La tecnologia de soldadura per inducció dels compostos termoplàstics de fibra de carboni encara es troba en les primeres etapes.
La recessió econòmica mundial, juntament amb possibles canvis significatius en la situació internacional i la saturació de la demanda de fibra de carboni de gamma baixa, determina col·lectivament la contracció del mercat global de fibra de carboni. Tanmateix, aquest no és el resultat final. El rendiment de les fibres de carboni de gamma mitjana a alta segueix sent essencial per a indústries com ara l'aeroespacial, la medicina i la fabricació d'automòbils. A més, des d'una perspectiva ambiental, les perspectives d'aplicació dels compostos termoplàstics de fibra de carboni són força prometedores. La fibra de carboni termoplàstica es pot remodelar diverses vegades i el seu processament es pot controlar de manera intel·ligent. En el futur, els components industrials per a avions i naus espacials probablement ho faran servir com a material base.
Per aconseguir un millor rendiment dels components de fibra de carboni termoplàstic, a més de la producció personalitzada, també haurien de tenir característiques de processabilitat posterior a la formació, com ara la soldadura. Aquest article introduirà coneixements relacionats amb la soldadura de components industrials de fibra de carboni termoplàstic, especialment centrant-se en la soldadura per inducció.
Introducció als cinc mètodes de soldadura per a compostos termoplàstics de fibra de carboni
A diferència dels compostos termoestables, els compostos termoplàstics encara es poden fondre després de l'emmotllament. La connexió de peces de fibra de carboni termoplàstica es pot aconseguir mitjançant la fusió secundària i l'aplicació de pressió, que es pot considerar com un procés de soldadura. Actualment, les tècniques de soldadura més utilitzades per als compostos termoplàstics de fibra de carboni inclouen la soldadura de gas calent, resistència, ultrasònic, inducció i làser. Cada mètode de soldadura té els seus avantatges i desavantatges, i l'elecció del mètode s'ha de basar en diferents escenaris i requisits.
1. Soldadura de gas calent:
Descripció: La soldadura amb gas calent utilitza un corrent de gas calent (normalment nitrogen) per fondre i fusionar els materials termoplàstics a la junta.
Procés: La superfície dels materials s'escalfa amb gas calent i s'aplica pressió per connectar-los.
Avantatges: Hi ha un control precís de la temperatura i la pressió, el que el fa adequat per a diversos compostos termoplàstics.
Consideracions: Cal tenir cura d'evitar el sobreescalfament i danyar la fibra de carboni.
2. Soldadura per Resistència:
Descripció: La soldadura per resistència consisteix a fer passar un corrent elèctric pels materials, generant calor a la unió.
Procés: Es pressionen dos components junts i el corrent flueix per l'articulació, provocant un escalfament localitzat.
Avantatges: El procés és ràpid, adequat per a grans estructures i es pot automatitzar.
Consideracions: Els materials han de tenir una conductivitat suficient i hi ha risc de sobreescalfament localitzat.
3. Soldadura per ultrasons:
Descripció: La soldadura per ultrasons utilitza vibracions d'alta freqüència per generar calor a la junta, fonent i fusionant així els materials termoplàstics.
Procés: S'apliquen vibracions ultrasòniques a la interfície, provocant un escalfament i unió localitzats.
Avantatges: La velocitat de processament és ràpida, la qual cosa la fa apta per a peces petites i complexes, amb un impacte tèrmic mínim a les zones circumdants.
Consideracions: Els paràmetres adequats de freqüència i amplitud són crucials, i aquest mètode pot no ser adequat per a tots els compostos termoplàstics.
4. Soldadura per Inducció:
Descripció: La soldadura per inducció utilitza inducció electromagnètica per escalfar els materials termoplàstics a la unió.
Procés: Una bobina d'inducció indueix calor dins dels materials, creant una zona de fusió localitzada per a la soldadura.
Avantatges: Hi ha un control precís de la calefacció, la qual cosa la fa apta per a grans estructures amb un impacte mínim a les zones circumdants.
Consideracions: Els materials han de tenir suficient conductivitat, i aquest mètode no és d'aplicació universal.
5. Soldadura per làser:
Descripció: La soldadura làser empra un feix làser molt enfocat per escalfar i fondre els materials a la unió, formant un enllaç a mesura que es refreden.
Procés: El feix làser es dirigeix a la interfície, escalfant ràpidament el material termoplàstic. A continuació, els components es pressionen junts, formant una soldadura a mesura que es solidifica.
Avantatges: La soldadura làser proporciona una alta precisió i control sobre l'entrada tèrmica, velocitats de soldadura relativament ràpides i és adequada per a la producció en massa. Crea zones mínimes afectades per la calor, preserva les propietats del material i suposa un menor risc de contaminació.
Consideracions: Cal tenir cura durant la soldadura làser per protegir la fibra de carboni del sobreescalfament per evitar danys.
La tecnologia madura de soldadura per inducció per a fibra de carboni termoplàstica beneficia la indústria aeroespacial
La tecnologia de soldadura per inducció és especialment adequada per unir estructures compostes termoplàstiques reforçades amb fibra de carboni. Com que la fibra de carboni és conductora i pot generar corrents de Foucault quan se sotmet a un camp magnètic altern, no cal introduir materials d'inducció addicionals quan es solden compostos termoplàstics reforçats amb fibra de carboni.
A mesura que la tecnologia de fabricació de compostos termoplàstics aeroespacials madura i els costos de producció disminueixen, la seva aplicació en la fabricació aeroespacial augmentarà significativament. A més, la complexa estructura dels components aeroespacials requereix que les peces simples s'ajuntin en un tot mitjançant tecnologies de connexió. Per tant, el desenvolupament de tecnologies de soldadura per a compostos termoplàstics aeroespacials, inclosa la soldadura per inducció, s'ha convertit en una necessitat urgent en la investigació avançada de fabricació d'avions i seguirà sent una tasca a llarg termini en el futur.
Actualment, la tecnologia de soldadura per inducció per a la fibra de carboni termoplàstica s'enfronta a reptes com la baixa maduresa i el fet que encara no hagi entrat en les etapes de prototip d'enginyeria i d'aplicació pràctica del producte. Tanmateix, la investigació sobre la soldadura per inducció de compostos termoplàstics per a aeronaus civils encara es troba en les seves primeres etapes a l'estranger, amb diverses tecnologies clau pendents d'avenços. La bretxa tecnològica entre països no és gaire pronunciada. Per tant, la Xina hauria d'accelerar els esforços de desenvolupament i aplicació en aquesta àrea per escurçar la bretxa amb materials avançats estrangers i tecnologies de fabricació d'avions. Només dominant realment les tecnologies bàsiques podrem beneficiar la indústria aeroespacial nacional.
Progrés de la investigació sobre la soldadura per inducció de compostos termoplàstics CF/PPS a la Xina
Alguns equips d'investigació han estudiat els efectes de la potència i el temps de soldadura sobre la resistència al tall de solapa (LSS) mitjançant un enfocament de soldadura per punts. També van explorar la viabilitat de diferents capes implantades per a la soldadura per inducció de compostos termoplàstics CF/PPS. La investigació va trobar que una potència de soldadura excessiva o un temps de soldadura perllongat podrien provocar un sobreescalfament de les mostres, donant lloc a reaccions químiques com la reticulació, l'oxidació i la degradació de la matriu de resina, que redueixen significativament les propietats mecàniques de les juntes soldades i fins i tot. les propietats internes dels compostos.
1. Dades de temps màxim per a la soldadura per inducció de compostos CF/PPS
Els resultats experimentals indiquen que quan la potència relativa es troba dins del rang de 400 a 800, la capa intermèdia presenta la taxa més alta d'augment de temperatura. A mesura que augmenta la potència relativa, la velocitat d'augment de la temperatura es fa més ràpida i el temps de fumar es produeix abans. Quan el temps de soldadura supera un cert valor, inevitablement apareixerà fum al mig dels panells. L'aparició de fum es deu principalment a la degradació de la resina o a la volatilització de molècules petites residuals, que poden afectar negativament la qualitat de la soldadura i el rendiment d'unió entre els dos panells. Per tant, cal evitar aquesta situació.
2. Efectes de la potència i el temps de soldadura sobre la resistència a tall (LSS)
La soldadura per inducció es va realitzar en dos materials compostos CF/PPS mitjançant un mètode de soldadura per punts, seguit d'aplicar pressió amb corrons després de l'escalfament. Es va provar la resistència al cisallament de volta (LSS) resultant. Els resultats indiquen que durant el procés de soldadura per inducció, a causa del temps de soldadura relativament curt, la sortida de resina no és severa, cosa que permet que la superfície de soldadura conservi una certa quantitat de resina. A una potència relativa de 500, el valor de la resistència a tall (LSS) assoleix el seu màxim en un temps d'escalfament de 65 segons, cosa que indica que el temps d'escalfament no ha de ser ni massa curt ni massa llarg.
3. Efecte de la capa de l'implant sobre la resistència al cisallament (LSS)
Utilitzant dos materials compostos CF/PPS, juntament amb un preimpregnat CF/PPS que té les mateixes especificacions (mateixes matèries primeres, forma de teixit, contingut de volum de fibra, etc.) que els compostos, es va utilitzar una capa d'implant per a la soldadura per punts. Els resultats indiquen que l'addició de la capa d'implant generalment va provocar una disminució de la resistència al cisallament (LSS), que es pot atribuir a la capa de l'implant que restringeix la generació i conducció de calor; tanmateix, el LSS màxim encara va arribar als 24,8 MPa.
