Saldatura ad ultrasuoni di tagliandi termoplastico composito per la caratterizzazione meccanica dei giunti saldati attraverso singolo giro Shear Test

L'obiettivo generale di questo procedimento è produrre giunti in materiale composito termoplastico per test meccanici di base, utilizzando degli elementi direzionali di energia semplificati, definendo rapidamente i parametri ottimali di saldatura e controllando lo spostamento per garantire una qualità costante della saldatura. Questo metodo permette di rispondere ad alcune domande fondamentali nel campo dell'unione dei materiali compositi, come ad esempio quale sia la resistenza attesa da un giunto saldato e da un composito plastico. Il principale vantaggio di questa tecnica consiste nella produzione di provini saldati di alta qualità e riproducibili, ottenuti dopo una rapida definizione dei parametri ottimali di saldatura.

Per questa procedura, utilizzare un saldatore a ultrasuoni controllato da microprocessore che possa operare a un'ampiezza costante. Il saldatore deve trasmettere dati di processo come potenza dissipata e spostamento del sonotrodo rispetto al tempo a un computer. Questa dimostrazione utilizza un dispositivo su misura progettato per posizionare e fissare con precisione campioni a sovrapposizione singola per prove di taglio.

Accendere il saldatore a ultrasuoni e accedere al computer. Prima di ogni esperimento, registrare i seguenti parametri: temperatura e umidità ambiente, riferimento della configurazione della saldatura, tipo di sonotrodo, numero e materiale del campione, larghezza e spessore dei campioni superiore e inferiore, e spessore del concentratore di energia. Avviare il software di acquisizione dati e aprire una nuova sessione.

Questa dimostrazione utilizza un sonotrodo cilindrico con un diametro di 40 millimetri. I passaggi successivi consistono nell'aggiungere i campioni e il concentratore di energia. Innanzitutto, pulire i campioni e il concentratore di energia.

Quindi, fissare con del nastro il concentratore di energia piatto al campione inferiore. Deve coprire un'area leggermente più grande rispetto all'area da saldare. Successivamente, posizionare e allineare il campione inferiore nel dispositivo di bloccaggio.

E, fissarlo serrando la vite superiore. Successivamente, assicurare l'altro estremo del concentratore di energia alla base dell'apparato utilizzando del nastro adesivo. Quindi, posizionare il campione superiore nella morsa ed allinearla.

Ora, stringere la vite superiore. Successivamente, posizionare la morsa per il campione superiore sulla piattaforma scorrevole e stringere entrambe le viti. Prima di procedere con la saldatura, stringere nuovamente tutte e quattro le viti.

Per ottenere la massima resistenza della saldatura, è necessario determinare la durata ottimale della fase di vibrazione in base allo spostamento del sonotrodo. Questa durata deve essere determinata per ogni combinazione di forza di saldatura e ampiezza di vibrazione. Iniziare impostando la modalità di controllo del saldatore a ultrasuoni sullo spostamento differenziale.

Successivamente, inserire la forza di saldatura e l'ampiezza della vibrazione. Si noti che, nelle impostazioni di questa macchina, l'ampiezza è espressa come metà del valore dell'ampiezza picco-picco. Ora, inserire lo spostamento o la corsa del sonotrodo al termine della fase di vibrazione.

Utilizzare un valore pari allo spessore iniziale del concentratore di energia, che in questo caso è zero virgola due cinque millimetri. Successivamente, inserire la forza di solidificazione e il tempo di solidificazione. In questo esempio, questi valori sono 1.000 Newton e 4.000 millisecondi.

Dopo aver inserito queste impostazioni, il sistema è pronto per eseguire saldature ad ultrasuoni. Indossare occhiali di protezione, cuffie insonorizzanti e avviare il processo. Al termine di una saldatura, prendere nota dei seguenti parametri di uscita: energia di vibrazione, potenza massima e distanza di saldatura.

Quindi, rimuovere il provino dall'allestimento di saldatura ed etichettarlo su entrambe le estremità con un numero identificativo, utilizzando un pennarello indelebile. Ora esportare i dati di saldatura in un foglio elettronico e tracciare la potenza e lo spostamento in funzione del tempo durante la fase di vibrazione del processo. Si noti che questa curva rappresenta lo spostamento verso il basso del sonotrodo rispetto alla sua posizione all'inizio della fase di vibrazione.

Dalle curve, identificare lo spostamento al centro della zona di potenza costante. Questo valore di spostamento rappresenta lo spostamento ottimale che regola la durata della fase di vibrazione per saldature ad alta resistenza. Utilizzare questo valore di spostamento ottimale in ogni saldatura successiva effettuata con la stessa forza e ampiezza di saldatura.

Dopo aver completato tutte le saldature, verificarne la resistenza a taglio singolo in prova di sovrapposizione seguendo lo standard di prova ASTM D1002 o uno standard simile, utilizzando una macchina universale di prova. Campioni compositi realizzati in polieterimide rinforzata con fibra di carbonio con uno spessore nominale di 1,92 millimetri sono stati saldati utilizzando il metodo descritto. Sono stati utilizzati elementi focalizzatori di energia in polieterimide piatti con uno spessore di 0,25 millimetri.

Il valore ottimale di avanzamento per una forza di saldatura di 300 Newton e un'ampiezza picco-picco di 86,2 micrometri è stato calcolato pari al 40% dello spessore iniziale del concentratore di energia. Per convalidare l'avanzamento ottimale calcolato, sono stati eseguiti test su campioni saldati a diversi valori di avanzamento. Per ciascun valore sono state realizzate cinque saldature.

La resistenza apparente al taglio in lap ha raggiunto il massimo al 40% dello spessore iniziale del convogliatore di energia, che era effettivamente il valore di corsa ottimale calcolato. Le superfici di frattura dei campioni testati hanno mostrato aree completamente saldate, dimostrando la capacità del convogliatore di energia piatto di saldare l'area prevista. Infine, la saldatura controllata per spostamento ha prodotto una qualità di saldatura altamente consistente, come evidenziato dalla bassa dispersione dei valori di resistenza.

Una strategia diversa, come la saldatura a tempo controllato, dovrebbe produrre una notevole dispersione dei risultati, come indicato dal significativo sovrapporsi dei tempi di vibrazione per differenti valori di spostamento, e quindi per diversi livelli di resistenza. Dopo aver visto questo video, si dovrebbe essere in grado di realizzare giunti saldati ad ultrasuoni nei compositi termoplastici con qualità ottimale. Questo metodo è destinato a prove meccaniche di base, con registratori di energia semplificati e definizione semplificata dei parametri di processo.

Una volta acquisita padronanza, la definizione dei parametri ottimali di saldatura e l'esecuzione della saldatura di un lotto di campioni può essere completata in meno di due ore se eseguita correttamente. A seguito di questa procedura, possono essere eseguiti altri metodi, come la microscopia di sezione trasversale, al fine di rispondere a ulteriori domande, come lo spessore della linea di saldatura o l'estensione delle zone interessate dal calore.