La soldadura por ultrasonidos de Cupones termoplástico compuestos para la caracterización mecánica de las juntas soldadas a través de una sola vuelta cizalladura

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

materiales compuestos termoplásticos (TPC) tienen la capacidad de soldar, lo que contribuye a su fabricación rentable. La soldadura requiere calentamiento local bajo presión para ablandar o fundir la resina termoplástica de las superficies de unión y para permitir el contacto íntimo y la posterior inter-difusión de cadenas de polímero termoplástico a través de la interfaz de soldadura. Una vez que se logra entre la difusión molecular, el enfriamiento bajo presión consolida la unión soldada. Varias técnicas de soldadura son aplicables a compuestos termoplásticos que difieren principalmente en la fuente de calor ^1, sin embargo, el principal mecanismo de "adherencia", es decir, el entrelazamiento molecular, se mantiene sin cambios. La soldadura ultrasónica ofrece tiempos muy cortos de soldadura (en el orden de unos pocos segundos), de fácil automatización y es prácticamente independiente del tipo de refuerzo en los sustratos compuestos termoplásticos. Además, ofrece la posibilidad de monitoreo in situ ^2,3 </sup>, Que puede ser utilizado para la garantía de la calidad de la línea o para una rápida definición de las ventanas de procesamiento ^4. Soldadura por ultrasonidos de materiales compuestos termoplásticos es sobre todo un proceso de soldadura por puntos, sin embargo soldadura exitosa de costuras más largas a través de soldadura por ultrasonidos secuencial ha sido reportado en la literatura ^5. A diferencia de la resistencia o la inducción de soldadura, soldadura por ultrasonidos no se ha aplicado industrialmente para uniones estructurales entre piezas compuestas termoplásticas hasta ahora. Sin embargo, se está dedicando actualmente un esfuerzo importante para promover el desarrollo de la soldadura ultrasónica estructural de compuestos termoplásticos para aplicaciones aeronáuticas.

En la soldadura por ultrasonidos, las piezas a unir se someten a una combinación de fuerza estática y de alta frecuencia vibraciones mecánicas de baja amplitud transversal a la interfaz de soldadura, lo que resulta en la generación de calor a través de la superficie y calefacción viscoelástico. calefacción preferencial en la interfaz de soldadura se promuevemediante el uso de protuberancias de resina en las superficies a soldar, que se someten a mayor tensión cíclica, y calefacción por tanto, mayor viscoelástico, que los sustratos ^6. Fuerza y ​​la vibración se ejercen sobre las piezas a soldar a través de un sonotrodo conectado a una prensa y a un tren de ultrasonidos consiste en piezo convertidor eléctrico y de refuerzo. Dependiendo de la distancia entre el punto en que los contactos sonotrodo la parte a unir y la interfaz de soldadura, una distinción se puede hacer entre campo próximo y la soldadura ultrasónica de campo lejano. De campo cercano de soldadura (menos de 6 mm entre sonotrodo y la interfaz de soldadura) es aplicable a una gama más amplia de materiales, mientras que la aplicabilidad de la soldadura de campo lejano de un material termoplástico específico depende de la capacidad del material para conducir ondas de sonido ⁶ altamente .

El proceso de soldadura ultrasónica se puede dividir en tres fases principales. En primer lugar, una fase de acumulación de fuerza, durante el cual el sonotroaumenta gradualmente de la fuerza sobre las piezas a soldar hasta que se alcanza una cierta fuerza de disparo. No se aplica vibración durante esta fase. En segundo lugar, una fase de vibración, que se inicia una vez que se alcanza la fuerza de disparo. En esta fase el sonotrodo vibra a la amplitud prescrita para una cierta cantidad de tiempo que genera el calor necesario para el proceso de soldadura. Soldadores ultrasónicos controlados por microprocesador proporcionan varias opciones para controlar la duración de la fase de vibración, entre ellos el tiempo (es decir, el control directo), el desplazamiento o la energía (control indirecto). La fuerza aplicada durante esta fase, es decir, la fuerza de soldadura, se puede mantener constante e igual a la fuerza de disparo o se puede variar gradualmente durante la aplicación de la vibración. En tercer lugar, una fase de solidificación, durante el cual se permite que las partes soldadas se enfríe bajo una cierta fuerza de solidificación por una cierta cantidad de tiempo. No hay vibraciones se aplica durante esta última etapa.

fo de soldaduraRCE, amplitud de la vibración, la frecuencia de vibración y la duración de la fase de la vibración (ya sea directa o indirectamente controlados a través de la energía o de desplazamiento) son los parámetros de soldadura que controlan la generación de calor. Fuerza, amplitud y duración son los parámetros definidos por el usuario, mientras que la frecuencia se fija para cada aparato de soldadura ultrasónica. fuerza de solidificación y tiempo de la solidificación, también la soldadura de los parámetros, no intervienen en el proceso de calentamiento, sino que afectan la consolidación y, junto con el resto de los parámetros, la calidad final de las uniones soldadas.

En este trabajo se presenta un método sencillo para la novela de campo cercano de soldadura por ultrasonidos de cupones TPC individuales en una sola configuración para su posterior vuelta, cizalla mecánica sola vuelta (LSS), las pruebas siguiendo la norma ASTM (Sociedad Americana para Pruebas y Materiales) D 1002 estándar. Ensayos mecánicos de los cupones soldados permite determinar la aparente resistencia a la cizalla por solape de las articulaciones, que es una de las propiedades más Commsólo se utiliza para cuantificar la fuerza de compuesto termoplástico uniones soldadas ^7. El método de soldadura se describe en este documento se basa en tres pilares principales. En primer lugar, directores de energía plana sueltos se utilizan para la generación de calor preferencial en la interfaz de unirse a ^8,9 durante el proceso de soldadura. En segundo lugar, los datos de proceso proporcionados por el aparato de soldadura ultrasónica se utiliza para definir rápidamente la duración óptima de la fase de vibración para una fuerza específica / combinación de amplitud ^2,4. En tercer lugar, la duración de la fase de la vibración se controla indirectamente a través del desplazamiento del sonotrodo con el fin de asegurar una calidad consistente de las uniones soldadas ^4. Este método de soldadura ofrece las siguientes novedades principales y ventajas con respecto a los procedimientos de soldadura con tecnología de última generación para compuestos termoplásticos: (a) la preparación de muestras simplificado habilitado por el uso de directores de energía planos sueltos en lugar de directores de energía moldeados tradicionales ^3, y (b) yc rápidadefinición ost-eficiente de los parámetros de procesamiento basados ​​en la supervisión de procesos in situ en comparación con los enfoques de prueba y error comunes. Aunque el método descrito en este documento está orientado a la obtención de una geometría muy específica y simple de soldadura que puede servir como base para definir un procedimiento para la soldadura de piezas reales. Una diferencia principal en ese caso resulta de flujo restringido del director de energía en comparación con el flujo sin restricciones en los cuatro bordes de la superposición de cupones de vuelta individuales.

Protocol

1. Espécimen de corte y soldadura por ultrasonidos para la Preparación Cortar muestras rectangulares de 25,4 mm x 101,6 mm de un laminado de material compuesto termoplástico de mayor tamaño usando una técnica de corte que previene la deslaminación de los bordes de las muestras (por ejemplo, diamante de sierra o de corte por chorro de agua). Nota: Las dimensiones de las muestras se basan en ASTM D 1002 estándar. Desde resistencia de las juntas soldadas depende de la orientación…

Representative Results

muestras de fibra de carbono reforzada polieterimida (CF / PEI) se sueldan siguiendo el método descrito en este documento. Las muestras se obtuvieron a partir de un estratificado de material compuesto hecha de cinco arnés de tela de satén CF / PEI, con espesor nominal (0/90) 3S secuencia de apilamiento y 1,92 mm. Se cortaron muestras a partir de este laminado de modo que la principal orientación aparente de las fibras fue paralela a su lado más largo. Se utilizaron los di…

Discussion

Los resultados presentados en la sección anterior indican la idoneidad del método directo propuesto en este documento para la soldadura ultrasónica de cupones de vueltas individuales de compuestos termoplásticos para el propósito de la prueba mecánica. Los siguientes párrafos discuten cómo los resultados validan los tres pilares principales del método, es decir, el uso de guías de energía sueltos planos, uso de retroalimentación del proceso para definir la duración óptima de la vibración…

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.