Technológia indukčného zvárania pre kompozity z termoplastických uhlíkových vlákien je stále v ranom štádiu.
Celosvetový hospodársky pokles spojený s možnými významnými zmenami v medzinárodnej situácii a nasýtením dopytu po uhlíkových vláknach nižšej kategórie spoločne určuje zmenšovanie globálneho trhu s uhlíkovými vláknami. Toto však nie je konečný výsledok. Výkonnosť uhlíkových vlákien strednej až vyššej triedy zostáva nevyhnutná pre priemyselné odvetvia, ako je letecký priemysel, zdravotníctvo a výroba automobilov. Okrem toho z environmentálneho hľadiska sú vyhliadky na použitie termoplastických kompozitov z uhlíkových vlákien celkom sľubné. Termoplastické uhlíkové vlákno je možné viackrát pretvarovať a jeho spracovanie možno inteligentne kontrolovať. V budúcnosti to budú priemyselné komponenty pre lietadlá a kozmické lode pravdepodobne používať ako základný materiál.
Na dosiahnutie lepšieho výkonu komponentov z termoplastických uhlíkových vlákien by okrem zákazkovej výroby mali mať aj vlastnosti spracovateľnosti po tvarovaní, ako je zváranie. Tento článok predstaví poznatky súvisiace so zváraním priemyselných komponentov z termoplastických uhlíkových vlákien, najmä so zameraním na indukčné zváranie.
Úvod do piatich metód zvárania termoplastických kompozitov z uhlíkových vlákien
Na rozdiel od termosetových kompozitov sa termoplastické kompozity môžu po formovaní stále roztaviť. Spojenie častí z termoplastických uhlíkových vlákien je možné dosiahnuť sekundárnym roztavením a aplikáciou tlaku, čo možno považovať za proces zvárania. V súčasnosti bežne používané zváracie techniky pre kompozity z termoplastických uhlíkových vlákien zahŕňajú zváranie horúcim plynom, odporové, ultrazvukové, indukčné a laserové zváranie. Každá metóda zvárania má svoje výhody a nevýhody a výber metódy by mal vychádzať z rôznych scenárov a požiadaviek.
1. Zváranie horúcim plynom:
Popis: Zváranie horúcim plynom využíva prúd horúceho plynu (zvyčajne dusíka) na roztavenie a roztavenie termoplastických materiálov v spoji.
Proces: Povrch materiálov sa zahrieva horúcim plynom a na ich spojenie sa pôsobí tlakom.
Výhody: Existuje presná kontrola teploty a tlaku, vďaka čomu je vhodný pre rôzne termoplastické kompozity.
Úvahy: Je potrebné dbať na to, aby nedošlo k prehriatiu a poškodeniu uhlíkových vlákien.
2. Odporové zváranie:
Popis: Odporové zváranie zahŕňa prechod elektrického prúdu cez materiály, čím sa vytvára teplo v spoji.
Proces: Dva komponenty sú stlačené k sebe a prúd preteká spojom, čo spôsobuje lokálne zahrievanie.
Výhody: Proces je rýchly, vhodný pre veľké štruktúry a dá sa automatizovať.
Úvahy: Materiály musia mať dostatočnú vodivosť a existuje riziko lokálneho prehriatia.
3.Ultrazvukové zváranie:
Popis: Ultrazvukové zváranie využíva vysokofrekvenčné vibrácie na generovanie tepla v spoji, čím dochádza k roztaveniu a roztaveniu termoplastických materiálov.
Proces: Na rozhranie pôsobia ultrazvukové vibrácie, ktoré spôsobujú lokálne zahrievanie a lepenie.
Výhody: Rýchlosť spracovania je vysoká, vďaka čomu je vhodná pre malé a zložité diely s minimálnym tepelným dopadom na okolité oblasti.
Úvahy: Správne nastavenie frekvencie a amplitúdy je rozhodujúce a táto metóda nemusí byť vhodná pre všetky termoplastické kompozity.
4. Indukčné zváranie:
Popis: Indukčné zváranie využíva elektromagnetickú indukciu na ohrev termoplastických materiálov v mieste spoja.
Proces: Indukčná cievka indukuje teplo v materiáloch, čím vytvára lokalizovanú zónu tavenia pre zváranie.
Výhody: Existuje presná kontrola vykurovania, vďaka čomu je vhodný pre veľké konštrukcie s minimálnym dopadom na okolité plochy.
Úvahy: Materiály musia mať dostatočnú vodivosť a táto metóda nie je univerzálne použiteľná.
5. Laserové zváranie:
Popis: Laserové zváranie využíva vysoko sústredený laserový lúč na zahrievanie a tavenie materiálov v spoji, pričom pri ochladzovaní vytvára spoj.
Proces: Laserový lúč je nasmerovaný na rozhranie a rýchlo ohrieva termoplastický materiál. Komponenty sa potom stlačia k sebe a pri tuhnutí sa vytvorí zvar.
Výhody: Laserové zváranie poskytuje vysokú presnosť a kontrolu nad tepelným príkonom, relatívne vysoké rýchlosti zvárania a je vhodné pre sériovú výrobu. Vytvára minimálne tepelne ovplyvnené zóny, zachováva vlastnosti materiálu a predstavuje nižšie riziko kontaminácie.
Úvahy: Pri laserovom zváraní je potrebné dbať na ochranu uhlíkového vlákna pred prehriatím, aby nedošlo k poškodeniu.
Vyspelá technológia indukčného zvárania pre termoplastické uhlíkové vlákna je prínosom pre letecký priemysel
Technológia indukčného zvárania je obzvlášť vhodná na spájanie termoplastických kompozitných štruktúr vystužených uhlíkovými vláknami. Pretože uhlíkové vlákno je vodivé a môže generovať vírivé prúdy, keď je vystavené striedavému magnetickému poľu, nie je potrebné zavádzať ďalšie indukčné materiály pri zváraní termoplastických kompozitov vystužených uhlíkovými vláknami.
Ako výrobná technológia pre letecké termoplastické kompozity dozrieva a výrobné náklady klesajú, ich využitie v leteckej výrobe sa výrazne zvýši. Okrem toho si zložitá štruktúra leteckých komponentov vyžaduje, aby sa jednoduché časti spojili do celku pomocou spojovacích technológií. Preto sa vývoj zváracích technológií pre letecké termoplastické kompozity, vrátane indukčného zvárania, stal naliehavou potrebou v pokročilom výskume výroby lietadiel a zostane dlhodobou úlohou v budúcnosti.
V súčasnosti technológia indukčného zvárania termoplastických uhlíkových vlákien čelí výzvam, ako je nízka zrelosť a skutočnosť, že ešte nevstúpila do štádia konštrukčného prototypu a praktického použitia produktu. Výskum indukčného zvárania termoplastických kompozitov pre civilné lietadlá je však v zahraničí stále v počiatočnom štádiu, pričom rôzne kľúčové technológie čakajú na prelomy. Technologická priepasť medzi krajinami nie je príliš výrazná. Čína by preto mala urýchliť vývojové a aplikačné úsilie v tejto oblasti, aby skrátila medzeru so zahraničnými vyspelými materiálmi a výrobnými technológiami pre lietadlá. Iba skutočným zvládnutím základných technológií môžeme mať prospech pre domáci letecký priemysel.
Pokrok vo výskume v oblasti indukčného zvárania termoplastických CF/PPS kompozitov v Číne
Niektoré výskumné tímy študovali účinky zváracieho výkonu a času na pevnosť v šmyku (LSS) pomocou prístupu bodového zvárania. Skúmali tiež uskutočniteľnosť rôznych implantovaných vrstiev na indukčné zváranie termoplastických kompozitov CF/PPS. Výskum zistil, že nadmerný zvárací výkon alebo predĺžený čas zvárania môžu viesť k prehriatiu vzoriek, čo má za následok chemické reakcie, ako je zosieťovanie, oxidácia a degradácia živicovej matrice, čo výrazne znižuje mechanické vlastnosti zvarových spojov a dokonca vnútorné vlastnosti kompozitov.
1. Maximálne časové údaje pre indukčné zváranie CF/PPS kompozitov
Experimentálne výsledky ukazujú, že keď je relatívna sila v rozsahu 400 až 800, medzivrstva vykazuje najvyššiu rýchlosť nárastu teploty. Ako sa relatívny výkon zvyšuje, rýchlosť zvyšovania teploty sa zrýchľuje a čas údenia nastáva skôr. Keď čas zvárania prekročí určitú hodnotu, v strede panelov sa nevyhnutne objaví dym. Výskyt dymu je primárne spôsobený degradáciou živice alebo prchavosťou zvyškových malých molekúl, ktoré môžu nepriaznivo ovplyvniť kvalitu zvárania a výkon spojenia medzi dvoma panelmi. Preto je potrebné sa tejto situácii vyhnúť.
2. Účinky zváracieho výkonu a času na pevnosť v šmyku (LSS)
Indukčné zváranie sa uskutočnilo na dvoch kompozitných materiáloch CF/PPS metódou bodového zvárania, po zahriatí nasledoval tlak valcov. Bola testovaná výsledná pevnosť v šmyku presahu (LSS). Výsledky naznačujú, že počas procesu indukčného zvárania v dôsledku relatívne krátkeho času zvárania nie je odtok živice silný, čo umožňuje, aby povrch zvaru zadržal určité množstvo živice. Pri relatívnej sile 500 dosiahne hodnota pevnosti v šmyku (LSS) svoje maximum pri čase ohrevu 65 sekúnd, čo naznačuje, že čas ohrevu by nemal byť ani príliš krátky, ani príliš dlhý.
3. Vplyv vrstvy implantátu na pevnosť v šmyku (LSS)
Pri použití dvoch kompozitných materiálov CF/PPS spolu s predimpregnovaným laminátom CF/PPS, ktorý má rovnaké špecifikácie (rovnaké suroviny, forma tkaniny, objemový obsah vlákien atď.) ako kompozity, sa na bodové zváranie použila vrstva implantátu. Výsledky naznačujú, že pridanie vrstvy implantátu vo všeobecnosti viedlo k zníženiu pevnosti v šmyku (LSS), čo možno pripísať vrstve implantátu obmedzujúcej tvorbu a vedenie tepla; maximálna LSS však stále dosahovala 24,8 MPa.
