Induktionssvejseteknologien til termoplastiske kulfiberkompositter er stadig i de tidlige stadier.
Den globale økonomiske afmatning, kombineret med potentielle betydelige ændringer i den internationale situation og mætning af efterspørgslen efter low-end kulfiber, bestemmer kollektivt sammentrækningen af det globale kulfibermarked. Dette er dog ikke det endelige resultat. Ydeevnen af mellem-til-high-end kulfibre er fortsat afgørende for industrier som luftfart, medicin og bilproduktion. Ud fra et miljømæssigt perspektiv er anvendelsesmulighederne for termoplastiske kulfiberkompositter desuden ret lovende. Termoplastisk kulfiber kan omformes flere gange, og dens behandling kan kontrolleres intelligent. I fremtiden vil industrielle komponenter til fly og rumfartøjer sandsynligvis bruge dette som deres basismateriale.
For at opnå bedre ydeevne fra termoplastiske kulfiberkomponenter bør de ud over specialfremstillet produktion også have funktioner til efterformning, såsom svejsning. Denne artikel vil introducere viden relateret til svejsning af termoplastiske kulfiber industrielle komponenter, især med fokus på induktionssvejsning.
Introduktion til fem svejsemetoder til termoplastiske kulfiberkompositter
I modsætning til termohærdende kompositter kan termoplastiske kompositter stadig smelte efter støbning. Forbindelsen af termoplastiske kulfiberdele kan opnås gennem sekundær smeltning og påføring af tryk, hvilket kan betragtes som en svejseproces. I øjeblikket omfatter almindeligt anvendte svejseteknikker til termoplastiske kulfiberkompositter varm gas, modstand, ultralyd, induktion og lasersvejsning. Hver svejsemetode har sine fordele og ulemper, og valget af metode bør baseres på forskellige scenarier og krav.
1.Varmgassvejsning:
Beskrivelse: Varmgassvejsning bruger en strøm af varm gas (normalt nitrogen) til at smelte og smelte de termoplastiske materialer ved samlingen.
Behandle: Materialernes overflade opvarmes med varm gas, og der påføres tryk for at forbinde dem.
Fordele: Der er præcis kontrol over temperatur og tryk, hvilket gør den velegnet til forskellige termoplastiske kompositter.
Overvejelser: Der skal udvises forsigtighed for at forhindre overophedning og beskadigelse af kulfiberen.
2. Modstandssvejsning:
Beskrivelse: Modstandssvejsning involverer at lede en elektrisk strøm gennem materialerne og generere varme ved samlingen.
Behandle: To komponenter presses sammen, og strømmen løber gennem samlingen, hvilket forårsager lokal opvarmning.
Fordele: Processen er hurtig, velegnet til store strukturer og kan automatiseres.
Overvejelser: Materialerne skal have tilstrækkelig ledningsevne, og der er risiko for lokal overophedning.
3.Ultralydsvejsning:
Beskrivelse: Ultralydssvejsning bruger højfrekvente vibrationer til at generere varme ved samlingen, hvorved de termoplastiske materialer smelter og smelter sammen.
Behandle: Ultralydsvibrationer påføres grænsefladen, hvilket forårsager lokal opvarmning og binding.
Fordele: Behandlingshastigheden er hurtig, hvilket gør den velegnet til små og komplekse dele, med minimal termisk påvirkning af de omkringliggende områder.
Overvejelser: Korrekte frekvens- og amplitudeindstillinger er afgørende, og denne metode er muligvis ikke egnet til alle termoplastiske kompositter.
4.Induktionssvejsning:
Beskrivelse: Induktionssvejsning bruger elektromagnetisk induktion til at opvarme de termoplastiske materialer ved samlingen.
Behandle: En induktionsspole inducerer varme i materialerne, hvilket skaber en lokaliseret smeltezone til svejsning.
Fordele: Der er præcis kontrol over opvarmningen, hvilket gør den velegnet til store konstruktioner med minimal påvirkning af omkringliggende områder.
Overvejelser: Materialerne skal have tilstrækkelig ledningsevne, og denne metode er ikke universelt anvendelig.
5.Lasersvejsning:
Beskrivelse: Lasersvejsning anvender en meget fokuseret laserstråle til at opvarme og smelte materialerne ved samlingen og danner en binding, når de afkøles.
Behandle: Laserstrålen rettes mod grænsefladen og opvarmer hurtigt det termoplastiske materiale. Komponenterne presses derefter sammen og danner en svejsning, efterhånden som den størkner.
Fordele: Lasersvejsning giver høj præcision og kontrol over termisk input, relativt høje svejsehastigheder og er velegnet til masseproduktion. Det skaber minimale varmepåvirkede zoner, bevarer materialeegenskaber og udgør en lavere risiko for kontaminering.
Overvejelser: Der skal udvises forsigtighed under lasersvejsning for at beskytte kulfiberen mod overophedning for at forhindre beskadigelse.
Moden induktionssvejseteknologi til termoplastisk kulfiber er til gavn for rumfartsindustrien
Induktionssvejseteknologi er særligt velegnet til sammenføjning af kulfiberforstærkede termoplastiske kompositstrukturer. Da kulfiber er ledende og kan generere hvirvelstrømme, når de udsættes for et vekslende magnetfelt, er der ikke behov for at indføre yderligere induktionsmaterialer ved svejsning af kulfiberforstærkede termoplastiske kompositter.
Efterhånden som fremstillingsteknologien for termoplastiske kompositmaterialer til rumfart modnes, og produktionsomkostningerne falder, vil deres anvendelse inden for rumfartsproduktion øges betydeligt. Derudover kræver den komplekse struktur af rumfartskomponenter, at enkle dele samles til en helhed gennem forbindelsesteknologier. Derfor er udvikling af svejseteknologier til rumfarts termoplastiske kompositter, herunder induktionssvejsning, blevet et presserende behov i avanceret flyproduktionsforskning, og det vil forblive en langsigtet opgave i fremtiden.
I øjeblikket står induktionssvejseteknologien til termoplastisk kulfiber over for udfordringer såsom lav modenhed og det faktum, at den endnu ikke er gået ind i den tekniske prototype og praktiske produktanvendelsesstadier. Forskningen i induktionssvejsning af termoplastiske kompositter til civile fly er dog stadig i sin tidlige fase i udlandet, hvor forskellige nøgleteknologier venter på gennembrud. Den teknologiske kløft mellem landene er ikke særlig udtalt. Derfor bør Kina fremskynde udviklings- og anvendelsesbestræbelserne på dette område for at forkorte afstanden til udenlandske avancerede materialer og produktionsteknologier til fly. Kun ved virkelig at mestre kerneteknologier kan vi gavne den indenlandske rumfartsindustri.
Forskningsfremskridt vedrørende induktionssvejsning af termoplastiske CF/PPS-kompositter i Kina
Nogle forskerhold har undersøgt virkningerne af svejsekraft og tid på lapforskydningsstyrken (LSS) ved hjælp af en punktsvejsemetode. De undersøgte også gennemførligheden af forskellige implanterede lag til induktionssvejsning af CF/PPS termoplastiske kompositter. Forskningen fandt, at overdreven svejsekraft eller forlænget svejsetid kunne føre til overophedning af prøverne, hvilket resulterer i kemiske reaktioner såsom tværbinding, oxidation og nedbrydning af harpiksmatricen, hvilket reducerer de mekaniske egenskaber af de svejste samlinger betydeligt og endda kompositternes indre egenskaber.
1. Maksimal tidsdata for induktionssvejsning af CF/PPS-kompositter
Eksperimentelle resultater indikerer, at når den relative effekt er inden for området fra 400 til 800, udviser det mellemliggende lag den højeste temperaturstigningshastighed. Når den relative effekt stiger, bliver temperaturstigningshastigheden hurtigere, og rygetiden indtræffer tidligere. Når svejsetiden overstiger en vis værdi, vil der uundgåeligt opstå rygning midt på panelerne. Forekomsten af rygning skyldes primært nedbrydningen af harpiksen eller fordampningen af resterende små molekyler, som begge kan påvirke svejsekvaliteten og bindingsevnen mellem de to paneler negativt. Derfor er det nødvendigt at undgå denne situation.
2. Effekter af svejsekraft og tid på forskydningsstyrke (LSS)
Induktionssvejsning blev udført på to CF/PPS kompositmaterialer ved hjælp af en punktsvejsemetode, efterfulgt af påføring af tryk med ruller efter opvarmning. Den resulterende lap shear styrke (LSS) blev testet. Resultaterne indikerer, at under induktionssvejseprocessen, på grund af den relativt korte svejsetid, er udstrømningen af harpiks ikke alvorlig, hvilket tillader svejseoverfladen at tilbageholde en vis mængde harpiks. Ved en relativ effekt på 500 når forskydningsstyrken (LSS) værdien sit maksimum ved en opvarmningstid på 65 sekunder, hvilket indikerer, at opvarmningstiden hverken bør være for kort eller for lang.
3. Effekt af implantatlag på forskydningsstyrke (LSS)
Ved at bruge to CF/PPS kompositmaterialer, sammen med en CF/PPS prepreg, der har samme specifikationer (samme råmaterialer, stofform, fibervolumenindhold osv.) som kompositterne, blev et implantatlag brugt til punktsvejsning. Resultaterne indikerer, at tilføjelsen af implantatlaget generelt førte til et fald i forskydningsstyrke (LSS), hvilket kan tilskrives implantatlaget, der begrænser varmeudvikling og ledning; dog nåede den maksimale LSS stadig 24,8 MPa.
