Plastiklerin birleştirilmesi ürünlerin imalatında kritik proseslerden biridir. Bileşenlerin karşılaması gereken talepler arttıkça özellikle yapısal uygulamalarda birleştirme çok önemlidir. Aşağıdaki durumlarda birleştirmeye ihtiyaç duyulur. 9 Maliyet ya da karmaşıklıktan ötürü parçaların tek olarak imal edilmesi mümkün
değilse
9 Bir yapıda farklı malzemeler kullanılacaksa 9 Demonte olma zorunluluğu varsa
Hasarın tamiri gerekiyorsa Şekil 1.9’da gösterilen plastiklerin birleştirilme proseslerinde bağlantı parçası seçiminde özen gösterilmezse bağlantıda elde edilen faydadan daha büyük kayıplar yaşanabilir. Örneğin hafiflik ya da korozyon dayanımı malzeme seçiminde önemli bir kriterse metal parçalarla bağlantı yapmak büyük bir hata olur. Plastiklerde ve kompozitlerde dikkat edilmesi gereken hususlar aşağıdaki gibidir Grewell ve Benatar, 2007):
9 Bağlantının karşılaması gereken yük miktarı 9 Bağlantıya gelen yükün türü
9 Parçaların geometrik yapısı 9 Parçanın çalışacağı ortam 9 Güvenirlik ve tekrar edilebilirlik 9 Beklenen tahmini işletme ömrü
Plastiklerin ve kompozitlerin birleştirilmesi için temel olarak mekanik birleştirmeler, yapıştırmalı bağlantılar ve kaynaklı bağlantılar olmak üzere 3 farklı metot vardır (Grewell ve diğ., 2003). Mekanik bağlantılar metalik ya da polimer vidalar gibi birleştiricilerdir. Birleştirilecek elemanların şekilsel özellikleri sayesinde bağlantılar yapılır. Yapıştırmalı bağlantılarda birleştirilmesi istenen yüzeyler arasına bir yapışkan sürülür bu yapışkan parçaları bir arada tutarken bağlantı üstünden yükün ya
24
da kuvvetin aktarımını da sağlar. Kaynaklı bağlantılarda ise polimer ısı etkisiyle eritilerek ya da yumuşatılarak arayüzeydeki karşılıklı moleküller arası difüzyonun zincirleri bağlanması sağlanır.
Şekil 1.9. Plastik ve kompozitlerin birleştirme prosesleri (Grawell ve Benatar, 2007)
Yapıştırmalı bağlantılarda yapıştırıcı kullanılabildiği gibi çözücü de kullanılabilir. Polimere sürülen çözücü, polimer zincirlerinin difüzyona uğraması için gerekli hareketliliği sağlar. Çözücü polimer yüzeyini şiddetle plastikleştirdiği için bu metot öncelikle polikarbonat, akrilik ve polistren gibi camsı amorf termoplastiklere uygulanır. Bu teknikler düşük maliyetleri ve hızlı imalata kolay adapte edilebilmeleri nedeniyle yaygınlık kazanmışlardır. Ayrıca yapıştırmalı ve çözücülü bağlantılar montajlı bölgelerde gerilmelerin düzgün dağılmasını kolaylaştırarak, ağırlığa oranla düzgün dayanım elde edilmesini sağlar. Çözücü kullanılarak sadece amorf plastikler birleştirilebilirken yapıştırıcı ile tüm plastikler birleştirilebilir (Petrie, 2007, Brockmann ve diğ., 2009, Habernicht, 2008, Gosh, 2008).
Plastiklerin birleştirilmesi Mekanik bağlantılar Yapıştırmalı bağlantılar Kaynak Vidalar Sıkı geçmeler Baskılı geçmeler Sıcak eriyik yapıştırıcı Yapısal yapıştırıcı Titreşim kaynağı Sıcak levha kaynağı Ultrasonik kaynak
25
Mekanik bağlantılar metal vidalar, cıvata, perçin, rondela gibi ilave parçaların kullanılmasını gerektirir. Mekanik birleştirme ile hem aynı hem de farklı malzemeler birleştirilebilir. Örneğin mekanik bir bağlantı, metal bir parça ile plastik bir parçayı birleştirmek gerektiğinde, kalıcı ya da geçici bir bağlantı yapmak gerektiğinde, ya da bağlantıyı sökmek gerektiğinde kullanılabilir. Bu uygulamanın avantajlarından birisi yüzeylere işlem yapmanın gerekmemesi ve tamir ya da gözlem için bağlantının ayrılmasının çok kolay olmasıdır. Dezavantajları ise ağırlığın diğer yöntemlere göre fazla olması, yüksek gerilme yığılmalarının oluşması ve korozyona maruz kalabilmeleridir. Bu tür bağlantılar otomobil ve uzay sanayisinde sıklıkla kullanılmaktadırlar (Traglia Amancio-Filho ve diğ, 2012, Lincoln ve diğ, 1984). Termoplastikler birbirine ısıyla kopabilen zayıf ikincil kimyasal bağlarla bağlı pek çok polimer zincirinden oluşur, bu yüzden bir termoplastik ısıtıldığında moleküller arası zayıf ikincil bağlar kırılır ve moleküller yeniden şekillenmeye izin verecek biçimde birbirlerine bağlı olarak hareket eder ve kaynak arayüzeyini oluşturur. Amorf polimerler camsı geçiş sıcaklığının (Tg) altındaki sıcaklıklarda camsı katı
özellikleri gösterirler. Camsı geçiş sıcaklığının üstünde amorf bir polimer yumuşar ve yeniden şekillendirilebilir. Yarı-kristalin polimerlerin de camsı geçiş sıcaklıkları olmasına rağmen kristalitlerin de eridiği erime sıcaklıkları vardır (Tm). Bu yüzden
pek çok yarı-kristalin camsı geçiş sıcaklığının üstünde ve erime sıcaklığının altındaki aralıklardaki uygulamalarda kullanılabilir. Bu çalışmada kullanılan HDPE’nin camsı geçiş sıcaklığı -120°C’dir ve 75°C’nin altındaki sıcaklıklarda yeteri kadar sağlam katı özellikleri gösterir (Rotheiser, 2009, PPI Handbook, 2004, Grewell ve diğ., 2003, Benatar ve diğ, 2001).
Kalsiyum karbonat, talk, mika gibi dolgu malzemelerinin polimerik malzemelerin rijitlik değerlerini iyileştirirken çekme dayanımı ve kopma uzaması değerini düşürebilmektedir. Polipropilenin içine ilave edilen mika, talk ve kalsiyum karbonat, kaynaklı parçalarda da çekme gerilmesini ve kopma uzaması değerini düşürmektedir (Sancaktar ve Walker, 2004).
Yer altı gaz ve su hatlarında büyük oranda kullanılan polietilen boruların birleştirilmeleri alın kaynağı ile yapılmaktadır. Yarı kristalin bir malzeme olan polietilenin yapısal özellikleri ile mekanik davranışlarının karşılaştırılması çokça
26
yapılmış olmakla beraber kaynak bölgesinin özelinde incelemeler az bulunmaktadır. PE 80 malzemesi ile imal edilmiş boruların kaynak edilmesi ile yapılan çalışmada çekme testi sonuçlarına göre kaynaklı ve kaynaksız bölgelerde çekme mukavemeti hemen hemen aynı olmaktadır. Ancak plastik deformasyon mekanizması kaynaktan etkilenmekte ve genleme miktarı sıcaklığa bağlı olarak bazen yarı yarıya bazen de üçte bire varan orana kadar düşmektedir. Hasara dayanımın ölçüsü olarak kabul edilen darbe testlerinde ise oda sıcaklığında kaynaklı bölgeden alınan numuneler ile kaynaksız bölgelerin arasında yine üç kata kadar azalma olduğu görülmüştür (Leskovics ve diğ., 2006).
Şekil 1.10. Plastik ve kompozitlerin kaynak proseslerinin sınıflandırılması (Grewell ve diğ, 2003)
Enjeksiyon ile üretilmiş PP, PE malzemelerin kaynağı ile ilgili çalışmalar ve ekstrüderle üretilmiş PE 80 boruların kaynağı ile ilgili çalışmalar literatürde mevcuttur; ancak mineral dolgulu boruların kaynağı ile ilgili inceleme henüz mevcut
Plastik ve kompozitlerin kaynak işlemleri Dış ısıtma Sıcak Levha Sıcak Gaz Ekstrüzyon İmplant indüksiyonu İmplant direnci İç ısıtma Mekanik Ultrasonik Vibrasyon Döndürme Elektromanyetik Radyo Frekansı İnfrared ve Lazer Mikrodalga
27
değildir. Bu çalışmanın kaynakla ilgili olan kısmı bu eksikliğin giderilmesine katkıda bulunmayı amaçlamaktadır.