Saldatura ad ultrasuoni di tagliandi termoplastico composito per la caratterizzazione meccanica dei giunti saldati attraverso singolo giro Shear Test

Riepilogo

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.

Introduzione

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 , 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.

Protocollo

1. campioni di taglio e preparazione per saldatura ad ultrasuoni

1. Tagliare campioni rettangolari di 25,4 millimetri x 101,6 millimetri dal formato laminato composito termoplastico con una tecnica di taglio che impedisce delaminazione dei bordi dei campioni (per esempio, diamante-sega o taglio a getto d'acqua).
   Nota: Le dimensioni dei campioni sono basati su ASTM D 1002 standard.
   1. Poiché la forza dei giunti saldati dipende dall'orientamento fibra sulle superfici da saldare ^10, fare attenzione a tagliare tutti i campioni con lo stesso orientamento.
2. Dopo il taglio, campioni secchi in un forno secondo le raccomandazioni del produttore nel caso la resina termoplastica tende ad assorbire l'umidità (ad esempio, 6 ore a 135 ° C per la fibra di carbonio a sei strati rinforzato polieterimmide, CF / PEI, campioni).
3. Tagliare direttori di energia piatti fatti di film termoplastico ordinata (stessa resina come la matrice in composito) per dimensioni (circa 26 millimetri x 26 mm) con uno spessore di almeno 0,25 mm. Se necessario, asciugare il direttore di energia seguendo le raccomandazioni del produttore (ad esempio, 1 ora a 135 ° C per PEI direttore di energia).
4. Prima della saldatura, ispezionare campioni uno ad uno per angoli delaminate e scartare se necessario. Pulire utilizzando uno sgrassatore e un panno di cotone. Pulire i direttori di energia piatti seguendo la stessa procedura.

2. saldatura a ultrasuoni del giro singolo Shear Buoni

Nota: un microprocessore controllato saldatore ad ultrasuoni in grado di saldare ad ampiezza costante viene utilizzata in questo step. I dati di uscite saldatore di processo, come l'energia dissipata e spostamento del sonotrodo funzione del tempo al software di acquisizione dati in un computer. Un giga su misura progettato e realizzato per posizionare con precisione e bloccare singoli campioni giro di taglio durante la saldatura ad ultrasuoni viene utilizzato in questo passaggio (vedi Figura 1).

Figura 1. ultrasuoni saldatore e messa a punto di saldatura su misura utilizzato in questo studio 1:. Sonotrodo, 2: piattaforma scorrevole, 3: morsetto per il campione superiori (allegato 2), e 4: morsetto per il campione inferiori (Ristampato da riferimento 4 con il permesso di Elsevier.) Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.

1. Compilare un foglio di giornale di bordo prima di ogni esperimento di saldatura.
   1. Prendere nota dei seguenti parametri: RT e umidità, riferimento configurazione saldatura, tipo sonotrodo, numero del campione e materiali, larghezza e spessore dei campioni superiore ed inferiore, e lo spessore del direttore dell'energia.
2. Accendere il saldatore ad ultrasuoni e il computer. Avviare il software di acquisizione dati e di aprire una nuova sessione.
3. Se non è già in atto, cambiare il sonotguidato ad un sonotrodo cilindrica con un diametro di 40 mm in modo che la sua superficie inferiore copre completamente la zona di saldatura.
   Nota: Una forma diversa di sonotrodo può essere utilizzato, ma la sua superficie inferiore non deve essere inferiore alla zona di saldatura.
4. Posizione e fissare campioni e direttore di energia nella maschera di saldatura (vedi Figura 1).
   1. Attaccare un regista energia piatta al modello inferiori con nastro adesivo in modo da coprire una superficie leggermente maggiore rispetto alla zona da saldare (12.7 mm x 25,4 mm).
   2. Posizionare il campione di fondo in dima e bloccarlo stringendo la vite superiore.
   3. Nastro l'altra estremità del direttore energia alla base della configurazione in modo che rimanga in posizione durante il processo.
   4. Posizionare il campione superiore nel morsetto, allinearla e serrare la vite superiore.
   5. Posizionare il morsetto per il campione in alto nella piattaforma scorrevole e serrare le due viti.
   6. Prima di procedere oltre, serrare le quattro viti una volta mminerale.
5. Determinare la durata ottimale della fase vibrazioni basata sullo spostamento del sonotrodo per ottenere la massima resistenza di saldatura, come descritto ai punti 2.5.1 a 2.5.8.
   Nota: Una durata ottimale della fase di vibrazione è determinato per ciascuna combinazione desiderata di forza di saldatura e ampiezza di vibrazione.
   1. Impostare il saldatore ad ultrasuoni per differenziale modalità di spostamento di controllo.
   2. Input forza e ampiezza di vibrazione saldatura nella saldatrice ad ultrasuoni (per esempio, 300 N e 86,2 micron).
      Nota: In questa saldatrice ad ultrasuoni, 86.2 micron corrisponde alla ampiezza della vibrazione picco-picco. Nelle impostazioni della macchina, è espresso come metà di questo valore, 43,1 micron.
   3. Input spostamento sonotrodo, o corsa, al termine della fase di vibrazioni come un valore pari allo spessore iniziale del direttore energia (per esempio 0,25 mm).
   4. forza Input solidificazione e tempo nella saldatrice ad ultrasuoni (per esempio, 1000N e 4000 msec).
   5. Quando si è pronti, mettere le cuffie insonorizzate e avviare il processo di saldatura a ultrasuoni.
   6. Dopo il completamento del processo, prendere nota dei seguenti parametri di uscita: distanza di saldatura, potenza massima, tempo di vibrazione ed energia. Rimuovere il coupon dal setup di saldatura e scrivere il suo numero di identificazione su entrambe le estremità con un pennarello.
   7. Esporta i dati di saldatura (potenza e spostamento del sonotrodo) in un foglio e tracciare la potenza e lo spostamento rispetto curve tempo nella fase di vibrazione del processo.
      Nota: La curva di spostamento deve tracciare lo spostamento verso il basso del sonotrodo relativamente alla sua posizione al momento della comparsa della fase vibrazioni.
   8. Identificare lo spostamento nel mezzo del plateau di alimentazione (fase 4) come mostrato nella figura 2 (in questo caso 0,10 mm).
      Nota: Questo particolare valore di spostamento è la corsa ottimale che controlla la durata della fase di vibrazione e volontàessere utilizzata in ogni successiva saldatura per la stessa forza di saldatura e ampiezza.

Figura 2. Potenza (nero) e curve (grigio) di spostamento per il processo di saldatura ad ultrasuoni che indica il valore di spostamento ottimale. La fase vibrazione della saldatura a ultrasuoni possono essere divisi in 5 fasi. il valore di viaggio ottimale si trova all'interno di fase 4. Caso di studio: fibra di carbonio rinforzata substrati polieterimmide -PEI, 0,25 millimetri di spessore piatto PEI direttore di energia, 300 N Forza di saldatura, 86,2 micron di ampiezza delle vibrazioni, 0,25 millimetri di viaggio. (Ristampato da riferimento 4 con il permesso di Elsevier.) Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.

6. tagliandi di saldatura al valore di viaggio ottimale per la data forza di saldatura e combinatio ampiezzan.
   1. Ripetere i punti da 2.1 a 2.5.6 per ogni saldatura. Al punto 2.5.3, utilizzare il viaggio ottimale determinata al punto 2.5.8 per la forza di saldatura corrispondente e combinazione di ampiezza.
      Nota: Tutti i test LSS vengano effettuati seguendo ASTM D 1002 su una macchina di prova universale con una velocità traversa di 1,3 mm / min.

3. singolo Resistenza a taglio (LSS) Sperimentazione di Buoni saldati

1. Misurare e prendere nota della larghezza della sovrapposizione per ciascun coupon saldato.
2. Accendere la macchina universale di prova e avviare la procedura di prova per LSS sul computer.
3. Nell'interfaccia test, immettere il numero del campione e le dimensioni della sovrapposizione. Impostare la forza di 0 e la separazione presa da maneggiare alla sua posizione iniziale (per esempio 60 mm).
4. Posizionare il campione nella morsa della macchina di prova come mostrato in figura 3.

Figura 3. Rappresentazione schematica del serraggio in / Roell 250 kN macchina universale Zwick (non in scala). Lo spostamento offset tra i morsetti superiori ed inferiori permette allineando la direzione di carico con la linea centrale di saldatura per minimizzare flessione durante il taglio lap prova di resistenza. cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

5. Avviare la procedura di test dal computer facendo clic sul pulsante "Start".
6. Dopo il campione si spacca, rimuoverlo dalle impugnature e fissare le due parti insieme con del nastro adesivo.
7. Ripetere i passaggi 3,3-3,6 per tutti gli altri campioni.
8. Quando le prove sono completate, esportare i dati in un foglio e calcolare il valore medio LSS, secondo la procedura descritta nello standard, per ogni forza di saldatura e la combinazione di ampiezza.

Risultati

rinforzato polieterimmide (CF / PEI) campioni di fibre di carbonio sono stati saldati seguendo il metodo descritto in questo documento. I campioni sono stati ottenuti da un laminato composito fatto di cinque cablaggio tessuto di raso CF / PEI, con spessore nominale (0/90) _3S accatastamento sequenza e 1,92 mm. I campioni sono stati tagliati da questo laminato in modo che il principale orientamento apparente delle fibre era parallela al loro lato più lungo. sono stati utilizzat...

Discussione

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...

Materiali

Name	Company	Catalog Number	Comments
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.