CC BY
1УДК 678.029.43
DOI 10.24412/cl-37255 -2024-1 -228-231
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЕРДОСТИ НА ПОВЕРХНОСТИ СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ ПЭВП
Родионов А.К., Васильев С.В.
Федеральный исследовательский центр «Якутский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук», обособленное подразделение Институт проблем нефти и газа СО РАН, г. Якутск E-mail: ailagr@mail.ru
Аннотация. Показана возможность применения дюрометра для исследования сварочных соединений ПЭВП. Исследовано распределение твердости листового ПЭВП с сварным стыковым соединением, в зависимости от расстояния до линии сплавления. Обнаружено, что в зоне термического влияния сварки, значения величин твердости меньше чем в основном материале, и что распределение значений величины твердости коррелируют с распределением температуры в зоне сварного соединения в начальный момент его формирования.
Ключевые слова: ПЭВП, остаточные сварные напряжения, зона термического влияния, линия сплавления.
Давно признано, что микротвердость дает ценную информацию о морфологических параметрах полимеров и их макроскопических механических свойствах. Однако оборудование для измерения микротвердости дорогостоящее, а сама технология измерения микротвердости весьма сложный и трудоемкий процесс. С другой стороны, для измерения твердости пластмасс используется дюрометр, простой портативный твердомер с небольшим диаметром индентора. Малый диаметр индентора позволяет довольно точно, для практических целей, локализовать место замера величины значения твердости.
Целью настоящей работы является, демонстрация возможности применения дюрометра для исследования распределения значений величин твердости на поверхности полиэтилена высокой плотности (ПЭВП) в зоне сварного стыкового соединения (ССС), на предмет выявления изменений, вызванных процессом сварки.
В качестве объекта исследования было выбрано сварное стыковое соединение листового ПЭВП. Для изготовления опытного образца, из листового материала ПЭВП толщиною 9 мм были вырезаны две прямоугольные пластины размером 150х100 мм. Которые были соединены сваркой в стык нагретым инструментом. Сварка производилась на сварочном аппарате ROSENBERG, при температуре окружающего воздуха +20°С, температура нагревательного инструмента +220°С, время нагревания 90 секунд. Стык сварного соединения располагался перпендикулярно направлению экструзии листового ПЭВП (рис. 1).
Рисунок 1 - Образец ПЭВП со сварным стыковым соединением, во время остывания
При нагревании пластин, во время сварки, боковые грани пластин в месте стыка подвергаются более интенсивному излучательному нагреву со стороны нагревательного инструмента. Так как роль излучения в процессе нагрева, при высоких температурах значительна [1]. Очевидно, что в этих областях не выполняются регламентные температурные режимы сварки.
Чтобы исключить эти области, после формирования ССС, с боковых сторон сваренного образца были отрезаны полосы шириною 15 мм. Также с образца был удален грат.
Измерение твердости ПЭВП пластины с ССС проводилось твердомером по Шору D (дюрометром) LX-D. Диапазон измерений дюрометра 0-100 НО. Диапазон в котором основная погрешность измерения не более ±1 составляет 20-90 НО. Измерения проводились согласно ГОСТ 24621-91. Радиус наконечника индентора дюрометра LX-D - 0,1 мм. В спецификации прибора указывается что толщина испытуемого образца должна быть не менее 6 мм.
На рис. 2 приведена схема измерения твердости образца ПЭВП с ССС.
Измерения твердости проводились на поверхности образца, в плоскости XZ, вдоль оси Ъ. Направление вдавливания индентора твердомера по оси Y. Направление экструзии листового ПЭВП по оси Z.
Рисунок 2 - Схема измерения твердости
На рис. 3 приведен график распределения твердости ПЭВП с ССС, в зависимости от расстояния до линии сплавления. По оси X отложено расстояние до линии сплавления в миллиметрах. По оси У значения твердости. Значения величины твердости определялось как среднее по 5 измерениям.
Рисунок 3 - Распределение твердости ПЭВП с ССС
Перед началом обсуждения полученных результатов, необходимо отметить, что на величину значения микротвердости полимеров влияют, в том числе, микроструктурные параметры, которые включают кристаллическую структуру, степень кристалличности, надмолекулярную структуру и напряжения [2, 3]. Хотя сказанное относиться к микротвердости, будет небезосновательно полагать, что это можно отнести и к результатам испытаний твердости по Шору.
В [3] показано что значения микротвердости полипропилена (1111), после шестикратного переплавления, растут. Очевидно, что после переплавления микроструктурые параметры 1111 должны претерпеть некоторые изменения. В [3] сделан вывод о том, что переплавление 1111 приводит к увеличению степени кристалличности. Следовательно, такие изменения в 1Ш приводят к повышению микротвердости. Так как оба материала относятся к классу термопластов, будем считать, что указанное свойство характерно и для ИЗВЛ.
На графике отчетливо наблюдается три области:
1) Область охватывающая расстояние от начала линии сплавления до 3,5 мм от нее;
2) Область, охватывающая расстояния свыше 3,5 мм до 5 мм;
3) Область, охватывающая расстояния свыше 5 мм.
Заметим, что указанное разбиение на области коррелирует с распределением температуры в зоне сварного соединения в начальный момент его формирования, во время сварки трубных марок полиэтилена [4], показанном на рис. 4.
Рисунок 4 - Распределение температуры в зоне сварного соединения [4] Для удобства обсуждения начнем с рассмотрения третье области.
В третьей области температура ниже 80°С. Материал не подвергается микроструктурным изменениям и в нем не возникают остаточных сварочных напряжений (ОСН). Свойства материала однородны по оси Z. И значения твердости расположены на плато.
Во второй области материал подвергается воздействию температур, влияющих на микроструктурные параметры, на релаксацию внутренних технологических напряжений. Значения твердости здесь тоже образуют плато, расположенной несколько ниже, чем плато в третьей области (примерно на 2%). В связи с допущениями, сделанными выше, можно предположить, что релаксация напряжений сыграла более существенную роль, чем изменения микроструктурных параметров, в понижении величин значений твердости.
Первая область охватывает температуры свыше 130°С. В этой области материал ПЭВП полностью расплавляется. Причем граница оплавления при контактной стыковой сварке имеет в радиальном сечении форму кривой с выпуклостью, направленной в сторону торца [5]. Поэтому, во время остывания там возникают неоднородные ОСН и изменяются микроструктурные параметры материала. График распределения твердости в этой области, носит резко выраженный не монотонный характер, со значительным понижением в точках 0,4 мм и 2,8 мм.
Показана возможность применения дюрометра для исследования сварочных соединений ПЭВП.
Исследовано распределение твердости листового ПЭВП с сварным стыковым соединением, в зависимости от расстояния до линии сплавления. Обнаружено, что в зоне термического влияния сварки, значения величин твердости меньше чем в основном материале, и что распределение значений величины твердости коррелируют с распределением температуры в зоне сварного соединения в начальный момент его формирования.
Выявление факторов влияющих на изменение значений твердости в зоне термического влияния сварки будет предметом дальнейших исследований.
Список литературы
1. Ши Д. Численные методы в задачах теплообмена: Пер. с англ. М.: Мир. 1988. 544 с.
2. Baltá Calleja F. J., Fakirov S. Microhardness of polymers. Cambridge: Cambridge University Press, 2007. 237 p.
3. Aurrekoetxea J., Sarrionandia M.A., Urrutibeascoa I., Maspoch M.Ll. Effects of injection moulding induced morphology on the fracture behaviour of virgin and recycled polypropylene // Polymer. 2003. Vol. 44. P. 6959-6964.
4. Родионов А.К., Бабенко Ф.И., Коваленко Н.А.,Семенов В.А., Ноев Н.А. Исследование характера разрушения сварных соединений полимерных труб // EURASTRENCOLD-2004. Труды II евразийского симпозиума по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата: Часть IV. Полимерные композиционные материалы и изделия для эксплуатации в условиях холодного климата. Якутск, 2004. С 121-125.
5. Каган Д.Ф. Трубопроводы из пластмасс. М.: Химия, 1980. 296 с.
