автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Технология сварки и особенности микроструктуры сварных соединений термопластичных композиционных материалов

НАЦЮНАЛЬНА АКАДЕМ 1Я НАУК УКРА1НИ 1нститут електрозварювання 1м. €. О. Патова

На правах рукопису

*

ШАДР1Н

о — . н

„. АндрШ Олексаядрович

- » ■ ' ' УДК 621.791.01:678.029.43

згехиолопя зварювання

ТА ОСОБЛИВОСТ1 М1КР0СТРУКТУРИ

ЗВАРНЙХ З'бДНАНЬ — ■ .

ЁРМОПЛАСТИЧНИХ КОМПОЗИЦ1ЙНИХ МАТЕР1АЛ1В

• 05.03.06— . . , ' технолог!я та машинн зварювального виробництва

• ' * V • - '

Автореферат

дисертацН на здобутгя вченого ступени / кандидата техн!чних наук

Ки/в 1994

^oepTfWie ч рукописен. .

Роботу викенано я Ьститут* адектрсзвьревання *ц.6,0,П«тон* HAH УкраХни '"<_ . ' . . ^ v ■ .

Н»У*о»и* ч^^игцррводондвн* HAH УхрцХщ, доктор

1 ~ " WWÜWW* наук ЛОБАНОВ JUM. .;

Науковий консультант; эав!дуючнй водной, кандидат тезаичних

- • ^ неук К0РА5 Г,МГ т ;

Сф1ц1йн1 впоненти; доктор техн.наук ДЕЦЧИ1ШН A.B.

^ кавд.ф18.-ш«.наук ТАНЦОРА Проводив оргащащцЫ * Институт Укравтобуспром» M.IlbetB .

Захист дадермц« в*дбудеться УЩ

^<10*00 годйнг на aaoiieHHi спвэда«»<»вано1 вчено* ради КОМ,08.01 - по захисту дисартЦИ иа адобуття вченоео ступени кандидата^ теэайч ' них наук при !цстотут1 влектрозварсвання ¿м.в.О.Патона HAH УкраХнм аа адресов; 252650» Ки2в, вуд.Горького,69. :

3 дисертшцеюмояна однайодотись в ÖiÖnioreitf Институту елект ' эварюваю« ш.б.О.Патона. . .■<•<

'Автореферат розхслано * " /1Ц£ТСПетд& 1994 року. _ .

. Вчений секретарь спещапзова- " . . ,.5 ' •

ноХ вчено5£ ради* . . • 1 -v ■«• <•■ ; ■;

J канд.техн,наук . В.И.ШН0В

\ ' ' ' ' ' ' — ' "" ' '

Т ,

■ I '■■':.

> ■' ■ ■ <

ЗАШЬЯА ХяРАКШРЙСГИКА РОБОП1

Актуальнхсть теми. Полшери, зокрема термопласти, та тержйнгес-ичн1 композит Йнх матер i ал и ДКМ/ здобувавть все ширше використання | рхзноманхтних гЯлузпх народного государства. Чим далх ширшв цх ма- , ерхали аастоссг.'отьсн в вуэлах та конструкциях, що потребуоть зваро-ання. Це особливо стосуеться таких галуэей як авха- та автомоб|лебу-ування, електротехнхка, електронхка, будхвництво та ¿н. Створення адхйних в експлуатацхх э"еднань потребуе розробки вхдповхдних зваро-ельних технолог!й та обладнання. Для цього, в свою чергу, конче необ-хдним с глибокэ роэум1ння процнсхв, цо вхдбуваються на ыхкроскопхчно-у piBHi пхд чао процвеу зварювання. Встановлення та дослхдкеннл цього хкромеханхзму можливе лише засовами оптнчноХ та електронно1 мхчроско-15, В цьому зв"язку актуальним е вивчення можливост* застосування мй-вдхв сучасног плаотмасографхх для дослхдкень мхкроструктури ТКМ та xHix зварних э"еднань.

Мета робота полягае в розробц: технолог^ зварювання деталей та онструкцхХ зтермопластнчшх композицхйних натерхалхв з диспереними а безперервними армуючими компонентами..

Для досягнення Поставлено! мети необххдно вирхшити так* задача:

1. Встановити молекулярний мехаихзм з"еднання 'термопласт!в та КМ. ; .'; -•'•■■".

2. Систематизувати ыхкроструктуру зварних з"еднань по ркремих онах, дослхдити причини та характер ix виникнення, визначити вплив a i'xHi властивостк' каявностх армуючих компонентхв, способу виготов-ення напхвфабрикатхв. - .

3. Роэробити експрес-методику оцхнхи зварюваностх термопласт;в ^ ТКМ по мхкроэраэках.

4. Встановити придатнхсть та стулхнь ефективностх сучасних него-хв пластмасографх£ для вивчення мхкроструктури ТКМ та ixHix зварних "еднань. , , '

На захист вяносяться так! положения:

1. Технологхя зварсвакня елементхв конструкцхй is ихкерало- та клонаповнених ТКМ на базх полхпропхлену та полхеыхду.

2. Молекулярний ыеханхзи зварвваност! термопластхв та ТКМ, цо ' . азуеться на концегицЗ конфорыац1йно1 рухомостх полхмерних макромоле-..' уд ra m Teopii подхбностх мхи процесами плавлення/к^истаЛхэацхх в ол!мерах та бездифузхйними /мартенситними/ перетвореннями в металах; .

3. Результат» комплексных дослхджень мхктроструктури та аварюва- . остх ТКМ типу ПА6-ЛТ-20, ПА6-2Ю-КС, ЛСТ-ПЯ. . , '

4'. Систематиэащю «¿кроструктурних зон зварних э"еднань термоласт iB та ТКМ, результата вивчення причин виникнення цкх зрн,>влливу а цей процес способу виготовлення напхвфабрйкатхв та наявнос?1

арыуючих компонентов.

5. Экспрес-методику ощнни авприваноотх терыопластхв х ТКМ по »йкроэраэках.

. Наукова новизна. В робот! поставлено I розвияэшо задачу розробки технолог!! зварюванняГКН на баз! полхпропхлену та полхамхду типу ПА6-ЛТ-20, ПА6-210-КС, ЛСТ-ПП для використання в автомобхле- га авго-Сусобудуваши та в виробництвх компресорхв холодильного облвднаиня.

Встановлено, що для ТКМ э безперервними армуючими.наповнюсачами /скловолокнаыи у випадку матерхалу ЛСТ-ПП/ траднцхйне зварювання всти; е нейрийнятим I ыокз бути зм1нене на зварявання по схеых шпунтового з"еднання, щозабезпечуе перетйнання волокнами умовнох лхнхг сполучен ня звариваних деталей. Встановлено, до гйдвкцення М1ЦН0СТ1 таких з"сд нань з 50 до 75 % мгцностх основного матерхалу моке бути досягнуте за рахунок переведения довкини вкступхв над глибиною западин в. 1,5 рази. Доведено мокливхйть отриыання з'Чднань, рхвномхцних з основниы матер1алом. .

Встановлено, що для дисперсноналовнених ТШ1 /на зразок ПМ-ЛТ-20 ПА6-2Ю-КС/ ыояе бути використано зварэвання встш£. Крхм того визкаче-но, ¡цо 3 використанняы хкфрачервоного н.агрхву моие бути збережено по. верхневий шар роэплаву матриц! на поверхнях, що оплавляться,, що дозволяв забезпечити ыхщцсть шва на р1внх 100 % ыхцностх основного материалу. '

Засобаш оптичног та електрошо1 ыхкроскопх'х досл1дкена та систе-матизовано мхкрострукгурнх зони зварного э"еднання. Встановлено, до кригичними зонами з"еднання, вхдпов1дальними за експлуатащйнх, характеристики шва,, е зона сплавления та шдгратовх обдастх зони поблизу границ! проплавдення. Вперша дослхдкено ыхкроструктуру аварюзаних деталей на стадXI оплавления, що дало змогу пояснит» хснуаання надруие-дах дхлянок в зон! поблизу границ! проплавяення,

■'.• Розроблено експрес-метод оцхнки звар<аваност1 термолластхв та ТКИ, Встановлено, що характер деформування та руйнування зварного ыхкрсзра; ка свхдчить про здатнхсть материалу утворавати зварнх з"еднання.

Встановлено молекулярний мехашзы звараваностх термопласт!в х ТЮ основннми визначними рисаш якого в:

1« Домхнуючиы типом теплового руху х цасопереносу в прецесх утво-рення зварних з"еднань е кокформацхйна рухошсть полхкерних,ланцюгхв.

■2. Центри сферояхтизац« с могу тихи -фактором конформацШшх ае- -ретворень в навколившх областях рояпяаву, Тага перотворення являю-гь .собою оссбливий тип ыасопереносу, цовхдрхзняеться вхд кдасичнох ди-^

1 . 3

>уз i х i спорхднений рухомостх, що мае мхсце пхд час мартенситних пе-¡етворень.

3. Спромокнхсть центров сферолхтизацгЕ виконувати функц11 активах центров масопереносу П1д час зварюрання залекить вхд ix концентра-(хх на поверхнх контакту зваргаваних деталей.

4. Ознакою оптимальности'параметр! в эварювання е формування в эо-li сплавления сгильних для зварюваних деталей сферолхт!в завершеноЯ , ¡орми. На цхй основ! эапропоновано нову модель кристалхчних утворень сферол1Т1в/ в полхмерах.

Практична значим!сть робота полягае в розробцх технологхчних ре-:омендац1Й по зварювацн» конструктивных елементхв з ТИМ з дисперсним а безперервним ариувчим наповненнда, якх покладено в основу створен-я изханхзованих та аотоматизованих виробництв в автомобхле- та авто-ус обудуванн1, а такс» у виробництвх побугових холодильников.

Апробацхя роботи. Матер¿али дисертацхх доповхдались на Всесоюз-1Й школх-семхнарх молодих вчених "Полплери i композиц1йнх материали" Баку, вересень 1987 р./, на П конференци молодкх вчених та спецха-icTie 1ЕЗ хм.б.О.Патона, /Нихв, травень 1988 р./t на.41-му KoHrpeci хжнародного 1нституту Зварювання /М13, Вхдень, липень 1988 р./,Л хжнароднхй конференц11. молодих вчених та спедхалхстхв в палуэх зварю-ання та сушжних технолог^ /Кихв, травень, 198Э р./, на 42-му Конг-eci MI3 /Есло; Фхнляндхя, вересень, 1989/, на Республхканському ceini-api "Проблеии ргдк'ого стану та кристал1зацх2 розплав1в"/Кихв, травень 990 р. - Дйплои за найкра;цу доповхдь/, на Шжнароднхй молодхжшй ауково-технхчнхй конференцхх "Заварявано - 90" /с.Еленхтэ,' Болгархя, ересень, 1990 р./, на Нхжнародному конгрее! з прикладноХ xiMiä ПЛ1ХЕМ-91 /Братислава, червень 1991 р./, на конгресх Американського , овариства хнженерхв-полхмерникхв АНТЕК-92 /Детройт, США, травень • , 992 р./, на 8 Мхжгалузевхй конференцхх "Досвхд та перспективи вико-истання композицхйних матерхалхв в маяинобудуванн1" /Самара, Росхя, гресень 1992 р./, на конференцхг АероМат-93 /Анахейм, Калхфорнхя, ПА, червень 1993 р./.

Публхкацх!. За результатами виконаноЛ роботи надрукованр 15 ро-, it. ... . .

Структура та обсяг дисертацхх. Робота складасться хз вступу,. этирьох, глав, висновкхв, та перелхку використанох литератури э 115 айменуваяь. Дисёртацхю викладено на 128 сгорхнках, вкличаючи бй 1ЛЮНИХВ та одну таблице. .

У встул! обгрунтовуеться актуальность роботи, викладено основнх положения та мету роботи.

Перша слава присвячена огляду сучасних Teopift та конпенщй зва-рюваностг полгиер'хв, Вгдповхднх роздхли присвячено реологчнхй ыоделх, цодел1 залхковування трхщин, номбхнованхй ыоделх, моделх ххмхчних реакцхй, проаналхзовано Üxhx переваги-та недолхки. Викладено задачу якх вирхшувались пхд час виконання роботи.

В другхй главх викладено загальнх вхдсмост1 про ТКМ, ix класифх-кацхю та способ» виробництва, про стан та перспективи ix використання в рхэних галузях промисловостх. Описано методику пластмасографхчних • дослхджень. наведено.результата таких дослхдхень широкого спектру ТКЫ № ixhix зварних э"еднань.

В третхй главх викладено результата розробки технологи эварвван ня tiaTöpiauiB ЛСТ-ПП, ПЛ6-210-КС; ПА6-1Т-20. Наведено результати меха нхчних випробувань зразкхв цих матерхалхв. Викладено ххд та результати розробки експрес-методики оцхнки эварюваностх термопластхв i ТНЫ. по мхкрозразках, Наведено данх шодо розробки оригхнального пристрою -для зварювання зразкхв термопластхв х IHM встик.

В четвертхй главх викладено сисгематизецхю мхкроструктурних зон эварнмх з"еднань встик, • вплив на формування цих зон сцособу виготов-лення зварюваних зразк1в„ Дослхдяено микроструктуру зразкхв на проми них етапах процесузварювання встик. Викладено иолекулярну модель механизму зварюваностх та установлено ыхкроструктурнх ознаки зварюванос Ti термопластхв та ТКМ. Наведено результати дослхдження впли'ву армуп-чих компонентхв на формування мхкроструктури зварних з"еднань ТКМ. Викладено результати практичного використання розробяених технологхй зварювання матерхал¿в ЛСТ-ПП та ПА6-210-КС.

; ЗАГАЛЬНИЙ 3MICT РОБОТИ

. • Термоплостичнх композицхйнх матерхали /ТКМ/.- ць полхмерих композита, матрицею для яких правлять термопласта. Як армукт наповнюва-чх'для них ыокуть використовуватись диспврснх./мхнеральнх частки, рубленх волокна/ або безлерервнх /волоконнх/ матерхали. Класифгкуватк ТКМ исжна зокреыа зв структурними або за функц1ональними озиакаш. ТКМ можуть бути виготовлен1 практично всима аасобами, в1домими для -композицШих матерхалхв на реактопластичнхй ма^рицх. При цьому ТЮ1 масть ряд треваг перед останкхм типом иатерхалкв: робота з ТКИ ив • потребуе розчинникхв, у них вхдсутн1й довготривалий час отвердхння,;

, TKU не токсичнх, мають визд ххмхчну стхйкхсть, крааи тепло- та елект-рЬхзоляцхйнх вяастивЬстх, вони адатн! до ролакаацхх налрукень, тоцо.

уттевою вхдзнако» е те, що ТКИ мокуть бути з"сдна|гх пляхом эварювання.

Властивостх ТКУ значною hiрою визкачаються ххньсю мхкроструктурою-хлысхсним сгиввщношенням та просторожим взаемним розташуваннпм еле-ghtib матриц! та арыуючих компоиенив, ix эдатнютю до взаемодхх. В в"язку з цим дослхдження м1кроструитури.ТКМ е, важливим етапом розроб-и технолог!! эварювання цих матер1ал!в.

При виконаннх дано5£ роботи препарування зразкхв для мхкрострук-урних досл!джень проводилось за методиками, розробленими для звичай-т пластмас. Основними методами препарування е:

Г. Мхкротомування.

2. Виготовлення пшфхв з фхгурами травления. .

3. Виготовлення Тонкошарових прозоркх плхфхв.

. ДляТШ^ що BMiijyioTb значний /вице 10.. .15 %f. об"сшшй процент рмуючих наповнювачхв, найб1льш ефективнии виявилось виготовлення яхф!в з фхгурами травления, цо дозволяють•отримувати хнформащю.вхд анро- до ихкрорхвня. Заетосування мхкротомування обмекене в зв"язку небезпзкоа уикоджешя або руйнувания pinsyyjoro хнструменту/застосу-ання скляних HoaiB. виключаетьсд/* Вхдмхшисть в методицх препаруван-я зразкхв ТКМ вад аналог хчних операцхй для чистик термопласта Ьоля-ае'а необх!дностх частшо'го та якнайстаранншого очищения поверхнх лхфхо вхд продуктхв руйнування армуючих елеменгхв пхд час механхчно? , бробки. Сл1д taxes виксристовуваги бхльш глибокий вакуум /2,54 Па за-сеть 2,66Щ/пхд час'плазМох1М1чного травления шлхфхв.

. Застосування зазначених методхв дозволило доелхдити методами. ПГИЧН01 MiKpocKoniS шкроструктурнх ,ссо5ливостх иирокох рами сучас-го? ТКМ, що розробленх в BlAM, HlAT, HBO "Пластмаси" /м.Москэй/, Ю1 HAH Украхни /и.Кик'в/» CTi "Армопласт" /м.Северодонецьк/ для пот-еб aaia-, аитомоб1ле- та прилодобудування.. Для досл1дсень вйкористо-усались мифоскопй ШС-4, Полам Л-2П, Амплхвал, МШ-8; 3:хг доломав оэ досДхдвено макроструктуру таких ТКМ та хх эварких з"еднань: ;

- ЛСТ-ПП /пол1пропхлен з 30 % беэперегрвного скловодокна/; ■ .

- КШ-1-1 /лол1карбояат з СВЦ-тваниноо/;

- К1М-1-2 /псл1ащд з фен1яоновим волокном, плакований яарсм уорешшезу Ф-2/; ; ' '. - '."*.■ ■■

- КШ-У-I /полхсульфон.з вуглетканиноэ ЮШ5/;

- ТЩ ка ociiosi фторолласгуй-IO хз скловолокном;

- яслхкзрбо.эдтз рублени» вуглеволокион; '

» H/S-2X0-HC /сополщер пешешду. § та210 з 30 коротких вхд-ioRiv. сююасисввд/» •

- ПА6-ЛТ-20 /полхашд'-б з 20 % частик каолхну/;

- ПЕТЙ-СВ /полхетилентерефталат з 15 % скловолокна/ та ряд хнших матер1алхв. '

Беручись до роаробки технологIX зварювання ТКУ слхд виходити з т го, ¡цо зварюванхсть цих матер1ал1В цхлком визначасться зварюванхстю матричного терыопиасту. В1до«о, що присутнхсть ермуючих елемент1в.пхд вищуе в"яз1асть розпяаву матерхалу, цо зцушуе використовувати шдви-иеш температури нагрхвального хнструыенту при зварюваннх /наприклад, якцо для полхпрошлену звичайно температура нагрхвального шструыенту складае 220...240 °С, то для ыатерхалу ЛСТ-ПП початкова температура с клад ала 270 °С/. В той ке час розплав ТЮЗ е дугго чутливим до тиску оплавления та осадки.

. В1домо, що в ус1х пристроях для зварювання встик пластин, труб використовуються каретки та фхксатори, що ковзают^ по цилподрияних напрячляючих через в1дповхдн1 Булки. Втрати на тертя при цьому вра-хуванню практично не шдлягають. В зв"язку з цим було розроблено та виготовлено пристрхй, в як ому каретки переихщуються по ааровик коткал Це дозволило экизити втрати на тертя до величин, близьких до коеф1-цхенгу кориснох дхх иарикш: дсигшик г в, а точнхсть Бкыхраваннл тиску в цьому пристрох визначасться точихстю тарування динамометра.

За допомогою даного пристроа розроблено технологию зварювання и: терхалхв ПА6-ЛТ-20, ПА6-2Ю-КС, ПЕТС-СВ та ЛСТ-ПП. Для матер хал х в а дисперсниы наповненняи /на основх ПА6 та ПЕТ$/ використовувалось звв|; вання встик, для ДСТ-ПП, до включав в себе схлотканину, використано зварювання по шпунтовхй схемх /виступ-западина/. Для эваравання зраэ-кхв ыатерхалу ПА6-210-КС було використано нагрхв 1нфрачервонш випро-м1ненням. .

Зварнх гразки було п!дцено ыехашчннм випробуванням на розривн1{ ыатт £П-Ю з швидкхст» розтягнення 20 им/хв. Результат« випробуваш наведено на рис. 1-3. Отрииаш з"еднання, мхцнхсть яких на розрив ста-иовить вхд 45-50 %■ шцноотх основного матерхалу для материалу. ПД6-ЛТ-20 до 100 % для иатерхалу ПА6-210-КС.

Для иатерхалу ЛСТ-ПП визначальним паргыетроы, цо ышшае на шцн1сть, виявилась величина осадки виступу в порхвняннх з ф1ксовано< /10 мм/ глибиною западини. При спхввхдноаенш 1,4...1,5:1 зразки ыають найвшц1 показники ыхцностх /бяизько 75 %/.

Результата шшрсбувань наведено на рис.1-3.

брИПа.

15 о

№

НО №

зот,с

Рис.1. Залеянхсть руйнхвного налруження вщ часу гнфрачер-воного опромшення для зраз-кхв матерхалу ПА6-210-КС.

6?}Ш

80 60 40

¿0 Ф

ВО

60

АО

50 100 150

Рис.2. Залеаоисть руйнгвного напруження В1д глиоини осадки для эраэк1в материалу ЛСТ-ПП,

1- темп§^атура ¿нсгрумьнту

2- температура шструменту 6?№

20 ШХ

250 270 290 5Ю

Рис.3.' Зале*шсть руйнгвногр напрудання эварних з"еднань встик М1нерал онаповнених ТКМ вид температуря нагр1вального ш-сгрумент^/а/ та тиску осадки /б/.

2 - ПАб-ЛТ-20 сакенаповнений

3 - ПЕТЗ>-СВ

1Рсс то

В деякик випадках роэробники кетерхаяу на взысэ1 надатн для дос«дкення .зварюваностх достатки кхлькхсть эразкхв стандартно! форт: та розмхрхв, оскхльки нов: матерхали синтезуються.в несаликхй кхлькос тх. В зв''язку э цим чснуе потреба оцхнки зварюваностх матерхалу по míкрозразках. Для вирхшення цхег проблема було розроблено експрес-«ечодику оцхнки зварюваностх термопластхв i ТКМ, суть яко-£ полягас у виготовленнх э незначноЗс к1лькост1 "матерхалу /50-60 см3/ пресовано-го эразка, що мае в розтин1 форму лопатки. Цей зразок механхчно роз-д2ляеться на мiкрозразки в форм! лопаток, цо эварювтьея рхзнимя способами /нагрхтим хнструыентом встик та внахлест, ультразвуком та : хншиш/. Отриманх зварнх mí кроз разки розмхщувть в специальному роз-' тягувалыюиу пристрох та вилробують на розтягнення безпосередньо на предметному столику оптичного мхкроскопу. Висновок щодо зварвванос робились виходячи'з характеру деформацхх зразка, -э характеру зароджен ; ня та росту трхщин, з1виду його зруйнування. Здатн1сть мхкрозрсзка до пластичного деформування та руйнування свхдчать про його придатнхсть для.використання в зварних вузлах х коиструкц1ях.

. Вирхшення практичних задач вриэвело до необххдностх поглиблення розумшня процес1в, що вхдбувашться на.молекулярному piBHi, пхд час , зварввання термопластхв та ТИМ, На думку бах'атьох спет ал хcric, сама в1дсутнхсть такого роэумхння стримуе розвиток технолог« з"еднання ТШ, що, всвов чергу, обыекуе зростання використання новик ТКМ.

Для вирхшення задачх встан мления шкромехашзму зварюваностх •ермопластхв х ТКМ вйникла необххднхсть перш за все детально системо-тизувати ыхкроструктурих зони зварного з"еднання, причини та етапи дхнього формування. Скстематизацхв зон проведено на прикдадх на£б1дыз бзироко рйзповсодкеного виду зварювання - встик.

Основшши зонами такого з"сдньння е: I/ зоне сплавления; 2/ сфе-ролхтна зона; 3/ .зона поблкзу грш-шцх проплавлення; 4/ зона vepyi4-ного .впляау; 5/ грат. Зонгиах, вхдповЦальнюш за кисть з"еднання та його експлуатацхйнх характеристики, е зона сплавления «а пхдгратова область зони поблизу ррсниц: проплавлення. Щд час мшробувань в caps довицх поверхново-активних, речовкн иозливо такой оарсдкення трхщки в н «гратов i Я облает i зони гарахчиого впливу. • . • ' •

•• Наобххдиу хнфорыацхю цодо оевблквостоП фораувашп евдезезначоних аои дало дослхдшння иххроструктури аразихв на прощншй стедхХ caspa сального процосу. Е«сперш.:ои>м проведено ai зраакаги поликарбонату • , /рИ/ — пояшору, аи'орфнсго а.г&ичаШшк умовах-, ало одагного до ирйста . üiaímiE ppú noBÍiax уловах тераообробйи. Dpoai-Ép»-ооиаалвадя пвпародаь

закристшизоэаиого зразка ПК, булосгримано гралнцр ьцк аморфною та'..-закристалхзованоа дхлянками зразка. /до границ» було дослхджено засо-бами оптичнох шкросколп' га малокутовох дифракцх'х поляриэованого свхтла. Встаковдеио, що ч1тка границя "твердий полхмер-розплав" пгд час оплавления вхдеутня, I пхд час осадки деформуеться не лише роэл-лав, ал в 1 частновооплавлений матер1ал. Наявнхсть цього прошарку зу-мовлюе виникнення в зварному з"едканнх зони поблизу гращщх проплав-, • лення. АналоМчн1 експеркменти було проведено для пол троп хлену та : пол1бутену, якх подтвердили уявлення про природу виникнення цхех зони.

Значно впливае на макроструктуру эварних з"еднань.спос1б, в який було виготовлено напхвфабрикати, що зварюпться. В практичнхй роботх . доводиться зварввати деталх, виготовленх рхзними способами /наприклад, екструдованх труби э лнтигш. фасоннимя вмробами/. Оцхнха якостч такого- . з"еднання за зовнхпшмй озна&ми, таким, як форма грата, в дьому ви-падку ускладнена х потребуе бхлыд глибокого анаяхзу. Для.прокатаних, '.' зразкхв характерне значне розширеиня зони тершчного впливу. ' . .

Аналхз мхкроструктурних особлиьостей рхзтйс зон зварних э"еднань . широкого спектру рхзноманхтних тёрмопластхв г ТКМ дозволив эапропону- ' вати теоретичну модель зварюваностх цих матерхалхв. В П .основу пол-' ладено' концелцхю хонформацхйних трансформац1й, властивих пЬлхмерним .' макромолекулам", та принцип мартенситноХ аналоги!. Цх хдею було розроб-лено.; В.Д.Гринюком пхд керхвництвом Б.С.Касапина стосовно мхкромеха-г' 1пзму деформацх! кристалхчних термопластов. Розвиток цхех теорх5£'дозт волив застосувати II для пояснения кристалхзацгI термопластхв. э розп-лаву, яка вщбуваетьел П1Д час зварювання. .

Вхдомо, цо полхыераи пластина значна аяхзотрогия мхцностних характеристик вздовж та зпоперек ланцага полхмерно1 цакремодекули'. Для утворекня з"еднання необххдним е взаемопроникнення. макромолекул через ¡•раницю роздхлу зварюваних деталей. Такий масоперенос ыояливиД-э зв"яз-ку зх здатнхето ленок макромолекул до хонформавдйно? рухомостх» Кон-!юруащГш ператверйння вхдбуьаються.пхд вплйвом зоенхенхх факторхв ^теплових та/або ыеханхчних/. 3 ггоявоа довхльких конформацхйних пере-? гзорень ланцюгхв пoQ"яэшi так1 процеси, як кристал1зацхл та плавлен- .'.

Деязй досяхдники ототожнюоть конформацхйну рухомхеть з клаеичнов пкфузхсо. Але пор1зняльний аналхз кристалхзацхЗ термопластхв з твердо--*г.зниум перегворекнпин э моталах показуо, що ця рухешеть маз хниу ' Ьхзичиу природу. Ряд Ознак, по спхвпадаоть, зказувть на глибоку ена-вог1о, ¡«я «снфор^ацхйнигги. перетвореннпмя, що зхдбузаоться пхд чао : /, кр1!Оталхаацх]£ пелхыерхв з рогплаву та" мартенейтнши /бпэднфуз1йниин/ йаретпсрэннЯиИ з иеталах та'сплавах в тзгрдому ста. Яайб1льа ваяли--

виии ознаками хснування тако7 аналоги е такх:

1. Однотишпсть кшетшш об ох перетворень. 1х пшидк!сть визна-чаеться швидкхсто виникнення зародив, але не дифузхйними процесами.

2. Обидва процесн мавть автокаталхтичний характер.

3. Обидва п'роцееи розтягнутх в деякому ¿нтервалх температур, прй цьому ыае мхсце значний температурной гхстерезис мш початком прямого та зворотнього пепетворень.

4. Продуктами обох перетворень ё кристали ламелярног форми, цо утворикзть. м1крорельеф у -виглядх двоскатних даххв.

5. Обидвч типи перетворень мокуть бути викликанх як за рахунок эниясення температуря, так I за рахунок деформацхй прикладними хззов-нх не ;рукеннями. -

6. Звороиисть е характерной-рисою обох перетворень.

7. Як для мартенсит них сплавхв, так X для полхмерхв властивим е "ефект пам'ятх".

На користь.аналсгхх свхдчать також дослхдкення М1кростоуктури та пластичной деформацхг термопластов, Експерименти довели, що лаио-ляри1 кристали маоть.не складчагу, а двхйниковоподхбну природу.

• Кристалхэацхя пол1мер1в з розплаву, як ведомо, вхдбувасться у биглядх сферолхтхв - через рад промхкних геометричних форм. Одну з них-наведено на рис.4. Саме такх зародки сферолтв, що розвиваоться являшть собою могутн1й фактор масопереносу в оточуючих мхкрооб'смах пол1меру, :цо кристалхзуеться. ¡»Инроструктура эонн сплавления х, вхдп.овхдно, якхсть з'еднання золекить вхд 'концентрацхх цих зародкхв на лхнх!£ контакту зварюяаних деталей. При йомхрн1й концентращл: • можливе утворення в зонх сплавления сферолтв, сп1льних для обох зварюваних деталей. При надмхрнхй концентрацхх актийних центрхв сфе-ролхгизаци' 1хня е|аемна конкуренцгя перешкодкае нормальному розвиг-ку сефролхтхв I призводить до виникнення в зонх сплавления транскрис талхчнох структури /Рис.5/.

Армуочх наповнявачх суттево впливають на ххд вицеозначених процесхв. I дисперен!, х 0езперервн1 армуючх елементи набувають рухо-мостх у випадках, коли розплав термопластично! матрицх починае рух пхд впливон тиску оплавления та осадки. Дисперснг кошоненти /ыхне-ральнх частки, рублен1 волокна/ ор1ентуються в зонх шва в напрямку паралельно площинх контакту деталей, послаблюючи з'еднання. Мхиералг их частки здатнх до конгломерацхх в усхх зонах з'еднання, а, такоя до деформування щд дхею тиску. осадки до лшзоведнкх утворень, що

. Рис.4. Схема сферол1те, що розьиваеться.

сгт-,

\ / J 4"v (

ihy \

1>вМ / /Hi (

' 1 ) я .

Рис.5. Помхрна /а/ та надмхрна /б/ концентрацхп активних центрха сферолхтизацхх в зонх сплавления.

значнс пославблкють з'еднання. Для ТКИ з безперервними волокнами зварюаання естик внаслхдок прагнення волокон до пигинання в налрямну плану розплаву е неприйнятним. Дня таких матер1ал1В /типу ЛСТ-ПП/ розроблено технолог!» эвараваннп по ипунтовхй схемх, яка забеэпачуе перетинання армуючими волокнами умовнох лгшх контакту деталей.

Критичким для якосгх зварювания е також наппнхсть на поворхних. що з'еднуються, шару матриц!, достатнього для реалхзацхх з'еднання /утворення сп1льних сферсштхв- /0,2...0,5 им/. В зв'язкуз цим для такого типу матерхалхв розроблено технологию эваравання з викоркстан-ням бесконтактного хкфрачервсного на pioy /на прикладх штер1апу ПЛ6-2Ю-КС/.

\CtOf \G0i 'GDI /СО1

<х

* . Виходячи з конкрегних задач.було розроблаао технологio зварз-

■ вання основ та накладок сндхнь машин гроыадського транспорту, зок-ре.ча .автобус! в J1A3-4206 /материал ЛСТ-Ш, зваравання нагрхтим хн-струментом по шпунтовгй схем:. Температура лагрхвального шструызн-ty 300+10 °С, глубина осадки 140.... .150 55/, корпусу глушняка комп-

' ресора псбутового холодильника модем Астраханського заводу холодильного обладнання /иатерхал ПА6-210-КС, зваравання встик за допо-мого» Ыфрачервоного кагрхву/, та вузлхв пневмосистеми /корпус фхлЬ-тру, фланець яхдвхдНий та ih./ автомобхля пМоскбич-21414"/ матер1ал '/. ПАб-ЛТ-20,. зваравання встик, температура нагрхвального 1нструменту 270....290 °С, тиск.осадки 4,4...6,7 МПа/. . <

; ; • ВИСНСВКИ . 1 ; '

■I. Розроблено технологхю зваравання вузлхв та конструкций з тер-.мрпластичних кЬмлозицхйнихматерхалхв.АКМ/, що вклочають в себе дне-

• flepcrfi /ПА6-210-КС, ПАб-ЛТ-20/ та безперервнх наловшовач1 /ЛСТ-ПП/.

.Вилначено. що'для ТКМ з безперервним.напоБненням волокнами опти-, мйльнкм' с зиеднання по шпунтов iti схем!. Для дисперснонаповнвних рекомендовано зварювання ветше, в тому числх э хнфрачервошш нагр1воы.

2. Остановлено,молекулярный механхзм зварсваност1 теруопластхв .та ТКЫ, в основу якога яонладено концепцхв конформацхйнох рухсыостх

• прлхмерних макромолекул та елементи подхбностх мхж процесами плавлек-- ня /кристалхзацх! в псшмерах та беэдифуз1йними /шртенситними/ лере-

■ творениями в металах. Визначено, що мЫроструктурною ознакою зварю-

, ганостх термопласт!в i ТЮГе формування в аонг сплавления сфероятв^ .спхльнйх для обох эварюваиих деталей.. .

3. Запропоновано оригщальну модель процесхв плавления та крисг

• телхзацп термопластов, яка визначае цг яроцеси.'як конформац1йиз , розвпорядкування та впсрядкуваккя надмолекулярних утвореиь вхдповгд-

, ис>. .'"■*.-'

" 4. Проведено дооадну систематизац!ю м!кроструктурних зон звар-. них-э"еднань встик, досм1даено якхсвий вплив на формування циХ зон : еяособу виг«товлення. нап1вфабрикат1в та параметров зварювального про-цесу. Вперше дослхдкено ы^роструктуру зразк1В на протший сгади зваривального процесу, до вхдкривае мокливхсть по керуванн» м!крр-структуроа-зон. зварногозиеднання для пхдвицення його якостх.

• ];.'. 5. Встановлено характер вшшву дисперсних /10.'.; .20 обчекник процентгв/ та безперервних /25...40 об"емних процент!в/ арцувчих ноловн:овач1в иа форыуванняьцкроструктурних зон зэарник з"еднань .ТШ,

. Вааливим езбере&еник на поверхиях,що-з"еднуються) шар гттрхшото термопласту, досгатнхй для утворення шва /0,2....0,5 мм/. Визначено,

цо вххуювхдальними аа як1стьэ"еднань в зона сплавлейня та зона гоблиэу границ! проплавленнй. Це дав ыожлив*сть шляхом яорегування параметров эварювального процесу зменшувати ан1зотроп1Юцих öoh, . 1|двищуючи якхсть ива.

6. Роароблено експрес-методику оцхнки зварюваност4 термоплас-гхв i ТЮ1, основану на aHanisi деформування та руйнування аварних > «крозразкхв. Використання методики дозволяв виэначати придатнхсть / : 10вих матерiалiв для використання в зварних вузлах та конструкцхях,.

7. Шдтвердженр високу ефекгивнгсть методхв пластмасографхчного шалхзу для досл1дкення мхкроструктури ТКМ та ххнхх зварних з"ед-{ань. Встановлено, що найвицу ефективихсть для дослхджень ыак вихо- " совлення пшфхв з фхгурами травления, для яких не icHye обыежень

цодо- к1льк1сного i HKicHoro складу композита, типу армуючого коыпо-хента та гн. Визначено, ¡цо пластмасограф1чний аналхз е найбхлыа хн-1 : Еюрмативнин методом контролю якост1 зварних з"ёднань.

8. Запропонованх технолог:* зварювання ТКМ.дозволяють розробити эисокоефективне обладнання для зварввання елемвнтхв конструкций, зокрема фая автобус!в ЛАЗ-42С6, &втокоб1лей "Ыосквич-21414",компре-:opiB побутових холодильнике.

основний шшш дисжргАцИ вюшадено в РОБОТАХ:

[. Зварввання термопластичних композшпйних MaTepiania: Отлад /Г.В. Комаров, Л.Н.Йацюк, А.О.Шадрш, А.Ы.Шестопал. - Кихв:1ЕЗ im.S.O, . Патона, 1992.-32с. -подготовка та написания роздхлхв 2,3,5. I. Гринюк В.Д., Константинова С.П., Map"янович Г.1., ШадрЫ А.О. .. -

Йосл1дкення структури м1жфазно1 гранищ твордий полхмер-розплаву/ obi розробки по зварювання та склеюванню пластмас. Зб.наук.роб^. Кихв:1ЕЗ im.6.0.Патона, 1989. -С. 51-54. - участь в плану ванн i екс-перименту, проведения плаетмасографхчнкх дослэдкень, участь В аналхз1 отриманих результатов, i. Гринюк В.Д,, Золотар A.B., Шадрхн А;0. Особливостх макро- та мхкроструктури стикових з'еднань напхвфабрикатхв з полхолефхнхв// . Автомат.зварка. - 1989. 7.-С.30-41. - участь в плануваннх екс-периментхв, проведения зпарявадьнтс експериментхв, участь в ана-. лхз1 та хнтерпретацхх оэрижних реэулыамв. ,

I. Grtnyuk V.JX, SftfldtriA.A,fänstafäncva Modem methods

>. Гринек В,Д., Шадрин А.О., Золотар A.B., Константинова СЛ., Мар"я-нович Гл., Семенов Р.Г., Mi простру отура та якхсть стикових зварних з"едначь полгетилену //Автсм1,зварха.-1990.-!?11.-С.23-25,43-участь в плануваннх експериченту, зварозааьшпе окспвриментах, ана-. лхэх отриманих результате, з. ГриНюк В.Д., Шадр1н А.О., Константинова С,П., Золотар A.B., Мер"я-иович Г.1., Семенов Р.Г. Лластмасографхчах иатоди анал!зу // ;

Пластич.ыаси.-1991.-Р8.-С.55-58 - проведения зварювальшгх екслери-

FenTÍB та пластмасографхчних дослхджень, аналхз результат!в. ринюк В.Д., Шадрш А.О., Кораб Г.м. Про молекулярний мехашзм утвсрення зварних з'еднань кристалхчних полхыерхв//Доп.АН СРСР,-I93I.-Том 319, Ш.-с .1370-1373 - участь в розробцх георетично1 конце m;ii, проведения пластиасографхчних дослхджень та вироблення • граф!чно1 1Нтерпретацх1 моделх.

В. Shadrin A.A. Martej)site-lJke Transformations /и k'elcfed Jbüfts of Semi-erysüfe Pdvmers/AMTíC-92 Int Con{. five.-Detroit, Atay f-4,1992.-Technomic PuÜ., Pa, USA, 1992.~ P. i?8l

9. Гринюк 0.Д., Шадрхн А.О., Кораб Г.Ы. Молекулярний механiзы утворен ня зварних з'еднань термопластичних матерхалхв//Автом.зварка.-1992.-№7-8.тс.33-36,46.- участь в розробцх теоретично"! концешцз:, . проведения пластмасограф1чних дослхшкень.

,10. шадрхн AiO., Гринюк В.Д., Ыевцова-Казьмхрчук T.M« Експрес-метод та оснащения для попередньо! оцхнки зварюваност1 термопласт:в та коипозитхв на Ьснхй основх//Авгом.зварка.-1992.-11Ф-10.-С.39-41.-участь в плануванн1 експерименгу, проектування та виготовлення пресформи, проведения експериментхв по зварюванню СЕЛ та пластма-сограф1чних дослхджень, аналхз результатхв та розробка методики

, експрес-оцхнки зварюваносп.

II,. Шадрхн А.О., Криваткхн О.М. Зварювання встик з'еднань композищй-ного материалу ПА6-ЛТ-20//Автом-.эварка.-1993.-№1.-С.42-44 - плану. вання та проведения зварювальних експериментхв, мехашчних випро-. бувань та пластмасограф1чних дослхджень, анал1з результапв.

12. Шадрхн А.О. Використання хнфрачервоного HarpiBy для зварювання вицбхв хз склонаповненого полхамхду// Автом.зварка, I993-JÍ2.-

13.'Золотар*А.В., Шевцова-Казьмхрчук Т.М., Шадрш А.О. MÍKpocKonÍ4HÍ дослхдкення зварних'стикових з'еднань листового матерхалу типу

• . Компонор"//1 Мхжнар.конф. мол.нчених в галузх звар. та сумхк. ■ технол.:Тези доп., 16-20 травня 1989 р. - Кихв: IE3 1М.ь.и.Патона, I989.-c.64.- участь в зварювальних експериментах та пластмасогра-¿1чних досл1д«еннях.

14. Шадрхн А.О. Зварювання елементхв конструкцхй з склонаповнених ■термопластичних композицхйних матерхалхв//Досвхд та перспективн

використання композицхйних материал i в в машинобудуваннх. УШ ttm-гал^зева^кон|.: Тези доп.,15-18 вересня 1992р. - Самара, ЩЦД»

15. Shadrin'A.A. Peculiarities of Thermoplastic Composite Mierostmcture Formation m Welding under pre "Pressure +Shear Condition* f/AwHat-93 Int. Confr Anaheim,CA, №t j«„e ?-<0, тз.-Covf. Рю-Р HO?

АННОТАЦИЯ.

Шадрин А.А. Технология сварки и* особенности микроструктуры сварных соединений термопластичных композиционных материалов.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических •; наук по специальности 05.03.06 - "Технология и машины сварочного производства", Институт электросварки мм.Е.О.Патона НАН Украины, Киев, 1994.

Защищается 15 научных работ; которые содержат данные о разработке технологии сварки и о теоретических исследованиях молекулярного механизма свариваемости термопластов и термопластичных компо- , зиционных материалов /ТКИ/. Разработана экспресс-методика оценки свариваемости термопластов и ТШ, основанная на анализе характера . реформации и разрушения сварных микрообразцов. Проведена подробная . систематизация иикроструктурйых зон сварного соединения, иссладопа-. та причины и особенности их формирования. Практическое применение . результатов работы предполагается при разработке линии для Сварки сидений салона машин общественного.транспорта из стеклонаполненного голипропилена.

Ключовх слова:

шарювання терыопластичнйх композицгйних матерхадхв, мхкроструктура, :феролхт, сплавления, параметри зварювання.

abstract , :

Shadrin А.А. Technology of Welding and Peculiarities of ' Hicrostructure of Welded Joints in Theraoplasti'c Composite Materials

The3ia for a candidate of technical sciences degree in speciality 05.03.06. - "Technology and Machines for Welding Production", E.O.Pafon Electric Welding Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kiev, 1994.

Defended are 15 scientific papert containing the data.on the welding technology development ahd the theoretical studies on a molecular âechaniam of weldability of thermoplastics and thermoplastic coraposite raateriala (TCM). The express procedure has been devised for evaluation of Weld&bility of thermoplastics and tcms, .baaed otv the analysis of a character, of deformation and fracture of welded speoinens. A detailed syatenitisation of the welded jùint microatrutural, zones has been made, . the causes and the peculiarities, of their forration ntudied. Xt ia ' suggested that the work results can be applied for ' the development ,of a. production line for welding public transport vehicle seats of glass-filled polypropylene.