ЛЕКИ КОНСТРУКЦИИ металополимери
При производството на хибридни съединения на части, изработени от метал и влакнест композитен материал, предварителната обработка на повърхностите има решаващо влияние върху качеството на съединението.
Сравнението на индукционно заваряване и свързване показва нивото на якост, постигнато в момента от такива съединения, и ви позволява да определите възможните области на тяхното приложение, например в автомобилната индустрия.
В контекста на съвременното развитие на технологиите има нарастващо използване на леки конструкции, особено тези, комбинирани от метали и влакнести полимерни композитни материали (FPCM), които често могат да бъдат намерени, например, в автомобилната и самолетната индустрия. В същото време само с разработването на методи за комбиниране на леки метали с VPCM като част от хибридна част могат да се минимизират специфичните отрицателни свойства на всяка група материали и да се комбинират техните предимства. Най-приемливият метод за създаване на такива хибридни съединения в момента се счита за залепване.
При използване на VPKM с термопластична матрица, неговите адхезивни свойства могат да се използват директно. Тъй като термопластичната матрица трябва да се нагрее над температурата на топене, тогава, до известна степен условно, тук също е допустимо да се говори за процеса на заваряване. При производството на металополимерни композитни материали чрез индукционно заваряване повърхностите на съединяваните части влизат в толкова близък контакт, че възниква така нареченият вътрешен контакт и на тяхната граница протичат сложни физикохимични процеси.
При образуване на адхезивно взаимодействие се обръща внимание не само на механичното зацепване, дължащо се на проникването на полимера във вдлъбнатините на неравностите на залепената повърхност.повърхности на металния компонент, но преди всичко химични и термодинамични механизми. Физическите механизми включват водородни връзки, диполни и дисперсионни сили. Химичните ковалентни връзки могат да се образуват поради взаимодействието на функционалните групи на полимера с метала. От голямо значение за намокрянето и следователно за съвместимостта на съединяваните части са стойностите на повърхностната енергия на съединяваните части и енергията на фазовата граница. Този фактор се разглежда в рамките на теорията за термодинамичната адхезия.
За да се получи висококачествено съединение, е необходимо активно да се повлияе на механизма на неговото образуване. Освен това е важно да се инициира химическо взаимодействие между частите, които ще се съединяват, което може да се постигне чрез целенасочената им предварителна обработка, която влияе върху свойствата на съседните повърхности (виж таблицата).
Методи за предварителна обработка на повърхността на съединени части и ефект, постигнат от JTOM
Влияние на повърхностната обработка
По време на индукционно заваряване в електропроводимите материали се индуцират токове, които поради резистивния ефект и магнитния хистерезис водят до генериране на топлина и разтопяване на VPCM матрицата. В резултат на прилагането на натиск частите се притискат една към друга, което води до здрава връзка.
За залепването на пробите е използвано реактивно двукомпонентно епоксидно лепило, двата компонента на което, разположени в отделни контейнери от една и съща опаковка (обикновено туба), се изстискват в дадено съотношение на кръстовището. По принцип реакцията на втвърдяване на такива лепила протича или при повишена (горещо втвърдяващи се лепила) или при стайна температура.(студено втвърдяващи се лепила) температура. В този случай като лепило беше избран епоксиден състав, често използван в автомобилната индустрия и втвърден при температура 170–180 °C.
Повърхността на пробите PA66-UV се почиства с ацетон преди сглобяването. Металните плочи преди индукционно заваряване бяха подложени на:
• почистване с ацетон (за 3 минути в ултразвукова вана); • обработка на струни с корунд (размер на частиците - 150 - 200 микрона); • ецване в алкална баня (за 15 минути в едномолов разтвор на NaOH); • ецване в киселинна баня (за 15 минути в концентриран разтвор на HNO^).
Преди залепването металните пластини се подлагат само на алкално ецване. Повърхностният микрорелеф на съединените проби е изследван с помощта на сканираща електронна микроскопия (фиг. 2), а грапавостта на повърхността е характеризирана с параметъра Ra, чиито стойности са измерени с помощта на лазерен профилометър.
Веднага след обработката и изследването на повърхността на пробите, те бяха припокрити съгласно DIN EN 1465. Пробите на съединенията бяха тествани на машини за изпитване на опън като Zwick 1485 и Zwick Z 020.
На фиг. Фигура 3 показва типично съотношение "натоварване на удължение" при изпитване на опън на срязване на заварени и свързани съединения.
Данните от фиг. 4 показват какво ниво на якост на свързване могат да постигнат хибридните материали, използвайки процеса на индукционно заваряване. Забележимо увеличение на този параметър се получава при умела комбинация от методи за предварителна подготовка на повърхността.
По този начин, якостта на завареното съединение след подготовка на повърхността чрез бластиране с корунд и въвеждане на полимерна добавка в зоната на съединението бешепочти 14 MPa, което е около два пъти повече в сравнение с образци, подготвени за заваряване само чрез почистване с ацетон. Якостта на образците, направени чрез залепване, беше 17 MPa, което е с 20% по-високо от якостта на образците, заварени чрез индукция MS10DOM.
На фиг. Фигура 5 показва микроскопични изображения на напречно сечение на заварена проба, направена с помощта на повърхностно бластиране и полимерен пълнежен филм, и залепена проба.Ясно се вижда, че има междинен полимерен слой в зоната на заваръчния шев.
Въз основа на електронномикроскопски изображения (фиг. 6) на повърхностите, по които е настъпила деструкцията, могат да се направят допълнителни изводи за механизма на връзката. Според тях може да се заключи, че при индукционно заваряване върху плоча AIMg3 само на отделни места се наблюдават остатъци от полимер и въглеродни влакна, което показва доминиращ адхезивен характер на разрушаването на фугата. Това се дължи и на появата на сили на отлепване при изпитване на припокриващия образец за срязване на опън. В сравнение със заварените проби, разрушаването на залепените проби е почти изключително кохезивно, което показва високи адхезионни сили между адхезивния слой и пробите, които трябва да бъдат съединени.
Изводи
За изследване на нова технология във връзка с производството на леки строителни конструкции от метали и влакнести полимерни композитни материали бяха направени проби от AlMg3 и PA66-UV препокриващи съединения чрез индукционно заваряване и залепване. За извършване на индукционно заваряване е необходимо да се осигури достатъчна грапавост на повърхността за свързване на метална проба (например чрез обработка с корундова струя), а за проба от VPKM - достатъчно количество полимер на границатараздел. Якостта на опън на срязване на съединенията, направени чрез индукционно заваряване, се оказа приблизително с 20% по-ниска от якостта на залепените проби. Въпреки това, заварените образци достигат крайната си якост веднага след процеса на образуване на фугата, докато залепените образци изискват известно време на задържане след залепването. По-нататъшното подобряване на адхезивното взаимодействие на метални и PM проби и следователно увеличаване на якостта на техните съединения очевидно може да бъде постигнато чрез оптимизиране на параметрите на процеса (температура, налягане, продължителност). Така индукционното заваряване вече демонстрира своята пригодност за използване при производството на хибридни леки строителни конструкции от метали и HPCM. Rudy Velthuis et al.
Превод на Г. В. Комаров
Олекотена структура в метални и подсилени с влакна композити