Name: Zgrzewanie ultradźwiękowe termoplastycznych kompozytów kompozytowych do mechanicznej charakterystyki połączeń spawanych poprzez badanie ścinaniem na pojedyncze zakładki (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-02-11T14:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 40 s
Description: Poznaj technikę zgrzewania ultradźwiękowego kompozytów termoplastycznych do badań mechanicznych. Metoda wykorzystuje uproszczone dyrektory energii i kontrolę przemieszczenia dla uzyskania powtarzalnej jakości spoin.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Autorzy pragną podziękować za wsparcie Ten Cate Advanced Materials w postaci darmowego dostarczania materiałów do pracy opisanej w tym artykule.

1. Wycinanie i przygotowanie próbek do spawania ultradźwiękowego
<ol>
	<li>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.
	<ol>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>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).</li>
	<li>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).</li>
	<li>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.</li>
</ol>
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).
<img alt="Układ do spawania ultradźwiękowego z przetwornikiem, jednostką sterującą i sprężynami dociskowymi do łączenia materiałów." src="/files/ftp_upload/53592/53592fig1.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="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.) <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53592/53592fig1large.jpg" target="_blank">Aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku, kliknij tutaj.</a>
<ol>
	<li>Przed każdym eksperymentem spawalniczym wypełnij arkusz dziennika laboratoryjnego.
	<ol>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Włącz spawarkę ultradźwiękową oraz komputer. Uruchom oprogramowanie do akwizycji danych i otwórz nową sesję.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Umieść i przymocuj próbki oraz koncentrator energii w uchwycie spawalniczym (patrz Rysunek 1).
	<ol>
		<li>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).</li>
		<li>Umieść dolną próbkę w uchwycie i zaciśnij ją, dokręcając górną śrubę.</li>
		<li>Przyklej drugi koniec koncentratora energii do podstawy zestawu, aby pozostał na miejscu podczas procesu.</li>
		<li>Umieść górną próbkę w zacisku, wyrównaj ją i dokręć górną śrubę.</li>
		<li>Umieść zacisk górnej próbki na platformie przesuwnej i dokręć obie śruby.</li>
		<li>Przed kontynuacją ponownie dokręć wszystkie cztery śruby.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>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.
	<ol>
		<li>Ustaw spawarkę ultradźwiękową w tryb różnicowego sterowania przemieszczeniem.</li>
		<li>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.</li>
		<li>Wprowadź przemieszczenie (skok) sonotrody na koniec fazy wibracji jako wartość równą początkowej grubości koncentratora energii (na przykład 0,25 mm).</li>
		<li>Wprowadź do spawarki ultradźwiękowej siłę i czas krzepnięcia (na przykład 1 000 N i 4 000 msec).</li>
		<li>Po przygotowaniu załóż słuchawki wygłuszające i rozpocznij proces spawania ultradźwiękowego.</li>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
<img alt="Wykres mocy w funkcji przemieszczenia wskazujący optymalny punkt przemieszczenia; analiza danych dla wyników eksperymentu." src="/files/ftp_upload/53592/53592fig2.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Figure 2"> 
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.) <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53592/53592fig2large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
<ol start="6">
	<li>Przyspawaj próbki w optymalnej wartości prędkości przesuwu dla danej kombinacji siły i amplitudy spawania.
	<ol>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. Badanie wytrzymałości na ścinanie pojedynczego zakładu (LSS) zespawanych próbek
<ol>
	<li>Zmierz i zanotuj szerokość zakładki dla każdego zespawanego kuponu.</li>
	<li>Włącz uniwersalną maszynę wytrzymałościową i otwórz na komputerze procedurę badania LSS.</li>
	<li>W interfejsie testowym wprowadź numer próbki oraz wymiary zakładki. Wyzeruj siłę i ustaw rozstaw uchwytów w pozycji początkowej (na przykład 60 mm).</li>
	<li>Umieść próbkę w uchwytach maszyny wytrzymałościowej, zgodnie z rysunkiem na Rysunku 3.</li>
</ol>
<img alt="Schemat próby rozciągania: równowaga statyczna, przesunięcie offsetowe, wyrównanie obciążenia, układ do testów mechanicznych." src="/files/ftp_upload/53592/53592fig3.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53592/53592fig3large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<ol start="5">
	<li>Rozpocznij procedurę testową z poziomu komputera, klikając przycisk „Start”.</li>
	<li>Po przerwaniu próbki wyjmij ją z uchwytów i zabezpiecz obie części razem za pomocą taśmy.</li>
	<li>Powtórz kroki od 3.3 do 3.6 dla wszystkich pozostałych próbek.</li>
	<li>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.</li>
</ol>

<ol><li>Yousefpour, A., Hojjati, M., Immarigeon, J. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fusion+bonding%2Fwelding+of+thermoplastic+composites%5BTitle%5D)+AND+%22J+Thermoplast+Compos%22%5BJournal%5D)">Fusion bonding/welding of thermoplastic composites.</a> J Thermoplast Compos. 17, 303-341 (2004).</li>
<li>Villegas, I. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+situ+monitoring+of+ultrasonic+welding+of+thermoplastic+composites+through+power+and+displacement+data%5BTitle%5D)+AND+%22J+Thermoplast+Compos%22%5BJournal%5D)">In situ monitoring of ultrasonic welding of thermoplastic composites through power and displacement data.</a> J Thermoplast Compos. 28 (1), 66-85 (2015).</li>
<li>Benatar, A., Gutowski, T. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultrasonic+welding+of+PEEK+Graphite+APC-2+composites%5BTitle%5D)+AND+%22Polym+Eng+Sci%22%5BJournal%5D)">Ultrasonic welding of PEEK Graphite APC-2 composites.</a> Polym Eng Sci. 29 (23), 1705-1721 (1989).</li>
<li>Villegas, I. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Strength+development+versus+process+data+in+ultrasonic+welding+of+thermoplastic+composites+with+flat+energy+directors+and+its+application+to+the+definition+of+optimum+processing+parameters%5BTitle%5D)+AND+%22Compos+Part+A-Appl+S%22%5BJournal%5D)">Strength development versus process data in ultrasonic welding of thermoplastic composites with flat energy directors and its application to the definition of optimum processing parameters.</a> Compos Part A-Appl S. 65, 27-37 (2014).</li>
<li>Lu, H. M., Benatar, A., He, F. G. Sequential ultrasonic welding of PEEK/graphite composite plates. Proceedings of the ANTEC'91 Conference. , 2523-2526 (1991).</li>
<li>Potente, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultrasonic+welding+-+principles+%26+theory%5BTitle%5D)+AND+%22Mater+Design%22%5BJournal%5D)">Ultrasonic welding - principles & theory.</a> Mater Design. 5, 228-234 (1984).</li>
<li>Stavrov, D., Bersee, H. E. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Resistance+welding+of+thermoplastic+composites+-+an+overview%5BTitle%5D)+AND+%22Compos+Part+A-Appl+S%22%5BJournal%5D)">Resistance welding of thermoplastic composites - an overview.</a> Compos Part A-Appl S. 36, 39-54 (2005).</li>
<li>Villegas, I. F., Valle-Grande, B., Bersee, H. E. N., Benedictus, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+comparative+evaluation+between+flat+and+traditional+energy+directors+for+ultrasonic+welding+of+CF%2FPPS+thermoplastic+composites%5BTitle%5D)+AND+%22Compos+Interface%22%5BJournal%5D)">A comparative evaluation between flat and traditional energy directors for ultrasonic welding of CF/PPS thermoplastic composites.</a> Compos Interface. , (2015).</li>
<li>Levy, A., Le Corre, S., Villegas, I. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Modelling+the+heating+phenomena+in+ultrasonic+welding+of+thermoplastic+composites+with+flat+energy+directors%5BTitle%5D)+AND+%22J+Mater+Process+Tech%22%5BJournal%5D)">Modelling the heating phenomena in ultrasonic welding of thermoplastic composites with flat energy directors.</a> J Mater Process Tech. , 1361-1371 (2014).</li>
<li>Shi, H., Villegas, I. F., Bersee, H. E. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Strength+and+failure+modes+in+resistance+welded+thermoplastic+composite+joints%3A+effect+of+fibre-matrix+adhesion+and+fibre+orientation%5BTitle%5D)+AND+%22Compos+Part+A-Appl+S%22%5BJournal%5D)">Strength and failure modes in resistance welded thermoplastic composite joints: effect of fibre-matrix adhesion and fibre orientation.</a> Compos Part A-Appl S. 55, 1-10 (2013).</li>
<li>Villegas, I. F., Bersee, H. E. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultrasonic+welding+of+advanced+thermoplastic+composites.+An+investigation+on+energy-directing+surfaces%5BTitle%5D)+AND+%22Adv+Polym+Tech%22%5BJournal%5D)">Ultrasonic welding of advanced thermoplastic composites. An investigation on energy-directing surfaces.</a> Adv Polym Tech. 29 (2), 113-121 (2010).</li>
<li>Harras, B. K., Cole, C., Vu-Khanh, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optimization+of+the+ultrasonic+welding+of+PEEK-carbon+composites%5BTitle%5D)+AND+%22J+Reinf+Plast+Comp%22%5BJournal%5D)">Optimization of the ultrasonic welding of PEEK-carbon composites.</a> J Reinf Plast Comp. 15 (2), 174-182 (1996).</li>
</ol>

Autorzy oświadczają, że nie mają konkurencyjnego interesu finansowego.

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...

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 lepkosprężystemuniż 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 stykułączenia 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.

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

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

Ultrasonic Welding of Thermoplastic Composite Coupons for Mechanical Characterization of Welded Joints through Single Lap Shear Testing

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.

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...

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.

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

This paper presents a novel straightforward method for ultrasonic welding of thermoplastic-composite coupons in optimum processing conditions. The ...

Ogólnym celem niniejszej procedury jest wytwarzanie połączeń kompozytów termoplastycznych do podstawowych badań mechanicznych z wykorzystaniem uproszczonych koncentratorów energii (energy directors), szybko określonych optymalnych parametrów spawania oraz kontroli przemieszczenia w celu zapewnienia jednorodnej jakości spoiny. Metoda ta pozwala odpowiedzieć na kluczowe pytania w dziedzinie łączenia kompozytów, takie jak określenie wytrzymałości, jakiej można oczekiwać od połączenia spawanego oraz od kompozytu plastycznego. Główną zaletą tej techniki jest możliwość wytwarzania powtarzalnych, wysokiej jakości próbek spawanych po szybkim zdefiniowaniu optymalnych parametrów spawania.Do wykonania tej procedury niezbędna jest spawarka ultradźwiękowa sterowana mikroprocesorowo, która może pracować z ciągłą amplitudą. Spawarka musi przesyłać do komputera dane procesowe, takie jak moc rozpraszana i przemieszczenie sonotrody w funkcji czasu. W tej demonstracji wykorzystano specjalnie zbudowany uchwyt, zaprojektowany w celu precyzyjnego pozycjonowania i zaciskania próbek do testu ścinania pojedynczego zakładu.Włącz spawarkę ultradźwiękową i zaloguj się do komputera. Przed każdym eksperymentem zanotuj następujące parametry: temperaturę i wilgotność w pomieszczeniu, referencję ustawień spawania, typ sonotrody, numer i materiał próbki, szerokość i grubość górnej oraz dolnej próbki, a także grubość koncentratora energii. Uruchom oprogramowanie do akwizycji danych i otwórz nową sesję.W tej demonstracji zastosowano cylindryczną sonotrodę o średnicy 40 mm. Kolejnymi krokami są dodanie próbek oraz koncentrator energii. Najpierw należy oczyścić próbki i koncentrator energii.Następnie przyklej płaski kierunkownik energii do dolnej próbki. Powinien on pokrywać obszar nieco większy niż obszar do spawania. Następnie umieść dolną próbkę w uchwycie i wyrównaj ją.Następnie należy go przymocować, dokręcając górną śrubę. Potem przymocuj drugi koniec kierownicy energii do podstawy zestawu za pomocą taśmy. Następnie umieść górną próbkę w zacisku i wyrównaj ją.Teraz dokręć górną śrubę. Następnie umieść uchwyt dla górnej próbki w platformie przesuwnej i dokręć obie śruby. Przed przystąpieniem do spawania ponownie dokręć wszystkie cztery śruby.Aby uzyskać najwyższą wytrzymałość spoiny, należy określić optymalny czas fazy wibracji na podstawie przemieszczenia sonotrody. Czas ten musi zostać wyznaczony dla każdej kombinacji siły spawania i amplitudy wibracji. W pierwszej kolejności należy ustawić tryb sterowania spawarki ultradźwiękowej na przemieszczenie różnicowe.Następnie wprowadź siłę spawania i amplitudę drgań. Należy pamiętać, że w ustawieniach tej maszyny amplituda jest wyrażona jako połowa wartości amplitudy szczyt-szczyt. Teraz wprowadź przemieszczenie lub zakres ruchu sonotrody po zakończeniu fazy drgań.Użyj wartości równej początkowej grubości koncentratora energii, która w tym przypadku wynosi 0,25 mm. Następnie wprowadź siłę krzepnięcia oraz czas krzepnięcia. W tym przykładzie wartości te wynoszą 1 000 N i 4 000 ms.Po wprowadzeniu tych ustawień system jest gotowy do wykonywania spawania ultradźwiękowego. Należy założyć okulary ochronne oraz słuchawki wygłuszające i rozpocząć proces. Po zakończeniu spawania należy zapisać następujące parametry wyjściowe: energię wibracji, moc maksymalną oraz dystans spawania.Następnie wyjmij próbkę z układu spawalniczego i opisz oba jej końce numerem identyfikacyjnym za pomocą markera lakierowego. Teraz wyeksportuj dane spawalnicze do arkusza kalkulacyjnego i nanieś na wykres moc oraz przemieszczenie w funkcji czasu podczas fazy wibracyjnej procesu. Należy pamiętać, że krzywa ta przedstawia przemieszczenie sonotrody w dół względem jej pozycji w momencie rozpoczęcia fazy wibracyjnej.Na podstawie krzywych wyznacz przesunięcie w środku plateau mocy. Wartość tego przesunięcia stanowi optymalny zakres ruchu, który kontroluje czas trwania fazy wibracji dla spoin o wysokiej wytrzymałości. Stosuj tę optymalną wartość zakresu ruchu w każdym kolejnym spawaniu przy tej samej sile i amplitudzie spawania.Po wykonaniu wszystkich spawów należy przetestować ich wytrzymałość na ścinanie w złączu zakładkowym zgodnie ze standardem ASTM D1002 lub podobną normą, wykorzystując uniwersalną maszynę wytrzymałościową. Próbki kompozytowe wykonane z polieteroimidu wzmocnionego włóknem węglowym o nominalnej grubości 1,92 mm zostały zespawane opisaną metodą. Zastosowano płaskie koncentratorzy energii z polieteroimidu o grubości 0,25 mm.Optymalną wartość przesuwu dla siły spawania wynoszącej 300 Newtonów i amplitudy szczyt-szczyt 86,2 mikrona obliczono jako 40% początkowej grubości koncentratora energii. Aby zweryfikować obliczony optymalny przesuw, wykonano spawanie próbek przy różnych wartościach przesuwu, a następnie poddano je badaniom. Dla każdej wartości wykonano pięć spawów.Pozorna wytrzymałość na ścinanie w złączu zakładkowym osiągnęła wartość maksymalną przy 40% początkowej grubości koncentratora energii, co w rzeczywistości odpowiadało obliczonej optymalnej wartości przesuwu. Powierzchnie przełomu badanych próbek wykazały całkowite obszary zgrzania, co potwierdza zdolność płaskiego koncentratora energii do zgrzania zamierzonej powierzchni spawania. Ostatecznie spawanie sterowane przemieszczeniem pozwoliło uzyskać bardzo spójną jakość spoin, o czym świadczy niski rozrzut wartości wytrzymałości.Oczekuje się, że inna strategia, taka jak spawanie sterowane czasowo, doprowadzi do dużego rozrzutu wyników, co sugeruje znaczne nakładanie się czasów wibracji dla różnych wartości przesunięcia, a tym samym dla różnych poziomów wytrzymałości. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś wiedzieć, jak wykonywać zgrzewy ultradźwiękowe w kompozytach termoplastycznych o optymalnej jakości. Metoda ta jest przeznaczona do podstawowych badań mechanicznych, z uproszczonymi koncentratorami energii i uproszczoną definicją parametrów procesu.Po opanowaniu tej techniki, wyznaczenie optymalnych parametrów spawania oraz spawanie partii próbek może zająć mniej niż dwie godziny, pod warunkiem prawidłowego wykonania. Po zastosowaniu tej procedury można przeprowadzić inne metody, takie jak mikroskopia przekroczna, w celu udzielenia odpowiedzi na dodatkowe pytania, np. dotyczące grubości linii spoiny lub zasięgu strefy wpływu ciepła.

ultrasonic-welding-thermoplastic-composite-coupons-for-mechanical

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Przedstawiamy protokół użycia trybometru wspomaganego piezoelektrycznie i profilometru optycznego do zbadania zależności zużycia ultradźwiękowego i redukcji tarcia od prędkości liniowej, nacisku kontaktowego i właściwości powierzchni.

Eksperymenty nad smarowaniem ultradźwiękowym przy użyciu trybometru wspomaganego piezoelektrycznie i profilometru optycznego

Zaproponowano eksperymentalną metodę pomiaru parametrów geometrycznych i pozornych kątów zwilżania opisujących kapilarne odprowadzanie wilgoci w jednokierunkowych tkaninach syntetycznych i naturalnych. Parametry te są obowiązkowe do określenia ciśnień kapilarnych, które należy wziąć pod uwagę w przypadku zastosowań formowania płynnych kompozytów (LCM).

Testy odprowadzania wilgoci dla tkanin jednokierunkowych: pomiary parametrów kapilarnych w celu oceny ciśnienia kapilarnego w procesach formowania płynnych kompozytów

Protokół do ultradźwiękowych testów zmęczeniowych w obszarze wysokiego i ultrawysokiego cyklu w trybie obciążenia osiowego rozciągania-ściskania.

Ultradźwiękowe badania zmęczeniowe w trybie rozciągania-ściskania

Opisana jest nowa technika wywierania nacisku konsolidacyjnego na układ worka próżniowego w celu wytworzenia laminatów kompozytowych. Celem tego protokołu jest opracowanie prostej, opłacalnej techniki poprawy jakości laminatów wytwarzanych metodą worków próżniowych do układania na mokro.

Produkcja kompozytów wspomagana magnesami: nowa, elastyczna technika osiągania wysokiego ciśnienia konsolidacji w procesach próżniowego workowania/układania

Tutaj prezentujemy protokół zgrzewania punktowego z tarciem z przemieszaniem (FSSW) na dwufazowej stali 780. Kołek narzędziowy z dużą prędkością obrotową wytwarza ciepło z tarcia, aby zmiękczyć materiał, a następnie kołek zanurza się w 2 połączeniach arkuszy, tworząc połączenie zakładkowe.

Generowanie połączeń zakładkowych poprzez zgrzewanie punktowe z tarciem i przemieszaniem na stali DP780

Celem badania było opracowanie protokołów do przygotowania spójnych próbek do dokładnych testów mechanicznych elastycznych jednokierunkowych laminatów kompozytowych na bazie aramidu o wysokiej wytrzymałości lub polietylenu o ultra wysokiej masie molowej oraz opisanie protokołów przeprowadzania sztucznego starzenia na tych materiałach.

Procedury cięcia, próby rozciągania i starzenia elastycznych jednokierunkowych laminatów kompozytowych

Cyfrowa korelacja obrazu jest używana w testach zmęczeniowych na maszynie do badania rezonansu do wykrywania makroskopowych pęknięć i monitorowania propagacji pęknięć w próbkach spawanych. Pęknięcia na powierzchni próbki stają się widoczne jako zwiększone odkształcenia.

Monitorowanie pęknięć w rezonansowych badaniach zmęczeniowych spawanych próbek z wykorzystaniem cyfrowej korelacji obrazu

W tym badaniu przedstawiono protokół opisujący użycie wizualizacji mechanoluminescencyjnej (ML) do monitorowania propagacji pęknięć i zachowania mechanicznego podczas testowania oceny połączeń adhezyjnych.

Mechanoluminescencyjna wizualizacja propagacji pęknięć do wspólnej oceny

Ten artykuł opisuje proces produkcji laminatów kompozytowych z matrycą polimerową wzmocnioną włóknami, uzyskanych metodą mokrego ręcznego układania/worka próżniowego.

Pomiar właściwości mechanicznych polimerowych laminatów kompozytowych wzmocnionych włóknem szklanym otrzymanych w różnych procesach produkcyjnych

Opisano proces pozyskiwania danych metrologicznych ściegów spoiny w czasie zbliżonym do rzeczywistego i automatycznego przygotowania wynikowej geometrii do analizy elementów skończonych.

Automatyczne laserowe przechwytywanie geometrii do analizy elementów skończonych ściegów spoiny

Poznaj technikę zgrzewania ultradźwiękowego kompozytów termoplastycznych do badań mechanicznych. Metoda wykorzystuje uproszczone dyrektory energii i kontrolę przemieszczenia dla uzyskania powtarzalnej jakości spoin.

Zgrzewanie ultradźwiękowe termoplastycznych kompozytów kompozytowych do mechanicznej charakterystyki połączeń spawanych poprzez badanie ścinaniem na pojedyncze zakładki (Wideo) | JoVE Journal

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

Przeglądaj więcej filmów