Tehnologija indukcijskega varjenja termoplastičnih kompozitov iz ogljikovih vlaken je še vedno v zgodnji fazi.
Globalna gospodarska recesija, skupaj z morebitnimi pomembnimi spremembami v mednarodnih razmerah in nasičenostjo povpraševanja po nizkocenovnih ogljikovih vlaknih, skupaj določa krčenje svetovnega trga ogljikovih vlaken. Vendar to ni končni rezultat. Učinkovitost ogljikovih vlaken srednjega do visokega razreda ostaja bistvenega pomena za industrije, kot so vesoljska, medicinska in avtomobilska proizvodnja. Poleg tega so možnosti uporabe kompozitov iz termoplastičnih ogljikovih vlaken z okoljskega vidika precej obetavne. Termoplastična ogljikova vlakna je mogoče večkrat preoblikovati, njihovo obdelavo pa je mogoče inteligentno nadzorovati. V prihodnosti bodo industrijske komponente za letala in vesoljska plovila verjetno uporabljale to kot osnovni material.
Da bi dosegli boljšo učinkovitost komponent iz termoplastičnih ogljikovih vlaken, bi morale poleg proizvodnje po meri imeti tudi funkcije obdelave po oblikovanju, kot je varjenje. Ta članek bo predstavil znanje, povezano z varjenjem industrijskih komponent iz termoplastičnih ogljikovih vlaken, s posebnim poudarkom na indukcijskem varjenju.
Uvod v pet varilnih metod za termoplastične kompozite iz ogljikovih vlaken
Za razliko od termoreaktivnih kompozitov se lahko termoplastični kompoziti po oblikovanju še vedno stopijo. Povezavo delov iz termoplastičnih ogljikovih vlaken lahko dosežemo s sekundarnim taljenjem in pritiskom, kar lahko obravnavamo kot postopek varjenja. Trenutno pogosto uporabljene varilne tehnike za kompozite iz termoplastičnih ogljikovih vlaken vključujejo varjenje z vročim plinom, uporovno, ultrazvočno, indukcijsko in lasersko varjenje. Vsaka metoda varjenja ima svoje prednosti in slabosti, izbira metode pa mora temeljiti na različnih scenarijih in zahtevah.
1. Varjenje z vročim plinom:
Opis: Varjenje z vročim plinom uporablja tok vročega plina (običajno dušika) za taljenje in spajanje termoplastičnih materialov na spoju.
Proces: Površino materialov se segreva z vročim plinom in uporablja pritisk, da jih poveže.
Prednosti: Obstaja natančen nadzor nad temperaturo in tlakom, zaradi česar je primeren za različne termoplastične kompozite.
Premisleki: Paziti je treba, da preprečite pregrevanje in poškodbe ogljikovih vlaken.
2.Uporovno varjenje:
Opis: Uporovno varjenje vključuje prehajanje električnega toka skozi materiale, ki ustvarja toploto na spoju.
Proces: Dve komponenti sta stisnjeni skupaj in tok teče skozi spoj, kar povzroča lokalno segrevanje.
Prednosti: Postopek je hiter, primeren za velike strukture in ga je mogoče avtomatizirati.
Premisleki: Materiali morajo imeti zadostno prevodnost in obstaja nevarnost lokalnega pregrevanja.
3.Ultrazvočno varjenje:
Opis: Ultrazvočno varjenje uporablja visokofrekvenčne vibracije za ustvarjanje toplote na spoju, s čimer se talijo in spajajo termoplastični materiali.
Proces: Ultrazvočne vibracije se izvajajo na vmesniku, kar povzroči lokalno segrevanje in lepljenje.
Prednosti: Hitrost obdelave je visoka, zaradi česar je primeren za majhne in kompleksne dele, z minimalnim toplotnim vplivom na okolico.
Premisleki: Pravilne nastavitve frekvence in amplitude so ključne in ta metoda morda ni primerna za vse termoplastične kompozite.
4. Indukcijsko varjenje:
Opis: Indukcijsko varjenje uporablja elektromagnetno indukcijo za segrevanje termoplastičnih materialov na spoju.
Proces: Indukcijska tuljava inducira toploto znotraj materialov in ustvarja lokalno talilno območje za varjenje.
Prednosti: Obstaja natančen nadzor ogrevanja, zaradi česar je primeren za velike strukture z minimalnim vplivom na okolico.
Premisleki: Materiali morajo imeti zadostno prevodnost in ta metoda ni povsod uporabna.
5.Lasersko varjenje:
Opis: Lasersko varjenje uporablja visoko usmerjen laserski žarek za segrevanje in taljenje materialov na spoju, ki tvori vez, ko se ohlajajo.
Proces: Laserski žarek je usmerjen na vmesnik in hitro segreje termoplastični material. Komponente se nato stisnejo skupaj in tvorijo zvar, ko se strdi.
Prednosti: Lasersko varjenje zagotavlja visoko natančnost in nadzor nad vnosom toplote, razmeroma visoke hitrosti varjenja in je primerno za masovno proizvodnjo. Ustvarja minimalne toplotno prizadete cone, ohranja lastnosti materiala in predstavlja manjše tveganje kontaminacije.
Premisleki: Med laserskim varjenjem morate paziti, da zaščitite ogljikova vlakna pred pregrevanjem, da preprečite poškodbe.
Zrela tehnologija indukcijskega varjenja za termoplastična ogljikova vlakna koristi letalski industriji
Tehnologija indukcijskega varjenja je še posebej primerna za spajanje termoplastičnih kompozitnih struktur, ojačanih z ogljikovimi vlakni. Ker so ogljikova vlakna prevodna in lahko ustvarjajo vrtinčne tokove, če so izpostavljena izmeničnemu magnetnemu polju, ni potrebe po uvajanju dodatnih indukcijskih materialov pri varjenju termoplastičnih kompozitov, ojačanih z ogljikovimi vlakni.
Ko proizvodna tehnologija za letalske termoplastične kompozite dozoreva in proizvodni stroški padajo, se bo njihova uporaba v letalski in vesoljski proizvodnji znatno povečala. Poleg tega kompleksna struktura letalskih in vesoljskih komponent zahteva, da se preprosti deli sestavijo v celoto s povezovalnimi tehnologijami. Zato je razvoj varilnih tehnologij za letalske in vesoljske termoplastične kompozite, vključno z indukcijskim varjenjem, postal nujna potreba v naprednih raziskavah proizvodnje letal in bo v prihodnosti ostala dolgoročna naloga.
Trenutno se tehnologija indukcijskega varjenja za termoplastična ogljikova vlakna sooča z izzivi, kot sta nizka zrelost in dejstvo, da še ni vstopila v faze inženirskega prototipa in praktične uporabe izdelka. Vendar so raziskave o indukcijskem varjenju termoplastičnih kompozitov za civilna letala v tujini še vedno v zgodnji fazi, pri čemer čakajo na preboje različne ključne tehnologije. Tehnološki razkorak med državami ni zelo izrazit. Zato bi morala Kitajska pospešiti prizadevanja za razvoj in uporabo na tem področju, da bi zmanjšala vrzel s tujimi naprednimi materiali in proizvodnimi tehnologijami za letala. Samo z resničnim obvladovanjem temeljnih tehnologij lahko koristimo domači letalski in vesoljski industriji.
Napredek raziskav pri indukcijskem varjenju termoplastičnih CF/PPS kompozitov na Kitajskem
Nekatere raziskovalne skupine so preučevale učinke varilne moči in časa na strižno trdnost v krogu (LSS) z uporabo pristopa točkovnega varjenja. Raziskali so tudi izvedljivost različnih implantiranih plasti za indukcijsko varjenje termoplastičnih kompozitov CF/PPS. Raziskava je pokazala, da lahko čezmerna varilna moč ali podaljšan čas varjenja povzroči pregrevanje vzorcev, kar ima za posledico kemične reakcije, kot so zamreženje, oksidacija in razgradnja smolne matrice, kar bistveno zmanjša mehanske lastnosti zvarnih spojev in celo notranje lastnosti kompozitov.
1. Podatki o največjem času za indukcijsko varjenje kompozitov CF/PPS
Eksperimentalni rezultati kažejo, da ko je relativna moč v območju od 400 do 800, kaže vmesna plast največjo stopnjo dviga temperature. Ko se relativna moč poveča, postane hitrost dviga temperature hitrejša in čas dimljenja nastopi prej. Ko čas varjenja preseže določeno vrednost, se na sredini plošč neizogibno pojavi kajenje. Pojav dimljenja je predvsem posledica razgradnje smole ali izhlapevanja preostalih majhnih molekul, kar lahko negativno vpliva na kakovost varjenja in učinkovitost lepljenja med obema ploščama. Zato se je treba tej situaciji izogniti.
2. Učinki varilne moči in časa na strižno trdnost (LSS)
Indukcijsko varjenje je bilo izvedeno na dveh kompozitnih materialih CF/PPS z metodo točkovnega varjenja, po segrevanju pa je sledil pritisk z valji. Testirana je bila nastala strižna trdnost v krogu (LSS). Rezultati kažejo, da med postopkom indukcijskega varjenja, zaradi relativno kratkega časa varjenja, odtok smole ni močan, kar omogoča, da površina zvara zadrži določeno količino smole. Pri relativni moči 500 vrednost strižne trdnosti (LSS) doseže svoj maksimum pri času segrevanja 65 sekund, kar pomeni, da čas segrevanja ne sme biti niti prekratek niti predolg.
3. Učinek plasti vsadka na strižno trdnost (LSS)
Z uporabo dveh kompozitnih materialov CF/PPS skupaj s prepregom CF/PPS, ki ima enake specifikacije (iste surovine, oblika tkanine, vsebnost volumna vlaken itd.) kot kompoziti, je bila za točkovno varjenje uporabljena plast vsadka. Rezultati kažejo, da je dodajanje plasti vsadka na splošno povzročilo zmanjšanje strižne trdnosti (LSS), kar je mogoče pripisati temu, da plast vsadka omejuje nastajanje in prevajanje toplote; vendar je največji LSS še vedno dosegel 24,8 MPa.
