Tek Bindirme Kesme Testi aracılığıyla Kaynaklı Eklemler Mekanik Karakterizasyonu için termoplastik kompozit Kuponlar Ultrasonik Kaynak
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
Termoplastik kompozit (TCK) kendi maliyet-etkin üretim katkıda kaynak yapılacak yeteneği var. Kaynak yumuşatmak veya birleştirme yüzeylerinin termoplastik reçine eritmek ve yakın temas ve kaynak arayüzü üzerinden termoplastik polimer zincirleri sonraki arası difüzyon için izin vermek için basınç altında yerel ısıtma gerektirir. Moleküler arası difüzyon sağlandıktan sonra, basınç altında soğuma kaynaklı eklem birleştirir. Çeşitli kaynak teknikleri Grup 1 Bununla birlikte, temel "yapışma" mekanizması, örneğin, Molecular dolanması kaynağı esas olarak farklı termoplastik kompozit uygulanabilir, değişmeden kalır. Ultrasonik kaynak (birkaç saniye sırasına göre) çok kısa kaynak süreleri, kolay otomasyon sunar ve termoplastik kompozit yüzeylerde de takviye Çeşidi neredeyse bağımsızdır. Ayrıca, yerinde 2,3 izleme olanağını sunar </sup>, Çizgi kalite güvencesi için ya da işleme pencerelerin 4 hızlı tanımlanması için kullanılabilir. Termoplastik kompozitlerin Ultrasonik kaynak çoğunlukla nokta kaynak işlemi, ardışık ultrasonik kaynak ile daha uzun dikiş ancak başarılı kaynak literatürde 5 bildirilmiştir olduğunu. direnç veya endüksiyon kaynak aksine, ultrasonik kaynak endüstriyel şimdiye kadar termoplastik kompozit parçalar arasındaki yapısal derzler için uygulanmamıştır. Bununla birlikte, önemli çaba şu anda uçak uygulamaları için termoplastik kompozitlerin yapısal ultrasonik kaynak gelişimini ilerletmek için tahsis ediliyor.
ultrasonik kaynak olarak, birleştirilecek parça, enine yüzey ve viskoelastik ısıtılarak ısı oluşumuna yol açar kaynak arabirim, statik kuvvet ve yüksek frekanslı düşük amplitüdlü Titreşimlerin bir kombinasyonuna tabi tutulmuştur. kaynak arayüzünde Tercihli ısıtma terfiyüzeylerde reçine uzantıların kullanımı yoluyla alt tabakalar 6 daha yüksek siklik suşu maruz kalır ve böylece daha yüksek bir viskoelastik Isıtma olan bağlı olmasıdır. parçaları basına ve piezo elektrik dönüştürücü ve güçlendirici oluşan bir ultrasonik tren bağlı bir Sonotrode ile kaynak yapılacak üzerine kuvvet ve titreşim sarf edilmektedir. Sonotrode temas bölümü birleştirilecek nokta ve kaynak arayüzü arasındaki mesafeye bağlı olarak, bir ayrım yakın alan ve uzak alan ultrasonik kaynak arasında yapılabilir. Yakın alan kaynak (Sonotrode ve kaynak arayüzü arasında en az 6 mm) ses dalgalarını 6 yürütmek malzemenin yeteneği son derece bağımlı belirli bir termoplastik malzeme uzak alan kaynak uygulanabilirliği iken malzemelerin daha geniş uygulanabilir olduğunu .
Ultrasonik kaynak işlemi üç ana evreye ayrılabilir. Birincisi, bir kuvvet birikmesi aşaması, hangi sonotro sırasındade yavaş yavaş belli bir tetik kuvveti ulaşana kadar parçalar üzerinde kuvvet kaynak yapılacak artırır. Hiçbir titreşim bu aşamada uygulanır. İkinci olarak, tetikleme kuvveti ulaşıldığında başlayan bir titreşim aşaması. Bu aşamada sonotrode kaynak işlemi için gerekli olan ısı üreten, belirli bir zaman miktarı için öngörülen genlik titreşir. Mikroişlemci kontrollü ultrasonik kaynakçılar titreşim fazının süresini, aralarında zaman (yani, direkt kontrol), deplasman ya da enerji (dolaylı kontrol) kontrol etmek için birçok seçenek sunmaktadır. Bu faz esnasında uygulanan kuvvet, kuvvet kaynağı, sürekli ve tetikleme kuvvetine eşit tutulabilir, yani ya da yavaş yavaş titreşim uygulaması sırasında değiştirilebilir. Üçüncü olarak, kaynaklı parçaların izin sırasında bir katılaşma fazı, zaman belirli bir miktar için belirli bir katılaşma kuvveti altında soğumasını. Hiçbir titreşim bu son aşamasında uygulanır.
kaynak foRCE, titreşim genliği, titreşim frekansı ve titreşim fazı süresinin (ya doğrudan ya da dolaylı olarak enerji veya yer değiştirme ile kontrol edilen) ısı üretimi kontrol kaynak parametreleri vardır. sıklığı her ultrasonik kaynakçı için sabit iken Kuvvet, genlik ve süresi, kullanıcı tanımlı parametrelerdir. Katılaşma kuvvet ve katılaşma süresi, aynı zamanda parametreleri kaynak, parametrelerin kalanı, kaynaklı birleştirmelerin nihai kalitesi ile birlikte, ısıtma sürecine müdahale ancak konsolidasyon etkiler ve yok.
Bu yazıda D 1002 standardına (Test ve Malzeme American Society) ASTM aşağıdaki sonraki mekanik, tek tur kesme (LSS), test için tek bir tur yapılandırmada bireysel TCK kupon yakın alan ultrasonik kaynak için yeni bir basit bir yöntem sunar. Kaynaklı kupon mekanik test özelliklerinin çoğu iletişimi biridir eklemlerin görünür tur kesme mukavemeti, belirleyici sağlarSadece termoplastik kompozit kaynaklı eklem 7 gücünü ölçmek için kullanılır. Bu yazıda anlatılan kaynak yöntemi üç ana bölümden oluşmaktadır. Birincisi, gevşek düz enerji direktörleri kaynak işlemi sırasında katılmadan arayüzü 8,9 tercihli ısı üretimi için kullanılmaktadır. İkinci olarak, ultrasonik kaynak makinası tarafından sunulan işlem verileri hızlı bir şekilde belirli bir kuvvet / genlik kombinasyon 2,4 titreşim aşamasında optimum süresinin belirlenmesi için kullanılır. Üçüncüsü, titreşim fazının süresi dolaylı Kaynak bağlantılarının 4 tutarlı kalitesini sağlamak amacıyla Sonotrode yerinden aracılığıyla kontrol edilir. Bu kaynak yöntemi termoplastik kompozitler için state-of-the-art kaynak prosedürlerine ile ilgili olarak aşağıdaki ana yenilikleri ve avantajları sunar: (a) basitleştirilmiş numune yerine geleneksel kalıp enerji yönetim 3 gevşek düz enerji yönetim kullanımı ile etkin hazırlanması ve (b) hızlı ve cortak deneme yanılma yaklaşımları aksine in-situ süreç izleme dayalı işlem parametrelerinin ost verimli tanım. Bu yazıda anlatılan yöntem çok özel ve basit kaynak geometri elde yönelikse rağmen fiili parçaların kaynak için bir prosedür tanımlamak için bir temel olarak hizmet verebilir. Tek tur kuponlar örtüşme dört kenarlarında sınırsız akışına karşı bu durumda bir temel fark, enerji müdürü kısıtlı akış kaynaklanır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bir önceki bölümde sunulan sonuçlar, mekanik test amaçlı termoplastik kompozit tek tur kupon ultrasonik kaynak bu çalışmada önerilen basit yöntemin uygunluğunu göstermektedir. Aşağıdaki paragraflar sonuçları yöntemin üç ana ayağı doğrulamak nasıl tartışmak, yani düz gevşek enerji yönetim, süreç geribildirim kullanım kullanımı, optimum titreşim ve yer değiştirme kontrolü kullanım süresini yanı sıra uygulanabilirliğini ve sınırlarını tanımlamak için teknik.
<p…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).
