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

Introduction

compositi termoplastici (TPC) hanno la capacità di saldare, che contribuisce alla loro fabbricazione conveniente. Saldatura richiede il riscaldamento locale sotto pressione per ammorbidire o fondere la resina termoplastica degli innesti e per consentire un contatto intimo e successiva inter-diffusione di catene polimeriche termoplastiche attraverso l'interfaccia di saldatura. Una volta molecolare inter-diffusione viene raggiunto, il raffreddamento sotto pressione consolida il giunto saldato. Diverse tecniche di saldatura sono applicabili ai compositi termoplastici che differiscono principalmente nella fonte di calore ^1, tuttavia, il principale meccanismo di "adesione", cioè, entanglement molecolare, rimane invariata. saldatura ad ultrasuoni offre tempi molto brevi saldatura (dell'ordine di pochi secondi), facile automazione ed è praticamente indipendente dal tipo di armatura nei substrati compositi termoplastici. Inoltre, offre la possibilità di monitorare in situ ^2,3 4. Ultrasuoni saldatura di materiali compositi termoplastici è per lo più un processo di saldatura a punti, ma il successo saldatura di cordoni più lunghi attraverso saldatura a ultrasuoni sequenziale è stato riportato in letteratura ^5. Al contrario di saldatura a resistenza o induzione, saldatura a ultrasuoni non è stata applicata industrialmente per giunti strutturali tra le parti in compositi termoplastici finora. Tuttavia, lo sforzo significativo è attualmente in corso dedicata a favorire lo sviluppo di saldatura ad ultrasuoni strutturale dei materiali compositi termoplastici per applicazioni aeronautiche.

In saldatura ad ultrasuoni, le parti da unire sono sottoposti ad una combinazione di forza statica e ad alta frequenza bassa ampiezza vibrazioni meccaniche trasversale alla interfaccia di saldatura, che si traduce nella generazione di calore attraverso la superficie e riscaldamento viscoelastico. è promosso riscaldamento preferenziale a livello di interfaccia di saldaturaattraverso l'uso di sporgenze resina sulle superfici da saldare che subiscono maggiore deformazione ciclica, e riscaldamento quindi superiore viscoelastica, rispetto ai substrati ^6. Forza e vibrazioni sono esercitati sui pezzi da saldare attraverso un sonotrodo collegato ad una pressa e un treno ultrasuoni costituito da convertitore piezoelettrico e booster. A seconda della distanza tra il punto in cui i contatti sonotrodo la parte da unire e l'interfaccia di saldatura, una distinzione può essere fatta tra campo vicino e campo lontano saldatura a ultrasuoni. Near-field saldatura (meno di 6 mm tra sonotrodo e interfaccia saldatura) è applicabile ad una vasta gamma di materiali, mentre l'applicabilità della saldatura campo lontano ad uno specifico materiale termoplastico è altamente dipendente dalla capacità del materiale di condurre onde sonore ⁶ .

Il processo di saldatura ad ultrasuoni può essere suddiviso in tre fasi principali. In primo luogo, una fase forza accumulo, durante il quale il sonotrode aumenta gradualmente la pressione sulle parti da saldare fino a raggiungere una certa forza trigger. Nessuna vibrazione viene applicato durante questa fase. In secondo luogo, una fase di vibrazione, che inizia una volta raggiunta la forza di trigger. In questa fase il sonotrodo vibra di ampiezza prescritta per un certo periodo di tempo generare il calore necessario per il processo di saldatura. Microprocessore saldatrici ad ultrasuoni forniscono diverse opzioni per controllare la durata della fase di vibrazioni, tra i quali il tempo (ad esempio, il controllo diretto), lo spostamento o l'energia (controllo indiretto). La forza applicata durante questa fase, vale a dire, la forza di saldatura, può essere mantenuto costante e pari alla forza grilletto o può essere variata gradualmente durante l'applicazione della vibrazione. In terzo luogo, una fase di solidificazione, in cui sono permesse parti saldate raffreddare sotto una certa forza di solidificazione per un certo periodo di tempo. Nessuna vibrazione viene applicato durante questa ultima fase.

fo saldaturaRCE, ampiezza di vibrazione, frequenza di vibrazione e la durata della fase di vibrazioni (controllate direttamente o indirettamente tramite energia o spostamento) sono i parametri di saldatura che controllano la generazione di calore. Forza, ampiezza e durata sono parametri definiti dall'utente, mentre la frequenza è fissato per ogni saldatore ad ultrasuoni. forza di solidificazione e tempo di solidificazione, anche saldatura parametri, non intervengono nel processo di riscaldamento, ma influenzano il consolidamento e, insieme con il resto dei parametri, la qualità finale dei giunti saldati.

Questo articolo presenta un metodo semplice romanzo di campo vicino saldatura ad ultrasuoni di singoli tagliandi TPC in una singola configurazione giro per la successiva, singolo taglio meccanico sul giro (LSS), il test seguente ASTM (American Society for Testing and Materials) D 1002 standard. Prove meccaniche dei tagliandi saldati permette di determinare la resistenza al taglio per trazione apparente delle articolazioni, che è una delle proprietà più Commsolo utilizzato per quantificare la forza di compositi termoplastici giunti saldati ^7. Il metodo di saldatura descritto in questo documento si basa su tre pilastri principali. In primo luogo, sciolti direttori di energia piatta sono utilizzati per la generazione di calore preferenziale all'interfaccia unendo ^8,9 durante il processo di saldatura. In secondo luogo, le elabora i dati forniti dal saldatore ad ultrasuoni viene utilizzata per definire rapidamente la durata ottimale della fase di vibrazione di una forza specifica / combinazione di ampiezza ^2,4. In terzo luogo, la durata della fase di vibrazione è controllata indirettamente tramite lo spostamento del sonotrodo al fine di garantire una qualità costante dei giunti saldati ^4. Questo metodo di saldatura offre le seguenti novità principali e vantaggi per quanto riguarda le procedure di saldatura state-of-the-art per compositi termoplastici: (a) la preparazione del campione semplificata abilitato per l'utilizzo di sciolti direttori di energia piana invece che direttori tradizionali di energia stampati ^3, e (b) ec veloceDefinizione ost-efficiente dei parametri di processo sulla base di monitoraggio dei processi in situ in contrapposizione all'approccio tentativi ed errori comuni. Sebbene il metodo descritto in questo documento si prefigge di ottenere una geometria di saldatura molto preciso e semplice può servire come base per definire una procedura per la saldatura di parti reali. Una differenza principale in questo caso risulta dal flusso vincolata del direttore di energia rispetto a flusso illimitato ai quattro bordi della sovrapposizione in singoli tagliandi giro.

Protocol

1. campioni di taglio e preparazione per saldatura ad ultrasuoni

1. Tagliare campioni rettangolari di 25,4 millimetri x 101,6 millimetri dal formato laminato composito termoplastico con una tecnica di taglio che impedisce delaminazione dei bordi dei campioni (per esempio, diamante-sega o taglio a getto d'acqua).
   Nota: Le dimensioni dei campioni sono basati su ASTM D 1002 standard.
   1. Poiché la forza dei giunti saldati dipende dall'orientamento fibra sulle superfici da saldare ^10, fare attenzione a tagliare tutti i campioni con lo stesso orientamento.
2. Dopo il taglio, campioni secchi in un forno secondo le raccomandazioni del produttore nel caso la resina termoplastica tende ad assorbire l'umidità (ad esempio, 6 ore a 135 ° C per la fibra di carbonio a sei strati rinforzato polieterimmide, CF / PEI, campioni).
3. Tagliare direttori di energia piatti fatti di film termoplastico ordinata (stessa resina come la matrice in composito) per dimensioni (circa 26 millimetri x 26 mm) con uno spessore di almeno 0,25 mm. Se necessario, asciugare il direttore di energia seguendo le raccomandazioni del produttore (ad esempio, 1 ora a 135 ° C per PEI direttore di energia).
4. Prima della saldatura, ispezionare campioni uno ad uno per angoli delaminate e scartare se necessario. Pulire utilizzando uno sgrassatore e un panno di cotone. Pulire i direttori di energia piatti seguendo la stessa procedura.

2. saldatura a ultrasuoni del giro singolo Shear Buoni

Nota: un microprocessore controllato saldatore ad ultrasuoni in grado di saldare ad ampiezza costante viene utilizzata in questo step. I dati di uscite saldatore di processo, come l'energia dissipata e spostamento del sonotrodo funzione del tempo al software di acquisizione dati in un computer. Un giga su misura progettato e realizzato per posizionare con precisione e bloccare singoli campioni giro di taglio durante la saldatura ad ultrasuoni viene utilizzato in questo passaggio (vedi Figura 1).

Figura 1. ultrasuoni saldatore e messa a punto di saldatura su misura utilizzato in questo studio 1:. Sonotrodo, 2: piattaforma scorrevole, 3: morsetto per il campione superiori (allegato 2), e 4: morsetto per il campione inferiori (Ristampato da riferimento 4 con il permesso di Elsevier.) Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.

1. Compilare un foglio di giornale di bordo prima di ogni esperimento di saldatura.
   1. Prendere nota dei seguenti parametri: RT e umidità, riferimento configurazione saldatura, tipo sonotrodo, numero del campione e materiali, larghezza e spessore dei campioni superiore ed inferiore, e lo spessore del direttore dell'energia.
2. Accendere il saldatore ad ultrasuoni e il computer. Avviare il software di acquisizione dati e di aprire una nuova sessione.
3. Se non è già in atto, cambiare il sonotguidato ad un sonotrodo cilindrica con un diametro di 40 mm in modo che la sua superficie inferiore copre completamente la zona di saldatura.
   Nota: Una forma diversa di sonotrodo può essere utilizzato, ma la sua superficie inferiore non deve essere inferiore alla zona di saldatura.
4. Posizione e fissare campioni e direttore di energia nella maschera di saldatura (vedi Figura 1).
   1. Attaccare un regista energia piatta al modello inferiori con nastro adesivo in modo da coprire una superficie leggermente maggiore rispetto alla zona da saldare (12.7 mm x 25,4 mm).
   2. Posizionare il campione di fondo in dima e bloccarlo stringendo la vite superiore.
   3. Nastro l'altra estremità del direttore energia alla base della configurazione in modo che rimanga in posizione durante il processo.
   4. Posizionare il campione superiore nel morsetto, allinearla e serrare la vite superiore.
   5. Posizionare il morsetto per il campione in alto nella piattaforma scorrevole e serrare le due viti.
   6. Prima di procedere oltre, serrare le quattro viti una volta mminerale.
5. Determinare la durata ottimale della fase vibrazioni basata sullo spostamento del sonotrodo per ottenere la massima resistenza di saldatura, come descritto ai punti 2.5.1 a 2.5.8.
   Nota: Una durata ottimale della fase di vibrazione è determinato per ciascuna combinazione desiderata di forza di saldatura e ampiezza di vibrazione.
   1. Impostare il saldatore ad ultrasuoni per differenziale modalità di spostamento di controllo.
   2. Input forza e ampiezza di vibrazione saldatura nella saldatrice ad ultrasuoni (per esempio, 300 N e 86,2 micron).
      Nota: In questa saldatrice ad ultrasuoni, 86.2 micron corrisponde alla ampiezza della vibrazione picco-picco. Nelle impostazioni della macchina, è espresso come metà di questo valore, 43,1 micron.
   3. Input spostamento sonotrodo, o corsa, al termine della fase di vibrazioni come un valore pari allo spessore iniziale del direttore energia (per esempio 0,25 mm).
   4. forza Input solidificazione e tempo nella saldatrice ad ultrasuoni (per esempio, 1000N e 4000 msec).
   5. Quando si è pronti, mettere le cuffie insonorizzate e avviare il processo di saldatura a ultrasuoni.
   6. Dopo il completamento del processo, prendere nota dei seguenti parametri di uscita: distanza di saldatura, potenza massima, tempo di vibrazione ed energia. Rimuovere il coupon dal setup di saldatura e scrivere il suo numero di identificazione su entrambe le estremità con un pennarello.
   7. Esporta i dati di saldatura (potenza e spostamento del sonotrodo) in un foglio e tracciare la potenza e lo spostamento rispetto curve tempo nella fase di vibrazione del processo.
      Nota: La curva di spostamento deve tracciare lo spostamento verso il basso del sonotrodo relativamente alla sua posizione al momento della comparsa della fase vibrazioni.
   8. Identificare lo spostamento nel mezzo del plateau di alimentazione (fase 4) come mostrato nella figura 2 (in questo caso 0,10 mm).
      Nota: Questo particolare valore di spostamento è la corsa ottimale che controlla la durata della fase di vibrazione e volontàessere utilizzata in ogni successiva saldatura per la stessa forza di saldatura e ampiezza.

Figura 2. Potenza (nero) e curve (grigio) di spostamento per il processo di saldatura ad ultrasuoni che indica il valore di spostamento ottimale. La fase vibrazione della saldatura a ultrasuoni possono essere divisi in 5 fasi. il valore di viaggio ottimale si trova all'interno di fase 4. Caso di studio: fibra di carbonio rinforzata substrati polieterimmide -PEI, 0,25 millimetri di spessore piatto PEI direttore di energia, 300 N Forza di saldatura, 86,2 micron di ampiezza delle vibrazioni, 0,25 millimetri di viaggio. (Ristampato da riferimento 4 con il permesso di Elsevier.) Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.

6. tagliandi di saldatura al valore di viaggio ottimale per la data forza di saldatura e combinatio ampiezzan.
   1. Ripetere i punti da 2.1 a 2.5.6 per ogni saldatura. Al punto 2.5.3, utilizzare il viaggio ottimale determinata al punto 2.5.8 per la forza di saldatura corrispondente e combinazione di ampiezza.
      Nota: Tutti i test LSS vengano effettuati seguendo ASTM D 1002 su una macchina di prova universale con una velocità traversa di 1,3 mm / min.

3. singolo Resistenza a taglio (LSS) Sperimentazione di Buoni saldati

1. Misurare e prendere nota della larghezza della sovrapposizione per ciascun coupon saldato.
2. Accendere la macchina universale di prova e avviare la procedura di prova per LSS sul computer.
3. Nell'interfaccia test, immettere il numero del campione e le dimensioni della sovrapposizione. Impostare la forza di 0 e la separazione presa da maneggiare alla sua posizione iniziale (per esempio 60 mm).
4. Posizionare il campione nella morsa della macchina di prova come mostrato in figura 3.

Figura 3. Rappresentazione schematica del serraggio in / Roell 250 kN macchina universale Zwick (non in scala). Lo spostamento offset tra i morsetti superiori ed inferiori permette allineando la direzione di carico con la linea centrale di saldatura per minimizzare flessione durante il taglio lap prova di resistenza. cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

5. Avviare la procedura di test dal computer facendo clic sul pulsante "Start".
6. Dopo il campione si spacca, rimuoverlo dalle impugnature e fissare le due parti insieme con del nastro adesivo.
7. Ripetere i passaggi 3,3-3,6 per tutti gli altri campioni.
8. Quando le prove sono completate, esportare i dati in un foglio e calcolare il valore medio LSS, secondo la procedura descritta nello standard, per ogni forza di saldatura e la combinazione di ampiezza.

Representative Results

rinforzato polieterimmide (CF / PEI) campioni di fibre di carbonio sono stati saldati seguendo il metodo descritto in questo documento. I campioni sono stati ottenuti da un laminato composito fatto di cinque cablaggio tessuto di raso CF / PEI, con spessore nominale (0/90) _3S accatastamento sequenza e 1,92 mm. I campioni sono stati tagliati da questo laminato in modo che il principale orientamento apparente delle fibre era parallela al loro lato più lungo. sono stati utilizzati piatti direttori di energia PEI con spessore di 0,25 millimetri. Entrambi i campioni compositi e direttori di energia sono stati essiccati in stufa a 135 ° C per 6 e 1 ora, rispettivamente, come indicato dal produttore. Utilizzando curve di potenza e spostamento ottenuti per viaggi 0,25 millimetri, un valore di spostamento ottimale intorno 0,10 millimetri, cioè, il 40% dello spessore iniziale del direttore di energia, è stato ottenuto per i campioni CF / PEI saldati in 300 N forza di saldatura e 86.2 micron picco -to-picco di ampiezza di vibrazione (vedere Figura 2 sono illustrati nelle figure 4 e 5, rispettivamente,.

Figura 4. curve di potenza per cedole CF / PEI saldati sotto di viaggio ottimali Le curve di potenza (spostata verticalmente per chiarezza) mostrano conclusione coerente del processo di saldatura in fase 4. Le linee verticali indicano l'insorgenza di fase 3. Case Study:. CF / PEI substrati, 0,25 millimetri di spessore piatto PEI energia regista, 300 N forza di saldatura, 86,2 micron vibrazioni di ampiezza, 0 0,10 millimetri di viaggio. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 5. tipico al microscopio sezione (in alto) e la superficie di frattura (in basso) per CF / PEI coupon saldato sotto di viaggio ottimale. Giunti saldati assomigliano un laminato composito spesso senza differenze visibili tra la linea di saldatura (indicato dalla freccia) e substrati . Dopo la prova al taglio per trazione, superfici di frattura mostrano significativi strappi fibra. Case Study: CF / substrati PEI, 0,25 millimetri di spessore piatto PEI direttore di energia, 300 N Forza di saldatura, 86,2 micron di ampiezza di vibrazione, 0,10 millimetri di viaggio. (Ristampato da riferimento 4 con il permesso di Elsevier.)OAD / 53592 / 53592fig5large.jpg "target =" _ blank "> Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Al fine di verificare la validità del metodo presentato in questo documento per determinare la corsa ottimale per una certa forza / combinazione di ampiezza, i campioni sono stati saldati a valori diversi di viaggio, sotto e sopra la corsa massima, e quindi provati. Il resto dei parametri di saldatura utilizzati per la saldatura di questi campioni erano, come nel caso precedente, 300 forza N saldatura, 86,2 micron di ampiezza, 1,000 N forza solidificazione e 4 sec Tempo di solidificazione. Figura 6 mostra la resistenza al taglio per trazione apparente come funzione della corsa (rappresentata come una percentuale dello spessore iniziale del direttore energia).

Figura 6. giro apparente resistenza al taglio di CF / PEI Coupons saldati in valori diversi viaggio. Travel è qui rappresentato rispetto allo spessore del direttore dell'energia. Case Study: CF / substrati PEI, 0,25 millimetri di spessore piatto PEI direttore di energia, 300 N Forza di saldatura, 86,2 micron vibrazioni di ampiezza, viaggi variabile. (Ristampato da riferimento 4 con il permesso di Elsevier.) Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Infine, saldatura spostamento controllato è stata confrontata ad altre possibilità offerte dal saldatore ad ultrasuoni come saldatura tempo o controllata di energia. Con questo scopo, i valori di resistenza al taglio da raffigurati in figura 4 sono stati riportati in funzione del tempo di vibrazione (Figura 7) e dell'energia di saldatura (figura 8). valori di tempo e di energia di vibrazione per tutti i campioni saldati in questo studio erano provided dal saldatore ad ultrasuoni come output del processo di saldatura.

. Figura 7. resistenza apparente al taglio per trazione di buoni CF / PEI in funzione del tempo di vibrazione può essere ottenuto utilizzando i tempi di vibrazione di campioni utilizzati per tracciare la figura 6 caso di studio:. CF / substrati PEI, 0,25 millimetri di spessore piatto PEI energia regista, 300 N Forza di saldatura , 86,2 micron ampiezza di vibrazione, viaggi variabile. (Adattato da riferimento 4 con il permesso di Elsevier.) Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 8. forza apparente al taglio per trazione di buoni CF / PEI contro la saldatura di energia. Viene ottenuto utilizzando saldatura val energiaUES di campioni utilizzati per tracciare la figura 6 caso di studio:. / substrati CF Pei, 0,25 millimetri di spessore regista energia piatto PEI, 300 N Forza di saldatura, 86,2 micron ampiezza della vibrazione, viaggi variabile. (Adattato da riferimento 4 con il permesso di Elsevier.) Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Discussion

I risultati presentati nella sezione precedente indicano l'adeguatezza del metodo semplice proposto in questo lavoro per la saldatura ad ultrasuoni di compositi termoplastici tagliandi sul giro singolo a scopo di prove meccaniche. I seguenti paragrafi trattano come i risultati confermano i tre pilastri principali del metodo, cioè, l'uso di piani direttori di energia allentati, uso del feedback processo di definizione durata ottimale della vibrazione e l'uso di controllo di spostamento, nonché l'applicabilità e limitazioni di la tecnica.

Per quanto riguarda il primo pilastro, direttori di energia piatti sono indicati per consentire la saldatura di successo dei tagliandi TPC. In saldatura ad ultrasuoni di materie plastiche rinforzate, direttori di energia sotto forma di sporgenze di resina con una sezione trasversale minore di quella della sovrapposizione giunzione devono generare ceppi ciclici elevati e quindi, preferenziale generazione di calore viscoelastico alla saldatura trafaccia ^6. Tuttavia, nella saldatura ad ultrasuoni di TPC, direttori di energia piatto con la stessa area in sezione trasversale come la sovrapposizione di saldatura non risultano correttamente in riscaldamento viscoelastico preferenziale all'interfaccia di saldatura a causa della rigidità di compressione inferiore del direttore dell'energia piatta e ceppi quindi superiore ciclici durante il processo di saldatura. Il calore generato all'interfaccia scioglie il direttore energetico e viene trasferito ai substrati. Sotto l'effetto della forza di saldatura, il regista dell'energia fuso viene spremuto fuori della sovrapposizione di saldatura fino a raggiungere la corsa prescritta. Valori di viaggio ottimali comportano sovrapposizioni completamente saldati sezioni trasversali che assomigliano un laminato spessa poiché lo spessore della linea di saldatura è simile a quello delle zone ricche di resina nei substrati (vedere Figura 5). Si deve notare che, quando si usa direttori di energia piatte, ottimizzazione del direttore energia non è necessaria per raggiungere completamente saldato sovrappone ^8, comeal contrario di soluzioni regista energia più tradizionali, in cui hanno bisogno di essere ottimizzato per raggiungere la piena copertura della zona di saldatura destinata ^10,11 la dimensione, la forma e la spaziatura tra i direttori di energia. Allo stesso modo, rispetto alle soluzioni quali direttori di energia triangolari tradizionalmente utilizzati per la saldatura ad ultrasuoni di TPC ^3, direttori di energia piane hanno dimostrato di causare valori di resistenza di saldatura simili pur non avendo un notevole impatto negativo su altri importanti output del processo come massima potenza, energia o saldatura tempo ^8.

Per quanto riguarda il secondo pilastro, per una certa combinazione di forza di saldatura ed ampiezza, è possibile definire valori funzionamento ottimale, cioè valori di viaggio che portano alla massima resistenza, sulla base delle curve di potenza e spostamento fornite dal saldatore ad ultrasuoni. In sostanza, i diversi eventi nelle curve di potenza e spostamento durante la fase di vibrazione del processo di saldatura can essere connessi ai cambiamenti fisici che si verificano nel direttore di energia e substrati TPC durante il riscaldamento ^2. Di conseguenza, e come illustrato in figura 2, la fase di vibrazione del processo di saldatura può essere suddiviso nelle seguenti 5 fasi ^2:

Fase 1, caratterizzato dal continuo aumento della potenza dissipata fino a raggiungere un massimo e piccola retrazione del sonotrodo per accogliere la vibrazione. In fase di verifica 1 riscaldamento del regista energia senza alcuni cambiamenti fisici osservabili a livello di interfaccia di saldatura. Stage 2, caratterizzato da diminuzione della potenza e nessun significativo spostamento del sonotrodo. Nella fase 2 il regista energia piatta inizia a fondere localmente come nucleazione hot-spot e processo di crescita. Fase 3, caratterizzato da aumento di potenza e lo spostamento verso il basso del sonotrodo. Nella fase 3 il regista energetico completo è fuso e inizia a scorrere sotto l'effetto della forza di saldatura. Fase 4, caratterizzato da unaplateau potenza e spostamento verso il basso del sonotrodo. Nella fase 4 della matrice negli strati superiori dei substrati compositi inizia a fondere localmente con il flusso compressione del direttore dell'energia. Fase 5, caratterizzato dal potere e lo spostamento verso il basso del sonotrodo declino. In fase 5 di fusione della matrice nei substrati è predominante.

La resistenza di saldatura massima si verifica durante la fase 4 in quanto la fusione della matrice negli strati superiori dei substrati compositi permette la diffusione di catene polimeriche attraverso l'interfaccia di saldatura e quindi entanglement molecolare tra i due substrati. Questo entanglement molecolare sviluppa un forte legame che si traduce in lacerazione fibra durante il test singolo giro, come si vede nella figura 5. Oltre questo punto ottimale, eccessiva fusione della matrice nei substrati compositi risultati in distorsione fibra significativa all'interfaccia di saldatura, che si ritiene a provocare un calo nella Streng di saldatura° ^4. I risultati presentati in Figura 6, che corrispondono ad una specifica combinazione di forza di saldatura ed ampiezza della vibrazione, supportano questa discussione. Si deve notare che diversa forza / combinazione di ampiezza comporterebbe uscita diverso dal processo di saldatura in termini di potenza massima e l'energia consumata e durata della fase vibrazioni ^2. Tuttavia, il metodo per determinare il valore di spostamento ottimale è indipendente dalla forza prescelto / combinazione di ampiezza ^4.

Per quanto riguarda il terzo pilastro, la saldatura spostamento controllato ha provocato relativamente bassa dispersione nel giro resistenza al taglio apparente dei giunti saldati nelle condizioni ottimali. Si ritiene che derivano dal fatto che tutti i campioni sono stati costantemente saldati nella stessa fase (stadio 4) all'interno della fase di vibrazione del processo) come mostrato in Figura 4. Figura 7 indica che setempo era stato utilizzato come parametro di controllo per il processo di saldatura, una dispersione superiore nei valori di resistenza poteva aspettare dovuta alla sovrapposizione significativa nei tempi di vibrazione per valori diversi di viaggio. Secondo la Figura 8 e ai risultati presentati in letteratura ^12, l'energia è una scelta migliore rispetto a quando il parametro di controllo. Tuttavia, l'energia di saldatura è fortemente dipendente dallo spessore dei substrati e la natura della maschera di saldatura e quindi il valore energetico ottimale cambia significativamente quando una di queste due variabili cambiare ^4. Al contrario, lo spostamento del sonotrodo è direttamente correlata al flusso compressione del direttore dell'energia e la matrice all'interfaccia saldatura e pertanto può essere previsto per essere meno sensibile alle variazioni di nessuna delle variabili ⁴ di cui sopra.

Il nuovo metodo descritto in questo articolo consente semplice campo vicino saldatura ad ultrasuoni di comp termoplasticotagliandi osite per singolo test lap shear. I risultati presentati si riferiscono alla saldatura di compositi CF / PEI ma lo stesso metodo è stato applicato con successo ad altri compositi termoplastici rinforzati come CF / polyphenyplene solfuro (PPS) ^8. Come descritto nel documento, il metodo è direttamente applicabile alla saldatura di una geometria molto specifica, tuttavia, nel caso una geometria differente della saldatura è considerato, ci sono tre punti critici che devono essere presi in considerazione. In primo luogo, l'aumento dell'area di contatto tra le parti da saldare ha un impatto diretto sulla potenza massima dissipata durante il processo di saldatura. Di conseguenza, l'area massima che può essere saldata in un solo colpo è limitata dalla potenza massima erogata dal saldatore ad ultrasuoni. In secondo luogo, il metodo descritto in questo documento ritiene libero flusso del direttore dell'energia fuso su quattro spigoli della sovrapposizione di saldatura. Una configurazione di saldatura diversa potrebbe tuttavia limitare il flusso di polimero. Questopuò essere previsto per avere un impatto sull'evoluzione dello spostamento del sonotrodo durante il processo di saldatura e di imporre limitazioni probabilmente alla saldatura spostamento controllato. In terzo luogo, se lo spessore delle parti è tale che la distanza dal sonotrodo all'interfaccia saldatura è superiore a 6 mm, considerazioni specifiche di campo lontano saldatura ad ultrasuoni deve essere contabilizzato. Tuttavia, il metodo presentato in questo documento può essere considerato come base per lo sviluppo di procedimenti di saldatura ad ultrasuoni per il montaggio delle reali strutture composite termoplastiche. Le principali novità e vantaggi di questo metodo sono semplificati lavorazione grazie all'utilizzo di sciolti direttori di energia piatta e l'utilizzo dei dati forniti dal saldatore per definire rapidamente la durata ottimale della vibrazione per diverse combinazioni di forza e ampiezza. Rispetto alle procedure di prova ed errore attuali, la definizione dei parametri di processo sulla base dei dati di processo ha il potenzialedi offrire risparmi significativi nello sforzo e il tempo necessario per sviluppare processi di saldatura per applicazioni specifiche.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Material/Reagent
Cetex carbon fiber / polyetherimide (CF/PEI) 5 harness satin prepreg	TenCate Advanced Composites (www.tencate.com)	Contact vendor	Material used in this study for the specimens.
PFQD solvent degreaser	PT Technologies Europe (now Socomore - www.socomore.com)	Contact vendor	Solvent degreaser for cleaning the specimens and energy directors.
Cotton cloths			For general cleaning purposes. No specific vendor was used.
0.25 mm PEI film	TenCate Advanced Composites (www.tencate.com)	Contact vendor	Thin film used as energy director.
Adhesive tape	Airtech Advanced Materials Group (www.airtechintl.com)	1" x 72 yds MFG # 327402 Contact vendor for catalog number	Used to attach energy director to bottom sample for ultrasonic welding.
Name	Company	Catalog Number	Comments
Equipment
Vötsch oven	Vötsch Industrietechnik (www.voetsch-ovens.com)	VTU 60/60 - Contact vendor for specific catalog number	Oven used to dry PEI film (energy directors) and PEI specimens before welding.
Rinco Dynamic 3000 ultrasonic welder	Aeson BV (www.aeson.nl/en/)	Contact vendor	20 kHz ultrasonic welding machine used for the welding experiments. Several sonotrode sizes available. Contact vendor for details. ACUCapture software included.
Zwick/Roell universal testing machine	Zwick (www.zwick.com)	Z250 - Contact vendor for specific catalog number	Universal testing machine with maximum load of 250 kN used for single lap shear strength measurements.