Reologická svařitelnost - Rheological weldability - Wikipedia

Reologická svařitelnost (RW) termoplastů zohledňuje tokové vlastnosti materiálů při určování svařitelnosti daného materiálu.^[1] Proces svařování termoplastů vyžaduje tři obecné kroky, první je příprava povrchu. Druhým krokem je aplikace tepla a tlaku k vytvoření těsného kontaktu mezi spojovanými složkami a zahájení mezimolekulární difúze přes spoj a třetím krokem je chlazení.^[2] Pomocí RW lze určit účinnost druhého kroku procesu pro dané materiály.

Reologie

Reologie je studium toku materiálu i toho, jak se materiál deformuje působením síly.^[3] Reologické vlastnosti se obvykle aplikují na nenewtonovské tekutiny, ale lze je použít také na měkké pevné látky^[4] jako jsou termoplasty při zvýšených teplotách během svařování. Vlastnosti materiálu spojené s reologickým chováním zahrnují viskozitu, pružnost, plasticitu, viskoelasticitu a energii aktivace materiálů jako funkci teploty.^[3][2]

Reologické vlastnosti

Abychom pochopili reologické vlastnosti materiálu, je také důležité rozpoznat vztah napětí-deformace pro tento materiál při různých teplotách. Tento vztah je dosažen experimentálním měřením výsledné deformace jako funkce aplikované síly.^[3]

Vlivy mikrostruktury a složení

Reologické chování materiálů je ovlivněno kombinací mikrostruktury materiálů, jejího složení, teploty a tlaku působícího na materiál v daném čase. Reologické a viskoelastické vlastnosti polymerní taveniny jsou citlivé na molekulární strukturu materiálů; včetně distribuce molekulové hmotnosti a účinků větvení. Výsledkem je, že reologie může být použita k vytvoření vztahů mezi různými kombinacemi materiálů.^[3]

Určení mikrostruktury

Reologie taveniny se ukázala jako přesná metoda pro stanovení molekulární struktury polymerů.^[3] To je výhodné při určování kompatibility svaru mezi materiály; protože materiály s drasticky odlišnými charakteristikami toku budou obtížněji spojitelné ve srovnání s materiály s těsnějšími vlastnostmi viskozity a teploty tání.^[5] Tyto informace lze také použít k určení parametrů svaru pro daný svařovací proces, který má být použit.

Viskozita

Čím nižší je η, tím lépe RW

Ohledně technika sedících kapek, smáčení je charakterizován stupněm mezifázového kontaktu a kvantifikován pomocí kontaktní úhel (θ_C) kapaliny na pevném povrchu v rovnováha, jak je znázorněno na obr. 1. Vztah mezi kontaktní úhel a povrchové napětí na rovnováha je dána Youngovou rovnicí:^[6]

${ displaystyle gamma _ {SG} = gamma _ {SL} + gamma _ {LG} cos { theta _ {c}},}$

Obr. 1: Ilustrace techniky přisedlé kapky s kapičkou kapaliny, která částečně smáčí pevný substrát při rovnováha. ${ displaystyle theta _ {C}}$ je kontaktní úhel a ${ displaystyle gamma _ {SG} }$, ${ displaystyle gamma _ {LG} }$, ${ displaystyle gamma _ {SL} }$ představují povrchová napětí rozhraní pevná látka-plyn, plyn-kapalina a kapalina-pevná látka.

Kde:

• ${ displaystyle gamma _ {SG}}$ = Povrchové napětí na tuhý plyn,
• ${ displaystyle gamma _ {SL}}$ = Povrchové napětí kapalina-kapalina,
• ${ displaystyle gamma _ {LG}}$ = Povrchové napětí kapalného plynu,
• ${ displaystyle theta _ {c}}$ = Kontaktní úhel.

Dokonale dobře smáčení, kontaktní úhel (θ_C) na rovnováha by měl být minimalizován. Platí však pouze v rovnováha a sazba rovnováha závisí na rovnováze mezi hnací silou smáčení a viskozita kapaliny. V případě polymer taje, viskozita může být velmi vysoká a dosažení rovnovážného kontaktního úhlu může trvat dlouho (dynamický kontaktní úhel je pravděpodobně vyšší než kontaktní úhel v rovnováze).

V důsledku toho pro hodnocení svařitelnost, viskozita roztaveného termoplasty (polymer je třeba brát v úvahu od svařování je rychlý proces. Dá se říci, že čím nižší, tím nižší viskozita během procesu svařování (při teplotě a tlaku svařování), tím lépe svařitelnost.

Připomínaje to viskozita (η) klesá s rostoucí teplotou (T) a smyková rychlost (${ displaystyle { dot { gamma}}}$) pro většinu polymer taje, svařitelnost je lepší tam, kde teplota a smyková rychlost (pohyb) jsou vyšší v celém průřezu svařovací oblasti.^[2][1]

Pružnost

Čím nižší a materiály Pružnost, tím lépe RW

Pružnost lze nejlépe popsat natažením gumičky. Když člověk zatáhne za gumičku, natáhne se a když se tažná síla sníží a nakonec se odstraní, gumička se vrátí na původní délku. Podobně, když na většinu materiálů působí síla nebo zatížení, materiál se deformuje a pokud síla nepřesáhne mez kluzu materiálu, materiál se po odstranění síly nebo zatížení vrátí do původního tvaru. Materiálová vlastnost spojená s pružností materiálů se nazývá Youngův modul a vztah mezi velikostí deformace pro dané zatížení popisuje Hookeův zákon.^[3]

${ displaystyle sigma = E vlevo (L-Lo right) / Lo}$

Kde ${ displaystyle sigma}$nebo napětí, kterému materiál čelí, a rovná se změně délky děleno původní délkou vynásobenou pružností materiálu nebo Yongovým modulem „E“.

Plasticita

Čím nižší a materiály Plasticita, tím lépe RW

Schopnost materiálů elasticky se deformovat při odolávání toku se nazývá plasticita.^[3] Když aplikovaná síla nebo zatížení překročí mez kluzu materiálu, materiál se začne plasticky deformovat a materiál se již nevrátí do původního tvaru. Během procesů svařování polymerů k tomu dochází při teplotách nad teplotou skelného přechodu a pod teplotou tání materiálů.^[3]

Viskoelasticita

Lineární viskoelasticita

Lineární viskoelastické chování lze pozorovat, když materiál prochází malou a pomalou deformací při velmi nízkých smykových rychlostech, kde relaxační proces má dostatek času na udržení kroku s procesem. To lze také zaznamenat na počátku větších deformačních sil.^[3]

Nelineární viskoelasticity

Odezva polymerů na rychlé a velké deformační síly je nelineární chování a je reprezentativnější pro reakce, ke kterým dochází během svařovacích procesů.^[3]

Znalost viskoelastického chování umožňuje úpravy teploty a tlaku během procesu svařování, aby se zlepšila kvalita svaru.^[5]

Aktivační energie

Čím nižší je |E_A|, tím lépe RW

Během svařovacího procesu změkčete nebo roztavte část termoplasty (polymer články) je schopen procházet rozhraním. Menší množství toku způsobuje menší difúzi na rozhraní a nižší pevnost svaru. Aby a polymer roztavené k toku, makromolekulární segmenty řetězce musí být schopné se pohybovat. Když segmenty řetězu získají dostatek tepelné energie k překonání energetické bariéry, mohou se snadno pohybovat. Energetická bariéra se nazývá jako aktivační energie (E_A). Dá se říci, že pokud a polymer Absolutní hodnota aktivační energie (|E_A|) je nižší, jeho svařitelnost stává se lepším.

|E_A| hodnoty takových polymerů jako PVC klesá s rostoucí smyková rychlost (${ displaystyle { dot { gamma}}}$), což znamená lepší svařitelnost kde smyková rychlost (pohyb) jsou vyšší v celém průřezu svařovací oblasti.^[2][1]

Použitím viskozita -smyková rychlost (${ displaystyle eta - { dot { gamma}}}$) údaje při různých teplotách pro a polymer, aktivační energie (E_A) lze vypočítat pomocí Arrheniova rovnice:^[7][8][9]

${ displaystyle eta = C exp left ({ frac {-E_ {a}} {RT}} right),}$

Kde:

• η je viskozita roztaveného polymeru,
• C je preexponenciální faktor,
• R je univerzální plynová konstanta,
• T je absolutní teplota.

Jak vypočítat absolutní hodnotu aktivační energie (|E_A|) tím, že přirozený logaritmus z Arrheniova rovnice lze snadno naučit jinde (viz Arrheniova rovnice ).

Svařitelnost polymerů

Svařování polymerů je závislá na intimním kontaktu, jehož výsledkem je molekulární difúze a zapletení řetězce přes svarový spoj. Tato akce vyžaduje, aby byl polymer v roztaveném stavu, kde viskozita taveniny a chování při toku mají drastický vliv na množství difúze a zapletení.^[10] Reologická svařitelnost je proto nejlepší mezi materiály se shodnými nebo velmi podobnými teplotami tání a viskozitou taveniny.^[2] Rovněž se snižuje viskozita materiálu a aktivační energie, čímž se zlepšuje svařitelnost tohoto materiálu.^[2] Nejlepší výsledky vykazovaly například svařování semikrystalického materiálu na kompatibilní polokrystalický materiál a amorfního materiálu na kompatibilní amorfní materiál.^[5] Zatímco reologická analýza může poskytnout přiměřený pohled na svařitelnost materiálů,^[2] ve většině případů je výrobní svařování obvykle podrobeno sérii zkoušek, aby se ověřila kompatibilita mezi základními materiály i použitým procesem.^[5]

Podobně jako při svařování kovů, i tuhnutí polymerního svaru zažívá zbytková napětí spojená s procesem spojování. U polymerů jsou tato zbytková napětí částečně způsobena rychlostí stlačení, která vede ke specifickému směru molekulárního vyrovnání, což v konečném důsledku ovlivňuje pevnost svaru a celkovou kvalitu.^[10] Důkladné pochopení reologických vlastností spojovaných materiálů může pomoci při určování výsledných zbytkových napětí; a zase poskytnout vhled do metod zpracování, které by mohly tyto namáhání snížit.^[10]

^[5]

Viz také

• Aktivační energie
• Arrheniova rovnice
• Svařování plastů
• Reologie
• Svařitelnost
• Svařování
• Smáčení

Reference