Η τεχνολογία επαγωγικής συγκόλλησης για σύνθετα υλικά από θερμοπλαστικά ανθρακονήματα βρίσκεται ακόμη σε πρώιμα στάδια.
Η παγκόσμια οικονομική ύφεση, σε συνδυασμό με πιθανές σημαντικές αλλαγές στη διεθνή κατάσταση και τον κορεσμό της ζήτησης για ανθρακονήματα χαμηλής ποιότητας, καθορίζουν συλλογικά τη συρρίκνωση της παγκόσμιας αγοράς ανθρακονημάτων. Ωστόσο, αυτό δεν είναι το τελικό αποτέλεσμα. Η απόδοση των ινών άνθρακα μεσαίας έως υψηλής ποιότητας παραμένει απαραίτητη για βιομηχανίες όπως η αεροδιαστημική, η ιατρική και η αυτοκινητοβιομηχανία. Επιπλέον, από περιβαλλοντική άποψη, οι προοπτικές εφαρμογής των σύνθετων θερμοπλαστικών ινών άνθρακα είναι αρκετά υποσχόμενες. Οι θερμοπλαστικές ίνες άνθρακα μπορούν να αναδιαμορφωθούν πολλές φορές και η επεξεργασία τους μπορεί να ελεγχθεί έξυπνα. Στο μέλλον, βιομηχανικά εξαρτήματα για αεροσκάφη και διαστημόπλοια πιθανότατα θα το χρησιμοποιούν ως βασικό υλικό τους.
Για να επιτευχθεί καλύτερη απόδοση από θερμοπλαστικά εξαρτήματα από ίνες άνθρακα, εκτός από την προσαρμοσμένη παραγωγή, θα πρέπει επίσης να διαθέτουν χαρακτηριστικά επεξεργασιμότητας μετά το σχηματισμό, όπως η συγκόλληση. Αυτό το άρθρο θα εισαγάγει γνώσεις που σχετίζονται με τη συγκόλληση βιομηχανικών εξαρτημάτων από θερμοπλαστικά ανθρακονήματα, εστιάζοντας ιδιαίτερα στην επαγωγική συγκόλληση.
Εισαγωγή σε πέντε μεθόδους συγκόλλησης για θερμοπλαστικά σύνθετα υλικά από ίνες άνθρακα
Σε αντίθεση με τα θερμοσκληρυνόμενα σύνθετα υλικά, τα θερμοπλαστικά σύνθετα υλικά μπορούν ακόμα να λιώσουν μετά τη χύτευση. Η σύνδεση των θερμοπλαστικών εξαρτημάτων από ανθρακονήματα μπορεί να επιτευχθεί μέσω δευτερογενούς τήξης και άσκησης πίεσης, η οποία μπορεί να θεωρηθεί ως διαδικασία συγκόλλησης. Επί του παρόντος, οι κοινώς χρησιμοποιούμενες τεχνικές συγκόλλησης για θερμοπλαστικά σύνθετα ανθρακονήματα περιλαμβάνουν θερμό αέριο, αντίσταση, υπερήχους, επαγωγή και συγκόλληση με λέιζερ. Κάθε μέθοδος συγκόλλησης έχει τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά της και η επιλογή της μεθόδου πρέπει να βασίζεται σε διαφορετικά σενάρια και απαιτήσεις.
1.Συγκόλληση θερμού αερίου:
Περιγραφή: Η συγκόλληση με θερμό αέριο χρησιμοποιεί ένα ρεύμα θερμού αερίου (συνήθως αζώτου) για να λιώσει και να συντήξει τα θερμοπλαστικά υλικά στον σύνδεσμο.
Διαδικασία: Η επιφάνεια των υλικών θερμαίνεται με ζεστό αέριο και ασκείται πίεση για τη σύνδεση τους.
Φόντα: Υπάρχει ακριβής έλεγχος της θερμοκρασίας και της πίεσης, καθιστώντας το κατάλληλο για διάφορα θερμοπλαστικά σύνθετα υλικά.
Θεωρήσεις: Πρέπει να λαμβάνεται μέριμνα ώστε να αποφευχθεί η υπερθέρμανση και η καταστροφή των ανθρακονημάτων.
2.Συγκόλληση με αντίσταση:
Περιγραφή: Η συγκόλληση με αντίσταση περιλαμβάνει τη διέλευση ηλεκτρικού ρεύματος μέσω των υλικών, παράγοντας θερμότητα στον σύνδεσμο.
Διαδικασία: Δύο εξαρτήματα συμπιέζονται μεταξύ τους και το ρεύμα ρέει μέσω του συνδέσμου, προκαλώντας τοπική θέρμανση.
Φόντα: Η διαδικασία είναι γρήγορη, κατάλληλη για μεγάλες κατασκευές και μπορεί να αυτοματοποιηθεί.
Θεωρήσεις: Τα υλικά πρέπει να έχουν επαρκή αγωγιμότητα και υπάρχει κίνδυνος τοπικής υπερθέρμανσης.
3.Συγκόλληση με υπερήχους:
Περιγραφή: Η συγκόλληση με υπερήχους χρησιμοποιεί κραδασμούς υψηλής συχνότητας για τη δημιουργία θερμότητας στην άρθρωση, με αποτέλεσμα να λιώνει και να λιώνει τα θερμοπλαστικά υλικά.
Διαδικασία: Οι κραδασμοί υπερήχων εφαρμόζονται στη διεπαφή, προκαλώντας τοπική θέρμανση και συγκόλληση.
Φόντα: Η ταχύτητα επεξεργασίας είναι γρήγορη, καθιστώντας το κατάλληλο για μικρά και πολύπλοκα μέρη, με ελάχιστη θερμική επίδραση στις γύρω περιοχές.
Θεωρήσεις: Οι σωστές ρυθμίσεις συχνότητας και πλάτους είναι ζωτικής σημασίας και αυτή η μέθοδος μπορεί να μην είναι κατάλληλη για όλα τα θερμοπλαστικά σύνθετα υλικά.
4.Επαγωγική Συγκόλληση:
Περιγραφή: Η επαγωγική συγκόλληση χρησιμοποιεί ηλεκτρομαγνητική επαγωγή για τη θέρμανση των θερμοπλαστικών υλικών στον σύνδεσμο.
Διαδικασία: Ένα επαγωγικό πηνίο προκαλεί θερμότητα μέσα στα υλικά, δημιουργώντας μια τοπική ζώνη τήξης για συγκόλληση.
Φόντα: Υπάρχει ακριβής έλεγχος στη θέρμανση, καθιστώντας το κατάλληλο για μεγάλες κατασκευές με ελάχιστη επίδραση στις γύρω περιοχές.
Θεωρήσεις: Τα υλικά πρέπει να έχουν επαρκή αγωγιμότητα και αυτή η μέθοδος δεν είναι καθολική εφαρμογή.
5.Συγκόλληση με λέιζερ:
Περιγραφή: Η συγκόλληση με λέιζερ χρησιμοποιεί μια εξαιρετικά εστιασμένη δέσμη λέιζερ για τη θέρμανση και την τήξη των υλικών στον σύνδεσμο, σχηματίζοντας έναν δεσμό καθώς ψύχονται.
Διαδικασία: Η δέσμη λέιζερ κατευθύνεται στη διεπαφή, θερμαίνοντας γρήγορα το θερμοπλαστικό υλικό. Στη συνέχεια, τα εξαρτήματα συμπιέζονται μεταξύ τους, σχηματίζοντας μια συγκόλληση καθώς στερεοποιείται.
Φόντα: Η συγκόλληση με λέιζερ παρέχει υψηλή ακρίβεια και έλεγχο της θερμικής εισόδου, σχετικά γρήγορες ταχύτητες συγκόλλησης και είναι κατάλληλη για μαζική παραγωγή. Δημιουργεί ελάχιστες ζώνες που επηρεάζονται από τη θερμότητα, διατηρεί τις ιδιότητες του υλικού και ενέχει μικρότερο κίνδυνο μόλυνσης.
Θεωρήσεις: Πρέπει να δίνεται προσοχή κατά τη συγκόλληση με λέιζερ για να προστατεύεται η ίνα άνθρακα από υπερθέρμανση για να αποφευχθεί η ζημιά.
Η τεχνολογία ώριμης επαγωγής συγκόλλησης για θερμοπλαστικά ίνες άνθρακα ωφελεί την αεροδιαστημική βιομηχανία
Η τεχνολογία επαγωγικής συγκόλλησης είναι ιδιαίτερα κατάλληλη για τη σύνδεση θερμοπλαστικών σύνθετων δομών ενισχυμένων με ανθρακονήματα. Δεδομένου ότι οι ίνες άνθρακα είναι αγώγιμες και μπορούν να δημιουργήσουν δινορεύματα όταν υποβάλλονται σε εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο, δεν υπάρχει ανάγκη εισαγωγής πρόσθετων επαγωγικών υλικών κατά τη συγκόλληση θερμοπλαστικών σύνθετων ενισχυμένων με ίνες άνθρακα.
Καθώς η τεχνολογία κατασκευής των σύνθετων θερμοπλαστικών αεροδιαστημικών υλικών ωριμάζει και το κόστος παραγωγής μειώνεται, η εφαρμογή τους στην αεροδιαστημική κατασκευή θα αυξηθεί σημαντικά. Επιπλέον, η πολύπλοκη δομή των εξαρτημάτων της αεροδιαστημικής απαιτεί απλά μέρη να συναρμολογούνται σε ένα σύνολο μέσω τεχνολογιών σύνδεσης. Ως εκ τούτου, η ανάπτυξη τεχνολογιών συγκόλλησης για αεροδιαστημικά θερμοπλαστικά σύνθετα υλικά, συμπεριλαμβανομένης της επαγωγικής συγκόλλησης, έχει καταστεί επείγουσα ανάγκη στην προηγμένη έρευνα κατασκευής αεροσκαφών και θα παραμείνει μακροπρόθεσμη εργασία στο μέλλον.
Επί του παρόντος, η τεχνολογία επαγωγικής συγκόλλησης για θερμοπλαστικά ανθρακονήματα αντιμετωπίζει προκλήσεις όπως η χαμηλή ωριμότητα και το γεγονός ότι δεν έχει εισέλθει ακόμη στο πρωτότυπο της μηχανικής και στην πρακτική εφαρμογή του προϊόντος. Ωστόσο, η έρευνα για την επαγωγική συγκόλληση θερμοπλαστικών σύνθετων υλικών για πολιτικά αεροσκάφη βρίσκεται ακόμη στα αρχικά της στάδια στο εξωτερικό, με διάφορες βασικές τεχνολογίες να εκκρεμούν καινοτομίες. Το τεχνολογικό χάσμα μεταξύ των χωρών δεν είναι πολύ έντονο. Ως εκ τούτου, η Κίνα θα πρέπει να επιταχύνει τις προσπάθειες ανάπτυξης και εφαρμογής σε αυτόν τον τομέα για να μειώσει το χάσμα με ξένα προηγμένα υλικά και τεχνολογίες κατασκευής αεροσκαφών. Μόνο με την πραγματική κυριαρχία των βασικών τεχνολογιών μπορούμε να ωφελήσουμε την εγχώρια αεροδιαστημική βιομηχανία.
Πρόοδος έρευνας για την επαγωγική συγκόλληση θερμοπλαστικών σύνθετων υλικών CF/PPS στην Κίνα
Ορισμένες ερευνητικές ομάδες έχουν μελετήσει τις επιδράσεις της ισχύος και του χρόνου συγκόλλησης στην αντοχή διάτμησης του γύρου (LSS) χρησιμοποιώντας μια προσέγγιση σημειακής συγκόλλησης. Επίσης, διερεύνησαν τη σκοπιμότητα διαφορετικών εμφυτευμένων στρωμάτων για επαγωγική συγκόλληση θερμοπλαστικών σύνθετων CF/PPS. Η έρευνα διαπίστωσε ότι η υπερβολική ισχύς συγκόλλησης ή ο παρατεταμένος χρόνος συγκόλλησης θα μπορούσε να οδηγήσει σε υπερθέρμανση των δειγμάτων, με αποτέλεσμα χημικές αντιδράσεις όπως διασύνδεση, οξείδωση και υποβάθμιση της μήτρας της ρητίνης, που μειώνουν σημαντικά τις μηχανικές ιδιότητες των συγκολλημένων αρμών και ακόμη τις εσωτερικές ιδιότητες των σύνθετων υλικών.
1. Μέγιστα δεδομένα χρόνου για επαγωγική συγκόλληση σύνθετων υλικών CF/PPS
Τα πειραματικά αποτελέσματα υποδεικνύουν ότι όταν η σχετική ισχύς είναι εντός της περιοχής από 400 έως 800, το ενδιάμεσο στρώμα παρουσιάζει τον υψηλότερο ρυθμό αύξησης της θερμοκρασίας. Καθώς αυξάνεται η σχετική ισχύς, ο ρυθμός αύξησης της θερμοκρασίας γίνεται ταχύτερος και ο χρόνος καπνίσματος εμφανίζεται νωρίτερα. Όταν ο χρόνος συγκόλλησης υπερβεί μια ορισμένη τιμή, το κάπνισμα θα εμφανιστεί αναπόφευκτα στη μέση των πάνελ. Η εμφάνιση του καπνίσματος οφείλεται κυρίως στην αποικοδόμηση της ρητίνης ή στην εξάτμιση υπολειμματικών μικρών μορίων, τα οποία και τα δύο μπορούν να επηρεάσουν αρνητικά την ποιότητα συγκόλλησης και την απόδοση συγκόλλησης μεταξύ των δύο πλαισίων. Επομένως, είναι απαραίτητο να αποφευχθεί αυτή η κατάσταση.
2. Επιδράσεις της ισχύος και του χρόνου συγκόλλησης στη διατμητική αντοχή (LSS)
Η επαγωγική συγκόλληση πραγματοποιήθηκε σε δύο σύνθετα υλικά CF/PPS με τη χρήση μεθόδου συγκόλλησης σημείου, ακολουθούμενη από εφαρμογή πίεσης με κυλίνδρους μετά τη θέρμανση. Η προκύπτουσα αντοχή στη διάτμηση πέδιλου (LSS) δοκιμάστηκε. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι κατά τη διαδικασία επαγωγικής συγκόλλησης, λόγω του σχετικά μικρού χρόνου συγκόλλησης, η εκροή της ρητίνης δεν είναι σοβαρή, επιτρέποντας στην επιφάνεια συγκόλλησης να συγκρατήσει μια ορισμένη ποσότητα ρητίνης. Σε σχετική ισχύ 500, η τιμή της διατμητικής αντοχής (LSS) φτάνει στο μέγιστο σε χρόνο θέρμανσης 65 δευτερολέπτων, υποδεικνύοντας ότι ο χρόνος θέρμανσης δεν πρέπει να είναι ούτε πολύ μικρός ούτε πολύ μεγάλος.
3. Επίδραση του στρώματος εμφυτεύματος στην αντοχή διάτμησης (LSS)
Χρησιμοποιώντας δύο σύνθετα υλικά CF/PPS, μαζί με ένα προεμποτισμένο CF/PPS που έχει τις ίδιες προδιαγραφές (ίδιες πρώτες ύλες, μορφή υφάσματος, περιεκτικότητα σε όγκο ινών κ.λπ.) με τα σύνθετα, χρησιμοποιήθηκε ένα στρώμα εμφυτεύματος για συγκόλληση κηλίδων. Τα αποτελέσματα υποδεικνύουν ότι η προσθήκη του στρώματος εμφυτεύματος γενικά οδήγησε σε μείωση της διατμητικής αντοχής (LSS), η οποία μπορεί να αποδοθεί στο στρώμα εμφυτεύματος που περιορίζει την παραγωγή και την αγωγή θερμότητας. Ωστόσο, το μέγιστο LSS έφτασε τα 24,8 MPa.
