Ultrasoon lassen van thermoplastische composietmaterialen Coupons voor mechanische karakterisatie van lasverbindingen door middel van Single Lap Shear Testing
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
Thermoplastische composieten (TPC) de mogelijkheid te lassen, wat bijdraagt aan de kosten-efficiënte productie. Lassen vereist lokale verhitting onder druk te verweken of smelten van de thermoplastische hars van de verbindingsoppervlakken en om voor innig contact en daaropvolgende inter-diffusie van thermoplastische polymeerketens in het lassen interface. Zodra moleculaire inter-diffusie wordt bereikt, het afkoelen onder druk consolideert de lasverbinding. Verschillende lastechnieken zijn toepasbaar op thermoplastische composieten die hoofdzakelijk qua warmtebron 1, echter in de eerste "hechting" mechanisme, dat wil zeggen, moleculaire verstrengeling, blijft ongewijzigd. Ultrasoon lassen biedt zeer korte lastijden (in de orde van enkele seconden), gemakkelijke automatisering en het is nagenoeg onafhankelijk van het type wapening in de thermoplastische composiet substraten. Bovendien biedt het de mogelijkheid om in situ het toezicht op 2,3 </sup>, Die gebruikt kunnen worden in overeenstemming kwaliteitsborging ook snelle bepaling van verwerkingsvensters 4. Ultrasoon lassen van thermoplastische composieten is meestal een puntlassen proces, hoe succesvol lassen van naden meer door middel van sequentiële ultrasoon lassen is in de literatuur 5. In tegenstelling tot weerstand of inductie lassen, ultrasoon lassen is niet industrieel toegepast voor structurele verbindingen tussen thermoplastische composiet onderdelen tot nu toe. Toch is nog aanzienlijke inspanningen besteed aan de ontwikkeling van structurele ultrasoon lassen van thermoplastische composieten voor luchtvaarttoepassingen bevorderen.
In ultrasoon lassen, worden de te verbinden delen onderworpen aan een combinatie van statische kracht en hoogfrequente lage amplitude mechanische trillingen dwars op de las-interface, waardoor warmteontwikkeling door bovengrondse en viscoelastische verwarming. Preferentiële verhitting bij het lassen interface bevorderddoor het gebruik van hars uitsteeksels op de te lassen oppervlakken die dus hogere viscoelastische verwarming hoger cyclische belasting ondergaan, en dan de substraten 6. Force en trillingen worden uitgeoefend op de te lassen delen door middel van een sonotrode verbonden met een pers en een ultrasone trein bestaande uit piëzo-elektrische converter en booster. Afhankelijk van de afstand tussen het punt waar de sonotrode contact komt met het te verbinden onderdeel en het lassen interface kan een onderscheid worden gemaakt tussen nabije-veld en verre-veld ultrasoon lassen. Nabije veld lassen (minder dan 6 mm tussen de sonotrode en lassen interface) is toepasbaar op een groter aantal materialen, terwijl de toepasbaarheid van verre veld lassen een specifiek thermoplastisch materiaal is sterk afhankelijk van het vermogen van het materiaal om geluidsgolven 6 voeren .
De ultrasone lasproces kan worden onderverdeeld in drie fasen. Enerzijds een kracht opbouwfase, waarin de sonotrode geleidelijk verhoogt de kracht op de te lassen delen tot een bepaalde kracht op de trekker wordt bereikt. Geen trilling wordt toegepast tijdens deze fase. Ten tweede, een trilling fase, die begint zodra de kracht op de trekker wordt bereikt. In deze fase trilt de sonotrode op de voorgeschreven amplitude gedurende een bepaalde tijd genereren van de benodigde warmte voor het lasproces. Microprocessor gestuurde ultrasone lassers bieden verschillende opties om de duur van de trillingen fase, onder hen de tijd (dwz directe controle), verplaatsing of energie (indirecte controle) te controleren. De toegepaste druk tijdens deze fase, namelijk lassen kracht kan constant en gelijk aan de kracht op de trekker gehouden of geleidelijk gevarieerd tijdens het aanbrengen van de trillingen. Ten derde, een stolling fase, waarin de gelaste delen afkoelen onder een bepaalde stolling kracht voor een bepaalde tijd. Geen trilling wordt toegepast tijdens de laatste fase.
lassen foRCE, vibratie amplitude, trillingsfrequentie en de duur van de vibratie fase (direct of indirect gecontroleerd door middel van energie of verplaatsing) zijn de lasparameters dat warmteopwekking controleren. Force, amplitude en duur zijn door de gebruiker gedefinieerde parameters, terwijl de frequentie voor elke ultrasone lasser wordt bevestigd. Stolling kracht en stollingstijd, ook lasparameters, niet ingrijpen in de verwarming proces, maar van invloed op de consolidatie en, samen met de rest van de parameters, de uiteindelijke kwaliteit van de lasverbindingen.
Dit artikel presenteert een nieuwe eenvoudige methode voor het near-field ultrasoon lassen van de individuele TPC coupons in één ronde configuratie voor latere mechanische, enkele lap shear (LSS), testen volgens ASTM (American Society for Testing and Materials) D 1002 norm. Mechanische testen van de gelaste coupons maakt de bepaling van de schijnbare schuifsterkte van de gewrichten, die een van de eigenschappen meest commalleen gebruikt om de sterkte van thermoplastische composiet lasnaden 7 kwantificeren. De lasmethode beschreven in dit document is gebaseerd op drie pijlers. Ten eerste worden losse platte energieregelaars voor preferentiële warmteopwekking in de voegovergang 8,9 tijdens het lasproces. Ten tweede is het proces gegevens van de ultrasone lasser gebruikt om de optimale duur van de vibratie fase snel definiëren voor een bepaalde kracht / amplitude combinatie 2,4. Ten derde wordt de duur van de vibratie fase indirect bestuurd door de verplaatsing van de sonotrode om constante kwaliteit van de lasverbindingen 4 garanderen. Deze lasmethode heeft de volgende belangrijkste nieuwe en voordelen met betrekking tot lasprocedures state-of-the-art voor thermoplastische composieten: (a) vereenvoudigde monstervoorbereiding mogelijk gemaakt door het gebruik van losse vlakke energieregelaars plaats van traditionele gevormde energieregelaars 3, en (b) snel en cost-efficiënte definitie van technische parameters op basis van in-situ procesbewaking, in tegenstelling tot gewone trial and error benaderingen. Hoewel de in dit document beschreven werkwijze is gericht op het verkrijgen van een zeer specifiek en eenvoudig lassen geometrie kan als basis dienen voor een procedure definiëren voor het lassen van werkelijke onderdelen. Een belangrijk verschil in dat geval resulteert uit constrained stroom van de energieregelaar tegenover onbeperkte stroom bij de vier hoeken van de overlap in één ronde coupons.
Protocol
Representative Results
Discussion
De in de vorige paragraaf resultaten geven aan de geschiktheid van de in dit document voorgesteld voor ultrasoon lassen van thermoplastisch composiet enkele lap coupons ten behoeve van de mechanische testen eenvoudige methode. Hieronder wordt besproken hoe de resultaten bevestigen de drie pijlers van de werkwijze, dat wil zeggen toepassing van vaste losse energieregelaars, gebruikt procesterugkoppeling optimale duur van de trillingen en het gebruik van verplaatsing controle, evenals de toepasbaarheid en beperki…
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
- Yousefpour, A., Hojjati, M., Immarigeon, J. P. Fusion bonding/welding of thermoplastic composites. J Thermoplast Compos. 17, 303-341 (2004).
- 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).
- Potente, H. Ultrasonic welding – principles & theory. Mater Design. 5, 228-234 (1984).
- Stavrov, D., Bersee, H. E. N. Resistance welding of thermoplastic composites – an overview. Compos Part A-Appl S. 36, 39-54 (2005).
- 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).
- Harras, B. K., Cole, C., Vu-Khanh, T. Optimization of the ultrasonic welding of PEEK-carbon composites. J Reinf Plast Comp. 15 (2), 174-182 (1996).
