Technologie indukčního svařování pro kompozity z termoplastických uhlíkových vláken je stále v rané fázi.
Celosvětový hospodářský pokles spojený s potenciálními významnými změnami v mezinárodní situaci a nasycením poptávky po uhlíkových vláknech nižší třídy společně určuje kontrakci světového trhu s uhlíkovými vlákny. To však není konečný výsledek. Výkon uhlíkových vláken střední až vyšší třídy zůstává zásadní pro průmyslová odvětví, jako je letecký, lékařský a automobilový průmysl. Navíc z hlediska životního prostředí jsou vyhlídky použití termoplastických kompozitů z uhlíkových vláken docela slibné. Termoplastické uhlíkové vlákno lze několikrát přetvářet a jeho zpracování lze inteligentně řídit. V budoucnu to budou průmyslové komponenty pro letadla a kosmické lodě pravděpodobně používat jako svůj základní materiál.
Pro dosažení lepšího výkonu komponent z termoplastických uhlíkových vláken by kromě zakázkové výroby měly mít také vlastnosti zpracovatelnosti po tvarování, jako je svařování. Tento článek představí poznatky související se svařováním průmyslových komponentů z termoplastických uhlíkových vláken, zejména se zaměřením na indukční svařování.
Úvod do pěti metod svařování termoplastických kompozitů z uhlíkových vláken
Na rozdíl od termosetových kompozitů se termoplastické kompozity mohou po lisování roztavit. Spojení dílů z termoplastických uhlíkových vláken lze dosáhnout sekundárním tavením a působením tlaku, což lze považovat za proces svařování. V současnosti běžně používané svařovací techniky pro termoplastické kompozity z uhlíkových vláken zahrnují svařování horkým plynem, odporové, ultrazvukové, indukční a laserové svařování. Každá metoda svařování má své výhody a nevýhody a výběr metody by měl vycházet z různých scénářů a požadavků.
1. Svařování horkým plynem:
Popis: Svařování horkým plynem využívá proud horkého plynu (obvykle dusíku) k roztavení a roztavení termoplastických materiálů ve spoji.
Proces: Povrch materiálů je ohříván horkým plynem a k jejich spojení je aplikován tlak.
Výhody: Existuje přesné řízení teploty a tlaku, díky čemuž je vhodný pro různé termoplastické kompozity.
Úvahy: Je třeba dbát na to, aby nedošlo k přehřátí a poškození uhlíkových vláken.
2.Odporové svařování:
Popis: Odporové svařování zahrnuje průchod elektrického proudu skrz materiály, generující teplo ve spoji.
Proces: Dvě součásti jsou stlačeny k sobě a proud protéká spojem, což způsobuje lokální zahřívání.
Výhody: Proces je rychlý, vhodný pro velké stavby a lze jej automatizovat.
Úvahy: Materiály musí mít dostatečnou vodivost a existuje riziko místního přehřátí.
3.Ultrazvukové svařování:
Popis: Ultrazvukové svařování využívá vysokofrekvenční vibrace k vytváření tepla ve spoji, čímž dochází k tavení a tavení termoplastických materiálů.
Proces: Na rozhraní působí ultrazvukové vibrace, které způsobují lokální zahřívání a lepení.
Výhody: Rychlost zpracování je vysoká, takže je vhodná pro malé a složité díly s minimálním tepelným dopadem na okolní oblasti.
Úvahy: Správné nastavení frekvence a amplitudy je zásadní a tato metoda nemusí být vhodná pro všechny termoplastické kompozity.
4. Indukční svařování:
Popis: Indukční svařování využívá elektromagnetickou indukci k ohřevu termoplastických materiálů ve spoji.
Proces: Indukční cívka indukuje teplo v materiálech a vytváří lokalizovanou zónu tavení pro svařování.
Výhody: Existuje přesné řízení vytápění, takže je vhodné pro velké stavby s minimálním dopadem na okolní plochy.
Úvahy: Materiály musí mít dostatečnou vodivost a tato metoda není univerzálně použitelná.
5. Laserové svařování:
Popis: Laserové svařování využívá vysoce zaostřený laserový paprsek k ohřevu a tavení materiálů ve spoji, čímž se při jejich ochlazování vytvoří spoj.
Proces: Laserový paprsek je nasměrován na rozhraní a rychle zahřívá termoplastický materiál. Komponenty jsou poté stlačeny k sobě a při tuhnutí vytvoří svar.
Výhody: Laserové svařování poskytuje vysokou přesnost a kontrolu nad tepelným příkonem, relativně vysokou rychlost svařování a je vhodné pro hromadnou výrobu. Vytváří minimální tepelně ovlivněné zóny, zachovává vlastnosti materiálu a představuje nižší riziko kontaminace.
Úvahy: Při laserovém svařování je třeba dbát na ochranu uhlíkového vlákna před přehřátím, aby nedošlo k poškození.
Vyspělá technologie indukčního svařování termoplastických uhlíkových vláken je přínosem pro letecký průmysl
Technologie indukčního svařování je zvláště vhodná pro spojování termoplastických kompozitních struktur vyztužených uhlíkovými vlákny. Protože uhlíkové vlákno je vodivé a může generovat vířivé proudy, když je vystaveno střídavému magnetickému poli, není potřeba zavádět další indukční materiály při svařování termoplastických kompozitů vyztužených uhlíkovými vlákny.
Jak výrobní technologie pro letecké termoplastické kompozity dozrává a výrobní náklady klesají, jejich aplikace v letecké výrobě se výrazně zvýší. Složitá struktura leteckých součástí navíc vyžaduje, aby byly jednoduché části sestaveny do celku pomocí spojovacích technologií. Proto se vývoj svařovacích technologií pro letecké termoplastické kompozity, včetně indukčního svařování, stal naléhavou potřebou v pokročilém výzkumu výroby letadel a v budoucnu zůstane dlouhodobým úkolem.
V současné době technologie indukčního svařování termoplastických uhlíkových vláken čelí výzvám, jako je nízká zralost a skutečnost, že ještě nevstoupila do fáze technického prototypu a praktické aplikace produktu. Výzkum indukčního svařování termoplastických kompozitů pro civilní letadla je však v zahraničí stále v rané fázi, přičemž různé klíčové technologie čekají na průlom. Technologická propast mezi zeměmi není příliš výrazná. Čína by proto měla urychlit vývoj a aplikační úsilí v této oblasti, aby zkrátila propast se zahraničními vyspělými materiály a výrobními technologiemi pro letadla. Pouze skutečným zvládnutím základních technologií můžeme mít prospěch pro domácí letecký průmysl.
Pokrok ve výzkumu indukčního svařování termoplastických CF/PPS kompozitů v Číně
Některé výzkumné týmy studovaly účinky svařovacího výkonu a času na pevnost ve smyku (LSS) pomocí přístupu bodového svařování. Také zkoumali proveditelnost různých implantovaných vrstev pro indukční svařování termoplastických kompozitů CF/PPS. Výzkum zjistil, že nadměrný svařovací výkon nebo prodloužená doba svařování může vést k přehřátí vzorků, což má za následek chemické reakce, jako je zesítění, oxidace a degradace pryskyřičné matrice, což výrazně snižuje mechanické vlastnosti svarových spojů a dokonce i vnitřní vlastnosti kompozitů.
1. Maximální časové údaje pro indukční svařování CF/PPS kompozitů
Experimentální výsledky ukazují, že když je relativní síla v rozmezí 400 až 800, mezivrstva vykazuje nejvyšší rychlost nárůstu teploty. Jak se relativní výkon zvyšuje, rychlost nárůstu teploty se zrychluje a doba uzení nastává dříve. Když doba svařování překročí určitou hodnotu, uprostřed panelů se nevyhnutelně objeví kouř. Výskyt kouření je primárně způsoben degradací pryskyřice nebo těkáním zbytkových malých molekul, které mohou nepříznivě ovlivnit kvalitu svařování a lepicí výkon mezi dvěma panely. Proto je nutné se této situaci vyvarovat.
2. Účinky svařovacího výkonu a času na pevnost ve smyku (LSS)
Indukční svařování bylo provedeno na dvou kompozitních materiálech CF/PPS metodou bodového svařování, po zahřátí následoval tlak válečků. Byla testována výsledná pevnost ve smyku přesahu (LSS). Výsledky naznačují, že během procesu indukčního svařování v důsledku relativně krátké doby svařování není výtok pryskyřice silný, což umožňuje, aby povrch svaru zadržel určité množství pryskyřice. Při relativní síle 500 dosáhne hodnota pevnosti ve smyku (LSS) svého maxima při době ohřevu 65 sekund, což znamená, že doba ohřevu by neměla být ani příliš krátká, ani příliš dlouhá.
3. Vliv vrstvy implantátu na pevnost ve smyku (LSS)
Při použití dvou kompozitních materiálů CF/PPS spolu s předimpregnovaným laminátem CF/PPS, který má stejné specifikace (stejné suroviny, tvar tkaniny, objem vláken atd.) jako kompozity, byla pro bodové svařování použita vrstva implantátu. Výsledky naznačují, že přidání vrstvy implantátu obecně vedlo ke snížení pevnosti ve smyku (LSS), což lze připsat vrstvě implantátu omezující tvorbu a vedení tepla; maximální LSS však stále dosahovalo 24,8 MPa.
