НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Распределение температур и оценка прочности стыковых соединений жестких пластмасс по кинетической характеристике при ультразвуковой сварке

Алексеева Светлана Юрьевна

средняя школа №1980, 11 класс

Научный руководитель:

Волков Станислав Степанович,

кандидат технических наук,

профессор кафедры «Технологии сварки и диагностики»

МГТУ им. Н.Э.Баумана

Введение

До настоящего времени возможность использования ультразвуковой сварки ограничивалась геометрическими размерами деталей, подлежащих сварке, физико-механическими характеристиками материала изделий, а также состоянием поверхности раздела между ними. Обычно толщина стенок свариваемых деталей при ультразвуковой сварке не превышает 4 - 5 мм.

Производство изделий из полимерных материалов с толщиной стенок 10 - 15 мм потребовало разработок технологии сварки, конструкции сварного соединения в целях обеспечения прочности и работоспособности сварных изделий. Данные изделия представляют собой емкостные конструкции типа стакана или шара, работающие под давлением. Соединения в этих конструкциях являются стыковыми.

Для образования качественного соединения при ультразвуковой сварке жестких полимерных материалов встык при толщинах 3 - 4 мм необходимым условием является наличие на одной из свариваемых поверхностей деталей концентратора энергии ультразвуковых колебаний, представляющего собой выступ V-образной формы, оптимальная высота которого лежит в пределах 0,3 - 1,0 мм [1]. В процессе ультразвуковой сварки материал этого выступа расплавляется и заполняет под воздействием приложенного статического давления пространство между свариваемыми поверхностями, образуя сварной шов. При такой конструкции разделки кромок свариваемых поверхностей прочность стыковых соединений составляет 80 - 90% от прочности основного материала.

Однако при сварке стыковых швов в изделиях с толщиной стенок более 5 мм при разделке кромок с концентраторами в виде V-образных выступов было установлено, что с увеличением толщины стенок изделия происходит снижение прочности сварного шва относительно основного материала. Так, при сварке встык образцов из ударопрочного полистирола сечением 10 × 15 мм максимальная прочность не превышала 53% от значения прочности основного материала при испытаниях на растяжение.

Цель работы: выявить причины снижения прочности стыковых соединений жестких пластмасс толщиной 10 - 15 мм и разработать рекомендации по выбору эффективной конструкции разделки кромок, оценить прочность стыковых соединений по кинетической характеристике при ультразвуковой сварке.

Влияние температур на прочность стыковых соединений по ширине сварного шва.

Одним из основных факторов, определяющих прочность сварного соединения, является температура материала в зоне соединения в процессе сварки. Рассмотрим зависимость прочности стыковых соединений от температур и характера их распределения  по  ширине  шва  в  процессе  сварки. Сваривались образцы размером 50×15×10 мм, изготовленные из ударопрочного полистирола (УПС), предел прочности которого при растяжении  σ_ρ = 32 МПа, плотность ρ = 1,06·10³  кг/м³, модуль упругости Е = 2100МПа,  удельная  ударная  вязкость α = 7·10² Дж/м², температура стеклования Т_ст = 370 – 390 К. Сварка проводилась на установке МТУ-1,5. В качестве источника ультразвуковых колебаний применялся генератор модели УЗГ-5-1,6. Резонансная частота преобразователя мощностью 1,6 кВт равнялась 22 кГц. Ультразвуковые колебания вводились в свариваемые образцы ножевым волноводом  экспоненциальной формы. Статическое давление создавалось регулируемой пневмосистемой. Рабочая частота генератора регулировалась и контролировалась в процессе сварки частотомером марки ЧЗ-22. Термографирование осуществляли при помощи светолучевого осциллографа модели Н-115. Испытания на растяжение проводились на разрывной машине «Veshima». Сварка проводилась при амплитуде колебаний рабочего торца волновода А = 30 - 35 мкм и статическом давлении ρ_ст = 1,5 МПа. Далее изучалось распределение прочности в стыковых соединениях по ширине шва. Для этого сварные образцы разрезались в продольном направлении на 5 равных по сечению полос, как это показано на рис. 1, которые потом подвергались испытаниям на растяжение. Эти испытания позволили установить закономерности изменения прочности по ширине сварного шва.

Результаты испытаний графически представлены на рис. 1, кривая 1.

Из представленного распределения видно, что максимальная прочность достигается в центре  сварного  соединения (образец III), т.е. непосредственно в зоне расположения V-образного  выступа,  на  ширине  шва  порядка  3 – 4 мм.  При  удалении  от центра V-образного выступа происходит резкое снижение прочности: так прочность в центральной части соединения (образец III) выше, чем в периферийной, т.е. граничной части (образец I и V) приблизительно в 3,5 раза. Для выяснения причин такого разброса значений прочности были проведены эксперименты по определению значений температур и характера их распределения в зоне соединения по ширине шва, а также изучению ориентации макромолекул в зоне сварного соединения, приводящей к анизотропии свойств в материале шва. Исследовались образцы из полистирола, физико-механические характеристики которого показаны выше. В процессе сварки производилось термографирование участков шва тремя термопарами, расположенными в образцах, как показано на рис.2. Термические циклы представлены там же.

Учитывая характер распределения значений прочности при испытаниях на растяжение и характер распределения температуры расплава по ширине шва в процессе сварки, можно сделать вывод, что одной из причин падения прочности стыковых соединений при толщинах образцов свыше 6 мм является недостаточная температура расплава термопласта на расстоянии более 3 мм от центра поверхности раздела кромок по V-образной схеме. Так, концентратор энергии ультразвуковых колебаний, выполненный в виде V-образного выступа, обеспечивает образование качественного сварного соединения на участке шва около 3 – 5 мм. На остальных участках ввиду недостаточной температуры сварное соединение некачественное.

Влияние ориентации макромолекул на прочность сварных соединений

Для выявления влияния ориентации макромолекул в материале шва на прочность сварного соединения при испытаниях на растяжение были проведены следующие эксперименты. Из сварного стыкового соединения сечением 10 × 15 мм были изготовлены образцы из основного материала и материала шва. Образцы имели размеры 10 × 15 × 1 мм. К этим образцам клеем ЭД-6 приклеивались металлические двусторонние планки с обоих концов для захвата их зажимными губками испытательной машины. Таким образом, получили образцы для испытаний на растяжение.

В результате испытаний было установлено, что значение прочности материала шва при растяжении превышает значение прочности основного материала на 15 - 20%. Это объясняется тем, что материал полимера, участвующий в образовании шва, в процессе течения изменяет конформацию макромолекул, которые ориентируются преимущественно в направлении течения расплава.

Как известно, эффект молекулярной ориентации достигается при одноосной деформации полимера при температуре, которая на несколько градусов ниже, чем температура стеклования, либо при выдавливании полимера через фильтры небольшого диаметра [3]. В результате такого воздействия полимерный материал подверженной ориентации, имеет различные прочностные характеристики в зависимости от направления приложения нагрузки при испытаниях. Так, например, ориентированный полистирол имеет значение прочности в 8 раз больше, чем разориентированный [3]. Вместе с тем, прочность в направлении, перпендикулярном направлению ориентации, значительно снижается. Графически это представлено на рис. 3.

Как видно из графика, процент прироста прочности по направлению ориентации приблизительно равен проценту падения прочности в направлении перпендикулярном ориентации [4].

Так, молекулярная ориентация в полимерном материале шва неблагоприятна для прочностных показателей стыковых соединений,  поскольку направление этой ориентации перпендикулярно направлению основных силовых потоков, присущих стыковым соединениям.

Исходя из вышесказанного, для получения прочного сварного шва необходимо:

1) увеличить тепловыделение в зоне сварки на участках с недостаточной температурой расплава;

2) снизить степень ориентации макромолекул в полимерном материале шва.

Разработка формообразования сварных соединений

Как известно, рост температуры в зоне соединения при ультразвуковой сварке происходит за счет циклического деформирования, при котором ввиду внутреннего трения в объеме полимера выделяется энергия, часть которой переходит в теплую со скоростью:

где -   W - удельная мощность теплообразования;

ε₀ - амплитуда деформации единицы объема полимера;

Е - динамический модуль упругости;

ω - круговая частота ультразвуковых колебаний;

η -  коэффициент механических потерь.

Из анализа этой формулы следует, что усиление тепловыделения при ультразвуковой сварке можно добиться, повышая уровень циклических деформаций ε₀ с одновременным увеличением высоты V-образного выступа, т.е., увеличивая объем материала участвующего в формообразовании сварного шва. Однако увеличение амплитуды колебаний рабочего торца волновода до 40 - 50 мкм, определяющей значения ε₀  при  заданных  геометрических размерах свариваемых деталей, и высоты V-образного выступа приводит к оплавлению материала изделия непосредственно под волноводом до завершения процесса формообразования шва, что недопустимо. 

Для решения задачи повышения тепловыделения в зоне сварки был предложен метод ультразвуковой сварки с последовательно-ступенчатой концентрацией ультразвуковых колебаний в зоне соединения. Для реализации этого метода были предложены конструкции и разделки кромок стыковых соединений,  показанные на рис. 4.

В данной конструкции сварного соединения имеется ряд концентраторов ультразвуковых колебаний, выполненных в виде V-образных выступов. Угол при вершине каждого из выступов равен 90⁰. Расстояние между выступами 3 мм, так как каждый из них обеспечивает прочность на участке сварного шва в 3 - 4 мм. Таким образом, количество концентраторов энергии ультразвуковых колебаний равно трем для толщин 5 - 10 мм и пяти для толщин 10 - 15 мм.

Механизм формообразования сварного шва, графически представленный на рис.5, состоит в следующем. В процессе ультразвуковой сварки материал центрального выступа,  имеющего  наибольшую высоту h₃, вступает в контакт с нижней деталью (рис. 5а), плавится и  заполняет  пространство  между двумя соседними выступами (рис. 5б), имеющими высоту h₂. Когда эти выступы достигают поверхности раздела, происходит их оплавление. Расплав заполняет пространство между выступами, имеющими высоту h₁ (рис. 5в). Таким образом, происходит плавление и осадка выступов, имеющих высоту h₁, и окончательное формирование сварного шва (рис. 5г).

Попытки сварить встык соединения толщиной 10 – 15 мм при одинаковой высоте выступов привели к оплавлению материала изделия, находящегося под рабочим торцом волновода. Это объясняется тем, что напряжения, возникающие в материале выступов разделки, незначительно отличаются от напряжений, возникающих в зоне контакта волновод-деталь. При такой разделке кромок не удалось получить качественное сварное соединение, поскольку расплавление материала под волноводом предшествовало образованию качественного сварного шва. Эксперименты по сварке встык методом последовательно-ступенчатой концентрации ультразвуковых колебаний проводились на оборудовании, описанном выше. С помощью этих экспериментов были найдены зависимости прочности сварного соединения от амплитуды смещения рабочего торца волновода А, времени сварки t_св и значения высот h₁, h₂, h₃. Были следующие соотношения высот:

h₁ : h₂ : h₃ = 1 : 1,5 : 2.

В результате испытаний образцов со значениями высот h₁ = 0,5; 1; 1,5 мм было установлено, что максимальная прочность сварного соединения (92% от прочности основного материала) достигается при высоте h₁ = 1 мм и амплитуде рабочего торца волновода А = 25 – 35 мкм. При увеличении амплитуды колебаний до 40 мкм и более наблюдается оплавление материала изделия под волноводом. При значениях А < 20 мкм тепловыделение незначительно, что ведет к незавершенности процесса, т.е. не происходит полного формирования сварного шва. На рис. 6 представлена зависимость прочности сварного соединения от времени сварки.

Оптимальное значение времени сварки равно t_св = 2,5 – 3,5 с. Дальнейшее увеличение времени сварки приводит к расплавлению материала под волноводом, а прочность сварного соединения остается без изменения (на рис. 6 заштрихованная область), поскольку процесс полного формирования сварного шва к этому времени уже закончен. При испытаниях образцов, изготовленных  из материала сварного шва, было установлено, что их прочность равна 4 - 6%, что объясняется отсутствием значительного течения расплава между соединяемыми поверхностями, как это бывает при сварке по традиционному способу с разделкой кромок с V-образным выступом.

Таким образом, при сварке с последовательно-ступенчатой концентрацией энергии ультразвуковых колебаний эффект молекулярной ориентации в материале шва снижается, что повышает прочность сварного стыкового соединения.

Для выяснения распределения прочности сварного соединения по ширине сварного  шва  образцы,  сваренные  при А = 25 мкм,  t_св = 3,5 с, h₁ = 1 мм, h₂ = 1,5 мм, h₃ = 2 мм, рассекались вдоль на 5 частей, равных по ширине. Результаты испытаний данных образцов приведены на рис. 1 (кривая 2).

Как видно из данного графика, происходит выравнивание значений прочности сварного  соединения по ширине шва,  причем изменение этих значений не превышает 9 – 10%. Таким образом, при последовательно-ступенчатой концентрации энергии ультразвуковых колебаний происходит выравнивание термических циклов и максимальных температур на всех участках, а также равномерное распределение прочности в пределах стыка, что приводит к повышению прочности по сравнению с традиционным способом сварки с V-образным выступом. Следует отметить, что максимальная прочность стыкового соединения, выполненного таким способом, составляет 90 – 92% от прочности основного материала.

В целях получения равнопрочного соединения была предложена конструкция сварного соединения, показанная на рис. 4а.

Эксперименты по сварке образцов сечением 10×15 мм с дополнительной разделкой по углу φ проводились при соотношении высот, описанном ранее. Угол дополнительной разделки φ принимался равным  60⁰ , 75⁰, 90⁰, 120⁰ и 150⁰. В процессе сварки  амплитуда  колебаний  торца  волновода  А = 30 мкм, а статическое давление ρ_ст = 1,5 МПа.

Результаты испытаний показали, что разрушение при углах раздела φ < 150⁰ происходит по основному материалу. При увеличении угла φ до 180⁰ получается конструкция сварного соединения, представленная на рис. 4б. С целью получения формирования сварного шва при углах φ < 150⁰ угол разделки на нижней детали увеличиваем до значения 4 – 5⁰ . Дополнительная разделка кромок по углу φ в большинстве случаев необходима в целях центровки свариваемых деталей относительно друг друга.

Для определения чувствительности сварных стыков соединений к ударным нагрузкам были проведены испытания образцов, сваренных по традиционной технологии с V-образным концентратором и по предлагаемой схеме с последовательно-ступенчатой концентрацией энергии ультразвуковых колебаний. Для этой цели были взяты нестандартные сварные образцы размерами 100× 15×10 мм с V-образным подрезом. Испытания показали, что значение ударной вязкости для образцов, сваренных по традиционной технологии, не превышает 55% от ударной вязкости основного материала, в то время как значения ударной вязкости у образцов, выполненных по предлагаемой схеме, достигают 90 – 92% от основного материала.

Контроль качества сварных соединений по кинетической характеристике

Для сопутствующего контроля процесса ультразвуковой сварки стыковых соединений жестких пластмасс с толщиной стенок 10 – 15мм в нашей работе мы рассмотрели метод кинематической характеристики.

Конечной целью технологического процесса сварки является получение соединения, отвечающего требованиям технических условий на изделие. Одним из таких условий является достижение заданной прочности сварного соединения.

Основным параметром, определяющим прочность сварного соединения, как было указано выше в нашей работе, является тепловой режим сварки. Наличие высоких температур в зоне соединения является необходимым условием получения прочных сварных соединений. Недостаточно высокие температуры, не приводящие к расплавлению полимера в зоне соединения, не обеспечивают высокой степени коалесценции, в результате чего участки сварного соединения, имевшие невысокую температуру в процессе сварки, становятся очагами разрушения сварного шва. Температура в шве определяет также развитие диффузионных процессов при сварке и возможное перемешивание слоев полимера, находящегося в вязкотекучем состоянии.

Тепловой режим сварки определяется в основном количеством вводимой в зону соединения энергии ультразвуковых (УЗ) колебаний. Дозирование вводимой энергии с целью получения максимальной прочности соединения осуществляется обычно регулированием продолжительности сварочного импульса.

Один из способов определения продолжительности сварочного импульса основывается на контролировании энергетических параметров УЗ колебаний, прошедших через свариваемое изделие. В процессе УЗ сварки механические колебания, вводимые в изделие, распространяются в полимере от рабочего торца волновода к опоре. В результате нагрева материала в зоне сварки изменяются физико-механические свойства полимера, акустическая проводимость, то есть меняются условия прохождения УЗ колебаний. Исходя из этого, при постоянной амплитуде колебаний рабочего торца волновода амплитуда колебаний опоры будет меняться во времени в процессе сварки. Зависимость между амплитудой колебаний опоры а_оп  и другими параметрами имеет следующий вид

где А –  амплитуда колебаний рабочего торца волновода, D – коэффициент пропускания УЗ колебаний, r- коэффициент рассеивания, β – коэффициент затухания УЗ колебаний, h – толщина слоя полимера.

Изменение амплитуды колебаний опоры при УЗ сварке во времени а_оп = f(t) носит название кинетической характеристики.

Нами было установлено положение точки сварки на кинетической характеристике, то есть продолжительность УЗ сварочного импульса t_уз, соответствующего наибольшей прочности сварного соеди­нения, в случае контактной сварки полимерных материалов.

В настоящей работе мы также рассмотрели взаимосвязь между кинетической характеристикой, тепловым режимом (значениями максимальных температур в зоне сварного соединения), деформацией полимера в зоне сварки и прочностью сварного соединения при УЗ сварке стыковых соединений жестких пластмасс. Оптимальную продолжительностью УЗ сварного импульса t_уз по кинетической характеристике, соответствующей максимальной прочности соединения.

Исследования проводились на образцах размером 50×15×10 мм, изготовленных из ударопрочного полистирола. Испытания проводились на двух группах образцов. Образцы первой группы имели V-образную разделку кромок. На образцах второй группы выполнялась разделка кромок для последовательно-ступенчатой концентрации энергии УЗ колебаний, указанных в работе выше. Для термографирования применялись хромель-копелевые термопары диаметром 0.4мм. Деформация полимера в зоне сварки замерялась индуктивным датчиком перемещений. Для измерения амплитуды колебаний опоры в процессе сварки применялся пьезоэлектрический датчик. Регистрация всех контролируемых параметров производилась при помощи светолучевого осциллографа модели Н-115[3,4].

Взаимосвязь исследуемых параметров для групп образцов представлена графически соответственно на рис. 8 и 9.

Как видно из представленных графиков, в обоих случаях деформация полимера в зоне сварки начинается раньше момента достижения максимальных температур в шве и соответствует температурам перехода полимера в эластическое и далее в вязкотекучее состояние. Значение сигнала датчика амплитуды колебания опоры при этом возрастает от начального значения а_{оп нач} до значения а_{оп max}, соответствующего началу перехода полимера в вязкотекучее состояние. В дальнейшем наблюдается рост температуры в шве с одновременным увеличением осадки полимера в зоне соединения, то есть фактического увеличения площади контакта свариваемых поверхностей вплоть до полного заполнения технологического зазора, вызванного первоначально разделкой кромок, и при дальнейшем увеличении температуры в стыке происходит снижение a_оп  до минимального уровня aоп min, что соответствует области максимальных температур в зоне стыка.

С целью установления связи механической прочности соединений с амплитудой колебаний опоры, то есть кинетической характеристикой процесса, производились испытания образцов на растяжение, сваренных при продолжительности сварочного УЗ импульса, соответствующей различным точкам на кинетической характеристике. При этом было установлено, что максимальной прочности сварного соединения соответствует   область   кинетической  характеристики  с  минимальным  значением  a_оп = a_{оп min}. Следует отметить, что максимальная прочность соединений, выполненных при последовательно-ступенчатой концентрации энергии УЗ колебаний, ввиду более высоких температур, достигаемых в процессе сварки, превышает прочность соединений, выполненных при V-образной разделке кромок.

Таким образом, оптимальная продолжительность ультразвукового сварочного импульса t_уз при сварке стыковых соединений определяется временем, за которое сигнал датчика амплитуды колебаний опоры изменяется от значений a_{оп нач} до значений a_{оп min}.

Выводы

1. Причиной низкой прочности стыковых соединений жестких пластмасс толщиной более 5 мм, выполненных ультразвуковой сваркой при V-образной схеме разделки кромок, является: а) неравномерное распределение температур по ширине шва и их низкие значения на периферийных участках в процессе сварки, причем более низкие  значения   прочности  соответствуют   наименьшим   значениям   температур;  б) ориентация макромолекул в материале сварного шва, приводящая к анизотропии механических свойств этого материала.

2. Предложенный способ последовательно-ступенчатой концентрации энергии ультразвуковых  колебаний по направлению от центра раздела кромок к периферийным участкам позволили увеличить интенсивность тепловыделения и обеспечить равномерное распределение температур по всей ширине сварного шва, снизить эффект молекулярной ориентации в материале шва.

3. Количество концентраторов энергии ультразвуковых колебаний при толщине свариваемых стенок 5 – 10 мм равно трем, при толщине 10 – 15 мм – пяти. Прочность соединения, получаемая при этом, составляет 86 – 92% от прочности основного материала.

4. Разработанный способ ультразвуковой сварки стыковых соединений толщиной стенок до 15 мм, основанный на последовательно-ступенчатой концентрации энергии ультразвуковых колебаний, может быть применен ко всей группе жестких пластмасс.

5. При ультразвуковой сварке стыковых соединений жестких пластмасс кинетическая характеристика отражает физическое состояние полимера в зоне соединения.

6. Метод кинетической характеристики может быть применен для сопутствующего контроля процесса ультразвуковой сварки стыковых соединений жестких пластмасс.

Список литературы

1.               Волков С.С. Сварка и склеивание полимерных материалов: Учебное пособие для ВУЗов. М: Химия, 2001-376с.

2.               Волков С.С., Черняк Б.Я. Сварка пластмасс ультразвуком. 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Химия, 1986. – 256с.

3.               Волков С.С., Черняк Б.Я. Сварка пластических масс: Учебное пособие. М: Химия, 1987. 168с.

4.               Гуль В.Е., Акутин М.С. Основы переработки пластмасс. М.: Химия 1985. 399с.

5.               Брашиский В.А. Переработка пластмасс: справочное пособие. 1985. 296с.

6.               Г.Н. Кораба Тезнология и оборудование для соединения изделий из полимерных материалов. 1983. 144с.

7.               Шрадер В. Обработка и сварка полуфабрикатов из пластмасс. М: Машиностроение, 1980. 593с.

8.               Каменев Е.И., Мясников Г.Д., Платонов М.П. Применение пластическиз масс: Справочник. Химия 1985. 448с.

9.               Холопов Ю.В. Ультразвуковая сварка М.-Л. Машиностроение. 1972. 152с.