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

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.