A tecnologia de soldagem por indução para compósitos termoplásticos de fibra de carbono ainda está em estágio inicial.
A recessão económica global, juntamente com potenciais mudanças significativas na situação internacional e a saturação da procura de fibra de carbono de baixo custo, determinam colectivamente a contracção do mercado global de fibra de carbono. No entanto, este não é o resultado final. O desempenho das fibras de carbono de médio a alto padrão continua essencial para indústrias como a aeroespacial, médica e automotiva. Além disso, do ponto de vista ambiental, as perspectivas de aplicação de compósitos termoplásticos de fibra de carbono são bastante promissoras. A fibra de carbono termoplástica pode ser remodelada várias vezes e seu processamento pode ser controlado de forma inteligente. No futuro, os componentes industriais para aeronaves e naves espaciais provavelmente usarão isso como material de base.
Para obter melhor desempenho dos componentes termoplásticos de fibra de carbono, além da produção customizada, eles também devem possuir características de processabilidade pós-formação, como soldagem. Este artigo apresentará conhecimentos relacionados à soldagem de componentes industriais termoplásticos de fibra de carbono, com foco particular na soldagem por indução.
Introdução aos cinco métodos de soldagem para compósitos termoplásticos de fibra de carbono
Ao contrário dos compósitos termofixos, os compósitos termoplásticos ainda podem derreter após a moldagem. A conexão de peças termoplásticas de fibra de carbono pode ser obtida por meio de fusão secundária e aplicação de pressão, o que pode ser considerado um processo de soldagem. Atualmente, as técnicas de soldagem comumente usadas para compósitos termoplásticos de fibra de carbono incluem soldagem por gás quente, resistência, ultrassom, indução e laser. Cada método de soldagem tem suas vantagens e desvantagens, e a escolha do método deve ser baseada em diferentes cenários e requisitos.
1. Soldagem a gás quente:
Descrição: A soldagem a gás quente utiliza um fluxo de gás quente (geralmente nitrogênio) para derreter e fundir os materiais termoplásticos na junta.
Processo: A superfície dos materiais é aquecida com gás quente e é aplicada pressão para conectá-los.
Vantagens: Há controle preciso sobre temperatura e pressão, tornando-o adequado para diversos compósitos termoplásticos.
Considerações: Deve-se tomar cuidado para evitar superaquecimento e danos à fibra de carbono.
2. Soldagem por resistência:
Descrição: A soldagem por resistência envolve a passagem de uma corrente elétrica pelos materiais, gerando calor na junta.
Processo: Dois componentes são pressionados um contra o outro e a corrente flui através da junta, causando aquecimento localizado.
Vantagens: O processo é rápido, adequado para grandes estruturas e pode ser automatizado.
Considerações: Os materiais devem possuir condutividade suficiente e existe risco de superaquecimento localizado.
3. Soldagem ultrassônica:
Descrição: A soldagem ultrassônica usa vibrações de alta frequência para gerar calor na junta, derretendo e fundindo os materiais termoplásticos.
Processo: Vibrações ultrassônicas são aplicadas à interface, causando aquecimento e ligação localizados.
Vantagens: A velocidade de processamento é rápida, tornando-o adequado para peças pequenas e complexas, com mínimo impacto térmico nas áreas circundantes.
Considerações: As configurações adequadas de frequência e amplitude são cruciais, e este método pode não ser adequado para todos os compósitos termoplásticos.
4. Soldagem por indução:
Descrição: A soldagem por indução usa indução eletromagnética para aquecer os materiais termoplásticos na junta.
Processo: Uma bobina de indução induz calor dentro dos materiais, criando uma zona de fusão localizada para soldagem.
Vantagens: Possui controle preciso do aquecimento, tornando-o adequado para grandes estruturas com mínimo impacto nas áreas adjacentes.
Considerações: Os materiais devem ter condutividade suficiente e este método não é universalmente aplicável.
5. Soldagem a laser:
Descrição: A soldagem a laser emprega um feixe de laser altamente focado para aquecer e derreter os materiais na junta, formando uma ligação à medida que esfriam.
Processo: O feixe de laser é direcionado para a interface, aquecendo rapidamente o material termoplástico. Os componentes são então pressionados juntos, formando uma solda à medida que solidifica.
Vantagens: A soldagem a laser fornece alta precisão e controle sobre a entrada térmica, velocidades de soldagem relativamente rápidas e é adequada para produção em massa. Ele cria zonas mínimas afetadas pelo calor, preserva as propriedades do material e apresenta menor risco de contaminação.
Considerações: Deve-se ter cuidado durante a soldagem a laser para proteger a fibra de carbono do superaquecimento e evitar danos.
Tecnologia madura de soldagem por indução para fibra de carbono termoplástica beneficia a indústria aeroespacial
A tecnologia de soldagem por indução é particularmente adequada para unir estruturas compostas termoplásticas reforçadas com fibra de carbono. Como a fibra de carbono é condutora e pode gerar correntes parasitas quando submetida a um campo magnético alternado, não há necessidade de introduzir materiais de indução adicionais ao soldar compósitos termoplásticos reforçados com fibra de carbono.
À medida que a tecnologia de fabricação de compósitos termoplásticos aeroespaciais amadurece e os custos de produção diminuem, sua aplicação na fabricação aeroespacial aumentará significativamente. Além disso, a estrutura complexa dos componentes aeroespaciais exige que peças simples sejam montadas num todo através de tecnologias de conexão. Portanto, o desenvolvimento de tecnologias de soldagem para compósitos termoplásticos aeroespaciais, incluindo soldagem por indução, tornou-se uma necessidade urgente na pesquisa avançada de fabricação de aeronaves e continuará sendo uma tarefa de longo prazo no futuro.
Atualmente, a tecnologia de soldagem por indução para fibra termoplástica de carbono enfrenta desafios como a baixa maturidade e o fato de ainda não ter entrado nas etapas de protótipo de engenharia e aplicação prática do produto. No entanto, a pesquisa sobre soldagem por indução de compósitos termoplásticos para aeronaves civis ainda está em seus estágios iniciais no exterior, com diversas tecnologias-chave aguardando avanços. A lacuna tecnológica entre os países não é muito pronunciada. Portanto, a China deve acelerar os esforços de desenvolvimento e aplicação nesta área para reduzir a lacuna com materiais avançados estrangeiros e tecnologias de fabricação de aeronaves. Somente dominando verdadeiramente as tecnologias essenciais poderemos beneficiar a indústria aeroespacial nacional.
Progresso da pesquisa sobre soldagem por indução de compósitos termoplásticos CF/PPS na China
Algumas equipes de pesquisa estudaram os efeitos da potência e do tempo de soldagem na resistência ao cisalhamento (LSS) usando uma abordagem de soldagem por pontos. Eles também exploraram a viabilidade de diferentes camadas implantadas para soldagem por indução de compósitos termoplásticos CF/PPS. A pesquisa constatou que a potência excessiva de soldagem ou o tempo prolongado de soldagem podem levar ao superaquecimento das amostras, resultando em reações químicas como reticulação, oxidação e degradação da matriz resinosa, o que reduz significativamente as propriedades mecânicas das juntas soldadas e até mesmo as propriedades internas dos compósitos.
1. Dados de Tempo Máximo para Soldagem por Indução de Compósitos CF/PPS
Os resultados experimentais indicam que quando a potência relativa está na faixa de 400 a 800, a camada intermediária apresenta a maior taxa de aumento de temperatura. À medida que a potência relativa aumenta, a taxa de aumento da temperatura torna-se mais rápida e o tempo de fumar ocorre mais cedo. Quando o tempo de soldagem ultrapassa um determinado valor, inevitavelmente aparecerá fumaça no meio dos painéis. A ocorrência de fumo deve-se principalmente à degradação da resina ou à volatilização de pequenas moléculas residuais, podendo ambas afectar negativamente a qualidade da soldadura e o desempenho da ligação entre os dois painéis. Portanto, é necessário evitar esta situação.
2. Efeitos da potência e do tempo de soldagem na resistência ao cisalhamento (LSS)
A soldagem por indução foi realizada em dois materiais compósitos CF/PPS usando um método de soldagem por pontos, seguido de aplicação de pressão com rolos após aquecimento. A resistência ao cisalhamento (LSS) resultante foi testada. Os resultados indicam que durante o processo de soldagem por indução, devido ao tempo de soldagem relativamente curto, o escoamento de resina não é severo, permitindo que a superfície da solda retenha uma certa quantidade de resina. A uma potência relativa de 500, o valor da resistência ao cisalhamento (LSS) atinge o seu máximo num tempo de aquecimento de 65 segundos, indicando que o tempo de aquecimento não deve ser nem muito curto nem muito longo.
3. Efeito da camada de implante na resistência ao cisalhamento (LSS)
Usando dois materiais compósitos CF/PPS, juntamente com um pré-impregnado CF/PPS que possui as mesmas especificações (mesmas matérias-primas, formato de tecido, conteúdo de volume de fibra, etc.) dos compósitos, uma camada de implante foi usada para soldagem por pontos. Os resultados indicam que a adição da camada de implante geralmente levou a uma diminuição na resistência ao cisalhamento (LSS), o que pode ser atribuído à camada de implante que restringe a geração e condução de calor; no entanto, o LSS máximo ainda atingiu 24,8 MPa.
