5 módszer az extrudált csövek extrudálásának maradványfeszültségeinek meghatározására
A hőre lágyuló műanyagok rossz hővezető képessége miatt az extrudálást követő hűtési folyamatok során belső feszültségek (húzó és nyomó belső feszültségek) keletkeznek a termék falában. A belső feszültségek gyakran deformálódást és a termékek deformálódását eredményezik, ami láthatóvá teszi a belső feszültségek jelenlétét. A műanyag csövek esetében axiális és tangenciális belső feszültségek jönnek létre. Az alábbi szempontok csak a műanyag csövek tangenciális belső feszültségeivel foglalkoznak.
Maradó feszültségek kialakulása
A hőre lágyuló műanyagok, különösen a félkristályos műanyagok, nagy mennyiségű térfogatváltozáson mennek keresztül, körülbelül 20% körül, amikor az olvadéktól lehűlnek. A műanyag csöveket többnyire kívülről hűtik. A műanyag cső külső héja már lefagyott a kalibrálás során, ezért már nem képes szabad alakváltozásokat végrehajtani. A cső többi része még mindig majdnem olvadási hőmérsékleten van, amint azt a következő ábra mutatja.
Ez azt jelenti, hogy a csőfal belsejében lévő forró anyag térfogata továbbra is jelentősen csökken, miközben a külső héj már fagyott és ezért merev. A forró anyag zsugorodási hajlandóságát gátolja a merev külső bőr, amely belső húzófeszültségeket eredményez a cső falában. Az erők egyensúlyát a belső nyomófeszültségek egyidejű felépítése tartja fenn a külső rétegben. A belső feszültségek kezdetben nyilvánvalóan nem jelentenek nagyobb deformációkat. Csak akkor, ha a csövet axiális irányban elvágják, és egy csíkot eltávolítanak a cső faláról, akkor figyelhető meg egy cső az elsődlegesen kívülről hűtött csövekben:
A deformáció mértéke gyakran, de nem mindig, benyomást tesz a maradék feszültségek szintjéről. A maradék feszültségeloszlásra vonatkozó információk önmagában a deformációból nem vezethetők le. Ehhez például speciális vizsgálati eljárásokat vagy szimulációs módszereket lehet használni, amint azt a következő ábra mutatja:
Maradék feszültségek mérése műanyag csövekben
Az úgynevezett Janson-módszert gyakran használják a műanyag csövek tangenciális maradék feszültségeinek mérésére. Viszonylag elterjedt, de más módszerek is léteznek. Az alábbi táblázat a szakirodalomban leírt legfontosabb folyamatokat sorolja fel:
Janson:
A Janson-teszt eljárásában a maradék feszültségek meghatározása egy csőminta deformációján alapszik, amelyet a szabad vágás (egy csík tengelyirányú kivágása) okoz. A deformáció változását egy bizonyos hosszúságú csőszakasz két jelölésének segítségével mérjük. A csőfalban a maximális belső feszültséget képletes összefüggések alapján számítják ki a deformációból.
Kis szolgáltatás:
A Kleindienst szerinti mérési módszer szintén felhasználja a mintadarab deformálódását, amelyet a maradék stressz okoz, szabadon vágás után. Ebben a folyamatban egy hosszmetszetet vágnak ki a próbadarabból, ami megzavarja a csőben lévő belső feszültségek egyensúlyát. A gyűrű testének deformációs reakciója van, így a két vágóél közötti távolság megváltozik. Egy húzóvizsgáló gép segítségével a mintát deformálják vissza, és meghatározzák a kiindulási állapot eléréséhez szükséges erőt. A tangenciális maradványfeszültségeket lineáris feszültségeloszlás feltételezésével számoljuk ki a cső falvastagsága felett.
Szeletelési módszer:
A hasítási módszer segítségével a maximális maradék feszültségek meghatározhatók axiális és tangenciális irányban. A tangenciális belső feszültségek meghatározásához a csövet hosszirányban fel kell vágni, és megfigyelhető a csőminta deformációja (átmérőjének változása). A külső átmérőt meghatározott idő után mérjük. A maximális tangenciális maradék feszültségeket egy képlet segítségével számítják ki. A módszer hasonló a Janson-módszerhez.
Rétegeltávolítás:
A rétegeltávolítás és az azt követő hasítási módszer (LRSS) az egyik olyan eljárás, amelyet gyakran használnak műanyag csövekhez. Ezzel a módszerrel a tangenciális maradványfeszültségeket deformációs jelenségek mérik. Az LRSS módszerrel a meghatározott számú mintából különböző vastagságú anyagrétegeket távolítunk el. Ezután a mintákat tengelyirányban kinyitják. A kivágott szegmens okozta deformációt méréssel rögzítjük. A falvastagság a külső felület elforgatásával vagy a cső belső felületének elforgatásával változtatható.
Fúrási módszer:
A fúrási módszer széles körben alkalmazott relaxációs módszer a maradék feszültségek meghatározására. A felhasználás a legkülönfélébb mintatípusok esetében megbízható és gyorsan eredményeket eredményez. Ezenkívül a módszer csak marginális kárt okoz a mintában. A folyamat sorrendjét és a mérési eljárást többek között az ASTM E837 szabvány szerint szabványosítják. A fúrási módszerrel mind axiális, mind tangenciális maradék feszültségek mérhetők. A belső feszültségeket úgy határozzuk meg, hogy egy furatot (kis átmérőjű) fúrunk a cső felületébe, és az ebből eredő alakváltozás megváltozik. A környező felület alakváltozásának változását törzsmérő rozetták segítségével mérjük. Az utóbbi években azonban egyre inkább optikai technikákat is alkalmaztak a tágulási jelenségek rögzítésére. A növekvő mélységű lyuk fúrásával a feszültségeloszlás a mélységig a furat átmérőjének nagyságrendjében rögzíthető. A maradék igénybevételeket a felületen levő igénybevétel alapján számoljuk ki, amely a lyuk mélységével növekszik.
A Janson mérési módszer értékelése
Nyilatkozat a stressz eloszlásáról
Meg kell különböztetni, hogy valós maradványfeszültség-eloszlást mértek-e, vagy feltételezünk-e lineáris maradékfeszültség-eloszlást. A Janson-módszer lineáris reziduális feszültségeloszlást feltételez. Ez azt jelenti, hogy a külső felületen belső nyomófeszültségek vannak, amelyek lineárisan csökkennek a cső falán belül, majd a cső belső faláig belső húzófeszültségekké válnak:
Magától értetődik, hogy ez a lineáris maradék feszültségprofil egyszerűsített feltételezést jelent. A valóságban olyan maradék stresszprofilok alakulnak ki, amelyek nemlineáris lefutást mutatnak, amint azt például egy szimuláció következő ábrája mutatja:
A Janson-módszerrel előforduló maximális maradék feszültségek abszolút értékeinek kiszámítása ezért nagyon hibára hajlamos.
Erőfeszítés és alkalmazás
A Janson teszt megvalósítását a felhasználók bonyolultnak és nem nagyon reprodukálhatónak minősítik. Pontosan azért, mert a maradék feszültségeket gyakran használják minőségi kritériumként, ez gyakran problémás.
A belső feszültségek enyhülnek, amint a fűrészvágás megtörténik az axiális csík eltávolítására. A fűrészvágás módjától függően ez a hatás többé-kevésbé hangsúlyos lehet, ami hibás mérési eredményekhez vezet.
Ha az eltávolított csík nem elég széles, mindkét ütköző él egymás felé mozog, és találkozhatnak. Ez megszakítja a deformációt és meghamisítja a mérési eredményt. Vékony falú csövek esetén lehetőség van a két egymással határolt él egymás melletti vezetésére. Ezt követően azonban a két csőfelület egymáshoz dörzsölődik, ami szintén hamis mérési eredményhez vezet. A szélesebb tengelycsík kivágásának alternatívája nem ajánlott, mert megnehezíti az egymás felé haladó jelölések közötti távolság mérését, ami mérési hibákhoz is vezet.
Deformációk történnek a fűrész vágásának végrehajtása során. Ezek azonban meghatározatlanok, ezért nem vonhatók be a Janson-teszt időbe. Ez szintén bonyolítja a mérési eredmények reprodukálhatóságát és hibákhoz vezet.
Összegzés
A Janson tesztet széles körben használják a gyakorlatban, de különféle problémái vannak:
- Lineáris belső feszültséggörbe feltételezése a cső falán belül
- A stressz eloszlásáról nincs állítás
- A vizsgálati módszer nehéz kezelése, ami rossz reprodukálhatóságot eredményez
Jelenleg különféle erőfeszítéseket tesznek az optimalizált vizsgálati módszerek kifejlesztésére
Ha tájékoztatást szeretne kapni az extrudálás hibaelhárításával kapcsolatos további cikkekről, regisztráljon ide ingyenes hírlevelünkhöz. Ugyanakkor hozzáférést biztosít ingyenes letöltési területünkhöz.