joining techniques

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1 Joining composites 14/11/2013 Composites Ives De Baere and Joris Degrieck – 20132014 Introduction Joints should be avoided as much as possible, it always causes stress concentrations and quite often, failure occurs at the joint or close to it occurs at the joint, or close to it. With composites, it is possible to manufacture very complex structures in one piece. However, in some cases, this is not possible, or dissassembly is necessary For complex joints, with 3D loads, a metal connection element can be preferred, because of its isotropic nature. 14/11/2013 Composites Ives De Baere and Joris Degrieck – 20132014 Why are mechanical fasteners used? Usually to join composite parts with other (metal) parts When it is absolutely necessary to allow disassembly

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Page 1: Joining Techniques

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Joining composites

14/11/2013 1CompositesIves De Baere and Joris Degrieck – 2013‐2014

Introduction

• Joints should be avoided as much as possible, it always causes stress concentrations and quite often, failure occurs at the joint or close to itoccurs at the joint, or close to it.

• With composites, it is possible to manufacture very complex structures in one piece. However, in some cases, this is not possible, or dissassembly is necessary

• For complex joints, with 3D loads, a metal connection element can be preferred, because of its isotropic nature.

14/11/2013 2CompositesIves De Baere and Joris Degrieck – 2013‐2014

Why are mechanical fasteners used?

• Usually to join composite parts with other (metal) parts

• When it is absolutely necessary to allow disassembly

Page 2: Joining Techniques

2

Possibilities for connecting composite parts

• Mechanical fastening

– Bolts

– rivets

• Adhesive bonding

• Combined mechanical‐adhesive bonding

• Fusion bonding (thermoplastics only)

14/11/2013 3CompositesIves De Baere and Joris Degrieck – 2013‐2014

Types of mechanical fasteners

• Bolts

– With or without chamfered head (countersunk)

14/11/2013 4CompositesIves De Baere and Joris Degrieck – 2013‐2014

Page 3: Joining Techniques

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Example of bolts in (segmented) turbine blades

14/11/2013 5CompositesIves De Baere and Joris Degrieck – 2013‐2014

Example of bolts in (segmented) turbine blades

Carrot T‐bolt

14/11/2013 6CompositesIves De Baere and Joris Degrieck – 2013‐2014

Page 4: Joining Techniques

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Example of bolts in (segmented) turbine blades

Connection using imbedded bolts

14/11/2013 7CompositesIves De Baere and Joris Degrieck – 2013‐2014

777

Bron: SANDIA REPORTSAND2008‐4648Unlimited ReleasePrinted July 2008Blade System Design Studies Phase II:Final Project ReportDerek S. Berry

Mounting a turbine blade, using the T‐bolts

14/11/2013 8CompositesIves De Baere and Joris Degrieck – 2013‐2014

http://youtu.be/xFI3Dy2k6oQ

Page 5: Joining Techniques

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Types of mechanical fasteners

• Rivets

– Normal rivets(access to both sides is necessary)

– Blind rivets(access to only one side suffices)

14/11/2013 9CompositesIves De Baere and Joris Degrieck – 2013‐2014

Rivets to attach stiffeners in an airplane wing

14/11/2013 10CompositesIves De Baere and Joris Degrieck – 2013‐2014

Page 6: Joining Techniques

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Most common test methods for mechanical fasteninga) Unstabilized single shear b) double‐shear test c) Stabilized single shear

14/11/2013 11CompositesIves De Baere and Joris Degrieck – 2013‐2014

Mechanical fastening: other possible geometries

14/11/2013 12CompositesIves De Baere and Joris Degrieck – 2013‐2014

Page 7: Joining Techniques

7

Most common failure modes for mechanical fastening

14/11/2013 13CompositesIves De Baere and Joris Degrieck – 2013‐2014

Most common failure modes for mechanical fastening

14/11/2013 14CompositesIves De Baere and Joris Degrieck – 2013‐2014

14

Page 8: Joining Techniques

8

Most common failure modes for mechanical fastening

14/11/2013 15CompositesIves De Baere and Joris Degrieck – 2013‐2014

15

Most common failure modes for mechanical fastening

14/11/2013 16CompositesIves De Baere and Joris Degrieck – 2013‐2014

16

Page 9: Joining Techniques

9

Most common failure modes for mechanical fastening

14/11/2013 17CompositesIves De Baere and Joris Degrieck – 2013‐2014

17

Mechanical connections

Advantages

• Higher resistance against the environment (temperature and moisture)

• Higher resistance against fatigue (lower stress concentrations)

• High reliability

• Possibility for repetitive assembly and disassembly

14/11/2013 18CompositesIves De Baere and Joris Degrieck – 2013‐2014

18

• High reproducibility

• Easy to inspect

• No specific surface preparations necessary

Page 10: Joining Techniques

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Mechanical connections

Disadvantages

• Necessity to drill/provide holes– Specific tools to drill

– Significant wear on the drilling tools (unless waterjet or lasercutting is considered)

– Possibility of inducing (significant) damage in the vicinity of the holes (both drilling and waterjet)

– Creating extra free edges (delaminations)

• Stress concentrations in the vicinity of the holes

• Combining orthotropic material and isotropic

14/11/2013 19CompositesIves De Baere and Joris Degrieck – 2013‐2014

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• Combining orthotropic material and isotropic material results in stress concentrations

• Different thermal expansion

• Possible galvanic corrosion

What about sandwich materials?

Inserts, embedded during or after manufacturing

14/11/2013 20CompositesIves De Baere and Joris Degrieck – 2013‐2014

Page 11: Joining Techniques

11

Sandwich materials: Blind insert

14/11/2013 21CompositesIves De Baere and Joris Degrieck – 2013‐2014

19/01/04 21

Sandwich materials 

14/11/2013 22CompositesIves De Baere and Joris Degrieck – 2013‐2014

19/01/04 22

Page 12: Joining Techniques

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Possibilities for connecting composite parts

• Mechanical fastening

– Bolts

– rivets

• Adhesive bonding

• Combined mechanical‐adhesive bonding

• Fusion bonding (thermoplastics only)

14/11/2013 23CompositesIves De Baere and Joris Degrieck – 2013‐2014

Adhesive bonding

Advantages

• Fairly high ratio of strength to mass

• Possibility of smooth surfaces (depending on the geometry)Possibility of smooth surfaces (depending on the geometry)

• Low number of parts (two + adhesive layer)

• No need to provide holes

• No stress concentrations due to holes or resulting damage are present

• Galvanic corrosion of metal fasteners is not present– When composite parts are joined with metal parts this off course

14/11/2013 24CompositesIves De Baere and Joris Degrieck – 2013‐2014

When composite parts are joined with metal parts, this off course remains an issue

• Can be quite cheap (but not necessarily)– To lower the production cost, the adhesive can be co‐cured with the 

pre‐cured parts

24

Page 13: Joining Techniques

13

Adhesive bonding

Disvantages

• Sometimes extensive surface preparation necessary– Roughening/grinding/sandblasting of the surfaces– Roughening/grinding/sandblasting of the surfaces

– Cleaning/degreasing of the surfaces

– Applying extra chemical agents

• Large stress concentrations, depending on the used geometry

• Curing/hardening can be time consuming

N t l k h th h i l ti ill

14/11/2013 25CompositesIves De Baere and Joris Degrieck – 2013‐2014

• Not always known how the mechanical properties will change over time– Ageing due to UV‐light, temperature

• Can be susceptive to creep

25

Commonly used adhesive joint geometries

14/11/2013 26CompositesIves De Baere and Joris Degrieck – 2013‐2014

Page 14: Joining Techniques

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Some design criteria for adhesive joints

• Main objective:

– Adhesive joint should have longer life than its constituents

• Consequences

– Surface of the elements should be prepared properly

– Failure due to creep in the adhesive is not

14/11/2013 27CompositesIves De Baere and Joris Degrieck – 2013‐2014

Failure due to creep in the adhesive is not tolerated

27

Some design criteria for adhesive joints

• Consequences (cont.)‐ Avoid or lower the number of discontinuities in the construction (stress concentrations)the construction (stress concentrations)

‐ Static loading should not exceed the yield stress of the adhesive film

‐ Fatigue: adhesive layer should only take elastic loads

‐ Avoid normal stresses, load the adhesive in shear

14/11/2013 28CompositesIves De Baere and Joris Degrieck – 2013‐2014

28

,

‐ In case of a metal constituent: as soon as the metal yields, consider failure of the adhesive/joint

Page 15: Joining Techniques

15

Stress analysis in adhesive joints

• Theory of Volkersen

• Theory of Goland and Reisner

• Finite element modelling

14/11/2013 29CompositesIves De Baere and Joris Degrieck – 2013‐2014

Stress analysis according to Volkersen

• Simple elastic analysis

• Joining elements are considered as membranes, so they cannot take a bending moment

• Tensile stresses normal to the adhesive layer (=peel stress) is not considered.

• Maximum shear stress are expected near the 

14/11/2013 30CompositesIves De Baere and Joris Degrieck – 2013‐2014

30

pends. However, these are free surfaces, so stress must be zero  singularity

Page 16: Joining Techniques

16

Volkersen – double lap specimen (no bending)

2PP

t1t2ta

y

x1.cosh

x.cosh.1k

sinhgem

x K.K.K.

K 21

21

21

21

2

1 2.

with anda KG t t

Px

14/11/2013 31CompositesIves De Baere and Joris Degrieck – 2013‐2014

31

Ref. : VOLKERSEN, O., « Die Nietkraftverteilung in Zugbeanspruchten Nietverbindungen mit konstanten Laschenquerschnitten. «Luftfahrtforschung, 15, pp. 41 – 47, (1938)

2 1

with and.

a

KEt t t

Influence of the overlap length of the adhesive layer (Volkersen)

(x) [MPa]

max

min

SCF

14/11/2013 32CompositesIves De Baere and Joris Degrieck – 2013‐2014

32

Increasing the overlap hardly increases the maximum shear stress, but the stress concentration factor (SCF) increases almost linearly

Page 17: Joining Techniques

17

Influence of the shear modulus of the adhesive (Volkersen)

(x) [MPa]

14/11/2013 33CompositesIves De Baere and Joris Degrieck – 2013‐2014

33

Increasing the shear modulus of the adhesive increases the shear stress and the SCF

Influence of the adhesive thickness (Volkersen)(x) [MPa]

14/11/2013 34CompositesIves De Baere and Joris Degrieck – 2013‐2014

34

Increasing the adhesive thickness results in a lower SCF

Page 18: Joining Techniques

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Volkersen for single lap shear

With

Where

14/11/2013 35CompositesIves De Baere and Joris Degrieck – 2013‐2014

Lucas F.M. daSilva, Paulo J.C. dasNeves, R.D. Adams, A. Wang, J.K. Spelt.  Analytical models of adhesively bonded joints ‐ PartII: Comparative study. int. J. Adhes Adhes 2009; 29: 331‐341.

Stress analysis according to Goland –Reissner

• Limitations:– Thickness of the adhesive layer should be small with respect to the thickness of the adherendsrespect to the thickness of the adherends

– Visco‐elastic behaviour

• Hypotheses:– Stresses in the adhesive layer are constant through the thickness

– Plane strain assumption, deformations perpendicular to the loading direction are allowed

14/11/2013 36CompositesIves De Baere and Joris Degrieck – 2013‐2014

36

the loading direction are allowed

– Acting loads: axial load + bending moment

Page 19: Joining Techniques

19

Goland‐Reisner: adhesive shear stress

tat

2c

x

z

P

P

With

2c

14/11/2013 37CompositesIves De Baere and Joris Degrieck – 2013‐2014

Goland‐Reisner: adhesive Peel stress

With

Where

14/11/2013 38CompositesIves De Baere and Joris Degrieck – 2013‐2014

Lucas F.M. daSilva, Paulo J.C. dasNeves, R.D. Adams, A. Wang, J.K. Spelt.  Analytical models of adhesively bonded joints ‐ PartII: Comparative study. int. J. Adhes Adhes 2009; 29: 331‐341.

Page 20: Joining Techniques

20

Stress distribution for a low shear modulus (Goland ‐ Reissner)

avg

14/11/2013 39CompositesIves De Baere and Joris Degrieck – 2013‐2014

39

• Ga= 10,55 MPa

• Ea = 35,85 MPa

• ta =  0,18 mm

Stress distribution for a high shear modulus (Goland ‐Reissner)

• Ga= 1,24 GPa

• Ea = 3,45 GPa

• ta =  0,08 mm

14/11/2013 40CompositesIves De Baere and Joris Degrieck – 2013‐2014

40

avg

Page 21: Joining Techniques

21

Finite element simulation

2 mm

1 mm

• 2D model, to reduce calculation time

• Simple elastic simulation with non‐linear deformations

• No cohesive layers necessary to illustrate the stress distribution

14/11/2013 41CompositesIves De Baere and Joris Degrieck – 2013‐2014

• A very dense mesh is necessary to capture the behaviour, especially near the free edges of the adhesive layer

Finite element simulation

14/11/2013 42CompositesIves De Baere and Joris Degrieck – 2013‐2014

• Both Volkersen and Goland‐Reisner are accurate predictions

• Only the FEM can capture the shear behaviour on the free edge

Page 22: Joining Techniques

22

Critical length of an adhesive joint

Such a critical lenght exits

Double

overlap

h Such a critical lenght exits 

• for every joint configuration

• for every material combination

Single

overlap

Joint strength

14/11/2013 43CompositesIves De Baere and Joris Degrieck – 2013‐2014

43

Overlap length

Influence of temperature on the adhesive

[MPa]a

14/11/2013 44CompositesIves De Baere and Joris Degrieck – 2013‐2014

44

[mm/mm]a

Page 23: Joining Techniques

23

General remarks

• The (shear) stress distribution will have higher stress concentrations when:

Th dh i l i hi– The adhesive layer is thinner

– The adhesive layer is longer

– The adhesive is stiffer

• Ageing in general will have an important influence

• There is a critical length

14/11/2013 45CompositesIves De Baere and Joris Degrieck – 2013‐2014

• Assessment of the different parameters:http://users.ugent.be/~sfjacque/FlandersDrive

Common errors in adhesive joints

• Strokes (by hand) on the adhesive surface

• Cold area’s during curing

• Curing time too short

• Porosities – inclusions and other foreign contents

• Dry spots

• Discontinuities in the adhesive layer

• ‘Kissing bond’ surfaces touch each other or the

14/11/2013 46CompositesIves De Baere and Joris Degrieck – 2013‐2014

46

• Kissing bond   surfaces touch each other or the adhesive layer, but no effective bond has formed. Very dangerous, as this is very difficult to detect.

Page 24: Joining Techniques

24

Possibilities for connecting composite parts

• Mechanical fastening

– Bolts

– rivets

• Adhesive bonding

• Combined mechanical‐adhesive bonding

• Fusion bonding (thermoplastics only)

14/11/2013 47CompositesIves De Baere and Joris Degrieck – 2013‐2014

Combined mechanical‐adhesive bonding

• The mechanical fasteners takes the general load

• The adhesive layer provides a margin against shearfailure

• Design so that the adhesive film introduces the forces into the joint, before the constituents deform/move to load the mechanical fastener  difficult

• When properly designed, they are usually better than both mechanical and adhesive joints:

• Failure modes

14/11/2013 48CompositesIves De Baere and Joris Degrieck – 2013‐2014

48

– Failure in tension of the constituents

– Interlaminar failure of the constituent

Page 25: Joining Techniques

25

Possibilities for connecting composite parts

• Mechanical fastening

– Bolts

– rivets

• Adhesive bonding

• Combined mechanical‐adhesive bonding

• Fusion bonding (thermoplastics only)

14/11/2013 49CompositesIves De Baere and Joris Degrieck – 2013‐2014

Fusion bonding

• Only for thermoplastics (at least one part)

• Consists of

– Surface preparation (if necessary)

– Heating the polymer to a viscous state

– Physically causing polymer chains to interdiffuse

– Cooling of the joint for consolidation

14/11/2013 50CompositesIves De Baere and Joris Degrieck – 2013‐2014

• Classification

– Usually based on the heat generation (friction, thermal or electromagnetic)

Page 26: Joining Techniques

26

Fusion bonding techniques

ThermalWelding

Friction WeldingElectromagnetic

Welding

Hot Tool Welding

Hot Gas welding

Extrusion Welding

Spin Welding

Vibration Welding

Ultrasonicldi

Induction Welding

Dielectric Welding

Microwaveldi

14/11/2013 51CompositesIves De Baere and Joris Degrieck – 2013‐2014

Infrared Welding

Laser Welding

Welding

Stir Welding

Welding

ResistanceWelding

Friction Welding

• Generation of heat at a joint interface fromfrictional work under pressure, followed bycooling and consolidation

14/11/2013 52CompositesIves De Baere and Joris Degrieck – 2013‐2014

Page 27: Joining Techniques

27

Linear vibration welding• Main advantages

– High production rates– Short cycle times– Ability to weld a number of components

Weld interface

Ability to weld a number of componentssimultaneously

– Small to medium sized parts– Easy process control– Insensitive to surface preparation

• Disadvantages– Not suitable for not‐flat specimens– Causes fibre distortion/displacement at the

14/11/2013 53CompositesIves De Baere and Joris Degrieck – 2013‐2014

– Causes fibre distortion/displacement at the interface

– Expensive machinerie

• Applications– Automotive (light assembly, spoilers, 

instrument panels, reservoirs, …)

http://www.youtube.com/watch?v=iG3t0Q7UuCU

Spin Welding• Main advantages

– High weld quality– High speed– SimplicitySimplicity– High reproducibility– Little surface preparation necessary

• Main disadvantage– Non‐uniform heat distribution 

(heating depends on relative linearvelocity V=R x ), thus yieldingresidual stresses

14/11/2013 54CompositesIves De Baere and Joris Degrieck – 2013‐2014

• Appliciations– Tubes and circular parts (e.g. sealing

a water‐filled compass)– Attaching studs to plastic parts

Page 28: Joining Techniques

28

Ultrasonic Welding

• Uses a high (ultrasonic, e.g. 20 to 40kHz) frequency mechanical vibration to weld.

• Vertical or parallel oscillation is possible

• Heat generation: surface and intermolecular

• Energy directors are often used/necessary

– Design is important for the quality of the weld

14/11/2013 55CompositesIves De Baere and Joris Degrieck – 2013‐2014

Ultrasonic Welding

• Main advantageFast and clean process– Fast and clean process

• Main disadvantage– Need for energy directors (not always 

possible on sheet components)– Risk of fibre disruption at interfaces– Heat conduction in carbon, resulting in 

long weld times– It is spot welding (difficult but not

14/11/2013 56CompositesIves De Baere and Joris Degrieck – 2013‐2014

It is spot welding (difficult, but not impossible, to weld larger area’s)

– Expensive equipment

• Application– Automotive parts, floppy disks, medical 

deviceshttp://www.youtube.com/watch?v=A2uFi65IWxM

Page 29: Joining Techniques

29

Friction Stir Welding• Originally developed for aluminium (1991), but also succesfully 

applied for composites.

• Two parts are firmly pushed together and a metal tool drills and plunges into the parts The softened polymer is stirred andplunges into the parts. The softened polymer is stirred and forged behind the trailing face of the head pin (HP)

• Great potention for particle‐filled and short‐fibre reinforced thermoplastics

• Careful design of the HP and accurate control of 

14/11/2013 57CompositesIves De Baere and Joris Degrieck – 2013‐2014

the process could improve fibre breakage at the interface

• more research needed

Thermal Welding

• Consists of two stages

– An external heating stage

– A forging stage

• A heat source applies heat directly on both surfaces to melt the matrix. Then, the heat source is removed and the bonding surfaces are brought in contact under a forging pressure.

14/11/2013 58CompositesIves De Baere and Joris Degrieck – 2013‐2014

• Limitations lie in the size of the components (entire welding surface heated in one stage), long heating time and high welding pressures needed.

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Hot‐Tool (or plate) Welding

• Main advantages– Surface temperature can be accurately controlled

– Surface inaccuracies can taken into account

– It can handle complex geometries

• Main disadvantage

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• Main disadvantage– Melted polymer is likely to stick to the tool and non‐stick materials (teflon) tend to break down at high temperature (teflon: 200°C)

• Appliciations– Automotive (battery cases, fuel tanks, …)

– Infrastructure (gas and water pipelines, …)

Infrared welding

• Surfaces to be bonded are exposed to intense infrared radiotion, usually produced by high intensity quartz lampsintensity quartz lamps.

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Page 31: Joining Techniques

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Infrared welding

• Main advantage– Fast process– Can join combinationsCan join combinations of flat and curved parts

– Strong welds are possible

– Automization is possible

• Main disadvantage– Possible

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Possible deconsolidation

– Warpage of substrates during heating

Hot gas and extrusion welding

• Similar to gas welding of metals• Thermoplastic filler rod is pushed into the groove• Extrusion: molten filler is extruded into the joint• Slow process not suitable for high production

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• Slow process, not suitable for high production rates

• Only suited for particle filled or short fibre composites

Page 32: Joining Techniques

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LASER welding

• Mostly used for metals, but can be used for composites

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• Laser transmission welding is also possible

• Usually only considered for the tape laying process

Electromagnetic welding

• A high frequency magnetic field causes magnetic materials at the weld interface to get hot and start melting the surroundingget hot and start melting the surrounding matrix.

• Then, molten polymer diffuses under the applied pressure to form a bond.

• When necessary, inserts or powders such as 

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iron oxide, stainless steel, ferrite and graphite are added in the polymer matrix between the parts to be joined.

Page 33: Joining Techniques

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Induction welding

• High frequency electromagnetic field (200‐500kHz) heats up an implant in the joint

• Implant can be a foil or particles, typically containing 

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some polymer for adequate flow and consolidation, e.g. a polymer impregnated metal mesh

Induction welding

• Weld depends on uniform heating which depends on• Weld depends on uniform heating, which depends on the uniformity of the magnetic field. Hence, the coil design is very important.

– Single: magnetic field around the inner diameter

– Multi turn: for remote areas

– Pancake: for large flat areas

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Pancake: for large flat areas

Page 34: Joining Techniques

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Induction welding

• Main advantage

– Fast and clean process

– Complex geometries

– Weld can be reopened by induction re‐heating

• Main disadvantage

– High cost of insert materials

f h d b h b dl

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– Non‐uniform heat distribution in the bondline

– Difficult to weld large parts

Dielectric welding

• Electric field in the MHz region

• Polymers with high dielectric loss factor convert some of the field energy into heat

14/11/2013 68CompositesIves De Baere and Joris Degrieck – 2013‐2014

• Main problem is bulk heating of the entire element

• Mostly used  for heating and melting of thermoplastics and curing of thermosets

Page 35: Joining Techniques

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Microwave heating

• Intense microwave energy in GHz region applied to electromagnetic absorbent material

• Can also be made as contionuous process, but 

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p ,shielding is required.

• It is clean and fast, but for smaller size parts (dimensions of the oven)

Resistance welding

• Uses an electrically resistive element (metal mesh or b h)

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carbon mesh)

• Electrical current is applied, to generate Joules heat

• Insulation of the mesh improves the weld quality, as it prevents current leakage

Page 36: Joining Techniques

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Resistance welding

• Main advantages– Fast, simple, clean and cheap

A li bl f l t t– Applicable for larger structures

• Main disadvantages– Because of power limitations, only narrow welds are possible

– Implant remains inside the weld (can cause stress concentrations)

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)

• Applications– Automotive

– Aerospace (leading edge of Airbus A340 and A380)