Зависимость прочности ультразвукового сварного соединения пластмасс от времени сварки
|
Введение 3
1 Общие сведение о пластмассах 6
2 Виды и методы: сварки пластмасс 12
3 Сущность метода ультразвуковой сварки пластмасс 14
4 Аналитический обзор методов оценки качества сварных соединений пластмасс 16
5 Экспериментальная часть 21
5.1 Материал 21
5.2 Выбор метода испытания 23
5.3 Изготовление образцов 26
5.4 Оборудование и средства измерения 32
5.5 Проведение испытаний 37
6 Обработка экспериментальных данных 41
6.1 Представление первичных измерений 41
6.2 Статистическая обработка результатов серий измерений 41
6.3 Анализ полученных результатов 44
6.4 Статистический анализ экспериментальных данных 48
6.4.1 Корреляционный анализ 49
6.4.2 Регрессионный анализ 54
Заключение 67
Список используемой литературы 70
Приложение А Результаты первичных измерений, диаграммы «нагрузка-перемещение» и вид образцов после испытаний на растяжение 75
Приложения Б Результаты замеров сварных образцов 83
Приложение В Результаты статистической обработки результатов испытания 85
1 Общие сведение о пластмассах 6
2 Виды и методы: сварки пластмасс 12
3 Сущность метода ультразвуковой сварки пластмасс 14
4 Аналитический обзор методов оценки качества сварных соединений пластмасс 16
5 Экспериментальная часть 21
5.1 Материал 21
5.2 Выбор метода испытания 23
5.3 Изготовление образцов 26
5.4 Оборудование и средства измерения 32
5.5 Проведение испытаний 37
6 Обработка экспериментальных данных 41
6.1 Представление первичных измерений 41
6.2 Статистическая обработка результатов серий измерений 41
6.3 Анализ полученных результатов 44
6.4 Статистический анализ экспериментальных данных 48
6.4.1 Корреляционный анализ 49
6.4.2 Регрессионный анализ 54
Заключение 67
Список используемой литературы 70
Приложение А Результаты первичных измерений, диаграммы «нагрузка-перемещение» и вид образцов после испытаний на растяжение 75
Приложения Б Результаты замеров сварных образцов 83
Приложение В Результаты статистической обработки результатов испытания 85
Актуальность и научная значимость настоящей исследовательской работы подтверждается востребованностью решения проблемы повышения прочности сварного соединения пластмассовых материалов и изучения зависимости прочности от разных влияющих на прочность факторов. Очевидно, что прочность и долговечность в процессе эксплуатации важна для всех изделий. Еще на стадии проектирования устанавливаются требования, необходимые для безопасной и продолжительной эксплуатации детали или механизма в заданных условиях. Свойства пластмассовых материалов продолжают изучаться в настоящее время, так как несмотря на достаточно долгое использование пластиков, их свойства и поведения менее изучены по сравнению с металлами. Особый интерес представляют прочностные характеристики пластмасс и влияние на прочность различных факторов.
Пластмассовые материалы широко распространены в современном мире. Трудно найти области и сферы нашей жизни, в которых не применялись бы пластмассы и изделия из них. Широкое распространение производства пластмассовых материалов и производства изделий из пластмасс пришлось на вторую половину двадцатого века. Пластики начали свой путь с одноразовой посуды, тары, упаковки. Со временем, изделия из пластика вошли во все отрасли промышленности, в машиностроение, медицину. Из пластика делают детские игрушки, мебель, строительные материалы, детали машин, поездов, самолетов, кораблей, бытовую технику, спортивные товары, трубопроводы, контейнеры, нити и волокна. Пластик в какой-то мере вытеснил и заменил другие материалы: металл, дерево, стекло, бумагу (при упаковке продуктов). Сложно вспомнить, как мы жили, например, без элементарных пластиковых пакетов, а ведь массовое распространение в нашей стране они получили всего каких-то 30-40 лет назад. Нет ни одного современного здания, где для отделки не применялись бы пластмассовые материалы. В медицине без пластмассовых одноразовых шприцов никто даже не представляет себе проведение медицинских процедур. Младенцы с рождения используют пластмассовые бутылочки и игрушки.
Пластмассовые материалы в первоначальном виде представляют собой небольшие гранулы до четырех миллиметров в длину. Переработка пластмасс в изделия происходит разными методами: литьем под давлением, выдуванием, термоформованием, экструзией. Изделия из пластмасс могут обрабатываться механической обработкой, также они могут соединятся между собой сваркой.
Пластики прочно вошли в нашу жизнь. Они имеют достаточно преимуществ по сравнению с традиционными материалами, это дешевизна, легкость, прочность, химическая стойкость, быстрый способ переработки, способность легко и с минимальным усилием получать изделия сложных форм и в больших количествах. Так, например, полный цикл получения одного пластмассового изделия составляет всего от одной до нескольких минут.
В целом процесс сварки термопластов заключается в образовании неразъёмных соединений за счет контакта активированных нагревом соединяемых поверхностей и последующего их охлаждения. Активация проявляется в повышении энергии теплового движения цепных макромолекул, из которых состоят термопласты. А контакт (сближение) активированных макромолекул на расстояния порядка 3.. .4 А, где действуют силы межмолекулярного взаимодействия (силы Ван-дер-Ваальса), достигается приложением к свариваемым поверхностям статического давления [7-9]. Под действием УЗК и статического давления на выступах макро-и микрорельефа контактных поверхностей возникают максимальные динамические напряжения. В результате высокочастотного деформирования, выступы рельефа сминаются, нагреваются и переходят в вязко-текучее состояние (в расплав), а колеблющийся рабочий торец СИ, вытесняя расплав, внедряется в материал термопласта на некоторую глубину [10 -12].
В работах [13-15], как правило, предусматривается глубина внедрения до границы раздела свариваемых деталей. Однако расплав течёт и при большей глубине внедрения, но этот процесс в научной литературе [16-17] освещен недостаточно. Изучение этих реологических процессов, протекающих в зоне УЗС, влияющих на количество связей сцепления активированных поверхностей и, следовательно, на прочность сварных соединений пластмасс является безусловно актуальным.
Выдвигаемая гипотеза: время воздействия ультразвука на зону сварки пластмассового соединения и прочность этого соединения связаны между собой возрастающей зависимостью. Проверка гипотезы будет проведена при изучении поведения сварного соединения образцов, изготовленных из полипропилена марки Бален.
Цель работы - оценить влияние времени воздействия ультразвука (УЗ) в процессе сварки на прочность сварного соединения пластмасс.
Задачи работы:
1. Разработка методики исследования.
2. Проектирование: образца из пластмассового материала; сварочного инструмента-волновода для проведения ультразвуковой сварки (УЗС); ложемента для закрепления образцов при УЗС пластмассовых образцов; приспособления для испытания сварного соединения их пластмасс в испытательной машине.
3. Изготовление: образцов из пластмассового материала; сварного соединения из пластмасс; сварочного инструмента-волновода для проведения УЗС; ложемента для закрепления образцов при УЗС пластмассовых образцов; приспособления для испытания сварного соединения их пластмасс в испытательной машине ф. «Instron», США.
4. Проведение испытаний по определению прочности сварного шва, путем приложения растягивающей нагрузки к сварному соединению.
5. Определение статистической зависимости прочности УЗ-ого сварного соединения пластмасс от времени колебаний рабочей части сварочного инструмента.
Пластмассовые материалы широко распространены в современном мире. Трудно найти области и сферы нашей жизни, в которых не применялись бы пластмассы и изделия из них. Широкое распространение производства пластмассовых материалов и производства изделий из пластмасс пришлось на вторую половину двадцатого века. Пластики начали свой путь с одноразовой посуды, тары, упаковки. Со временем, изделия из пластика вошли во все отрасли промышленности, в машиностроение, медицину. Из пластика делают детские игрушки, мебель, строительные материалы, детали машин, поездов, самолетов, кораблей, бытовую технику, спортивные товары, трубопроводы, контейнеры, нити и волокна. Пластик в какой-то мере вытеснил и заменил другие материалы: металл, дерево, стекло, бумагу (при упаковке продуктов). Сложно вспомнить, как мы жили, например, без элементарных пластиковых пакетов, а ведь массовое распространение в нашей стране они получили всего каких-то 30-40 лет назад. Нет ни одного современного здания, где для отделки не применялись бы пластмассовые материалы. В медицине без пластмассовых одноразовых шприцов никто даже не представляет себе проведение медицинских процедур. Младенцы с рождения используют пластмассовые бутылочки и игрушки.
Пластмассовые материалы в первоначальном виде представляют собой небольшие гранулы до четырех миллиметров в длину. Переработка пластмасс в изделия происходит разными методами: литьем под давлением, выдуванием, термоформованием, экструзией. Изделия из пластмасс могут обрабатываться механической обработкой, также они могут соединятся между собой сваркой.
Пластики прочно вошли в нашу жизнь. Они имеют достаточно преимуществ по сравнению с традиционными материалами, это дешевизна, легкость, прочность, химическая стойкость, быстрый способ переработки, способность легко и с минимальным усилием получать изделия сложных форм и в больших количествах. Так, например, полный цикл получения одного пластмассового изделия составляет всего от одной до нескольких минут.
В целом процесс сварки термопластов заключается в образовании неразъёмных соединений за счет контакта активированных нагревом соединяемых поверхностей и последующего их охлаждения. Активация проявляется в повышении энергии теплового движения цепных макромолекул, из которых состоят термопласты. А контакт (сближение) активированных макромолекул на расстояния порядка 3.. .4 А, где действуют силы межмолекулярного взаимодействия (силы Ван-дер-Ваальса), достигается приложением к свариваемым поверхностям статического давления [7-9]. Под действием УЗК и статического давления на выступах макро-и микрорельефа контактных поверхностей возникают максимальные динамические напряжения. В результате высокочастотного деформирования, выступы рельефа сминаются, нагреваются и переходят в вязко-текучее состояние (в расплав), а колеблющийся рабочий торец СИ, вытесняя расплав, внедряется в материал термопласта на некоторую глубину [10 -12].
В работах [13-15], как правило, предусматривается глубина внедрения до границы раздела свариваемых деталей. Однако расплав течёт и при большей глубине внедрения, но этот процесс в научной литературе [16-17] освещен недостаточно. Изучение этих реологических процессов, протекающих в зоне УЗС, влияющих на количество связей сцепления активированных поверхностей и, следовательно, на прочность сварных соединений пластмасс является безусловно актуальным.
Выдвигаемая гипотеза: время воздействия ультразвука на зону сварки пластмассового соединения и прочность этого соединения связаны между собой возрастающей зависимостью. Проверка гипотезы будет проведена при изучении поведения сварного соединения образцов, изготовленных из полипропилена марки Бален.
Цель работы - оценить влияние времени воздействия ультразвука (УЗ) в процессе сварки на прочность сварного соединения пластмасс.
Задачи работы:
1. Разработка методики исследования.
2. Проектирование: образца из пластмассового материала; сварочного инструмента-волновода для проведения ультразвуковой сварки (УЗС); ложемента для закрепления образцов при УЗС пластмассовых образцов; приспособления для испытания сварного соединения их пластмасс в испытательной машине.
3. Изготовление: образцов из пластмассового материала; сварного соединения из пластмасс; сварочного инструмента-волновода для проведения УЗС; ложемента для закрепления образцов при УЗС пластмассовых образцов; приспособления для испытания сварного соединения их пластмасс в испытательной машине ф. «Instron», США.
4. Проведение испытаний по определению прочности сварного шва, путем приложения растягивающей нагрузки к сварному соединению.
5. Определение статистической зависимости прочности УЗ-ого сварного соединения пластмасс от времени колебаний рабочей части сварочного инструмента.
Данное исследование является первым крупным шагом в изучении прочности пластмасс в условиях рассмотренного процесса постепенного внедрения колеблющего рабочего торца сварочного инструмента в полимер до глубины, равной общей толщине свариваемых деталей.
В рамках выпускной работы мы:
1. Спроектировали и изготовили приспособления:
• для передачи энергии ультразвуковых механических колебаний в зону сварки;
• для фиксации образцов-пластин в процессе сварки;
• для выполнения растяжения сварного соединения.
2. Спроектировали и изготовили образцы пластин из полипропилена марки Бален в количестве 130 шт.
3. На специальном стенде, созданном на базе универсального фрезерного станка модели FHV-50PD, осуществили ультразвуковую сварку плоских образцов-пластин из полипропилена марки Бален с целью создания образцов сварных соединений.
4. Выполнили измерения глубин внедрения рабочего торца волновода в материал пластмассы.
5. Выполнили исследования на растяжение образцов сварного соединения с измерением силы отрыва пластин друг от друга на ИМ Инстрон 5966 с записью диаграмм «нагрузка-деформация».
6. Провели статистическую обработку результатов измерений при помощи программ «Excel», «Mathcad», «Статистика».
7. Выполнили статистический анализ полученных экспериментальных данных.
Научная новизна работы.
Экспериментально рассмотрен процесс постепенного внедрения колеблющего рабочего торца СИ в полипропилен до предельной глубины, равной общей толщине свариваемых пластин; определены адекватные регрессионные модели статистических зависимостей влияния времени воздействия ультразвука на глубину внедрения рабочего торца СИ в полипропилен и на силу разрыва сварного соединения.
Определены статистические закономерности между временем воздействия УЗ-ых колебаний на зону сварки и:
• силой отрыва сваренных пластин друг от друга,
• глубиной внедрения сварочного инструмента в материал,
• площадью контакта в сварном соединении.
Практическая и научная значимость исследования.
Основные положения проведенного исследования могут лечь в основу дальнейших теоретических разработок. Были найдены аналитические оценочные функции зависимости силы отрыва и глубины внедрения торца СИ в полипропилен от времени воздействия ультразвука на зону сварки. Результаты диссертации могут быть использованы в различных расчетах для исследования свойств пластмассовых материалов при ультразвуковой сварке.
Достоверность и обоснованность результатов исследования обеспечивались учетом ряда факторов:
• идентичность изготовления пластмассовых образцов в соответствии с разработанным чертежом;
• контроль условий изготовления сварных соединений (усилие прижима, частота УЗ колебаний, время сварки, надежная фиксация для исключения сдвига);
• соблюдение времени кондиционирования образцов после изготовления по ГОСТ Р 55142;
• адекватность методов исследования целям и задачам исследования, погрешность, точность выбранных СИ подходит для проведения измерений;
• измерения образцов проводились поверенными средствами измерения;
• обеспечение стандартных условий кондиционирования и испытания образцов перед испытаниями и условия испытаний соответствовали требованиям стандартной атмосферы для испытаний пластмасс для всех серий измерений;
• обеспечением одинаковых условий испытаний для всех серий - образцы сварных соединений испытывались на одной испытательной машине при одной скорости движения подвижной траверсы, одним оператором;
• большой выборкой образцов - изготовлены 130 образцов-пластин. Из которых созданы и испытаны 65 образцов сварных соединений;
• проведением качественного и количественного анализа полученных экспериментальных данных;
• применением статистической обработки полученных результатов измерений на основе информационных технологий с использованием компьютерных программ, по ГОСТ 14359;
• применением методов эмпирических исследований, проведением корреляционно-регрессионного анализа полученных экспериментальных данных.
В результате проведенного исследования мы доказали выдвинутую нами гипотезу о том, что между временем воздействия УЗ-ых колебаний на зону сварки и прочностью сварного соединения полипропиленового материала имеется значимая возрастающая зависимость.
В рамках выпускной работы мы:
1. Спроектировали и изготовили приспособления:
• для передачи энергии ультразвуковых механических колебаний в зону сварки;
• для фиксации образцов-пластин в процессе сварки;
• для выполнения растяжения сварного соединения.
2. Спроектировали и изготовили образцы пластин из полипропилена марки Бален в количестве 130 шт.
3. На специальном стенде, созданном на базе универсального фрезерного станка модели FHV-50PD, осуществили ультразвуковую сварку плоских образцов-пластин из полипропилена марки Бален с целью создания образцов сварных соединений.
4. Выполнили измерения глубин внедрения рабочего торца волновода в материал пластмассы.
5. Выполнили исследования на растяжение образцов сварного соединения с измерением силы отрыва пластин друг от друга на ИМ Инстрон 5966 с записью диаграмм «нагрузка-деформация».
6. Провели статистическую обработку результатов измерений при помощи программ «Excel», «Mathcad», «Статистика».
7. Выполнили статистический анализ полученных экспериментальных данных.
Научная новизна работы.
Экспериментально рассмотрен процесс постепенного внедрения колеблющего рабочего торца СИ в полипропилен до предельной глубины, равной общей толщине свариваемых пластин; определены адекватные регрессионные модели статистических зависимостей влияния времени воздействия ультразвука на глубину внедрения рабочего торца СИ в полипропилен и на силу разрыва сварного соединения.
Определены статистические закономерности между временем воздействия УЗ-ых колебаний на зону сварки и:
• силой отрыва сваренных пластин друг от друга,
• глубиной внедрения сварочного инструмента в материал,
• площадью контакта в сварном соединении.
Практическая и научная значимость исследования.
Основные положения проведенного исследования могут лечь в основу дальнейших теоретических разработок. Были найдены аналитические оценочные функции зависимости силы отрыва и глубины внедрения торца СИ в полипропилен от времени воздействия ультразвука на зону сварки. Результаты диссертации могут быть использованы в различных расчетах для исследования свойств пластмассовых материалов при ультразвуковой сварке.
Достоверность и обоснованность результатов исследования обеспечивались учетом ряда факторов:
• идентичность изготовления пластмассовых образцов в соответствии с разработанным чертежом;
• контроль условий изготовления сварных соединений (усилие прижима, частота УЗ колебаний, время сварки, надежная фиксация для исключения сдвига);
• соблюдение времени кондиционирования образцов после изготовления по ГОСТ Р 55142;
• адекватность методов исследования целям и задачам исследования, погрешность, точность выбранных СИ подходит для проведения измерений;
• измерения образцов проводились поверенными средствами измерения;
• обеспечение стандартных условий кондиционирования и испытания образцов перед испытаниями и условия испытаний соответствовали требованиям стандартной атмосферы для испытаний пластмасс для всех серий измерений;
• обеспечением одинаковых условий испытаний для всех серий - образцы сварных соединений испытывались на одной испытательной машине при одной скорости движения подвижной траверсы, одним оператором;
• большой выборкой образцов - изготовлены 130 образцов-пластин. Из которых созданы и испытаны 65 образцов сварных соединений;
• проведением качественного и количественного анализа полученных экспериментальных данных;
• применением статистической обработки полученных результатов измерений на основе информационных технологий с использованием компьютерных программ, по ГОСТ 14359;
• применением методов эмпирических исследований, проведением корреляционно-регрессионного анализа полученных экспериментальных данных.
В результате проведенного исследования мы доказали выдвинутую нами гипотезу о том, что между временем воздействия УЗ-ых колебаний на зону сварки и прочностью сварного соединения полипропиленового материала имеется значимая возрастающая зависимость.
