Introduction
materiales compuestos termoplásticos (TPC) tienen la capacidad de soldar, lo que contribuye a su fabricación rentable. La soldadura requiere calentamiento local bajo presión para ablandar o fundir la resina termoplástica de las superficies de unión y para permitir el contacto íntimo y la posterior inter-difusión de cadenas de polímero termoplástico a través de la interfaz de soldadura. Una vez que se logra entre la difusión molecular, el enfriamiento bajo presión consolida la unión soldada. Varias técnicas de soldadura son aplicables a compuestos termoplásticos que difieren principalmente en la fuente de calor 1, sin embargo, el principal mecanismo de "adherencia", es decir, el entrelazamiento molecular, se mantiene sin cambios. La soldadura ultrasónica ofrece tiempos muy cortos de soldadura (en el orden de unos pocos segundos), de fácil automatización y es prácticamente independiente del tipo de refuerzo en los sustratos compuestos termoplásticos. Además, ofrece la posibilidad de monitoreo in situ 2,3 4. Soldadura por ultrasonidos de materiales compuestos termoplásticos es sobre todo un proceso de soldadura por puntos, sin embargo soldadura exitosa de costuras más largas a través de soldadura por ultrasonidos secuencial ha sido reportado en la literatura 5. A diferencia de la resistencia o la inducción de soldadura, soldadura por ultrasonidos no se ha aplicado industrialmente para uniones estructurales entre piezas compuestas termoplásticas hasta ahora. Sin embargo, se está dedicando actualmente un esfuerzo importante para promover el desarrollo de la soldadura ultrasónica estructural de compuestos termoplásticos para aplicaciones aeronáuticas.
En la soldadura por ultrasonidos, las piezas a unir se someten a una combinación de fuerza estática y de alta frecuencia vibraciones mecánicas de baja amplitud transversal a la interfaz de soldadura, lo que resulta en la generación de calor a través de la superficie y calefacción viscoelástico. calefacción preferencial en la interfaz de soldadura se promuevemediante el uso de protuberancias de resina en las superficies a soldar, que se someten a mayor tensión cíclica, y calefacción por tanto, mayor viscoelástico, que los sustratos 6. Fuerza y la vibración se ejercen sobre las piezas a soldar a través de un sonotrodo conectado a una prensa y a un tren de ultrasonidos consiste en piezo convertidor eléctrico y de refuerzo. Dependiendo de la distancia entre el punto en que los contactos sonotrodo la parte a unir y la interfaz de soldadura, una distinción se puede hacer entre campo próximo y la soldadura ultrasónica de campo lejano. De campo cercano de soldadura (menos de 6 mm entre sonotrodo y la interfaz de soldadura) es aplicable a una gama más amplia de materiales, mientras que la aplicabilidad de la soldadura de campo lejano de un material termoplástico específico depende de la capacidad del material para conducir ondas de sonido 6 altamente .
El proceso de soldadura ultrasónica se puede dividir en tres fases principales. En primer lugar, una fase de acumulación de fuerza, durante el cual el sonotroaumenta gradualmente de la fuerza sobre las piezas a soldar hasta que se alcanza una cierta fuerza de disparo. No se aplica vibración durante esta fase. En segundo lugar, una fase de vibración, que se inicia una vez que se alcanza la fuerza de disparo. En esta fase el sonotrodo vibra a la amplitud prescrita para una cierta cantidad de tiempo que genera el calor necesario para el proceso de soldadura. Soldadores ultrasónicos controlados por microprocesador proporcionan varias opciones para controlar la duración de la fase de vibración, entre ellos el tiempo (es decir, el control directo), el desplazamiento o la energía (control indirecto). La fuerza aplicada durante esta fase, es decir, la fuerza de soldadura, se puede mantener constante e igual a la fuerza de disparo o se puede variar gradualmente durante la aplicación de la vibración. En tercer lugar, una fase de solidificación, durante el cual se permite que las partes soldadas se enfríe bajo una cierta fuerza de solidificación por una cierta cantidad de tiempo. No hay vibraciones se aplica durante esta última etapa.
fo de soldaduraRCE, amplitud de la vibración, la frecuencia de vibración y la duración de la fase de la vibración (ya sea directa o indirectamente controlados a través de la energía o de desplazamiento) son los parámetros de soldadura que controlan la generación de calor. Fuerza, amplitud y duración son los parámetros definidos por el usuario, mientras que la frecuencia se fija para cada aparato de soldadura ultrasónica. fuerza de solidificación y tiempo de la solidificación, también la soldadura de los parámetros, no intervienen en el proceso de calentamiento, sino que afectan la consolidación y, junto con el resto de los parámetros, la calidad final de las uniones soldadas.
En este trabajo se presenta un método sencillo para la novela de campo cercano de soldadura por ultrasonidos de cupones TPC individuales en una sola configuración para su posterior vuelta, cizalla mecánica sola vuelta (LSS), las pruebas siguiendo la norma ASTM (Sociedad Americana para Pruebas y Materiales) D 1002 estándar. Ensayos mecánicos de los cupones soldados permite determinar la aparente resistencia a la cizalla por solape de las articulaciones, que es una de las propiedades más Commsólo se utiliza para cuantificar la fuerza de compuesto termoplástico uniones soldadas 7. El método de soldadura se describe en este documento se basa en tres pilares principales. En primer lugar, directores de energía plana sueltos se utilizan para la generación de calor preferencial en la interfaz de unirse a 8,9 durante el proceso de soldadura. En segundo lugar, los datos de proceso proporcionados por el aparato de soldadura ultrasónica se utiliza para definir rápidamente la duración óptima de la fase de vibración para una fuerza específica / combinación de amplitud 2,4. En tercer lugar, la duración de la fase de la vibración se controla indirectamente a través del desplazamiento del sonotrodo con el fin de asegurar una calidad consistente de las uniones soldadas 4. Este método de soldadura ofrece las siguientes novedades principales y ventajas con respecto a los procedimientos de soldadura con tecnología de última generación para compuestos termoplásticos: (a) la preparación de muestras simplificado habilitado por el uso de directores de energía planos sueltos en lugar de directores de energía moldeados tradicionales 3, y (b) yc rápidadefinición ost-eficiente de los parámetros de procesamiento basados en la supervisión de procesos in situ en comparación con los enfoques de prueba y error comunes. Aunque el método descrito en este documento está orientado a la obtención de una geometría muy específica y simple de soldadura que puede servir como base para definir un procedimiento para la soldadura de piezas reales. Una diferencia principal en ese caso resulta de flujo restringido del director de energía en comparación con el flujo sin restricciones en los cuatro bordes de la superposición de cupones de vuelta individuales.
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Protocol
1. Espécimen de corte y soldadura por ultrasonidos para la Preparación
- Cortar muestras rectangulares de 25,4 mm x 101,6 mm de un laminado de material compuesto termoplástico de mayor tamaño usando una técnica de corte que previene la deslaminación de los bordes de las muestras (por ejemplo, diamante de sierra o de corte por chorro de agua).
Nota: Las dimensiones de las muestras se basan en ASTM D 1002 estándar.- Desde resistencia de las juntas soldadas depende de la orientación de las fibras en las superficies a soldar 10, tener cuidado de cortar todas las muestras en la misma orientación.
- Después del corte, las muestras secas en un horno según las recomendaciones del fabricante en el caso de la resina termoplástica tiende a absorber la humedad (por ejemplo, 6 horas a 135 ° C para fibra de carbono de seis capas reforzada polieterimida, CF / PEI, las muestras).
- Cortar directores de energía planos hechos de película termoplástica puro (misma resina que la matriz en el material compuesto) con el tamaño (aproximadamente 26 mm x 26 mm) con un espesor de al menos 0,25 mm. Si es necesario, se seca el director de energía siguiendo las recomendaciones del fabricante (por ejemplo, 1 hora a 135 ° C para el director de energía PEI).
- Antes de la soldadura, inspeccionar muestras de uno en uno para las esquinas delaminados y descartar si es necesario. Limpiarlos utilizando un desengrasante y un paño de algodón. Limpiar los directores de energía planos siguiendo el mismo procedimiento.
2. La soldadura por ultrasonidos de una sola vuelta Cupones Shear
Nota: Un aparato de soldadura ultrasónica controlada capaz de soldar a amplitud constante micro-procesador se utiliza en este paso. Los datos de proceso salidas soldador, como la energía disipada y el desplazamiento del sonotrodo en función del tiempo para el software de adquisición de datos en una computadora. Una plantilla hecha a la medida diseñados y fabricados para posicionar con precisión y sujetar muestras individuales vuelta de cizallamiento durante la soldadura por ultrasonidos se utiliza en este paso (ver Figura 1).
Figura 1. ultrasonidos soldador y la configuración de la soldadura a la medida utilizada en este estudio 1:. Sonotrodo, 2: plataforma deslizante, 3: Abrazadera para la muestra de la parte superior (que se adjunta a 2), y 4: pinza para el espécimen inferiores (Reimpresión de referencia 4 con permiso de Elsevier.) Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
- Llenar una hoja del cuaderno de la soldadura antes de cada experimento.
- Toma nota de los siguientes parámetros: la temperatura ambiente y la humedad, la referencia de instalación de soldadura, tipo sonotrodo, número de muestra y materiales, ancho y espesor de las muestras superior e inferior, y el grosor del director de energía.
- Encienda el aparato de soldadura ultrasónica y el ordenador. Ejecutar el software de adquisición de datos y abrir una nueva sesión.
- Si no está ya en su lugar, cambiar la Sonotmontó a un sonotrodo cilíndrico con un diámetro de 40 mm de modo que su superficie inferior cubre completamente el área de soldadura.
Nota: Una forma diferente de sonotrodo puede ser utilizado, pero su superficie inferior no debe ser menor que el área de soldadura. - Posición y fijar las muestras y director de energía en la plantilla de soldadura (véase la Figura 1).
- Adjuntar un director de energía plano para la muestra inferiores con cinta adhesiva para que cubra un área ligeramente mayor que el área a soldar (12,7 mm x 25,4 mm).
- Coloque la muestra en la parte inferior plantilla y fijarlo enroscando el tornillo superior.
- Tape el otro extremo del director de energía a la base de la configuración para que se mantenga en su lugar durante el proceso.
- Coloque la muestra en la abrazadera superior, alinearlo y apretar el tornillo superior.
- Coloque la abrazadera para la muestra superior en la plataforma deslizante y apriete los dos tornillos.
- Antes de seguir adelante, apriete los cuatro tornillos una vez mmineral.
- Determinar la duración óptima de la fase de la vibración basado en el desplazamiento del sonotrodo para conseguir la mayor resistencia de la soldadura, como se describe en los pasos 2.5.1 a 2.5.8.
Nota: Un duración óptima de la fase de la vibración se determina para cada combinación deseada de la fuerza de soldadura y amplitud de la vibración.- Ajuste el aparato de soldadura ultrasónica a la diferencia de modo de control de desplazamiento.
- De entrada de fuerza de soldadura y amplitud de la vibración en el aparato de soldadura ultrasónica (por ejemplo, 300 N y 86,2 micras).
NOTA: Para este soldador ultrasónico, 86,2 micras corresponde a la amplitud de la vibración de pico a pico. En la configuración del equipo, que se expresa como la mitad de este valor, 43.1 micras. - Introducir el desplazamiento sonotrodo, o de viaje, al final de la fase de la vibración como un valor igual al espesor inicial de la director de energía (por ejemplo, 0,25 mm).
- fuerza de entrada de la solidificación y el tiempo en el aparato de soldadura ultrasónica (por ejemplo, 1000N y 4,000 mseg).
- Cuando esté listo, se puso los auriculares insonorizadas e iniciar el proceso de soldadura por ultrasonidos.
- Después de la terminación del proceso, tomar nota de los siguientes parámetros de salida: la distancia de la soldadura, la potencia máxima, tiempo de vibración y la energía. Retirar el cupón de la configuración de soldadura y escribir su número de identificación en ambos extremos con un marcador de pintura.
- Exportar los datos de soldadura (alimentación y desplazamiento del sonotrodo) a una hoja de cálculo y trazar el poder y el desplazamiento frente a las curvas de tiempo durante la fase de la vibración del proceso.
Nota: La curva de desplazamiento debe trazar el desplazamiento hacia abajo del sonotrodo relación a su posición en el inicio de la fase de la vibración. - Identificar el desplazamiento en el medio de la meseta de potencia (etapa 4) como se muestra en la Figura 2 (en este caso, 0,10 mm).
Nota: este valor de desplazamiento en particular es el recorrido óptimo que controla la duración de la fase de la vibración y la voluntadser utilizado en cada soldadura posteriores con la misma fuerza de soldadura y la amplitud.
Figura 2. Potencia (negro) y las curvas (gris) de desplazamiento para el proceso de soldadura por ultrasonidos que indica valor de desplazamiento óptimo. La fase de la vibración de la soldadura por ultrasonidos se pueden dividir en 5 etapas. valor de desplazamiento óptima se encuentra dentro de la etapa 4. Caso de estudio: fibra de carbono reforzado con sustratos de polieterimida -PEI, director de energía PEI plana de 0,25 mm de espesor, 300 N Fuerza de soldadura, 86,2 m de amplitud de vibración, 0,25 mm de recorrido. (Tomado de la referencia 4 con permiso de Elsevier.) Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
- cupones de soldadura en el valor de desplazamiento óptima de la fuerza de soldadura dado y combinatio amplitudnorte.
- Repita los pasos 2.1 a 2.5.6 para cada soldadura. En el paso 2.5.3, utilice el recorrido óptimo determinado en el paso 2.5.8 para la fuerza de soldadura correspondiente y la combinación de amplitud.
Nota: Todas las pruebas LSS se realizan siguiendo la norma ASTM D 1002 en una máquina universal de ensayo con una velocidad de cruceta de 1,3 mm / min.
- Repita los pasos 2.1 a 2.5.6 para cada soldadura. En el paso 2.5.3, utilice el recorrido óptimo determinado en el paso 2.5.8 para la fuerza de soldadura correspondiente y la combinación de amplitud.
3. sola vuelta Resistencia al cizallamiento (LSS) Ensayo de cupones con costura
- Medir y tomar nota de la anchura de la superposición de cada cupón soldado.
- Encienda la máquina universal de ensayos y abrir el procedimiento de prueba para la LSS en el equipo.
- En la interfaz de prueba, introduzca el número de la muestra y las dimensiones de la superposición. Establecer la fuerza a 0 y la separación de agarre de agarrar a su posición inicial (por ejemplo, 60 mm).
- Coloque la muestra en las garras de la máquina de ensayo, como se muestra en la Figura 3.
Figura 3. Vista esquemática de la sujeción en el Roell 250 kN máquina Zwick / prueba universal (no a escala). El desplazamiento de desplazamiento entre las mordazas superior e inferior permite la alineación de la dirección de la carga con la línea central de la soldadura para minimizar la flexión durante el cizallamiento vuelta prueba de resistencia. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
- Iniciar el procedimiento de prueba desde el ordenador haciendo clic en el botón "Inicio".
- Después la muestra se rompe, eliminarlo de los agarres y asegure ambas partes juntas con cinta adhesiva.
- Repita los pasos 3.3 a 3.6 con las demás muestras.
- Cuando se hayan completado las pruebas, exportar los datos a una hoja de cálculo y calcular el valor medio LSS, de acuerdo con el procedimiento descrito en la norma, para cada fuerza de la soldadura y la combinación de amplitud.
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Representative Results
muestras de fibra de carbono reforzada polieterimida (CF / PEI) se sueldan siguiendo el método descrito en este documento. Las muestras se obtuvieron a partir de un estratificado de material compuesto hecha de cinco arnés de tela de satén CF / PEI, con espesor nominal (0/90) 3S secuencia de apilamiento y 1,92 mm. Se cortaron muestras a partir de este laminado de modo que la principal orientación aparente de las fibras fue paralela a su lado más largo. Se utilizaron los directores de energía planos PEI con un espesor de 0,25 mm. Tanto las muestras compuestas y los directores de energía se secaron en un horno a 135 ° C durante 6 y 1 h, respectivamente, como se indica por el fabricante. El uso de curvas de potencia y desplazamiento obtenidos por mm de recorrido de 0,25, un valor de desplazamiento óptimo alrededor de 0,10 mm, es decir, el 40% del espesor inicial del director de energía, se obtuvo para las muestras de CF / PEI soldadas por debajo de 300 N Fuerza de soldadura y 86,2 micras pico -to-pico de amplitud de la vibración (ver Figura 2 en las figuras 4 y 5, respectivamente.
Figura 4. Las curvas de potencia para cupones CF / PEI soldadas en concepto de viajes óptima Las curvas de potencia (desplazado verticalmente para mayor claridad) muestran consistentes final del proceso de soldadura en la etapa 4. Las líneas verticales indican el inicio de la etapa 3. Caso de estudio:. CF / PEI sustratos, director 0,25 mm de espesor plana PEI energía, 300 N fuerza de soldadura, 86,2 m de amplitud de vibración, 0 0,10 mm de recorrido. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 5. sección transversal micrografía típica (arriba) y la superficie de fractura (parte inferior) para CF / PEI cupón soldada bajo viajes óptima. Uniones soldadas se asemejan a un laminado de material compuesto más grueso sin diferencias visibles entre la línea de soldadura (indicado por la flecha) y los sustratos . Después de las pruebas de cizallamiento, superficies de fractura muestran desgarro de fibra significativa. Caso de estudio: sustratos CF / PEI, director de energía PEI plana de 0,25 mm de espesor, 300 N Fuerza de soldadura, 86,2 m de amplitud de vibración, 0,10 mm de recorrido. (Tomado de la referencia 4 con permiso de Elsevier.)OAD / 53592 / 53592fig5large.jpg "target =" _ blank "> Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Con el fin de comprobar la validez del enfoque presentado en este documento para determinar el recorrido óptimo para una cierta fuerza / combinación de amplitud, las muestras se sueldan a diferentes valores de viaje, por debajo y por encima del recorrido óptimo, y posteriormente probado. El resto de los parámetros de soldadura usados para la soldadura de estas muestras eran, como en el caso anterior, 300 fuerza N de soldadura, 86,2 m de amplitud, 1000 N de fuerza de solidificación y 4 seg Tiempo de solidificación. La Figura 6 muestra la aparente resistencia al cizallamiento como una función del recorrido (representado como un porcentaje del espesor inicial de la director de energía).
Figura 6. vuelta aparente resistencia al corte de CF / PEI Coupons soldadas bajo diferentes valores de viaje. viaje está representado aquí en relación con el espesor de la director de energía. Caso de estudio: sustratos CF / PEI, director de energía PEI plana de 0,25 mm de espesor, 300 N Fuerza de soldadura, 86,2 micras amplitud de la vibración, los viajes variable. (Tomado de la referencia 4 con permiso de Elsevier.) Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Por último, la soldadura desplazamiento controlado se comparó con otras posibilidades que ofrece el aparato de soldadura ultrasónica como la soldadura por tiempo o controlado de energía. Con este propósito, los valores de resistencia de cizallamiento vuelta representados en la Figura 4 se representaron gráficamente como una función del tiempo de la vibración (figura 7) y de la energía de soldadura (Figura 8). tiempo y energía valores de vibración para todas las muestras soldadas en este estudio fueron provided por el aparato de soldadura ultrasónica como una salida del proceso de soldadura.
. Figura 7. aparente fuerza de cizallamiento cupones CF / PEI en función del tiempo de vibración obtenida mediante el uso de los tiempos de vibración de muestras utilizado para trazar la figura 6 Caso de estudio:. / CF sustratos PEI, director de energía de 0,25 mm de espesor plana PEI, 300 N Fuerza de soldadura , 86,2 micras amplitud de la vibración, los viajes variable. (Adaptado de la referencia 4 con permiso de Elsevier.) Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 8. regazo fuerza de cizallamiento aparente de cupones CF / PEI contra energía de soldadura. Se obtiene mediante el uso de la energía de soldadura values de las muestras utilizadas para trazar la figura 6 Caso de estudio:. sustratos CF / PEI, director de energía PEI plana de 0,25 mm de espesor, 300 N Fuerza de soldadura, 86,2 micras amplitud de la vibración, viajes variable. (Adaptado de la referencia 4 con permiso de Elsevier.) Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
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Discussion
Los resultados presentados en la sección anterior indican la idoneidad del método directo propuesto en este documento para la soldadura ultrasónica de cupones de vueltas individuales de compuestos termoplásticos para el propósito de la prueba mecánica. Los siguientes párrafos discuten cómo los resultados validan los tres pilares principales del método, es decir, el uso de guías de energía sueltos planos, uso de retroalimentación del proceso para definir la duración óptima de la vibración y el uso del control de desplazamiento, así como la aplicabilidad y limitaciones de la técnica.
Con respecto al primer pilar, directores de energía planos se muestran para permitir la soldadura con éxito de los cupones del TPC. En la soldadura ultrasónica de plásticos no reforzados, se requieren directores de energía en forma de protuberancias de resina con un área de sección transversal menor que el de la superposición de unirse para generar cepas cíclicos más altas y, por tanto, la generación de calor viscoelástico preferencial en la inter soldadura6 cara. Sin embargo, en la soldadura por ultrasonidos de TPC, directores de energía planos con la misma área de sección transversal como la superposición de soldadura se traducen con éxito en calefacción viscoelástico preferencial en la interfaz de soldadura debido a la rigidez a la compresión inferior del director de energía plano y cepas tanto, mayor cíclicos durante el proceso de soldadura. El calor generado en la interfaz funde el director de energía y se transfiere a los sustratos. Bajo el efecto de la fuerza de soldadura, el director de energía fundido es expulsado de la superposición de soldadura hasta que se alcanza el recorrido prescrito. Valores de recorrido óptimas dan como resultado superposiciones completamente soldadas y secciones transversales que se asemejan a un laminado más grueso puesto que el espesor de la línea de soldadura es similar a la de las áreas ricas en resina en los sustratos (véase la Figura 5). Debe tenerse en cuenta que, al utilizar directores de energía planos, no es necesaria la optimización del director de energía a fin de lograr completamente soldado se solapa 8, como sea diferencia de las soluciones de dirección de energía más tradicionales, en los cuales necesitan ser optimizados para lograr una cobertura completa de la zona de soldadura destinada 10,11 el tamaño, la forma y el espacio entre directores de energía. Del mismo modo, en comparación con soluciones tales como directores de energía triangulares utilizados tradicionalmente para la soldadura por ultrasonidos de TPC 3, directores de energía planos han sido demostrado que el resultado de los valores de resistencia de la soldadura similares, mientras que no tener un impacto negativo significativo en la otra producción importante del proceso como máximo potencia, energía o tiempo de soldadura 8.
Con respecto a la segunda columna, para una determinada combinación de la fuerza de soldadura y la amplitud, es posible definir valores óptimos de viaje, es decir, los valores de viajes que conducen a la fuerza máxima, sobre la base de las curvas de potencia y de desplazamiento proporcionadas por el aparato de soldadura ultrasónica. Esencialmente, los diferentes eventos en las curvas de potencia y de desplazamiento durante la fase de vibración del proceso de soldadura can estar relacionado con los cambios físicos que ocurren en el director de energía y los sustratos TPC durante el calentamiento 2. En consecuencia, y como se muestra en la Figura 2, la fase de las vibraciones del proceso de soldadura puede dividirse en las 5 etapas siguientes 2:
Etapa 1, caracterizado por el aumento continuo de la potencia disipada hasta que se alcanza un máximo y pequeña retracción del sonotrodo para dar cabida a la vibración. En el estadio 1 calentamiento del director de energía sin ningunos cambios físicos observables en la interfaz de soldadura se produce. Etapa 2, caracterizado por la disminución de energía y no un desplazamiento significativo del sonotrodo. En la etapa 2 el director de energía plana comienza a fundirse localmente como la nucleación de puntos calientes y el proceso de crecimiento. Etapa 3, caracterizado por aumento de la potencia y el desplazamiento hacia abajo del sonotrodo. En la etapa 3 el director de energía completa es fundido y comienza a fluir bajo el efecto de la fuerza de soldadura. Etapa 4, caracterizado por unameseta de potencia y el desplazamiento hacia abajo del sonotrodo. En la etapa 4 de la matriz en las capas superiores de los sustratos compuestos comienza a derretirse localmente junto con el flujo de compresión del director de energía. Etapa 5, que se caracteriza por la disminución de potencia y desplazamiento hacia abajo del sonotrodo. En la etapa 5 de fusión de la matriz en la sustratos es predominante.
La fuerza más alta de soldadura se produce durante la fase 4 desde la fusión de la matriz en las capas superiores de los sustratos compuestos permite la difusión de cadenas de polímero a través de la interfaz de soldadura y por lo tanto el entrelazamiento molecular entre los dos sustratos. Este entrelazamiento molecular desarrolla una fuerte conexión que da lugar a la rotura de la fibra durante la prueba de una sola vuelta, como se ve en la Figura 5. Más allá de esta etapa óptima, excesiva de fusión de la matriz en los sustratos resultados compuestos en la distorsión de fibra significativa en la interfaz de soldadura, que se cree para causar una caída en la soldadura strengº 4. Los resultados presentados en la Figura 6, que corresponden a una combinación específica de la fuerza de soldadura y la amplitud de la vibración, apoyan esta discusión. Debe tenerse en cuenta que diferentes de fuerza / combinación amplitud resultaría en diferente salida del proceso de soldadura en términos de la potencia máxima y la energía consumida así como la duración de la fase de vibración 2. Sin embargo, el método para determinar el valor de desplazamiento óptimo es independiente de la fuerza elegido / combinación de amplitud 4.
Con respecto al tercer pilar, soldadura desplazamiento controlado dio lugar a relativamente baja dispersión en la vuelta aparente resistencia al corte de las uniones soldadas en las condiciones óptimas. Esto se cree que resulta del hecho de que todas las muestras fueron soldadas consistentemente en la misma etapa (es decir, etapa 4) dentro de la fase de vibración del proceso), como se muestra en la Figura 4. Figura 7 indica que sitiempo había sido utilizado como el parámetro de control para el proceso de soldadura, una dispersión más alta en los valores de resistencia se podría haber esperado debido a la superposición significativa en los tiempos de vibración para diferentes valores de viaje. De acuerdo con la Figura 8 y los resultados presentados en la literatura 12, la energía es una opción mejor que el tiempo como el parámetro de control. Sin embargo, la energía de soldadura depende en gran medida del grosor de los sustratos y la naturaleza de la plantilla de soldadura y por lo tanto el valor óptimo de la energía cambia de forma significativa cuando cualquiera de esas dos variables cambian 4. Por el contrario, el desplazamiento del sonotrodo está directamente relacionada con el flujo de compresión del director de energía y de la matriz en la interfaz de soldadura y por lo tanto se puede esperar que sea menos sensible a los cambios en cualquiera de las variables 4 mencionados anteriormente.
El nuevo método descrito en este documento permite la soldadura por ultrasonidos de campo cercano directa de los termoplásticososite cupones para las pruebas de esfuerzo cortante sola vuelta. Los resultados presentados se refieren a la soldadura de materiales compuestos CF / PEI pero el mismo método se ha aplicado con éxito a otros compuestos termoplásticos reforzados tales como sulfuro de CF / polyphenyplene (PPS) 8. Como se describe en el documento, el método es directamente aplicable a la soldadura de una geometría muy específico, sin embargo, en el caso se considera una geometría de soldadura diferentes, hay tres puntos críticos que deben tenerse en cuenta. En primer lugar, el aumento del área de contacto entre las piezas a soldar tiene un impacto directo sobre la potencia máxima disipada durante el proceso de soldadura. En consecuencia, el área máxima que se puede soldar en una sola toma está limitada por la potencia máxima suministrada por el aparato de soldadura ultrasónica. En segundo lugar, el método descrito en este documento considera la circulación sin restricciones de dirección de energía de fusión de los cuatro bordes de la superposición de soldadura. Una configuración de soldadura diferente podría, sin embargo restringir el flujo de polímero. Estase puede esperar que tenga un impacto en la evolución del desplazamiento del sonotrodo durante el proceso de soldadura y que, probablemente, impone limitaciones a la soldadura de desplazamiento controlado. En tercer lugar, si el espesor de las partes es tal que la distancia desde el sonotrodo a la interfaz de soldadura es mayor que 6 mm, las consideraciones específicas de campo lejano de soldadura por ultrasonidos debe ser contabilizada. Sin embargo, el método presentado en este documento puede ser considerado como una base para el desarrollo de procedimientos de soldadura por ultrasonidos para el montaje de las estructuras reales de compuestos termoplásticos. Las principales novedades y ventajas de este método se han simplificado de procesamiento debido al uso de directores de energía plana sueltos y el uso de los datos proporcionados por el soldador para definir rápidamente la duración óptima de la vibración para diferentes combinaciones de fuerza y amplitud. En comparación con los procedimientos de ensayo y error en curso, la definición de los parámetros del proceso en base a datos de proceso tiene el potencialpara ofrecer un ahorro significativo en el esfuerzo y el tiempo necesario para desarrollar procesos de soldadura para aplicaciones específicas.
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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. |
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