Technologia zgrzewania indukcyjnego kompozytów z termoplastycznych włókien węglowych jest wciąż na wczesnym etapie.
Globalne pogorszenie koniunktury gospodarczej w połączeniu z potencjalnymi znaczącymi zmianami sytuacji międzynarodowej i nasyceniem popytu na włókna węglowe z niższej półki, łącznie determinuje kurczenie się światowego rynku włókien węglowych. Nie jest to jednak ostateczny wynik. Wydajność włókien węglowych średniej i wysokiej klasy pozostaje kluczowa dla branż takich jak przemysł lotniczy, medyczny i motoryzacyjny. Dodatkowo, z punktu widzenia ochrony środowiska, perspektywy zastosowań termoplastycznych kompozytów z włókna węglowego są dość obiecujące. Termoplastyczne włókno węglowe można wielokrotnie przekształcać, a jego przetwarzanie można inteligentnie kontrolować. W przyszłości komponenty przemysłowe do samolotów i statków kosmicznych prawdopodobnie będą wykorzystywać ten materiał jako materiał podstawowy.
Aby uzyskać lepszą wydajność elementów z termoplastycznego włókna węglowego, oprócz produkcji na zamówienie, powinny one również posiadać właściwości przetwarzalne po formowaniu, takie jak spawanie. W artykule przybliżona zostanie wiedza związana ze spawaniem elementów przemysłowych z termoplastycznych włókien węglowych, ze szczególnym uwzględnieniem spawania indukcyjnego.
Wprowadzenie do pięciu metod spawania termoplastycznych kompozytów z włókna węglowego
W przeciwieństwie do kompozytów termoutwardzalnych, kompozyty termoplastyczne mogą nadal topić się po uformowaniu. Połączenie części z termoplastycznego włókna węglowego można uzyskać poprzez wtórne stopienie i przyłożenie ciśnienia, co można uznać za proces spawania. Obecnie powszechnie stosowane techniki spawania termoplastycznych kompozytów z włókna węglowego obejmują spawanie gorącym gazem, oporowe, ultradźwiękowe, indukcyjne i laserowe. Każda metoda spawania ma swoje zalety i wady, a wybór metody powinien opierać się na różnych scenariuszach i wymaganiach.
1. Spawanie gorącym gazem:
Opis: Spawanie gorącym gazem wykorzystuje strumień gorącego gazu (zwykle azotu) do topienia i stapiania materiałów termoplastycznych na złączu.
Proces: Powierzchnię materiałów podgrzewa się gorącym gazem i przykłada się ciśnienie w celu połączenia ich ze sobą.
Zalety: Istnieje precyzyjna kontrola temperatury i ciśnienia, dzięki czemu nadaje się do różnych kompozytów termoplastycznych.
Rozważania: Należy zachować ostrożność, aby zapobiec przegrzaniu i uszkodzeniu włókna węglowego.
2. Zgrzewanie oporowe:
Opis: Zgrzewanie oporowe polega na przepuszczaniu prądu elektrycznego przez materiały, co powoduje wytwarzanie ciepła na złączu.
Proces: Dwa elementy są dociskane do siebie, a prąd przepływa przez złącze, powodując miejscowe nagrzewanie.
Zalety: Proces jest szybki, odpowiedni dla dużych konstrukcji i można go zautomatyzować.
Rozważania: Materiały muszą posiadać wystarczającą przewodność i istnieje ryzyko miejscowego przegrzania.
3. Spawanie ultradźwiękowe:
Opis: Spawanie ultradźwiękowe wykorzystuje wibracje o wysokiej częstotliwości do generowania ciepła na złączu, topiąc i stapiając w ten sposób materiały termoplastyczne.
Proces: Na interfejs działają wibracje ultradźwiękowe, powodując miejscowe nagrzewanie i wiązanie.
Zalety: Szybkość przetwarzania jest duża, dzięki czemu nadaje się do małych i skomplikowanych części, przy minimalnym wpływie ciepła na otaczające obszary.
Rozważania: Właściwe ustawienia częstotliwości i amplitudy mają kluczowe znaczenie, a metoda ta może nie być odpowiednia dla wszystkich kompozytów termoplastycznych.
4. Spawanie indukcyjne:
Opis: Zgrzewanie indukcyjne wykorzystuje indukcję elektromagnetyczną do podgrzewania materiałów termoplastycznych na złączu.
Proces: Cewka indukcyjna indukuje ciepło w materiałach, tworząc zlokalizowaną strefę topienia do spawania.
Zalety: Zapewnia precyzyjną kontrolę nad ogrzewaniem, dzięki czemu nadaje się do dużych konstrukcji przy minimalnym wpływie na otaczające obszary.
Rozważania: Materiały muszą mieć wystarczającą przewodność, a ta metoda nie ma uniwersalnego zastosowania.
5. Spawanie laserowe:
Opis: Spawanie laserowe wykorzystuje wysoce skupioną wiązkę lasera do podgrzewania i topienia materiałów na złączu, tworząc wiązanie po ochłodzeniu.
Proces: Wiązka lasera kierowana jest na powierzchnię styku, szybko nagrzewając materiał termoplastyczny. Następnie elementy są ściskane razem, tworząc spoinę po zestaleniu.
Zalety: Spawanie laserowe zapewnia wysoką precyzję i kontrolę nad wprowadzaną temperaturą, stosunkowo duże prędkości spawania i nadaje się do produkcji masowej. Tworzy minimalne strefy wpływu ciepła, zachowuje właściwości materiału i stwarza mniejsze ryzyko zanieczyszczenia.
Rozważania: Podczas spawania laserowego należy zachować ostrożność, aby chronić włókno węglowe przed przegrzaniem i zapobiec uszkodzeniu.
Dojrzała technologia spawania indukcyjnego termoplastycznych włókien węglowych przynosi korzyści przemysłowi lotniczemu
Technologia zgrzewania indukcyjnego jest szczególnie odpowiednia do łączenia struktur z kompozytów termoplastycznych wzmocnionych włóknem węglowym. Ponieważ włókno węglowe przewodzi i może generować prądy wirowe pod wpływem zmiennego pola magnetycznego, nie ma potrzeby wprowadzania dodatkowych materiałów indukcyjnych podczas spawania kompozytów termoplastycznych wzmocnionych włóknem węglowym.
W miarę dojrzewania technologii wytwarzania kompozytów termoplastycznych dla przemysłu lotniczego i zmniejszania się kosztów produkcji, ich zastosowanie w przemyśle lotniczym znacznie wzrośnie. Dodatkowo złożona struktura komponentów lotniczych wymaga połączenia prostych części w całość za pomocą technologii połączeń. Dlatego też opracowanie technologii spawania kompozytów termoplastycznych dla przemysłu lotniczego, w tym zgrzewania indukcyjnego, stało się pilną potrzebą w zaawansowanych badaniach nad produkcją samolotów i pozostanie zadaniem długoterminowym w przyszłości.
Obecnie technologia zgrzewania indukcyjnego termoplastycznych włókien węglowych stoi przed wyzwaniami takimi jak niska dojrzałość oraz fakt, że nie weszła ona jeszcze w fazę prototypu inżynieryjnego i praktycznego zastosowania produktu. Jednakże badania nad spawaniem indukcyjnym kompozytów termoplastycznych do samolotów cywilnych są wciąż na wczesnym etapie za granicą, a różne kluczowe technologie oczekują na przełom. Przepaść technologiczna pomiędzy krajami nie jest zbyt wyraźna. Dlatego Chiny powinny przyspieszyć wysiłki w zakresie rozwoju i zastosowań w tej dziedzinie, aby zmniejszyć lukę w stosunku do zagranicznych zaawansowanych materiałów i technologii produkcji samolotów. Tylko dzięki prawdziwemu opanowaniu podstawowych technologii możemy przynieść korzyści krajowemu przemysłowi lotniczemu.
Postęp badań nad zgrzewaniem indukcyjnym termoplastycznych kompozytów CF/PPS w Chinach
Niektóre zespoły badawcze badały wpływ mocy i czasu spawania na wytrzymałość na ścinanie (LSS) przy użyciu metody zgrzewania punktowego. Zbadali także możliwość zastosowania różnych wszczepionych warstw do zgrzewania indukcyjnego kompozytów termoplastycznych CF/PPS. Badania wykazały, że nadmierna moc spawania lub wydłużony czas zgrzewania może prowadzić do przegrzania próbek, co skutkuje reakcjami chemicznymi takimi jak sieciowanie, utlenianie i degradacja osnowy żywicy, które znacznie pogarszają właściwości mechaniczne złączy spawanych, a nawet właściwości wewnętrzne kompozytów.
1. Maksymalny czas spawania indukcyjnego kompozytów CF/PPS
Wyniki eksperymentów wskazują, że gdy moc względna mieści się w przedziale od 400 do 800, warstwa pośrednia wykazuje największą szybkość wzrostu temperatury. Wraz ze wzrostem mocy względnej tempo wzrostu temperatury staje się szybsze, a czas palenia następuje wcześniej. Gdy czas zgrzewania przekroczy określoną wartość, na środku paneli nieuchronnie pojawi się dymienie. Dymienie wynika przede wszystkim z degradacji żywicy lub ulatniania się pozostałych małych cząsteczek, co może niekorzystnie wpłynąć na jakość spawania i przyczepność pomiędzy dwoma panelami. Dlatego należy unikać takiej sytuacji.
2. Wpływ mocy i czasu spawania na wytrzymałość na ścinanie (LSS)
Wykonano zgrzewanie indukcyjne dwóch materiałów kompozytowych CF/PPS metodą zgrzewania punktowego, a następnie po nagrzaniu zastosowano docisk walcami. Zbadano uzyskaną wytrzymałość na ścinanie (LSS). Wyniki wskazują, że podczas procesu zgrzewania indukcyjnego, ze względu na stosunkowo krótki czas zgrzewania, wypływ żywicy nie jest duży, co pozwala na zatrzymanie na powierzchni spoiny określonej ilości żywicy. Przy mocy względnej 500 wartość wytrzymałości na ścinanie (LSS) osiąga maksimum w czasie ogrzewania wynoszącym 65 sekund, co wskazuje, że czas ogrzewania nie powinien być ani za krótki, ani za długi.
3. Wpływ warstwy implantu na wytrzymałość na ścinanie (LSS)
Wykorzystując dwa materiały kompozytowe CF/PPS wraz z prepregiem CF/PPS, który ma takie same specyfikacje (te same surowce, postać tkaniny, zawartość objętościowa włókien itp.), jak kompozyty, do zgrzewania punktowego zastosowano warstwę implantu. Wyniki wskazują, że dodanie warstwy implantu generalnie prowadziło do zmniejszenia wytrzymałości na ścinanie (LSS), co można przypisać warstwie implantu ograniczającej wytwarzanie i przewodzenie ciepła; jednakże maksymalne LSS nadal osiągnęło 24,8 MPa.
