Технологија индукционог заваривања за термопластичне композите од угљеничних влакана је још увек у раној фази.
Глобална економска криза, заједно са потенцијалним значајним променама у међународној ситуацији и засићењем потражње за јефтиним угљеничним влакнима, заједно одређује контракцију глобалног тржишта угљеничних влакана. Међутим, ово није коначан исход. Перформансе угљеничних влакана средњег и високог квалитета остају од суштинског значаја за индустрије као што су ваздухопловство, медицинска и аутомобилска производња. Поред тога, из перспективе животне средине, изгледи за примену термопластичних композита од угљеничних влакана су прилично обећавајући. Термопластична карбонска влакна могу се више пута преобликовати, а њихова обрада се може интелигентно контролисати. У будућности, индустријске компоненте за авионе и свемирске летелице ће вероватно користити ово као свој основни материјал.
Да би се постигле боље перформансе од термопластичних компоненти од угљеничних влакана, поред производње по наруџби, требало би да поседују и карактеристике обрадивости након формирања, као што је заваривање. Овај чланак ће увести знања у вези са заваривањем термопластичних индустријских компоненти од угљеничних влакана, посебно фокусирајући се на индукционо заваривање.
Увод у пет метода заваривања термопластичних композита од угљеничних влакана
За разлику од термореактивних композита, термопластични композити се и даље могу растопити након обликовања. Спајање делова од термопластичних угљеничних влакана може се постићи секундарним топљењем и притиском, што се може сматрати процесом заваривања. Тренутно, најчешће коришћене технике заваривања за термопластичне композите од угљеничних влакана укључују заваривање на врући гас, отпорно, ултразвучно, индукционо и ласерско заваривање. Сваки метод заваривања има своје предности и мане, а избор методе треба да се заснива на различитим сценаријима и захтевима.
1.Заваривање на врући гас:
Опис: Заваривање врелим гасом користи струју врућег гаса (обично азота) да би се растопили и спојили термопластични материјали на споју.
Процес: Површина материјала се загрева врућим гасом и примењује се притисак да их повеже.
Предности: Постоји прецизна контрола температуре и притиска, што га чини погодним за различите термопластичне композите.
Разматрања: Мора се водити рачуна да се спречи прегревање и оштећење угљеничних влакана.
2. Отпорно заваривање:
Опис: Отпорно заваривање укључује пропуштање електричне струје кроз материјале, стварајући топлоту на споју.
Процес: Две компоненте су притиснуте једна уз другу, а струја тече кроз спој, изазивајући локализовано загревање.
Предности: Процес је брз, погодан за велике структуре и може се аутоматизовати.
Разматрања: Материјали морају имати довољну проводљивост и постоји опасност од локалног прегревања.
3.Ултразвучно заваривање:
Опис: Ултразвучно заваривање користи високофреквентне вибрације за стварање топлоте на споју, чиме се топи и спајају термопластични материјали.
Процес: Ултразвучне вибрације се примењују на интерфејс, изазивајући локализовано загревање и везивање.
Предности: Брзина обраде је велика, што га чини погодним за мале и сложене делове, са минималним топлотним утицајем на околна подручја.
Разматрања: Правилна подешавања фреквенције и амплитуде су пресудна, а овај метод можда није прикладан за све термопластичне композите.
4.Индукционо заваривање:
Опис: Индукционо заваривање користи електромагнетну индукцију за загревање термопластичних материјала на споју.
Процес: Индукциони калем индукује топлоту унутар материјала, стварајући локализовану зону топљења за заваривање.
Предности: Постоји прецизна контрола грејања, што га чини погодним за велике објекте са минималним утицајем на околна подручја.
Разматрања: Материјали морају имати довољну проводљивост, а овај метод није универзално применљив.
5.Ласерско заваривање:
Опис: Ласерско заваривање користи високо фокусирани ласерски зрак за загревање и топљење материјала на споју, формирајући везу док се хладе.
Процес: Ласерски зрак је усмерен на интерфејс, брзо загревајући термопластични материјал. Компоненте се затим стисну заједно, формирајући завар док се учвршћује.
Предности: Ласерско заваривање обезбеђује високу прецизност и контролу над термичким уносом, релативно велике брзине заваривања и погодно је за масовну производњу. Ствара минималне зоне захваћене топлотом, чува својства материјала и представља мањи ризик од контаминације.
Разматрања: Морате бити пажљиви током ласерског заваривања како бисте заштитили карбонска влакна од прегревања како бисте спречили оштећење.
Зрела технологија индукционог заваривања термопластичних угљеничних влакана користи ваздухопловној индустрији
Технологија индукционог заваривања је посебно погодна за спајање термопластичних композитних структура ојачаних угљеничним влакнима. Пошто су угљенична влакна проводљива и могу да генеришу вртложне струје када су изложена наизменичном магнетном пољу, нема потребе за увођењем додатних индукционих материјала приликом заваривања термопластичних композита ојачаних угљеничним влакнима.
Како технологија производње термопластичних композита за ваздухопловство сазрева и трошкови производње се смањују, њихова примена у ваздухопловној производњи ће се значајно повећати. Поред тога, сложена структура ваздухопловних компоненти захтева једноставне делове који се склапају у целину кроз технологије повезивања. Стога је развој технологија заваривања термопластичних композита у ваздухопловству, укључујући индукционо заваривање, постао хитна потреба у напредним истраживањима производње авиона, и то ће остати дугорочни задатак у будућности.
Тренутно, технологија индукционог заваривања термопластичних угљеничних влакана суочава се са изазовима као што су ниска зрелост и чињеница да још није ушла у фазе инжењерског прототипа и практичне примене производа. Међутим, истраживања о индукционом заваривању термопластичних композита за цивилне авионе су још увек у раној фази у иностранству, са различитим кључним технологијама које чекају напредак. Технолошки јаз међу земљама није много изражен. Стога би Кина требало да убрза развој и напоре примене у овој области како би скратила јаз са страним напредним материјалима и производним технологијама за авионе. Само истинским савладавањем основних технологија можемо користити домаћој ваздухопловној индустрији.
Напредак истраживања индукционог заваривања термопластичних ЦФ/ППС композита у Кини
Неки истраживачки тимови су проучавали ефекте снаге и времена заваривања на чврстоћу на смицање у кругу (ЛСС) користећи приступ тачкастом заваривању. Такође су истраживали изводљивост различитих имплантираних слојева за индукционо заваривање ЦФ/ППС термопластичних композита. Истраживање је показало да прекомерна снага заваривања или продужено време заваривања могу довести до прегревања узорака, што доводи до хемијских реакција као што су умрежавање, оксидација и деградација матрице смоле, што значајно смањује механичка својства заварених спојева, па чак и унутрашња својства композита.
1. Подаци о максималном времену за индукционо заваривање ЦФ/ППС композита
Експериментални резултати показују да када је релативна снага у опсегу од 400 до 800, средњи слој показује највећу стопу пораста температуре. Како се релативна снага повећава, брзина пораста температуре постаје бржа, а време пушења се јавља раније. Када време заваривања пређе одређену вредност, дим ће се неизбежно појавити у средини панела. Појава пушења је првенствено последица деградације смоле или испарења заосталих малих молекула, што може негативно утицати на квалитет заваривања и перформансе спајања између два панела. Због тога је неопходно избегавати ову ситуацију.
2. Утицај снаге и времена заваривања на чврстоћу на смицање (ЛСС)
Индукционо заваривање је изведено на два ЦФ/ППС композитна материјала методом тачкастог заваривања, након чега је уследио притисак са ваљцима након загревања. Тестирана је резултујућа чврстоћа на смицање у кругу (ЛСС). Резултати показују да током процеса индукционог заваривања, због релативно кратког времена заваривања, одлив смоле није јак, што омогућава да површина завара задржи одређену количину смоле. При релативној снази од 500, вредност отпорности на смицање (ЛСС) достиже свој максимум у времену загревања од 65 секунди, што указује да време загревања не би требало да буде ни прекратко ни предуго.
3. Утицај слоја имплантата на чврстоћу на смицање (ЛСС)
Користећи два ЦФ/ППС композитна материјала, заједно са ЦФ/ППС препрегом који има исте спецификације (исте сировине, облик тканине, садржај запремине влакана, итд.) као композити, слој имплантата је коришћен за тачкасто заваривање. Резултати показују да је додавање слоја имплантата генерално довело до смањења чврстоће на смицање (ЛСС), што се може приписати томе што слој имплантата ограничава стварање и проводљивост топлоте; међутим, максимални ЛСС је и даље достигао 24,8 МПа.
