Introduction
열가소성 복합물 (TPC)는 그들의 비용 효율적인 제조에 기여 용접 될 수있는 능력을 가지고있다. 용접은 부드럽게 또는 접합면의 열가소성 수지를 용융하고 친밀한 접촉과 용접 인터페이스를 통해 열가소성 고분자 사슬의 후속 상호 확산을 허용하도록하는 압력으로 지역 난방을 필요로한다. 분자 상호 확산이 달성되면, 감압 냉각하는 용접 조인트를 통합. 몇몇 용접 기술 한 열 그러나 메인 "접착"메커니즘, 즉 분자의 얽힘 소스 주로 다르다 열가소성 복합 재료에 적용 할 수 있으며, 변경되지. 초음파 용접은 (몇 초 정도)에 매우 짧은 시간 용접 쉽게 자동화를 제공하며, 열가소성 복합 기판의 보강 형 거의 독립적이다. 또한, 반응계에 2,3- 모니터링 가능성을 제공한다 (4)의 고속 정의에 사용될 수있다. 열가소성 복합 초음파 용접 주로 스폿 용접 공정 순차 초음파 용접을 통해 긴 이음매 그러나 성공적인 용접 문헌 5에보고되어있다. 저항 또는 유도 용접 달리, 초음파 용접 공업 지금까지 열가소성 복합 부분 사이의 구조적 관절에 적용되지 않았습니다. 그럼에도 불구하고, 상당한 노력이 현재 항공기 응용 프로그램에 대한 열가소성 복합 재료의 구조 초음파 용접의 개발을 촉진하기 위해 헌신하고있다.
초음파 용접, 접합되는 부분은 횡 점탄성 표면 및 가열을 통해 발열 결과 용접 인터페이스 정적 힘 고주파 저 진폭 기계적 진동의 조합으로 실시한다. 접합 계면에서 우선적으로 가열이 촉진되고표면에 수지 돌기의 사용을 통해 기판 (6)보다 높은 주기적 변형을 겪게하고, 따라서 높은 점탄성 가열 된 용접한다. 부품 프레스 및 압전 변환기 및 부스터로 구성된 초음파 열차에 연결 sonotrode를 통해 용접 할에 힘과 진동이 작용한다. sonotrode 접점 부를 접합되는 점과 접합 계면과의 거리에 따라 차이는 근거리 및 원거리 초음파 용착 사이에 만들어 질 수있다. 근접장 용접 (sonotrode 용접 인터페이스와 6 mm 미만)는 음파 (6)을 수행하는 물질의 능력에 크게 의존 특정 열가소성 물질 원방 용접의 적용 동안 재료의 넓은 범위에 적용 할 수있다 .
초음파 용접 프로세스는 세 가지 단계로 나누어 질 수있다. 먼저, 구동력 축적 단계, 어느 sonotro 중드 서서히 소정 트리거 하중에 도달 할 때까지 부분에 힘이 증가 용접한다. 진동이 단계에서 적용되지 않습니다. 둘째, 트리거 하중에 도달하면 시작 진동 단계. 이 단계에서는 sonotrode는 용접 공정에 필요한 열을 발생 일정 시간 동안 소정 진폭으로 진동한다. 마이크로 프로세서 제어 초음파 용접기 진동 단계의 기간, 그 중 시간 (즉, 직접 제어), 변위 또는 에너지 (간접 제어)를 제어하는 몇 가지 옵션을 제공합니다. 이 단계에서 가해지는 힘은 힘을 용접 상수 트리거 하중 동일하게 유지할 수있다 즉, 서서히 진동의인가 동안 변화 될 수있다. 셋째, 용접 부분이 허용되는 동안 응고 단계는 일정 시간 동안 소정의 응고 력 하에서 냉각. 진동이 마지막 단계에서 적용되지 않습니다.
용접 FORCE, 진동의 진폭, 진동수 및 진동 위상 기간 (직접 또는 간접적으로 에너지 또는 변위를 통해 제어)의 발열을 제어하는 용접 파라미터이다. 주파수는 각 초음파 용접기 고정하는 동안 힘, 크기 및 지속 시간은 사용자 정의 매개 변수입니다. 응고 력 및 고화 시간도 파라미터 용접 파라미터의 나머지 용접부의 최종 품질과 함께, 가열 공정에 개입하지만, 통합에 영향을하지 않는다.
이 논문은 D 1002 규격 (미국 재료 시험 학회) ASTM 다음 후속 기계, 하나의 랩 전단 (LSS) 테스트를위한 하나의 랩 구성에 개인 TPC 쿠폰의 근접장 초음파 용접을위한 새로운 간단한 방법을 제안한다. 용접 쿠폰의 기계 시험 특성을 가장 통신 중 하나 관절 명백 랩 전단 강도를 결정하는 허용단, 열가소성 복합 용접부 (7)의 강도를 정량화하는 데 사용된다. 이 논문에 기재된 접합 방법은 세 가지 기둥에 기초한다. 우선, 이른바 플랫 에너지 디렉터는 용접 공정 중에 접합 계면에서 우선적 8,9 발열 사용된다. 둘째, 초음파 용접기에 의해 제공되는 프로세스 데이터가 빠르게 특정 힘 / 진폭 조합 2,4-위한 진동 위상의 최적 지속 시간을 정의하는 데 사용된다. 셋째, 진동 위상 기간 간접적 용접부 (4)의 일정한 품질을 보장하기 위해 sonotrode의 변위를 통해 제어된다. 이 용접 방법은 열가소성 복합 재료에 대한 최신의 용접 절차에 관해서는 다음과 같은 주요 참신하고 장점을 제공한다 : (a) 단순화 된 샘플 대신 기존의 성형 에너지 이사 3의 느슨한 평면 에너지 이사의 사용에 의해 사용 준비, (b)는 빠르고 C일반적인 시행 착오 접근 방식에 반대 인 시츄 프로세스 모니터링에 기초하여 공정 변수 OST 효율적인 정의. 본 문서에 기재된 방법은 매우 간단한 용접 특정 형상을 얻기에 맞는하지만 실제 부품 용접 절차를 정의하는 기반이 될 수있다. 단일 랩 쿠폰의 오버랩의 네 모서리에 흐름 제한 반대 경우의 주된 차이는, 에너지 디렉터의 제한된 흐름의 결과.
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Protocol
1. 시편은 초음파 용접을 위해 절단 및 준비
- 샘플 (예를 들면, 다이아몬드 톱 또는 워터 제트 절단)의 가장자리 박리 방지 가공 기술을 사용하여 더 큰 열가소성 복합 적층 체에서 25.4 mm X 101.6 mm 측정 직사각형 시료를 잘라.
주의 : 샘플 크기는 ASTM D 1002의 기준에 기초한다.- 용접 이음의 강도가 표면에 섬유 방향에 의존하기 때문에 같은 방향으로 모든 샘플을 절단하는데주의를 기울여야 10 용접한다.
- 경우에 제조자의 권고에 따라 오븐에서 건조 샘플을 절단 한 후, 열가소성 수지가 수분을 흡수하는 경향이있다 (예를 들면, 여섯 층 탄소 섬유를 135 ℃에서 6 시간이 CF / PEI, 샘플, 폴리 에테르이 강화).
- 약 2 (크기 (복합의 행렬과 동일한 수지) 깔끔한 열가소성 필름으로 만들어진 평면 에너지 이사를 잘라적어도 0.25 mm의 두께를 6mm X 26mm). 필요한 경우, 제조업체의 권장 사항은 다음 에너지 이사를 건조 (예를 들어, PEI 에너지 이사 135 ℃에서 1 시간).
- 용접하기 전에 표본을 박리 코너에 대해 하나 하나를 검사하고 필요한 경우 폐기하십시오. 탈지제 및면 헝겊을 사용하여 청소합니다. 동일한 절차에 따라 평면 에너지 이사를 청소합니다.
단일 랩 전단 쿠폰 2. 초음파 용접
주 : 일정한 진폭으로 용접 초음파 용접기 수 제어 마이크로 프로세서는이 단계에서 사용된다. 이러한 소모 전력 및 컴퓨터 데이터 수집 소프트웨어 sonotrode 대 시간의 변위 용접기 출력 프로세스 데이터. 설계를 정확하게 배치하고 초음파 용접시 단일 랩 전단 샘플 클램프 제조 맞춤형 지그이 단계에서 사용된다 (도 1 참조).
그림 1. 초음파 용접기이 연구에 사용 된 맞춤형 용접 설치 1. sonotrode, 2 : 슬라이딩 플랫폼, (3) : (2 부착) 상부 시료에 대한 클램프, 4 : 낮은 시료에 대한 클램프 (참조에서 재판 엘스 비어의 허가 4.) 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
- 각 용접 실험 전에 로그 북 시트를 작성합니다.
- RT와 습도, 용접 설치 기준, sonotrode 유형, 샘플 수와 재료, 폭, 상단과 하단 샘플의 두께 및 에너지 이사의 두께 : 다음 매개 변수를 기록해 둡니다.
- 초음파 용접기와 컴퓨터를 켭니다. 데이터 수집 소프트웨어를 시작하고 새 세션을 엽니 다.
- 아니 이미의 경우, sonot 변경그 바닥 표면은 완전히 용접 영역을 덮도록 40mm의 직경을 갖는 원통형 sonotrode 탔다.
참고 sonotrode 다른 형상이 사용될 수 있지만, 그 바닥면은 용접 영역보다 작은이어야한다. - 위치 및 용접 지그에 시험편 및 에너지 디렉터를 흥분시키는 (도 1 참조).
- 이 지역은 용접하는 것보다 약간 더 큰 지역 (12.7 mm X 25.4 mm)를 덮도록 접착 테이프로 바닥 시편에 평면 에너지 디렉터를 연결합니다.
- 지그로 바닥 샘플을 놓고 상단 나사를 체결하여 고정.
- 그 과정에서 위치에 유지되도록 설정의베이스에 에너지 디렉터의 다른 쪽 끝을 테이프입니다.
- 클램프에 위 샘플을 놓고 맞 춥니 상단 나사를 조입니다.
- 슬라이딩 플랫폼에 가기 샘플에 대한 클램프를 놓고 두 나사를 조입니다.
- 더 진행하기 전에, m 한 번에 4 개의 나사를 조광석.
- 단계 2.5.8 2.5.1에 기술 된 바와 같이, 높은 용접 강도를 얻기 sonotrode의 변위에 기초하여 상기 진동 단계의 최적 지속 시간을 결정한다.
주 : 진동 위상의 최적 지속 시간은 용접 력 및 진폭의 원하는 각 조합에 대해 결정된다.- 변위 제어 모드를 차동 초음파 용접기를 설정합니다.
- 입력은 (예를 들어, 300 μm의 N 및 86.2)를 초음파 용접기에 힘 진폭 용접.
주 :이 초음파 용접기를 들어 86.2 ㎛의 피크 - 투 - 피크 진폭에 상당한다. 기기 설정에서,이 값의 절반, 43.1 μm의로서 표현된다. - 입력 (예를 들면, 0.25 mm)의 에너지 디렉터의 초기 두께와 동일한 값으로 진동 위상의 끝에 sonotrode 변위 또는 여행.
- 입력 응고 력 시간 초음파 용접기로 (예를 들어, 1000N 4000 밀리 초).
- 준비가되면, 방음 헤드폰에 넣고 초음파 용접 공정을 시작합니다.
- 용접 거리, 최대 전력, 진동 시간과 에너지 : 공정 종료 후, 다음과 같은 출력 파라미터을 기록해. 용접 설정에서 쿠폰을 제거하고 모두 페인트 마커로 끝나는에서의 식별 번호를 작성합니다.
- 스프레드 시트에 용접 데이터 (전력 sonotrode 변위)를 내보내기 프로세스의 진동 단계 동안 시간 곡선 대 힘 및 변위를 플롯.
주 : 변위 곡선 진동 위상의 시작에서 그 위치에 대하여 sonotrode의 하향 변위를 플롯한다. - (이 경우, 0.10 mm에서) 그림 2에서와 같이 전원 고원 (4 단계)의 중간에 변위를 확인합니다.
주 :이 특정 변위 값 진동 위상 뜻의 지속 시간을 제어하는 최적의 여행같은 용접 힘과 진폭에 대한 모든 후속 용접에 사용 될 수있다.
도 2의 전원 (검정)과 최적의 이동량을 나타내는 초음파 용접 프로세스 변위 (회색) 곡선. 초음파 용착의 진동의 위상은 5 단계로 나눌 수있다. 최적의 이동량이 단계 4. 연구 케이스 내에 위치 : 탄소 섬유는 폴리 에테르이 미드 -PEI 기판, 0.25 mm 두께의 평면 PEI 에너지 이사, (300) N 용접 힘, 86.2 μm의 진동 진폭, 0.25 mm 여행을 강화했다. (엘스 비어의 허가 기준 4에서 재판.) 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
- 주어진 용접 힘과 진폭 combinatio에 대한 최적의 이동량에서 용접 쿠폰엔.
- 반복 각 용접을 위해 2.5.6 2.1 단계를 반복합니다. 단계 2.5.3에서 해당 용접 힘과 진폭 조합 단계 2.5.8에서 결정된 최적의 여행을 사용합니다.
주 : 모든 LSS 시험은 1.3 mm / 분의 크로스 헤드 속도로 만능 시험기에서 ASTM D 1002에 따라 수행된다.
- 반복 각 용접을 위해 2.5.6 2.1 단계를 반복합니다. 단계 2.5.3에서 해당 용접 힘과 진폭 조합 단계 2.5.8에서 결정된 최적의 여행을 사용합니다.
용접 쿠폰 3. 단일 랩 전단 강도 (LSS) 테스트
- 측정하고 각각의 용접 쿠폰의 중복의 폭을 기록해 둡니다.
- 만능 시험기를 켜고 컴퓨터에 LSS에 대한 테스트 절차를 엽니 다.
- 테스트 인터페이스에서 샘플 수와 겹치는 크기를 입력한다. 0 힘 (예를 들면, 60mm) 초기 위치로 손잡이 대 그립 분리를 설정한다.
- 도 3에 도시 된 바와 같이, 시험 장치의 그립에 샘플을 놓고.
Zwick의 / Roell 사 250 KN 만능 시험기 (축척되지 않은)에 클램프의 그림 3. 도식보기. 상부와 하부 그립 사이의 오프셋 (offset) 변위는 랩 전단 중 굽힘 최소화하기 위해 중앙 용접 라인 부하 방향을 정렬 할 수 있습니다 강도 시험. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
- "시작"버튼을 클릭하여 컴퓨터에서 테스트 절차를 시작합니다.
- 샘플 휴식 후, 그립에서 제거 및 테이프와 함께 두 부분을 고정합니다.
- 반복 3.3 다른 모든 샘플에 대한 3.6 단계를.
- 검사가 완료되면, 각각의 용접 력 및 진폭의 조합을 위해, 표준에 기술 된 절차에 따라, 스프레드 시트에 데이터를 보내어 LSS 평균 값을 계산한다.
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Representative Results
탄소 섬유 강화 폴리 에테르이 미드 (CF / PEI) 샘플이 논문에 기술 된 방법에 따라 용접 하였다. 샘플 (0/90) 3S 적층 순서와 1.92 mm 공칭 두께, 새틴 패브릭 CF / PEI 다섯 하네스 만든 복합 적층에서 얻었다. 섬유의 방향이 주 명백 최장 측과 평행이되도록 샘플이 라미네이트로부터 절단 하였다. 0.25 mm 두께로 평면 PEI 에너지 디렉터가 사용되었다. 제조자에 의해 나타낸 바와 같이, 복합 샘플 및 에너지 디렉터는 모두 각각 6 및 1 시간 동안 135 ℃에서 오븐에서 건조시켰다. 0.25 mm 여행, 0.10 mm 주위에 최적의 이동량, 즉, 에너지 감독의 초기 두께의 40 %를 얻은 힘과 변위 곡선을 사용하여, 300 N 용접 힘과 86.2 μm의 피크에서 용접 CF / PEI의 샘플을 얻었다 -to-피크 진폭 (그림 2 참조 각각도 4 및도 5에 나타내었다.
CF / PEI 쿠폰 그림 4. 전원 곡선은 최적의 여행에서 용접 전원 곡선은 수직 라인 단계 3. 연구 사례의 발병 나타내는 단계 4에서 용접 공정의 일관적인 결말을 보여준다 (명확성을 위해 수직 이동). CF / PEI를 기판, 0.25 mm 두께의 평면 PEI 에너지 이사, (300) N 용접 힘, 86.2 μm의 진동 진폭, 0 0.10 mm 여행. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
최적의 주행에 따라 용접 CF / PEI 쿠폰에 대한도 5의 전형적인 단면 현미경 사진 (상)과 파 단면 (아래). 용접 이음이 (화살표로 나타낸) 용접선 사이에 보이는 차이 기질 두꺼운 복합 적층 유사 . 랩 전단 시험 후, 골절 표면은 중요한 섬유 찢어을 보여줍니다. 연구 사례 : CF / PEI 기판, 0.25 mm 두께의 평면 PEI 에너지 이사, (300) N 용접 힘, 86.2 μm의 진동 진폭, 0.10 mm 여행. (엘스 비어의 허가 기준 4에서 재판.)OAD / 53592 / 53592fig5large.jpg "대상 ="_ 빈 ">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
일정한 힘 / 크기 조합에 대한 최적의 이동을 결정하기 위해이 문서에서 제시된 방법의 유효성을 확인하기 위해, 샘플은 테스트 이후에보다 최적 여행 상기 다른 이동 값으로 용접 하였다. 이 샘플의 용접에 사용되는 용접 파라미터의 나머지는 이전의 경우와 마찬가지로했다 300 N 용접 력, 86.2 μm의 진폭 1000 N 응고 력 4 초 고화 시간.도 6은 겉보기 랩 전단 강도를 나타낸다 여행의 기능 (에너지 감독의 초기 두께의 백분율로 표시).
CF / PEI의 coupo 그림 6. 명백한 랩 전단 강도NS는 다른 여행의 값에 따라 용접. 여행은 에너지 감독의 두께를 기준으로 여기에 표시됩니다. 연구 사례 : CF / PEI 기판, 0.25 mm 두께의 평면 PEI 에너지 이사, (300) N 용접 힘, 86.2 μm의 진동 진폭, 변수 여행. (엘스 비어의 허가 기준 4에서 재판.) 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
마지막으로, 변위 제어 용접는 시간 - 또는 에너지 제어 용접과 초음파 용접기에 의해 제공되는 다른 가능성을 비교 하였다. 이러한 목적으로,도 4에 도시 된 랩 전단 강도 값은 진동 시간의 함수 (도 7) 및 용접 에너지 (도 8)으로 플롯되었다. 이 연구에서 용접 모든 샘플에 대한 진동 시간과 에너지 값이 있습니다 provi했다용접 프로세스 출력으로 초음파 용접기에 의해 공격 한.
. 진동 시간에 대한 CF / PEI 쿠폰 그림 7. 명백한 랩 전단 강도 샘플의 진동 시간을 사용하여 얻을 수도 6을 플롯하는 데 사용되는 연구의 경우 :. CF / PEI 기판, 0.25 mm 두께의 평면 PEI 에너지 이사, (300) N 용접 힘을 , 86.2 μm의 진동 진폭, 변수 여행. (엘스 비어의 허가 기준 4에서 적응.) 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
에너지를 용접 대 CF / PEI 쿠폰 그림 8. 명백한 랩 전단 강도. 용접 에너지 발을 사용하여 획득. 샘플의 단말은 그림 6 연구 사례를 플롯하는 데 사용 : CF / PEI 기판, 0.25 mm 두께의 평면 PEI 에너지 이사, (300) N 용접 힘, 86.2 μm의 진동 진폭, 변수 여행. (엘스 비어의 허가 기준 4에서 적응.) 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
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Discussion
앞 절에서 제시된 결과는 기계적 시험을 목적으로 열가소성 복합 단일 무릎 쿠폰의 초음파 용접이 논문에서 제안하는 간단한 방법의 적합성을 나타냅니다. 다음 단락은 결과에있어서의 세 가지 기둥을 검증하는 방법을 논의, 즉 평면 느슨한 에너지 디렉터 프로세스 피드백의 사용 용도는 최적의 진동 및 용량 제어의 사용 기간뿐만 아니라, 적용 및 제한 사항을 정의 할 기술.
첫 번째 기둥에 관해서, 평면 에너지 이사는 TPC 쿠폰을 성공적으로 용접 할 수 있도록 표시됩니다. 비 강화 플라스틱 초음파 용접, 접합 오버랩보다 작은 단면적을 가진 수지 돌기의 형태로 에너지 디렉터는 용접 층간에 따라서 높은 환상 균주 우선적 점탄성 발열을 발생하는 데 필요한얼굴 6. 그러나 TPCs 초음파 용접, 용접 오버랩 같은 단면적 평면 에너지 디렉터 성공적 평면 에너지 디렉터 낮은 압축 강도 때문에 높은 환상 균주 중에 때문에 접합 계면에서 우선적 점탄성 가열 될 않는다 용접 방법. 계면에서 발생한 열 에너지 디렉터 녹아 기판에 전사된다. 소정의 이동에 도달 할 때까지 용접 력의 영향 하에서, 용융 된 에너지 디렉터 용접 오버랩에서 압착된다. 최적의 이동 값 (도 5 참조) 용접선의 두께가 기판에 수지가 풍부한 영역과 유사하기 때문에 더 두꺼운 라미네이트 유사한 완전 용접 겹치고 단면 초래한다. 평면 에너지 디렉터를 사용하는 경우, 에너지 디렉터의 최적화가 완전 용접 달성하기 위해 필요하지 않은 것으로 한 바와 같이, 8 중첩되어야에너지 디렉터의 크기, 형상 및 간격은 의도 용접 영역 (10, 11)의 전체 커버리지를 달성하기 위해 최적화 될 필요가있는 전통적인 에너지 디렉터 솔루션에 대향. 이러한 전통적 TPCs 3 초음파 용접에 사용되는 삼각형의 에너지 디렉터 등의 솔루션에 비해 마찬가지로 평면 에너지 디렉터는 최대로 공정의 다른 중요한 출력에 상당한 악영향을 갖지 않는 반면 유사한 용접 강도 값의 결과에 도시 된 전력, 에너지 또는 용접 시간 8.
제 기둥에 관해서, 용접 력 및 진폭의 특정 조합에 대해, 상기 초음파 용접기에 의해 제공되는 힘과 변위 곡선에 기초하여, 최대 강도로 이어질 즉 주행 값 최적의 이동 값을 정의 할 수있다. 본질적으로, 용접 공정의 진동 단계 동안 힘과 변위 곡선 다른 이벤트 캘리포니아N 2, 가열시의 에너지 디렉터 발생 신체적 변화 및 TPC 기판과 관련 될 수있다. 도 2에 도시 된 바와 같이 적절하고, 용접 공정의 진동 위상이 5 단으로 분할 될 수있다 :
최대에 도달하고 진동을 수용 할 수 sonotrode의 작은 철회 될 때까지 낭비 된 전력의 지속적인 증가에 의해 특징 1 단계. 단계에서 용접 인터페이스에서 모든 관찰 물리적 변화없이 에너지 이사 1 가열이 발생합니다. 2 단계, 전력 감소 및 sonotrode의 유의 변위 특징. 2 단계에서는 평면 에너지 이사는 로컬 핫 스폿 핵 및 성장 과정으로 녹기 시작합니다. 3 단계, 전력 증가와 sonotrode의 하향 변위 특징. 3 단계에서 전체 에너지 이사는 용융 및 용접 힘의 영향 아래에 흐르기 시작. 스테이지 (4), 특징전원 고원과 sonotrode의 하향 변위. 4 단계에서 복합 기판의 최상부 층의 행렬은 로컬 에너지 감독의 스퀴즈 흐름과 함께 용융에 시작됩니다. 5 단계는, 전력 및 sonotrode의 하향 변위를 감소 특징. 단계에서는 기판에 매트릭스 (5) 융점이 지배적이다.
복합 기판의 최상층의 행렬의 용융하는 두 개의 기판 사이의 접합 계면 따라서 분자의 얽힘에 걸쳐 고분자 사슬의 확산을 가능하게하기 때문에 높은 용접 강도가 스테이지 (4) 동안 발생한다. 이 분자의 얽힘은도 5에 도시 된 바와 같이, 하나의 랩 테스트 중에 섬유 인열 결과 강한 연결을 개발하고있다.이 최적의 단계 이외에도 용접 경계면에서 상당한 섬유 왜곡 복합 기판 결과 행렬의 과도한 용융 추정되는 용접 streng의 저하를 일으키는4 번째. 용접 력 및 진동의 진폭의 특정 조합에 대응하는도 6에 제시된 결과는 본 논의를 지원한다. 다른 힘 / 진폭 조합 진동 위상이 기간뿐만 아니라, 최대 소비 전력 및 에너지의 관점에서 용접 과정에서 다른 출력 초래 주목해야한다. 그럼에도 불구하고, 최적의 이동량을 결정하는 방법은 선택된 힘 / 4 진폭 조합 독립적이다.
세 번째 기둥에 관해서, 변위 제어 용접은 최적의 조건에서 용접 이음의 명백한 랩 전단 강도가 상대적으로 낮은 산란 결과. 만약 것을 나타낸다 이는 모든 샘플이 지속적으로 (즉, 4 단)도 4에 나타낸 바와 같이 프로세스의 진동 위상 이내).도 7과 동일한 단계에 용접 하였다는 사실에 기인하는 것으로 여겨진다시간은 용접 공정에 대한 제어 파라미터로서 사용되었다 강도 값의 높은 분산으로 인해 상이한 체류 값 진동 시간의 상당한 중첩이 예상되고 있었다. 그림 8과 문학 (12)에 제시된 결과에 따르면, 에너지 제어 매개 변수로 시간보다 더 나은 선택이 될 것입니다. 두 변수 중 4 변경할 때, 용접 에너지의 최적 에너지 값이 크게 변화하므로 기판과 용접 지그의 성질 및 두께에 따라 크게 좌우된다. 반대로, sonotrode의 변위를 직접 접합 계면에서의 에너지 매트릭스의 감독 스퀴즈 흐름과 관련되며, 따라서 상기 언급 된 변수 (4)의 임의의 변화에 덜 민감 할 것으로 예상 할 수있다.
이 문서에서 설명하는 새로운 방법은 열가소성 빌려 간단 근접장 초음파 용접을 할 수 있습니다하나의 랩 전단 시험에 대한 osite 쿠폰. 제시된 결과는 CF / PEI 복합체 용접을 참조하지만, 동일한 방법을 성공적 CF / polyphenyplene 설파이드 (PPS) (8)과 같은 다른 강화 열가소성 복합 재료에 적용되고있다. 논문에 기재된 바와 같이, 상기 방법은 매우 특수한 형상의 용접에 직접 적용될 수있다, 그러나, 다른 용접 형상이 고려되는 경우에 고려 될 필요가 세 가지 한계점이있다. 우선, 용접 될 부분 사이의 접촉 영역의 증가는 용접 공정 동안 최대 전력 소모에 직접적인 영향을 미친다. 따라서, 한 번에 접합 될 수있는 최대 면적은 초음파 용접기에 의해 전달 된 최대 전력에 의해 제한된다. 둘째, 본 논문에서 설명하는 방법은 용접 중복의 네 모서리 중 용융 에너지 감독의 무제한 흐름을 고려한다. 다른 용접 구성은, 그러나 중합체 유동을 제한 할 수있다. 이용접 프로세스 중에 sonotrode의 변위의 진화에 영향을 미칠 아마 변위 제어 용접 제한을 부과 할 것으로 예상 할 수있다. 셋째, 부품의 두께는 접합 인터페이스에서 sonotrode 거리 이상 6mm, 초음파 용접이 고려되어야한다 원방 특정 고려되도록이면. 그럼에도 불구하고,이 글에서 제시 한 방법은 실제 열가소성 복합 구조의 조립을위한 초음파 용착 방법의 개발을위한 기초로서 고려 될 수있다. 이 방법의 주요 참신 및 이점으로 인해 이른바 플랫 에너지 디렉터의 사용 및 신속 힘 진폭의 상이한 조합에 대한 진동의 최적 지속 시간을 정의하는 용접기에 의해 제공된 데이터의 사용으로 처리를 단순화한다. 현재 시행 착오 절차에 비해 처리 데이터에 기초하여 공정 변수의 정의 가능성을 가지고특정 응용 프로그램에 대한 용접 공정을 개발하는 데 필요한 노력과 시간을 크게 절감을 제공합니다.
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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. |
References
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- Villegas, I. F. In situ monitoring of ultrasonic welding of thermoplastic composites through power and displacement data. J Thermoplast Compos. 28 (1), 66-85 (2015).
- Benatar, A., Gutowski, T. G. Ultrasonic welding of PEEK Graphite APC-2 composites. Polym Eng Sci. 29 (23), 1705-1721 (1989).
- Villegas, I. F. Strength development versus process data in ultrasonic welding of thermoplastic composites with flat energy directors and its application to the definition of optimum processing parameters. Compos Part A-Appl S. 65, 27-37 (2014).
- Lu, H. M., Benatar, A., He, F. G. Sequential ultrasonic welding of PEEK/graphite composite plates. Proceedings of the ANTEC'91 Conference. , 2523-2526 (1991).
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- Villegas, I. F., Valle-Grande, B., Bersee, H. E. N., Benedictus, R. A comparative evaluation between flat and traditional energy directors for ultrasonic welding of CF/PPS thermoplastic composites. Compos Interface. , (2015).
- Levy, A., Le Corre, S., Villegas, I. F. Modelling the heating phenomena in ultrasonic welding of thermoplastic composites with flat energy directors. J Mater Process Tech. , 1361-1371 (2014).
- Shi, H., Villegas, I. F., Bersee, H. E. N. Strength and failure modes in resistance welded thermoplastic composite joints: effect of fibre-matrix adhesion and fibre orientation. Compos Part A-Appl S. 55, 1-10 (2013).
- Villegas, I. F., Bersee, H. E. N. Ultrasonic welding of advanced thermoplastic composites. An investigation on energy-directing surfaces. Adv Polym Tech. 29 (2), 113-121 (2010).
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