Введение к работе
Актуальность работы. Основной задачей современного этапа развития сварочного производства в отношении термопластичных-материалов (ТМ) второго поколения - композиционных ТМ (ТКМ), армированных непрерывными волокнами, является разработка оптимальных и управляемых сварочных процессов с целью повышения надежности узлов соединений в изделиях авиационной, ракетно-космической и других отраслей машиностроения.
Наибольший объем знаний в настоящее время накоплен в области теории и практики сварки ненаполненных ТМ (НТМ), в меньшей степени - дисперсно-наполненных ТМ (ДІМ). В работах Г.В. Комарова были систематизированы конструкторские, технологические и материаловедческие факторы, влияющие на свариваемость этих ТМ. Однако характерные отличия структуры и свойств ТКМ и конструкторско-технологические особенности деталей из них ограничивают использование знаний в области сварки других ТМ. Так, высокий уровень упруго-прочностных свойств ТКМ предъявляет повышенные требования к прочности их сварных соединений. Вместе с тем ограниченное содержание термопласта, сваривающегося компонента ТКМ, способного к течению, как в поверхностных слоях (толщина слоя - до 1-5-10 мкм), так и в объеме основного материала (до 40% об.); затрудняет формирование контакта и сплавление свариваемых ТКМ. Значимость этого фактора усиливается при переходе от лабораторных исследований и образцов к опытно-промышленному этапу освоения технологии сварки и дополняется необходимостью 'учета тонкостенности, -крупногабаритности, пространственной кривизны и возможных макроотклонений формы свариваемых деталей, замкнутости сечений ряда сварных изделий, протяженности мест соединений, что в целом ограничивает выбор видов и технологических приемов сварки и требует решения вопросов воспроизводимости режимов сварки, а следовательно, и качества сварных соединений ТКМ.
Разрозненные и иногда противоречивые литературные данные в области " сварки ТКМ не создают целостного впечатления о путях повышения прочности их сварных соединений. Актуальной в связи с этим в конструкторском плане является задача исследования закономерностей разрушения сварных соединений ТКМ, а также пригодности и особенностей применения для расчета их прочности математического аппарата, известного, например, в области адгези-онньк соединений конструкционных материалов.
Приоритетной в технологическом плане выглядит задача выявления за- _, кономерностеи теплового и режима вязкого течения тонкого слоя расплава (под* ((расплавом» условно понимается общепринятая его трактовка как полимерной, жидкости, приложимая и к аморфным термопластам), зависимости параметров этих режимов от заданных технологических параметров и шГвлияния на скорость и глубину протекания физических явлений в зоне сварки, обусловливающих в свою очередь прочность сварных соединений.
Наиболее распространенным классом сварки ТМ является .тепловая диффузионно-реологическая сварка (далее - сварка в расплаве или просто сварка), которая представляет собой сложный физический процесс, включающий явления вязкого течения термопластов и кондуктивно-конвекгавного теплоперено-
са, сопровождаемые фазовыми переходами, формированием вязкого контакта і сплавлением свариваемых поверхностей, образованием и залечиванием пор ориентацией и рекристаллизацией расплава. Многие из этих процессов имею релаксационный характер. Порядок протекания этих явлений (условно -сварочных) может быть различным в зависимости от схемы («давление Р температура Г» или «Г- Р») и стадии сварки, типа ТМ, особенностей тепловой режима выбранного вида сварки и его конструкторско-технологическоп оформления, что в совокупности с разнообразием видов- сварки делает задач; оптимизации ее режимов эмпирическим путем и без привлечения расчетньг, методов весьма материале- и трудоемкой. Опыт решения подобных задач в раз личных областях науки и техники, включая сварку деталей из НТМ и ДТМ, по казывает, что эффективным средством исследования и оптимизации технологи ческих процессов является принцип моделирования, практически не востребо ванный в области сварки ТКМ.
В настоящее время наибольший опыт разработки математических моде лей (ММ) процессов сварки ТМ накоплен применительно к сварке нагретыл инструментом трубопроводов из НТМ, производство которых является самыл крупнотоннажным в промышленности изделий из ТМ. Приоритет в этой области принадлежит отечественной школе сварки в лице К.И. Зайцева и его коллеї - Б.Ф. Виндта, В.Д. Корнеева, И.В. Лурье и В.Ф. Ляшенко. В меньшей степеш сказанное относится к сварке трением и ультразвуковой сварке. За рубежом этс научно-практическое направление развивается главным образом в работах X Потенте с сотрудниками и В. Стокса. В целом же известные ММ, построенные для ограниченного числа видов сварки ТМ, включая ММ терморезисторно (авторы - А. Маффезоли, Д. Кении и Л. Николаи) и ультразвуковой (А. Бенатар и Т. Гутовски) сварки ТКМ, не учитывают указанных выше особенностей свойств ТКМ, деталей из них и (или) фактических условий их теплообмена, чтс требует дальнейшего развития физического и математического моделированш в отношении новых объектов и других видов сварки.
Цель работы - выявление средствами моделирования феноменологических закономерностей образования сварных соединений ТКМ и процессов их разрушения и разработка рекомендаций по реализации их свариваемости.
Основные задачи работы:
-
Исследовать основные закономерности разрушения сварных соединений ТКМ с целью выявления возможных путей повышения их прочности.
-
Выявить особенности течения расплава термопласта в зоне сварки.
3. Выявить количественные критерии, характерные для явлений,
протекающих в процессе сварки, с целью использования их в качестве
ограничений при решении задач оптимизации режимов сварки ТКМ.
4. Решить краевые задачи, отражающие основные закономерности тече
ния расплава и теплопередачи в процессах сварки ТКМ и необходимые для по
строения ММ стадий вязкого течения, в том числе с аномалией вязкости рас
плава и при использовании как внешнего, так и внутреннего источников тепла.
-
Построить обобщенные ММ стационарной стадии при сварке ТКМ с помощью внешнего и внутреннего источников тепла и выявить общие закономерности и характерные особенности взаимосвязи основных технологических параметров сварки.
-
На основе полученных решений построить ММ перспективных для ТКМ видов сварки и применить их для оптимизации режимов сварки натурных изделий, провести промышленное апробирование и внедрение результатов исследований.
Научная новизна.
-
На основе совместного анализа полей напряжений и скоростей в сдавливаемых пленках расплавов термопластов и ММ основных сварочных явлений выявлены и систематизированы их количественные критерии, установлена их взаимосвязь с параметрами режимов сварки.
-
Предложен механизм образования сварных соединений ТКМ и других ТМ в условиях ламинарного вязкого течения расплава, согласно которому причиной взаимопроникновения макромолекул свариваемых поверхностей являются деформации сжатия-растяжения слоев расплава.
-
Проведено группирование видов сварки в расплаве по признакам классификации тепловых задач, характерных для стадий вязкого течения. В качестве главного признака выбран тип источника тепла - внешний или внутренний, определяющий основные закономерности тепловых режимов сварки.
-
Экспериментально выявлены и теоретически обоснованы возможность и условия достижения стационарной стадии сварки тонколистовых ТКМ, в процессе которой стабилизируются тепловой и режим течения расплава..
-
Получены необходимые для математического моделирования и последующей оптимизации режимов сварки решения тепловых и реологических задач для расплава на стационарной стадии, учитывающие специфику его течения, а также решение тепловой задачи для твердой фазы свариваемых материалов, являющееся общим и охватывающее возможные варианты теплообмена свариваемых материалов с окружающей средой.
-
Построены для ряда видов и обобщены для обоих подклассов сварки (внешним и внутренним источниками тепла) ММ стадий вязкого течения, описывающие взаимосвязь заданных технологических параметров (давление прижима Ро, время t и параметр Я,-, характерный для выбранного вида сварки и источника тепла - тепловой поток до, создаваемый закладным нагревательным элементом, амплитуда Л и частота/ультразвуковых колебаний или др.) и основных параметров теплового режима (максимальная температура 7\( в пленке расплава) и режима течения (толщина h пленки расплава, осадка s и глубина / проплавлення твердой фазы, а также скорости их изменения - «л, i% ^)-
Практическая значимость и реализация результатов работы.
Предложенные и развитые в работе принципы моделирования процессов образования сварных соединений ТКМ и их разрушения позволяют установить оптимальные режимы наиболее распространенных видов сварки и изготавливать изделия сложной формы, в том числе крупногабаритные, из ТКМ на осно-
ве различных термопластичных матриц и армирующих волокон, в которых і носительная прочность сварного шва близка к единице, а относительная пр< ность ' нахлестанных сварных соединений достигает 0,95, соединений образной формы - 0,4, что обеспечивает решение важных актуальных пробл сварочного производства применительно к машиностроению и другим отр; лям техники.
Разработанный единый расчетно-экспериментальный подход оптимизации режимов сварки, основанный на использовании математическс моделирования стадий вязкого течения, был реализован при разработ технологических процессов сварки изделий из ТКМ и других ТМ:
терморезисторной сварки тонкостенных крупногабаритш
воздуховодов из полиамидного фенилонового пластика ПАП-Ф, внедренной
НПО им. С.А. Лавочкина (г. Химки, Моск. обл.);
послойного формования намоткой трубчатых изделий из полиэтилен! рефталатного стеклопластика с применением сварки нагретым воздухом (/ НПО «Композит», г. Королев, Моск. обл.);
послойного формования выкладкой листовых изделий из полисульф нового углепластика с применением сварки нагретым инструментом косвеннь нагревом (УНИИКМ, г. Пермь);
ультразвуковой сварки элементов каркаса опытного унифицированно пассажирского кресла летательных аппаратов из полиамидного терлоново пластика (ГНЦ ОНПП «Технология», г. Обнинск, Калужская обл.);
технологии точечно-шаговой сварки проплавлением нагреть
стержнем крупногабаритных георешеток из саженаполненного полиэтиле]
(НПО «САМОС», г. Москва) и осадительных электродов электрофильтров :
углеродонаполненного полипропилена (ООО «Промгазоочистка - АКС»,
Москва);
сварки нагретым инструментом (косвенным нагревом) встык с накла кой крупногабаритных трехслойных панелей с обшивками из полиамидної стеклопластика (ЗАО РИА «А», г. Москва);
ультразвуковой сварки рабочих колес из углеродонаполненных пол: пропиленового и полиамидного пластиков для электронасосных агрегатов (А НПП «ГидроЛюКС», г. Москва).
Результаты работы используются в учебном процессе при подготовке повышении квалификации инженерных кадров по технологии изделий из m лимерных композиционных материалов.
В целом полученные в работе результаты представляют собой совокуі ность технических и технологических решений, внедрение которых вносит зн; чительный вклад в ускорение научно-технического прогресса.
Апробация работы. Содержание и рездоїьтатьі работы доложены и обс^ ждены на 22 всесоюзных, республиканских, отраслевых и международны конференциях, симпозиумах и семинарах: «Сварка и склеивание изделий из п< лимерных материалов» (Киев, РДЭНТП, 1987), «Конструкции и технология пс
лучения изделий из неметаллических материалов» (М., ВИМИ, 1990), «Полимерные композиты - 90» (Л., ЛДНТП, 1990), «Сборка изделий из полимерных композиционных материалов» (М., МДНТП, 1990), «Неразрушающий контроль качества изделий из полимерных материалов» (М., ЦРДЗ, 1991), «Технология производства деталей из КМ» (Киев, РДЭНТП, 1991), «Повышение качества и эффективности сварочного производства на предприятиях» (М., ЦРДЗ, 1992), «Новые материалы и технологии» (М., «МАТИ» - РГТУ им. К.Э. Циолковского, 1992, 1993, 1994, 1995, 1997, 1998), «Полимерные материалы в народном хозяйстве» (М., ВИМИ, 1993), «Наука - транспорт - автоуслуги» (М., РАН, 1994), 1-ый (1994) и 2-ой (1997) международные аэрокосмические конгрессы (М., МГУ), «Современные композиционные материалы и их применение в различных отраслях техники» (М., ЦИПККАП, 1995), «Физико-химические и механические процессы в композитных материалах и конструкциях» (М., ВИМИ, 1996), «Материалы и конструкции в машиностроении, строительстве, сельском хозяйстве» (Вологда, ВПИ, 1996), «Слоистые композиционные материалы - 98» (Волгоград, ВГТУ, 1998), «Приборинформ -99» (Севастополь, СГТУ, 1999).
Публикации. По результатам диссертации опубликовано 56 работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения,-четырех глав, основных выводов, списка литературы из 320 наименований источников, двух приложений и содержит в целом 387 страниц, включая 135 рисунков и 41 таблицу. Приложения включают 7 таблиц со справочными данными о физико-механических свойствах ТМ на 5 страницах и 8 актов внедрения и практической реализации результатов диссертации на 8 страницах.