Termoplastiska kompositer (TPC) har förmågan som skall svetsas, vilket bidrar till deras kostnadseffektiv tillverkning. Svetsning kräver lokal uppvärmning under tryck för att mjukgöra eller smälta det termoplastiska hartset av sammanfogningsytor och möjliggöra intim kontakt och efterföljande inter-diffusion av termoplastiska polymerkedjor tvärsöver svetsgränssnittet. När molekylär inter-diffusion uppnås, nedkylning under tryck konsoliderar svetsfog. Flera svetsteknik kan tillämpas på termoplastiska kompositer som skiljer sig huvudsakligen i värmekällan ^en, men den viktigaste "adhesion" mekanism, dvs molekylär trasslar in sig, är oförändrad. Ultraljudssvetsning erbjuder mycket korta svetstider (i storleksordningen några få sekunder), enkel automatisering och det är praktiskt taget oberoende av vilken typ av förstärkning i de termoplastiska kompositsubstrat. Dessutom erbjuder den möjligheten för in situ övervakning ^2,3 </sup>, Som kan användas i linje kvalitetssäkring eller för snabb definition av processfönster ^4. Ultraljudssvetsning av termoplastiska kompositer är mest en punktsvetsningsprocess, men framgångsrik svetsning av längre sömmar genom sekventiell ultraljudssvetsning har rapporterats i litteraturen ^5. I motsats till motstånd eller induktionssvetsning, ultraljudssvetsning har inte industriellt ansökt om konstruktionsfogar mellan termoplastiska kompositdelar hittills. Ändå är betydande insatser för närvarande ägnas åt vidareutveckling av den strukturella ultraljudssvetsning av termoplastiska kompositer för flygplanstillämpningar.

I ultraljudssvetsning, är delarna som skall sammanfogas utsätts för en kombination av statisk kraft och högfrekventa låg-amplitud mekaniska vibrationer tvärs svetsgränssnittet, vilket resulterar i värmealstring genom ytan och viskoelastiska uppvärmning. Förmåns upphettning vid svetsgränsytan främjasgenom användning av harts utsprång på ytorna som skall svetsas vilka undergår högre cyklisk-stam, och därmed högre viskoelastisk uppvärmning, än substraten ^6. Kraft och vibration utövas på de delar som ska svetsas genom en sonotrod som är ansluten till en press och en ultraljuds tåg bestående av piezoelektriskt omvandlare och booster. Beroende på avståndet mellan den punkt där sonotrode i kontakt med den del som skall sammanfogas och svetsgränssnittet, kan en distinktion göras mellan närfält och fjärrfältsultraljudssvetsning. Närområdet svetsning (mindre än 6 mm mellan sonotrode och svetsning gränssnitt) är tillämplig på ett bredare spektrum av material medan tillämpligheten av fjärrfälts svetsning till en viss termoplast är starkt beroende av materialets förmåga att leda ljudvågor ⁶ .

Ultraljudssvetsprocessen kan delas in i tre huvudfaser. För det första, en kraft uppbyggnadsfasen, under vilken sonotrode gradvis ökar kraften på de delar som ska svetsas till en viss trigger kraft har uppnåtts. Ingen vibration används under denna fas. För det andra, en vibration fas, som startar när avtryckaren kraften har uppnåtts. I denna fas sonotrode vibrerar vid den föreskrivna amplituden för en viss tid alstra den värme som behövs för svetsningsprocessen. Mikroprocessorstyrda ultraljuds svetsare ger flera alternativ för att styra varaktigheten av vibrationsfasen, bland dem tid (dvs direkt kontroll), förskjutning eller energi (indirekt kontroll). Den kraft som appliceras under denna fas, dvs., svetskraft, kan hållas konstant och lika med den utlösningskraft eller kan varieras gradvis under applicering av vibration. För det tredje, en stel fas, under vilken de svetsade delarna tillåts svalna under ett visst stel kraft för en viss tid. Ingen vibration appliceras under detta sista steget.

svets foRCE, vibrationsamplitud, vibrationsfrekvens och varaktighet av vibrationsfasen (antingen direkt eller indirekt kontrolleras genom energi eller förskjutning) är svetsparametrar som styr värmeutveckling. Force, amplitud och varaktighet är användardefinierade parametrar, medan frekvensen är fast för varje ultraljudssvets. Stel kraft och stelningstiden, även svetsparametrar, inte ingripa i uppvärmningsprocessen men påverkar konsolidering och, tillsammans med resten av parametrar, den slutliga kvaliteten på svetsfogarna.

Detta dokument presenterar en ny enkel metod för närområdet ultraljudssvetsning av enskilda TPC kuponger i ett enda varv konfiguration för efterföljande mekanisk, enkel skarvskjuvning (LSS), testning enligt ASTM (American Society for Testing och Materials) D 1002 standard. Mekanisk provning av de svetsade kuponger tillåter bestämning av skenbar skarvskjuvning styrka i lederna, vilket är en av de egenskaper som mest commendast används för att kvantifiera styrkan hos termoplastkomposit svetsade fogar ^7. Den svetsmetod som beskrivs i detta dokument bygger på tre huvudpelare. För det första är lös platta energiriktare användes för förmåns värmealstring vid sammanfogningsgränssnitt ^8,9 under svetsningsprocessen. För det andra är processdata som tillhandahålls av ultraljudssvets används för att snabbt fastställa den optimala längden på vibrationsfasen för en viss kraft / amplitud kombination ^2,4. För det tredje, är varaktigheten av vibrationsfasen indirekt kontrolleras genom förflyttningen av sonotrode för att säkerställa en jämn kvalitet på svetsfogarna ^4. Denna svetsmetod ger följande huvudsakliga nyheter och fördelar med avseende på state-of-the-art svetsprocedurer för termoplastiska kompositer: (a) förenklat provberedning möjliggörs genom användning av lösa platta energi direktörer i stället för traditionella gjutna energi direktörer ^3, och (b) snabb och cost-effektiv definition av processparametrar baserade på in-situ processövervakning i motsats till vanliga trial and error metoder. Även den metod som beskrivs i detta dokument är inriktad på att få en mycket specifik och enkel svetsgeometri det kan ligga till grund för att fastställa ett förfarande för svetsning av faktiska delar. En största skillnaden i detta fall är resultatet av ansträngd flödet av energi chef i motsats till fritt flöde vid fyra kanter överlappningen i enstaka varv kuponger.