Сварка армированных термопластичных материалов

ВИАМ/1990-200641
Сварка армированных термопластичных
материалов
Л.Н. Мацюк
Н.А. Меркулов
И.И. Смирнова
Э.Я. Бейдер
К.В. Бугров
Июль 1990
Всероссийский институт авиационных материалов (ФГУП
«ВИАМ» ГНЦ РФ) – крупнейшее российское государственное
материаловедческое предприятие, на протяжении 80 лет
разрабатывающее и производящее материалы, определяющие
облик современной авиационно-космической техники. 1700
сотрудников ВИАМ трудятся в более чем 30 научноисследовательских лабораториях, отделах, производственных
цехах и испытательном центре, а также в 4 филиалах
института. ВИАМ выполняет заказы на разработку и поставку
металлических и неметаллических материалов, покрытий,
технологических процессов и оборудования, методов защиты
от коррозии, а также средств контроля исходных продуктов,
полуфабрикатов и изделий на их основе. Работы ведутся как по
государственным программам РФ, так и по заказам ведущих
предприятий авиационно-космического комплекса России и
мира.
В 1994 г. ВИАМ присвоен статус Государственного
научного центра РФ, многократно затем им подтвержденный.
За разработку и создание материалов для авиационнокосмической и других видов специальной техники 233
сотрудникам ВИАМ присуждены звания лауреатов различных
государственных премий. Изобретения ВИАМ отмечены
наградами на выставках и международных салонах в Женеве и
Брюсселе. ВИАМ награжден 4 золотыми, 9 серебряными и 3
бронзовыми медалями, получено 15 дипломов.
Возглавляет институт лауреат государственных премий
СССР и РФ, академик РАН, профессор Е.Н. Каблов.
Статья
подготовлена
для
опубликования
в
сборнике «Конструкции из композиционных материалов», № 1,
1991 г.
Электронная версия доступна по адресу: www.viam.ru/public
Сварка армированных термопластичных материалов
Л.Н. Мацюк, Н.А. Меркулов, И.И. Смирнова,
Э.Я. Бейдер, К.В. Бугров
Приведены методы и специфика сварки композиционных материалов
(КМ) на основе термопластичной матрицы.
Современные способы соединения армированных (композиционных)
материалов, основанные на использовании клеев и механических крепежных
элементов, трудно применимы и еще меньше подходят для соединения КМ
на
термопластичных матрицах. Несмотря на создание специальных
крепежных элементов при использовании механического крепежа, неизбежна
концентрация напряжений и повреждение армирующих волокон.
Клеевые соединения затруднены из-за отсутствия клеевых составов,
хорошо
соединяющихся
с
термопластичными
матрицами.
Наиболее
предпочтительно соединять термопластичные КМ с помощью сварки, как это
делается в случае ненаполненных термопластов.
Поскольку КМ получается за счет соединения термопластичной матрицы
вследствие способности ее плавиться и вторично перерабатываться, все
особенности сварки термопластов можно в равной мере отнести и к сварке
термопластичных КМ. Однако в связи с наличием в КМ армирующих
волокон они могут в значительной степени отличаться от соответствующих
ненаполненных термопластов по тангенсу угла диэлектрических потерь,
диэлектрической
проницаемости,
модулю
упругости,
акустическим
характеристикам и другим свойствам.
Поэтому технология соединения термопластичных КМ должна отвечать
специальным требованиям. В первую очередь это касается сохранения
физических свойств материалов. Процесс сварки не должен вызывать
расплавления армирующего элемента, разрушения волокна и коробления
поверхности. Должна быть обеспечена возможность применения его в
производственных условиях, а оборудование для сварки не должно быть
сложным.
За рубежом исследования в области сварки термопластичных КМ наиболее
интенсивно
проводятся
в
США
и
ФРГ
научно-исследовательскими
институтами (Массачусетским технологическим институтом, Эдисоновским
институтом сварки, а также авиакосмическими фирмами «MсDonnell Douglas
Austronautics», «Boeing» и др.). Для исследования используется в основном
полиэфирэфиркетон, армированный углеродным волокном [1–3, 7, 8].
Для сварки можно использовать способы, применяемые для соединения
термопластов.
Предпочтительны
следующие:
термоконтактная
сварка
(закладным элементом сопротивления), сварка индукционным нагревом,
ультразвуком, ИК-излучением и вибротрением [1–3, 5, 6, 8, 9].
Преимущественная область применения каждого из этих способов четко
не определена. Считается, что, как и в случае ненаполненных термопластов,
ультразвуковая сварка особенно эффективна для соединения малогабаритных
деталей из КМ, причем детали под сварку должны иметь выступы для
концентрации энергии [4]; индукционная сварка осуществляется при частоте
2–10 МГц и предпочтительна для соединения вытянутых тонких деталей [2];
сварка вибротрением при частоте вибрации 100–240 Гц и термоконтактная
сварка закладным элементом могут использоваться для соединения деталей
любой формы и конфигурации [1]. Все эти способы сварки обеспечивают
быстрое образование сварных соединений (СС); продолжительность сварки
исчисляется секундами. Прочность при сдвиге СС, полученных сваркой
этими способами, выше прочности клеевых соединений.
Сварка деталей из углепластиков на основе термопластичных смол
вследствие электропроводности углеродных волокон может осуществляться
по способу, аналогичному контактной сварке, применяемой для соединения
металлов (сварка сопротивлением) [10]. Препрег углепластика может
использоваться в качестве закладного элемента сопротивления, обеспечивая
тем самым свариваемость деталей из углепластика [1, 2].
Имеются
примеры
использования
сварки
при
изготовлении
из
термопластичных КМ деталей стабилизаторов ракет, крыла самолета и
других деталей авиакосмической техники, при ремонте деталей [5–7, 11], в
качестве вспомогательного процесса при изготовлении конструкций из
термопластичных КМ методом намотки [12].
В СССР работы, направленные на разработку технологии сварки КМ,
начаты сравнительно недавно.
Изучена свариваемость листовых термопластичных КМ, изготовленных
методом прессования: органопластика КТМ-1-1 на основе поликарбоната;
органопластика КТМ-1-2 на основе полиамида; углепластика КТМ-У-1 на
основе полисульфона и стеклопластика ПСС на основе полисульфона, при
этом особое внимание уделялось исследованию свариваемости углепластика
КТМ-У-1.
Сварку материалов осуществляли одно- и двухсторонним контактным
внешним
нагревом,
соединениями
на
двухсторонним
а
также
машине
внешним
внутренним
типа
нагревом
МСП-17М.
нагревом
Для
использовались
нахлесточными
сварки
одно-
и
малоинерционные
нагреватели (металлические ленты из стали Х18Н10Т толщиной 0,1 м).
Основные параметры сварки: температура (Т, °С) (температура на
нагревательных лентах), время (t, с) (продолжительность нарастания температуры
до заданной и выдержка при этой температуре) и давление (Р, МПа).
Для сварки прямолинейных образцов использовали электроды длиной
L=100 мм и шириной 25 мм с шириной нагревательной ленты 15 мм, для
сварки криволинейных заготовок – электроды радиусом, соответствующим
радиусу заготовки. Качество СС при сварке как внешним, так и внутренним
нагревом оценивалось путем испытания их на растяжение на разрывной
машине типа 9043-100 при скорости движения зажима 5 мм/мин. Образцы
для
испытаний
на
растяжение
вырезались
фрезерованием
из
контролируемого СС либо из специально сваренной пробы. При испытании
СС руководствовались ГОСТ 14759–69, ГОСТ 11262–80 и ГОСТ 16971–71.
Испытанием на растяжение определялась разрывная нагрузка (Р, Н) и
рассчитывались:
– прочность СС при сдвиге (напряжение сдвига)
Р
(МПа),
F
τ сдв =
где F – площадь сдвига, см2;
– разрушающее напряжение
σр =
Р
Ао
(МПа),
где А о – площадь поперечного сечения образца, см2;
– относительная прочность СС при растяжении
Κ св =
σр
100%,
σ′р
где σ′р – прочность при растяжении основного материала.
Эксперименты по сварке углепластика КТМ-У-1 внешним контактным
нагревом нахлесточными соединениями показали следующее:
– для создания необходимого контакта в зоне соединения ширина
нахлестки не должна превышать ширину нагревательной ленты;
– из-за коробления материала при нагреве вследствие его высокой
теплопроводности необходимо применение опор, поддерживающих материал
в околошовной зоне; по этой же причине время выдержки при температуре
сварки следует ограничить;
– при двухстороннем нагреве материал КТМ-У-1 толщиной 2 мм следует
сваривать при температуре >320°С;
– изменение давления при сварке в интервале от 0,2 до 0,8 МПа
существенного влияния на прочность соединения не оказывает; с точки
зрения внешнего вида СС наиболее целесообразно КТМ-У-1 сваривать при
давлении 0,2–0,4 МПа;
– изменение времени выдержки от 60 до 90 с и более не приводит к
существенному изменению прочности;
– с уменьшением толщины материала на каждые 0,5 мм температура
сварки должна смещаться на 10–15°С в сторону снижения;
– для нахлесточных СС из КТМ-У-1 толщиной 2 мм оптимальная
величина нахлестки, обеспечивающая получение СС, близких по прочности к
исходному материалу, при Т исп =20°С составляет 30–45 мм;
– с изменением толщины КТМ-У-1 от 2 до 0,5 мм разрушающая нагрузка
и напряжение сдвига τ для нахлесточных СС, полученных при указанных
выше режимах, практически не изменяются.
Прочность сварных соединений из углепластика КТМ-У-1, полученного
сваркой внешним контактным нагревом, в зависимости от ширины нахлестки
представлена в табл. 1.
Таблица 1.
Ширина
нахлестки,
мм
5
Разрушающая
нагрузка,
кН/м
132
Прочность
при сдвиге,
МПа
26
Разрушающее
напряжение при
растяжении, МПа
83,6
Относительная
прочность*, %
Характер
разрушения
43
15
30
45
224
285
373
14,9
9,5
8,3
122
160
186
64
84
98
Расслоение с
отслоением
пленки
То же
-«По основному
материалу
* σ осн. материала =190 МПа (в поперечном направлении).
Отностительная прочность СС увеличивается, и для СС из материала
толщиной 1 мм уже при ширине нахлестки 15 мм обеспечивается получение
соединений, равнопрочных материалу.
Прочность СС из КТМ-У-1 зависит от схемы укладки ленты ЭЛУР в
материале, направления сварки материала и толщины полимерного слоя на
свариваемых поверхностях. Максимальную прочность при сдвиге имеют СС
из материала с укладкой 0°/0°/90° при сварке его вдоль нитей ленты в
поверхностном слое, что, однако, не всегда удается реализовать при
изготовлении сварных конструкций. Оптимальная толщина полимера на
свариваемых поверхностях КТМ-У-1 должна составлять 30–40 мкм,
механическая обработка свариваемых поверхностей не желательна.
Сварку КТМ-У-1 толщиной менее 1 мм внешним контактным нагревом
можно производить не только нахлесточными соединениями, но также
соединениями с одно- и двухсторонними накладками. В случае стыкового
соединения с односторонней накладкой толщина ее должна быть равна
толщине материала. Стыковое соединение с двухсторонними накладками с
обеих сторон стыка должно иметь накладки толщиной не меньше 1/2
толщины материала.
Для получения стыковых соединений с двухсторонними накладками,
равнопрочных материалу, ширина накладки должна быть не менее чем 1/2
ширины нахлестки, обеспечивающей получение нахлесточного соединения,
равнопрочного материалу. Так, при толщине 1 мм ширина накладки должна
составлять 10–15 мм, при толщине 0,5 мм достаточно накладок шириной 7–8
мм. Сварка таких соединений должна осуществляться двухсторонним
нагревом по режиму сварки нахлесточного соединения той же толщины.
Для получения стыковых соединений с односторонними накладками,
равнопрочных материалу, ширина накладки должна быть равна ширине
нахлестки,
обеспечивающей
получение
нахлесточных
соединений,
равнопрочных материалу. Сварка такого соединения может осуществляться
как двухсторонним, так и односторонним (при толщине материала до 1 мм)
нагревом по режиму сварки нахлесточного соединения той же толщины.
Для снижения проницаемости стыковых соединений, как и нахлесточных,
целесообразно производить оплавление кромок на накладках, которое может
осуществляться за счет применения нагревательного элемента, ширина
которого на 2–4 мм больше ширины нахлестки.
КТМ-У-1 толщиной 2 мм можно сваривать внешним контактным
нагревом встык с разделкой кромок «на ус». При этом между свариваемыми
поверхностями следует прокладывать пленку полисульфона толщиной
50 мкм. При угле скоса кромок 7°8′ прочность стыковых соединений с
разделкой кромок «на ус» из КТМ-У-1 толщиной 2 мм равна прочности
нахлесточных соединений из этого материала с шириной нахлестки 15 мм.
Прочность при сдвиге СС из КТМ-У-1 толщиной 2 мм с изменением
температуры в интервале от +250 до +150°С практически не изменяется.
После термостарения при 150°С прочность СС при сдвиге несколько
уменьшается. Дальнейшее снижение прочности наблюдается с увеличением
времени термостарения до 500 ч. Кинетика изменения прочности одинакова
при всех температурах испытаний (20, 50, 150°С). Максимальное падение
прочности после 500 ч термостарения составляет около 15% при
температурах испытаний 20 и 50°С и 25–28% – при 150°С (рис. 1).
Рисунок 1. Зависимость прочности при сдвиге τ сдв сварных соединений
КТМ-У-1 от температуры испытания: 1 – исходные СС; 2 – после термостарения
при +150°С в течение 500 ч; 3 – после климатического воздействия в течение 3 мес
Воздействие климатических факторов не оказывает существенного
влияния на прочность СС при сдвиге. После трехмесячной выдержки
сварных образцов в камере тропиков прочность при сдвиге несколько падает
с увеличением температуры испытания, причем максимальное падение
прочности составляет ~15%. Следовательно, соединения из КТМ-У-1,
полученные
сваркой
внешним
контактным
нагревом,
могут
быть
использованы в конструкциях, работающих в широком интервале температур
и в различных климатических условиях.
Эксперименты по сварке материала КТМ-1-1 внешним контактным
нагревом показали, что для этого материала оптимальным является
следующий режим: Т св =280°С, t=60 с (из которых 30 с – подъем температуры
до сварочной и 30 с – выдержка при сварочной температуре), Р=0,3 МПа.
Величина
термопластичного
слоя
на
поверхности
КТМ-1-1,
предназначенного под сварку, должна составлять 20–30 мкм.
Прочность при сдвиге СС из КТМ-1-1 толщиной 1 мм с изменением
ширины нахлестки от 7 до 30 мм практически не изменяется и составляет
16–19 МПа (табл. 2). Относительная прочность СС с увеличением ширины
нахлестки увеличивается и при нахлестке шириной 60 мм равна прочности
основного материала.
Таблица 2.
Характер
разрушения
Ширина Разрушающая Прочность Разрушающее Относительная
нахлестки,
нагрузка,
при сдвиге, напряжение при прочность, %
мм
кН/м
МПа
растяжении, МПа
7
172
16–19
172
21
Расслоение с
отслоением
пленки
15
287
-«287
52
30
490
-«490
94
Расслоение с
вырывами
60
562
-«562
100
По основному
материалу
С изменением толщины КТМ-1-1 от 0,5 до 2 мм разрушающее
напряжение и прочность при сдвиге СС, полученных по указанным выше
режимам, практически не изменяются; относительная прочность СС
уменьшается и для СС из материала толщиной 2 мм при ширине нахлестки
60 мм составляет 50–60%, в то время как для материала толщиной 0,5 мм СС
равнопрочно основному материалу при ширине нахлестки, равной 15 мм.
Увеличение температуры испытания СС из КТМ-1-1 от 20 до 100°С
приводит к падению относительной прочности их. Так, при температуре
100°С для СС с перехлестом 7 мм сохраняется 56% исходной относительной
прочности, при перехлесте 15 мм – 67%, а при перехлесте 30 мм – 75%.
КМ на основе стеклоткани и полисульфона (ПСС) можно сваривать при
тех же режимах, что и КТМ-1-1 с небольшими коррективами в отношении
увеличения температуры и времени сварки. Прочность нахлесточных СС из
этого материала при сдвиге зависит от расположения сварного шва, т.е. от
того, как производилась сварка – вдоль или поперек, а также от сочетания
свариваемых поверхностей. Рассматриваемый материал целесообразно
сваривать в долевом направлении при сочетании свариваемых поверхностей
«Л+Л» (лицевая поверхность+лицевая поверхность). Прочность СС при
сдвиге в этом случае составляет 17–20 МПа. Сварка встык с применением
одно- и двухсторонних накладок шириной 30 и 20 мм соответственно не
приводит к увеличению прочности при сдвиге, хотя прочность при
растяжении увеличивается до 230 МПа, однако разрушение происходит в
результате сдвига.
Применение двухсторонних накладок шириной 30 мм позволяет получить
СС с прочностью при растяжении, равной прочности основного материала
(σ′р =300 МПа).
Главным недостатком сварки внешним контактным нагревом является то,
что соединяемые поверхности нагреваются через всю толщину материала от
внешнего источника тепла. Экспериментально установлено, что при сварке
материалов толщиной 2 мм наблюдается перепад температур между
внешними и внутренними свариваемыми поверхностями порядка 30–40°С.
Этот перепад температур увеличивается на десяток градусов с увеличением
габаритных размеров свариваемых деталей за счет увеличения теплоотбора в
деталь. Еще бо́льшая разница в температурах между внешней поверхностью
материала, контактирующей с нагревательными элементами, и внутренними
свариваемыми поверхностями имеет место в случае материалов толщиной
более 2 мм, что практически исключает возможность их сварки косвенным
контактным нагревом. Поэтому нами опробовалась возможность сварки
термопластичных КМ внутренним нагревом свариваемых поверхностей. Все
эксперименты проводились на углепластике КТМ-У-1, сварка которого
косвенным контактным нагревом особенно затруднена из-за его высокой
теплопроводности. Попытки обеспечить нагрев и сварку материала за счет
токопроводящих свойств армирующего волокна не дали достаточно хороших
результатов, главным образом из-за нестабильности режимов сварки.
Значительно лучшие результаты были получены при сварке с помощью
закладного нагревательного элемента, оставляемого внутри шва. В качестве
закладного элемента использовался специально изготовленный нагреватель,
состоящий из набора металлических лент толщиной 0,1 и шириной 2 мм с
токоподводами,
представляющими
собой
металлические
пластины,
обладающие меньшим сопротивлением, нежели набор металлических лент.
Металлические ленты укладывали между свариваемыми поверхностями и по
ним пропускали электрический ток, разогревая поверхности до температуры
сварки. Полученные с помощью такого нагревателя нахлесточные СС из
КТМ-У-1 толщиной до 5 мм имели стабильную прочность при сдвиге,
равную 18–20 МПа, т.е. не уступали по прочности СС, полученным при
сварке КТМ-У-1 толщиной до 2 мм внешним контактным нагревом.
В ряде случаев, однако, инородный материал может ухудшать такие
характеристики изделия, как масса, проницаемость, радиопрозрачность, а за
счет различных усадочных характеристик термопласта и металла возможно
образование пор в шве. В качестве более родственного элемента
сопротивления для сварки КТМ-У-1 целесообразно использовать монослой
углеродной ленты ЭЛУР, дублированной термопластом, однородным с
матрицей свариваемого материала. При пропускании тока по углеродной
ленте, размещенной между свариваемыми поверхностями, последние
разогреваются, и под внешним давлением образуется сварной шов, материал
которого соответствует свариваемому.
Сварка КТМ-У-1 с помощью такого закладного элемента может
проводиться на установке типа МСП-17М. Для осуществления сварки
спроектированы и изготовлены специальные электроды (рис. 2).
Рисунок 2. Электроды для сварки внутренним контактным нагревом
При использовании в качестве закладного элемента ленты ЭЛУР
образование СС из КТМ-У-1 возможно при температуре на наружных
поверхностях, равной 180–190°С. Прочность таких соединений при сдвиге
составляет 18–20 МПа и при ширине нахлестки 40 мм равна прочности
материала.
В случае материала толщиной более 2 мм образование СС из КТМ-У-1
достигается при еще более низкой температуре на наружных поверхностях.
Таким образом, сварка внутренним контактным нагревом с применением
в качестве элемента сопротивления монослоя ленты ЭЛУР открывает
возможность соединения различных армированных термопластов и особенно
углепластиков с различными термопластичными матрицами толщиной более
2 мм, сварка которых внешним контактным нагревом практически
исключена. С помощью сварки показана возможность изготовления
элементов трубопроводов и кожухов (рис. 3, 4).
Рисунок 3. Сварные элементы трубопровода
Рисунок 4. Сварные кожухи приборов, полученные с помощью сварки
Список литературы:
1.
SAMPE Journal, 1989. V. 25. N 1. Р. 11–14.
2.
SAMPE Quarterly, 1986. V. 18. Р. 34–41.
3.
Joing and Materials, 1988. V. 1. N 2. P. 70.
4.
Сварка полимерных материалов. Справочник / Под ред. К.И. Зайцева и Л.Н. Мацюк.
М.: Машиностроение, 1988. 309 с.
5.
Materials Engineering, 1986. V. 103. N 9. P. 41–44.
6.
SAMPE Quarterly, 1985. V. 16. N 2. P. 33–36.
7.
Machine Design, 1986. V. 58. N 28. P. 16.
8.
SAMPE Journal, 1989. V. 25. N 1. P. 35–39.
9.
Aerospace America, 1989. V. 24. N 3. P. 46.
10. Method of welding together graphite fiber reinforced thermoplastic laminates. Пат.
США, N 4.673.450 от 16.06.1987 (фирма «Boeing»).
11. American Automated Manufacturing, 1987. V. 131.N7. P. 31.
12. Aerospace America, 1988. July. P. 54