков и к загрязнению бензинов продуктами коррозии в виде механических примесей.

Опишите сущность инженерных решений проблемы:

1.1.использование ингибиторов коррозии.

1.2. подбор материалов устойчивых к воздействию этанола.

2.Какие технологии сварки сварки пластмасс известны Вам?