Saldatura ad ultrasuoni di tagliandi termoplastico composito per la caratterizzazione meccanica dei giunti saldati attraverso singolo giro Shear Test
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
compositi termoplastici (TPC) hanno la capacità di saldare, che contribuisce alla loro fabbricazione conveniente. Saldatura richiede il riscaldamento locale sotto pressione per ammorbidire o fondere la resina termoplastica degli innesti e per consentire un contatto intimo e successiva inter-diffusione di catene polimeriche termoplastiche attraverso l'interfaccia di saldatura. Una volta molecolare inter-diffusione viene raggiunto, il raffreddamento sotto pressione consolida il giunto saldato. Diverse tecniche di saldatura sono applicabili ai compositi termoplastici che differiscono principalmente nella fonte di calore 1, tuttavia, il principale meccanismo di "adesione", cioè, entanglement molecolare, rimane invariata. saldatura ad ultrasuoni offre tempi molto brevi saldatura (dell'ordine di pochi secondi), facile automazione ed è praticamente indipendente dal tipo di armatura nei substrati compositi termoplastici. Inoltre, offre la possibilità di monitorare in situ 2,3 </sup>, Che può essere utilizzato per in linea la garanzia della qualità o per un veloce definizione delle finestre di elaborazione 4. Ultrasuoni saldatura di materiali compositi termoplastici è per lo più un processo di saldatura a punti, ma il successo saldatura di cordoni più lunghi attraverso saldatura a ultrasuoni sequenziale è stato riportato in letteratura 5. Al contrario di saldatura a resistenza o induzione, saldatura a ultrasuoni non è stata applicata industrialmente per giunti strutturali tra le parti in compositi termoplastici finora. Tuttavia, lo sforzo significativo è attualmente in corso dedicata a favorire lo sviluppo di saldatura ad ultrasuoni strutturale dei materiali compositi termoplastici per applicazioni aeronautiche.
In saldatura ad ultrasuoni, le parti da unire sono sottoposti ad una combinazione di forza statica e ad alta frequenza bassa ampiezza vibrazioni meccaniche trasversale alla interfaccia di saldatura, che si traduce nella generazione di calore attraverso la superficie e riscaldamento viscoelastico. è promosso riscaldamento preferenziale a livello di interfaccia di saldaturaattraverso l'uso di sporgenze resina sulle superfici da saldare che subiscono maggiore deformazione ciclica, e riscaldamento quindi superiore viscoelastica, rispetto ai substrati 6. Forza e vibrazioni sono esercitati sui pezzi da saldare attraverso un sonotrodo collegato ad una pressa e un treno ultrasuoni costituito da convertitore piezoelettrico e booster. A seconda della distanza tra il punto in cui i contatti sonotrodo la parte da unire e l'interfaccia di saldatura, una distinzione può essere fatta tra campo vicino e campo lontano saldatura a ultrasuoni. Near-field saldatura (meno di 6 mm tra sonotrodo e interfaccia saldatura) è applicabile ad una vasta gamma di materiali, mentre l'applicabilità della saldatura campo lontano ad uno specifico materiale termoplastico è altamente dipendente dalla capacità del materiale di condurre onde sonore 6 .
Il processo di saldatura ad ultrasuoni può essere suddiviso in tre fasi principali. In primo luogo, una fase forza accumulo, durante il quale il sonotrode aumenta gradualmente la pressione sulle parti da saldare fino a raggiungere una certa forza trigger. Nessuna vibrazione viene applicato durante questa fase. In secondo luogo, una fase di vibrazione, che inizia una volta raggiunta la forza di trigger. In questa fase il sonotrodo vibra di ampiezza prescritta per un certo periodo di tempo generare il calore necessario per il processo di saldatura. Microprocessore saldatrici ad ultrasuoni forniscono diverse opzioni per controllare la durata della fase di vibrazioni, tra i quali il tempo (ad esempio, il controllo diretto), lo spostamento o l'energia (controllo indiretto). La forza applicata durante questa fase, vale a dire, la forza di saldatura, può essere mantenuto costante e pari alla forza grilletto o può essere variata gradualmente durante l'applicazione della vibrazione. In terzo luogo, una fase di solidificazione, in cui sono permesse parti saldate raffreddare sotto una certa forza di solidificazione per un certo periodo di tempo. Nessuna vibrazione viene applicato durante questa ultima fase.
fo saldaturaRCE, ampiezza di vibrazione, frequenza di vibrazione e la durata della fase di vibrazioni (controllate direttamente o indirettamente tramite energia o spostamento) sono i parametri di saldatura che controllano la generazione di calore. Forza, ampiezza e durata sono parametri definiti dall'utente, mentre la frequenza è fissato per ogni saldatore ad ultrasuoni. forza di solidificazione e tempo di solidificazione, anche saldatura parametri, non intervengono nel processo di riscaldamento, ma influenzano il consolidamento e, insieme con il resto dei parametri, la qualità finale dei giunti saldati.
Questo articolo presenta un metodo semplice romanzo di campo vicino saldatura ad ultrasuoni di singoli tagliandi TPC in una singola configurazione giro per la successiva, singolo taglio meccanico sul giro (LSS), il test seguente ASTM (American Society for Testing and Materials) D 1002 standard. Prove meccaniche dei tagliandi saldati permette di determinare la resistenza al taglio per trazione apparente delle articolazioni, che è una delle proprietà più Commsolo utilizzato per quantificare la forza di compositi termoplastici giunti saldati 7. Il metodo di saldatura descritto in questo documento si basa su tre pilastri principali. In primo luogo, sciolti direttori di energia piatta sono utilizzati per la generazione di calore preferenziale all'interfaccia unendo 8,9 durante il processo di saldatura. In secondo luogo, le elabora i dati forniti dal saldatore ad ultrasuoni viene utilizzata per definire rapidamente la durata ottimale della fase di vibrazione di una forza specifica / combinazione di ampiezza 2,4. In terzo luogo, la durata della fase di vibrazione è controllata indirettamente tramite lo spostamento del sonotrodo al fine di garantire una qualità costante dei giunti saldati 4. Questo metodo di saldatura offre le seguenti novità principali e vantaggi per quanto riguarda le procedure di saldatura state-of-the-art per compositi termoplastici: (a) la preparazione del campione semplificata abilitato per l'utilizzo di sciolti direttori di energia piana invece che direttori tradizionali di energia stampati 3, e (b) ec veloceDefinizione ost-efficiente dei parametri di processo sulla base di monitoraggio dei processi in situ in contrapposizione all'approccio tentativi ed errori comuni. Sebbene il metodo descritto in questo documento si prefigge di ottenere una geometria di saldatura molto preciso e semplice può servire come base per definire una procedura per la saldatura di parti reali. Una differenza principale in questo caso risulta dal flusso vincolata del direttore di energia rispetto a flusso illimitato ai quattro bordi della sovrapposizione in singoli tagliandi giro.
Protocol
Representative Results
Discussion
I risultati presentati nella sezione precedente indicano l'adeguatezza del metodo semplice proposto in questo lavoro per la saldatura ad ultrasuoni di compositi termoplastici tagliandi sul giro singolo a scopo di prove meccaniche. I seguenti paragrafi trattano come i risultati confermano i tre pilastri principali del metodo, cioè, l'uso di piani direttori di energia allentati, uso del feedback processo di definizione durata ottimale della vibrazione e l'uso di controllo di spostamento, nonché l…
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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