Ультразвуковая сварка термопластических композитных купонов для механической Характеристика сварных соединений через одного круга сдвига тестирования

Краткое содержание

Описана простая процедура ультразвуковой сварки термопластичных композитных купонов для основных механических испытаний. Ключевыми характеристиками этого процесса ультразвуковой сварки являются использование плоских энергетических регуляторов для упрощения подготовки процесса и использование технологических данных для быстрого определения оптимальных условий обработки.

Аннотация

В этой статье представлен новый простой метод ультразвуковой сварки термопластичных композитных купонов в оптимальных условиях обработки. Процесс ультразвуковой сварки, описанный в этом документе, основан на трех основных принципах. Во-первых, плоские энергетические регуляторы используются для преимущественного выделения тепла на стыке соединения в процессе сварки. Плоский энергетический директор представляет собой аккуратную пленку из термопластичной смолы, которая помещается между соединяемыми деталями перед процессом сварки и нагревается преимущественно благодаря своей меньшей жесткости на сжатие по сравнению с композитными подложками. Таким образом, плоские энергетические регуляторы представляют собой простое решение, не требующее формования выступов смолы на поверхностях композитных подложек, в отличие от ультразвуковой сварки неармированных пластиков. Во-вторых, технологические данные, полученные ультразвуковым сварочным аппаратом, используются для быстрого определения оптимальных параметров сварки для любой комбинации термопластичных композитных материалов. В-третьих, контроль смещения используется в процессе сварки для обеспечения стабильного качества сварных соединений. Согласно этому методу, термопластичные композитные плоские купоны индивидуально свариваются в конфигурации одного круга. Механические испытания сварных купонов позволяют определить кажущуюся прочность соединений на сдвиг внахлест, которая является одним из свойств, наиболее часто используемых для количественной оценки прочности сварных соединений из термопластичных композитов.

Введение

Термопластичные композиты (TPC) имеют возможность быть сварной, что способствует их рентабельного производства. Сварка требует локального нагрева под давлением, чтобы смягчить или расплавить термопластичной смолы из соединительных поверхностей и чтобы обеспечить тесный контакт и последующей взаимной диффузии термопластичных полимерных цепей через границу раздела сварки. После молекулярная взаимной диффузии достигается, охлаждение под давлением консолидирует сварного соединения. Несколько методов сварки применимы к термопластичных композитов, которые отличаются главным образом в источнике тепла ^1, однако, основным механизмом "прилипание", то есть, молекулярной запутывания, остается неизменной. Ультразвуковая сварка предлагает очень короткие времена сварка (в пределах нескольких секунд), легкий автоматизацию и практически не зависит от типа арматуры в термопластичных композиционных субстратов. Кроме того, он дает возможность для мониторинга на месте ^2,3 , Которые могут быть использованы для контроля качества в линии или для быстрого определения обработки окна ^4. Ультразвуковая сварка термопластических композитов является главным образом процесс сварки пятна, однако успешный сварка длинных швов путем последовательного ультразвуковой сварки было сообщено в литературе ^5. В отличие от сопротивления или индукционная сварка, ультразвуковая сварка не была промышленно применяется для структурных швов между термопластичными композитных деталей до сих пор. Тем не менее, значительные усилия в настоящее время уделяется дальнейшему развитию структурной ультразвуковой сварки термопластичных композитов для авиакосмической промышленности.

В ультразвуковой сварки, части должны быть соединены подвергают сочетанию силы статического и высокочастотного низкоамплитудным механических колебаний поперек сварного интерфейса, что приводит к выделению тепла через поверхности и вязкоупругой нагрева. Льготные отопления на границе сварки способствуетпосредством использования выступов смолы на поверхностях свариваемых которые претерпевают более высокую циклическую нагрузку, и, следовательно, выше вязкоупругого отопление, чем подложек ^6. Сила и вибрации воздействуют на те части, которые будут сварены через сонотрода подключенного к прессу и к ультразвуковому поезде, состоящей из пьезоэлектрическим преобразователем и усилителем. В зависимости от расстояния между точкой, где сонотрода в контакт с частью, которая будет присоединились и интерфейсом сварки, можно провести различие между ближней и дальней зоне ультразвуковой сварки. Ближнепольная сварки (менее 6 мм между сонотрода и сварочного интерфейса) применима к более широкому спектру материалов в то время применимости дальнего поля сварки к конкретному термопластичного материала сильно зависит от способности материала проводить звуковые волны ⁶ ,

Ультразвуковой сварочный процесс можно разделить на три основных этапа. Во-первых, фаза сила наращивание, в течение которого sonotroде постепенно увеличивается сила на свариваемых до определенного триггера сила не будет достигнута. Нет вибрации не наносят во время этой фазы. Во-вторых, фаза вибрации, которая начинается сразу триггер сила будет достигнута. В этой фазе волновод вибрирует при определенном амплитуды в течение определенного количества времени, генерирующего тепло, необходимое для процесса сварки. Микропроцессорным управлением ультразвуковые сварочные обеспечивают несколько вариантов контролировать длительность фазы вибрации, среди них несколько раз (т.е., прямое управление), смещение или энергию (косвенный контроль). Усилие, прилагаемое во время этой фазы, т.е. сварочного усилия, может поддерживаться постоянным и равным спусковой силу или может быть постепенно изменяться во время нанесения вибрации. В-третьих, фаза затвердевания, в течение которого сварные детали дают остыть до определенного затвердевания силу в течение определенного количества времени. Нет вибрации не наносят в течение этого последнего этапа.

Сварочные FORCE, амплитуда колебаний, частота вибрации и продолжительность фазы колебаний (либо непосредственно, либо косвенно контролируется посредством энергии или смещения) являются параметры сварки, которые контролируют выделение тепла. Силы, амплитуда и длительность определяемые пользователем параметры, в то время как частота фиксируется для каждого ультразвукового сварочного аппарата. Затвердевание сила и время затвердевания, также сварочных параметров, не вмешиваться в процесс нагрева, но повлиять на консолидацию и, вместе с остальной частью параметров, конечное качество сварных соединений.

Эта статья представляет собой новый простой способ ближнего поля ультразвуковой сварки отдельных купонов TPC в одной конфигурации коленях последующей механической, одного сдвига коленях (LSS), тестирование следующей ASTM (Американское общество по испытанию материалов) D 1002 стандарта. Механические испытания сварных купонов позволяет определить кажущуюся прочность на перекрывающий срез суставов, который является одним из свойств наиболее коммиспользуется только для количественной оценки прочности термопластичный композитных сварных соединений ^7. Способ сварки описано в этой статье, основано на трех основных принципах. Во-первых, свободные директоры плоским энергии используются для льготного выделения тепла в соединяющей интерфейс ^8,9 в течение процесса сварки. Во-вторых, данные процесса, предоставляемые ультразвукового сварочного аппарата используется для быстрого определения оптимальной продолжительности фазы колебаний для конкретного силы / амплитудной комбинации ^2,4. В-третьих, продолжительность фазы колебаний косвенно контролируется через смещение сонотрода в целях обеспечения стабильного качества сварных соединений ^4. Этот метод сварки предлагает следующие основные новшества и преимущества по отношению к технологии сварки государством в самых современных для термопластичных композитов: (а) упрощается подготовка проб обеспечивается использованием сыпучих плоских энергетических директоров вместо традиционных формованных энергетических директоров ^3, и (б) быстро и сОСТ-эффективным определение параметров обработки на основе мониторинга процессов на месте, в отличие от обычных проб и ошибок подходов. Хотя метод, описанный в этой статье, направлены на получение очень специфический и простую геометрию сварочного он может служить в качестве основы для определения процедуры для сварки фактических деталей. Главное отличие в том случае, результатом ограниченного потока режиссера энергии, в отличие от неограниченного потока в четырех краев перекрытия в одного круга купонов.

Протокол

1. Образец для резки и подготовки для ультразвуковой сварки

1. Вырезать прямоугольные образцы измерительных 25,4 мм х 101,6 мм от большего термопластичного композитного ламината, используя технику режущую, предотвращающую расслаивание кромок образцов (например, алмазных пил или гидроабразивной резки).
   Примечание: Размеры образцов основаны на ASTM D 1002 стандартной.
   1. Поскольку прочность сварных швов зависит от ориентации волокон на поверхностях свариваемых ^10, позаботиться, чтобы сократить все образцы в той же ориентации.
2. После резки, сухие образцы в печи в соответствии с рекомендациями производителя в случае термопластичная смола имеет тенденцию поглощать влагу (например, 6 ч при 135 ° С в течение шести слоев углепластика Полиэфиримид, CF / PEI, образцы).
3. Вырезать плоские энергии директорам, сделанные из аккуратной термопластичной пленки (той же смолы в качестве матрицы в композите), чтобы размер (приблизительно 26 мм х 26 мм) с толщиной, по меньшей мере 0,25 мм. При необходимости, высушить директор энергетической соответствии с рекомендациями производителя (например, 1 час при 135 ° С в течение директора энергетической PEI).
4. Перед сваркой, осмотрите образцов по одному для Отслаивающийся углах и при необходимости отменить. Очистите их с помощью обезжиривания и хлопчатобумажную ткань. Очистите плоские директоров энергетических следуя той же процедуре.

2. Ультразвуковая сварка Одно перекрывающий срез купонов

Примечание: с микропроцессорным управлением ультразвуковой сварочный аппарат в состоянии сварить при постоянной амплитуде используется на этой стадии. Данные сварщик выходы процесса, такие как, рассеиваемой мощности и смещения сонотрода в зависимости от времени в программном обеспечении сбора данных в компьютере. Пользовательский встроенный кондуктор разработаны и изготовлены точно позиционировать и закрепить образцы одного круга сдвига в процессе ультразвуковой сварки используется на этой стадии (рисунок 1).

Рисунок 1. Ультразвуковая сварщика и на заказ установки сварки используется в данном исследовании 1:. Волновод, 2: раздвижная платформа, 3: зажим для верхних образца (прилагается к 2), и 4: зажим для нижних образца (Перепечатано из ссылки 4 с разрешением от Elsevier.) Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуре.

1. Заполните рабочий журнал лист перед каждой сварочной эксперимента.
   1. Обратите внимание на следующие параметры: RT и влажность, сварочный ссылку установки, тип сонотродом, номер образца и материалы, ширину и толщину верхней и нижней образцов и толщину директора энергии.
2. Включите ультразвукового сварочного аппарата и компьютера. Запустите программу сбора данных и открыть новый сеанс.
3. Если не уже на месте, изменить sonotехал к цилиндрической сонотрода с диаметром 40 мм так, чтобы его нижняя поверхность полностью покрывает площадь сварки.
   Примечание: Другой Форма сонотрода может быть использован, но его нижняя поверхность не должна быть меньше, чем зоны сварки.
4. Положение и зафиксировать образцы и директор энергию в сварочном приспособлении (рисунок 1).
   1. Присоединить плоскую директор энергию в глубь образца с помощью клейкой ленты так, чтобы она покрывала немного большую площадь, чем площадь свариваемых (12,7 мм х 25,4 мм).
   2. Поместите нижнюю образца в приспособлении и зажать его, затянув верхний винт.
   3. Лента другой конец директора энергии к основанию установки, так что он остается на месте во время процесса.
   4. Поместите верхнюю образец в зажим, выровнять его и затяните верхний болт.
   5. Установите зажим для верхнего образца в сдвижной платформой и затянуть оба винта.
   6. Прежде чем продолжить, затяните все четыре винта один раз мруда.
5. Определить оптимальную продолжительность фазы вибрации на основе смещения сонотрода достижения максимально прочность сварного шва, как описано в шагах 2.5.1 к 2.5.8.
   Примечание: оптимальная продолжительность фазы колебаний определяется для каждого требуемого сочетания сварки силы и амплитуды колебаний.
   1. Установите ультразвуковой сварочный аппарат дифференциального режима перемещения-управления.
   2. Входной сварочного усилия и амплитуду вибрации в ультразвуковом сварщика (например, 300 Н и 86,2 мкм).
      Примечание: Для этого ультразвуковой сварки, 86,2 мкм соответствует амплитуде колебаний в пик-пик. В настройках машины, это выражается как половина этого значения, 43,1 мкм.
   3. Входной сонотрод смещение, или в пути, в конце фазы колебаний в качестве величины, равной первоначальной толщины режиссера энергии (например, 0,25 мм).
   4. Входной затвердевания много сил и времени в ультразвуковой сварки (например, 1000N и 4000 мс).
   5. Когда все будет готово, положить на звуконепроницаемыми наушниками и начать процесс ультразвуковой сварки.
   6. После завершения процесса, принять к сведению следующие выходные параметры: сварочный расстояние, максимальную мощность, время вибрации и энергию. Удалить купон от установки сварки и написать свой идентификационный номер на обоих концах с помощью маркера.
   7. Экспорт данных сварки (силовые и смещение сонотрода) в электронную таблицу и построить силу и смещение в зависимости от времени во время фазы колебаний процесса.
      Примечание: Кривая смещения должны построить нисходящую смещение сонотрода относительно его положения в начале фазы колебаний.
   8. Определить смещение в середине плато мощности (этап 4), как показано на рисунке 2 (в данном случае, 0.10 мм).
      Примечание: Этот конкретный значение смещения является оптимальным путешествия, который управляет продолжительность фазы колебаний и волибыть использованы в каждом последующем шва для той же сварочной силы и амплитуды.

Рисунок 2. Сила (черный) и перемещения (серый) кривые для ультразвуковой сварки, указывающий оптимальное значение путешествия. Фаза вибрация ультразвуковой сварки можно разделить на 5 этапов. Оптимальное значение путешествия находится в стадии 4. Конкретный пример: углеродного волокна армированного Полиэфиримид -PEI субстраты, 0,25 мм толщиной плоскую директор энергетической PEI, 300 Н сварочное усилие, амплитудные 86,2 мкм вибрации, 0,25 мм в поездке. (Перепечатано из ссылки 4 с разрешением от Elsevier.) Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуре.

6. Сварные купоны на оптимальном значении путешествий для данного сварочного силы и амплитуды combinatioп.
   1. Повторите шаги 2.1 до 2.5.6 для каждого сварного шва. На этапе 2.5.3, то используйте оптимальный ход определено на этапе 2.5.8 для соответствующего сварочного силы и амплитуды комбинации.
      Примечание: Все тесты LSS осуществляются следующие ASTM D 1002 на универсальной испытательной машине с скоростью ползуна 1,3 мм / мин.

3. Одно Круг Прочность на сдвиг (LSS) контроль сварных купонов

1. Измерьте и принять к сведению этой ширине для каждого сварного купона.
2. Включите универсальной испытательной машине и открыть процедуру тестирования для LSS на компьютере.
3. В интерфейсе тестирования, ввести номер образца и размеры перекрытия. Установите силу 0, а сцепление для захвата разделение в исходное положение (например, 60 мм).
4. Поместите образец в тисках испытательной машины, как показано на рисунке 3.

Рисунок 3. Схематическое изображение зажимного в Roell 250 кН универсальной испытательной машине Zwick / (не в масштабе). Смещение смещение между верхними и нижними захватами позволяет отцентрировать направление нагрузки с линией центра шва, чтобы минимизировать изгиб во время сдвига коленях испытание на прочность. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуре.

5. Начните процедуру тестирования с компьютера, нажав кнопку "Пуск".
6. После того как образец перерывов, удалить его из захватов и закрепить обе части вместе с лентой.
7. Повторите шаги 3,3 до 3,6 для всех других образцов.
8. Когда завершения тестов, экспортировать данные в электронную таблицу и вычислить среднюю величину LSS, в соответствии с процедурой, описанной в стандарте, для каждой сварочной силы и амплитуды комбинации.

Результаты

Карбоновые образцы армированных полиэфиримид (CF / PEI) были сварены в соответствии с методикой, описанной в этой статье. Образцы были получены из композиционного слоистого материала из пяти жгута ткань атлас CF / PEI, с (0/90) _3S последовательность укладки и 1,92 мм номинальной толщиной. Образцы были вырезаны из этого ламината так, что основной очевидными ориентация волокон было параллельно их длинной стороне. были использованы плоские энергии директоры PEI толщиной 0,25 мм. ...

Обсуждение

Результаты, представленные в предыдущем разделе указывают целесообразность прямым методом, предложенным в данной работе для ультразвуковой сварки термопластичных композиционных одного круга купонов с целью механических испытаний. В нижеследующих пунктах рассматриваются как результаты проверки достоверности три основных положения метода, т.е. использование плоских сыпучих энергетических директоров, использование обратной связи процесса, чтобы определить оптимальную продолжительность вибрации и использования конт...

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье

Имя	Компания	Каталожный номер	Комментарии
<прочный>Материал/Реагент
Цетексовое углеродное волокно / полиэфиримид (CF/PEI) 5 жгутовый атласный препрег	TenCate Advanced Composites (www.tencate.com)	Связаться с поставщиком	Материал, использованный в этом исследовании для образцов.
Обезжириватель растворителей PFQD	PT Technologies Europe (теперь Socomore - www.socomore.com)	Свяжитесь с поставщиком	Обезжириватель растворителей для очистки образцов и директоров по энергетике.
Хлопчатобумажные салфетки			Для общей уборки. Конкретный поставщик не использовался.
Пленка PEI 0,25 мм	TenCate Advanced Composites (www.tencate.com)	Связаться с поставщиком	Тонкая пленка используется в качестве энергетического директора.
Клейкая лента	Airtech Advanced Materials Group (www.airtechintl.com)	1" x 72 ярда MFG # 327402 Свяжитесь с поставщиком для получения каталожного номера	Используется для прикрепления энергетического директора к нижнему образцу для ультразвуковой сварки.
Название<	strong>Company	>Номер в каталоге	>Комментарии
Equipment
Vö tsch oven	Vö TSCH Industrietechnik (www.voetsch-ovens.com)	VTU 60/60 - Свяжитесь с поставщиком для получения конкретного каталожного номера	Печь, используемая для сушки пленки PEI (энергетические директора) и образцов PEI перед сваркой.
Ультразвуковой сварочный аппарат Rinco Dynamic 3000	Aeson BV (www.aeson.nl/en/)	Свяжитесь с поставщиком	ультразвукового сварочного аппарата 20 кГц, используемого для сварочных экспериментов. Доступно несколько размеров сонотрода. Свяжитесь с поставщиком для уточнения деталей. Программное обеспечение ACUCapture включено.
Универсальная испытательная машина Zwick/Roell	Zwick (www.zwick.com)	Z250 - Свяжитесь с поставщиком для получения конкретного каталожного номера	Универсальная испытательная машина с максимальной нагрузкой 250 кН, используемая для измерения прочности на сдвиг в один нахлест.