فن آوری جوش القایی برای کامپوزیت های فیبر کربن ترموپلاستیک هنوز در مراحل اولیه است.

مقدمه ای بر پنج روش جوشکاری برای کامپوزیت های فیبر کربن ترموپلاستیک

برخلاف کامپوزیت های ترموپلاستیک، کامپوزیت های ترموپلاستیک همچنان می توانند پس از قالب گیری ذوب شوند. اتصال قطعات فیبر کربن ترموپلاستیک را می توان از طریق ذوب ثانویه و اعمال فشار حاصل کرد که می تواند به عنوان یک فرآیند جوشکاری در نظر گرفته شود. در حال حاضر، روش‌های جوشکاری متداول برای کامپوزیت‌های فیبر کربن گرمانرم شامل جوشکاری گاز داغ، مقاومتی، اولتراسونیک، القایی و لیزر است. هر روش جوشکاری مزایا و معایب خود را دارد و انتخاب روش باید بر اساس سناریوها و الزامات مختلف باشد.

1.جوشکاری با گاز داغ:

توضیحات: جوشکاری با گاز داغ از جریانی از گاز داغ (معمولاً نیتروژن) برای ذوب و ذوب مواد ترموپلاستیک در محل اتصال استفاده می کند.

فرآیند: سطح مواد با گاز داغ گرم می شود و برای اتصال آنها به یکدیگر فشار وارد می شود.

مزایا: کنترل دقیق دما و فشار وجود دارد که آن را برای انواع کامپوزیت های ترموپلاستیک مناسب می کند.

ملاحظات: برای جلوگیری از گرم شدن بیش از حد و آسیب رساندن به فیبر کربن باید مراقب بود.

2. جوشکاری مقاومتی:

توضیحات: جوشکاری مقاومتی شامل عبور جریان الکتریکی از مواد و تولید گرما در محل اتصال است.

فرآیند: دو جزء به هم فشرده می شوند و جریان از محل اتصال می گذرد و باعث گرم شدن موضعی می شود.

مزایا: این فرآیند سریع است، برای سازه های بزرگ مناسب است و می تواند خودکار باشد.

ملاحظات: مواد باید دارای رسانایی کافی باشند و خطر گرم شدن بیش از حد موضعی وجود دارد.

3. جوشکاری اولتراسونیک:

توضیحات: در جوشکاری اولتراسونیک از ارتعاشات با فرکانس بالا برای تولید گرما در محل اتصال استفاده می شود و در نتیجه مواد ترموپلاستیک ذوب و ذوب می شوند.

فرآیند: ارتعاشات اولتراسونیک به رابط اعمال می شود و باعث گرم شدن و اتصال موضعی می شود.

مزایا: سرعت پردازش سریع است و آن را برای قطعات کوچک و پیچیده با حداقل تاثیر حرارتی در مناطق اطراف مناسب می کند.

ملاحظات: تنظیمات فرکانس و دامنه مناسب بسیار مهم است و این روش ممکن است برای همه کامپوزیت های ترموپلاستیک مناسب نباشد.

4. جوش القایی:

توضیحات: در جوش القایی از القای الکترومغناطیسی برای گرم کردن مواد ترموپلاستیک در محل اتصال استفاده می شود.

فرآیند: یک سیم پیچ القایی حرارت را در مواد القا می کند و یک منطقه ذوب موضعی برای جوش ایجاد می کند.

مزایا: کنترل دقیقی بر گرمایش وجود دارد که آن را برای سازه های بزرگ با کمترین تأثیر بر مناطق اطراف مناسب می کند.

ملاحظات: مواد باید دارای رسانایی کافی باشند و این روش به طور کلی قابل اجرا نیست.

5. جوشکاری لیزری:

توضیحات: جوشکاری لیزری از یک پرتو لیزر بسیار متمرکز برای گرم کردن و ذوب شدن مواد در محل اتصال استفاده می کند و در هنگام سرد شدن یک پیوند ایجاد می کند.

فرآیند: پرتو لیزر به سطح مشترک هدایت می شود و به سرعت مواد ترموپلاستیک را گرم می کند. سپس اجزاء به هم فشرده می شوند و در حین انجماد جوشی تشکیل می شود.

مزایا: جوش لیزری دقت و کنترل بالایی بر ورودی حرارتی، سرعت جوشکاری نسبتاً سریع ارائه می دهد و برای تولید انبوه مناسب است. حداقل مناطق متاثر از گرما را ایجاد می کند، خواص مواد را حفظ می کند و خطر آلودگی کمتری دارد.

ملاحظات: در هنگام جوشکاری لیزری باید مراقب بود تا فیبر کربن از گرم شدن بیش از حد محافظت شود تا از آسیب جلوگیری شود.

فناوری جوش القایی بالغ برای فیبر کربن ترموپلاستیک برای صنعت هوافضا مفید است

فناوری جوش القایی به ویژه برای اتصال ساختارهای مرکب ترموپلاستیک تقویت شده با فیبر کربن مناسب است. از آنجایی که فیبر کربن رسانا است و می تواند جریان های گردابی را هنگام قرار گرفتن در معرض یک میدان مغناطیسی متناوب ایجاد کند، نیازی به معرفی مواد القایی اضافی در هنگام جوشکاری کامپوزیت های گرمانرم تقویت شده با فیبر کربن نیست.

همانطور که تکنولوژی ساخت کامپوزیت های ترموپلاستیک هوافضا بالغ می شود و هزینه های تولید کاهش می یابد، کاربرد آنها در ساخت هوافضا به طور قابل توجهی افزایش می یابد. علاوه بر این، ساختار پیچیده اجزای هوافضا مستلزم مونتاژ قطعات ساده در یک کل از طریق فناوری های اتصال است. بنابراین، توسعه فن‌آوری‌های جوشکاری برای کامپوزیت‌های ترموپلاستیک هوافضا، از جمله جوشکاری القایی، به یک نیاز فوری در تحقیقات پیشرفته ساخت هواپیما تبدیل شده است و در آینده نیز به عنوان یک وظیفه طولانی مدت باقی خواهد ماند.

در حال حاضر، فناوری جوش القایی برای فیبر کربن ترموپلاستیک با چالش هایی مانند بلوغ کم و این واقعیت که هنوز وارد نمونه اولیه مهندسی و مراحل کاربرد محصول عملی نشده است، مواجه است. با این حال، تحقیقات در مورد جوشکاری القایی کامپوزیت های ترموپلاستیک برای هواپیماهای غیرنظامی هنوز در مراحل اولیه خود در خارج از کشور است و فناوری های کلیدی مختلفی در انتظار پیشرفت هستند. شکاف تکنولوژیک در بین کشورها چندان مشهود نیست. بنابراین، چین باید توسعه و تلاش‌های کاربردی در این زمینه را برای کاهش فاصله با مواد پیشرفته خارجی و فناوری‌های ساخت هواپیما سرعت بخشد. تنها با تسلط واقعی بر فناوری های اصلی می توانیم به صنعت هوافضای داخلی سود ببریم.

پیشرفت تحقیق در مورد جوش القایی کامپوزیت های CF/PPS ترموپلاستیک در چین

برخی از تیم های تحقیقاتی با استفاده از روش جوشکاری نقطه ای اثرات قدرت و زمان جوش را بر مقاومت برشی لبه (LSS) مورد مطالعه قرار داده اند. آنها همچنین امکان سنجی لایه های کاشته شده مختلف برای جوشکاری القایی کامپوزیت های ترموپلاستیک CF/PPS را بررسی کردند. این تحقیق نشان داد که قدرت جوش بیش از حد یا زمان جوش طولانی می تواند منجر به گرم شدن بیش از حد نمونه ها شود که منجر به واکنش های شیمیایی مانند اتصال عرضی، اکسیداسیون و تخریب ماتریس رزین می شود که به طور قابل توجهی خواص مکانیکی اتصالات جوش داده شده را کاهش می دهد و حتی خواص داخلی کامپوزیت ها

1. داده های حداکثر زمان برای جوش القایی کامپوزیت های CF/PPS

نتایج تجربی نشان می دهد که وقتی توان نسبی در محدوده 400 تا 800 باشد، لایه میانی بالاترین نرخ افزایش دما را نشان می دهد. با افزایش توان نسبی، سرعت افزایش دما سریعتر می شود و زمان کشیدن سیگار زودتر اتفاق می افتد. هنگامی که زمان جوش از مقدار مشخصی فراتر رود، به ناچار دود کردن در وسط پانل ها ظاهر می شود. وقوع سیگار در درجه اول به دلیل تخریب رزین یا تبخیر شدن مولکول های کوچک باقی مانده است که هر دو می توانند بر کیفیت جوش و عملکرد اتصال بین دو پانل تأثیر منفی بگذارند. بنابراین، اجتناب از این وضعیت ضروری است.

2. اثرات قدرت و زمان جوش بر مقاومت برشی (LSS)

جوشکاری القایی بر روی دو ماده کامپوزیت CF/PPS با استفاده از روش جوش نقطه ای و سپس اعمال فشار با غلتک پس از حرارت دادن انجام شد. استحکام برشی دامان حاصل (LSS) مورد آزمایش قرار گرفت. نتایج نشان می‌دهد که در طول فرآیند جوش القایی، به دلیل زمان نسبتاً کوتاه جوش، خروج رزین شدید نیست و به سطح جوش اجازه می‌دهد مقدار مشخصی رزین را حفظ کند. در توان نسبی 500، مقدار مقاومت برشی (LSS) در زمان گرمایش 65 ثانیه به حداکثر خود می رسد، که نشان می دهد زمان گرمایش نه باید خیلی کوتاه و نه خیلی طولانی باشد.

3. اثر لایه ایمپلنت بر مقاومت برشی (LSS)

با استفاده از دو ماده کامپوزیت CF/PPS به همراه یک پیش آغشته CF/PPS که دارای مشخصات مشابه (مواد اولیه، فرم پارچه، حجم الیاف و غیره) با کامپوزیت ها است، از یک لایه ایمپلنت برای جوشکاری نقطه ای استفاده شد. نتایج نشان می‌دهد که افزودن لایه ایمپلنت به طور کلی منجر به کاهش مقاومت برشی (LSS) می‌شود، که ممکن است به لایه کاشت نسبت داده شود که تولید و هدایت گرما را محدود می‌کند. با این حال، حداکثر LSS هنوز به 24.8 مگاپاسکال رسیده است.