Материал: Сварка и свариваемые материалы. Свариваемость материалов

При плотном контакте активированных слоев должны реали­ зоваться силы межмолекулярного взаимодействия.

В процессе образования сварных соединений (при охлажде­ нии) происходит формирование надмолекулярных структур

в шве, а также развитие полей собственных напряжений и их релаксация. Эти конкурирующие процессы определяют конеч­ ные свойства сварного соединения. Технологическая задача сварки состоит в том, чтобы максимально приблизить по свой­ ствам шов к исходному — основному материалу.

37.3.2. Механизм образования сварных соединений

Реологическая концепция. Согласно реологической концепции [2], механизм образования сварного соединения включает два этапа — на макроскопическом и микроскопическом уровнях. При сближении под давлением активированных тем или иным способом поверхностей соединяемых деталей вследствие сдвиго­ вых деформаций происходит течение расплава полимера. В ре­ зультате этого удаляются из зоны контакта ингредиенты, пре­ пятствующие сближению и взаимодействию ювенильных макро­ молекул (эвакуируются газовые, окисленные прослойки). Вслед­ ствие разности скоростей течения расплава не исключено и перемешивание макрообъемов расплава в зоне контакта. Только после удаления или разрушения дефектных слоев в зоне кон­ такта, когда ювенильные макромолекулы сблизятся на расстоя­ ния действия Ван-дер-Ваальсовых сил, возникает взаимодейст­ вие (схватывание) между макромолекулами слоев соединяемых поверхностей деталей. Этот аутогезионный процесс происходит на микроуровне. Он сопровождается взаимодиффузией макро­ молекул, обусловленной энергетическим потенциалом и неравно­ мерностью градиента температур в зоне свариваемых поверх­ ностей.

Итак, чтобы образовалось сварное соединение двух поверх­ ностей, необходимо прежде всего обеспечить течение расплава

в этой зоне.

Течение расплава в зоне сварки зависит от его вязкости: чем меньше вязкость, тем активнее происходят сдвиговые деформа­ ции в расплаве — разрушение и удаление дефектных слоев на контактирующих поверхностях, тем меньшее давление необхо­ димо прилагать для соединения деталей.

Вязкость расплава в свою очередь зависит от природы пла­ стмассы (молекулярной массы, разветвленности макромолекул полимера) и температуры нагрева в интервале вязкотекучести. Следовательно, вязкость может служить одним из признаков, определяющих свариваемость пластмассы: чем она меньше в ин­ тервале вязкотекучести, тем лучше свариваемость и, наоборот, чем больше вязкость, тем сложнее разрушить и удалить из зоны контакта ингредиенты, препятствующие взаимодействию макро­ молекул. Однако нагрев для каждого полимера ограничен опре­ деленной температурой деструкции ТЛ, выше которой происхо­ дит его разложение — деструкция. Термопласты различаются по

граничным значениям темпера­ турного интервала вязкотекучести, т. е. между температурой их текучести Тт и деструкции Гд (табл. 37.2).

Классификация термопластов по их свариваемости. Чем шире интервал вязкотекучести термо­ пласта (рис. 37.3), тем практи­ чески проще получить каче­

нимальным уровнем в нем значений вязкости заметную роль играет в реологических процессах при образовании шва гра­ диент изменения вязкости в этом интервале. За количествен­ ные показатели свариваемости приняты: температурный интер­ вал вязкотекучести Д71, минимальное значение вязкости т\т\п и градиент изменения вязкости в этом интервале [2].

По свариваемости все термопластичные пластмассы можно разбить по этим показателям на четыре группы (табл. 37.3).

Сварка термопластичных пластмасс возможна, если мате­ риал переходит в состояние вязкого расплава, если его темпе­ ратурный интервал вязкотекучести достаточно широк, а гра­ диент изменения вязкости в этом интервале минимальный, так как взаимодействие макромолекул в зоне контакта происходит по границе, обладающей одинаковой вязкостью.

В общем случае температура сварки назначается, исходя из анализа термомеханической кривой для свариваемой пласт­ массы, принимаем ее на 10—15° ниже Тд [1]. Давление прини­ мается такое, чтобы эвакуировать расплав поверхностного слоя

Т А Б Л И Ц А 37.9

в грат либо разрушить его, исходя из конкретной глубины про­ плавления и теплофизических показателей свариваемого мате­ риала. Время выдержки /Св определяется исходя из достижения

квазистационарного состояния оплавления и проплавления либо

Q

по формуле tc»=t0eRT. где to — константа, имеющая размер­ ность времени и зависящая от толщины соединяемого мате­ риала и способа нагрева; Q — энергия активации; R — газовая постоянная; Т — температура сварки.

При экспериментальной оценке свариваемости пластмасс фундаментальным показателем является длительная прочность сварного соединения, работающего в конкретных условиях по сравнению с основным материалом.

Испытываются образцы, вырубленные из сварного соедине­ ния, на одноосное растяжение. При этом временной фактор мо­ делируется температурой, т. е. используется принцип темпера­ турно-временной суперпозиции, основанный на допущении, что при данном напряжении связь между длительной прочностью и температурой однозначна (метод Ларсона-Миллера).

37.3.3. Методы повышения свариваемости

Схемы механизма образования сварных соединений термо-

пластов [2]. Повышение их свариваемости может производиться за счет расширения температурного интервала вязкотекучести, интенсификации удаления ингредиентов или разрушения де­ фектных слоев в зоне контакта, препятствующих сближению

ивзаимодействию ювенильных макромолекул. Возможно несколько путей:

введение в зону контакта присадки в случае недостаточного количества расплава (при сварке армированных пленок), при сварке разнородных термопластов присадка по составу должна обладать сродством к обоим свариваемым материалам;

введение в зону сварки растворителя или более пластифици­

рованной присадки; принудительное перемешивание расплава в шве путем сме­

щения соединяемых деталей не только вдоль линии осадки, но и возвратно-поступательно поперек шва на 1,5—2 мм или нало­ жением ультразвуковых колебаний. Активизация в зоне кон­ такта перемешивания расплава может производиться после оп­ лавления стыкуемых кромок нагревательным инструментом, имеющим ребристую поверхность. Свойства сварного соедине­ ния могут быть улучшены последующей термической обработ­ кой соединения. При этом снимаются не только остаточные на­ пряжения, но возможно исправление структуры в шве и околошовной зоне, особенно у кристаллических полимеров. Многие из изложенных мероприятий приближают свойства сварных соеди­ нений к свойствам основного материала.

При сварке ориентированных пластмасс во избежание потери их прочности вследствие переориентации при нагреве до вязко­

кальные (химические) связи между макромолекулами. Химиче­ скую сварку применяют и при соединении реактопластов, детали из которых не могут переходить при повторном нагреве в вязко­ текучее состояние. Для инициирования химических реакций

взону соединения при такой сварке вводят различные реагенты

взависимости от соединяемого вида пластмасс [1]. Процесс хи­ мической сварки, как правило, производится при нагреве места сварки.

Раздел 12 Щ - - Ш ... КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Г л ав а 38. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

СМЕТАЛЛИЧЕСКОЙ МАТРИЦЕЙ (Чернышова Т. А.)

38.1.Классификация

Композиционные материалы — это материалы, армированные наполнителями, определенным образом расположенными в матрице. Наполнителями чаще всего являются вещества с высокой энергией межатомных связей, высо­ копрочные и высокомодульные, однако в сочетании с хрупкими матрицами могут быть применены и высокопластичные наполнители [1, 2].

Связующие компоненты, или матрицы, в композиционных материалах могут быть различными — полимерными, керамическими, металлическими или смешанными. В последнем случае говорят о полиматричных композицион­ ных материалах.