熱可塑性炭素繊維複合材料の高周波溶接技術はまだ初期段階にあります。

熱可塑性炭素繊維複合材料の 5 つの溶接方法の紹介

熱硬化性複合材とは異なり、熱可塑性複合材は成形後も溶ける可能性があります。熱可塑性炭素繊維部品の接続は、溶接プロセスとみなすことができる二次溶解と圧力の適用によって実現できます。現在、熱可塑性炭素繊維複合材料に一般的に使用されている溶接技術には、高温ガス溶接、抵抗溶接、超音波溶接、誘導溶接、およびレーザー溶接が含まれます。各溶接方法には長所と短所があり、方法の選択はさまざまなシナリオと要件に基づいて行う必要があります。

1.熱ガス溶接:

説明: 高温ガス溶接では、高温ガス (通常は窒素) の流れを利用して、接合部の熱可塑性プラスチック材料を溶かして融合します。

プロセス：材料の表面を高温のガスで加熱し、圧力をかけて接合させます。

利点: 温度と圧力を正確に制御できるため、さまざまな熱可塑性複合材料に適しています。

考慮事項: 過熱してカーボンファイバーを損傷しないように注意する必要があります。

2.抵抗溶接:

説明: 抵抗溶接では、材料に電流を流し、接合部で熱を発生させます。

プロセス: 2 つのコンポーネントが押し付けられ、接合部に電流が流れ、局所的な発熱が発生します。

利点: プロセスは迅速で、大規模な構造に適しており、自動化できます。

考慮事項: 材料は十分な導電性を備えている必要があり、局所的な過熱の危険があります。

3.超音波溶着:

説明: 超音波溶着では、高周波振動を使用して接合部に熱を発生させ、それによって熱可塑性材料を溶かして融合させます。

プロセス：界面に超音波振動を与え、局所的に加熱し接合させます。

利点：処理速度が速いため、周囲への熱影響が少なく、小型で複雑な部品に適しています。

考慮事項: 適切な周波数と振幅の設定が重要ですが、この方法はすべての熱可塑性複合材料に適しているわけではありません。

4.高周波溶接:

説明: 高周波溶接は、電磁誘導を使用して接合部の熱可塑性材料を加熱します。

プロセス: 誘導コイルは材料内に熱を誘導し、溶接のための局所的な溶融ゾーンを作成します。

利点：加熱を正確に制御できるため、周囲への影響を最小限に抑えながら大規模な構造物に適しています。

考慮事項: 材料には十分な導電性が必要ですが、この方法は普遍的に適用できるわけではありません。

5.レーザー溶接:

説明: レーザー溶接では、高度に集束したレーザー ビームを使用して、接合部の材料を加熱して溶かし、冷えるにつれて接合を形成します。

プロセス: レーザービームが界面に照射され、熱可塑性プラスチック材料が急速に加熱されます。次に、コンポーネントが一緒に押し付けられ、固化するにつれて溶接部が形成されます。

利点: レーザー溶接は、高精度と熱入力の制御、比較的速い溶接速度を実現し、大量生産に適しています。熱の影響を受けるゾーンが最小限に抑えられ、材料特性が維持され、汚染のリスクが低くなります。

考慮事項: レーザー溶接中は、損傷を防ぐためにカーボンファイバーを過熱から保護するように注意する必要があります。

熱可塑性炭素繊維の成熟した高周波溶接技術が航空宇宙産業に利益をもたらす

高周波溶接技術は、炭素繊維強化熱可塑性複合構造の接合に特に適しています。炭素繊維は導電性があり、交流磁場にさらされると渦電流を生成する可能性があるため、炭素繊維強化熱可塑性複合材料を溶接するときに追加の誘導材料を導入する必要はありません。

航空宇宙用熱可塑性複合材料の製造技術が成熟し、生産コストが低下するにつれて、航空宇宙製造におけるその用途は大幅に増加すると考えられます。さらに、航空宇宙部品の複雑な構造では、接続技術を通じて単純な部品を全体に組み立てる必要があります。したがって、誘導溶接を含む航空宇宙用熱可塑性複合材料の溶接技術の開発は、高度な航空機製造研究において緊急の必要性となっており、今後も長期的な課題となるでしょう。

現在、熱可塑性炭素繊維の高周波溶接技術は、成熟度が低く、まだ工学試作段階や実用的な製品応用段階に入っていないという課題に直面しています。しかし、民間航空機用の熱可塑性複合材料の誘導溶接に関する研究は、海外ではまだ初期段階にあり、さまざまな主要技術がブレークスルーを待っています。各国間の技術格差はそれほど顕著ではありません。したがって、中国はこの分野での開発と応用の取り組みを加速し、海外の先端材料や航空機製造技術との差を縮める必要がある。コア技術を真に習得することによってのみ、国内の航空宇宙産業に利益をもたらすことができます。

中国における熱可塑性CF/PPS複合材料の高周波溶接に関する研究の進展

一部の研究チームは、スポット溶接アプローチを使用して重ねせん断強度 (LSS) に及ぼす溶接出力と時間の影響を研究しました。彼らはまた、CF/PPS 熱可塑性複合材料の高周波溶接におけるさまざまな注入層の実現可能性も調査しました。研究の結果、過剰な溶接出力や長時間の溶接はサンプルの過熱を引き起こし、樹脂マトリックスの架橋、酸化、劣化などの化学反応を引き起こし、溶接継手の機械的特性を大幅に低下させ、複合材料の内部特性。

1. CF/PPS複合材の高周波溶接の最大時間データ

実験の結果、相対パワーが 400 ～ 800 の範囲にある場合、中間層の温度上昇率が最も高くなることがわかりました。相対パワーが大きくなると温度上昇速度が速くなり、喫煙時間が早くなります。溶接時間が一定以上になると、パネル中央部にどうしても発煙が発生します。発煙の発生は主に樹脂の劣化または残留小分子の揮発が原因であり、どちらも溶接品質や 2 つのパネル間の接着性能に悪影響を与える可能性があります。したがって、このような状況を回避する必要があります。

2. せん断強度（LSS）に対する溶接出力と溶接時間の影響

2枚のCF/PPS複合材をスポット溶接法により高周波溶接し、加熱後ローラーで加圧しました。得られた重ねせん断強度 (LSS) をテストしました。この結果は、誘導溶接プロセス中、溶接時間が比較的短いため、樹脂の流出が大きくなく、溶接表面に一定量の樹脂が保持されることを示しています。相対出力 500 では、せん断強度 (LSS) 値は加熱時間 65 秒で最大値に達します。これは、加熱時間が短すぎても長すぎてもいけないことを示しています。

3. せん断強度 (LSS) に対するインプラント層の影響

2つのCF/PPS複合材料と、その複合材料と同じ仕様（同じ原料、生地形状、繊維体積含有量など）を持つCF/PPSプリプレグを使用し、インプラント層を使用してスポット溶接しました。結果は、インプラント層の追加により一般にせん断強度 (LSS) が低下することを示しています。これは、インプラント層が熱の発生と伝導を制限することに起因する可能性があります。ただし、最大 LSS は依然として 24.8 MPa に達しました。