Фторопласты

ДЕФОРМИРОВАНИЕ МАТЕРИАЛА В ЗОНЕ СВАРКИ И РОЛЬ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ОЗДЕЙСТВИЯ

К особенностям пластического поведения фторопласта-4, как уже

О I мочал ось, относится его способность к ползучести при обык­новенной температуре и относительно небольших значениях механических нагрузок, усугубляющаяся с ростом температуры, а 1акже высокое, достигающее 50%, увеличение объема мате­риала нри температуре сварки. Такое поведение вызывает определенные трудности в выборе оптимального сварочного давления, которое должно обеспечить наиболее полный контакт между свариваемыми поверхностями.

Наиболее распространенным способом создания сварочного /мнления при сварке фторопласта-4 является ограничение его юрмического расширения. Давление, развиваемое при нагреве фтронласта-4 до температуры сварки, при полном ограничении смободы расширения возрастает пропорционально увеличению тлщины материала, При этом величина возникающих в мате­риале напряжений превышает прочность материала. Максималь­ное увеличение напряжений имеет место в интервале температур плавления кристаллической фазы полимера, при температурах же, близких к сварочным, давление нарастает менее интенсивно (рис. 2.3).

Жесткое ограничение объема, в котором расширяется свари­ваемый образец, связано с рядом технических трудностей, поэтому на практике наряду с упомянутым способом для поддержания необходимого давления в процессе нагрева и изотермической выдержки используют устройства, упруго ком­пенсирующие избыточное расширение образца.

Однако при любом способе создания сварочного давления не удается полностью устранить одно обстоятельство: объемная деформация материала в зоне нагрева наступает раньше, чем. протекает пластическая деформация микровыступов на контак­тирующих поверхностях, что становится причиной снижения стабильности прочностных показателей сварного соединения.

Одним из путей предотвращения этого является применение промежуточного присадочного материала [6, 18], например из плавких марок фтороиласта-4 (Ф-4МБ, Ф-50), другим-введение в зону нагрева механических колебаний ультразвуковой частоты.

В последнем случае появляется возможность снизить давление, необходимое для достижения полного контакта свариваемых поверхностей (рис. 2.4) [19].

Процесс ультразвуковой сварки, как уже говорилось, включа­ет три этапа: нагрев зоны сварки, изотермическая выдержка

Л МПа ботн, АИ7а

Рис. 2.3. Зависимость давления, развиваемого в материале при полном ограничении свободы его термического расширения, от температуры при толщине фторо-

, пласта-4 2 (1) и 6 мм (2)

Рис. 2.4. Зависимость прочности стотн сварных соединений от статического давле­ния РСТ при различных значениях амплитуды А ультразвуковых колебаний (УЗК):

/ - 0; 2-10 мкм; 3 - 30 мкм

И охлаждение. Для фторопласта-4 продолжительность каждого из этих этапов исчисляется минутами и даже десятками минут.

Особенностями этапа разогрева зоны сварки, как уже отмеча­лось* является, с одной стороны, низкая теплопроводность материала, с другой-высокие температуры сварки, близкие к температуре деструкции [20].

При использовании ультразвуковых колебаний на стадии разогрева зоны сварки они способствуют увеличению скорости разогрева полимера за счет поглощения материалом ультра­звуковой энергии. Одновременно с разогревом проявляется и активирующее действие ультразвука на поверхностные слои зоны соединения, которое значительно повышается с переходом материала в зоне соединения в аморфное состояние.

Активирующее действие ультразвука заключается в наруше­нии укладки макромолекул, выражающемся в уменьшении степени кристалличности и сопровождающемся флуктуационны - ми изменениями молекулярной массы полимера в зоне контакта.

Процесс ультразвукового воздействия продолжается и на стадии изотермической выдержки, в процессе которой заверша­ется формирование контакта по всей площади соединяемых поверхностей и начинаются диффузионные взаимодействия в результате теплового движения звеньев макромолекул [21]. Применение ультразвука при этом способствует увеличению подвижности звеньев вплоть до разрыва отдельных участков макромолекул, оказавшихся в наиболее тяжелых условиях вслед­ствие неравномерного распределения нагрузки, а также пере­мещению свободных концов макромолекул и вновь образован­ных радикалов в поле переменных механических напряжений.

Активирующее действие ультразвука проявляется также и
и нарушении так называемого «эффекта клетки», сохраняющего полимер в «перегретом» состоянии до высоких температур, п силу действия которого разорвавшиеся под действием тепло­ного движения макромолекулы из-за ограниченной подвижности и плотного окружения другими макромолекулами вынуждены рекомбинировать по старым или соседним связям [22]. При этом »содействие ультразв^ ха проявляется не столько в разрыве химических связей ост чой цепи полимера, сколько в разобще­нии разделившихся под действием тепловой энергии свободных радикалов, что делает возможным появление наряду с диф­фузионным и радикального механизма образования соединения » зоне сварки.