TAKVĠYELĠ PLASTĠKLERĠN KAYNAK KABĠLĠYETĠ VE DAYANIMININ ĠNCELENMESĠ

Transkript

1 TAKVĠYELĠ PLASTĠKLERĠN KAYNAK KABĠLĠYETĠ VE DAYANIMININ ĠNCELENMESĠ Ümit HÜNER, Dr.E. Selçuk ERDOĞAN Trakya Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü/EDİRNE ÖZET Bu çalışmada takviyeli ve takviyesiz PP ve PE termoplastik parçaların kaynak kabiliyeti ve kaynak sonrası dayanımları test edilmiştir. Kaynak kabiliyetini ölçmek için kaynaklanmış parçalara çekme deneyi testi yapılmıştır. Tüp enjeksiyon yöntemiyle üretilen takviyesiz PP ve PE numuneler ile hacimce %10, %20,%30 oranlarında cam elyaf takviye edilmiş PP ve PE numunelere alın kaynağı işlemi yapılmıştır. Isı üreticisi yardımıyla malzemelere kaynak birleştirme yöntemi uygulanmıştır. Elde edilen sonuçlar grafikler yardımıyla aktarılmıştır. Anahtar kelimeler: Plastik, takviyeli plastik, kaynak, enjeksiyon ABSTRACT In this study, reinfoced/ unreinforced thermoplastic PP and PE samples s capabilities of butt welding and strength of welding were investigated. Tensile test procedure was applied for measuring of welding capability of samples. Unreinforced / %10, 20, 30 (volume ratio) glass reinforced PP and PE termoplastics were produced by tube injection process. After production these samples were joined by butt welding process. Results were given by graphics. Keywords: Plastic, reinforced plastic, welding, injection 1.GĠRĠġ Takviyeli plastik malzeme kullanımının arttığı günümüzde bu ürünlerin üretim yöntemlerine ait parametrelerin dikkatlice saptanması gerekmektedir. Her ne kadar kompozit yapıdaki plastik parçaların klasik üretim yöntemleri(el yatırma, ekstrüzyon, enjeksiyon gibi) istenilen tasarıma uygun yapıları ortaya çıkarabilse de parça boyutu, maliyet ve tasarımın karmaşıklığı klasik yöntemlerin yanında mekanik birleştirme yöntemlerine de ihtiyaç duyulmasına sebep olmaktadır. Plastik esaslı kompozit ürünlerin üretimi gerçekleştirildikten sonra ihtiyaç durumlarında bu parçalar kendilerine özgü birleştirme yöntemleri kullanılarak bir araya getirilebilirler. Metallerin klasik birleştirme yöntemlerine benzeyen bu yöntemler plastik esaslı malzemelerde farklılık göstermektedir. Kaynak işlemi bu yöntemlerden biri olup ısı ve basıncın kullanıldığı bir işlemdir. Plastikler ve plastik esaslı kompozitler sahip oldukları düşük erime sıcaklıklarından dolayı kaynak işlemi sırasında enerji kullanımı diğer malzemelerinkinden düşük düzeydedir.[1] P. Mitschang ve diğerleri [5] yaptıkları çalışmalarda sürekli indüksiyon kaynağı prosesinde, kaynak güvenilirliğini artırmak için gerekli optimum proses parametrelerini önceden belirleyerek kaliteli kaynağı garanti altına alacak bir proses modeli geliştirilmesini araştırdılar. Termodinamik modelleri geliştirerek indüksiyon kaynağı için gerekli optimum parametrelerin önceden tahmin edilebilmesini incelediler.

2 A. Kagan ve diğerleri [3] yüksek performans uygulamaları için indüksiyon kaynağının avantajlarını araştırdılar. Takviyeli bir termoplastik için iki alternatif kaynak yöntemini kullanarak malzeme bileşimi, kaynak tasarımı ve kaynak sürecindeki şartların birbiri arasındaki ilişkiyi incelediler. Y. Wu ve diğerleri[4] indüksiyon kaynağında üst üste bindirme tekniğiyle birleştirilen termoplastik parçalarda kaynak zamanın diğer parametreler arasındaki önemini araştırdılar. Ayrıca kaynak zamanının sabit basınç ve sabit güç değerlerinde kaynak mukavemeti üzerindeki etkilerini incelediler. J. Kim ve diğerleri[6] karbon elyaf takviyeli termoplastiklerde düzlemsel ısı oluşumunu önceden tahmin etmek için bir nümerik model geliştirilmesini araştırdılar. Modeli muhtemel üç ısı oluşum mekanizmasına bağlayarak çapraz katlı ve açılı katlı takviyeli termoplastiklerde ısı alanı, malzeme ve proses parametreleri arasındaki ilişkiyi incelediler. Plastik esaslı kompozitlerin kaynak işleminde kaynak parametreleri katkısız plastiklerin kaynak işlemine göre farklılık gösterebilmektedir. Bunun başlıca sebebi kullanılan takviye malzemelerinin sahip olduğu mekaniksel özelliklerdir.[2] Takviye malzemeleri ana matris olarak kullanılan plastik türünün erime noktası, yumuşama noktası gibi bazı mekanik özelliklerini değiştirdiği için kaynak parametrelerinden olan kaynak sıcaklığı, kaynak süresi ve kaynak basıncı gibi özellikler de saf plastiğinkinden farklı olmaktadır. Bu çalışmada cam elyaf takviyeli iki termoplastik türüne uygulanan kaynak işlemi ve kaynak işlemine ait parametreler incelenmiştir. Tüp enjeksiyon yöntemi kullanılarak üretimi gerçekleştirilen plastik esaslı kompozitler dairesel şekilli bir ısı kaynağı kullanılarak basınç yardımıyla birleştirilmişlerdir. ISO tip standart numune şeklinde üretimi yapılan cam elyaf takviyeli plastiklere alın kaynağı türünde birleştirme işlemi uygulanmıştır. Sabit birleştirme basıncı altında elyaf oranının kaynak dayanımına etkisinin gözlemlendiği bu çalışmada çekme testi uygulanan parçalara ait çıktılar bir yazılım aracılığıyla alınmıştır ve grafik olarak sunulmuştur. 2. MATERYAL- METOD 2.1 Cam Elyaf Takviyeli Plastik Numunelerin Üretimi PP(polipropilen) ve LDPE( düşük yoğunluklu polietilen) plastiklerinin hammadde olarak kullanıldığı çalışmada takviye elemanı olarak Cam Elyaf A.Ş. tarafından üretilen 6 mikron çapında 5 mm boyunda kırpılmış cam elyaf kullanılmıştır. Hassas terazi yardımıyla ağırlıkları tespit edilen malzemelerin hacimsel olarak harmanlanması sağlanmıştır. %10, %20, %30 oranında hacimsel olarak karıştırılan malzemeler tüp enjeksiyon makinesi ve standart ölçülerde işlenmiş bir numune kalıbı yardımıyla şekillendirilmiştir. Karıştırıcı vidanın bulunmadığı sistemde ürünün erime noktasına ulaştırılarak hidrolik bir piston yardımıyla kalıba itilmesiyle şekillendirme işlemi yapılmaktadır. Sıcaklık kontrolünün yapılabildiği sistemde kalıptan çıkarma işlemi manuel olarak gerçekleştirilmektedir. Tüp enjeksiyon sistemi ve kalıplanmış numuneler Şekil 1. de görülmektedir.

3 ġekil 1. Tüp enjeksiyon sistemi ve kalıpta ĢekillenmiĢ cam elyaf takviyeli plastik 2.2 Üretilen Numunelerin Kaynak ĠĢlemi Boyutları 50 mm çap yüzey genişliği 20 mm olan halka tip bir ısı üreticisi yardımıyla numunelerin kaynak bölgelerine eşit sıcaklıklarda( PE için C, PP için C ) ve sürede (40 s) ısı verilmiştir. Alın kaynağı olacak şekilde her numuneye sabit bir basınç (0,5 MPa) uygulanmış olup birleşme sağlandıktan numune soğumaya bırakılmıştır. Toplam 18 adet üretim yapılmış olup en iyi gözlemlerin sonuçları verilmiştir. ISO tip çekme numunesi standartlarına sahip kompozit numuneler üretim aşamasında yeterli tolerans verildiği için kaynak işleminden sonra çekme deneyi standartlarına uygun kullanım boyundadırlar. Birleştirme işlemleri gerçekleştirildikten sonra Instron 8501 tip yazılım kontrollü test cihazı yardımıyla standart çekme testi işlemi gerçekleştirildi. Yazılımı yardımıyla sonuçlar hem grafiksel hem de sayısal veriler şeklinde elde edildi. Test sırasında çekme hızı bütün numuneler için 5 mm/dk olarak ayarlandı. 3. DENEYSEL SONUÇLAR VE TARTIġMA Hacimce takviye oranları farklı numunelerin test sonuçları incelendiğinde takviye oranı arttıkça kaynak bölgesi dayanımının arttığı gözlemlenmiştir. Bu çalışmadan farklı olarak cam elyaf takviyeli termoplastik malzemelerde görülen çekme dayanımı artışı bu malzemelerin kaynağı işleminden sonra da benzer bir dayanım davranışı gösterdiği tespit edilmiştir. Bu çalışmada, kaynak işleminin doğası gereği kaynak bölgesi dışında bir alandan beklenen hasar alma işlemi düşük kaynak basıncı ve süresi uygulanarak kaynak bölgesinden kopma gözlemlenmesi sağlanmıştır. Uygulanan düşük basınç dolayısıyla birleştirme işleminden sonra uygulanan testte numunelerde kaynak bölgesinden kopma gözlenmiştir. Bu bağlamda uygulanan standart çekme testi ile kaynak bölgeden kopan numunelerin kaynak kabiliyeti olarak değerlendirilebilecek ve takviye oranına da bağlı test sonuçları elde edilmiştir. Takviyeli numunelerin testlerine ait grafiksel sonuçlar Şekil 2 a) ve b) de gösterilmektedir. Şekil 3 te ise alın kaynağı uygulanmış takviyesiz PP ve PE malzemelere ait grafiksel sonuçlar görülmektedir. Tablo 1 de ise sayısal olarak ifade edilmiş çekme dayanımları bulunmaktadır.

4 ġekil 2 a) Alın kaynağı ile birleģtirilmiģ %10,%20,%30 cam elyaf takviyeli PE malzemenin çekme dayanımı (%10 kırmızı renk,%20 kahverengi,%30 mavi) ġekil 2 b) Alın kaynağı ile birleģtirilmiģ % cam elyaf takviyeli PP malzemenin çekme dayanımı

5 ġekil 3 a) Alın kaynağı ile birleģtirilmiģ takviyesiz PE malzemenin çekme dayanımı ġekil 3 b) Alın kaynağı ile birleģtirilmiģ takviyesiz PP malzemenin çekme dayanımı

6 Tablo 1 Takviyesiz ve takviyeli örneklere ait sayısal sonuçlar MALZEME Takviye Oranı Kaynak dayanımı (MPa) Takviyesiz 27,14 Polipropilen (PP) %10 cam elyaf takviyeli 31,91 %20 cam elyaf takviyeli 32,37 %30 cam elyaf takviyeli 34,39 Takviyesiz 19,98 Polietilen (PE) %10 cam elyaf takviyeli 26,15 %20 cam elyaf takviyeli 27,83 %30 cam elyaf takviyeli 30,03 4. SONUÇ Kaynak parametreleri olan kaynak süresi, kaynak basıncı ve sıcaklık değerlerinin her malzeme için aynı uygulandığı kabul edilirse, artan elyaf oranının kaynak dayanımını doğru orantılı olarak etkilendiği görülmektedir. Kaynak yönteminin elyaf dağılımını etkilemediği bu uygulamada dikkat edilecek husus kaynak parametrelerinin optimum değerlere sahip olmasıdır. Kaynak bölgesindeki elyaflar yeterli ısıyı alıp kaynak sıcaklığına ulaşılan bölgede kendilerine karşılık gelen yüzeye tutunarak takviyesiz bir malzemenin sahip olduğu dayanımdan daha yüksek bir değerde dayanıma sahip olmasını sağlarlar. Yine de elyaf oranının yükseldiği uygulamalar için yeterli sayıda test yapılmalıdır. PP ve PE malzemeler kaynak kabiliyeti yüksek malzemeler olup takviye edildiklerinde de bu özelliklerini korudukları sayısal olarak gösterilmiştir. Artan takviye oranına bağlı olarak kaynaksız bir malzemede görülecek dayanım artış oranıyla takviyeli bir malzemenin kaynağından sonra elde edilebilecek dayanım artış oranı ayrı bir çalışma olarak incelenebilir. Grafiklerde de görüldüğü üzere kopma enerjisi yükselen mukavemet değerine rağmen azalma göstermektedir. Bundan sonraki çalışmalarda bu konu üzerine de değerlendirmeler yapılacaktır.

7 5.KAYNAKLAR 1. Ageorges C., Ye L., Hou M., 2001, Advances in fusion bonding techniques for joining thermoplastic matrix composites: a review, Composites: Part A 32 (2001) ( ) 2. Joshi A.M., Welding Of Plastics, (B.E Mechanical, A.M.I.Prod.E), 3. Kagan A. V., Nichols J. R.,2005, Benefits of Induction Welding of Reinforced Thermoplastics in High Performance Applications, Journal of Reinforced Plastics and Composites 2005; 24; Kim J. H., Yarlagadda S., Shevchenko B. N., Fınk B. K., Gıllespıe J. W., Development of a Numerical Model to Predict In-plane Heat Generation Patterns During Induction Processing of Carbon Fiber-reinforced Prepreg Stacks, Journal of Composıte Materıals, 2003, Vol Mitschang P., Rudolf R., Neitzel M., 2002, Continuous Induction Welding Process, Modelling and Realisation, Journal of Thermoplastic Composite Materials 2002; 15; Wu Y. C., Agosto B.,2005, Implant Induction Welding of Nylon 6/6,Antec 2005/( )