Ultrasoon lassen van thermoplastische composietmaterialen Coupons voor mechanische karakterisatie van lasverbindingen door middel van Single Lap Shear Testing

Samenvatting

Een eenvoudige procedure voor ultrasoon lassen van thermoplastische composietcoupons voor basismechanische testen wordt beschreven. Belangrijke kenmerken van dit ultrasoon lasproces zijn het gebruik van platte energiedirectors voor vereenvoudigde procesvoorbereiding en het gebruik van procesgegevens voor de snelle definitie van optimale verwerkingscondities.

Samenvatting

Dit artikel presenteert een nieuwe eenvoudige methode voor ultrasoon lassen van thermoplastische composietcoupons onder optimale verwerkingscondities. Het ultrasoon lasproces dat in dit artikel wordt beschreven, is gebaseerd op drie hoofdpijlers. Ten eerste worden platte energierichtingsgevers gebruikt voor preferentiële warmtegeneratie op het verbindingsoppervlak tijdens het lasproces. Een platte energierichtingsgever is een nette thermoplastische harsfilm die tussen de te verbinden onderdelen wordt geplaatst voorafgaand aan het lasproces en die preferentieel opwarmt vanwege de lagere compressiestijfheid ten opzichte van de composiet substraten. Bijgevolg bieden platte energierichtingsgevers een eenvoudige oplossing die geen vorming van harsuitsteeksels op de oppervlakken van de composiet substraten vereist, in tegenstelling tot het ultrasoon lassen van niet-versterkte kunststoffen. Ten tweede worden de procesgegevens die door de ultrasoon lasser worden geleverd, gebruikt om snel de optimale lasparameters voor elke combinatie van thermoplastische composietmaterialen te definiëren. Ten derde wordt verplaatsingscontrole gebruikt in het lasproces om een consistente kwaliteit van de gelaste verbindingen te garanderen. Volgens deze methode worden thermoplastische composiet platte coupons afzonderlijk gedicht in een enkele lapconfiguratie. Mechanisch testen van de gelaste coupons maakt het mogelijk de schijnbare lapverbindingssterkte van de verbindingen te bepalen, wat een van de eigenschappen is die het meest wordt gebruikt om de sterkte van thermoplastische composiet gelaste verbindingen te kwantificeren.

Inleiding

Thermoplastische composieten (TPC) de mogelijkheid te lassen, wat bijdraagt ​​aan de kosten-efficiënte productie. Lassen vereist lokale verhitting onder druk te verweken of smelten van de thermoplastische hars van de verbindingsoppervlakken en om voor innig contact en daaropvolgende inter-diffusie van thermoplastische polymeerketens in het lassen interface. Zodra moleculaire inter-diffusie wordt bereikt, het afkoelen onder druk consolideert de lasverbinding. Verschillende lastechnieken zijn toepasbaar op thermoplastische composieten die hoofdzakelijk qua warmtebron ^1, echter in de eerste "hechting" mechanisme, dat wil zeggen, moleculaire verstrengeling, blijft ongewijzigd. Ultrasoon lassen biedt zeer korte lastijden (in de orde van enkele seconden), gemakkelijke automatisering en het is nagenoeg onafhankelijk van het type wapening in de thermoplastische composiet substraten. Bovendien biedt het de mogelijkheid om in situ het toezicht op ^2,3 , Die gebruikt kunnen worden in overeenstemming kwaliteitsborging ook snelle bepaling van verwerkingsvensters ^4. Ultrasoon lassen van thermoplastische composieten is meestal een puntlassen proces, hoe succesvol lassen van naden meer door middel van sequentiële ultrasoon lassen is in de literatuur ^5. In tegenstelling tot weerstand of inductie lassen, ultrasoon lassen is niet industrieel toegepast voor structurele verbindingen tussen thermoplastische composiet onderdelen tot nu toe. Toch is nog aanzienlijke inspanningen besteed aan de ontwikkeling van structurele ultrasoon lassen van thermoplastische composieten voor luchtvaarttoepassingen bevorderen.

In ultrasoon lassen, worden de te verbinden delen onderworpen aan een combinatie van statische kracht en hoogfrequente lage amplitude mechanische trillingen dwars op de las-interface, waardoor warmteontwikkeling door bovengrondse en viscoelastische verwarming. Preferentiële verhitting bij het lassen interface bevorderddoor het gebruik van hars uitsteeksels op de te lassen oppervlakken die dus hogere viscoelastische verwarming hoger cyclische belasting ondergaan, en dan de substraten ^6. Force en trillingen worden uitgeoefend op de te lassen delen door middel van een sonotrode verbonden met een pers en een ultrasone trein bestaande uit piëzo-elektrische converter en booster. Afhankelijk van de afstand tussen het punt waar de sonotrode contact komt met het te verbinden onderdeel en het lassen interface kan een onderscheid worden gemaakt tussen nabije-veld en verre-veld ultrasoon lassen. Nabije veld lassen (minder dan 6 mm tussen de sonotrode en lassen interface) is toepasbaar op een groter aantal materialen, terwijl de toepasbaarheid van verre veld lassen een specifiek thermoplastisch materiaal is sterk afhankelijk van het vermogen van het materiaal om geluidsgolven ⁶ voeren .

De ultrasone lasproces kan worden onderverdeeld in drie fasen. Enerzijds een kracht opbouwfase, waarin de sonotrode geleidelijk verhoogt de kracht op de te lassen delen tot een bepaalde kracht op de trekker wordt bereikt. Geen trilling wordt toegepast tijdens deze fase. Ten tweede, een trilling fase, die begint zodra de kracht op de trekker wordt bereikt. In deze fase trilt de sonotrode op de voorgeschreven amplitude gedurende een bepaalde tijd genereren van de benodigde warmte voor het lasproces. Microprocessor gestuurde ultrasone lassers bieden verschillende opties om de duur van de trillingen fase, onder hen de tijd (dwz directe controle), verplaatsing of energie (indirecte controle) te controleren. De toegepaste druk tijdens deze fase, namelijk lassen kracht kan constant en gelijk aan de kracht op de trekker gehouden of geleidelijk gevarieerd tijdens het aanbrengen van de trillingen. Ten derde, een stolling fase, waarin de gelaste delen afkoelen onder een bepaalde stolling kracht voor een bepaalde tijd. Geen trilling wordt toegepast tijdens de laatste fase.

lassen foRCE, vibratie amplitude, trillingsfrequentie en de duur van de vibratie fase (direct of indirect gecontroleerd door middel van energie of verplaatsing) zijn de lasparameters dat warmteopwekking controleren. Force, amplitude en duur zijn door de gebruiker gedefinieerde parameters, terwijl de frequentie voor elke ultrasone lasser wordt bevestigd. Stolling kracht en stollingstijd, ook lasparameters, niet ingrijpen in de verwarming proces, maar van invloed op de consolidatie en, samen met de rest van de parameters, de uiteindelijke kwaliteit van de lasverbindingen.

Dit artikel presenteert een nieuwe eenvoudige methode voor het near-field ultrasoon lassen van de individuele TPC coupons in één ronde configuratie voor latere mechanische, enkele lap shear (LSS), testen volgens ASTM (American Society for Testing and Materials) D 1002 norm. Mechanische testen van de gelaste coupons maakt de bepaling van de schijnbare schuifsterkte van de gewrichten, die een van de eigenschappen meest commalleen gebruikt om de sterkte van thermoplastische composiet lasnaden ⁷ kwantificeren. De lasmethode beschreven in dit document is gebaseerd op drie pijlers. Ten eerste worden losse platte energieregelaars voor preferentiële warmteopwekking in de voegovergang ^8,9 tijdens het lasproces. Ten tweede is het proces gegevens van de ultrasone lasser gebruikt om de optimale duur van de vibratie fase snel definiëren voor een bepaalde kracht / amplitude combinatie ^2,4. Ten derde wordt de duur van de vibratie fase indirect bestuurd door de verplaatsing van de sonotrode om constante kwaliteit van de lasverbindingen ⁴ garanderen. Deze lasmethode heeft de volgende belangrijkste nieuwe en voordelen met betrekking tot lasprocedures state-of-the-art voor thermoplastische composieten: (a) vereenvoudigde monstervoorbereiding mogelijk gemaakt door het gebruik van losse vlakke energieregelaars plaats van traditionele gevormde energieregelaars ^3, en (b) snel en cost-efficiënte definitie van technische parameters op basis van in-situ procesbewaking, in tegenstelling tot gewone trial and error benaderingen. Hoewel de in dit document beschreven werkwijze is gericht op het verkrijgen van een zeer specifiek en eenvoudig lassen geometrie kan als basis dienen voor een procedure definiëren voor het lassen van werkelijke onderdelen. Een belangrijk verschil in dat geval resulteert uit constrained stroom van de energieregelaar tegenover onbeperkte stroom bij de vier hoeken van de overlap in één ronde coupons.

Protocol

1. Specimen Scherpe en voorbereiding voor ultrasoon lassen

1. Snijd rechthoekige monsters meet 25,4 mm x 101,6 mm groter thermoplastisch composiet laminaat met een snij techniek die delaminering van de randen van de monsters (bijvoorbeeld diamantachtige zaag of waterstraalsnijden) voorkomt.
   Opmerking: De afmetingen van de monsters zijn gebaseerd op ASTM D 1002 norm.
   1. Aangezien sterkte van de lasverbindingen is afhankelijk van de vezeloriëntatie van de te lassen oppervlakken ^10, zorg om alle monsters in dezelfde richting snijden.
2. Na het snijden droge monsters in een oven volgens de aanbevelingen van de fabrikant bij de thermoplastische hars de neiging om vocht te absorberen (bijvoorbeeld 6 uur bij 135 ° C gedurende zes lagen carbon vezelversterkte polyetherimide, CF / PEI, samples).
3. Snijd flat energie directeuren gemaakt van nette thermoplastische film (dezelfde hars als matrix in de composite) op maat (ongeveer 26 mm x 26 mm) met een dikte van tenminste 0,25 mm. Indien nodig, droogt de energie-directeur volgende aanbevelingen van de fabrikant (bijvoorbeeld 1 uur bij 135 ° C gedurende PEI energie director).
4. Voor het lassen, te inspecteren exemplaren één voor één voor gedelamineerde hoeken en gooi indien nodig. Reinig ze met behulp van een ontvetter en een katoenen doek. Reinig de platte energie bestuurders volgens dezelfde procedure.

2. Ultrasoon lassen van Single Lap Shear Coupons

Opmerking: Een microprocessorgestuurde ultrasone lasser kunnen lassen met constante amplitude wordt gebruikt in deze stap. De lasser uitgangen procesdata, zoals gedissipeerd vermogen en verplaatsing van de sonotrode versus tijd data-acquisitie software in een computer. Een op maat gemaakte mal ontworpen en gemaakt om nauwkeurig te positioneren en klem monsters enkele afschuif tijdens ultrasoon lassen wordt gebruikt in deze stap (zie figuur 1).

Figuur 1. Ultrasoon lasapparaat en op maat gesneden lassen opstelling die in deze studie 1:. Sonotrode, 2: glijdende platform, 3: klem voor de bovenste monster (tot 2 bevestigd), en 4: klem voor het onderste monster (Afgedrukt uit referentie 4 met toestemming van Elsevier.) klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

1. Invullen van een logboek sheet voor elke lassen experiment.
   1. Let op de volgende parameters: RT en vochtigheid, lassen setup verwijzing, het type sonotrode, sample nummer en materialen, de breedte en de dikte van de bovenste en onderste monsters, en de dikte van de energie-directeur.
2. Schakel de ultrasone lasser en de computer. Start de data-acquisitie software en een nieuwe sessie te openen.
3. Als dit niet al op zijn plaats, verander de sonotreed een cilindrische sonotrode met een diameter van 40 mm, zodat het onderoppervlak volledig bedekt lasgebied.
   Opmerking: Een andere vorm van de sonotrode kan worden gebruikt, maar het onderoppervlak niet kleiner zijn dan het lasgebied worden.
4. Positie en fixeren specimens en energie-directeur in het lassen mal (zie figuur 1).
   1. Bevestig een vlakke energierichter onderaan monster met plakband ter bedekking van een iets groter gebied dan de te lassen (12,7 mm x 25,4 mm).
   2. Plaats de bodem monster in de mal en klem deze vast met de bovenste schroef.
   3. Tape het andere uiteinde van de energieregelaar aan de basis van de installatie, zodat het op zijn plaats blijft tijdens het proces.
   4. Plaats de bovenste monster in de klem, uitlijnen en draai de bovenste schroef.
   5. Plaats de klem voor de top monster in de glijdende platform en draai beide schroeven.
   6. Alvorens verder te gaan, draait u alle vier schroeven eenmaal merts.
5. Bepaal de optimale duur van de vibratie fase op basis van de verplaatsing van de sonotrode naar het hoogste lassterkte te bereiken, zoals beschreven in stap 2.5.1 tot 2.5.8.
   Opmerking: Een optimale duur van de vibratie fase wordt voor elke gewenste combinatie van lassen kracht en trillingsamplitude.
   1. Stel de ultrasone lasser aan differentiële verplaatsing-control mode.
   2. Input lassen kracht en trillingsamplitude in de ultrasone lasser (bijvoorbeeld 300 N en 86,2 pm).
      Opmerking: deze ultrasone lasser, 86,2 urn overeen met de piek-tot-piek trillingsamplitude. In de machine-instellingen, wordt uitgedrukt helft van deze waarde 43,1 urn.
   3. Voer de sonotrode verplaatsing of reizen, aan het einde van de trilling optreedt zoals een waarde gelijk aan de initiële dikte van de energieregelaar (bijvoorbeeld 0,25 mm).
   4. Input stollen kracht en tijd aan de ultrasone lasser (bijvoorbeeld 1000N en 4000 msec).
   5. Als u klaar bent, op geluidsdichte koptelefoon en start het ultrasoon lasproces.
   6. Na de voltooiing van het proces, nemen nota van de volgende output parameters: lassen afstand, maximum vermogen, trillingen tijd en energie. Verwijder de coupon van de lassen setup en schrijf haar identificatienummer aan beide uiteinden met een verf marker.
   7. Exporteren de lasgegevens (kracht en verplaatsing van de sonotrode) een spreadsheet en plot de kracht en verplaatsing versus tijdcurve tijdens de trilling fase van het proces.
      Opmerking: De verplaatsing curve moet de neerwaartse verplaatsing van de sonotrode ten opzichte van zijn positie plot aan het begin van de trilling fase.
   8. Identificeer de verplaatsing in het midden van de stroom plateau (fase 4) zoals getoond in figuur 2 (in dit geval 0,10 mm).
      Opmerking: Deze bepaalde verschuivingswaarde is de optimale werking dat de duur van de vibratie fase zijn en regeltworden gebruikt in elke volgende las voor hetzelfde lassen kracht en amplitude.

Figuur 2. Vermogen (zwart) en verplaatsing (grijs) curves voor ultrasoon lasproces aangeeft optimale werking waarde. De vibratie fase van het ultrasoon lassen kan worden onderverdeeld in 5 stappen. Optimale reizen waarde ligt op het podium 4. Studie geval: koolstofvezel versterkte polyetherimide -PEI substraten, 0,25 mm dikke vlakke PEI energie directeur, 300 N lassen kracht, 86,2 urn trillingsamplitude, 0,25 mm veerweg. (Overgenomen uit referentie 4 met toestemming van Elsevier.) Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

6. Weld coupons op de optimale reizen waarde voor de gegeven lassen kracht en amplitude gecombinen.
   1. Herhaal stap 2,1 tot 2.5.6 voor elke las. In stap 2.5.3, gebruik dan de optimale reizen bepaald in stap 2.5.8 voor de overeenkomstige lassen kracht en amplitude combinatie.
      Let op: Alle LSS tests worden volgens ASTM D 1002 op een universele machine testen met een treksnelheid van 1,3 mm / min uitgevoerd.

3. Single Lap Shear Strength (LSS) Het testen van gelaste Coupons

1. Meet en kennis te nemen van de breedte van de overlapping voor elke gelast coupon.
2. Zet de universele machine testen en open de testprocedure voor LSS op de computer.
3. In de testinterface, voer het monsternummer en de afmetingen van de overlap. Stel de kracht 0 en de grip-to-grip scheiding in de beginpositie (bijvoorbeeld 60 mm).
4. Plaats het monster in de greep van de testmachine zoals weergegeven in figuur 3.

Figuur 3. Schematische weergave van de klemming in de Zwick / Roell 250 kN universele testmachine (niet op schaal). De verschuiving verplaatsing tussen de bovenste en onderste grepen maakt het uitlijnen van de belastingsrichting met het midden laslijn minimaliseren buigen tijdens de afschuif sterkte te testen. klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

5. Start de testprocedure van de computer door te klikken op de knop "Start".
6. Nadat het monster breekt, haal hem uit de handgrepen en zet beide delen samen met tape.
7. Herhaal stap 3,3-3,6 voor alle andere monsters.
8. Als de tests zijn afgerond, de gegevens exporteren naar een spreadsheet en het berekenen van de gemiddelde LSS waarde, volgens de werkwijze beschreven in de standaard, voor elke lassen kracht en amplitude combinatie procedure.

Resultaten

Koolstofvezel versterkte polyetherimide (CF / PEI) monsters werden gelast naar aanleiding van de in dit artikel beschreven methode. De monsters werden verkregen uit een composiet laminaat gemaakt uit vijf harnas satijnen stof CF / PEI met (0/90) _3S stapelvolgorde en 1,92 mm nominale dikte. Monsters werden uit het laminaat gesneden dat de belangrijkste schijnbare oriëntatie van de vezels evenwijdig aan de langste zijde was. Flat PEI energie bestuurders met een dikte van 0,25 mm...

Discussie

De in de vorige paragraaf resultaten geven aan de geschiktheid van de in dit document voorgesteld voor ultrasoon lassen van thermoplastisch composiet enkele lap coupons ten behoeve van de mechanische testen eenvoudige methode. Hieronder wordt besproken hoe de resultaten bevestigen de drie pijlers van de werkwijze, dat wil zeggen toepassing van vaste losse energieregelaars, gebruikt procesterugkoppeling optimale duur van de trillingen en het gebruik van verplaatsing controle, evenals de toepasbaarheid en beperki...

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
Materiaal/Reagens
Cetex koolstofvezel / polyetherimide (CF/PEI) 5 harness satin prepreg	TenCate Advanced Composites (www.tencate.com)	Contacteer leverancier	Materiaal gebruikt in deze studie voor de monsters.
PFQD solventontvetmiddel	PT Technologies Europe (nu Socomore - www.socomore.com)	Contacteer leverancier	Solventontvetter voor het reinigen van de monsters en energiegeleiders.
Katoenen doeken			Voor algemeen schoonmaakdoeleinden. Er werd geen specifieke leverancier gebruikt.
0,25 mm PEI-folie	TenCate Advanced Composites (www.tencate.com)	Contacteer leverancier	Dünne Folie, die als energiegeleider wordt gebruikt.
Zelfklevend plakband	Airtech Advanced Materials Group (www.airtechintl.com)	1" x 72 yds MFG # 327402 Contacteer leverancier voor catalogusnummer	Gebruikt om de energiegeleider aan het onderste monster te bevestigen voor ultrasoon lassen.
Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
Apparatuur
Vötsch oven	Vötsch Industrietechnik (www.voetsch-ovens.com)	VTU 60/60 - Contacteer leverancier voor specifiek catalogusnummer	Oven gebruikt om PEI-folie (energiegeleiders) en PEI-monsters te drogen voor het lassen.
Rinco Dynamic 3000 ultrasoon lasapparaat	Aeson BV (www.aeson.nl/en/)	Contacteer leverancier	20 kHz ultrasoon lasapparaat, gebruikt voor de lasexperimenten. Verschillende sonotrodematen beschikbaar. Contacteer leverancier voor details. ACUCapture-software inbegrepen.
Zwick/Roell universele testmachine	Zwick (www.zwick.com)	Z250 - Contacteer leverancier voor specifiek catalogusnummer	Universele testmachine met een maximale belasting van 250 kN, gebruikt voor metingen van de enkele plakverbindingssterkte.