La tecnología de soldadura por inducción para compuestos termoplásticos de fibra de carbono aún se encuentra en sus primeras etapas.
La recesión económica mundial, junto con posibles cambios significativos en la situación internacional y la saturación de la demanda de fibra de carbono de baja gama, determinan colectivamente la contracción del mercado mundial de fibra de carbono. Sin embargo, este no es el resultado final. El rendimiento de las fibras de carbono de gama media a alta sigue siendo esencial para industrias como la aeroespacial, médica y de fabricación de automóviles. Además, desde una perspectiva medioambiental, las perspectivas de aplicación de los compuestos termoplásticos de fibra de carbono son bastante prometedoras. La fibra de carbono termoplástica se puede remodelar varias veces y su procesamiento se puede controlar de forma inteligente. En el futuro, es probable que los componentes industriales de aviones y naves espaciales utilicen este material como material base.
Para lograr un mejor rendimiento de los componentes termoplásticos de fibra de carbono, además de la producción personalizada, también deben poseer características de procesabilidad postformado, como la soldadura. Este artículo presentará conocimientos relacionados con la soldadura de componentes industriales de fibra de carbono termoplástica, centrándose particularmente en la soldadura por inducción.
Introducción a cinco métodos de soldadura para compuestos termoplásticos de fibra de carbono
A diferencia de los compuestos termoestables, los compuestos termoplásticos aún pueden fundirse después del moldeo. La conexión de piezas de fibra de carbono termoplástica se puede lograr mediante fusión secundaria y aplicación de presión, lo que puede considerarse como un proceso de soldadura. Actualmente, las técnicas de soldadura comúnmente utilizadas para compuestos termoplásticos de fibra de carbono incluyen soldadura por gas caliente, resistencia, ultrasonidos, inducción y láser. Cada método de soldadura tiene sus ventajas y desventajas, y la elección del método debe basarse en diferentes escenarios y requisitos.
1.Soldadura con gas caliente:
Descripción: La soldadura con gas caliente utiliza una corriente de gas caliente (generalmente nitrógeno) para fundir y fusionar los materiales termoplásticos en la unión.
Proceso: La superficie de los materiales se calienta con gas caliente y se aplica presión para conectarlos.
Ventajas: Existe un control preciso de la temperatura y la presión, lo que lo hace adecuado para diversos compuestos termoplásticos.
Consideraciones: Se debe tener cuidado para evitar el sobrecalentamiento y dañar la fibra de carbono.
2.Soldadura por resistencia:
Descripción: La soldadura por resistencia implica hacer pasar una corriente eléctrica a través de los materiales, generando calor en la unión.
Proceso: Se presionan dos componentes entre sí y la corriente fluye a través de la unión, provocando un calentamiento localizado.
Ventajas: El proceso es rápido, adecuado para grandes estructuras y puede automatizarse.
Consideraciones: Los materiales deben poseer suficiente conductividad y existe riesgo de sobrecalentamiento localizado.
3.Soldadura ultrasónica:
Descripción: La soldadura ultrasónica utiliza vibraciones de alta frecuencia para generar calor en la unión, derritiendo y fusionando así los materiales termoplásticos.
Proceso: Se aplican vibraciones ultrasónicas a la interfaz, lo que provoca calentamiento y unión localizados.
Ventajas: La velocidad de procesamiento es rápida, lo que lo hace adecuado para piezas pequeñas y complejas, con un impacto térmico mínimo en las áreas circundantes.
Consideraciones: Los ajustes adecuados de frecuencia y amplitud son cruciales y es posible que este método no sea adecuado para todos los compuestos termoplásticos.
4.Soldadura por inducción:
Descripción: La soldadura por inducción utiliza inducción electromagnética para calentar los materiales termoplásticos en la unión.
Proceso: Una bobina de inducción induce calor dentro de los materiales, creando una zona de fusión localizada para soldar.
Ventajas: Existe un control preciso del calentamiento, lo que lo hace adecuado para estructuras grandes con un impacto mínimo en las áreas circundantes.
Consideraciones: Los materiales deben tener suficiente conductividad y este método no es universalmente aplicable.
5.Soldadura por láser:
Descripción: La soldadura láser emplea un rayo láser altamente enfocado para calentar y fundir los materiales en la unión, formando una unión a medida que se enfrían.
Proceso: El rayo láser se dirige a la interfaz, calentando rápidamente el material termoplástico. Luego, los componentes se presionan entre sí, formando una soldadura a medida que se solidifica.
Ventajas: La soldadura láser proporciona alta precisión y control sobre la entrada térmica, velocidades de soldadura relativamente rápidas y es adecuada para la producción en masa. Crea zonas mínimas afectadas por el calor, preserva las propiedades del material y presenta un menor riesgo de contaminación.
Consideraciones: Se debe tener cuidado durante la soldadura láser para proteger la fibra de carbono del sobrecalentamiento y evitar daños.
La tecnología madura de soldadura por inducción para fibra de carbono termoplástica beneficia a la industria aeroespacial
La tecnología de soldadura por inducción es particularmente adecuada para unir estructuras compuestas termoplásticas reforzadas con fibra de carbono. Dado que la fibra de carbono es conductora y puede generar corrientes parásitas cuando se la somete a un campo magnético alterno, no es necesario introducir materiales de inducción adicionales al soldar compuestos termoplásticos reforzados con fibra de carbono.
A medida que la tecnología de fabricación de compuestos termoplásticos aeroespaciales madure y los costos de producción disminuyan, su aplicación en la fabricación aeroespacial aumentará significativamente. Además, la compleja estructura de los componentes aeroespaciales requiere que piezas simples se ensamblen en un todo mediante tecnologías de conexión. Por lo tanto, el desarrollo de tecnologías de soldadura para compuestos termoplásticos aeroespaciales, incluida la soldadura por inducción, se ha convertido en una necesidad urgente en la investigación avanzada sobre fabricación de aeronaves y seguirá siendo una tarea a largo plazo en el futuro.
Actualmente, la tecnología de soldadura por inducción para fibra de carbono termoplástica enfrenta desafíos como la baja madurez y el hecho de que aún no ha entrado en las etapas de prototipo de ingeniería y aplicación práctica del producto. Sin embargo, la investigación sobre la soldadura por inducción de compuestos termoplásticos para aeronaves civiles aún se encuentra en sus primeras etapas en el extranjero, y varias tecnologías clave están pendientes de avances. La brecha tecnológica entre países no es muy pronunciada. Por lo tanto, China debería acelerar los esfuerzos de desarrollo y aplicación en esta área para acortar la brecha con los materiales avanzados y las tecnologías de fabricación de aviones extranjeros. Sólo dominando verdaderamente las tecnologías centrales podremos beneficiar a la industria aeroespacial nacional.
Avances de la investigación sobre la soldadura por inducción de compuestos termoplásticos CF/PPS en China
Algunos equipos de investigación han estudiado los efectos de la potencia y el tiempo de soldadura en la resistencia al corte por solape (LSS) utilizando un enfoque de soldadura por puntos. También exploraron la viabilidad de diferentes capas implantadas para la soldadura por inducción de compuestos termoplásticos CF/PPS. La investigación encontró que una potencia de soldadura excesiva o un tiempo de soldadura prolongado podrían provocar un sobrecalentamiento de las muestras, lo que resultaría en reacciones químicas como reticulación, oxidación y degradación de la matriz de resina, que reducen significativamente las propiedades mecánicas de las uniones soldadas e incluso las propiedades internas de los compuestos.
1. Datos de tiempo máximo para soldadura por inducción de compuestos CF/PPS
Los resultados experimentales indican que cuando la potencia relativa está dentro del rango de 400 a 800, la capa intermedia exhibe la tasa más alta de aumento de temperatura. A medida que aumenta la potencia relativa, la tasa de aumento de temperatura se vuelve más rápida y el tiempo de ahumado ocurre antes. Cuando el tiempo de soldadura excede un cierto valor, inevitablemente aparecerá humo en el medio de los paneles. La aparición de humo se debe principalmente a la degradación de la resina o la volatilización de pequeñas moléculas residuales, las cuales pueden afectar negativamente la calidad de la soldadura y el rendimiento de la unión entre los dos paneles. Por tanto, es necesario evitar esta situación.
2. Efectos de la potencia y el tiempo de soldadura sobre la resistencia al corte (LSS)
La soldadura por inducción se realizó en dos materiales compuestos CF/PPS utilizando un método de soldadura por puntos, seguido de aplicación de presión con rodillos después del calentamiento. Se probó la resistencia al corte por solapamiento (LSS) resultante. Los resultados indican que durante el proceso de soldadura por inducción, debido al tiempo relativamente corto de soldadura, la salida de resina no es severa, permitiendo que la superficie de soldadura retenga una cierta cantidad de resina. A una potencia relativa de 500, el valor de resistencia al corte (LSS) alcanza su máximo en un tiempo de calentamiento de 65 segundos, lo que indica que el tiempo de calentamiento no debe ser ni demasiado corto ni demasiado largo.
3. Efecto de la capa del implante sobre la resistencia al corte (LSS)
Utilizando dos materiales compuestos CF/PPS, junto con un preimpregnado CF/PPS que tiene las mismas especificaciones (mismas materias primas, forma de tejido, contenido de volumen de fibra, etc.) que los compuestos, se utilizó una capa de implante para la soldadura por puntos. Los resultados indican que la adición de la capa de implante generalmente condujo a una disminución en la resistencia al corte (LSS), que puede atribuirse a que la capa de implante restringe la generación y conducción de calor; sin embargo, el LSS máximo aún alcanzó los 24,8 MPa.
