Induktionssvetstekniken för termoplastiska kolfiberkompositer är fortfarande i ett tidigt skede.

Introduktion till fem svetsmetoder för termoplastiska kolfiberkompositer

Till skillnad från värmehärdande kompositer kan termoplastiska kompositer fortfarande smälta efter gjutning. Kopplingen av termoplastiska kolfiberdelar kan åstadkommas genom sekundär smältning och applicering av tryck, vilket kan betraktas som en svetsprocess. För närvarande är vanliga svetstekniker för termoplastiska kolfiberkompositer bland annat varmgas, resistans, ultraljud, induktion och lasersvetsning. Varje svetsmetod har sina för- och nackdelar och valet av metod bör baseras på olika scenarier och krav.

1.Varmgassvetsning:

Beskrivning: Hetgassvetsning använder en ström av het gas (vanligtvis kväve) för att smälta och smälta samman de termoplastiska materialen vid fogen.

Behandla: Materialens yta värms upp med het gas och tryck appliceras för att koppla ihop dem.

Fördelar: Det finns exakt kontroll över temperatur och tryck, vilket gör den lämplig för olika termoplastiska kompositer.

Överväganden: Försiktighet måste iakttas för att förhindra överhettning och skador på kolfibern.

2. Motståndssvetsning:

Beskrivning: Motståndssvetsning innebär att en elektrisk ström passerar genom materialen och genererar värme vid fogen.

Behandla: Två komponenter pressas samman och strömmen flyter genom fogen, vilket orsakar lokal uppvärmning.

Fördelar: Processen är snabb, lämplig för stora strukturer och kan automatiseras.

Överväganden: Materialen måste ha tillräcklig ledningsförmåga och det finns risk för lokal överhettning.

3. Ultraljudssvetsning:

Beskrivning: Ultraljudssvetsning använder högfrekventa vibrationer för att generera värme vid fogen, vilket smälter och smälter samman de termoplastiska materialen.

Behandla: Ultraljudsvibrationer appliceras på gränssnittet, vilket orsakar lokal uppvärmning och bindning.

Fördelar: Bearbetningshastigheten är hög, vilket gör den lämplig för små och komplexa delar, med minimal termisk påverkan på omgivande områden.

Överväganden: Korrekt frekvens- och amplitudinställningar är avgörande, och denna metod kanske inte är lämplig för alla termoplastiska kompositer.

4. Induktionssvetsning:

Beskrivning: Induktionssvetsning använder elektromagnetisk induktion för att värma de termoplastiska materialen vid fogen.

Behandla: En induktionsspole inducerar värme i materialen, vilket skapar en lokaliserad smältzon för svetsning.

Fördelar: Det finns exakt kontroll över uppvärmningen, vilket gör den lämplig för stora strukturer med minimal påverkan på omgivande områden.

Överväganden: Materialen måste ha tillräcklig ledningsförmåga, och denna metod är inte universellt tillämplig.

5.Lasersvetsning:

Beskrivning: Lasersvetsning använder en mycket fokuserad laserstråle för att värma och smälta materialen vid fogen, vilket bildar en bindning när de svalnar.

Behandla: Laserstrålen riktas mot gränssnittet och värmer snabbt upp det termoplastiska materialet. Komponenterna pressas sedan ihop och bildar en svets när den stelnar.

Fördelar: Lasersvetsning ger hög precision och kontroll över termisk ingång, relativt snabba svetshastigheter och är lämplig för massproduktion. Det skapar minimala värmepåverkade zoner, bevarar materialegenskaper och utgör en lägre risk för kontaminering.

Överväganden: Försiktighet måste iakttas under lasersvetsning för att skydda kolfibern från överhettning för att förhindra skador.

Mogen induktionssvetsteknik för termoplastisk kolfiber gynnar flygindustrin

Induktionssvetsteknik är särskilt lämplig för sammanfogning av kolfiberförstärkta termoplastiska kompositstrukturer. Eftersom kolfiber är ledande och kan generera virvelströmmar när de utsätts för ett alternerande magnetfält, finns det inget behov av att införa ytterligare induktionsmaterial vid svetsning av kolfiberförstärkta termoplastiska kompositer.

När tillverkningstekniken för termoplastkompositer för flygindustrin mognar och produktionskostnaderna minskar, kommer deras tillämpning inom flygtillverkning att öka avsevärt. Dessutom kräver den komplexa strukturen hos flyg- och rymdkomponenter att enkla delar sätts samman till en helhet genom anslutningsteknik. Därför har utvecklingen av svetsteknik för flygkompositer av termoplast, inklusive induktionssvetsning, blivit ett akut behov i avancerad flygplanstillverkningsforskning, och det kommer att förbli en långsiktig uppgift i framtiden.

För närvarande står induktionssvetstekniken för termoplastisk kolfiber inför utmaningar som låg mognad och det faktum att den ännu inte har kommit in i den tekniska prototypen och praktiska produktapplikationsstadierna. Forskningen om induktionssvetsning av termoplastiska kompositer för civila flygplan är dock fortfarande i ett tidigt skede utomlands, med olika nyckelteknologier i väntan på genombrott. Den tekniska klyftan mellan länder är inte särskilt uttalad. Därför bör Kina påskynda utvecklingen och applikationsinsatserna på detta område för att minska gapet med utländska avancerade material och tillverkningsteknik för flygplan. Endast genom att verkligen behärska kärnteknologier kan vi gynna den inhemska flygindustrin.

Forskningsframsteg om induktionssvetsning av termoplastiska CF/PPS-kompositer i Kina

Vissa forskarlag har studerat effekterna av svetskraft och tid på överlappsskjuvhållfastheten (LSS) med hjälp av en punktsvetsmetod. De undersökte också genomförbarheten av olika implanterade skikt för induktionssvetsning av CF/PPS termoplastiska kompositer. Forskningen fann att överdriven svetskraft eller förlängd svetstid kan leda till överhettning av proverna, vilket resulterar i kemiska reaktioner som tvärbindning, oxidation och nedbrytning av hartsmatrisen, vilket avsevärt minskar de mekaniska egenskaperna hos de svetsade fogarna och till och med kompositernas inre egenskaper.

1. Maximal tidsdata för induktionssvetsning av CF/PPS-kompositer

Experimentella resultat indikerar att när den relativa effekten ligger inom intervallet 400 till 800, uppvisar det mellanliggande skiktet den högsta hastigheten för temperaturstegring. När den relativa effekten ökar, blir temperaturökningshastigheten snabbare, och röktiden inträffar tidigare. När svetstiden överstiger ett visst värde kommer rökning oundvikligen att uppstå i mitten av panelerna. Förekomsten av rökning beror i första hand på nedbrytningen av hartset eller förångningen av kvarvarande små molekyler, vilka båda kan påverka svetskvaliteten och bindningsförmågan mellan de två panelerna negativt. Därför är det nödvändigt att undvika denna situation.

2. Effekter av svetskraft och tid på skjuvhållfasthet (LSS)

Induktionssvetsning utfördes på två CF/PPS-kompositmaterial med en punktsvetsmetod, följt av att applicera tryck med rullar efter uppvärmning. Den resulterande varvskjuvhållfastheten (LSS) testades. Resultaten indikerar att under induktionssvetsprocessen, på grund av den relativt korta svetstiden, är utflödet av harts inte allvarligt, vilket gör att svetsytan kan behålla en viss mängd harts. Vid en relativ effekt på 500 når skjuvhållfasthetsvärdet (LSS) sitt maximum vid en uppvärmningstid på 65 sekunder, vilket indikerar att uppvärmningstiden varken ska vara för kort eller för lång.

3. Effekt av implantatskikt på skjuvhållfasthet (LSS)

Genom att använda två CF/PPS-kompositmaterial, tillsammans med en CF/PPS-prepreg som har samma specifikationer (samma råmaterial, tygform, fibervolyminnehåll, etc.) som kompositerna, användes ett implantatskikt för punktsvetsning. Resultaten indikerar att tillägget av implantatskiktet generellt ledde till en minskning av skjuvhållfastheten (LSS), vilket kan tillskrivas att implantatskiktet begränsar värmealstring och ledning; dock nådde den maximala LSS fortfarande 24,8 MPa.