Soudage par ultrasons des Coupons composite thermoplastique pour la caractérisation mécanique des joints soudés par des tests de cisaillement de recouvrement simple

Résumé

Une procédure simple de soudage par ultrasons de coupons composites thermoplastiques pour les essais mécaniques de base est décrite. Les principales caractéristiques de ce procédé de soudage par ultrasons sont l’utilisation de directeurs d’énergie plats pour une préparation simplifiée du processus et l’utilisation de données de processus pour la définition rapide des conditions d’usinage optimales.

Résumé

Cet article présente une nouvelle méthode simple pour le soudage par ultrasons de coupons composites thermoplastiques dans des conditions de traitement optimales. Le procédé de soudage par ultrasons décrit dans cet article repose sur trois piliers principaux. Tout d’abord, les directeurs d’énergie plats sont utilisés pour la génération de chaleur préférentielle à l’interface d’assemblage pendant le processus de soudage. Un directeur d’énergie plat est un film de résine thermoplastique soigné qui est placé entre les pièces à assembler avant le processus de soudage et qui chauffe préférentiellement en raison de sa rigidité à la compression plus faible par rapport aux substrats composites. Par conséquent, les directeurs d’énergie plats offrent une solution simple qui ne nécessite pas de moulage de protubérances de résine sur les surfaces des substrats composites, contrairement au soudage par ultrasons de plastiques non renforcés. Deuxièmement, les données de processus fournies par la soudeuse par ultrasons sont utilisées pour définir rapidement les paramètres de soudage optimaux pour toute combinaison de matériaux composites thermoplastiques. Troisièmement, le contrôle du déplacement est utilisé dans le processus de soudage pour assurer une qualité constante des joints soudés. Selon cette méthode, les coupons plats en composite thermoplastique sont soudés individuellement dans une configuration à un seul tour. Les essais mécaniques des coupons soudés permettent de déterminer la résistance apparente au cisaillement par recouvrement des joints, qui est l’une des propriétés les plus couramment utilisées pour quantifier la résistance des joints soudés en composite thermoplastique.

Introduction

composites thermoplastiques (PTC) ont la possibilité d'être soudé, ce qui contribue à leur fabrication rentable. Soudage nécessite un chauffage local sous pression pour ramollir ou fondre la résine thermoplastique des surfaces d'assemblage et pour permettre un contact intime et après interdiffusion des chaînes de polymères thermoplastiques à travers l'interface de soudure. Une fois inter-diffusion moléculaire est réalisée, le refroidissement sous pression consolide le joint soudé. Plusieurs techniques de soudage sont applicables aux composites thermoplastiques qui diffèrent principalement dans la source de chaleur ^1, cependant, le principal mécanisme "d'adhésion", à savoir, l'enchevêtrement moléculaire, reste inchangé. soudage par ultrasons offre de très courts temps de soudage (de l'ordre de quelques secondes), l'automatisation facile et il est pratiquement indépendant du type de renfort dans les substrats composites thermoplastiques. De plus, il offre la possibilité de surveillance in situ ^2,3 , Qui peut être utilisé pour l'assurance de la qualité de la ligne ou pour la définition rapide des fenêtres de traitement ^4. Soudage par ultrasons des composites thermoplastiques est essentiellement un processus de soudage par points, soit le succès de soudage plus longues coutures par soudage par ultrasons séquentielle a été rapporté dans la littérature ^5. Par opposition à la résistance ou soudage par induction, le soudage par ultrasons n'a pas été appliqué industriellement pour les joints entre les pièces structurelles composites thermoplastiques à ce jour. Néanmoins, des efforts importants sont actuellement consacrée à la poursuite du développement du soudage par ultrasons structurelle de composites thermoplastiques pour applications aéronautiques.

Dans le soudage par ultrasons, les pièces à assembler sont soumis à une combinaison de la force statique et à haute fréquence des vibrations mécaniques de faible amplitude transversale par rapport à l'interface de soudage, ce qui se traduit par la génération de chaleur à travers la surface et chauffage viscoélastique. chauffe préférentielle à l'interface de soudage est promuà l'aide de saillies de résine sur les surfaces à souder qui subissent une déformation cyclique supérieure, et le chauffage ainsi viscoélastique ultérieure, que les substrats ^6. La force et les vibrations sont exercées sur les pièces à souder à travers une sonotrode relié à une presse et d'un train d'ultrasons constitué de piézo convertisseur électrique et booster. En fonction de la distance entre le point où les contacts de la sonotrode de pièces à assembler et à l'interface de soudage, une distinction peut être faite entre champ proche et champ lointain soudage par ultrasons. Champ proche soudage (moins de 6 mm entre sonotrode et l'interface de soudage) est applicable à un large éventail de matériaux tandis que l'applicabilité de champ lointain soudage à un matériau thermoplastique spécifique est fortement tributaire de la capacité du matériau à conduire ondes sonores ⁶ .

Le procédé de soudage par ultrasons peut être divisé en trois phases principales. Tout d'abord, une phase active accumulation, au cours de laquelle la sonotroaugmente graduellement de la force sur les pièces à souder jusqu'à ce qu'une certaine force de déclenchement est atteinte. Aucune vibration est appliquée au cours de cette phase. D'autre part, une phase de vibration, qui commence une fois que la force de déclenchement est atteinte. Dans cette phase, la sonotrode vibrant à l'amplitude prescrite pour un certain laps de temps générant la chaleur nécessaire pour le processus de soudage. Contrôlés par microprocesseur soudeurs ultrasons offrent plusieurs options pour contrôler la durée de la phase de vibration, parmi eux le temps (contrôle direct), le déplacement ou l'énergie (contrôle indirect). La force appliquée pendant cette phase, à savoir, la force de soudage, peut être maintenue constante et égale à la force de déclenchement ou peut être progressivement modifiée pendant l'application de la vibration. En troisième lieu, une phase de solidification au cours de laquelle les parties soudées sont autorisés à refroidir sous une certaine force de solidification pendant un certain laps de temps. Aucune vibration est appliquée au cours de cette dernière étape.

fo de soudagerce, l'amplitude des vibrations, la fréquence de vibration et la durée de la phase de vibration (soit directement, soit indirectement par l'énergie contrôlés ou déplacement) sont les paramètres de soudage qui contrôlent la production de chaleur. La force, l'amplitude et la durée sont des paramètres définis par l'utilisateur, tandis que la fréquence est fixée pour chaque soudeur ultrasons. vigueur de solidification et le temps de solidification, soudage également des paramètres, ne pas intervenir dans le processus de chauffage, mais affectent la consolidation et, en même temps que le reste des paramètres, la qualité finale des joints soudés.

Cet article présente une méthode simple roman pour en champ proche soudage par ultrasons des coupons de PTC individuels dans une configuration de tour unique pour la suite mécanique, cisaillement simple tour (LSS), le test suivant la norme ASTM (American Society for Testing and Materials) à la norme D 1002. Essais mécaniques des coupons soudés permet de déterminer la résistance apparente au cisaillement des joints, ce qui est l'une des propriétés les plus commseulement utilisé pour quantifier la résistance des joints soudés composite thermoplastique ^7. Le procédé de soudage est décrit dans ce document est basée sur trois piliers principaux. Tout d'abord, en vrac directeurs d'énergie plat sont utilisés pour la production de chaleur préférentiel à l'interface de jonction ^8,9 au cours du processus de soudage. En second lieu, les données du processus fournies par le soudage par ultrasons est utilisé pour définir rapidement la durée optimale de la phase de vibration pour une force spécifique / combinaison amplitude ^2,4. En troisième lieu, la durée de la phase de vibration est contrôlée indirectement par le déplacement de la sonotrode afin d'assurer une qualité constante des joints soudés ^4. Cette méthode de soudage offre les principales nouveautés et avantages suivants en ce qui concerne les procédures de soudage state-of-the-art pour les composites thermoplastiques: (a) la préparation d'échantillons simplifiée permis par l'utilisation de lâches directeurs d'énergie plats au lieu d'administration moulées traditionnelles d'énergie ^3, et (b) c rapide etdéfinition de ost-efficace des paramètres de traitement basé sur la surveillance in situ processus par opposition aux essais et erreurs des approches communes. Bien que la méthode décrite dans le présent document est axé sur l'obtention d'une géométrie très précise et simple de soudage, il peut servir de base pour définir une procédure pour le soudage des pièces réelles. Une différence principale dans ce cas résulte de flux contraint du directeur de l'énergie, par opposition à écoulement libre sur les quatre bords du chevauchement des coupons au tour unique.

Protocole

1. Echantillon de coupe et la préparation au soudage par ultrasons

1. Couper des échantillons rectangulaires mesurant 25,4 mm x 101,6 mm à partir d'un stratifié composite thermoplastique plus grande en utilisant une technique de coupe qui empêche le délaminage des bords des échantillons (par exemple, des scies à diamant ou la découpe au jet d'eau).
   Remarque: Les dimensions des échantillons sont basés sur la norme ASTM D 1002 standard.
   1. Depuis résistance des joints soudés dépend de l'orientation des fibres sur les surfaces à souder ^10, prendre soin de couper tous les échantillons dans la même orientation.
2. Après la coupe, des échantillons secs dans un four selon les recommandations du fabricant au cas où la résine thermoplastique a tendance à absorber l'humidité (par exemple, 6 heures à 135 ° C pour la fibre de carbone à six couches renforcé polyétherimide, CF / PEI, échantillons).
3. Couper directeurs d'énergie plats fabriqués à partir de film thermoplastique pur (même résine que la matrice dans le composite) à la taille (environ 26 mm x 26 mm) avec une épaisseur d'au moins 0,25 mm. Si nécessaire, sécher le directeur de l'énergie suivant les recommandations du fabricant (par exemple, 1 heure à 135 ° C pendant PEI directeur d'énergie).
4. Avant de souder, d'inspecter les échantillons un par un pour les coins délaminées et jeter si nécessaire. Nettoyez-les à l'aide d'un dégraissant et un chiffon de coton. Nettoyez les directeurs d'énergie plates suivant la même procédure.

2. soudage par ultrasons du premier tour unique Coupons cisaillement

Remarque: un microprocesseur commandé soudeuse à ultrasons capable de souder à amplitude constante est utilisée dans cette étape. Les données de processus des sorties de soudeur, telles que l'énergie dissipée et le déplacement de la sonotrode en fonction du temps à des logiciels d'acquisition de données dans un ordinateur. Un gabarit sur ​​mesure conçu et fabriqué pour positionner et serrer les échantillons au cisaillement simples pendant le soudage par ultrasons précision est utilisé dans cette étape (voir la figure 1).

Figure 1. ultrasons soudeur et l'installation de soudage sur mesure utilisée dans cette étude 1:. Sonotrode, 2: plate-forme coulissante, 3: pince pour le spécimen supérieures (attachés à 2), et 4: pince pour le spécimen inférieurs (Reproduit de référence 4 avec la permission de Elsevier.) S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

1. Remplir une feuille de journal de bord avant chaque expérience de soudage.
   1. Prenez note des paramètres suivants: température ambiante et l'humidité, la soudure de référence de configuration, le type de sonotrode, numéro de l'échantillon et des matériaux, la largeur et l'épaisseur des échantillons supérieure et inférieure, et l'épaisseur du directeur d'énergie.
2. Tournez sur la soudeuse à ultrasons et l'ordinateur. Démarrez le logiciel d'acquisition de données et d'ouvrir une nouvelle session.
3. Si pas déjà en place, changer le sonotmonté à une sonotrode cylindrique d'un diamètre de 40 mm, de sorte que sa surface inférieure couvre entièrement la zone de soudage.
   Remarque: Une forme différente de la sonotrode peut être utilisée, mais sa surface inférieure ne doit pas être inférieure à la zone de soudage.
4. Position et fixer spécimens et directeur d'énergie dans le gabarit de soudage (voir Figure 1).
   1. Joindre un directeur d'énergie plat au modèle bas avec du ruban adhésif afin qu'il couvre une superficie légèrement plus grande que la zone à souder (12,7 mm x 25,4 mm).
   2. Placer l'échantillon de fond dans le gabarit et le bloquer en serrant la vis supérieure.
   3. Ruban l'autre extrémité de l'élément directeur d'énergie à la base de la configuration de sorte qu'il reste en place pendant le processus.
   4. Placer l'échantillon supérieure dans la pince, aligner et serrer la vis supérieure.
   5. Placez la pince pour l'échantillon supérieur dans la plate-forme coulissante et serrer les deux vis.
   6. Avant de poursuivre, serrez les quatre vis une fois mminerai.
5. Déterminer la durée optimale de la phase de vibration par rapport au déplacement de la sonotrode pour atteindre la résistance à la soudure la plus élevée, comme décrit dans les étapes 2.5.1 à 2.5.8.
   Remarque: Une durée optimale de la phase de vibration est déterminée pour chaque combinaison souhaitée de la force de soudage et l'amplitude des vibrations.
   1. Réglez le soudeur à ultrasons à une différence de mode de déplacement-contrôle.
   2. La force d'entrée et l'amplitude des vibrations de soudage dans la soudeuse à ultrasons (par exemple, 300 N et 86,2 um).
      Remarque: Pour cette soudeuse à ultrasons, 86,2 pm correspond à la vibration d'amplitude crête-à-crête. Dans les paramètres de la machine, il est exprimé comme la moitié de cette valeur, de 43,1 um.
   3. Saisir le déplacement de la sonotrode, ou Voyage, à la fin de la phase de vibration en tant que valeur égale à l'épaisseur initiale de l'élément directeur d'énergie (par exemple, 0,25 mm).
   4. la force d'entrée de solidification et le temps dans le soudage par ultrasons (par exemple, 1000N et 4000 msec).
   5. Lorsque vous êtes prêt, mettez un casque insonorisées et commencer le processus de soudage par ultrasons.
   6. Après l'achèvement du processus, prendre note des paramètres de sortie suivants: distance de soudage, la puissance maximale, le temps de vibration et de l'énergie. Retirez le coupon de l'installation de soudage et d'écrire son numéro d'identification sur les deux extrémités avec un marqueur de peinture.
   7. Exporter les données de soudage (puissance et de déplacement de la sonotrode) pour tracer une feuille de calcul et la puissance et le déplacement en fonction des courbes de temps pendant la phase de vibration du processus.
      Remarque: La courbe de déplacement doit tracer le déplacement vers le bas de la sonotrode par rapport à sa position au début de la phase de vibration.
   8. Identifier le déplacement dans le milieu du plateau d'alimentation (étape 4), comme illustré sur la figure 2 (dans ce cas, de 0,10 mm).
      Remarque: Cette valeur de déplacement particulier est le Voyage optimale qui contrôle la durée de la phase de vibration et de la volontéutiliser dans chaque soudure ultérieure de la même force de soudage et de l'amplitude.

Figure 2. Alimentation (noir) et de déplacement des courbes (gris) pour le processus de soudage par ultrasons indiquant la valeur de Voyage optimale. La phase de vibration de la soudure par ultrasons peuvent être divisés en 5 étapes. valeur de Voyage Optimum est situé à l'étape 4. Etude de cas: la fibre de carbone renforcée substrats polyétherimide de -PEI, 0,25 mm d'épaisseur plate directeur d'énergie PEI, 300 N Force de soudage, 86,2 um amplitude de vibration, 0,25 mm voyage. (Tiré de la référence 4 avec la permission de Elsevier.) S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

6. coupons soudure à la valeur de Voyage optimale pour la force de soudage donné et combinatio amplituden.
   1. Répétez les étapes 2.1 à 2.5.6 pour chaque soudure. Dans l'étape 2.5.3, utilisez le Voyage optimale déterminée à l'étape 2.5.8 pour la force de soudage correspondante et la combinaison amplitude.
      Remarque: Tous les tests sont effectués LSS suivant ASTM D 1002 sur une machine d'essai universelle avec une vitesse de traverse de 1,3 mm / min.

3. Simple Eprouvette de cisaillement (LSS) essais de Coupons soudés

1. Mesurer et prendre note de la largeur du chevauchement pour chaque coupon soudé.
2. Mettez la machine d'essai universelle et d'ouvrir la procédure de test pour LSS sur l'ordinateur.
3. Dans l'interface de test, entrez le nombre et les dimensions du chevauchement échantillon. Régler la force à 0 et la séparation prise-à-prise dans sa position initiale (par exemple 60 mm).
4. Placer l'échantillon dans les pinces de la machine d'essai, comme indiqué sur la Figure 3.

Figure 3. Vue schématique du serrage dans le / Roell 250 kN machine d'essai universelle Zwick (pas à l'échelle). Le déplacement de décalage entre les mâchoires supérieures et inférieures permet l'alignement de la direction de la charge de la ligne centrale de la soudure pour minimiser la flexion pendant le cisaillement de recouvrement test de résistance. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

5. Commencez la procédure de test de l'ordinateur en cliquant sur le bouton "Démarrer".
6. Après rupture de l'échantillon, la retirer de l'emprise et de fixer les deux pièces ensemble avec du ruban adhésif.
7. Répétez les étapes 03.03 à 03.06 pour tous les autres échantillons.
8. Lorsque les tests sont terminés, exporter les données vers un tableur et calculer la valeur moyenne LSS, selon la procédure décrite dans la norme, pour chaque force de soudage et la combinaison amplitude.

Résultats

fibre de carbone renforcée polyétherimide (CF / PEI) échantillons ont été soudées suivant la méthode décrite dans le présent document. Les échantillons ont été obtenus à partir d'un stratifié composite fabriqué à partir de cinq harnais CF de tissu satiné / PEI, avec (0/90) _3S séquence d'empilement et de 1,92 mm d'épaisseur nominale. Des échantillons ont été découpés à partir de ce stratifié de sorte que le ressort principal d'orientation des fibres est parallèl...

Discussion

Les résultats présentés dans la section précédente indiquent la pertinence de la méthode simple proposée dans le présent document pour le soudage par ultrasons de coupons au tour thermoplastiques composites simples à des fins de tests mécaniques. Les paragraphes suivants traitent de la façon dont les résultats valident les trois principaux piliers de la méthode, à savoir, l'utilisation de plates directeurs d'énergie en vrac, l'utilisation de la rétroaction de processus pour définir la durée optimale...

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article

Nom	Entreprise	Numéro de catalogue	Commentaires
Matériau/Réactif
Fibre de carbone Cetex / polyétherimide (CF/PEI) 5 harnais satiné préimprégné	TenCate Advanced Composites (www.tencate.com)	Contacter le fournisseur	Matériau utilisé dans cette étude pour les échantillons.
Dégraissant à solvant PFQD	PT Technologies Europe (aujourd’hui Socomore - www.socomore.com)	Contacter le fournisseur	Dégraissant à solvant pour le nettoyage des échantillons et les directeurs d’énergie.
Chiffons en			Pour le nettoyage général. Aucun fournisseur spécifique n’a été utilisé.
Film PEI 0,25 mm	TenCate Advanced Composites (www.tencate.com)	Contacter le fournisseur	Film mince utilisé comme directeur de l’énergie.
Ruban adhésif	Airtech Advanced Materials Group (www.airtechintl.com)	1" x 72 yds MFG # 327402 Contacter le fournisseur pour le numéro de catalogue	Utilisé pour fixer le directeur d’énergie à l’échantillon inférieur pour le soudage par ultrasons.
Name	Company	>Numéro de catalogue	Comments
>Equipment
Vö ; four tsch	Vö ; tsch Industrietechnik (www.voetsch-ovens.com)	VTU 60/60 - Contacter le fournisseur pour le numéro de catalogue spécifique	Four utilisé pour sécher les films PEI (directeurs énergétiques) et les échantillons PEI avant le soudage.
Soudeuse par ultrasons Rinco Dynamic 3000	Aeson BV (www.aeson.nl/en/)	Contacter le fournisseur	soudage par ultrasons 20 kHz utilisée pour les expériences de soudage. Plusieurs tailles de sonotrode disponibles. Contactez le fournisseur pour plus de détails. Logiciel ACUCapture inclus.
Machine d’essai universelle Zwick/Roell	Zwick (www.zwick.com)	Z250 - Contacter le fournisseur pour un numéro de catalogue spécifique	Machine d’essai universelle avec une charge maximale de 250 kN utilisée pour les mesures de résistance au cisaillement sur un seul tour.

coton Machine de