Tehnologija indukcijskog zavarivanja za termoplastične kompozite od karbonskih vlakana je još uvijek u ranoj fazi.
Globalna ekonomska kriza, zajedno sa potencijalnim značajnim promjenama u međunarodnoj situaciji i zasićenjem potražnje za jeftinim karbonskim vlaknima, zajedno determiniše kontrakciju globalnog tržišta karbonskih vlakana. Međutim, ovo nije konačan ishod. Performanse karbonskih vlakana srednjeg i visokog kvaliteta i dalje su od suštinskog značaja za industrije kao što su vazduhoplovstvo, medicinska i automobilska proizvodnja. Osim toga, iz ekološke perspektive, izgledi za primjenu termoplastičnih kompozita od karbonskih vlakana su prilično obećavajući. Termoplastična karbonska vlakna mogu se više puta preoblikovati, a njihova se obrada može inteligentno kontrolirati. U budućnosti će to vjerovatno koristiti industrijske komponente za avione i svemirske letjelice kao svoj osnovni materijal.
Da bi se postigle bolje performanse od termoplastičnih komponenti od karbonskih vlakana, osim proizvodnje po narudžbi, one bi također trebale posjedovati karakteristike obradivosti nakon oblikovanja, kao što je zavarivanje. Ovaj članak će uvesti znanja vezana za zavarivanje industrijskih komponenti od termoplastičnih karbonskih vlakana, s posebnim fokusom na indukcijsko zavarivanje.
Uvod u pet metoda zavarivanja termoplastičnih kompozita od karbonskih vlakana
Za razliku od termoreaktivnih kompozita, termoplastični kompoziti se i dalje mogu topiti nakon oblikovanja. Spajanje termoplastičnih dijelova od karbonskih vlakana može se postići sekundarnim topljenjem i primjenom pritiska, što se može smatrati postupkom zavarivanja. Trenutno, najčešće korištene tehnike zavarivanja za termoplastične kompozite od karbonskih vlakana uključuju zavarivanje na vrući plin, otporno, ultrazvučno, indukcijsko i lasersko zavarivanje. Svaki način zavarivanja ima svoje prednosti i nedostatke, a izbor metode treba da se zasniva na različitim scenarijima i zahtjevima.
1.Zavarivanje na vrući plin:
Opis: Zavarivanje vrućim plinom koristi mlaz vrućeg plina (obično dušika) za topljenje i spajanje termoplastičnih materijala na spoju.
Proces: Površina materijala se zagrijava vrućim plinom i primjenjuje se pritisak da ih poveže.
Prednosti: Postoji precizna kontrola temperature i pritiska, što ga čini pogodnim za različite termoplastične kompozite.
Razmatranja: Mora se paziti da se spriječi pregrijavanje i oštećenje karbonskih vlakana.
2. Otporno zavarivanje:
Opis: Otporno zavarivanje uključuje propuštanje električne struje kroz materijale, stvarajući toplinu na spoju.
Proces: Dvije komponente su pritisnute jedna uz drugu, a struja teče kroz spoj, uzrokujući lokalizirano zagrijavanje.
Prednosti: Proces je brz, pogodan za velike strukture i može se automatizirati.
Razmatranja: Materijali moraju imati dovoljnu provodljivost i postoji opasnost od lokalnog pregrijavanja.
3. Ultrazvučno zavarivanje:
Opis: Ultrazvučno zavarivanje koristi visokofrekventne vibracije za stvaranje topline na spoju, čime se topi i spajaju termoplastični materijali.
Proces: Ultrazvučne vibracije se primjenjuju na sučelje, uzrokujući lokalizirano zagrijavanje i spajanje.
Prednosti: Brzina obrade je velika, što ga čini pogodnim za male i složene dijelove, sa minimalnim toplinskim utjecajem na okolna područja.
Razmatranja: Pravilne postavke frekvencije i amplitude su ključne, a ova metoda možda nije prikladna za sve termoplastične kompozite.
4.Indukcijsko zavarivanje:
Opis: Indukcijsko zavarivanje koristi elektromagnetnu indukciju za zagrijavanje termoplastičnih materijala na spoju.
Proces: Indukcijska zavojnica inducira toplinu unutar materijala, stvarajući lokaliziranu zonu topljenja za zavarivanje.
Prednosti: Postoji precizna kontrola grijanja, što ga čini pogodnim za velike objekte s minimalnim utjecajem na okolna područja.
Razmatranja: Materijali moraju imati dovoljnu provodljivost, a ova metoda nije univerzalno primjenjiva.
5.Lasersko zavarivanje:
Opis: Lasersko zavarivanje koristi visoko fokusirani laserski snop za zagrijavanje i topljenje materijala na spoju, formirajući vezu dok se hlade.
Proces: Laserski snop je usmjeren na sučelje, brzo zagrijavajući termoplastični materijal. Komponente se zatim stisnu zajedno, formirajući zavar dok se skrući.
Prednosti: Lasersko zavarivanje pruža visoku preciznost i kontrolu nad termičkim unosom, relativno velike brzine zavarivanja i pogodno je za masovnu proizvodnju. Stvara minimalne zone pogođene toplinom, čuva svojstva materijala i predstavlja manji rizik od kontaminacije.
Razmatranja: Morate biti pažljivi tokom laserskog zavarivanja kako biste zaštitili karbonska vlakna od pregrijavanja kako biste spriječili oštećenje.
Zrela tehnologija indukcijskog zavarivanja termoplastičnih ugljičnih vlakana koristi avio industriji
Tehnologija indukcijskog zavarivanja je posebno pogodna za spajanje termoplastičnih kompozitnih struktura ojačanih karbonskim vlaknima. Budući da su karbonska vlakna provodljiva i mogu stvarati vrtložne struje kada su izložena naizmjeničnom magnetskom polju, nema potrebe za uvođenjem dodatnih indukcijskih materijala prilikom zavarivanja termoplastičnih kompozita ojačanih karbonskim vlaknima.
Kako tehnologija proizvodnje termoplastičnih kompozita za vazduhoplovstvo sazrijeva i troškovi proizvodnje se smanjuju, njihova primjena u zrakoplovnoj proizvodnji značajno će se povećati. Pored toga, složena struktura vazduhoplovnih komponenti zahteva jednostavne delove koji se sastavljaju u celinu kroz tehnologije povezivanja. Stoga je razvoj tehnologija zavarivanja termoplastičnih kompozita u vazduhoplovstvu, uključujući indukcijsko zavarivanje, postao hitna potreba u naprednim istraživanjima proizvodnje aviona, i to će ostati dugoročan zadatak u budućnosti.
Trenutno, tehnologija indukcijskog zavarivanja termoplastičnih karbonskih vlakana suočava se s izazovima kao što su niska zrelost i činjenica da još nije ušla u inženjerski prototip i faze praktične primjene proizvoda. Međutim, istraživanja o indukcijskom zavarivanju termoplastičnih kompozita za civilne avione su još uvijek u ranoj fazi u inostranstvu, s različitim ključnim tehnologijama koje čekaju napredak. Tehnološki jaz među zemljama nije jako izražen. Stoga bi Kina trebala ubrzati razvoj i napore primjene u ovoj oblasti kako bi skratila jaz sa stranim naprednim materijalima i proizvodnim tehnologijama za avione. Samo istinskim savladavanjem osnovnih tehnologija možemo koristiti domaćoj avio-industriji.
Napredak istraživanja indukcijskog zavarivanja termoplastičnih CF/PPS kompozita u Kini
Neki istraživački timovi proučavali su efekte snage i vremena zavarivanja na otpornost na smicanje u krugu (LSS) koristeći pristup točkastom zavarivanju. Također su istražili izvodljivost različitih implantiranih slojeva za indukcijsko zavarivanje CF/PPS termoplastičnih kompozita. Istraživanje je pokazalo da prekomjerna snaga zavarivanja ili produženo vrijeme zavarivanja mogu dovesti do pregrijavanja uzoraka, što rezultira kemijskim reakcijama poput umrežavanja, oksidacije i degradacije matrice smole, što značajno smanjuje mehanička svojstva zavarenih spojeva, pa čak i unutrašnja svojstva kompozita.
1. Podaci o maksimalnom vremenu za indukcijsko zavarivanje CF/PPS kompozita
Eksperimentalni rezultati pokazuju da kada je relativna snaga u rasponu od 400 do 800, međusloj pokazuje najveću stopu porasta temperature. Kako se relativna snaga povećava, brzina porasta temperature postaje brža, a vrijeme pušenja nastupa ranije. Kada vrijeme zavarivanja prijeđe određenu vrijednost, dim će se neizbježno pojaviti u sredini panela. Pojava dimljenja prvenstveno je posljedica razgradnje smole ili isparavanja zaostalih malih molekula, što oboje može negativno utjecati na kvalitetu zavarivanja i performanse spajanja između dva panela. Stoga je neophodno izbjeći ovu situaciju.
2. Utjecaj snage i vremena zavarivanja na posmičnu čvrstoću (LSS)
Indukcijsko zavarivanje izvedeno je na dva kompozitna materijala CF/PPS metodom točkastog zavarivanja, nakon čega je nakon zagrijavanja uslijedio pritisak valjcima. Rezultirajuća čvrstoća na smicanje u krugu (LSS) je testirana. Rezultati pokazuju da tokom procesa indukcijskog zavarivanja, zbog relativno kratkog vremena zavarivanja, otjecanje smole nije jako, što omogućava da površina zavara zadrži određenu količinu smole. Pri relativnoj snazi od 500, vrijednost posmične čvrstoće (LSS) dostiže svoj maksimum u vremenu zagrijavanja od 65 sekundi, što ukazuje da vrijeme zagrijavanja ne smije biti ni prekratko ni predugo.
3. Utjecaj sloja implantata na čvrstoću na smicanje (LSS)
Koristeći dva CF/PPS kompozitna materijala, zajedno sa CF/PPS prepregom koji ima iste specifikacije (iste sirovine, oblik tkanine, sadržaj volumena vlakana, itd.) kao kompoziti, sloj implantata je korišten za točkasto zavarivanje. Rezultati pokazuju da je dodavanje sloja implantata generalno dovelo do smanjenja otpornosti na smicanje (LSS), što se može pripisati sloju implantata koji ograničava stvaranje i provođenje topline; međutim, maksimalni LSS je i dalje dostigao 24,8 MPa.
