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

Summary

A straightforward procedure for ultrasonic welding of thermoplastic composite coupons for basic mechanical testing is described. Key characteristics of this ultrasonic welding process are the use of flat energy directors for simplified process preparation and the use of process data for the fast definition of optimum processing conditions.

Abstract

This paper presents a novel straightforward method for ultrasonic welding of thermoplastic-composite coupons in optimum processing conditions. The ultrasonic welding process described in this paper is based on three main pillars. Firstly, flat energy directors are used for preferential heat generation at the joining interface during the welding process. A flat energy director is a neat thermoplastic resin film that is placed between the parts to be joined prior to the welding process and heats up preferentially owing to its lower compressive stiffness relative to the composite substrates. Consequently, flat energy directors provide a simple solution that does not require molding of resin protrusions on the surfaces of the composite substrates, as opposed to ultrasonic welding of unreinforced plastics. Secondly, the process data provided by the ultrasonic welder is used to rapidly define the optimum welding parameters for any thermoplastic composite material combination. Thirdly, displacement control is used in the welding process to ensure consistent quality of the welded joints. According to this method, thermoplastic-composite flat coupons are individually welded in a single lap configuration. Mechanical testing of the welded coupons allows determining the apparent lap shear strength of the joints, which is one of the properties most commonly used to quantify the strength of thermoplastic composite welded joints.

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 </sup>, Qui peut être utilisé pour l'assurance de la qualité de la ligne ou pour la définition rapide des fenêtres de traitement ^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 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. Depuis résistance des joints soud…

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'orientati…

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 …

Materials

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.