Zgrzewanie ultradźwiękowe termoplastycznych kompozytów kompozytowych do mechanicznej charakterystyki połączeń spawanych poprzez badanie ścinaniem na pojedyncze zakładki

Podsumowanie

Opisana jest prosta procedura ultradźwiękowego zgrzewania próbek z kompozytu termoplastycznego do podstawowych testów mechanicznych. Kluczowymi cechami tego procesu spawania ultradźwiękowego są zastosowanie płaskich rozdzielaczy energii w celu uproszczenia przygotowania procesu oraz wykorzystanie danych procesowych do szybkiego zdefiniowania optymalnych warunków obróbki.

Streszczenie

Ten artykuł przedstawia nowatorską, prostą metodę ultradźwiękowego zgrzewania kuponów termoplastyczno-kompozytowych w optymalnych warunkach przetwarzania. Opisany w artykule proces zgrzewania ultradźwiękowego opiera się na trzech głównych filarach. Po pierwsze, płaskie rozdzielacze energii są wykorzystywane do preferencyjnego wytwarzania ciepła na styku łączenia podczas procesu spawania. Płaski reżyser energii to schludna folia z żywicy termoplastycznej, którą umieszcza się między częściami, które mają być łączone przed procesem spawania i nagrzewa się preferencyjnie ze względu na niższą sztywność ściskającą w stosunku do podłoży kompozytowych. W związku z tym płaskie reżysery energii zapewniają proste rozwiązanie, które nie wymaga formowania występów żywicznych na powierzchniach podłoży kompozytowych, w przeciwieństwie do zgrzewania ultradźwiękowego niezbrojonych tworzyw sztucznych. Po drugie, dane procesowe dostarczane przez zgrzewarkę ultradźwiękową są wykorzystywane do szybkiego zdefiniowania optymalnych parametrów spawania dla dowolnej kombinacji termoplastycznych materiałów kompozytowych. Po trzecie, kontrola przemieszczenia jest stosowana w procesie spawania, aby zapewnić stałą jakość połączeń spawanych. Zgodnie z tą metodą, płaskie kupony z kompozytu termoplastycznego są indywidualnie spawane w konfiguracji z jednym zakładkiem. Badania mechaniczne spawanych odcinków pozwalają na określenie pozornej wytrzymałości połączeń na ścinanie na zakładkę, która jest jedną z właściwości najczęściej stosowanych do ilościowego określania wytrzymałości złączy spawanych z kompozytu termoplastycznego.

Wprowadzenie

Kompozyty termoplastyczne (TPC) mają możliwość spawania, co przyczynia się do ich opłacalności produkcji. Spawanie wymaga miejscowego podgrzewania pod ciśnieniem, aby zmiękczyć lub stopić żywicę termoplastyczną łączących się powierzchni i umożliwić bliski kontakt, a następnie dyfuzję łańcuchów z polimeru termoplastycznego na granicy faz spawania. Po osiągnięciu wzajemnej dyfuzji molekularnej, chłodzenie pod ciśnieniem konsoliduje złącze spawane. W przypadku kompozytów termoplastycznych, które różnią się między sobą głównie źródłem ciepła¹, stosuje się kilka technik spawania, jednak główny mechanizm "adhezji", czyli splątanie molekularne, pozostaje niezmieniony. Zgrzewanie ultradźwiękowe oferuje bardzo krótkie czasy zgrzewania (rzędu kilku sekund), łatwą automatyzację i jest praktycznie niezależne od rodzaju zbrojenia w podłożach z kompozytu termoplastycznego. Ponadto oferuje możliwość monitorowania in situ ^2,3, które można wykorzystać do zapewnienia jakości na linii produkcyjnej lub do szybkiego zdefiniowania okien przetwarzania⁴. Zgrzewanie ultradźwiękowe kompozytów termoplastycznych jest w większości procesem zgrzewania punktowego, jednak w literaturze opisano udane spawanie dłuższych spoin za pomocą sekwencyjnego zgrzewania ultradźwiękowego⁵. W przeciwieństwie do zgrzewania oporowego lub indukcyjnego, zgrzewanie ultradźwiękowe nie było dotychczas stosowane przemysłowo do połączeń strukturalnych między częściami z kompozytów termoplastycznych. Niemniej jednak obecnie podejmowane są znaczne wysiłki w kierunku dalszego rozwoju strukturalnego zgrzewania ultradźwiękowego kompozytów termoplastycznych do zastosowań w samolotach.

W spawaniu ultradźwiękowym, części, które mają być połączone, są poddawane kombinacji siły statycznej i drgań mechanicznych o wysokiej częstotliwości i niskiej amplitudzie poprzecznych do granicy faz spawania, co powoduje wytwarzanie ciepła poprzez nagrzewanie powierzchniowe i lepkosprężyste. Preferencyjne nagrzewanie na granicy faz spawania jest wspierane przez zastosowanie występów żywicznych na spawanych powierzchniach, które są poddawane większym odkształceniom cyklicznym, a tym samym wyższemu nagrzewaniu lepkosprężystemu^{niż podłoża 6}. Siła i wibracje są wywierane na spawane części za pomocą sonotrody połączonej z prasą i z pociągiem ultradźwiękowym składającym się z przekształtnika piezoelektrycznego i wzmacniacza. W zależności od odległości między punktem, w którym sonotroda styka się z łączoną częścią, a interfejsem spawania, można rozróżnić zgrzewanie ultradźwiękowe w bliskim i dalekim polu. Spawanie w bliskim polu (mniej niż 6 mm między sonotrodą a powierzchnią spoczynkową) ma zastosowanie do szerszego zakresu materiałów, podczas gdy możliwość zastosowania spawania w polu dalekim do określonego materiału termoplastycznego jest w dużym stopniu zależna od zdolności materiału do przewodzenia fal dźwiękowych⁶.

Proces spawania ultradźwiękowego można podzielić na trzy główne fazy. Po pierwsze, faza narastania siły, podczas której sonotroda stopniowo zwiększa siłę działającą na spawane części, aż do osiągnięcia określonej siły spustowej. W tej fazie nie są stosowane żadne wibracje. Po drugie, faza wibracji, która rozpoczyna się po osiągnięciu siły spustu. W tej fazie sonotroda wibruje z zalecaną amplitudą przez określony czas, wytwarzając ciepło potrzebne do procesu spawania. Zgrzewarki ultradźwiękowe sterowane mikroprocesorem zapewniają kilka opcji kontroli czasu trwania fazy drgań, między innymi czas (tj. sterowanie bezpośrednie), przemieszczenie lub energię (sterowanie pośrednie). Siła przyłożona w tej fazie, tj. siła spawania, może być utrzymywana na stałym poziomie i równa sile spustu lub może być stopniowo zmieniana podczas stosowania wibracji. Po trzecie, faza krzepnięcia, podczas której spawane części pozostawia się do ostygnięcia pod wpływem określonej siły krzepnięcia przez określony czas. Podczas tego ostatniego etapu nie są stosowane żadne wibracje.

Siła spawania, amplituda drgań, częstotliwość drgań i czas trwania fazy drgań (bezpośrednio lub pośrednio kontrolowanych przez energię lub przemieszczenie) to parametry spawania, które kontrolują wytwarzanie ciepła. Siła, amplituda i czas trwania są parametrami zdefiniowanymi przez użytkownika, a częstotliwość jest stała dla każdej spawarki ultradźwiękowej. Siła krzepnięcia i czas krzepnięcia, a także parametry spawania, nie mają wpływu na proces nagrzewania, ale wpływają na konsolidację i wraz z pozostałymi parametrami na końcową jakość spawanych połączeń.

Ten artykuł przedstawia nowatorską, prostą metodę ultradźwiękowego spawania bliskiego pola pojedynczych odcinków TPC w konfiguracji pojedynczego okrążenia do późniejszego mechanicznego ścinania na jednym okrążeniu (LSS), testowania zgodnie z normą ASTM (American Society for Testing and Materials) D 1002. Badania mechaniczne spawanych odcinków pozwalają na określenie pozornej wytrzymałości połączeń na ścinanie na zakładkę, która jest jedną z właściwości najczęściej stosowanych do ilościowego określania wytrzymałości złączy spawanych z kompozytu termoplastycznego⁷. Metoda spawania opisana w tym artykule opiera się na trzech głównych filarach. Po pierwsze, luźne płaskie rozdzielacze energii są wykorzystywane do preferencyjnego wytwarzania ciepła na styku^{łączenia 8,9} podczas procesu spawania. Po drugie, dane procesowe dostarczone przez spawarkę ultradźwiękową są wykorzystywane do szybkiego określenia optymalnego czasu trwania fazy drgań dla określonej kombinacji siły/amplitudy ^2,4. Po trzecie, czas trwania fazy drgań jest pośrednio kontrolowany poprzez przemieszczenie sonotrody w celu zapewnienia stałej jakości połączeń spawanych⁴. Ta metoda spawania oferuje następujące główne nowości i zalety w odniesieniu do najnowocześniejszych procedur spawania kompozytów termoplastycznych: (a) uproszczone przygotowanie próbki możliwe dzięki zastosowaniu luźnych płaskich regulatorów energii zamiast tradycyjnych formowanych sterowników energii³ oraz (b) szybkie i ekonomiczne definiowanie parametrów przetwarzania w oparciu o in-situ Monitorowanie procesów w przeciwieństwie do powszechnego podejścia opartego na próbach i błędach. Chociaż metoda opisana w tym artykule jest nastawiona na uzyskanie bardzo specyficznej i prostej geometrii spawania, może służyć jako podstawa do zdefiniowania procedury spawania rzeczywistych części. Główna różnica w tym przypadku wynika z ograniczonego przepływu dyrektora energii, w przeciwieństwie do nieograniczonego przepływu na czterech krawędziach nakładania się w pojedynczych kuponach okrążeniowych.

Protokół

1. Wycinanie i przygotowanie próbek do spawania ultradźwiękowego

1. Wytnij prostokątne próbki o wymiarach 25,4 mm x 101,6 mm z większego laminatu kompozytowego termoplastycznego, stosując technikę cięcia zapobiegającą rozwarstwianiu krawędzi próbek (np. piłą diamentową lub cięciem strumieniem wody).
   Uwaga: Wymiary próbek oparto na normie ASTM D 1002.
   1. Ponieważ wytrzymałość spawanych połączeń zależy od orientacji włókien na powierzchniach poddawanych spawaniu¹⁰, należy zadbać o to, aby wszystkie próbki były wycięte w tej samej orientacji.
2. Po wycięciu wysusz próbki w piecu zgodnie z zaleceniami producenta, jeśli żywica termoplastyczna wykazuje tendencję do pochłaniania wilgoci (np. 6 hr w 135 °C dla próbek z sześciowarstwowego polieteroimidu wzmocnionego włóknem węglowym, CF/PEI).
3. Wytnij płaskie koncentratory energii (energy directors) z czystej folii termoplastycznej (tej samej żywicy, co matryca w kompozycie) do odpowiedniego rozmiaru (około 26 mm x 26 mm) o grubości co najmniej 0,25 mm. W razie potrzeby wysusz koncentrator energii zgodnie z zaleceniami producenta (np. 1 hr w 135 °C dla koncentratora z PEI).
4. Przed spawaniem sprawdź każdą próbkę pod kątem rozwarstwień w narożnikach i w razie potrzeby odrzuć wadliwe sztuki. Oczyść je za pomocą odtłuszczacza i bawełnianej ściereczki. Oczyść płaskie koncentratory energii stosując tę samą procedurę.

2. Spawanie ultradźwiękowe próbek do badania ścinania w złączeniu zakładkowym

Uwaga: W tym kroku stosuje się spawarkę ultradźwiękową sterowaną mikroprocesorem, zdolną do spawania przy stałej amplitudzie. Spawarka przesyła dane procesowe, takie jak moc rozpraszana i przemieszczenie sonotrody w funkcji czasu, do oprogramowania do akwizycji danych w komputerze. W tym kroku używany jest specjalnie zaprojektowany i wykonany uchwyt, służący do dokładnego pozycjonowania i zaciskania próbek do badania ścinania pojedynczego zakładu podczas spawania ultradźwiękowego (patrz Rysunek 1).

Rysunek 1. Spawarka ultradźwiękowa i specjalnie skonstruowany układ spawalniczy wykorzystany w niniejszym badaniu. 1: sonotroda, 2: platforma przesuwna, 3: zacisk do górnej próbki (przymocowany do 2) oraz 4: zacisk do dolnej próbki (Przedrukowano z referencji 4 za zgodą Elsevier.) Aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku, kliknij tutaj.

1. Przed każdym eksperymentem spawalniczym wypełnij arkusz dziennika laboratoryjnego.
   1. Zanotuj następujące parametry: temperaturę otoczenia (RT) i wilgotność, referencję konfiguracji spawania, typ sonotrody, numer i materiały próbek, szerokość i grubość próbek górnej i dolnej oraz grubość koncentratora energii.
2. Włącz spawarkę ultradźwiękową oraz komputer. Uruchom oprogramowanie do akwizycji danych i otwórz nową sesję.
3. Jeśli nie jest to jeszcze zrobione, wymień sonotrodę na sonotrodę cylindryczną o średnicy 40 mm, tak aby jej dolna powierzchnia całkowicie pokrywała obszar spawania.
   Uwaga: Można zastosować sonotrodę o innym kształcie, jednak jej dolna powierzchnia nie może być mniejsza niż obszar spawania.
4. Umieść i przymocuj próbki oraz koncentrator energii w uchwycie spawalniczym (patrz Rysunek 1).
   1. Przymocuj płaski koncentrator energii do dolnej próbki za pomocą taśmy klejącej tak, aby pokrywał obszar nieco większy niż obszar do spawania (12,7 mm x 25,4 mm).
   2. Umieść dolną próbkę w uchwycie i zaciśnij ją, dokręcając górną śrubę.
   3. Przyklej drugi koniec koncentratora energii do podstawy zestawu, aby pozostał na miejscu podczas procesu.
   4. Umieść górną próbkę w zacisku, wyrównaj ją i dokręć górną śrubę.
   5. Umieść zacisk górnej próbki na platformie przesuwnej i dokręć obie śruby.
   6. Przed kontynuacją ponownie dokręć wszystkie cztery śruby.
5. Wyznacz optymalny czas trwania fazy wibracji na podstawie przemieszczenia sonotrody w celu uzyskania najwyższej wytrzymałości spoiny, zgodnie z opisem w krokach 2.5.1 do 2.5.8.
   Uwaga: Optymalny czas trwania fazy wibracji jest wyznaczany dla każdej pożądanej kombinacji siły spawania i amplitudy wibracji.
   1. Ustaw spawarkę ultradźwiękową w tryb różnicowego sterowania przemieszczeniem.
   2. Wprowadź do spawarki ultradźwiękowej siłę spawania i amplitudę wibracji (na przykład 300 N i 86,2 μm).
      Uwaga: W przypadku tej spawarki ultradźwiękowej wartość 86,2 μm odpowiada amplitudzie wibracji szczyt-szczyt. W ustawieniach maszyny jest ona wyrażona jako połowa tej wartości, czyli 43,1 μm.
   3. Wprowadź przemieszczenie (skok) sonotrody na koniec fazy wibracji jako wartość równą początkowej grubości koncentratora energii (na przykład 0,25 mm).
   4. Wprowadź do spawarki ultradźwiękowej siłę i czas krzepnięcia (na przykład 1 000 N i 4 000 msec).
   5. Po przygotowaniu załóż słuchawki wygłuszające i rozpocznij proces spawania ultradźwiękowego.
   6. Po zakończeniu procesu zanotuj następujące parametry wyjściowe: odległość spawania, moc maksymalną, czas wibracji i energię. Wyjmij próbkę z zestawu spawalniczego i zapisz jej numer identyfikacyjny na obu końcach za pomocą markera lakierowego.
   7. Wyeksportuj dane spawalnicze (moc i przemieszczenie sonotrody) do arkusza kalkulacyjnego i wykreśl krzywe mocy oraz przemieszczenia w funkcji czasu podczas fazy wibracji procesu.
      Uwaga: Krzywa przemieszczenia powinna obrazować przemieszczenie sonotrody w dół względem jej pozycji w momencie rozpoczęcia fazy wibracji.
   8. Wyznacz przemieszczenie w środku plateau mocy (etap 4), jak pokazano na Rysunku 2 (w tym przypadku 0,10 mm).
      Uwaga: Ta konkretna wartość przemieszczenia jest optymalnym skokiem kontrolującym czas trwania fazy wibracji i będzie stosowana w każdym kolejnym spawaniu przy tej samej sile i amplitudzie spawania.

Rysunek 2. Krzywe mocy (czarna) i przemieszczenia (szara) dla procesu spawania ultradźwiękowego wskazujące optymalną wartość przemieszczenia. Fazę drgań podczas spawania ultradźwiękowego można podzielić na 5 etapów. Optymalna wartość przemieszczenia znajduje się w etapie 4. Przypadek badawczy: podłoża z polieteroimidu (PEI) wzmocnione włóknem węglowym, płaski koncentrator energii z PEI o grubości 0,25 mm, siła spawania 300 N, amplituda drgań 86,2 µm, przemieszczenie 0,25 mm. (Przedrukowano z odniesienia 4 za zgodą wydawnictwa Elsevier.) Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

6. Przyspawaj próbki w optymalnej wartości prędkości przesuwu dla danej kombinacji siły i amplitudy spawania.
   1. Powtórz kroki od 2.1 do 2.5.6 dla każdego spawu. W kroku 2.5.3 zastosuj optymalną prędkość przesuwu wyznaczoną w kroku 2.5.8 dla odpowiadającej kombinacji siły i amplitudy spawania.
      Uwaga: Wszystkie testy LSS są przeprowadzane zgodnie z normą ASTM D 1002 na uniwersalnej maszynie wytrzymałościowej przy prędkości trawersa 1.3 mm/min.

3. Badanie wytrzymałości na ścinanie pojedynczego zakładu (LSS) zespawanych próbek

1. Zmierz i zanotuj szerokość zakładki dla każdego zespawanego kuponu.
2. Włącz uniwersalną maszynę wytrzymałościową i otwórz na komputerze procedurę badania LSS.
3. W interfejsie testowym wprowadź numer próbki oraz wymiary zakładki. Wyzeruj siłę i ustaw rozstaw uchwytów w pozycji początkowej (na przykład 60 mm).
4. Umieść próbkę w uchwytach maszyny wytrzymałościowej, zgodnie z rysunkiem na Rysunku 3.

Rycina 3. Schematyczny widok mocowania w uniwersalnej maszynie wytrzymałościowej Zwick/Roell 250 kN (nie w skali). Przesunięcie offsetowe między górnym a dolnym uchwytem pozwala na wyrównanie kierunku obciążenia z linią środkową spoiny, aby zminimalizować zginanie podczas badania wytrzymałości na ścinanie w złączu nakładkowym. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

5. Rozpocznij procedurę testową z poziomu komputera, klikając przycisk „Start”.
6. Po przerwaniu próbki wyjmij ją z uchwytów i zabezpiecz obie części razem za pomocą taśmy.
7. Powtórz kroki od 3.3 do 3.6 dla wszystkich pozostałych próbek.
8. Po zakończeniu testów wyeksportuj dane do arkusza kalkulacyjnego i oblicz średnią wartość LSS dla każdej kombinacji siły i amplitudy spawania, zgodnie z procedurą opisaną w normie.

Wyniki

Próbki z polieteroimidu wzmocnionego włóknem węglowym (CF/PEI) zostały zespawane zgodnie z metodą opisaną w niniejszej pracy. Próbki uzyskano z laminatu kompozytowego wykonanego z tkaniny satynowej CF/PEI o splotcie pięciostronicowym, z sekwencją układania warstw (0/90)_3S i nominalnej grubości 1,92 mm. Próbki wycięto z tego laminatu w taki sposób, aby główny widoczny kierunek włókien był równoległy do ich najdłuższego boku. Zastosowano płaskie koncentratorzy energii z PEI o gru...

Dyskusja

Wyniki przedstawione w poprzednim rozdziale wskazują na przydatność zaproponowanej w niniejszej pracy prostej metody zgrzewania ultradźwiękowego kompozytów termoplastycznych z pojedynczym zakładką do celów badań mechanicznych. W poniższych akapitach omówiono, w jaki sposób wyniki potwierdzają trzy główne filary metody, tj . wykorzystanie płaskich luźnych wskaźników energii, wykorzystanie informacji zwrotnej o procesie w celu określenia optymalnego czasu trwania drgań oraz zastosowanie kontroli przemieszczenia, a...

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Materiał/Odczynnik
Cetex włókno węglowe / polieteroimid (CF/PEI) 5 uprząż satynowy prepreg	TenCate Advanced Composites (www.tencate.com)Skontaktuj	się z dostawcą	Materiał użyty w tym badaniu do próbek.
Odtłuszczacz rozpuszczalnikowy PFQD	PT Technologies Europe (obecnie Socomore - www.socomore.com)Skontaktuj	się z dostawcą	Odtłuszczacz rozpuszczalnikowy do czyszczenia próbek i dyrektorów energetycznych.
Ściereczki bawełniane			Do ogólnych celów czyszczenia. Nie skorzystano z usług żadnego konkretnego dostawcy.
Folia PEI 0,25 mm	Zaawansowane kompozyty TenCate (www.tencate.com)	Skontaktuj się z dostawcą	Cienka folia używana jako dyrektor energetyczny.
Taśma samoprzylepna	Airtech Advanced Materials Group (www.airtechintl.com)	1" x 72 yds MFG # 327402 Skontaktuj się z dostawcą, aby uzyskać numer katalogowy	Służy do mocowania dyrektora energii do dolnej próbki do zgrzewania ultradźwiękowego.
Nazwa	Firma	>Numer katalogowy	Komentarze
Equipment
Vö Piec tsch	Vö tsch Industrietechnik (www.voetsch-ovens.com)	VTU 60/60 - Skontaktuj się z dostawcą, aby uzyskać konkretny numer katalogowy	Piec używany do suszenia folii PEI (dyrektorzy energetyczni) i próbek PEI przed spawaniem.
Zgrzewarka ultradźwiękowa Rinco Dynamic 3000	Aeson BV (www.aeson.nl/en/)	Skontaktuj się z dostawcą	Zgrzewarka ultradźwiękowa 20 kHz używana do eksperymentów spawalniczych. Dostępnych jest kilka rozmiarów sonotrod. Skontaktuj się z dostawcą, aby uzyskać szczegółowe informacje. W zestawie oprogramowanie ACUCapture.
Uniwersalna maszyna wytrzymałościowa Zwick/Roell	Zwick (www.zwick.com)	Z250 - Skontaktuj się z dostawcą, aby uzyskać konkretny numer katalogowy	Uniwersalna maszyna wytrzymałościowa o maksymalnym obciążeniu 250 kN służąca do pomiarów wytrzymałości na ścinanie na pojedynczym okrążeniu.