Ultraschallschweißen von thermoplastischen Verbund Coupons für Mechanische Charakterisierung von Schweißverbindungen durch Einzelüberlappungsscherprüfung

Introduction

Thermoplastische Verbundwerkstoffe (TPC) haben die Fähigkeit, angeschweißt werden, was auf ihre kostengünstige Herstellung beiträgt. Schweißen erfordert lokale Erhitzen unter Druck zu erweichen oder das thermoplastische Harz der Fügeflächen schmelzen und für innigen Kontakt und nachfolgende Interdiffusion von thermoplastischen Polymerketten über die Schweißgrenzfläche zu ermöglichen. Sobald molekularen Interdiffusion erreicht wird, festigt die Schweißverbindung unter Druck abgekühlt. Mehrere Schweißtechniken auf thermoplastische Verbundwerkstoffe anwendbar sind, die ^1, jedoch hauptsächlich in der Wärmequelle unterscheidet, die wichtigsten "Adhäsion" -Mechanismus, also molekulare Verhakung, bleibt unverändert. Ultraschallschweißen bietet eine sehr kurze Schweißzeiten (in der Größenordnung von einigen Sekunden), einfache Automatisierung und es ist praktisch unabhängig von der Art der Verstärkung in den thermoplastischen Verbundsubstrate. Darüber hinaus bietet es die Möglichkeit zur in situ-Überwachung ^2,3 4 verwendet werden kann. Ultraschallschweißen von thermoplastischen Verbundwerkstoffen ist vor allem ein Punktschweißverfahren, aber erfolgreiches Schweißen von mehr Nähte durch aufeinanderfolgende Ultraschallschweißen in der Literatur ⁵ berichtet. Im Gegensatz zu Widerstands- oder Induktionsschweißen, Ultraschallschweißen ist industriell nicht für Strukturverbindungen zwischen thermoplastischen Verbundteile so weit angewendet. Nichtsdestotrotz wird erhebliche Anstrengungen zur Zeit gewidmet werden für Flugzeuganwendungen Entwicklung von Strukturultraschallschweißen von thermoplastischen Verbundwerkstoffen zu fördern.

Beim Ultraschallschweißen werden die zu verbindenden Teile sind auf eine Kombination von statischen Kraft ausgesetzt und Hochfrequenz mit niedriger Amplitude mechanischer Schwingungen quer zu der Schweißgrenzfläche, die durch die Oberfläche und Erhitzen in viskoelastischen Wärmeerzeugung führt. Vorzugserhitzungs an der Schweißschnittstelle gefördertdurch die Verwendung von Harz Vorsprünge auf den Oberflächen verschweißt, die höher zyklischen Belastung unterzogen werden, und damit höhere viskoelastische Heizung, als die Substrate ^6. Kraft und Vibration ausgeübt werden auf die Teile durch eine Sonotrode einer Presse und mit einem Ultraschall Zug verbunden verschweißt werden, die aus piezoelektrischen Wandler und Verstärker. Abhängig von der Entfernung zwischen dem Punkt, an dem die Sonotrode in Kontakt mit dem Teil verbunden werden und die Schweißschnittstelle, kann zwischen Nahfeld- und Fernfeld-Ultraschallschweißen erfolgen. Nahfeld-Schweißen (weniger als 6 mm zwischen Sonotrode und Schweißschnittstelle) ist für eine breitere Palette von Materialien während der Anwendbarkeit der Fernfeldschweißen zu einem spezifischen thermoplastischen Material wird von der Fähigkeit des Materials stark von Schallwellen durchzuführen ⁶ .

Die Ultraschall-Schweißverfahren lassen sich in drei Hauptphasen eingeteilt werden. Zunächst wird ein Kraftaufbauphase, in der die sonotrode allmählich die Kraft auf die Teile geschweißt werden, bis eine bestimmte Auslösekraft erreicht ist. Keine Vibrationen während dieser Phase angewandt. Zweitens, eine Schwingungsphase, die beginnt, sobald die Auslösekraft erreicht ist. In dieser Phase schwingt die Sonotrode an der vorgeschriebenen Amplitude für eine gewisse Zeit, die Wärme für den Schweißvorgang benötigt erzeugen. Mikroprozessorgesteuerte Ultraschallschweißgeräte bieten mehrere Optionen, um die Dauer der Vibration Phase zu steuern, darunter Zeit (dh direkte Kontrolle), Verschiebung oder Energie (indirekte Kontrolle). Die Kraft, die während dieser Phase angewendet, dh Kraft Schweißen, konstant und gleich der Auslösekraft gehalten werden oder kann allmählich während des Aufbringens der Vibration variiert werden. Drittens eine Erstarrungsphase, während der die Schweißteile erlaubt werden für eine gewisse Zeit unter einem bestimmten Erstarrungskraft abkühlen. Keine Vibrationen während dieser letzten Stufe angelegt.

Schweiß foRCE, Schwingungsamplitude, Schwingungsfrequenz und die Dauer der Vibrationsphase (entweder direkt oder indirekt durch Energie oder Verschiebung gesteuert) sind die Schweißparameter, die Wärmeerzeugung zu steuern. Kraft, Amplitude und Dauer sind benutzerdefinierte Parameter, während Frequenz für jeden Ultraschall-Schweißgerät befestigt ist. Die Verfestigung Kraft und Erstarrungszeit, auch Schweißparameter, nicht eingreifen in der Erwärmungsprozess, sondern beeinflussen die Konsolidierung und, zusammen mit dem Rest der Parameter, die endgültige Qualität der Schweißverbindungen.

Dieser Beitrag stellt eine neue einfache Methode zur Nahfeld-Ultraschallschweißen einzelner TPC Coupons in einer einzigen Runde Konfiguration für nachfolgende mechanische Einzelüberlappungsscher (LSS), Prüfung gemäß ASTM (American Society for Testing and Materials) D 1002-Standard. Mechanische Prüfung der Schweiß Coupons ermöglicht die Bestimmung der scheinbaren Scherfestigkeit der Gelenke, die eine der Eigenschaften die meisten comm istnur verwendet ⁷ die Stärke der thermoplastischen Verbundschweißverbindungen zu quantifizieren. Das Schweißverfahren in diesem Papier beschrieben, das auf drei Säulen. Zunächst werden lose flache Energieleiter für Vorzugswärmeerzeugung an der Verbindungsgrenzfläche ^8,9 während des Schweißprozesses verwendet. Zweitens wird die Prozessdaten durch die Ultraschallschweißgerät bereitgestellt verwendet, um schnell die optimale Dauer der Schwingungsphase für eine bestimmte Kraft / Amplituden-Kombination ^2,4 definieren. Drittens wird die Dauer der Schwingungsphase indirekt durch die Verschiebung der Sonotrode gesteuert, um ⁴ gleichbleibende Qualität der Schweißverbindungen zu gewährleisten. Dieses Schweißverfahren bietet im Wesentlichen folgende Neuerungen und Vorteile in Bezug auf State-of-the-art-Schweißverfahren für thermoplastische Verbundwerkstoffe: (a) vereinfacht die Probenvorbereitung durch die Verwendung von Direktoren lose flache Energie anstelle der traditionellen Formenergierichtungs ^3, aktiviert und (b) schnell und cost-effiziente Definition von Verarbeitungsparametern auf Basis von In-situ-Überwachungsprozess wie zu gemeinsamen Versuch und Irrtum Ansätze gegenüber. Obwohl die in diesem Dokument beschriebene Verfahren eine sehr spezifische und einfache Schweißgeometrie zu erhalten, ausgerichtet ist, kann sie als Grundlage dienen für das Schweißen von tatsächlichen Teile, ein Verfahren zu definieren. Ein Hauptunterschied in diesem Fall ergibt sich aus eingeschränkten Fluss der Energie Regisseur wie den frei fließen an den vier Kanten der Überlappung in einzelnen Runde Coupons gegenüber.

Protocol

1. Proben Schneiden und Vorbereitung für das Ultraschallschweißen

1. Schneiden rechteckige Proben gemessen 25,4 mm x 101,6 mm von einem größeren thermoplastischen Verbundlaminat eine Schneidtechnik verwendet, die Delamination der Kanten der Proben (zum Beispiel Diamant-Säge oder Wasserstrahlschneiden) verhindert.
   Anmerkung: Die Abmessungen der Proben basieren auf ASTM D 1002 Standard.
   1. Da Festigkeit der Schweißverbindungen an der Faserorientierung auf der Oberfläche hängt ^{bis 10} geschweißt werden, darauf achten, alle Proben in der gleichen Ausrichtung zu schneiden.
2. Nach dem Schneiden trockenen Proben in einem Ofen gemäß den Empfehlungen des Herstellers bei das thermoplastische Harz dazu neigt, Feuchtigkeit zu absorbieren (beispielsweise 6 h bei 135 ° C für sechs Schichtkohlefaserverstärktem Polyetherimid, CF / PEI, Proben).
3. Schnittenen flachen Energierichtungs gebildet aus ordentlich thermoplastischen Folie (gleichen Harz als Matrix im Verbund) der Größe (ca. 26 mm x 26 mm) mit einer Dicke von mindestens 0,25 mm. Falls erforderlich, trocknen die Energierichtungsempfehlungen folgende Hersteller (zB 1 Stunde bei 135 ° C unter der Regie von PEI Energie).
4. Vor dem Schweißen, inspizieren Proben einer nach dem anderen für delaminierte Ecken und verwerfen, wenn nötig. Reinigen Sie sie einen Entfetter und ein Baumwolltuch. Reinigen Sie die Flachenergierichtungs nach dem gleichen Verfahren.

2. Ultraschallschweißen von Einzelüberlappungsscher Gutscheine

Hinweis: Ein Mikroprozessor Ultraschallschweißer Lage gesteuert mit konstanter Amplitude zum Schweißen wird in diesem Schritt verwendet. Der Schweißer Ausgänge Prozessdaten, wie Verlustleistung und Verschiebung der Sonotrode gegenüber der Zeit der Datenerfassungs-Software in einem Computer. Ein speziell angefertigten Spannvorrichtung entwickelt und hergestellt genau zu positionieren und Einzelüberlappungsscherproben beim Ultraschallschweißen Klemme wird in diesem Schritt verwendet (siehe Abbildung 1).

Abbildung 1. Ultraschall-Schweißgerät und custom-built in dieser Studie verwendeten Schweiß Setup. 1: Sonotrode 2: Schiebebühne, 3: Klammer für die oberen Probe (an 2), 4: Klammer für die unteren Probe (Wiedergabe aus Lit. 4 mit Genehmigung von Elsevier.) Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

1. Füllen Sie ein Fahrtenbuch Blatt vor jedem Schweiß Experiment.
   1. Beachten Sie die folgenden Parameter: RT und Feuchtigkeit, Schweiß-Setup-Referenz, Sonotrode Typ, Probennummer und Materialien, Breite und Dicke der oberen und unteren Proben, und die Dicke der Energieleiter.
2. Schalten Sie den Ultraschall-Schweißgerät und Computer. Starten Sie die Software zur Datenerfassung und öffnen Sie eine neue Sitzung.
3. Falls noch nicht vorhanden, ändern Sie die sonotritt auf eine zylindrische Sonotrode mit einem Durchmesser von 40 mm, so dass seine Bodenfläche vollständig den Schweißbereich abdeckt.
   Hinweis: Eine andere Form der Sonotrode eingesetzt werden kann, aber die Bodenfläche sollte nicht kleiner sein als der Schweißbereich.
4. Position und fixieren Proben und Energiedirektor in die Schweißvorrichtung (siehe Abbildung 1).
   1. Bringen Sie einen Flachenergieleiter mit den Bodenprobe mit Klebeband, so dass es einen etwas größeren Bereich abdeckt als die Fläche (12,7 mm x 25,4 mm) geschweißt werden.
   2. Legen Sie die untere Probe in die Spannvorrichtung und klemmen es durch die obere Schraube festziehen.
   3. Kleben Sie das andere Ende des Energiedirektor an der Basis des Setup, so dass sie an Ort und Stelle während des Prozesses bleibt.
   4. Legen Sie die obere Probe in die Klemme, ausrichten und die obere Schraube festziehen.
   5. Positionieren Sie die Klammer für die Top-Probe in die Schiebebühne und ziehen Sie die beiden Schrauben.
   6. Bevor Sie fortfahren, ziehen Sie alle vier Schrauben einmal mErz.
5. Bestimmen die optimale Dauer der Schwingungsphase auf der Grundlage der Verschiebung der Sonotrode die höchste Schweißfestigkeit zu erreichen, wie 2.5.1 bis 2.5.8 in Schritten beschrieben.
   Hinweis: Eine optimale Dauer der Schwingungsphase für jede gewünschte Kombination von Schweißkraft und Schwingungsamplitude bestimmt.
   1. Stellen Sie die Ultraschall-Schweißgerät Verschiebung-Regelbetrieb auf Differential.
   2. Eingangsschweißkraft und Schwingungsamplitude in das Ultraschallschweißgerät (zum Beispiel 300 N und 86,2 & mgr; m).
      Hinweis: Bei diesem Ultraschallschweißer, 86,2 & mgr; m entspricht der Spitze-zu-Spitze-Schwingungsamplitude. In den Systemeinstellungen, wird es als die Hälfte dieses Wertes ausgedrückt, 43,1 & mgr; m.
   3. Eingangs die Sonotrode Verschiebung oder Reisen, am Ende der Vibrationsphase als ein Wert gleich der Ausgangsdicke der Energieleiter (zum Beispiel 0,25 mm).
   4. Eingangs Verfestigung Kraft und Zeit in den Ultraschallschweißgerät (zum Beispiel 1000N und 4,000 msec).
   5. Wenn Sie bereit sind, setzen auf schalldichte Kopfhörer und starten Sie die Ultraschall-Schweißverfahren.
   6. Nach dem Abschluss des Prozesses, beachten Sie bitte die folgenden Ausgangsparameter: Schweißabstand, maximale Leistung, Vibration Zeit und Energie. Entfernen Sie den Coupon aus der Schweiß Setup und schreiben ihre Kennnummer auf beide mit einem Lackstift endet.
   7. Exportieren der Schweiß Daten (Kraft und Verschiebung der Sonotrode) in eine Tabellenkalkulation und zeichnen die Kraft und Verschiebung Zeit-Kurve während der Vibrationsphase des Verfahrens.
      Hinweis: Die Verschiebungskurve der Abwärtsverschiebung der Sonotrode in Bezug auf ihre Position zu Beginn des Schwingungsphasendiagramm soll.
   8. Identifizieren der Verschiebung in der Mitte des Stromplateau (Stufe 4), wie in Abbildung 2 (in diesem Fall 0,10 mm) gezeigt.
      Hinweis: Diese besondere Verschiebungswert ist die optimale Reise, die die Dauer der Vibration Phase steuert und Willenin jedem nachfolgenden Schweiß für den gleichen Schweißkraft und Amplitude verwendet werden.

Abbildung 2. Power (schwarz) und Verschiebung (grau) Kurven für die Ultraschall-Schweißverfahren zeigt optimale Reisen. Die Schwingungsphase des Ultraschallschweißen kann in fünf Stufen unterteilt werden. Optimale Reise Wert wird innerhalb Stufe 4. Studien Fall befindet: Kohlefaser Polyetherimid -PEI Substrate verstärkt, 0,25 mm dicken Flach PEI Energieleiter, 300 N Schweißkraft, 86,2 & mgr; m Schwingungsamplitude, 0,25 mm Federweg. (Wiedergabe aus Lit. 4 mit Genehmigung von Elsevier.) Bitte hier klicken, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

6. Weld Coupons bei der optimalen Reise Wert für den gegebenen Schweißkraft und Amplitude combination.
   1. Wiederholen Sie die Schritte 2.1 für jede Schweißnaht 2.5.6. In Schritt 2.5.3, verwenden Sie die optimale Reise bestimmt in Schritt 2.5.8 für die entsprechende Schweißkraft und Amplitude Kombination.
      Hinweis: Alle LSS-Tests werden durchgeführt gemäß ASTM D 1002 auf einer Universalprüfmaschine mit einer Kreuzkopfgeschwindigkeit von 1,3 mm / min.

3. Einzel Zugscherfestigkeit (LSS) Prüfung von geschweißten Gutscheine

1. Messen und für die beiden angeschweißten Coupon Kenntnis von der Breite der Überlappung nehmen.
2. Schalten Sie den Universal-Prüfmaschine und öffnen Sie die Testverfahren für LSS auf dem Computer.
3. In der Testoberfläche, geben Sie die Probennummer und die Abmessungen der Überlappung. Stellen Sie die Kraft auf 0 und den Griff-zu-Griff Trennung in seine Ausgangsposition (zum Beispiel 60 mm).
4. Positionieren der Probe in den Griffen der Prüfmaschine wie auf Abbildung 3 dargestellt.

Abbildung 3. Schematische Darstellung des Klemm in der Zwick / Roell 250 kN Universalprüfmaschine (nicht maßstabsgetreu). Die Offset-Verschiebung zwischen dem oberen und unteren Griffe erlaubt die Lastrichtung mit dem Zentrum Schweißlinie Ausrichten während der Überlappungsscher zu minimieren Biege Festigkeitsprüfung. Bitte hier klicken, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

5. Starten Sie das Testverfahren aus dem Computer durch die Schaltfläche "Start" klicken.
6. Nachdem die Probe bricht, entfernen Sie sie aus dem Griff und sichern Sie beide Teile zusammen mit Klebeband.
7. Wiederholen Sie die Schritte 3.3 bis 3.6 für alle anderen Proben.
8. Wenn die Tests abgeschlossen sind, Exportieren der Daten in eine Tabelle und berechnen den Mittelwert LSS, gemäß dem Verfahren in der Norm beschriebenen, für jede Schweißkraft und Amplitude Kombination.

Representative Results

Kohlefaserverstärkte Polyetherimid (CF / PEI) Proben wurden nach der Methode in diesem Papier beschrieben verschweißt. Die Proben wurden aus einem Verbundlaminat von fünf-Harnisch-Atlasgewebe CF / PEI mit (0/90) _3S Stapelfolge und 1,92 mm Nenndicke erhalten. Proben wurden aus diesem Laminat ausgeschnitten, so dass die Haupt augenscheinlichen Ausrichtung der Fasern zu ihrer längsten Seite parallel war. Wohnung PEI Energieleiter mit 0,25 mm Dicke verwendet wurden. Sowohl die Mischproben und den Energierichtungs wurden in einem Ofen bei 135 ° C getrocknet und 1 h 6 jeweils wie vom Hersteller angegeben. Mit Kraft und Verschiebungskurven für 0,25 mm Federweg erhalten eine optimale Reise Wert um 0,10 mm, dh 40% der ursprünglichen Dicke der Energiedirektor, wurde für den CF / PEI Proben erhalten unter 300 N Schweißkraft geschweißt und 86,2 um Spitzen -to-Peak-Schwingungsamplitude (siehe Abbildung 2 in den 4 und 5 gezeigt.

Abbildung 4. Leistungskurven für CF / PEI Coupons unter optimalen Reise geschweißt Die Leistungskurven (vertikal verschoben für Klarheit) zeigen konsistent Beendigung des Schweißprozesses in der Stufe 4. Vertikale Linien den Beginn der Phase 3 Studie Fall zeigen. CF / PEI Substrate, 0,25 mm dicken Flach PEI Energieleiter, 300 N Schweißkraft, 86,2 & mgr; m Schwingungsamplitude, 0 0,10 mm Federweg. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 5. Typische Querschnitt Bild (oben) und Bruchfläche (unten) für CF / PEI Coupon unter optimalen Reise geschweißt. Schweißverbindungen ähneln einen dickeren Verbundlaminat ohne sichtbare Unterschiede zwischen der Schweißlinie (siehe Pfeil) und den Substraten . Nach Überlappungsschertests, zeigen Bruchflächen signifikante Faserriss. Fallstudie: CF / PEI Substrate, 0,25 mm dicken Flach PEI Energieleiter, 300 N Schweißkraft, 86,2 & mgr; m Schwingungsamplitude, 0,10 mm Federweg. (Wiedergabe aus Lit. 4 mit Genehmigung von Elsevier.)OAD / 53592 / 53592fig5large.jpg "target =" _ blank "> Bitte hier klicken, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Um die Gültigkeit der Ansatz in diesem Papier zu überprüfen, um die optimale Reise für eine bestimmte Kraft / Amplitude Kombination, um zu bestimmen, wurden die Proben bei verschiedenen Reise Werte geschweißt, unterhalb und oberhalb der optimalen Reise und anschließend getestet. Der Rest der Schweißparameter für den Schweiß dieser Proben verwendet wurden, waren, wie im vorherigen Fall 300 N Schweißkraft, 86,2 & mgr; m Amplitude, 1.000 N Verfestigungskraft und 4 sec Erstarrungszeit. 6 zeigt die scheinbare Scherfestigkeit als abhängig von der Fahr (als Prozentsatz der ursprünglichen Dicke des Energiericht dargestellt).

Abbildung 6. Scheinbare Scherfestigkeit von CF / PEI coupons unter Reise Werte verschweißt. Travel hier in Bezug auf die Dicke der Energieleiter dargestellt ist. Fallstudie: CF / PEI Substrate, 0,25 mm dicken Flach PEI Energieleiter, 300 N Schweißkraft, 86,2 & mgr; m Schwingungsamplitude, variable Reise. (Wiedergabe aus Lit. 4 mit Genehmigung von Elsevier.) Bitte hier klicken, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Schließlich wurde Verschiebung gesteuerten Schweißgegenüber anderen Möglichkeiten der Ultraschall-Schweißgerät, wie beispielsweise zeit- oder energiegesteuerten Schweiß angeboten. Zu diesem Zweck sind die dargestellten Überlappungsscherfestigkeitswerte in Abbildung 4 wurden als Funktion der Schwingungsdauer (Figur 7) und der Schweißenergie (Abbildung 8) aufgetragen. Vibrationszeit und Energiewerte für alle in dieser Studie geschweißten Proben wurden providurch das Ultraschallschweißgerät als Ausgang des Schweißprozesses ded.

. Abbildung 7. Scheinbare Scherfestigkeit von CF / PEI Coupons gegenüber Vibrationen Zeit erhalten durch Vibration Zeiten von Proben verwendet, um 6 Bild zu zeichnen Studie Fall. CF / PEI Substrate, 0,25 mm dicken Flach PEI Energieleiter, 300 N Schweißkraft , 86,2 & mgr; m Schwingungsamplitude, variable Reise. (Übertragung aus dem Referenz 4 mit Genehmigung von Elsevier.) Bitte hier klicken, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 8. Scheinbare Scherfestigkeit von CF / PEI Coupons gegen Schweißenergie. Gewonnen durch Schweißenergie val mitues der verwendeten Samples 6 des Grundstückes Zahl Studie Fall. CF / PEI Substrate, 0,25 mm dicken Flach PEI Energieleiter, 300 N Schweißkraft, 86,2 & mgr; m Schwingungsamplitude, variable Reise. (Übertragung aus dem Referenz 4 mit Genehmigung von Elsevier.) Bitte hier klicken, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Discussion

Die Ergebnisse im vorherigen Abschnitt verweisen auf die Angemessenheit der einfache Methode in diesem Papier für das Ultraschallschweißen von thermoplastischen Verbund einzelnen Runde Coupons zum Zwecke der mechanischen Prüfung vorgeschlagen. Nachfolgend erläutern wir, wie die Ergebnisse der drei Hauptsäulen der Methode zu validieren, das heißt, die Verwendung von flachen lose Energiedirektoren, die Verwendung von Prozessrückmeldung optimale Dauer der Vibration und die Verwendung von Verdrängungssteuerung zu definieren, sowie die Anwendbarkeit und Grenzen die Technik.

Im Hinblick auf die erste Säule, sind flach Energierichtungs gezeigt erfolgreiches Schweißen der TPC-Coupons zu ermöglichen. Beim Ultraschallschweißen von unverstärktem Kunststoff, Energierichtungsgeber in Form von Harz Vorsprünge mit einer kleineren Querschnittsfläche als die der Verbindungsüberlappung erforderlich höheren zyklischen Belastungen zu erzeugen und damit die Erzeugung bevorzugte viskoelastische Wärme an der Schweiß inter^{Fläche 6.} Doch beim Ultraschallschweißen von TPCs, flachen Energieleiter mit der gleichen Querschnittsfläche wie der Schweiß Überlappung führen erfolgreich in Vorzugs viskoelastischen Heizung an der Schweißgrenzfläche an der unteren Drucksteifigkeit des flachen Energieleiter wegen und damit höhere zyklische Belastungen während der Schweißprozess. Die Wärme an der Grenzfläche erzeugt schmilzt das Energieleiter und an die Substrate übertragen. Unter der Wirkung des Schweißkraft wird das geschmolzene Energieleiter aus der Schweiß Überlappung zusammengedrückt, bis die vorgeschriebene Bewegung erreicht wird. Optimale Reise Werte führen zu vollverschweißte Überschneidungen und Querschnitte, die ein dicker Laminat ähneln, da die Dicke der Schweißnaht zu dem der harzreiche Bereiche in den Substraten ähnlich ist (siehe Abbildung 5). Es sei darauf hingewiesen, dass, wenn Flachenergierichtungs Verwendung Optimierung des Energiericht nicht verschweißt, um zu erreichen, benötigt wird, vollständig überlappt ^{8, wie}im Gegensatz zu den herkömmlichen optimierten Energiericht Lösungen, bei dem die Größe, Form und Abstand zwischen Energierichtungs werden müssen vollständige Abdeckung der beabsichtigten Schweißbereich ^10,11 zu erzielen. Ebenso wie im Vergleich zu Lösungen, wie beispielsweise dreieckige Energierichtungs traditionell zum Ultraschallschweißen von TPCs ^{3 verwendeten} flachen Energiedirektoren wurden in ähnlicher Schweißfestigkeitswerte zur Folge gezeigt, während keine signifikanten negativen Auswirkungen auf andere wichtige Ausgabe des Prozesses wie Maximum Leistung, Energie oder Schweißzeit ^8.

Im Hinblick auf die zweite Säule für eine bestimmte Kombination von Schweißkraft und Amplitude ist es möglich, ein optimales Fahrwerte zu definieren, dh Reise Werte, die maximale Festigkeit führen, auf der Grundlage der Kraft und Verschiebungskurven durch die Ultraschall-Schweißgerät zur Verfügung gestellt. Im Wesentlichen ca die verschiedenen Ereignisse in der Kraft und Weg-Kurven während der Vibration Phase des Schweißprozessesn zu den körperlichen Veränderungen in Beziehung gesetzt werden in der Energieleiter auftritt und den TPC Substrate während ² erhitzt wird. Dementsprechend und wie in Abbildung 2, die Schwingungsphase des Schweißprozesses gezeigt, ^{2 in die} folgenden 5 Stufen unterteilt werden:

Stufe 1, durch kontinuierliche Erhöhung der Verlustleistung gekennzeichnet, bis eine maximale und kleine Zurückziehen der Sonotrode erreicht wird, um die Vibration unterzubringen. In Stufe 1 Erwärmung des Energiericht ohne beobachtbare physikalische Änderungen an der Schweißgrenzfläche auftritt. Stufe 2, gekennzeichnet durch Leistungsabfall und keine signifikante Verschiebung der Sonotrode. In der Stufe 2 der flache Energieleiter beginnt zu schmelzen lokal als Hot-Spot-Keimbildung und Wachstumsprozess. Stufe 3, gekennzeichnet durch Leistungserhöhung und Abwärtsverschiebung der Sonotrode. In Stufe 3 wird die komplette Energieleiter geschmolzen und startet unter der Wirkung des Schweißkraft zu fließen. Stufe 4, gekennzeichnet durch aMacht Plateau und Abwärtsbewegung der Sonotrode. In Stufe 4 wird die Matrix in den obersten Schichten der Verbundsubstrate beginnt lokal mit dem Squeeze Strömung des Energiericht Schmelze entlang. Stufe 5, gekennzeichnet durch Leistung und Abwärtsbewegung der Sonotrode rückläufig. In Stufe 5 Schmelzen der Matrix in den Substraten überwiegt.

Die höchste Schweißfestigkeit tritt während der Stufe 4, da in den obersten Schichten der Verbundsubstrate der Matrix Schmelzen Diffusion von Polymerketten über die Schweißgrenzfläche ermöglicht und somit molekulare Verhakung zwischen den beiden Substraten. Diese molekulare Verstrickung entwickelt eine starke Verbindung, die während der einzelnen Runde Tests in Faserriss führt, wie in Abbildung 5 zu sehen. Jenseits dieser optimalen Bühne, übermäßiges Schmelzen der Matrix in den zusammengesetzten Substraten führt zu einer signifikanten Faser Verzerrung an der Schweißgrenzfläche, die geglaubt wird, einen Abfall des Schweiß streng zu verursachen^4.. Die vorgestellten Ergebnisse in Figur 6, die eine spezifische Kombination von Schweißkraft und die Amplitude der Schwingung entsprechen, stützen diese Diskussion. Es ist zu beachten, dass unterschiedliche Kraft / Amplituden-Kombination in unterschiedlichen Ausgabe von dem Schweißvorgang in Bezug auf die maximale Leistung und Energieverbrauch sowie die Dauer der Vibration ^{der Phase 2} zur Folge hätte. Dennoch ist das Verfahren zur Bestimmung der optimalen Reise Wert unabhängig von der gewählten Kraft / Amplitude Kombination ^4.

Im Hinblick auf die dritte Säule, Verschiebung gesteuerten Schweiß ergab relativ geringe Streuung in der scheinbaren Scherfestigkeit von Gelenken in den optimalen Bedingungen verschweißt. Dies ist vermutlich aus der Tatsache resultiert, daß alle Proben durchgängig in der gleichen Stufe verschweißt wurden (dh, Stufe 4) in der Schwingungsphase des Verfahrens), wie in 4 gezeigt. Abbildung 7 zeigt, dass, wennZeit hatte als Steuerungsgröße für den Schweißprozess eine höhere Streuung der Festigkeitswerte verwendet worden in den Schwingungszeiten für verschiedene Reise-Werte aufgrund der deutlichen überlappende zu erwarten gewesen. Nach Abbildung 8 und dargestellten Ergebnisse in der Literatur ^12, ist Energie eine bessere Option als Zeit als Steuerungsgröße. Allerdings ist der Schweißenergie von der Dicke der Substrate und der Art des Schweißvorrichtung stark abhängig und damit die optimale Energiewert ändert sich deutlich, wenn eine dieser beiden Variablen ⁴ ändern. Im Gegensatz dazu ist Verdrängungs der Sonotrode direkt mit dem Squeeze Fluss von dem Energieleiter und Matrix an der Schweißgrenzfläche bezogen und kann daher erwartet werden, weniger empfindlich auf Veränderungen in einem der oben genannten Variablen ^4.

Das neue Verfahren in diesem Papier beschrieben ermöglicht die einfache Nahfeld-Ultraschallschweißen von thermoplastischen composite Gutscheine für einzelne Überlappungsschertests. Die vorgestellten Ergebnisse beziehen sich auf das Schweißen von CF / PEI Verbundwerkstoffe, aber die gleiche Methode ^{8 bis} andere thermoplastische Verbundstoffe wie CF / polyphenyplene Sulfid (PPS) wurde erfolgreich angewendet. Wie in der Veröffentlichung beschrieben ist das Verfahren zum Schweißen einer sehr spezifischen Geometrie unmittelbar anwendbar ist, jedoch in dem Fall eine andere Schweißgeometrie angesehen wird, gibt es drei kritische Punkte, die berücksichtigt werden müssen. Zum einen zwischen den Teilen der Kontaktfläche Erhöhung verschweißt werden soll, eine direkte Auswirkung auf die maximale Leistung während des Schweißprozesses abgeführt. Folglich ist der maximale Bereich, der in einer Aufnahme angeschweißt werden kann, ist durch die maximale Leistung, die vom Ultraschallschweißgerät geliefert beschränkt. Zweitens ist das Verfahren in dieser Veröffentlichung beschriebenen uneingeschränkten Fluss des geschmolzenen Energieleiter von den vier Rändern des Schweißüberlappen. Eine andere Schweiß Konfiguration könnte, beschränken jedoch die Polymerfluss. Dieskann erwartet werden, über die Entwicklung der Verschiebung der Sonotrode während des Schweißprozesses eine Auswirkung zu haben und wahrscheinlich Einschränkungen Verschiebung gesteuerten Schweiß verhängen. Drittens, wenn die Dicke der Teile ist so, dass der Abstand von der Sonotrode an der Schweißgrenzfläche größer ist als 6 mm, spezifische Aspekte des Fernfeld-Ultraschallschweißung sollte berücksichtigt werden. Dennoch kann das Verfahren in diesem Papier als Grundlage für die Entwicklung von Ultraschallschweißverfahren für die Montage der eigentlichen thermoplastischen Verbundstrukturen berücksichtigt werden. Die wichtigsten Neuerungen und Vorteile dieser Methode sind die Verarbeitung vereinfacht aufgrund der Verwendung von lose flache Energiedirektoren und die Nutzung der durch den Schweißer zur Verfügung gestellten Daten schnell für verschiedene Kombinationen von Kraft und Amplitude, die optimale Dauer der Vibration zu definieren. Im Vergleich zu aktuellen Trial-and-Error-Verfahren, hat die Definition der Prozessparameter basierend auf Prozessdaten das Potenzialerhebliche Einsparungen in der Zeit und Aufwand zu bieten benötigt Schweißverfahren für spezielle Anwendungen zu entwickeln.

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.