Spajanje aluminijastega čepa in termoplasta s tehniko kovičenja s trenjem

(1)

UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo

Spajanje aluminijastega čepa in termoplasta s tehniko kovičenja s trenjem

Diplomsko delo visokošolskega študijskega programa I. stopnje Strojništvo

Haidi Škrabar

Ljubljana, junij 2021

(2)

(3)

(4)

(5)

UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo

Spajanje aluminijastega čepa in termoplasta s tehniko kovičenja s trenjem

Diplomsko delo visokošolskega študijskega programa I. stopnje Strojništvo

Haidi Škrabar

Mentor: izr. prof. dr. Damjan Klobčar Somentor: izr. prof. dr. Franci Pušavec

Ljubljana, junij 2021

(6)

(7)

(8)

(9)

v

Zahvala

Najprej bi se rada zahvalila mentorju, izr. prof. dr. Damjanu Klobčarju, za vso pomoč pri nastajanju diplomskega dela. Hvala za vaš čas, nasvete in strokovno podporo.

Zahvaljujem se somentorju, izr. prof. dr. Franciju Pušavcu, in asistentom laboratorija LABOD in LAVAR za organizacijo in pomoč pri varjenju vzorcev.

Zahvala pa gre tudi profesorju Vanetu Kralju za pomoč pri izvedbi izvlečnega preizkusa.

Najlepša hvala podjetju Q Techna za izvedbo rentgenske tomografije vzorcev ter podjetju I.H.S. in Politrimu za podarjeni material.

Na koncu pa bi se rada zahvalila še družini, fantu in prijateljem za vso podporo in razumevanje skozi celoten študij.

(10)

vi

(11)

vii

(12)

viii

(13)

ix

Izvleček

UDK 621.884:669.71:678(043.2) Tek. štev.: VS I/852

Spajanje aluminijastega čepa in termoplasta s tehniko kovičenja s trenjem

Haidi Škrabar

Ključne besede: aluminij PEI

kovičenje s trenjem rentgenska tomografija izvlečni preizkus varjenje MIG

V transportni industriji si prizadevajo zmanjšati maso prevoznih sredstev. Manjša masa pripomore k zmanjšanju emisij toplogrednih plinov. Velik vpliv na maso imajo uporabljeni materiali. Težke kovine lahko tako zamenjamo z uporabo lažjih zlitin in polimernih materialov. S kombiniranjem več različnih materialov so nastale tako imenovane večmaterialne strukture. V diplomskem delu je predstavljena metoda spajanja s kovičenjem s trenjem in vplivi parametrov na nastale spoje. Uporabljena materiala sta aluminijeva zlitina 2024 in polietermid. Nastale spoje smo najprej pregledali z rentgensko tomografijo, nato pa smo izvedli še izvlečni preizkus. Rentgenska tomografija nam je dala vpogled v geometrijo spoja, izvlečni preizkus pa silo, pri kateri se je spoj porušil. Pri vzorcih, kjer smo vnesli večjo mehansko energijo, je prišlo do večjih globin sidranja čepa v polimer. Ti vzorci so dosegli tudi večje sile izvleka. Izkazalo se je, da sta najpomembnejša parametra sila trenja prve faze in čas prve faze. Višji vnos energije v prvi fazi se odraža v večji deformaciji čepa med varjenjem.

(14)

x

(15)

xi

Abstract

UDC 621.884:669.71:678(043.2) No.: VS I/852

Fritcion riveting of aluminium rivet and polymer

Haidi Škrabar

Key words: aluminium PEI

friction riveting X-ray tomography pullout test

MIG welding

The transport industry is working to reduce weight of vehicles. Less weight helps to reduce greenhouse gas emissions. The materials used, have a high influence on weight. Heavy metals can thus be replaced using lighter alloys and polymeric materials. By combining several different materials, so called multi-material structures were created. This thesis presents the method of friction riveting and the effects of used parameters on the resulting joints. The materials used are aluminium alloy 2024 and polyethermide. The resulting joints were first examined by X-ray tomography, followed by a pullout test. X-ray tomography gave us an insight into the joint geometry while the pullout test resulted in force at which the joints broke. Samples produced with higher mechanical energy achieved greater anchoring depths of rivets into the polymetric base plates. These samples also achieved higher pullout forces. It turned out, that the most important parameters are friction force of the first phase and friction time of the first phase. Higher energy input in the first phase is reflected in greater deformation of the rivet during welding.

(16)

xii

(17)

xiii

Kazalo

Kazalo slik ... xv

Kazalo preglednic ... xvii

Seznam uporabljenih simbolov ... xviii

Seznam uporabljenih okrajšav ... xix

1 Uvod ... 1

1.1 Ozadje problema ... 1

1.2 Cilji ... 1

2 Teoretične osnove in pregled literature ... 2

2.1 Tehnike spajanja kovin in polimerov ... 2

2.1.1 Lepljenje ... 2

2.1.2 Mehansko pritrjevanje ... 3

2.1.3 Varjenje ... 4

2.2 Princip spajanja s kovičenjem s trenjem ... 7

2.3 Materiali ... 8

2.3.1 Aluminij in njegove zlitine ... 8

2.3.2 Polietermid (PEI) ... 10

3 Metodologija raziskave ... 13

3.1 Materiali in vzorci ... 13

3.1.1 Aluminijeva zlitina 2024-T351 ... 13

3.1.2 PEI 14 3.2 Metode dela ... 15

3.2.1 Vnesena mehanska energija ... 15

3.2.2 Preiskave spoja ... 15

3.2.2.1 Radiografska kontrola/rentgenska tomografija ... 15

3.2.2.2 Oprema za rentgensko tomografijo ... 16

3.2.2.3 Izvlečni preizkus ... 17

3.2.2.4 Oprema za izvlečni preizkus ... 19

3.2.2.5 Varjenje MIG ... 20

3.2.2.6 Oprema za MIG varjenje ... 21

4 Eksperiment ... 23

(18)

xiv

4.1 Postopek varjenja ... 23

4.1.1 Procesni parametri ... 25

5 Rezultati in diskusija ... 27

5.1 Analiza zajetih podatkov ... 27

5.2 Mehanska energija ... 28

5.2.1 Povezava med mehansko energijo in CNC parametri ... 29

5.3 Analiza geometrije spoja ... 30

5.3.1 Vpliv parametrov na geometrijo spoja ... 33

5.3.2 CNC parametri in oblika spoja ... 37

5.3.3 Volumetrično razmerje ... 39

5.4 Rezultati izvlečnega preizkusa ... 40

5.4.1 Povezava med silo porušitve in CNC parametri... 40

5.4.2 Analiza porušitve spojev ... 42

5.4.3 Vpliv parametrov na izvlečno silo ... 45

5.5 Energijska učinkovitost ... 47

6 Zaključki ... 50

Literatura ... 52

(19)

xv

Kazalo slik

Slika 2.1: Prikaz sil v lepljenem spoju [2]... 2

Slika 2.2: Shema prekrivnega spoja in razporeditev strižne napetosti v lepilu [3]. ... 3

Slika 2.3: Napetosti ob luknji pri aksialni obremenitvi materiala [5]. ... 4

Slika 2.4: Ultrazvočno varjenje kovin in polimerov [6]. ... 5

Slika 2.5: Princip spajanja kovine in polimera z laserskim žarkom [6]. ... 6

Slika 2.6: Princip spajanja kovin in polimerov z metodo točkovnega varjenja s trenjem [6]. ... 7

Slika 2.7: Primera profiliranih čepov: A) z navojem, B) z interferenčnimi elementi [1]. ... 7

Slika 2.8: Primeri spojev pri kovičenju s trenjem: A) enostaven spoj čepa in polimera, B) prekrivni spoj, C) spoj v obliki sendviča [1]. ... 7

Slika 2.9: Shema procesa kovičenja s trenjem: a) konfiguracija pred spajanjem, b) formacija zmehčanega/staljenega filma polimera, c) začetek plastične deformacije, d) dosežena končna deformacija [7]. ... 8

Slika 2.10: Heroultova principna skica [10]. ... 9

Slika 2.11: Molekularna struktura polietermida [1]. ... 12

Slika 3.1: Princip rentgenske tomografije [22]. ... 16

Slika 3.2: Princip vira radiacije [23]. ... 16

Slika 3.3: Shema izvlečnega preizkusa [1]. ... 18

Slika 3.4: Tipi odpovedi spojev [25]. ... 18

Slika 3.5: Shema univerzalnega trgalnega stroja [26]. ... 19

Slika 3.6: Shema strženske žice [28]. ... 20

Slika 3.7: Shema kapljevitega prehajanja materiala skozi varilni oblok [28]. ... 21

Slika 3.8: Shema usmerjenega prehajanja materiala skozi varilni oblok [28]... 21

Slika 3.9: Shema opreme za varjenje MAG/MIG [31]. ... 21

Slika 4.1: CNC stroj Doosan NX 6500 II [29]. ... 23

Slika 4.2: Kovičenje s trenjem. ... 23

Slika 4.3: Silomer in primež. ... 24

Slika 4.4: Računalnik s programsko opremo za spremljanje preizkusov. ... 24

Slika 4.5: Nabojni ojačevalnik in merilna kartica. ... 24

Slika 4.6: Skica postruženega čepa. ... 24

Slika 5.1: Prikaz poteka sile pri eksperimentu 3. ... 27

Slika 5.2: Vpliv pomika na povprečno vrednost vnesene mehanske energije v: a) 1. fazi; b) 2. fazi. ... 29

Slika 5.3: Vpliv podajalnih hitrosti na povprečno vrednost E_M v: a) 1. fazi; b) 2. fazi. ... 29

Slika 5.4: Primer merjenja spojev za analizo geometrije. ... 30

Slika 5.5: Parametri deformiranega čepa. ... 31

Slika 5.6: Vpliv vnesene mehanske energije na globino ugreznjenega čepa. ... 33

Slika 5.7: Vplivi parametrov na globino ugreznjenega čepa (G): a) sila trenja 1. faze; b) sila trenja 2. faze; c) čas trenja 1. faze; č) čas trenja 2. faze. ... 34

Slika 5.8: Vpliv vnesene mehanske energije na globino sidranja. ... 34

(20)

xvi

Slika 5.9: Vplivi parametrov na globino sidranja (Gs): a) sila trenja 1. faze; b) sila trenja 2. faze; c)

čas trenja 1. faze; č) čas trenja 2. faze. ... 35

Slika 5.10: Vpliv vnesene mehanske energije na širino deformiranega čepa... 35

Slika 5.11: Vplivi parametrov na širino deformiranega čepa (B): a) sila trenja 1. faze; b) sila trenja 2. faze; c) čas trenja 1. faze; č) čas trenja 2. faze. ... 36

Slika 5.12: Vpliv vnesene mehanske energije na višino deformiranega čepa. ... 36

Slika 5.13: Vplivi parametrov na višino deformiranega čepa (V): a) sila trenja 1. faze; b) sila trenja 2. faze; c) čas trenja 1. faze; č) čas trenja 2. faze. ... 37

Slika 5.14: Vpliv celotnega pomika na geometrijo spoja. ... 38

Slika 5.15: Vpliv podajalnih hitrosti na geometrijo spoja v: a) 1. fazi; b) 2. fazi. ... 38

Slika 5.16: Interakcijski volumen [16]. ... 39

Slika 5.17: Izvlečna sila v odvisnosti od volumetričnega razmerja. ... 40

Slika 5.18: Vpliv pomika na izvlečno silo... 41

Slika 5.19: Vpliv podajalne hitrosti na izvlečno silo v: a) 1. fazi; b) 2. fazi. ... 41

Slika 5.20: Porušitev vzorca 1. ... 42

Slika 5.24: Porušitev vzorcev 3, 4 in 6 (od leve proti desni). ... 44

Slika 5.25: Prerezani vzorci: a) 3; b) 4; c) 6. ... 45

Slika 5.26: Vpliv parametrov na izvlečno silo Fm: a) v odvisnosti od sile trenja 1. faze; b) v odvisnosti od časa 1. faze; c) v odvisnosti od sile trenja 2. faze; č) v odvisnosti od časa 2. faze. ... 46

Slika 5.27: Korelacija med izvlečno silo Fm in vneseno mehansko energijo E_M. ... 47

Slika 5.28: Korelacija med volumetričnim razmerjem VR in vneseno mehansko energijo E_M. ... 48

(21)

xvii

Kazalo preglednic

Preglednica 2.1: Lastnosti aluminija [12]... 9

Preglednica 2.2: Legirni elementi in njihov vpliv na zlitino [13]. ... 10

Preglednica 2.3: Oznake gnetenih aluminijevih zlitin [14]. ... 10

Preglednica 3.1: Kemijska sestava aluminijeve zlitine 2024 [18]. ... 13

Preglednica 3.2: Lastnosti aluminijeve zlitine 2024-T351 [18]. ... 14

Preglednica 3.3: Lastnosti PEI [1,20]. ... 14

Preglednica 3.4: Lastnosti tipov porušitev spojev [25] ... 18

Preglednica 3.5: Specifikacije trgalnega stroja BETA 50-4/6x14 [27]. ... 19

Preglednica 4.1: Specifikacije CNC stroja Doosan NX 6500 II [30]. ... 24

Preglednica 4.2: Procesni parametri. ... 25

Preglednica 4.3: Primer CNC programa za vzorec 5. ... 26

Preglednica 5.1: Pomembni podatki. ... 28

Preglednica 5.2: Izračunane vnesene mehanske energije. ... 28

Preglednica 5.4: Posnetki rentgenske tomografije. ... 32

Preglednica 5.5: Izračunane vrednosti VR. ... 39

Preglednica 5.6: Izvlečne sile ... 40

(22)

xviii

Seznam uporabljenih simbolov

Oznaka Enota Pomen

B D E EM

E1

E2

FF Fm FoF FoT FT1

FT2

G Gs

mm mm GPa J J J N N N S N N mm mm

širina deformiranega čepa premer

modul elastičnosti materiala mehanska energija

mehanska energija prve faze mehanska energija druge faze sila trenja

izvlečna sila sila formacije čas formacije sila trenja prve faze sila trenja druge faze globina čepa

globina sidranja čepa Kt

M1

M2

n Rm RS Tg Tm V VR tT1

tT2

μtr

σmax

σnom

ω

/ Nmm Nmm min^-1 MPa min^-1

°C

°C Mm / s s / MPa MPa rad/s

konstanta koncentracije napetosti moment prve faze

moment druge faze vrtljaji

natezna trdnost vrtljaji

temperatura steklastega prehoda temperatura tališča

višina deformiranega čepa volumetrično razmerje čas trenja prve faze čas trenja druge faze koeficient trenja maksimalna napetost nominalna napetost kotna hitrost

(23)

xix

Seznam uporabljenih okrajšav

Okrajšava Pomen

BR FSSW FSW NBR PC PEI PMMA PS PSU PVC MAG MIG

polibutadienski kavčuk

točkovno varjenje z gnetenjem (angl. friction stir spot selding) varjenje z gnetenjem (angl. fiction stir welding)

nitril-butadienski kavčuk polikarbonat

polietermid akril

polistiren polisulfon polivinilklorid

postopek elektroobločnega varjenja (angl. metal active gas) postopek elektroobločnega varjenja (angl. metal inert gas)

(24)

(25)

1

1 Uvod

1.1 Ozadje problema

Omejitve predpisov in skrb za okolje so privedli inženirje in znanstvenike do iskanja rešitev, ki bi imele čim manj vpliva na okolje. V transportni industriji si prizadevajo zmanjšati emisije toplogrednih plinov z uporabo lahkih struktur in manjšo porabo goriva.

Pri lahkih strukturah so lastnosti materiala optimalno izkoriščene. Strukturam, v katerih je uporabljeno več materialov, pravimo večmaterialne strukture. Posebna vrsta lahkih večmaterialnih struktur je polimer-kovina večmaterialna struktura. Polimeri in kovine imajo različne fizikalno-kemične lastnosti, kar povzroča probleme pri tradicionalnih načinih spajanja. Zaradi potreb po spajanju teh materialov so se razvile različne tehnike:

spajanje z lepljenjem, mehansko pritrjevanje, varjenje (ultrazvočno, lasersko, točkovno varjenje s trenjem, varjenjem s trenjem in mešanjem), kovičenje s trenjem. Večina tehnik spajanja polimerov in kovin je običajno specifičnih za uporabo. To pa povzroča visoke stroške izdelave.

Diplomsko delo obravnava tehniko spajanja polimera in kovine s kovičenjem s trenjem. Ta relativno nova tehnika spajanja je dokaj ekonomična in okolju prijazna.

1.2 Cilji

Glavni cilj diplomskega dela je raziskati vplive parametrov kovičenja s trenjem na nastale spoje. Spojili smo aluminijaste čepe in vzorce polimera, pri tem pa uporabili različne vhodne parametre. Nastale spoje smo pregledali s pomočjo radiografske kontrole in izmerili njihove dimenzije. Zadnji del preizkusa zajema izvlečni preizkus, s katerim smo ugotovili, kolikšno obremenitev zdrži spoj.

Teoretični del diplomskega dela zajema predstavitev tehnike kovičenja s trenjem in opis uporabljenih materialov. Sledi metodologija raziskave, v kateri so opisane uporabljene metode in potek preizkusa. Pridobljene rezultate smo analizirali in predstavili v grafični obliki.

Vnesena mehanska energija pri varjenju ima velik vpliv na spoj. Pričakujemo, da bo pri večji vneseni energiji prišlo do večje globine sidranja čepa in posledično do večje možne obremenitve.

(26)

2

2 Teoretične osnove in pregled literature

Ključno za razumevanje obravnavane vsebine je poznavanje osnov kovičenja s trenjem in lastnosti uporabljenih materialov.

2.1 Tehnike spajanja kovin in polimerov

Spajanje kovin in polimerov v večmaterialne strukture je relativno nova tema. Tehnike spajanja so za enkrat omejene na kovičenje s trenjem, lepljenje, mehansko pritrjevanje in varjenje z ultrazvokom, laserjem, FSW in FSSW varjenje.

2.1.1 Lepljenje

Lepljenje se uporablja za združevanje dveh ali več površin in temelji na kemijskem in fizikalnem delovanju med molekulami lepila in molekulami površine za lepljenje. Za ustvarjanje prijemalnih sil je pomembno delovanje adhezije. Interakcije molekul, atomov ali ionov povzročijo privlačne sile, ki združujejo dve različni površini. Za zagotavljanje potrebnih prijemalnih sil je treba površine ustrezno pripraviti. Poleg adhezije se pojavlja še en pomemben pojem – kohezija. Kohezija predstavlja notranjo silo, ki ohranja telo ali zgradbo skupaj. Kohezijska trdnost je odvisna od materiala in temperature. Največjo kohezijsko trdnost imajo kovine, najmanjšo pa tekočine in plini. Na spodnji sliki 2.1 je prikazano delovanje sil v lepljenem spoju [1,2].

Slika 2.1: Prikaz sil v lepljenem spoju [2].

(27)

Teoretične osnove in pregled literature

3 Lepljenje je zelo učinkovita metoda spajanja različnih materialov. Obremenitve se pri tej metodi prenašajo s strigom. Mehanska trdnost spoja je odvisna predvsem od trdnosti in duktilnosti lepila, pomembno vlogo pa ima tudi vrsta spoja. Na sliki 2.2 je prikazan prekrivni spoj z razporeditvijo elastične strižne napetosti v lepilu [1].

Slika 2.2: Shema prekrivnega spoja in razporeditev strižne napetosti v lepilu [3].

Postopek spajanja z lepljenjem:

– priprava površin lepljencev (razmaščevanje, brušenje, jedkanje, nanos primarnega sloja za izboljšanje adhezije);

– komponenti spajanja sta trdno vpeti, nanese se lepilo;

– površini za spajanje prideta v kontakt in ostaneta pod pritiskom;

– lepilo se strdi in nastane spoj.

Poleg spajanja različnih materialov so nekatere prednosti lepljenja pred drugimi metodami še izboljšana odpornost proti utrujenosti, zmanjšanje teže, nižja koncentracija napetosti, tesnjenje itd. Slabosti pa so težko razstavljive zveze, temperaturna občutljivost, previdno ravnanje zaradi nevarnih kemikalij in topil, nadzor emisij [1].

2.1.2 Mehansko pritrjevanje

Najpogostejše metode mehanskega pritrjevanja večmaterialnih struktur so uporaba vtisnih pritrdilnih elementov in samoreznih vijakov. Nekatere druge metode so še hladno spajanje pločevin (angl. clinching) in metoda spajanja ovratnika (angl. collar joining method).

Slabost mehanskega pritrjevanja je koncentracija napetosti oziroma zarezni učinek zaradi lukenj v materialu. Razlog koncentracije je nenadna sprememba geometrije, kot so

(28)

4

razpoke, ostri robovi, luknje, zmanjšanje površine prečnega prereza. Zaradi tega nastane večja možnost porušitve in krajša življenjska doba. Odpoved po navadi nastopi na mestu največje koncentracije napetosti. S pomočjo enačbe 2.1 lahko izračunamo, kolikšna je koncentracija napetosti Kt (konstanta koncentracije napetosti).

𝐾𝑡 =𝜎𝑚𝑎𝑥 𝜎𝑛𝑜𝑚

(2.1)

σmax predstavlja maksimalno napetost in σnom nominalno napetost. Na sliki 2.3 so prikazane napetosti, ki se pojavijo ob luknji pri aksialni obremenitvi materiala [1,4].

Slika 2.3: Napetosti ob luknji pri aksialni obremenitvi materiala [5].

Spoji iz polimera in kovine so bolj dovzetni porušitvi zaradi zareznega učinka kot spoji iz dveh kovinskih delov. Razlog za to je večja občutljivost polimera na ta način okvare.

Druge slabosti te metode so še začetek pokanja polimera, izguba lastnosti zaradi vlage, omejitev ponovnega pritrjevanja, razlika koeficientov termičnega raztezanja med polimerom in kovino lahko poveča zaostale napetosti, sproščanje pritrdilnih elementov zaradi lezenja, vlage in relaksacije napetosti. Prednosti pa so demontaža in recikliranje komponent, enostavna tehnologija in stroji, spoji različnih materialov, enostavni pregled spoja, olajšano popravilo ali zamenjava delov [1].

2.1.3 Varjenje

Metode varjenja polimerov in kovin so lasersko varjenje, ultrazvočno varjenje, varjenjem s trenjem in mešanjem (FSW) ter točkovno varjenje s trenjem (FSSW). Makromolekule polimernih materialov (elastomeri, termoplasti in duromeri) se povezujejo skupaj z Van der Waalsovimi silami, kovine pa imajo kristalno strukturo z visoko kohezijsko energijo.

(29)

5 Ker je meja tališča kovin zelo visoka v primerjavi s polimeri, pride do degradacije polimera, preden se kovina stopi. To je eden izmed razlogov za tako omejen izbor metod varjenja. Za varjenje lahko uporabljamo le termoplaste, saj duromerov in elastomerov ne moremo preoblikovati s ponovnim segrevanjem [6].

Ultrazvočno varjenje je tehnika spajanja varjencev v trdnem stanju z lokalizirano aplikacijo vibracij in pritiska. Med varjenjem sta varjenca vstavljena med ležiščem in sonotrodo. Ultrazvočna energija stali varjenca in pod pritiskom ustvari zvar. Dela za spajanje sta lahko dve tanki plošči ali debela in tanka plošča. Pri varjenju kovin in polimerov se razlikujeta načina aplikacije vibracij. Pri spajanju kovin je smer oscilacije paralelna na varilno območje, medtem ko je pri polimerih aplikacija pravokotna. Na sliki 2.4 je prikazana shema ultrazvočnega varjenja kovin in polimerov. Ultrazvočno varjenje polimerov omogoča taljenje in spajanje varjencev pri veliko nižjih temperaturah kot pri običajnih načinih spajanja [6].

Slika 2.4: Ultrazvočno varjenje kovin in polimerov [6].

Pri laserskem varjenju lahko polimerne materiale varimo z različnimi vrstami laserskih žarkov, vendar je postopek odvisen od valovne dolžine laserja. Pri uporabi laserskega vira z valovno in infrardečo valovno dolžino 1 μm je treba uporabiti dodatek za povečanje absorpcije laserskega sevanja. Z uporabo optičnih laserjev valovne dolžine približno 2 μm je varjenje polimerov zelo olajšano kljub morebitni razliki v stopnji absorpcije materialov.

Tudi pri laserskem varjenju lahko varimo le termoplaste in termoplastične elastomere.

Varimo lahko čelno ali s presevanjem. Pri čelnem varjenju se na stiku dveh polimerov površine segrejejo na blizu točke taljenja, nato pa se polimera stisneta za formacijo spoja.

Oba polimera morata biti sposobna absorbirati laserski žarek. Pri varjenju s presevanjem je zgornji polimer transparenten laserskemu žarku, medtem ko spodnji polimer žarek absorbira. Polimer, ki absorbira laserski žarek, se segreje in stali. Toplota se nato prenese na zgornji polimer, ki se tudi posledično stopi. Polimera se pritisneta skupaj, da se naredi

(30)

6

spoj. Princip spajanja kovine in polimera z laserskim žarkom je prikazan na sliki 2.5. Obe komponenti se zaradi vpadnega laserskega žarka segrejeta in v polimeru, na ozkem območju, dosežemo temperaturo taljenja. Zaradi visoke temperature se v stopljenem polimeru formirajo mehurčki. Ti se nato razširijo in razpršijo v staljeni fazi. Posledično se povečajo dimenzije te varilne cone. Spoj nastane na staljeni-trdni stični površini med plastiko in kovino. Na spajanje vpliva kemično povezovanje med oksidnim filmom v kovini in ogljikovimi atomi polimera. Zaradi nizke toplotne prevodnosti plastike ostane toplota koncentrirana v interakcijski coni materiala. Obnašanje toplote je odvisno tudi od optičnih lastnosti plastike (barva, valovna dolžina vpadnega žarka). V primeru uporabe prozornega polimera moramo laserski žarek fokusirati na mesto interakcije, medtem ko pri uporabi neprozornega polimera žarek fokusiramo na zunanjo stran kovine [6].

Slika 2.5: Princip spajanja kovine in polimera z laserskim žarkom [6].

Točkovno varjenje s trenjem in mešanjem (FSSW) je različica linearnega varjenja s trenjem in mešanjem (FSW). Razlika je v tem, da pri FSSW ni linearnega premika orodja med varjenjem. Največ toplote se ustvarja zaradi trenja med grezilom in varjencema.

Postopek varjenja vključuje tri faze: potapljanje, mešanje in umik orodja. Oba varjenca je treba trdno vpeti v prekrivni spoj. Grezilo z veliko hitrostjo vrtenja je nato potopljeno na mesto želenega vara tako, da pride do stika zgornjega varjenca z ramo orodja. To povzroči pretok materiala zaradi plastične deformacije okoli grezila. Običajna FSW tehnika za kovine ima nekaj problemov pri varjenju plastike. Ti problemi so povezani s slabo toplotno prevodnostjo in difuzijo termoplastov. Točkovno varjenje polimerov vključuje dva koraka:

potop rokava in potop grezila. Oba koraka se lahko uporabljata tudi posamično. Princip spajanja kovin in polimerov s postopkom točkovnega varjenja s trenjem je prikazan na sliki 2.6. Pri potopu rokava se varjenca prekrivata. Kovinski del leži na polimernem delu.

Varjenca sta trdno vpeta med oporno ploščo in vpenjalnim obročem. Rokav in grezilo se začneta vrteti v isto smer. Rokav se dotakne kovinskega varjenca, kar privede do segrevanja zaradi trenja. Rokav se potopi v kovino, kar povzroči plastifikacijo, istočasno pa se grezilo pomakne navzgor, kar povzroči nastanek obročastega prostora – rezervoarja.

Plastificirana kovina se nato stisne v ta rezervoar. Rokav se umakne iz kovine in grezilo potisne plastificiran material nazaj v zvar. Potapljanje orodja se izvede samo v kovinskem delu. Plastificirana kovina je še dodatno deformirana zaradi potopa rokava, kar se pozna tudi na površini polimera. Toplota iz kovine se prenese na polimer in nastane tanka plast stopljenega polimera. Spoj se utrdi pod pritiskom in orodje se umakne [6].

(31)

7 Slika 2.6: Princip spajanja kovin in polimerov z metodo točkovnega varjenja s trenjem [6].

2.2 Princip spajanja s kovičenjem s trenjem

Kovičenje s trenjem temelji na mehanskem pritrjevanju in spajanju s pomočjo segrevanja s trenjem. S to metodo spajamo kovinske čepe ravne ali profilirane oblike in osnovne elemente iz polimera ali kovinskih zlitin. Osnovni material ima lahko obliko plošče, listov in palic. Na sliki 2.7 sta prikazana primera profiliranih čepov, ki s svojo obliko še izboljšata sidranje. Prav tako obstajajo tudi različne geometrije spojev. Nekaj primerov je prikazanih na sliki 2.8 [1].

Slika 2.7: Primera profiliranih čepov: A) z

navojem, B) z interferenčnimi elementi [1].

Slika 2.8: Primeri spojev pri kovičenju s trenjem: A) enostaven spoj čepa in polimera, B) prekrivni spoj, C) spoj v obliki sendviča [1].

Proces kovičenja s trenjem je razdeljen na tri faze: trenje, formacija in konsolidacija.

Najprej je treba polimer fiksno pritrditi na mizo, čep pa v vreteno stroja. Rotirajoči čep se

(32)

8

približa in dotakne polimera, kjer se zaradi trenja ustvarja toplota. Lokalno se zviša temperatura in polimer se zmehča ali pa nastane tanek film staljenega polimera. Čep se nato med rotiranjem vstavi v polimer, pri tem pa spodrine nekaj staljenega polimera na površino. Zaradi nizke toplotne prevodnosti se ustvarjena toplota kopiči v bližini konice čepa. Ko je temperatura dovolj visoka, se konica čepa plastificira in začne deformirati.

Rotacija se nato ustavi in s tem se tudi zaključi faza trenja. Nastopi faza formacije, kjer zaradi želje po večji deformaciji čepa povečamo aksialno silo. Čep dobi obliko zvončka ali sidra, ki pod konstantnim pritiskom v zadnji fazi konsolidira. Shematičen proces kovičenja s trenjem je prikazan na sliki 2.9. Procesni parametri so: vrtljaji (RS), čas trenja (FT), sila trenja (FF), čas formacije (FoT) in sila formacije (FoF) [1,7].

Slika 2.9: Shema procesa kovičenja s trenjem: a) konfiguracija pred spajanjem, b) formacija zmehčanega/staljenega filma polimera, c) začetek plastične deformacije, d) dosežena končna

deformacija [7].

2.3 Materiali

Lahke kovine (aluminij, magnezij, berilij, titan, titanov aluminid), inženirska plastika, strukturna keramika in kompoziti s polimerom, kovino in keramično matrico so se predvsem razvili v dvajsetem stoletju. Pred tem, z izjemo keramike, ti materiali sploh niso obstajali v uporabnih oblikah [8].

2.3.1 Aluminij in njegove zlitine

Aluminij je ena izmed pomembnejših lahkih kovin s širokim razponom uporabe. Charles Martin Hall in Paul Heroult sta v letih 1880 razvila Hall-Heroult elektrolitski proces. S tem se je pridobivanje aluminija iz mineralov pocenilo. Najpomembnejša ruda za pridobivanje aluminija je boksit. Aluminijev oksid (Al2O3) ali glinica pa nastane s pomočjo Bayerjevega procesa. Najprej se boksit zdrobi, nato pa se raztopi v koncentrirani raztopini natrijevega hidroksida pri temperaturah do 270 °C. Pri tem se večina rude, ki vsebuje aluminij, raztopi v natrijev aluminat, ostaja pa netopen ostanek železovega oksida, silicijevega dioksida, natrijevega alumosilikata, kalcijevega karbonata in titanovega dioksida. Temu ostanku pravimo tudi rdeče blato. Raztopina se ohlaja, rdeče blato pa se odstrani s filtracijo [9].

(33)

9 Prečiščenemu natrijevemu aluminatu se doda fino granulirani aluminijev hidroksid.

Aluminijev hidroksid se opere in nastane razredčen natrijev hidroksid. Tega se nato koncentrira in vrača v proces. Čisti aluminijev hidroksid se žge v rotacijskih pečeh pri temperaturi, višji od 1000 °C. Molekule vode se s tem izločijo in dobimo aluminijev oksid oziroma glinico, ki izgleda kot beli prah [9].

Nato sledi Hall-Heroultov elektrolitski proces. Glinica ima točko tališča višjo od 2000 °C, vendar lahko zaradi dobre topnosti v kriolitu aluminij in kisik ločimo že pri temperaturah od 950 °C do 980 °C. Posoda, v kateri je raztopina, predstavlja katodo. Anoda pa je od zgoraj potopljena v kopel, kot je prikazano na Heroultovi skici (Slika 2.10). Raztopina je pod enosmernim tokom. Ioni aluminija potujejo proti katodi, kjer sprejmejo elektron in se reducirajo v kovino. Kovina se zbira na dnu celice. Na anodi pa se zbirajo ioni kisika, ki reagirajo z ogljikom anode. Nastajata ogljikov dioksid in ogljikov monoksid. Anoda se obrablja, zato jo je treba menjati [10,11].

Slika 2.10: Heroultova principna skica [10].

Aluminij je lahka in mehka kovina. Odporen je proti koroziji, ima dobro električno in toplotno prevodnost, dobro oblikovalnost in majhno težo. Nekatere lastnosti čistega aluminija so prikazane v preglednici 2.1.

Preglednica 2.1: Lastnosti aluminija [12].

Lastnosti Vrednosti

Gostota 0,016–3,63 g/cm³

Atomska teža 26,98

Atomsko število 13

Modul elastičnosti 0,048–342 GPa

Toplotna prevodnost 1,48–255 W/mK

Temperatura taljenja 184–1350 °C

(34)

10

Z namenom ustvariti široko uporabo aluminija v strukturnih aplikacijah se osnovnemu materialu doda legirne elemente. Z dodajanjem različnih elementov izboljšamo nekatere lastnosti. V preglednici 2.2 so prikazani nekateri legirni elementi in njihov vpliv na zlitino.

Preglednica 2.2: Legirni elementi in njihov vpliv na zlitino [13].

Legirni element Vpliv

Baker Poveča trdnost, zmanjša duktilnost in odpornost proti koroziji, slabša varivost

Mangan Poveča trdnost, izboljša korozijsko odpornost Silicij Zmanjša temperaturo taljenja, zmanjša viskoznost

Magnezij Poveča trdnost

Magnezij +

silicij Izboljša preoblikovalne lastnosti

Cink Močno zmanjša korozijsko odpornost, visoka trdnost

Aluminijeve zlitine delimo na dve glavni skupini, in sicer na gnetene in livarske aluminijeve zlitine. Sistem označevanja gnetenih zlitin sestoji iz štirih številk. Prva številka predstavlja glavni legirni element, ki je bil dodan aluminijevi zlitini. Druga številka predstavlja modifikacijo zlitine, zadnji dve številki pa čistost aluminija. Oznake gnetenih aluminijevih zlitin so prikazane v tabeli 2.3. Identifikacijski sistem za livarske zlitine pa ima tri številke in eno decimalno število. Prva številka tudi tu predstavlja glavni legirni element, drugi dve številki prikazujeta čistost zlitine, decimalka pa pove, ali je zlitina lita (0) ali ingot (1 ali 2) [14].

Preglednica 2.3: Oznake gnetenih aluminijevih zlitin [14].

Serija Glavni legirni element

1xxx Minimalno 99,0 % aluminija

2xxx Baker

3xxx Mangan

4xxx Silicij

5xxx Magnezij

6xxx Magnezij in silicij

7xxx Cink

2.3.2 Polietermid (PEI)

Veliko število monomerov, povezanih z vezmi, imenujemo polimer. Struktura polimera je lahko linearna, razvejana, zamrežena ali gosto zamrežena. Linearni polimeri so dolge verige, povezane s šibkejšimi van der Waalsovimi ali vodikovimi vezmi. Te vrste vezi se s povišano temperaturo zlahka pretrgajo, kar pomeni, da je linearna struktura tipično

(35)

11 značilna za termoplaste. Material lahko v segretem stanju preoblikujemo, ob ohlajanju pa se vezi preoblikujejo. Razvejani polimeri so podobni linearnim. Razlika je v tem, da pri razvejanih strukturah na glavnih verigah visijo še krajše verige. Ker se kratke verige ne vežejo iz ene glavne vezi na drugo, lahko toplota običajno prekine vezi med razvejanimi polimernimi verigami. Obstaja tudi nekaj razvejanih polimerov, ki se upirajo taljenju in med segrevanjem propadejo. Zamreženi polimeri se povezujejo iz ene glavne verige na drugo s kovalentnimi vezmi, ki so močnejše od van der Waalsovih sil. Te vezi naredijo večino zamreženih polimerov termosetov. Izjema je le nekaj polimerov, ki pretrgajo svoje vezi pri relativno nizkih temperaturah. Gosto zamreženi polimeri so močno povezani v zapleteno mrežo. Te polimere je skoraj nemogoče zmehčati s segrevanjem brez nastopa degradacije. Gosto zamreženi polimeri spadajo med termosete [15].

Polimere lahko delimo še na duromere, elastomere in termoplaste. Duromeri in elastomeri so zamreženi in delno zamreženi polimeri, ki jih ne moremo staliti. Primeri duromerov so epoksi smole, silikonske smole, poliestri. Primeri elastomerov pa naravni kavčuk, BR, NBR. Termoplaste delimo še na amorfne in delno kristalinične polimere. Amorfna termoplastika ima naključno molekularno strukturo in se strdi pri ohladitvi pod temperaturo steklastega prehoda (Tg). Nekateri amorfni polimeri so PVC, PS, PMMA, PC, PSU … Delno kristalinični polimeri imajo bolj urejeno strukturo. Pri ohlajanju se kristalinični del polimera strdi pod temperaturo tališča (Tm), nekristalinični del pa je amorfni in se strdi pod temperaturo Tg. Večina delno kristaliničnih termoplastik ima Tg pod lediščem in se pri sobnih temperaturah obnašajo kot gume ali usnjeni materiali [16].

Polietermid (PEI) je leta 1970 razvil J. G. Wirth, leta 1982 pa ga je uradno predstavil General Electric pod imenom Ultem. Spada med amorfne inženirske termoplaste.

Pridobiva se s polikondenzacijo diaminov in dihidridov. Molekularna struktura polietermida je prikazana na sliki 2.11. Sestoji iz ponavljajočega se aromatskega imida, propilidena in eternih skupin. Aromatski imid zagotavlja togost in visoko toplotno odpornost, eterne skupine pa dobro obdelovalnost – nizka viskoznost taljenja [1].

(36)

12

Slika 2.11: Molekularna struktura polietermida [1].

(37)

13

3 Metodologija raziskave

Poglavje je razdeljeno na dva dela, in sicer na opis materialov/vzorcev in opis metod in postopkov. Najprej je bilo treba pripraviti vzorce, nato pa je sledilo izvajanje preizkusov, in sicer varjenje s kovičenjem s trenjem, radiografska kontrola in izvlečni preizkus.

3.1 Materiali in vzorci

Pred začetkom varjenja smo pripravili čepe in osnovni material.

3.1.1 Aluminijeva zlitina 2024-T351

Za preizkus smo uporabili čepe iz aluminija 2024-T351 s premerom 6 mm in dolžino 60 mm. Aluminij 2024 je toplotno obdelovalna zlitina, ki spada v serijo 2xxx. Baker je glavni element zlitine. Celotna kemična sestava je prikazana v preglednici 3.1. Oznaka T351 nam pove, kako je bila zlitina toplotno obdelana. Segreta je bila na približno 495 °C, hladno obdelana in naravno starana pri sobni temperaturi [1,17].

Preglednica 3.1: Kemijska sestava aluminijeve zlitine 2024 [18].

Element Al Cu Mg Cr Fe Mn Si Ti Zn

Delež [%]

90,7–94,7 3,8–4,9 1,2–1,8 ≤ 0,1 ≤ 0,5 0,3–0,9 ≤ 0,5 ≤ 0,15 ≤ 0,25

V preglednici 3.2 so predstavljene glavne lastnosti uporabljene aluminijeve zlitine. Baker, magnezij in mangan močno povišajo trdnost. Prav zaradi bakra pa se 2024 aluminiju zmanjša odpornost na korozijo. Ta problem lahko rešimo s prevleko iz korozijsko odporne kovine. Postopku pravimo galvanizacija [17].

(38)

Metodologija raziskave

14

Preglednica 3.2: Lastnosti aluminijeve zlitine 2024-T351 [18].

Lastnost Vrednost

Rm [MPa] 425

R0,2 [MPa] 310

E [GPa] 73,1

Temperatura tališča [°C] 502–638

Temperatura toplotne obdelave zlitine [°C] 493

Temperatura žarjenja [°C] 413

Toplotna prevodnost [W/mK] 121

3.1.2 PEI

PEI ima visoko temperaturno odpornost, natezno trdnost, dimenzionalno stabilnost, je odporen proti ognju in ima nizke emisije dimov, je tog pri sobni in povišani temperaturi.

Odporen je proti alkoholu, kislinam in ogljikovodikovimi topili, vendar se raztopi v delno halogeniranih topilih. Dobro odpornost ima tudi proti UV-žarkom. Glavne lastnosti PEI so prikazane v preglednici 3.3 [1,19].

Pred obdelavo je dobro, da polimer sušimo, saj ima relativno visoko absorpcijo vode. Pri brizganju so za taljenje potrebne visoke temperature, skrčki pa so majhni. Za izdelavo komponent se uporablja še ekstruzija, termoformiranje in oblikovanje s kompresijo.

Metode za združevanje PEI in PEI kompozitov so varjenje (ultrazvočno, vibracijsko, indukcijsko), mehansko pritrjevanje in lepljenje [1].

Preglednica 3.3: Lastnosti PEI [1,20].

Lastnosti Vrednost

Rm [MPa] 1–281

E [GPa] 39,4

μtr 0,18–0,42

Tg [°C] 168–220

Toplotna prevodnost [W/mK] 0,036–11

Temperatura tališča [°C] 171–238

Tok taline [g/10 min] 1,80–113

Gostota [g/cm³] 0,05–1,78

Temperatura obdelave [°C] 60–382

Temperatura sušenja [°C] 82,2–150

PEI ima oranžno-prozorno barvo. Dobili smo ga v dveh kosih. Prvi je bil dimenzij 100 × 100 × 9 mm, drugi pa 80 × 80 × 30 mm. Debelejši vzorec smo najprej razpolovili, nato pa smo vse razrezali. Tako smo dobili 16 vzorcev dimenzij 24 × 24 × 9 mm in 18 vzorcev 24 × 24 × 14 mm. Vzorce je bilo treba razmastiti in z njih odstraniti nečistoče.

Očistili smo jih z acetonom.

(39)

15

3.2 Metode dela

V tem poglavju je predstavljen računski model za izračun mehanske energije, ki je bila vnesena med kovičenjem s trenjem, porušne in neporušne preiskave spojev (radiografska kontrola in izvlečni preizkus) ter vsa uporabljena oprema.

3.2.1 Vnesena mehanska energija

S pomočjo vnesene mehanske energije lahko ocenimo, koliko toplote je bilo ustvarjene med spajanjem. Enačba 3.1 prikazuje izračun mehanske energije.

EM = ET1 + ET2 = ∫ M1 × ω × dt + ∫ M2 × ω × dt [J] (3.1) Pri tem ET1 inET2 predstavljata energijo, pridobljeno z momentom (M), in kotno hitrostjo (ω) v prvi in drugi fazi. Kotno hitrost smo izračunali po enačbi 3.2, kjer n predstavlja vrtljaje.

ω =2 × π × n 60 [rad

s ] (3.2)

Podoben model za izračun vnesene energije so uporabili Amancio-Filho [1] in drugi znanstveniki, ki se ukvarjajo s kovičenjem s trenjem. Njihov model v integralu za drugo fazo upošteva doseženo aksialno silo in hitrost pronicanja čepa v osnovni material, saj pri njihovih preizkusih v drugi fazi ni apliciranega momenta.

3.2.2 Preiskave spoja

Z namenom, da ugotovimo, kako dobri so narejeni spoji, smo izvedli radiografsko kontrolo (rentgensko tomografijo) in izvlečni preizkus. Radiografska kontrola nam omogoči vpogled v geometrijo spoja, medtem ko nam izvlečni preizkus pove, kolikšno silo zdrži spoj, preden pride do porušitve. S primerjanjem rezultatov obeh preizkusov lahko ugotovimo, kakšna geometrija zagotavlja boljši spoj.

3.2.2.1 Radiografska kontrola/rentgenska tomografija

Tomografija je proces, ki nam omogoča vpogled v notranjo strukturo telesa. Na splošno je to izraz za slikanje po sekcijah. Pri rentgenski tomografiji ozek snop radiacije potuje skozi telo, kjer snop oslabi. Do tega pride predvsem zaradi absorpcije telesa, manjši del pa se izgubi tudi s sipanjem svetlobe. Kolikšen del svetlobe se absorbira, je odvisno od materiala in strukture medija. Detektor je postavljen za medijem tako, da radiacija, ki se prebije skozi telo, vpada nanj. Tu se ustvari dvodimenzionalna slika medija. Z rotiranjem medija lahko posnamemo serijo dvodimenzionalnih slik, s katerimi lahko nato s pomočjo računalnika sestavimo tridimenzionalno sliko telesa. Na sliki 3.1 je prikazan princip rentgenske tomografije [21,22].

(40)

16

Slika 3.1: Princip rentgenske tomografije [22].

Leta 1895 je nemški profesor Wilhelm Conrad Röntgen odkril X-žarke. Ti žarki imajo kratko valovno dolžino od 0,01 do 10 nm s frekvenco od 3 × 10¹⁶ do 3 × 10¹⁹ Hz. Na elektromagnetnem spektru vpadajo med gama žarke in ultravijolično svetlobo. Uporaba X- žarkov je zelo razširjena na področjih, kot so spektroskopija, varnostni sistemi, inženirstvo, medicina itd. [22].

3.2.2.2 Oprema za rentgensko tomografijo

Za izvedbo rentgenske tomografije potrebujemo vir radiacije, mizo, na katero postavimo medij, in detektor. Princip delovanja vira radiacije je prikazan na sliki 3.2. Rentgenska cev sestoji iz volframove žice, ki deluje kot katoda, in kovinske anode. Običajno je anoda iz volframa, bakra, kobalta ali molibdena. Skozi elektrodi spustimo visoko napetost, kar pospeši elektrone iz katode in se nato zaletijo v anodo. Tako nastanejo X-žarki [23].

Slika 3.2: Princip vira radiacije [23].

(41)

17 Detektorje X-žarkov delimo na analogne in digitalne. Analogni detektorji so v bistvu filmi, ki jih je treba razviti, da dobimo sliko. Digitalni detektorji pa zajamejo sliko, ki jo lahko takoj opazujemo na monitorju. To je velika prednost pred analognimi detektorji. Prav tako so prednosti digitalnih detektorjev visoka resolucija, lahko shranjevanje datotek, preprost prenos datotek itd. Pri digitalnih detektorjih je treba radiacijo pretvoriti v električni naboj.

To lahko storimo z neposredno ali posredno pretvorbo. Detektorji za neposredno pretvorbo imajo rentgenski fotoprevodnik, ki je običajno iz selena ali svinčevega jodida. To so polprevodniški materiali, ki so v temi izolatorji, pod osvetlitvijo pa se njihova prevodnost poveča. Fotoprevodnik je položen na matriko pikslov elektrode, ki zbira naboj. Elektroni polprevodnika se običajno gibajo v valenčnem pasu, ko material absorbira vpadle X-žarke pa elektroni dobijo dovolj energije, da preskočijo v prevodni pas. V valenčnem pasu na mestih, kjer so bili prej elektroni, ostanejo luknje oziroma vrzeli. Tako nastanejo pari elektronov in vrzeli, kar omogoča pretok toka v materialu. Pari elektronov in vrzeli so nato pretvorjeni v električni naboj [24].

Pri posredni pretvorbi pa se uporabljajo scintilatorji in matrika fotodiod. Scintilator ima lastnost luminiscence, kar pomeni, da ob prejetem sevanju X-žarkov izseva energijo v obliki vidne svetlobe. Matrika fotodiod pa nato pretvori vidno svetlobo v električni naboj.

Prednost neposredne pretvorbe je visoka ločljivost. Slabosti pa so visoka prednapetost, veliko zaostajanje slike in sprememba občutljivosti slikovnih pik detektorja, kar je vzrok prejšnje izpostavitve detektorja radiaciji. Posredna pretvorba pa nima toliko težav z zaostajanjem slike in občutljivostjo detektorja, potrebna pa ni tudi tako visoka prednapetost. Posredne detektorje je veliko lažje izdelati. Njihova slabost je manjša ločljivost, saj se vidna svetloba v scintilatorju razprši [24].

Miza omogoča postavitev vzorca med vir in detektor. Lahko so rotacijske z možnostjo zasuka.

Pri testiranju smo opravili dve ekspoziciji za vsak vzorec. Ekspoziciji sta si pravokotni. Pri slikanju se lahko napake, ki ležijo vzdolž vpadnih X-žarkov, pokažejo kot majhne razpoke.

S slikanjem vzorca, zasukanega za 90°, pa lahko opazujemo, kako globoko sega ta razpoka. Z ene strani se lahko napaka zdi minimalna, z druge pa se lahko izkaže, da je velika. S slikanjem pravokotnih ekspozicij lahko bolje ocenimo resnost napak.

3.2.2.3 Izvlečni preizkus

Z namenom ugotavljanja mehanskih lastnosti spoja med čepom in polimerom smo opravili izvlečni preizkus, prilagojen po ISO 6892. Testiranje je potekalo na trgalnem stroju Beta 50-4/6x14 pri sobni temperaturi s hitrostjo testiranja 1 mm/min. Na sliki 3.3 je prikazana shema izvlečnega preizkusa. Najprej je bilo treba izdelati adapter. Ta ima na sredini utor, v katerega smo položili polimerno ploščo. To smo pritrdili s ploščico, ki ima na sredini luknjo, skozi katero je gledal čep. Na spodnji strani adapterja je pecelj. Tega smo vpeli v spodnjo čeljust trgalnega stroja, v zgornjo čeljust pa smo vpeli čep.

(42)

18

Slika 3.3: Shema izvlečnega preizkusa [1].

Pri preizkusu merimo raztezek v odvisnosti od sile vse do porušitve spoja. S tem ugotovimo maksimalno obremenitev, ki jo zdrži spoj. Trdnost spoja je lahko odvisna od trdnosti najšibkejšega materiala, geometrijske oblike spoja (globina, širina), prisotnosti razpok na deformiranem čepu in kakovosti polimer-polimer in polimer-kovina interakcij glede na volumetrične napake/termične degradacije [1].

Na sliki 3.4 so prikazani tipi odpovedi spojev, njihove lastnosti pa so prikazane v preglednici 3.4.

Slika 3.4: Tipi odpovedi spojev [25].

Preglednica 3.4: Lastnosti tipov porušitev spojev [25]

Tip porušitve Lastnosti

TIP 1 Do porušitve pride na čepu. Spoj je močnejši kot osnovni material.

TIP 2 Porušitev čepa v spoju. Zasidran del čepa ostane v polimeru.

TIP 3 Čep se cel iztrga iz polimera.

TIP 4 Čep se cel iztrga iz polimera, pri tem pa odtrga še del polimera nad deformiranim delom čepa.

TIP 5 Čep se cel iztrga iz polimera, pri tem pa nastanejo še razpoke v polimernem materialu.

(43)

19

3.2.2.4 Oprema za izvlečni preizkus

Za izvlečni preizkus smo uporabili univerzalni trgalni stroj BETA 50-4/6x14. Stroj obremenjuje preizkušanca z enakomerno natezno silo, pri tem pa meri raztezek in natezno silo. S pomočjo programa za analizo podatkov lahko odčitamo podatke s tabele ali jih grafično prikažemo. Shema trgalnega stroja je prikazana na sliki 3.5.

Slika 3.5: Shema univerzalnega trgalnega stroja [26].

Stroj ima dve čeljusti. Ena je pritrjena na spodnjem, nepremičnem delu stroja, druga pa na zgornjem, tj. pomičnem delu. Servomotor poganja vretena, ki omogočajo pomik zgornje čeljusti. Na zgornjem delu je tudi piezoelektrični element, ki beleži silo, ki nastane v trgalni coni. Preko računalniškega vmesnika s programom zajemamo podatke.

Specifikacije trgalnega stroja BETA 50 so prikazane v preglednici 3.5.

Preglednica 3.5: Specifikacije trgalnega stroja BETA 50-4/6x14 [27].

Trgalna sila 50 kN

Povratna hitrost 600 mm/min

Hitrost testiranja 0,001–600 mm/min

Natančnost hitrosti testiranja Boljša od 0,5 %

Hitrost vzorčenja podatkov 500 Hz

Natančnost spremembe položaja 0,1 μm

Pogonsko vreteno Kroglično, brez zračnosti

Natančnost pri maksimalni obremenitvi 0,28 N

Teža 825 kg

(44)

20

3.2.2.5 Varjenje MIG

Med izvlečnim preizkusom je pri močnejših spojih prihajalo do porušitve na mestu, kjer smo čep postružili na 4 mm. Zaradi malega premera čepa je prihajalo tudi do zdrsovanja čepa iz čeljusti. Da bi dobili silo porušitve spoja ali čepa na mestu, kjer je premer 6 mm, smo na čep privarili ploščico. Ploščico smo privarili po MIG postopku. MIG in MAG imata enak postopek varjenja, razlika je le v uporabi zaščitnega plina. Pri MAG postopku uporabljamo aktivne zaščitne pline, kot je CO2 ali mešanice CO2 z drugimi plini. Za MIG varjenje pa uporabljamo inertne pline (Ar, He), ki se med varjenjem ne vežejo z drugimi elementi. Aktivni plin med varjenjem kemično reagira z elementi iz osnovnega in dodajnega materiala [28].

Kot dodajni material uporabljamo masivne in strženske žice. Masivne žice so po kemični sestavi podobne osnovnemu materialu. Med varjenjem nekaj elementov iz žice odgori in upari. Kolikšna sta uparitev in odgor, je odvisno od značilnosti posameznih elementov v žici, varilnih parametrov in zaščitnega plina. Strženske žice sestojijo iz kovinskega plašča in stržena. Na sliki 3.6 je prikazana strženska žica [28].

Slika 3.6: Shema strženske žice [28].

MIG/MAG varjenje je postopek elektroobločnega varjenja. Oblok vžgemo s kratkim stikom. Ob dotiku žice z varjencem steče varilni tok. Ta ogreje in stali konico žice. Žica doteka s konstantno hitrostjo in se med gorenjem obloka tali. V obliki kapljic prehaja skozi varilni oblok v talino vara ali pa prehaja iz žice v talino vara s kratkim stikom.

Elektromagnetni ventil, ki omogoča pretok plina za zaščito varilne cone, se vključi istočasno z varilnim tokom. Plin mora steči, preden zagori oblok, in nehati teči nekoliko za tem, ko se oblok ugasne. Varilni tok teče iz vira toka prek kontaktne šobe na žico, po njej v varilni oblok in po njem v osnovni material. Pri MIG varjenju prehaja dodajni material iz žice v talino vara predvsem kapljevito in usmerjeno, kot je prikazano na slikah 3.7 in 3.8.

Ob visoki gostoti toka pa lahko dosežemo prehod materiala tudi s tečenjem in vrtenjem [28].

(45)

21 Slika 3.7: Shema kapljevitega prehajanja

materiala skozi varilni oblok [28].

Slika 3.8: Shema usmerjenega prehajanja materiala skozi varilni oblok [28].

3.2.2.6 Oprema za MIG varjenje

Na splošno oprema sestoji iz vira varilnega toka, krmilne omarice in koluta z žico, cevnega paketa z gorilnikom in jeklenke za zaščitni plin. Shema opreme je prikazana na sliki 3.9 [28].

Slika 3.9: Shema opreme za varjenje MAG/MIG [31].

Viri toka, ki jih v praksi uporabljamo, so enosmerni z vodoravno ali rahlo padajočo statično karakteristiko. Za varjenje MIG/MAG torej uporabljamo varilne usmernike, varilne inverterje in sinergijske vire varilnega toka. Vir varilnega toka spreminja izmenični tok iz omrežja v enosmerni tok [28]. V primeru varjenja aluminija uporabljamo pulzni enosmerni varilni tok.

Na krmilni omarici nastavljamo varilne parametre, kot so hitrost žice, pretok zaščitnega plina in parametre varilnega toka. Krmilna omarica lahko stoji kot samostojna enota ali pa je vgrajena v vir toka. Za vžiganje in ugašanje varilnega obloka uporabljamo dvotaktni sistem. Z gumbom na gorilniku vključimo pogon žice, odpre se magnetni ventil za pretok plina in vključi se varilni tok. Ko prenehamo variti, izključimo gumb na gorilniku in pogon

(46)

22

žice se ustavi, kar prekine varilni tok. Istočasno se zapre ventil za pretok zaščitnega plina.

Pogon varilne žice je običajno v krmilni omarici ali na viru toka z dolžino cevnega paketa 3 m. Za večje razdalje pa uporabljamo kombinirane pogone varilnih žic – med virom toka in varilnim mestom je nameščen dodatni pogon žice. Takšen sistem imenujemo push-pull sistem, ki omogoča varjenje na razdalji 12 m od vira toka. Za večje razdalje moramo dodati več vmesnih naprav za pogon žice. Da zagotovimo zanesljiv, stalen in enakomeren pogon žice, je ta gnana z več pari pogonskih teles [28].

V cevnem paketu je vodilo za žico posebna enota, ki je prilagojena za varjenje z različnimi dodajnimi materiali. Pri uporabi jeklenih varilnih žic je vodilo jekleno, pri aluminijastem dodajnem materialu in drugih neželeznih kovinah pa je vodilo iz umetnih snovi [28].

(47)

23

4 Eksperiment

4.1 Postopek varjenja

Varjenje smo izvajali na CNC stroju Doosan NX 6500 II z maksimalno hitrostjo vrtenja vretena 20000 min^-1. Stroj je prikazan na sliki 4.1, nekatere njegove lastnosti pa v preglednici 4.1.

Slika 4.1: CNC stroj Doosan NX 6500 II [29]. Slika 4.2: Kovičenje s trenjem.

Aluminijastemu čepu smo najprej naredili sedež tako, da smo ga na enem koncu postružili na 4 mm in nato ta del vpeli v prijemalno glavo stroja. S tem smo med preizkusom preprečili zdrs čepa v glavo. Osnovni material smo vpeli v primež. Pod primežem je bil nameščen silomer, ki je meril pritisno silo in moment. Skupaj sta bila primež in silomer pritrjena na mizo stroja, kakor je prikazano na sliki 4.3. Silomer deluje na principu piezoelektričnega efekta. Glede na aplicirano silo proporcionalno ustvarja električni naboj.

Ta se preko kabla prenese na nabojni ojačevalec, kjer se signal ojača. Pred vsakim merjenjem je bilo treba ojačevalnik ponastaviti in določiti merilno območje. Signal se je

(48)

Eksperiment

24

nato prenesel na merilno kartico National Instruments tipa NI 9215. Tu se je signal pretvoril iz analogne v digitalno obliko. Nabojni ojačevalec in merilna kartica sta prikazana na sliki 4.5. Nazadnje je signal prispel na osebni računalnik, razviden iz slike 4.4, kjer smo s pomočjo programa DAQ Express spremljali proces in zbirali podatke. Po končanem varjenju smo razpeli primež in sneli prijemalno glavo iz stroja. Nato smo iz glave odstranili zavarjen vzorec in vpeli čep za naslednji preizkus.

Preglednica 4.1: Specifikacije CNC stroja Doosan NX 6500 II [30].

Pomiki X, Y, Z osi 1050/650/550 mm

Razdalja med prijemalno glavo in mizo 150–700 mm

Velikost mize 1200 × 650 mm

Nosilnost 800 kg

Maksimalna hitrost vretena 20000 vrt/min

Dolžina in širina stroja 2847 × 2966 mm

Višina stroja 3036 mm

Teža 10000 kg

Slika 4.3: Silomer in primež. Slika 4.4: Računalnik s programsko opremo za spremljanje preizkusov.

Slika 4.5: Nabojni ojačevalnik in merilna kartica. Slika 4.6: Skica postruženega čepa.

(49)

Eksperiment

25 Preizkuse kovičenja s trenjem smo izvedli v treh fazah, vendar smo za razliko od postopka, predstavljenega v poglavju 2.2, v drugi fazi prav tako aplicirali trenje. V prvi fazi se je rotirajoči čep dotaknil osnovnega materiala in se za določeno globino potopil vanj. Nato pa smo v drugi fazi hitrost vrtenja čepa še povečali in čep še potopili v material. Čep se je nehal vrteti in nastopila je tretja faza – konsolidacija. V tej fazi smo nekoliko počakali, da se spoj strdi, preden smo vzorec sneli s stroja. Na sliki 4.2 je prikazano kovičenje s trenjem.

Za varjenje smo uporabili le vzorce dimenzij 24 × 24 × 14 mm, saj so se vzorci debeline 9 mm izkazali za pretanke. Na začetku smo imeli težave z zdrsom čepa v prijemalno glavo, kar je privedlo do tega, da smo na čepu naredili sedlo, kot je prikazano na sliki 4.6.

Naredili smo sedem dobrih spojev.

4.1.1 Procesni parametri

V računalnik CNC stroja smo vnašali podajalne hitrosti, hitrost vrtenja vretena in globine, do katere naj bi se potopil nedeformiran čep. Pri vseh preizkusih je bila hitrost vrtenja vretena 19000 min^-1, podajalna hitrost in globina pa sta se spreminjali. Za vsak preizkus so bile določene tri faze, vsaka faza pa je imela določeno podajalno hitrost in globino, do katere se mora čep v tej fazi pomakniti. V preglednici 4.2 so prikazani vsi procesni parametri.

Preglednica 4.2: Procesni parametri.

Preizkus 0. faza 1. faza 2. faza

Globina

[mm] Podajalna hitrost [mm/min]

Globin

a [mm] Podajalna hitrost [mm/min]

Globin

a [mm] Podajalna hitrost [mm/min]

Vrtljaji [min^-1]

1 0,15 10 5 100 10 1200 19000

2 0,15 10 5 200 15 2000 19000

3 0,15 10 10 200 20 1200 19000

4 0,15 10 10 200 20 1800 19000

5 0,15 10 10 200 20 900 19000

6 0,15 10 9 200 20 900 19000

7 0,15 10 9 200 19 900 19000

V ničti fazi pride do stika rotirajočega čepa in osnovnega materiala. V prvi fazi se čep potopi v material, v zadnji fazi pa se podajalna hitrost in s tem sila hitro poveča. Proces se nato zaustavi.

V preglednici 4.3 je prikazan CNC program za vzorec 5. Število vrtljajev (rpm) se ni spreminjalo. V prvi stolpec smo vpisali pomik čepa v navpični oziroma z osi, v drug stolpec pa smo vnašali podajalne hitrosti (Vf). Tako se je čep vzorca 5 pomikal od začetne lege 0–0,15 mm s podajalno hitrostjo 10 mm/min. Nato se je med 0,15 mm do 10 mm

(50)

Eksperiment

26

pomikal z Vf 200 mm/min. Nazadnje pa je med 10 mm in 20 mm pomika imel podajalno hitrost 900 mm/min.

Preglednica 4.3: Primer CNC programa za vzorec 5.

rpm = 19000

Z Vf

0,15 10 10 200 20 900

(51)

Rezultati in diskusija

27

5 Rezultati in diskusija

V naslednjih podpoglavjih so prikazani in obravnavani rezultati rentgenske tomografije in izvlečnega preizkusa ter izračunane vrednosti vnesene mehanske energije.

5.1 Analiza zajetih podatkov

S pomočjo podatkov, zajetih med varjenjem, smo lahko zrisali grafe potekov sil in momentov za posamezne preizkuse, z njih pa smo nato odčitali želene vrednosti, kot je prikazano za eksperiment 3 na sliki 5.1.

Slika 5.1: Prikaz poteka sile pri eksperimentu 3.

FT1 je sila trenja, dosežena v prvi fazi, ko se čep potopi v material, FT2 pa je maksimalna sila, dosežena v drugi fazi. Z grafa smo odčitali tudi čas trajanja prve (tT1) in druge (tT2) faze. M1 in M2 predstavljata maksimalna momenta prve in druge faze, odčitana z grafa poteka momenta. Vsi podatki, odčitani z grafov momentov in sil, so predstavljeni v preglednici 5.1.

(52)

Rezultati in diskusija

28

Preglednica 5.1: Pomembni podatki.

Preizkus Vrtljaji [min^-1]

FT1 [N] tT1 [s] FT2 [N] tT2 [s] M1

[Nmm]

M2

[Nmm]

1 19000 1694,16 2,95 3556,63 1,25 4,02 7,22

2 19000 3337,65 1,39 10317,32 0,76 4,36 20,91

3 19000 3794,90 3,43 5741,10 0,92 9,06 10,37

4 19000 3499,12 2,93 9242,00 0,82 7,62 20,27

5 19000 3893,49 2,96 4387,70 1,11 12,65 8,05

6 19000 3615,41 2,63 4906,56 1,09 11,96 13,07

7 19000 3997,13 2,64 4518,52 1,05 9,92 14,73

5.2 Mehanska energija

Po modelu, predstavljenem v poglavju 3.2.1, smo izračunali vnos mehanske energije in rezultate predstavili v preglednici 5.2. ET1 predstavlja vneseno mehansko energijo v prvi fazi, ET2 mehansko energijo druge faze, EM pa je skupna energija.

Preglednica 5.2: Izračunane vnesene mehanske energije.

Vzorec ET1 [J] ET2 [J] EM [J]

1 23,60 17,96 41,55

2 12,06 31,62 43,68

3 61,83 18,98 80,81

4 44,42 33,07 77,49

5 74,50 17,78 92,28

6 62,58 28,35 90,93

7 52,11 30,77 82,88

Najvišjo vrednost celotne mehanske energije 92,28 J je dosegel eksperiment 6. Ta ima prav tako najvišjo vrednost ET1 (74,50J) in najmanjšo vrednost ET2 (17,78J). Eksperiment 1 pa je z 41,55J dosegel najnižjo vrednost celotne vnesene energije. ET1 z najnižjo vrednostjo 12,06 J je dosegel eksperiment 2. ET2 ima z izjemo eksperimenta 2 vedno manjši doprinos.

Njegova največja vrednost je 36,61 J (eksperiment 3).

Momenti v drugi fazi (M2) so z izjemo eksperimenta 6 večji od momenta prve faze (M1).

Kljub temu pa je ET2 bistveno manjši od ET1. Ker je kotna hitrost pri obeh fazah enaka, lahko sklepamo, da je ključnega pomena čas trajanja faze. tT1 je bil vedno daljši od tT2. Daljši čas trajanja faze omogoči večji vnos energije, kar pomeni, da se lahko čep bolj deformira. Ker večja deformacija omogoča boljše sidranje, želimo, da so vnesene energije visoke.