Hybrid welding of metal-polymer composites with a non-conducting polymer layer

• Autorzy: Kustroń Paweł , Korzeniowski Marcin , Piwowarczyk Tomasz , Sokołowski Paweł

Identyfikatory

DOI

10.17729/ebis.2021.4/4

Warianty tytułu

PL

Zgrzewanie hybrydowe kompozytów MPC z polimerową warstwą nieprzewodzącą

• Języki publikacji: EN PL

Abstrakty

EN

Metal-polymer composites (MPCs) are becoming increasingly popular primarily because of their high strength-to-weight ratio. Metal-polymer composites consist of three layers, i.e. two external metallic sheets (linings) and the core made of plastic. The presence of the internal plastic layer makes MPCs impossible to join using conventional welding processes, which significantly limits their usability. One of the solutions to the problem involves the use of hybrid methods, e.g. ultrasonic method-aided resistance welding. The research work discussed in the article involved the development of a prototype test rig and a technology enabling the joining of the Litecor^® composite with steel DP600. The joining process consisted of two stages. The first stage involved the removal of the non-conducting layer of polymer from the welding area and the making of an appropriate electric contact for resistance welding. The second stage was the classical resistance spot welding process. The development of the concept posed a challenge as it was necessary to develop an appropriate acoustic waveguide for high-power ultrasonic waves which, at the same time, could transfer loads in the form of electrode force as well as provide appropriate electric and thermal conductivity without compromising acoustic parameters during the welding process. The development of the test rig was followed by the performance of numerous tests aimed to identify the appropriate window of process parameters. Test joints were subjected to macrographic, strength, ultrasonic and topographic tests.

PL

Kompozyty metalowo-polimerowe (MPC) zyskują na znaczeniu głównie ze względu na wysoki stosunek wytrzymałości do masy. Składają się one z trzech warstw, tj. dwóch zewnętrznych metalowych arkuszy (okładzin) i rdzenia z tworzywa sztucznego. Obecność wewnętrznej warstwy tworzywa sztucznego sprawia, że nie można ich łączyć za pomocą konwencjonalnych procesów zgrzewania, co znacznie ogranicza zakres ich stosowania. Jednym ze sposobów rozwiązania tego problemu jest zastosowanie metod hybrydowych, np. zgrzewania rezystancyjnego wspomaganego metoda ultradźwiękową. W ramach podjętych badań opracowano prototypowe stanowisko badawcze oraz technologię łączenia kompozytu Litecor^® ze stalą DP600. Proces łączenia opierał się na dwóch etapach. W pierwszym istotne jest usunięcie nieprzewodzącej warstwy polimeru ze strefy zgrzewania i stworzenie odpowiedniego styku elektrycznego do zgrzewania oporowego. Etap drugi to klasyczne zgrzewanie rezystancyjne punktowe. Opracowanie tej koncepcji było wyzwaniem ze względu na konieczność zaprojektowania odpowiedniego falowodu akustycznego dla fali ultradźwiękowej dużej mocy, który jednocześnie przeniesie obciążenia w postaci siły docisku elektrod, zapewni odpowiedną przewodność elektryczną i cieplną, a przede wszystkim zachowa swoje parametry akustyczne w trakcie procesu zgrzewania. Po opracowaniu stanowiska badawczego dokonano licznych badań w celu opracowania odpowiednego okna parametrów procesowych. Ponadto wykonane złącza były poddawane niezbędnym badaniom, w tym makrograficznym, wytrzymałościowym, ultradźwiękowym oraz topograficznym

Słowa kluczowe

EN

metal-polymer composite; MPC; resistance spot welding; joining; ultrasounds

PL

kompozyty metalowo-polimerowe; MPC; zgrzewanie rezystancyjne punktowe; łączenie; ultradźwięki

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz - Górnośląski Instytut Technologiczny
• Czasopismo: Biuletyn Instytutu Spawalnictwa w Gliwicach
• Rocznik: 2021
• Tom: Vol. 65, No. 4
• Strony: 33--40
• Opis fizyczny: Bibliogr. 19 poz., il., tab., fot.

Twórcy

autor

Kustroń Paweł

• Wrocław University of Technology

autor

Korzeniowski Marcin

• Wrocław University of Technology

autor

Piwowarczyk Tomasz

• Wrocław University of Technology

autor

Sokołowski Paweł

• Wrocław University of Technology

Bibliografia

• [1] Amancio-Filho S.; dos Santos J.: Joining of polymers and polymer-metal hybrid structures: Recent developments and trends. Polymer Engineering and Science, 2009, vol. 49, no. 8, pp. 1461–1476.
• [2] Contreiras T.R.M., Pragana J. P. M., Bragança I. M. F., Silva C. M. A., Alves L. M., Martins P.A.F.: Joining by forming of lightweight sandwich composite panels. Procedia Manufacturing, 2017, vol. 29, pp. 288–295.
• [3] Contreiras T.R.M.: Joining by forming of composite sandwich panels. Thesis to obtain the Master of Science Degree in Mechanical Engineering, Técnico Lisboa, Portugal, February 2019.
• [4] Springer Fachmedien Wiesbaden, Application Potential of Litecor® in the Body. ATZextra worldwide 2014, no. 10, pp. 108-111.
• [5] Stavrov D., Bersee H.E.N.: Resistance welding of thermoplastic composites-an overview. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2005, vol. 36, pp. 39–54.
• [6] Patberg L., Ferkel H., Heller T., Hoffmann O., Mendelin C.: Nachhaltiger Leichtbau durch Stahlfeinblech im Automobil. Proceedings of the Werkstoffe für die Zukunft, Dresden, 14–17 September 2015.
• [7] Forster J.: The Sandwich Effect, Compact Steel – the ThyssenKrupp customer magazine, 2014, vol. 1, pp. 8–11.
• [8] Springer Fachmedien Wiesbaden, Material Compendium. ATZextra worldwide. 2014, no. 10, pp. 136–137.
• [9] Wendel E.: Evaluation of potential for metal /polymer/metal sandwich material as outer panels for trucks. Degree project in materials design and engineering, KTH Royal Institute of Technology School of Industrial Engineering and Management, Stockholm 2019.
• [10] Al Naimi I.K.A.: Weldability of New Material Sandwich Steel for Automotive Applications. Al-Khwarizmi Engineering Journal, 2016, vol. 12, no. 2, pp. 60–78.
• [11] Tanco J.S., Nielsen C.V., Chergui A., Zhang W., Bay N.: Weld nugget formation. in resistance spot welding of new lightweight sandwich material. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2015, vol. 80, pp. 1137–1147.
• [12] Ageorges C., Ye L.: Fusion bonding of polymer composites, Springer: Berlin, Germany 2002.
• [13] Ageorges C., Ye L. ; Resistance Welding of Metal/Thermoplastic Composite Joints. Journal of Thermoplastic Composite Materials, 2001, vol. 14, no.. 6, pp. 449–475.
• [14] McKnight S.H., Holmes S.T., Gillespie Jr. J.W., Lambing C.L.T., Marinelli J.M.: Resistance Heated Fusion Bonding of Carbon Fibre/PEEK Composites and 7075-T6 Aluminium. Proceedings of the 51st Annual Technical Conference ANTEC’93, New Orleans, USA 1993, pp. 1474–1479.
• [15] Rohart V., Lebel L.L., Dubé M.: Improved adhesion between stainless steel heating element and PPS polymer in resistance welding of thermoplastic composites. Composites Part B: Engineering, 2020, vol. 188, pp. 1–12.
• [16] Brassard D., Dubé M., Tavares J. R.: Resistance welding of thermoplastic composites with a nanocomposite heating element. Composites Part B: Engineering, 2019, vol. 165, pp. 779–784.
• [17] Pieronek D., Böger T., Röttger R.P.: Modelling approach for steel sandwich materials in automotive crash simulations. Proceedings of 2012 German LS-DYNA Forum, Ulm, Germany 9–10 October 2012.
• [18] ThyssenKrupp Steel Europe AG; Technische Daten für Litecor® C, 04/2015. Available online: www.thyssenkrupp-steel-europe.com (access date: 12.05.2021).
• [19] Żuchowska D.: Polimery konstrukcyjne. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 2000.

Uwagi

1. Wersja polska artykułu w wydaniu papierowym s. 38-43.

2. Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2021).