シングルラップせん断試験を経て溶接継手の機械的特性評価のための熱可塑性コンポジットクーポンの超音波溶接

熱可塑性複合（TPC）は、その費用対効果の高い製造に寄与する溶接される能力を有します。溶接は、軟化または接合面の熱可塑性樹脂を溶融し、密接な接触や溶接界面を横切る熱可塑性ポリマー鎖のその後の相互拡散を可能にするための圧力の下で局所的な加熱を必要とします。分子相互拡散が達成されると、圧力下で冷却して溶接継手を統合します。いくつかの溶接技術は、しかし、メインの「密着」機構、 すなわち、分子の絡み合いは、変更されないまま、熱¹のソースで主に異なる熱可塑性複合材料にも適用可能です。超音波溶接は、非常に短い溶接時間（数秒程度）、簡単に自動化を提供し、それが熱可塑性複合基板に補強材の種類の事実上独立しています。また、 その場で ^{2,3を監視するための}可能性を提供</sup>、回線品質保証内または処理窓⁴の迅速な定義のために使用することができます。熱可塑性複合材の超音波溶接は、主にスポット溶接工程、順次超音波溶接によって長い継ぎ目のが成功した溶接文献⁵に報告されているです。抵抗または誘導溶接とは対照的に、超音波溶接は、工業的に今まで、熱可塑性複合部品間の構造的接合部に適用されていません。それにもかかわらず、かなりの努力が、現在、航空機用途のための熱可塑性複合材料の構造的な超音波溶接の発展を促進するために捧げられています。

超音波溶接では、接合すべき部品は、横断面粘弾性加熱によって発熱を生じる接合界面に静的力および高周波数低振幅の機械的振動の組み合わせに供されます。溶接界面での優先的な加熱が促進されます表面に樹脂突起を使用することによって基板⁶よりも、より高い周期的な歪みを受けるため、より高い粘弾性加熱する溶接されます。力と振動がプレスにピエゾ電気変換器、ブースターからなる超音波列車に接続されたソノトロードを介して溶接される部品に発揮されます。ソノトロード接触部分が接合される点と溶接界面との間の距離に応じて、区別が近視野及び遠視野の超音波溶接の間に行うことができます。特定の熱可塑性材料の遠視野溶接の適用は、音波^6を伝導する材料の能力に大きく依存する一方で近接場溶接（ソノトロードと接合界面との間6mm未満）は、材料のより広い範囲に適用可能です。

超音波溶接プロセスは、3つの主要な段階に分けることができます。まず、力ビルドアップ段階、そのsonotro中デ徐々に一定のトリガー力に到達するまで、溶接される部品に力を増大させます。無振動はこのフェーズの間に適用されていません。第二に、トリガー力に到達したら、開始振動位相、。この段階では、ソノトロードは、溶接プロセスに必要な熱を発生する一定時間、所定の振幅で振動します。マイクロプロセッサ制御の超音波溶接機は、振動位相、それらの間の時間（ すなわち、直接制御）、変位またはエネルギー（間接的制御）の持続時間を制御するためのいくつかのオプションを提供します。この段階中に印加される力、 すなわち、溶接力は、一定のトリガ力に等しく保つことができるか、徐々に振動の印加時に変化させることができます。第三に、溶接部分が許可されている間に凝固段階は、一定時間特定の凝固力の下で冷却します。無振動は、この最後の段階で適用されません。

溶接FORCE、振動振幅、振動周波数および振動の位相の持続時間（直接または間接的にエネルギー又は変位によって制御）の発熱を制御する溶接パラメータです。周波数がそれぞれ超音波溶接機のために固定されている力、振幅及び持続時間は、ユーザー定義のパラメータです。凝固力と凝固時間は、また、パラメータを溶接、加熱プロセスに介入するが、統合と、一緒にパラメータの残りの部分と、溶接継手の最終品質に影響を与えません。

本稿ではD 1002規格（米国材料試験協会）ASTM次以降の機械的、単一重ね剪断（LSS）、テストのための単一のラップ構成内の個々のTPCクーポンの近接場超音波溶接のための新規の簡単な方法を提示します。溶接クーポンの機械的試験は、プロパティ最もCOMMの一つである関節の見かけの重ね剪断強さを決定することができます唯一の熱可塑性複合材料溶接継手⁷の強度を定量化するために使用されます。この論文に記載の溶接方法は、3つの柱に基づいています。まず、緩いフラットエネルギーディレクターは、溶接プロセス中に接合界面^8,9に優先発熱のために使用されます。第二に、超音波溶接機によって提供されるプロセスデータは急速に特定の力/振幅組み合わせ^2,4用の振動位相の最適持続時間を定義するために使用されます。第三に、振動位相の持続時間は、間接的に溶接継手⁴の一貫した品質を保証するために、ソノトロードの変位によって制御されます。この溶接方法は、熱可塑性複合材料のための最先端の溶接手順にに関して、以下の主なノベルティと利点を提供しています：（a）は、簡略化されたサンプルの代わりに、従来の成形エネルギー取締役³の緩いフラットエネルギーディレクターを使用することによって有効に準備し、 （b）は、高速およびc一般的な試行錯誤のアプローチとは対照的に、in-situでのプロセス監視に基づいて処理パラメータのOST-効率的な定義。この論文に記載された方法は、非常に具体的でシンプルな溶接形状を得ることを目指しているが、それは実際の部品の溶接のための手順を定義するための基礎として役立つことができます。シングルラップクーポンにおける重複の4辺で無制限の流れとは対照的に、その場合の主な違いは、エネルギーディレクターの制約された流れから生じます。