книги / Сварка и свариваемые материалы. Свариваемость материалов

неметалла. Такие соединения называют охватывающими (рис. 36л, а—в).

2. Соединения, в которых керамика или стекло охватывают металлическую деталь, называют внутренними спаями или сое­ динениями (рис. 36.1, г).

3. Соединения, когда металлическая деталь сочленяется с не­ металлической по плоскости торца; поэтому они и называются плоскими или торцовыми соединениями (рис. 36.1, д —ж).

Возникновение больших и опасных напряжений в таких сое­ динениях компенсируют следующими способами: использова­ нием металлов небольших толщин и возможно меньшего диа­ метра; применением для соединений пластичных материалов, позволяющих несколько ослаблять напряжения; использованием более низких температур при получении соединения, а также применением медленного охлаждения в процессе сварки с че­ редованием промежуточных отжигов.

Г л а в а 37. ПЛАСТМАССЫ (Зайцев К. И.)

37.1. Состав и свойства

37.1.1. Получение пластмасс

Пластмассы — это материалы, полученные на основе синтетических или ес­ тественных полимеров (смол). Синтезируются полимеры путем полимериза­

и неорганических волокон, сеток и тканей.

Таким образом, пластмассы в большинстве случаев являются многоком­ понентными смесями и композиционными материалами, у которых техноло­ гические свойства, в том числе и свариваемость, в основном определился свойствами полимера.

37.1.2. Особенности строения

37.1.4. Реакция пластмасс на термомеханический цикл

(резиноподобное) состояние. При дальнейшем нагреве выше температуры плавления (Тпл) кристаллические полимеры переходят в аморфное состоя­ ние. Выше температуры текучести Тт и кристаллические, и аморфные пласт­ массы переходят в вязкотекучее состояние. Все эти изменения состояния обычно описываются термомеханическими кривыми (рис. 37.2), являющи­ мися важнейшими технологическими характеристиками пластмасс. Образо­

костью, температурой текучести. Полипропилен [—СН2—СН(СН3) —]п более температуростоек, чем полиэтилен, и обладает большей прочностью и жест­ костью.

В значительных объемах используются хлорсодержащие пластики на ос­ нове полимеров и сополимеров винилхлорида и винилиденхлорида.

Поливинилхлорид (ПВХ) [— (СН2—СНС1— )]п — аморфный полимер ли­ нейного строения, в исходном состоянии является жестким материалом. При добавке к нему пластификатора можно получить очень пластичный и хо­

шланги и другие изделия. Из ПВХ изготавливаются также вспененные мате­ риалы (пенопласты).

Значительную группу полимеров и пластмасс на их основе составляют полиамиды, содержащие в цепи макромолекул амидные группы [—СО—Н-—]. Это в большинстве кристаллические термопласты с четко выраженной тем­ пературой плавления. Отечественная промышленность выпускает главным

нагреве он* не переходит в вязкотекучее состояние даже при температуре деструкции (около 415°С), поэтому его сварка требует особых приемов [1]. В настоящее время химической промышленностью освоен выпуск хорошо сваривающихся плавких фторлонов; Ф-4М, Ф-40, Ф-42 и др. Сварные кон­

струкции из фторсодержащих пластиков обладают исключительно высокой

вые пластики. Наиболее известная в практике производная на их основе — пластмасса полиметилметакрилат (торговая марка «плексиглао). Эти пластики, обладающие высокой прозрачностью, используются как свето­ проводящие изделия (в виде листа, прутков и т. д.). Нашли применение также сополимеры метилметакрилата и акрилонитрила, которые обладают большей прочностью и твердостью. Все пластики этой группы хорошо сва­ риваются.

Хорошей прозрачностью отличается группа пластиков на основе поли­ стирола. Этот линейный термопласт хорошо сваривается тепловыми спосо­

бами.

Для изготовления сварных конструкций преимущественно в электротех­ нической промышленности используют сополимеры стирола с метилстиро­ лом, акрилонитрилом, метилметакрилатом и, в частности, акрилонитрилбутадиенстирольные (АБС) пластики. Последние отличаются от хрупкого поли­ стирола более высокой ударной прочностью и теплостойкостью.

В сварных конструкциях находят применение пластмассы на основе по­ ликарбонатов — сложных полиэфиров угольной кислоты. Они обладают более высокой вязкостью расплава, чем другие термопласты, однако свариваются удовлетворительно. Из них изготавливают пленки, листы, трубы и раз­ личные детали, в том числе декоративные. Характерными особенностями яв­ ляются высокие диэлектрические и поляризационные свойства.

37.1.6. Механические и служебные свойства пластмасс (табл. 37.1) и [1}

37.2. Формообразование деталей из пластмасс

Термопласты поставляются для переработки в гранулах размером 3—5 мм. Основными технологическими процессами изготовления полуфабрикатов и деталей из них являются: экструзия, литье, прессование, каландрирование, производимые в температурном интервале вязкотекучего состояния.

Трубопроводы из полиэтиленовых и поливинилхлоридных труб приме­

ских) реагентов в химическом производстве!. Резервуары и цистерны для перевозки кислот и щелочей, травильные ванны и другие сосуды облицо­ вываются Пластмассовыми листами, соединяемыми с помощью сварки. Гер­ метизация пластикатом помещений, загрязняемых изотопами, покрытие по­ лов линолеумом также осуществляются с помощью сварки. Консервация пищевых продуктов в тубы, коробки и банки, упаковка товаров и почто­ вых посылок резко ускоряются с применением сварки.

Машиностроительные детали. В химическом машиностроении сварива­ ются корпуса и лопатки различного рода смесителей, корпуса и роторы на­ сосов для перекачки агрессивных сред, фильтры, подшипники и прокладки из фторопласта, из полистирола сваривается осветительная арматура, нз капрона иеэлектропроводные шестерни, валики, муфточки, штоки, из фторлона — неСМазывающиеся подшипники, вытеснители топлива и т. д.

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.