Soudage par ultrasons des Coupons composite thermoplastique pour la caractérisation mécanique des joints soudés par des tests de cisaillement de recouvrement simple

Introduction

composites thermoplastiques (PTC) ont la possibilité d'être soudé, ce qui contribue à leur fabrication rentable. Soudage nécessite un chauffage local sous pression pour ramollir ou fondre la résine thermoplastique des surfaces d'assemblage et pour permettre un contact intime et après interdiffusion des chaînes de polymères thermoplastiques à travers l'interface de soudure. Une fois inter-diffusion moléculaire est réalisée, le refroidissement sous pression consolide le joint soudé. Plusieurs techniques de soudage sont applicables aux composites thermoplastiques qui diffèrent principalement dans la source de chaleur ^1, cependant, le principal mécanisme "d'adhésion", à savoir, l'enchevêtrement moléculaire, reste inchangé. soudage par ultrasons offre de très courts temps de soudage (de l'ordre de quelques secondes), l'automatisation facile et il est pratiquement indépendant du type de renfort dans les substrats composites thermoplastiques. De plus, il offre la possibilité de surveillance in situ ^2,3 4. Soudage par ultrasons des composites thermoplastiques est essentiellement un processus de soudage par points, soit le succès de soudage plus longues coutures par soudage par ultrasons séquentielle a été rapporté dans la littérature ^5. Par opposition à la résistance ou soudage par induction, le soudage par ultrasons n'a pas été appliqué industriellement pour les joints entre les pièces structurelles composites thermoplastiques à ce jour. Néanmoins, des efforts importants sont actuellement consacrée à la poursuite du développement du soudage par ultrasons structurelle de composites thermoplastiques pour applications aéronautiques.

Dans le soudage par ultrasons, les pièces à assembler sont soumis à une combinaison de la force statique et à haute fréquence des vibrations mécaniques de faible amplitude transversale par rapport à l'interface de soudage, ce qui se traduit par la génération de chaleur à travers la surface et chauffage viscoélastique. chauffe préférentielle à l'interface de soudage est promuà l'aide de saillies de résine sur les surfaces à souder qui subissent une déformation cyclique supérieure, et le chauffage ainsi viscoélastique ultérieure, que les substrats ^6. La force et les vibrations sont exercées sur les pièces à souder à travers une sonotrode relié à une presse et d'un train d'ultrasons constitué de piézo convertisseur électrique et booster. En fonction de la distance entre le point où les contacts de la sonotrode de pièces à assembler et à l'interface de soudage, une distinction peut être faite entre champ proche et champ lointain soudage par ultrasons. Champ proche soudage (moins de 6 mm entre sonotrode et l'interface de soudage) est applicable à un large éventail de matériaux tandis que l'applicabilité de champ lointain soudage à un matériau thermoplastique spécifique est fortement tributaire de la capacité du matériau à conduire ondes sonores ⁶ .

Le procédé de soudage par ultrasons peut être divisé en trois phases principales. Tout d'abord, une phase active accumulation, au cours de laquelle la sonotroaugmente graduellement de la force sur les pièces à souder jusqu'à ce qu'une certaine force de déclenchement est atteinte. Aucune vibration est appliquée au cours de cette phase. D'autre part, une phase de vibration, qui commence une fois que la force de déclenchement est atteinte. Dans cette phase, la sonotrode vibrant à l'amplitude prescrite pour un certain laps de temps générant la chaleur nécessaire pour le processus de soudage. Contrôlés par microprocesseur soudeurs ultrasons offrent plusieurs options pour contrôler la durée de la phase de vibration, parmi eux le temps (contrôle direct), le déplacement ou l'énergie (contrôle indirect). La force appliquée pendant cette phase, à savoir, la force de soudage, peut être maintenue constante et égale à la force de déclenchement ou peut être progressivement modifiée pendant l'application de la vibration. En troisième lieu, une phase de solidification au cours de laquelle les parties soudées sont autorisés à refroidir sous une certaine force de solidification pendant un certain laps de temps. Aucune vibration est appliquée au cours de cette dernière étape.

fo de soudagerce, l'amplitude des vibrations, la fréquence de vibration et la durée de la phase de vibration (soit directement, soit indirectement par l'énergie contrôlés ou déplacement) sont les paramètres de soudage qui contrôlent la production de chaleur. La force, l'amplitude et la durée sont des paramètres définis par l'utilisateur, tandis que la fréquence est fixée pour chaque soudeur ultrasons. vigueur de solidification et le temps de solidification, soudage également des paramètres, ne pas intervenir dans le processus de chauffage, mais affectent la consolidation et, en même temps que le reste des paramètres, la qualité finale des joints soudés.

Cet article présente une méthode simple roman pour en champ proche soudage par ultrasons des coupons de PTC individuels dans une configuration de tour unique pour la suite mécanique, cisaillement simple tour (LSS), le test suivant la norme ASTM (American Society for Testing and Materials) à la norme D 1002. Essais mécaniques des coupons soudés permet de déterminer la résistance apparente au cisaillement des joints, ce qui est l'une des propriétés les plus commseulement utilisé pour quantifier la résistance des joints soudés composite thermoplastique ^7. Le procédé de soudage est décrit dans ce document est basée sur trois piliers principaux. Tout d'abord, en vrac directeurs d'énergie plat sont utilisés pour la production de chaleur préférentiel à l'interface de jonction ^8,9 au cours du processus de soudage. En second lieu, les données du processus fournies par le soudage par ultrasons est utilisé pour définir rapidement la durée optimale de la phase de vibration pour une force spécifique / combinaison amplitude ^2,4. En troisième lieu, la durée de la phase de vibration est contrôlée indirectement par le déplacement de la sonotrode afin d'assurer une qualité constante des joints soudés ^4. Cette méthode de soudage offre les principales nouveautés et avantages suivants en ce qui concerne les procédures de soudage state-of-the-art pour les composites thermoplastiques: (a) la préparation d'échantillons simplifiée permis par l'utilisation de lâches directeurs d'énergie plats au lieu d'administration moulées traditionnelles d'énergie ^3, et (b) c rapide etdéfinition de ost-efficace des paramètres de traitement basé sur la surveillance in situ processus par opposition aux essais et erreurs des approches communes. Bien que la méthode décrite dans le présent document est axé sur l'obtention d'une géométrie très précise et simple de soudage, il peut servir de base pour définir une procédure pour le soudage des pièces réelles. Une différence principale dans ce cas résulte de flux contraint du directeur de l'énergie, par opposition à écoulement libre sur les quatre bords du chevauchement des coupons au tour unique.

Protocol

1. Echantillon de coupe et la préparation au soudage par ultrasons

1. Couper des échantillons rectangulaires mesurant 25,4 mm x 101,6 mm à partir d'un stratifié composite thermoplastique plus grande en utilisant une technique de coupe qui empêche le délaminage des bords des échantillons (par exemple, des scies à diamant ou la découpe au jet d'eau).
   Remarque: Les dimensions des échantillons sont basés sur la norme ASTM D 1002 standard.
   1. Depuis résistance des joints soudés dépend de l'orientation des fibres sur les surfaces à souder ^10, prendre soin de couper tous les échantillons dans la même orientation.
2. Après la coupe, des échantillons secs dans un four selon les recommandations du fabricant au cas où la résine thermoplastique a tendance à absorber l'humidité (par exemple, 6 heures à 135 ° C pour la fibre de carbone à six couches renforcé polyétherimide, CF / PEI, échantillons).
3. Couper directeurs d'énergie plats fabriqués à partir de film thermoplastique pur (même résine que la matrice dans le composite) à la taille (environ 26 mm x 26 mm) avec une épaisseur d'au moins 0,25 mm. Si nécessaire, sécher le directeur de l'énergie suivant les recommandations du fabricant (par exemple, 1 heure à 135 ° C pendant PEI directeur d'énergie).
4. Avant de souder, d'inspecter les échantillons un par un pour les coins délaminées et jeter si nécessaire. Nettoyez-les à l'aide d'un dégraissant et un chiffon de coton. Nettoyez les directeurs d'énergie plates suivant la même procédure.

2. soudage par ultrasons du premier tour unique Coupons cisaillement

Remarque: un microprocesseur commandé soudeuse à ultrasons capable de souder à amplitude constante est utilisée dans cette étape. Les données de processus des sorties de soudeur, telles que l'énergie dissipée et le déplacement de la sonotrode en fonction du temps à des logiciels d'acquisition de données dans un ordinateur. Un gabarit sur ​​mesure conçu et fabriqué pour positionner et serrer les échantillons au cisaillement simples pendant le soudage par ultrasons précision est utilisé dans cette étape (voir la figure 1).

Figure 1. ultrasons soudeur et l'installation de soudage sur mesure utilisée dans cette étude 1:. Sonotrode, 2: plate-forme coulissante, 3: pince pour le spécimen supérieures (attachés à 2), et 4: pince pour le spécimen inférieurs (Reproduit de référence 4 avec la permission de Elsevier.) S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

1. Remplir une feuille de journal de bord avant chaque expérience de soudage.
   1. Prenez note des paramètres suivants: température ambiante et l'humidité, la soudure de référence de configuration, le type de sonotrode, numéro de l'échantillon et des matériaux, la largeur et l'épaisseur des échantillons supérieure et inférieure, et l'épaisseur du directeur d'énergie.
2. Tournez sur la soudeuse à ultrasons et l'ordinateur. Démarrez le logiciel d'acquisition de données et d'ouvrir une nouvelle session.
3. Si pas déjà en place, changer le sonotmonté à une sonotrode cylindrique d'un diamètre de 40 mm, de sorte que sa surface inférieure couvre entièrement la zone de soudage.
   Remarque: Une forme différente de la sonotrode peut être utilisée, mais sa surface inférieure ne doit pas être inférieure à la zone de soudage.
4. Position et fixer spécimens et directeur d'énergie dans le gabarit de soudage (voir Figure 1).
   1. Joindre un directeur d'énergie plat au modèle bas avec du ruban adhésif afin qu'il couvre une superficie légèrement plus grande que la zone à souder (12,7 mm x 25,4 mm).
   2. Placer l'échantillon de fond dans le gabarit et le bloquer en serrant la vis supérieure.
   3. Ruban l'autre extrémité de l'élément directeur d'énergie à la base de la configuration de sorte qu'il reste en place pendant le processus.
   4. Placer l'échantillon supérieure dans la pince, aligner et serrer la vis supérieure.
   5. Placez la pince pour l'échantillon supérieur dans la plate-forme coulissante et serrer les deux vis.
   6. Avant de poursuivre, serrez les quatre vis une fois mminerai.
5. Déterminer la durée optimale de la phase de vibration par rapport au déplacement de la sonotrode pour atteindre la résistance à la soudure la plus élevée, comme décrit dans les étapes 2.5.1 à 2.5.8.
   Remarque: Une durée optimale de la phase de vibration est déterminée pour chaque combinaison souhaitée de la force de soudage et l'amplitude des vibrations.
   1. Réglez le soudeur à ultrasons à une différence de mode de déplacement-contrôle.
   2. La force d'entrée et l'amplitude des vibrations de soudage dans la soudeuse à ultrasons (par exemple, 300 N et 86,2 um).
      Remarque: Pour cette soudeuse à ultrasons, 86,2 pm correspond à la vibration d'amplitude crête-à-crête. Dans les paramètres de la machine, il est exprimé comme la moitié de cette valeur, de 43,1 um.
   3. Saisir le déplacement de la sonotrode, ou Voyage, à la fin de la phase de vibration en tant que valeur égale à l'épaisseur initiale de l'élément directeur d'énergie (par exemple, 0,25 mm).
   4. la force d'entrée de solidification et le temps dans le soudage par ultrasons (par exemple, 1000N et 4000 msec).
   5. Lorsque vous êtes prêt, mettez un casque insonorisées et commencer le processus de soudage par ultrasons.
   6. Après l'achèvement du processus, prendre note des paramètres de sortie suivants: distance de soudage, la puissance maximale, le temps de vibration et de l'énergie. Retirez le coupon de l'installation de soudage et d'écrire son numéro d'identification sur les deux extrémités avec un marqueur de peinture.
   7. Exporter les données de soudage (puissance et de déplacement de la sonotrode) pour tracer une feuille de calcul et la puissance et le déplacement en fonction des courbes de temps pendant la phase de vibration du processus.
      Remarque: La courbe de déplacement doit tracer le déplacement vers le bas de la sonotrode par rapport à sa position au début de la phase de vibration.
   8. Identifier le déplacement dans le milieu du plateau d'alimentation (étape 4), comme illustré sur la figure 2 (dans ce cas, de 0,10 mm).
      Remarque: Cette valeur de déplacement particulier est le Voyage optimale qui contrôle la durée de la phase de vibration et de la volontéutiliser dans chaque soudure ultérieure de la même force de soudage et de l'amplitude.

Figure 2. Alimentation (noir) et de déplacement des courbes (gris) pour le processus de soudage par ultrasons indiquant la valeur de Voyage optimale. La phase de vibration de la soudure par ultrasons peuvent être divisés en 5 étapes. valeur de Voyage Optimum est situé à l'étape 4. Etude de cas: la fibre de carbone renforcée substrats polyétherimide de -PEI, 0,25 mm d'épaisseur plate directeur d'énergie PEI, 300 N Force de soudage, 86,2 um amplitude de vibration, 0,25 mm voyage. (Tiré de la référence 4 avec la permission de Elsevier.) S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

6. coupons soudure à la valeur de Voyage optimale pour la force de soudage donné et combinatio amplituden.
   1. Répétez les étapes 2.1 à 2.5.6 pour chaque soudure. Dans l'étape 2.5.3, utilisez le Voyage optimale déterminée à l'étape 2.5.8 pour la force de soudage correspondante et la combinaison amplitude.
      Remarque: Tous les tests sont effectués LSS suivant ASTM D 1002 sur une machine d'essai universelle avec une vitesse de traverse de 1,3 mm / min.

3. Simple Eprouvette de cisaillement (LSS) essais de Coupons soudés

1. Mesurer et prendre note de la largeur du chevauchement pour chaque coupon soudé.
2. Mettez la machine d'essai universelle et d'ouvrir la procédure de test pour LSS sur l'ordinateur.
3. Dans l'interface de test, entrez le nombre et les dimensions du chevauchement échantillon. Régler la force à 0 et la séparation prise-à-prise dans sa position initiale (par exemple 60 mm).
4. Placer l'échantillon dans les pinces de la machine d'essai, comme indiqué sur la Figure 3.

Figure 3. Vue schématique du serrage dans le / Roell 250 kN machine d'essai universelle Zwick (pas à l'échelle). Le déplacement de décalage entre les mâchoires supérieures et inférieures permet l'alignement de la direction de la charge de la ligne centrale de la soudure pour minimiser la flexion pendant le cisaillement de recouvrement test de résistance. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

5. Commencez la procédure de test de l'ordinateur en cliquant sur le bouton "Démarrer".
6. Après rupture de l'échantillon, la retirer de l'emprise et de fixer les deux pièces ensemble avec du ruban adhésif.
7. Répétez les étapes 03.03 à 03.06 pour tous les autres échantillons.
8. Lorsque les tests sont terminés, exporter les données vers un tableur et calculer la valeur moyenne LSS, selon la procédure décrite dans la norme, pour chaque force de soudage et la combinaison amplitude.

Representative Results

fibre de carbone renforcée polyétherimide (CF / PEI) échantillons ont été soudées suivant la méthode décrite dans le présent document. Les échantillons ont été obtenus à partir d'un stratifié composite fabriqué à partir de cinq harnais CF de tissu satiné / PEI, avec (0/90) _3S séquence d'empilement et de 1,92 mm d'épaisseur nominale. Des échantillons ont été découpés à partir de ce stratifié de sorte que le ressort principal d'orientation des fibres est parallèle à leur plus grande dimension. Appartement PEI directeurs d'énergie avec 0,25 mm d'épaisseur ont été utilisés. Les deux échantillons composites et les directeurs d'énergie ont été séchés dans un four à 135 ° C pendant 6 et 1 h, respectivement, comme indiqué par le fabricant. En utilisant les courbes de puissance et de déplacement obtenus pour 0,25 mm Voyage, une valeur de Voyage optimale autour de 0,10 mm, soit 40% de l'épaisseur initiale du directeur de l'énergie, a été obtenu pour les échantillons CF / PEI soudés moins de 300 N force de soudage et 86,2 um pic -À-crête amplitude de vibration (voir Figure 2 présentés sur les figures 4 et 5, respectivement.

Figure 4. Courbes de puissance pour des coupons CF / PEI soudées sous Voyage optimale Les courbes de puissance (décalés verticalement pour plus de clarté) montrer fin cohérente du processus de soudage à l'étape 4. Les lignes verticales indiquent le début de l'étape 3. Etude de cas:. FC / PEI substrats, 0,25 mm d'épaisseur plate PEI directeur de l'énergie, 300 N Force de soudage, 86,2 um amplitude de vibration, 0 .10 Mm Voyage. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 5. Section typique de la photographie (en haut) et surface de rupture (en bas) pour CF / PEI coupon soudé sous Voyage optimale. Joints soudés ressemblent un stratifié composite épais sans différences visibles entre la ligne de soudure (indiqué par la flèche) et les substrats . Après des essais au cisaillement, surfaces fracture montrent importante déchirure des fibres. Etude de cas: CF / substrats PEI, 0,25 mm d'épaisseur plate directeur d'énergie PEI, 300 N Force de soudage, 86,2 um amplitude de vibration, 0,10 mm Voyage. (Tiré de la référence 4 avec la permission de Elsevier.)oad / 53592 / 53592fig5large.jpg "target =" _ blank "> S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Afin de vérifier la validité de l'approche présentée dans le présent document pour déterminer le Voyage optimale pour une certaine force / combinaison amplitude, des échantillons ont été soudés à des valeurs de déplacement différentes, ci-dessous et au-dessus du Voyage optimale, et par la suite testé. Le reste des paramètres de soudage utilisés pour le soudage de ces échantillons ont été, comme dans le cas précédent, 300 N Force de soudage, de 86,2 um d'amplitude, 1000 N force de solidification et 4 temps sec de solidification. La figure 6 montre la résistance apparente au cisaillement comme fonction du Voyage (représenté comme un pourcentage de l'épaisseur initiale de l'élément directeur d'énergie).

6. tour apparente Figure résistance au cisaillement de CF / PEI coupons soudées sous les valeurs de voyage différents. Voyage est représenté ici par rapport à l'épaisseur du directeur d'énergie. Etude de cas: CF / substrats PEI, 0,25 mm d'épaisseur plate directeur d'énergie PEI, 300 N Force de soudage, 86,2 um amplitude de vibration, Voyage variable. (Tiré de la référence 4 avec la permission de Elsevier.) S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Enfin, le soudage de déplacement contrôlé a été comparé à d'autres possibilités offertes par le soudeur à ultrasons tels que le soudage temps ou contrôlée d'énergie. Dans ce but, les valeurs de résistance au cisaillement représentées sur la figure 4 ont été tracées en fonction du temps de la vibration (figure 7) et de l'énergie de soudage (figure 8). temps et l'énergie des valeurs de vibrations pour tous les échantillons soudés dans cette étude étaient dispoded par le soudeur à ultrasons en tant que résultat du processus de soudage.

. Figure 7. force genoux apparente de cisaillement de coupons CF / PEI en fonction du temps de vibration Obtenu en utilisant les temps de vibration d'échantillons utilisé pour tracer la figure 6 Etude de cas:. FC / substrats PEI, 0,25 mm d'épaisseur plate PEI directeur de l'énergie, 300 N Force de soudage , 86,2 um amplitude de vibration, Voyage variable. (Adapté de la référence 4 avec la permission de Elsevier.) S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 8. force apparente au cisaillement de coupons CF / PEI par rapport énergie de soudage. Obtenu en utilisant soudage val d'énergieues d'échantillons utilisés pour tracer la figure 6 Etude de cas:. FC / substrats PEI, 0,25 mm d'épaisseur plate directeur d'énergie PEI, 300 N Force de soudage, 86,2 um amplitude de vibration, Voyage variable. (Adapté de la référence 4 avec la permission de Elsevier.) S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Discussion

Les résultats présentés dans la section précédente indiquent la pertinence de la méthode simple proposée dans le présent document pour le soudage par ultrasons de coupons au tour thermoplastiques composites simples à des fins de tests mécaniques. Les paragraphes suivants traitent de la façon dont les résultats valident les trois principaux piliers de la méthode, à savoir, l'utilisation de plates directeurs d'énergie en vrac, l'utilisation de la rétroaction de processus pour définir la durée optimale de la vibration et de l'utilisation du contrôle de déplacement, ainsi que l'applicabilité et les limites de la technique.

En ce qui concerne le premier pilier, directeurs d'énergie plats sont présentés pour permettre la soudure réussie des coupons de PTC. Dans le soudage ultrasonore des matières plastiques non renforcés, directeurs d'énergie sous la forme de saillies de résine avec une surface de section transversale plus petite que celle du chevauchement joindre sont nécessaires pour produire des souches cycliques plus élevées et, par conséquent, préférentiel génération de chaleur viscoélastique à l'inter soudage^{face 6.} Cependant, dans le soudage par ultrasons de VAP, directeurs d'énergie plat avec la même surface en coupe transversale que le chevauchement de soudage ne conduisent avec succès dans le chauffage viscoélastique préférentiel à l'interface de soudage en raison de la rigidité à la compression inférieure du directeur d'énergie plat et souches ainsi plus cycliques au cours le procédé de soudage. La chaleur générée au niveau de l'interface fond du directeur d'énergie et est transférée sur les substrats. Sous l'effet de la force de soudage, le directeur de l'énergie en fusion est pressé sur le chevauchement de soudage jusqu'à ce que le Voyage prescrite est atteinte. Les valeurs optimales de déplacement entraînent des chevauchements entièrement soudées et des coupes transversales qui ressemblent à un stratifié épais car l'épaisseur de la ligne de soudure est semblable à celle des zones riches en résine dans les substrats (voir Figure 5). Il convient de noter que, lors de l'utilisation directeurs d'énergie plates, optimisation du directeur d'énergie ne sont pas nécessaires pour atteindre entièrement soudé chevauche ^8, commeopposition à des solutions de directeur d'énergie plus traditionnelles, dont la taille, la forme et l'espacement entre les directeurs d'énergie doivent être optimisés afin d'obtenir une couverture complète de la zone de soudage destinée ^10,11. De même, par rapport à des solutions telles que des guides d'énergie triangulaires traditionnellement utilisées pour le soudage par ultrasons de VAP ^3, directeurs d'énergie plates a été démontré que conduire à des valeurs similaires de résistance de soudure sans pour autant avoir un impact négatif significatif sur les autres résultats importants du processus tels que maximale puissance, l'énergie ou le soudage temps ^8.

En ce qui concerne le deuxième pilier, pour une certaine combinaison de la force de soudage et de l'amplitude, il est possible de définir des valeurs de déplacement optimales, à savoir, les valeurs de déplacement qui conduisent à une résistance maximale, sur la base des courbes de puissance et de déplacement fournies par le soudage par ultrasons. Essentiellement, les différents événements dans les courbes de puissance et de déplacement pendant la phase de vibration du processus de soudage can être en rapport avec les changements physiques qui se produisent dans le directeur de l'énergie et les substrats de PTC pendant le chauffage ^2. En conséquence, et comme le montre la figure 2, la phase de vibration du processus de soudage peut être divisée en les étapes ² à 5 ci-après:

Etape 1, caractérisé par l'augmentation continue de la puissance dissipée jusqu'à un maximum est atteint et un petit retrait de la sonotrode pour recevoir la vibration. Dans l'étape 1 du chauffage du directeur de l'énergie sans changements physiques observables à l'interface de soudage se produit. Étape 2, caractérisé par une diminution de puissance et pas de déplacement notable de la sonotrode. Dans l'étape 2, le directeur d'énergie plat commence à fondre localement comme nucléation hot-spot et le processus de croissance. Etape 3, caractérisé par l'augmentation de la puissance et de déplacement vers le bas de la sonotrode. Dans l'étape 3, le directeur d'énergie complète est fondu et commence à couler sous l'effet de la force de soudage. Etape 4, caractérisé par unplateau d'alimentation et le déplacement vers le bas de la sonotrode. Dans l'étape 4 de la matrice dans les couches supérieures des substrats composites commence à fondre localement avec le flux de compression du directeur de l'énergie. Etape 5, caractérisé par le pouvoir et déplacement vers le bas de la sonotrode en déclin. Dans l'étape 5 fusion de la matrice dans les substrats est prédominante.

La résistance à la soudure la plus élevée se produit lors de l'étape 4 étant donné que la fusion de la matrice dans les couches supérieures des substrats composites permettant la diffusion des chaînes de polymère à travers l'interface de soudage et par conséquent enchevêtrement moléculaire entre les deux substrats. Cet enchevêtrement moléculaire développe un lien très fort qui se traduit par une déchirure des fibres pendant le test du tour unique, comme on le voit sur ​​la figure 5. Au-delà de ce stade optimal, une fusion excessive de la matrice dans les substrats résultats composites dans la distorsion de fibre importante à l'interface de soudage, qui est censé pour provoquer une baisse de la Streng de souduree ^4. Les résultats présentés sur la figure 6, qui correspondent à une combinaison spécifique de la force de soudage et l'amplitude des vibrations, l'appui de cette discussion. Il faut noter que la force différente / combinaison amplitude se traduirait par la production différent du procédé de soudage en fonction de la puissance maximale consommée et l'énergie ainsi que la durée de la phase de vibration ^2. Néanmoins, le procédé pour déterminer la valeur optimale de Voyage est indépendante de la force choisie / ⁴ amplitude combinaison.

En ce qui concerne le troisième pilier, le soudage de déplacement contrôlé entraîné relativement faible dispersion dans le giron apparente résistance au cisaillement des joints soudés dans les conditions optimales. On pense que ceci résulte du fait que tous les échantillons ont été régulièrement soudées dans le même stade (à savoir, étape 4) dans la phase de vibration du procédé), comme illustré sur la figure 4. La figure 7 indique que, sitemps avait été utilisée comme paramètre de contrôle pour le processus de soudage, une dispersion plus élevée dans les valeurs de résistance aurait pu être prévu en raison de la superposition significative dans les temps de vibration pour les valeurs de voyage différents. Selon la figure 8 et aux résultats présentés dans la littérature ^12, l'énergie est une meilleure option que temps que le paramètre de contrôle. Cependant, l'énergie de soudage est fortement tributaire de l'épaisseur des substrats et de la nature du gabarit de soudage, et donc la valeur optimale de l'énergie change de manière significative lorsque l'un quelconque de ces deux variables modifier ^4. Au contraire, le déplacement de la sonotrode est directement liée à l'écoulement du filet de l'élément directeur d'énergie et de la matrice à l'interface de soudage et peut donc être prévu pour être moins sensible aux variations de l'une des variables mentionnées ci-dessus ^4.

Le nouveau procédé décrit dans ce document permet en champ proche soudage par ultrasons simple des comp thermoplastiquecoupons Osite pour les essais au cisaillement simple. Les résultats présentés se réfèrent à la soudure de matériaux composites CF / PEI mais la même méthode a été appliquée avec succès à d'autres composites thermoplastiques renforcés tels que CF / polyphenyplene sulfure (PPS) ^8. Comme cela est décrit dans le document, le procédé est directement applicable à la soudure d'une géométrie très précise, cependant, dans le cas d'une géométrie différente de soudure est considérée, il y a trois points critiques qui doivent être pris en compte. Tout d'abord, l'augmentation de la zone de contact entre les pièces à souder ont une incidence directe sur la puissance maximale dissipée au cours du processus de soudage. Par conséquent, la superficie maximale qui peut être soudée dans une prise de vue est limitée par la puissance maximale délivrée par le soudage par ultrasons. Deuxièmement, la méthode décrite dans le présent document considère que les flux sans restriction du directeur d'énergie en fusion sur les quatre bords de la superposition de soudage. Une configuration de soudage différent pourrait toutefois limiter l'écoulement du polymère. Ceon peut s'y attendre d'avoir un impact sur l'évolution du déplacement de la sonotrode au cours du processus de soudage et d'imposer des limitations probablement à la soudure de déplacement contrôlé. En troisième lieu, si l'épaisseur des pièces est telle que la distance entre la sonotrode à l'interface de soudage est supérieure à 6 mm, des considérations spécifiques de champ lointain soudage par ultrasons doit être pris en compte. Néanmoins, la méthode présentée dans le présent document peut être considérée comme une base pour l'élaboration de procédures de soudage par ultrasons pour l'assemblage de structures composites thermoplastiques réelles. Les principales nouveautés et avantages de cette méthode sont simplifiées de traitement en raison de l'utilisation de lâches directeurs d'énergie plat et l'utilisation des données fournies par le soudeur de définir rapidement la durée optimale de la vibration pour différentes combinaisons de force et l'amplitude. Par rapport à des procédures d'essais et d'erreurs actuelles, la définition des paramètres de processus basés sur les données de processus a le potentield'offrir des économies importantes dans l'effort et le temps nécessaire pour développer les procédés de soudage pour des applications spécifiques.

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.