考虑到各种复合材料和工艺参数的影响，开发了TACOMA设备来预测热塑性复合材料的粘合质量。它为航空航天工业提供了确保高质量焊接的关键数据。这篇文章已发表在JECCompositesMagazineN°上。
热塑性复合材料焊接基于熔化基体，在不添加任何外部材料的情况下连接两个复合材料部件。它是传统铆钉装配的可行替代品，特别是在航空和航天工业中，它可用于减轻飞机重量。
虽然这是一项很有前途的技术，但由于纤维的存在，它对复合材料提出了科学和技术挑战：表面粗糙度、残余应力、低基体体积、热历史（诱导基体老化）、加工时间短等。此外，随着连续焊接工艺的调整变得越来越快（例如，胶带放置），粘合步骤应尽可能短（0.1-10秒之间）。
因此，当热塑性复合材料焊接过程加速时，如何实现基材之间的牢固粘合？为了迎接这一挑战，我们开发了一种独特的设备，即TACOMA（复合材料的传导加热热粘附）设备，以预测粘附质量并确保最终复合材料组件坚固。
粘附机制
传统上，一旦基材被加热到高于基质熔化温度并被压在一起，就会发生粘合。键合质量源于两种主要现象的叠加（图1）：(i)在界面处建立紧密接触，由施加的压力、基板的粘度和几何粗糙度驱动；(ii)界面的愈合由聚合物大分子的扩散控制并由DeGennes的蠕动理论建模。
图1：热塑性塑料焊接过程中涉及的不同现象的示意图描述
从机械上讲，粘附力是通过使用称为愈合程度的无量纲参数(Dh)来量化的。
GIC,∞是本体的应变释放能，tw,∞是达到本体机械性能的焊接时间。
在广泛的参数范围内表征热塑性复合材料部件之间的粘附动力学是预测制造的最终部件质量的先决条件。尽管如此，这仍然是一个挑战，因为必须对代表这些成型过程的时间表征粘附力。
粘附动力学的鉴定——实验方案
TACOMA装置与焊接界面的机械诱导相结合，是为了解决这个问题而开发的。焊接工作台由LTEN在IRTJulesVernePERFORM计划的资助下开发。它最初设计用于在恒定等温条件下在有限时间内焊接复合材料部件。
在精细控制的工艺参数（时间-温度-压力）下，焊接测试可进行时间短至1秒。除了识别粘附动力学外，它还可以量化材料（基质的性质、表面富集、结晶、试样的热历史、相对纤维取向等）和工艺（时间、温度、压力）的影响）参数。
TACOMA工作原理及性能TACOMA工作台（图2）由一个铜模和两个L形对称压板组成，一个固定，一个移动。将要焊接的样品（图）插入压板（长度=毫米；宽度=25毫米）之间以加热并压在一起。
图2：TACOMA焊接工作台示意图
图：DCB样本及其尺寸的示意图
它的设计使其能够在焊接高性能复合材料时完美且独立地控制关键工艺参数：
焊接温度：插入每个压板中的电筒确保加热，而嵌入在型腔表面附近的两个控制热电偶调节温度。已对传热进行建模，以确保焊接界面处的温度非常精确且均匀。最高焊接温度为°C，可以达到80K/min的速度。
接触压力：一旦界面达到目标温度，就会通过移动压板施加压力。施加的压力范围为1巴至8巴（最大）。
接触时间：接触时间可按需调整，可短至样品冷却前1秒。广泛的范围使得研究亲密接触发展和界面愈合成为可能。
之后，新焊接的样品迅速冷却以停止粘附发展。内模的冷却通道循环水或空气，因此可用的冷却速率范围分别为K.min-1至15K.min-1。根据所研究材料的结晶动力学，通过淬火或缓慢冷却界面，可以突出粘附和结晶之间的耦合。
用于动力学鉴定的传统焊接程序如图4所示。准备和干燥后，将样品放置在每个压板上，待焊接的表面彼此面对，由一个小气隙隔开。模具被加热到高于熔化温度(1)的温度，直到发生均质化(2)。然后在定义为接触时间tcontact()的有限时间内施加压力，由于用水冷却(4)，该过程会迅速停止。这种冷却速率限制了该阶段粘附的发展。因此，机械测试后测量的粘附度完全是由于等温阶段发生的愈合。
图4：用于愈合动力学识别的实验焊接程序
焊接界面的机械测试焊接试样的界面机械阻力通常使用模式I（开口）测试进行表征，即双悬臂梁(DCB)断裂测试。然后在焊接前将铝箔放置在样品之间以引发裂纹，然后在准静态位移施加测试期间计算裂纹引发点(GIC,init)处的应变释放能。
P和δ分别是记录的力和位移。a0是初始裂纹长度，b是焊缝宽度。
应该注意的是，其他类型的机械特性可以是……
来源：法国JEC
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