Welding thermoplastic composites using resistive heating: tooling design, joining procedure and demonstrator manufacturing

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<big>'''SOLDADURA DE COMPOSITES TERMOPLÁSTICOS MEDIANTE CALENTAMIENTO RESISTIVO: DISEÑO DE UTILLAJES, PROCEDIMIENTO DE UNIÓN Y FABRICACIÓN DE DEMOSTRADOR'''</big></div>

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'''A. Iriarte*, M. Segura, S. García-Arrieta, R. Mezzacasa'''</div>

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TECNALIA, Basque Research and Technology Alliance (BRTA)</div>

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[mailto:*aroa.iriarte@tecnalia.com *aroa.iriarte@tecnalia.com]</div>

==RESUMEN==

La tecnología de soldadura de termoplásticos es una tecnología establecida desde hace mucho tiempo en la industria donde la eficiencia de la unión soldada puede acercarse a las propiedades del material base mediante una unión rápida y susceptible de ser automatizada y reversible. La unión de dos compuestos termoplásticos se puede realizar mediante unión por fusión y reconsolidación de las piezas en la línea de unión.

Las técnicas de unión por fusión más prometedoras, y actualmente con más presencia en el sector aeronáutico, son la soldadura por resistencia eléctrica, la soldadura por inducción, la soldadura por ultrasonidos y la soldadura por láser. De entre estos métodos, la ventaja de la soldadura por resistencia es que el calor se produce exactamente en la interfaz a soldar evitando calentamientos indeseados en otras partes de la pieza. Este método se basa en la aplicación de un implante conductor de electricidad entre las dos partes a soldar bajo presión que genera calor con el paso de corriente.

El objetivo del presente trabajo consistió en el desarrollo de un sistema de soldadura por resistencia para el ensamblaje de un conjunto de piezas en composite termoplástico. Se fabricó un demostrador de un elemento representativo del sector aeronáutico en material compuesto de fibra de carbono y PPS que constaba de una piel a la que se soldaron dos escuadras en L fabricadas en el mismo material que la piel. El proceso de soldadura llevado a cabo y los parámetros eléctricos y térmicos obtenidos muestran la repetitividad de este proceso. Esta tecnología podría ser fácilmente escalable para la soldadura de elementos de mayor tamaño y diferentes geometrías.

'''PALABRAS CLAVE: '''Soldadura resistiva, termoplástico, reducción energía

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<br/></div>

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<big>'''WELDING OF THERMOPLASTIC COMPOSITES BY RESISTIVE HEATING: DESIGN OF TOOLS, JOINING PROCEDURE AND MANUFACTURE OF DEMONSTRATOR'''</big></div>

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'''A. Iriarte*, M. Segura, S. García-Arrieta, R. Mezzacasa'''</div>

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TECNALIA, Basque Research and Technology Alliance (BRTA)</div>

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[mailto:*aroa.iriarte@tecnalia.com *aroa.iriarte@tecnalia.com]</div>
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==1. Introducción==

En la industria aeronáutica son comunes las uniones atornilladas o remachadas, el empleo de adhesivos, así como una combinación de ambas técnicas de unión. La soldadura termoplástica abre un nuevo campo en las uniones para el ensamblaje de conjuntos aeronáuticos, que permite una disminución en el peso debido a la eliminación de remaches metálicos. Como ventaja adicional, la soldadura termoplástica para materiales compuestos presenta el potencial de poder ser automatizada con la consecuente reducción de los ciclos productivos. En este artículo se presenta el trabajo que TECNALIA ha realizado en una aplicación de SOFITEC para el desarrollo de un sistema de soldadura por resistencia aplicada a la unión de subconjuntos en material carbono/PPS.

==2. Diseño y fabricación de utillajes para soldadura ==

Se ha diseñado y fabricado un utillaje para la soldadura de probetas que permitan la puesta a punto del proceso mediante la realización de ensayos de cortadura simple (Single Lap Shear, ASTM ASTM D5868-01). Este utillaje ha sido diseñado para que además de la soldadura de probetas, pueda ser utilizado para el ensamblaje de un elemento representativo de conjunto del sector aeronáutico. Para ello, se prevé que algunos elementos de fijación sean adaptables e intercambiables para diferentes geometrías.

Para evitar la aparición de porosidad, tanto en la intercara de soldadura como en las propias probetas es necesario implementar presión de consolidación durante el proceso de soldadura. Para ello se ha diseñado un dispositivo que dispone de 3 cilindros neumáticos, dos para aplicar presión desde los electrodos al elemento resistivo que se dispone entre las dos intercaras a soldar y otro, de mayores dimensiones, para aplicar presión de compactación para mantener la consolidación del material durante el proceso de soldadura.<span id="_Toc108093835"></span>

==Diseño del útil de soldadura==

Se ha realizado el diseño del útil de soldadura que, en principio, es un banco de pruebas para realizar uniones soldadas con la configuración del ensayo de cortadura simple. De esta forma es sencillo evaluar de forma rápida la influencia que diferentes parámetros del proceso tienen en la resistencia final de la unión.

El dispositivo se ha configurado de forma que admite la realización de uniones soldadas más pequeñas que las requeridas por la norma de Single Lap shear y también probetas de cortadura normalizadas e incluso módulos de submontajes de estructuras más complejas, modificando el sistema de posicionado de las probetas. A continuación, se ofrecen diversas vistas del útil en las que se describen los diferentes elementos:

{| style="width: 100%;border-collapse: collapse;" 
|-
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;width: 33%;"|[[Image:Draft_Iriarte Legarreta_691170836-image1-c.png|180px]] 
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;width: 40%;"|[[Image:Draft_Iriarte Legarreta_691170836-image2-c.png|222px]] 
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;width: 26%;"|[[Image:Draft_Iriarte Legarreta_691170836-image3-c.png|120px]] 
|-
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;"|<span style="text-align: center; font-size: 75%;">''Vista general del útil de soldadura''</span>
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;"|<span style="text-align: center; font-size: 75%;">''Sistema de posicionado flexible y elemento resistivo (amarillo) sobre probeta (negro)''</span>
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;"|<span style="text-align: center; font-size: 75%;">''Placas a soldar (azul y negro) con electrodos en los extremos y sistema de presión mediante cilindros neumáticos''</span>
|}

<div id="_Ref130544047" class="center" style="width: auto; margin-left: auto; margin-right: auto;">
<span style="text-align: center; font-size: 75%;">''Figura 1: Diseño del útil de soldadura ''</span></div><span id="_Toc108093837"></span>

==Fabricación del útil de soldadura==

El útil de soldadura, como se ve en las siguientes imágenes, consta de dos columnas que sujetan un perfil transversal donde van amarrados los cilindros. Los exteriores ejercen presión sobre los electrodos y el cilindro central, aloja el pisador para ejercer presión sobre la zona de soldadura.

{| style="width: 100%;border-collapse: collapse;" 
|-
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;vertical-align: top;width: 49%;"|[[Image:Draft_Iriarte Legarreta_691170836-image4-c.jpeg|222px]] 
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;vertical-align: top;width: 50%;"|[[Image:Draft_Iriarte Legarreta_691170836-image5.jpeg|258px]] 
|-
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;vertical-align: top;"|<span style="text-align: center; font-size: 75%;">''Vista frontal''</span>
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;vertical-align: top;"|<span style="text-align: center; font-size: 75%;">''Vista trasera''</span>
|}

<div class="center" style="width: auto; margin-left: auto; margin-right: auto;">
<span style="text-align: center; font-size: 75%;">''Figura 2: Útil de soldadura fabricado''</span></div>


En la placa base se disponen los electrodos y los elementos auxiliares para el posicionamiento de las probetas a soldar. Como puede observarse en la <span id='cite-_Ref130549230'></span>[[#_Ref130549230|Figura 3]], la mesa dispone de ranuras que permiten el desplazamiento de los electrodos y elementos auxiliares para poder alojar probetas o elementos a soldar de mayor tamaño.

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 [[Image:Draft_Iriarte Legarreta_691170836-image6.jpeg|222px]] </div>

<div id="_Ref130549230" class="center" style="width: auto; margin-left: auto; margin-right: auto;">
<span style="text-align: center; font-size: 75%;">''Figura 3: Vista de la mesa del utillaje de soldadura''</span></div>


Una vez fabricado el utillaje, se comienza la fabricación y caracterización de probetas unidas mediante soldadura termoplástica, donde se realiza la validación y se comprueba el correcto funcionamiento.<span id="_Toc11745207"></span><span id="_Toc108093833"></span><span id="_Hlk108083429"></span>

== 3. Pruebas preliminares ==
'''<nowiki/>'''La puesta a punto del proceso de soldadura de materiales compuestos termoplásticos de fibra de carbono ha requerido el ajuste de distintos parámetros como presiones de compactación, tiempos y potencias de calentamiento y espesores de los films termoplásticos utilizados para llegar a una solución satisfactoria. La calidad de las uniones obtenidas se ha evaluado mediante ensayos de SLS.

Para la evaluación de las temperaturas alcanzadas durante el proceso se han colocado termopares tanto en la superficie exterior como en la superficie de soldadura, pero una vez evaluado el gradiente de temperatura a través del espesor de la probeta se ha eliminado el termopar de la superficie de unión para asegurar que la presión aplicada es uniforme. En la intercara de soldadura se han colocado dos films termoplásticos que embeben el elemento resistivo de tal forma que éste contacta directamente con los electrodos. Una de las funciones de los films termoplásticos es aislar eléctricamente el elemento resistivo de las fibras de carbono de las probetas a unir. Una vez colocados todos los elementos de la soldadura se ha aplicado presión tanto en los electrodos como en la probeta. A partir de este momento se ha suministrado potencia mediante el sistema de alimentación desarrollado por Tecnalia que cuenta con una fuente regulable controlada por un software que también dispone de capacidad de adquisición de datos de los termopares. La estrategia de calentamiento que se ha utilizado es la aplicación de una potencia constante para que el tiempo de soldadura sea el seleccionado previamente.

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 [[Image:Draft_Iriarte Legarreta_691170836-image8-c.jpeg|276px]] </div>

<div class="center" style="width: auto; margin-left: auto; margin-right: auto;">
<span style="text-align: center; font-size: 75%;">''Figura 4: Colocación de elementos de soldadura''</span></div>


El objetivo del proceso es alcanzar la temperatura de fusión de la matriz del material termoplástico a unir en la intercara de la soldadura de manera homogénea.

En la <span id='cite-_Ref134545307'></span>[[#_Ref134545307|Figura 5]] se representan los parámetros eléctricos y temperaturas en superficie de una de las pruebas realizadas para la soldadura de probetas carbono/PPS. En este caso se ha aplicado una potencia de 90W, alcanzando una temperatura máxima cercana a los 170ºC en superficie en aproximadamente 3min. La temperatura estimada en la intercara de soldadura es 100ºC superior a la temperatura de la superficie.

<div class="center" style="width: auto; margin-left: auto; margin-right: auto;">
 [[Image:Draft_Iriarte Legarreta_691170836-image9.png|414px]] </div>

<div id="_Ref134545307" class="center" style="width: auto; margin-left: auto; margin-right: auto;">
<span style="text-align: center; font-size: 75%;">''Figura 5: Parámetros eléctricos y lectura de los termopares''</span></div>


La siguiente gráfica y tabla muestran los resultados de ensayo de cortadura simple para las probetas obtenidas. Estos ensayos se han realizado haciendo una adaptación de la norma ISO 4587 (Adhesives - Determination of tensile lap-shear strength of rigid-to-rigid bonded assemblies). Como se observa en la <span id='cite-_Ref131417444'></span>[[#_Ref131417444|Tabla 1]] se obtienen valores de resistencia de la unión entre 12,2 y 13,5MPa.



<div class="center" style="width: auto; margin-left: auto; margin-right: auto;">
 [[Image:Draft_Iriarte Legarreta_691170836-image10-c.png|432px]] </div>

<div class="center" style="width: auto; margin-left: auto; margin-right: auto;">
<span style="text-align: center; font-size: 75%;">''Figura 6: Gráfica fuerza-desplazamiento obtenida durante el ensayo''</span> <span style="text-align: center; font-size: 75%;">''de cortadura simple (SLS)''</span></div>

{| style="width: 81%;margin: 1em auto 0.1em auto;border-collapse: collapse;" 
|-
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;"|Probeta
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;"|Fuerza [N]
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;"|Área [mm<sup>2</sup>]
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;"|Resistencia a la tracción [MPa]
|-
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;"|1
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;"|2295,06
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;"|187,5
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;"|12,2
|-
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;"|2
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;"|2521,99
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;"|187,5
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;"|13,5
|}

<div id="_Ref131417444" class="center" style="width: auto; margin-left: auto; margin-right: auto;">
<span style="text-align: center; font-size: 75%;">''Tabla 1. Resultados ensayo de cortadura simple (SLS)''</span></div>

Durante las pruebas preliminares se ha conseguido poner a punto el proceso de soldadura a nivel probeta de componentes de matriz termoplástica de PPS y refuerzo de fibra de carbono. El procedimiento desarrollado genera uniones adecuadas, pero presenta la limitación de presentar fugas de corriente entre el elemento resistivo y las probetas a soldar al acercarse el film de PPS a sus temperaturas de fusión. Para poder aumentar el control sobre el proceso sería ventajosa la fabricación de las placas con una capa adicional de fibra de vidrio en las superficies a unir, lo que evitaría la fuga de corriente.

==4. Soldadura de un demostrador aeronáutico==

Tras la puesta a punto del proceso de soldadura a nivel de probeta se procede a la soldadura de un elemento representativo de conjunto del sector aeronáutico. El elemento seleccionado es una piel de material carbono/PPS fabricado por Sofitec al que se le sueldan dos perfiles en L. La fabricación de este perfil se describe en el trabajo “TECNOLOGÍAS DE FABRICACIÓN AVANZADA EN MATERIAL COMPUESTO TERMOPLÁSTICO DIRIGIDAS AL SECTOR AERONÁUTICO” realizado por Mariasun Mendizabal y presentado en este congreso. La anchura del perfil en L a soldar requiere también un cambio de anchura en el elemento resistivo, ya que éste tiene que cubrir toda la superficie de unión. También debe cambiarse el elemento pisador para aplicar la presión de compactación, como se muestra en la siguiente imagen:

<div class="center" style="width: auto; margin-left: auto; margin-right: auto;">
 [[Image:Draft_Iriarte Legarreta_691170836-image11-c.jpeg|270px]] </div>

<div class="center" style="width: auto; margin-left: auto; margin-right: auto;">
<span style="text-align: center; font-size: 75%;">''Figura 7: Nuevo elemento pisador fabricado para la soldadura del demostrador.''</span></div>


El escalado se realiza aplicando una densidad de potencia similar a la que se ha aplicado en las uniones a nivel probeta.

Para el montaje se sigue el mismo procedimiento explicado anteriormente para la soldadura de probetas. Se aplica presión en el conjunto y se procede a la alimentación eléctrica del sistema aplicando tres niveles de potencia de forma incremental (30, 130 y 240W) para realizar el calentamiento en etapas.

{| style="width: 100%;border-collapse: collapse;" 
|-
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;vertical-align: top;width: 49%;"|[[Image:Draft_Iriarte Legarreta_691170836-image12.jpeg|204px]] 
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;vertical-align: top;width: 50%;"|[[Image:Draft_Iriarte Legarreta_691170836-image13.jpeg|204px]] 
|-
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;vertical-align: top;"|<span style="text-align: center; font-size: 75%;">''Colocación de la piel en el útil de soldadura''</span>
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;vertical-align: top;"|<span style="text-align: center; font-size: 75%;">''Colocación de los films de PPS y el elemento resistivo''</span>
|-
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;vertical-align: top;width: 49%;"|[[Image:Draft_Iriarte Legarreta_691170836-image14.jpeg|210px]] 
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;vertical-align: top;width: 50%;"|[[Image:Draft_Iriarte Legarreta_691170836-image15.jpeg|204px]] 
|-
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;vertical-align: top;"|<span style="text-align: center; font-size: 75%;">''Colocación del perfil en L a soldar y del útil de presión''</span>
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;vertical-align: top;"|<span style="text-align: center; font-size: 75%;">''Dispositivo de soldadura con los pistones y el pisador central ejerciendo presión''</span>
|}

<div class="center" style="width: auto; margin-left: auto; margin-right: auto;">
<span style="text-align: center; font-size: 75%;">''Figura 8:Proceso de soldadura del demostrador.''</span></div>


En 1min 31s se alcanza la temperatura máxima en uno de los termopares (202ºC) mientras que en ese mismo instante la menor temperatura que registran los termopares es de 193ºC, con lo que se considera que el proceso de fusión ya se ha verificado.

<div class="center" style="width: auto; margin-left: auto; margin-right: auto;">
 [[Image:Draft_Iriarte Legarreta_691170836-image16.png|366px]] </div>

<div id="_Hlk107831507" class="center" style="width: auto; margin-left: auto; margin-right: auto;">
<span style="text-align: center; font-size: 75%;">''Figura 9: Soldadura L1-Parámetros eléctricos y lectura de los termopares''</span></div>


Una vez concluido el proceso se observa la presencia de un cordón de soldadura continuo a lo largo de todo el perímetro de la soldadura piel-perfil L que confirma la fusión del termoplástico.

<div class="center" style="width: auto; margin-left: auto; margin-right: auto;">
 [[Image:Draft_Iriarte Legarreta_691170836-image17.jpeg|168px]] </div>

<div class="center" style="width: auto; margin-left: auto; margin-right: auto;">
<span style="text-align: center; font-size: 75%;">''Figura 10: Cordón de soldadura a través de todo el perímetro de la probeta''</span></div>


El mismo proceso se repite para realizar la soldadura del segundo perfil en L. Tanto los parámetros eléctricos como las temperaturas obtenidas en esta ocasión son muy similares a los obtenidos durante el proceso de soldadura de la primera L lo que es indicativo de la repetitividad del proceso. Al igual que en la primera L, aparece un cordón de soldadura a lo largo de toda la longitud de la probeta. El resultado del demostrador final se muestra a continuación:

<div class="center" style="width: auto; margin-left: auto; margin-right: auto;">
 
{|
|-
| [[Image:Draft_Iriarte Legarreta_691170836-image18-c.jpeg|162px]]
| [[Image:Draft_Iriarte Legarreta_691170836-image19-c.jpeg|center|168px]]
|}
</div>

<div class="center" style="width: auto; margin-left: auto; margin-right: auto;">
<span style="text-align: center; font-size: 75%;">''Figura 11: Aspecto de los 2 perfiles L soldados a la base''</span></div>

==5. Conclusiones==

Se ha fabricado el demostrador de elemento representativo de conjunto del sector aeronáutico que consta de una piel a la que se sueldan dos perfiles en L: El proceso de soldadura llevado a cabo y los parámetros eléctricos y térmicos obtenidos muestran la repetitividad de este proceso. Esta tecnología podría ser fácilmente escalable para la soldadura de elementos de mayor tamaño y diferentes geometrías.

==Agradecimientos==

Este trabajo se enmarca en el proyecto PLASTAIR elaborado en colaboración SOFITEC y TECNALIA, presentado dentro de la modalidad Cervera.