एकल गोद कतरनी परीक्षण के माध्यम से वेल्डेड जोड़ों के मैकेनिकल विशेषता के लिए थर्माप्लास्टिक समग्र कूपन की अल्ट्रासोनिक वेल्डिंग
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
थर्माप्लास्टिक कंपोजिट (टीपीसी) जो उनकी लागत प्रभावी विनिर्माण के लिए योगदान की क्षमता वेल्डेड किया जाना है, लोगों की है। वेल्डिंग नरम या में शामिल होने सतहों के थर्माप्लास्टिक राल पिघला और घनिष्ठ संपर्क और वेल्डिंग इंटरफेस के पार थर्माप्लास्टिक बहुलक श्रृंखला के बाद के अंतर-प्रसार के लिए अनुमति देने के लिए दबाव के तहत स्थानीय हीटिंग की आवश्यकता है। एक बार जब आणविक अंतर-प्रसार हासिल की है, दबाव में नीचे ठंडा वेल्डेड संयुक्त समेकित करता है। कई वेल्डिंग तकनीक थर्माप्लास्टिक कंपोजिट जो गर्मी 1, हालांकि, मुख्य "आसंजन" तंत्र, यानी, आणविक उलझाव के स्रोत में मुख्य रूप से अलग करने के लिए लागू कर रहे हैं, अपरिवर्तित रहता है। अल्ट्रासोनिक वेल्डिंग बहुत ही कम वेल्डिंग बार (एक कुछ सेकंड के क्रम में), आसान स्वचालन प्रदान करता है और यह थर्माप्लास्टिक समग्र substrates में सुदृढीकरण के प्रकार के लगभग स्वतंत्र है। इसके अलावा, यह सीटू की निगरानी 2,3 के लिए संभावना प्रदान करता है </sup>, जो लाइन में गुणवत्ता आश्वासन के लिए या प्रसंस्करण खिड़कियों 4 की तेजी परिभाषा के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है। थर्माप्लास्टिक कंपोजिट अल्ट्रासोनिक वेल्डिंग ज्यादातर एक स्थान वेल्डिंग की प्रक्रिया, अनुक्रमिक अल्ट्रासोनिक वेल्डिंग के माध्यम से लंबे समय तक तेजी की लेकिन सफल वेल्डिंग साहित्य 5 में सूचित कर दिया गया है। के रूप में प्रतिरोध या प्रेरण वेल्डिंग करने का विरोध किया, अल्ट्रासोनिक वेल्डिंग औद्योगिक रूप से अब तक थर्माप्लास्टिक समग्र भागों के बीच संरचनात्मक जोड़ों के लिए लागू नहीं किया गया है। फिर भी, महत्वपूर्ण प्रयास वर्तमान में विमान अनुप्रयोगों के लिए थर्माप्लास्टिक कंपोजिट के संरचनात्मक अल्ट्रासोनिक वेल्डिंग के विकास को आगे बढ़ाने के लिए समर्पित किया जा रहा है।
अल्ट्रासोनिक वेल्डिंग में, भागों शामिल होने के लिए अनुप्रस्थ वेल्डिंग इंटरफेस है, जो सतह और viscoelastic हीटिंग के माध्यम से गर्मी पीढ़ी में यह परिणाम को स्थिर बल और उच्च आवृत्ति कम आयाम यांत्रिक कंपन का एक संयोजन के अधीन हैं। वेल्डिंग इंटरफेस में तरजीही हीटिंग पदोन्नत किया हैसतहों पर राल उभार के उपयोग के माध्यम वेल्डेड जा जो उच्च चक्रीय तनाव से गुजरना है, और इस प्रकार उच्च viscoelastic हीटिंग, substrates 6 से। सेना और कंपन लगाए गए कर रहे हैं भागों एक प्रेस करने के लिए और एक अल्ट्रासोनिक पीजो इलेक्ट्रिक कनवर्टर और बूस्टर से मिलकर ट्रेन से जुड़ा एक sonotrode के माध्यम से वेल्डेड पर। इस मुद्दे पर जहां sonotrode संपर्कों हिस्सा शामिल होने के लिए और वेल्डिंग इंटरफेस के बीच की दूरी पर निर्भर करता है, एक अंतर के पास मैदान और अभी तक क्षेत्र अल्ट्रासोनिक वेल्डिंग के बीच किया जा सकता है। पास मैदान वेल्डिंग (sonotrode और वेल्डिंग इंटरफ़ेस के बीच कम से कम 6 मिमी) एक विशिष्ट थर्माप्लास्टिक सामग्री के लिए अभी तक क्षेत्र में वेल्डिंग की प्रयोज्यता whilst सामग्री की एक व्यापक श्रृंखला के लिए लागू किया जाता है सामग्री की क्षमता ध्वनि तरंगों 6 का संचालन करने पर अत्यधिक निर्भर है ।
अल्ट्रासोनिक वेल्डिंग की प्रक्रिया तीन मुख्य चरणों में विभाजित किया जा सकता है। सबसे पहले, एक शक्ति का निर्माण हुआ चरण है, जो sonotro दौरानडी धीरे-धीरे बढ़ जाती है जब तक एक निश्चित ट्रिगर बल पर पहुंच गया है भागों पर बल वेल्डेड किया जाना है। कोई कंपन इस चरण के दौरान लागू किया जाता है। दूसरे, एक कंपन चरण है, जो एक बार ट्रिगर बल पर पहुंच गया है शुरू होता है। इस चरण में sonotrode गर्मी वेल्डिंग की प्रक्रिया के लिए आवश्यक पैदा करने के लिए समय की एक निश्चित राशि के लिए निर्धारित आयाम पर vibrates। माइक्रोप्रोसेसर नियंत्रित अल्ट्रासोनिक वेल्डर कंपन चरण की अवधि, उन के बीच समय (यानी, प्रत्यक्ष नियंत्रण), विस्थापन या ऊर्जा (अप्रत्यक्ष नियंत्रण) को नियंत्रित करने के लिए कई विकल्प प्रदान करते हैं। बल, इस चरण के दौरान लागू यानी, वेल्डिंग बल, निरंतर और ट्रिगर बल के बराबर रखा जा सकता है या धीरे-धीरे कंपन के आवेदन के दौरान अलग किया जा सकता है। तीसरा, एक solidification चरण, जिसके दौरान वेल्डेड भागों अनुमति दी जाती है समय की एक निश्चित राशि के लिए एक निश्चित दृढ़ीभवन बल के तहत शांत करने के लिए। कोई कंपन इस अंतिम चरण के दौरान लागू किया जाता है।
वेल्डिंग के लिएRCE, कंपन आयाम, कंपन आवृत्ति और कंपन चरण की अवधि (या तो सीधे या परोक्ष रूप से ऊर्जा या विस्थापन के माध्यम से नियंत्रित) वेल्डिंग पैरामीटर है कि गर्मी पीढ़ी को नियंत्रित कर रहे हैं। जबकि प्रत्येक आवृत्ति अल्ट्रासोनिक वेल्डर के लिए तय हो गई है सेना, आयाम और अवधि, उपयोगकर्ता द्वारा निर्धारित मानकों हैं। Solidification बल और solidification समय भी मानकों को वेल्डिंग, मापदंडों के बाकी है, वेल्डेड जोड़ों के अंतिम गुणवत्ता के साथ गर्म करने की प्रक्रिया में हस्तक्षेप नहीं है, लेकिन प्रभावित करते हैं और समेकन, एक साथ।
यह पत्र एक उपन्यास सीधा बाद में यांत्रिक, एकल गोद कतरनी (LSS), परीक्षण ASTM डी 1,002 मानक (परीक्षण और सामग्री के लिए अमेरिकन सोसायटी) निम्नलिखित के लिए एक एकल गोद विन्यास में अलग-अलग टीपीसी कूपन के पास मैदान अल्ट्रासोनिक वेल्डिंग के लिए विधि प्रस्तुत करता है। वेल्डेड कूपन के यांत्रिक परीक्षण जोड़ों के स्पष्ट गोद कतरनी ताकत है, जो गुण सबसे कॉम में से एक है का निर्धारण करने की अनुमति देता हैकेवल थर्माप्लास्टिक समग्र वेल्डेड जोड़ों 7 की शक्ति यों इस्तेमाल किया। इस पत्र में वर्णित वेल्डिंग विधि के तीन मुख्य स्तंभों पर आधारित है। सबसे पहले, ढीला फ्लैट ऊर्जा निर्देशकों में शामिल होने इंटरफेस 8,9 वेल्डिंग की प्रक्रिया के दौरान कम से तरजीही गर्मी पीढ़ी के लिए उपयोग किया जाता है। दूसरे, अल्ट्रासोनिक वेल्डर द्वारा प्रदान की प्रक्रिया डेटा तेजी से एक विशेष बल / आयाम संयोजन 2,4 के लिए कंपन चरण का अधिकतम अवधि को परिभाषित करने के लिए प्रयोग किया जाता है। तीसरा, कंपन चरण की अवधि परोक्ष रूप से आदेश वेल्डेड जोड़ों 4 के अनुरूप गुणवत्ता सुनिश्चित करने के लिए sonotrode के विस्थापन के माध्यम से नियंत्रित किया जाता है। इस वेल्डिंग विधि निम्नलिखित मुख्य सस्ता माल और थर्माप्लास्टिक कंपोजिट के लिए राज्य के अत्याधुनिक वेल्डिंग प्रक्रियाओं के संबंध के साथ लाभ प्रदान करता है: (क) सरलीकृत नमूना तैयार परंपरागत ऊर्जा ढाला निर्देशकों 3 के बजाय ढीला फ्लैट ऊर्जा निर्देशकों के उपयोग से सक्षम है, और (ख) तेजी से और गके रूप में आम परीक्षण और त्रुटि दृष्टिकोण करने के लिए विरोध में सीटू प्रक्रिया की निगरानी पर आधारित प्रसंस्करण मानकों की Ost-कुशल परिभाषा। हालांकि विधि इस पत्र में वर्णित एक बहुत विशिष्ट और सरल वेल्डिंग ज्यामिति प्राप्त करने की दिशा में सक्षम है, यह वास्तविक भागों की वेल्डिंग के लिए एक प्रक्रिया को परिभाषित करने के लिए एक आधार के रूप में सेवा कर सकते हैं। उस मामले में एक मुख्य अंतर के रूप में एकल गोद कूपन में ओवरलैप के चार किनारों पर अप्रतिबंधित प्रवाह का विरोध करने के लिए ऊर्जा के निदेशक विवश प्रवाह का परिणाम है।
Protocol
Representative Results
Discussion
पिछले अनुभाग में प्रस्तुत परिणाम सरल विधि यांत्रिक परीक्षण के प्रयोजन के लिए थर्माप्लास्टिक समग्र एकल गोद कूपन की अल्ट्रासोनिक वेल्डिंग के लिए इस पत्र में प्रस्तावित के औचित्य का संकेत मिलता है। नि…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors would like to acknowledge the support of Ten Cate Advanced Materials in the form of free material supply to the work described in this paper.
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. |
References
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