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在大型或復(fù)雜器械結(jié)構(gòu)生產(chǎn)、組裝時，構(gòu)件間的連接尤為重要。傳統(tǒng)的復(fù)合材料連接技術(shù)具有一些明顯缺陷。針對熱塑性復(fù)合材料，人們一邊深入探索新型高效的機械連接和膠接方法的同時，一邊著眼于具有巨大潛力的超聲焊接技術(shù)。針對熱塑性復(fù)合材料各類連接技術(shù)，對它們的特點、應(yīng)用及研究現(xiàn)狀進行概述，重點論述了超聲焊接如何應(yīng)用于熱塑性復(fù)合材料的生產(chǎn)過程。

 

熱塑型復(fù)合材料

 

熱塑性復(fù)合材料主要有三種材料形式。提供的玻璃纖維或碳纖維織物，并選用PEEK、PEI、PA和PPS樹脂為基體。

 

第一類是使用普通玻璃纖維或碳纖維編織的織物預(yù)浸料，織物內(nèi)包含熱塑性樹脂。

 

第二類是增強熱塑性層壓板。這些材料是多層取向的層壓板，分為1至20層，長度從12英尺到4英尺不等。

 

第三類是增強熱塑性層壓板。這些材料是多層取向的層壓板，分為1至20層，長度從12英尺到4英尺不等。

 

熱塑型復(fù)合材料的優(yōu)勢

 

熱塑性復(fù)合材料成熟應(yīng)用已經(jīng)有數(shù)十年的歷史了，熱塑性復(fù)合材料的系列優(yōu)點如下所示：

 

能夠在短周期時間內(nèi)，實現(xiàn)零部件的熱成型制造。

 

具有優(yōu)異的抗損傷性和韌性。

 

水分吸收率低。

 

可以在室溫下儲存，這就使得可以不受時間限制而生產(chǎn)更大的結(jié)構(gòu)。

 

零件可以重新成型。

 

阻燃性。

 

與熱固性塑料相比，熱塑性復(fù)合材料通常具有更高的韌性。這是一個額外的好處，因為即使存在內(nèi)部損壞，復(fù)合材料也通常不會表現(xiàn)出表面損壞。對于復(fù)合材料而言，當(dāng)發(fā)生內(nèi)部裂紋時，表面可以保持不變。因此，擁有一個能夠抵抗裂紋擴展且不易受到損壞的基體系統(tǒng)是一大好處。

 

室溫保存。熱塑性預(yù)浸料可以保持在室溫下，而不會降低性能，因為熱塑性復(fù)合材料無需擔(dān)心化學(xué)反應(yīng)。這消除了對冷藏運輸和冷藏的要求，而冷藏往往會使熱固性復(fù)合材料的物流變得更加復(fù)雜。由于不用考慮超時時間，因此也可以使用更復(fù)雜的零件。

 

再成型。熱塑性材料可以重新成型加工，因為熱塑性樹脂可以多次冷卻和加熱而不會影響性能。使用后的零件可以分解，并用作壓縮成型或注射成型等替代工藝的原料。

 

更高的加工溫度。使用熱塑性復(fù)合材料時，一個要考慮的問題是要求在明顯高于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的溫度下加工聚合物。玻璃化轉(zhuǎn)變溫度通常被視為聚合物的使用溫度。

 

常見的連接與焊接的方法

 

1．機械連接。機械連接雖然有連接效率低的缺點，但其突出的優(yōu)點是安全可靠、傳遞大載荷、可重復(fù)裝配和拆卸。

 

2．膠黏連接。膠黏連接是一種能夠傳遞均勻應(yīng)力的高效連接方式，減重的同時提高了抗疲勞和耐腐蝕能力。在實際生產(chǎn)中，由于膠接受工藝影響較大，并且復(fù)合材料與膠層界面復(fù)雜，基體/膠層界面的黏接強度難以準(zhǔn)確測定。從其破壞形式可知，要獲得承載性能最佳的膠接接頭，需要提高膠黏劑和基材之間、層合板層間的界面結(jié)合強度，使最終破壞形式傾向于膠層內(nèi)聚破壞，最大化發(fā)揮膠黏劑性能。

 

3．熔融焊接。在連接復(fù)合材料時，使用機械連接預(yù)制孔會破壞增強纖維，而影響整體結(jié)構(gòu)性能，異種材料連接還有可能產(chǎn)生電偶腐蝕弱化界面。對膠接來說，受環(huán)境影響、黏結(jié)劑的固化時間較長是其主要缺點。此外，TPC的膠接還需要預(yù)處理以改善復(fù)合材料的潤濕性和表面張力。

 

4.超聲焊接。1984年P(guān)otente提出超聲焊接熱塑性高分子材料的機理，下圖為超聲焊接(UW)原理圖，待焊件與導(dǎo)能筋(感受器)在焊接壓力下接觸固定，超聲波發(fā)生器將高頻交流電轉(zhuǎn)換為高頻振動，小振幅變化的運動產(chǎn)生了分子間摩擦并轉(zhuǎn)換為熱能，經(jīng)過傳導(dǎo)到達(dá)接頭界面，直到熔融導(dǎo)能筋，在壓力下流動并浸潤待焊件形成連接。與電阻焊接、感應(yīng)焊接等其他焊接技術(shù)相比，超聲焊接是最快的連接方法之一，適合大量和自動化生產(chǎn)。不像感應(yīng)焊接與電阻焊接需要植入異種材料或纖維，而是在焊接界面鋪敷一層叫做超聲波導(dǎo)能筋(ED)的凸起或平整的樹脂材料，減少了可能造成的影響。

 

綜合最新研究進展，TPC超聲焊接的研究重點在于工藝參數(shù)優(yōu)化、焊接控制方式、導(dǎo)能筋類型、異種復(fù)合材料焊接。控制超聲焊接工藝的參數(shù)是壓力、振幅和時間，而振動頻率對選用的超聲波發(fā)射器一般是固定的。壓力和振幅決定產(chǎn)熱速率，振動時間決定了輸入焊接接頭的能量以及最終質(zhì)量。研究表明，焊接質(zhì)量隨焊接時間的增加而提高，但較長的焊接時間會在接頭界面處形成較大的孔洞和裂紋。Hongon等研究了不同頻率的聚丙烯和聚甲基丙烯酸甲酯搭接聚合物的超聲焊接，研究表明高頻［(67～180)kHz］下形成的接頭強度高，這是因為高頻提供更高的界面溫度。在焊接過程中，振動時間可以通過設(shè)定值來直接控制，或是通過改變焊接能量和超聲波發(fā)生器垂直位移兩個參數(shù)來間接控制。即“能量控制”或“位移控制”方式。相較于能量控制，位移控制焊接能夠獲得更穩(wěn)定、可靠的焊接接頭質(zhì)量。

 

超聲波焊接參數(shù)

 

超聲焊接質(zhì)量受以下參數(shù)影響：振幅、焊接能量、焊接時間、焊接深度，焊接前、焊接中和焊接后壓力，以及保壓時間。

 

焊接質(zhì)量在很大程度上取決于輸入能量。輸入能量由公式計算：E = F x f x A x t，其中E為輸入能量（焦耳），F(xiàn)為焊接壓力（牛頓），f為頻率（赫茲），A為振幅（微米），t為時間（秒）。

 

有研究表明，焊接強度與總能量輸入密切相關(guān)。例如對纖維增強PA6的焊接，當(dāng)焊接能量從200J增加到1000J時焊接強度增加，但超過1000J時，由于在焊縫中產(chǎn)生氣孔而降低了焊接強度。

 

焊接時間是另一個關(guān)鍵參數(shù)。例如，碳纖維增強PEEK，其焊接質(zhì)量隨著焊接時間增加而增加。但是，較長的焊接時間（1.1秒或更長）會在焊縫處產(chǎn)生裂紋和孔隙。

 

振幅也起著重要作用，一般塑料的熔融溫度越高，需要的振幅也就越大。

 

接頭設(shè)計:

 

超聲波焊接主要應(yīng)用于兩種類型的接頭：導(dǎo)能筋接頭（Energy Director Joints）和剪切接頭（Shear Joints）。導(dǎo)能筋（ED）是鑄在其中一個部件上的突起。對接接頭（Butt Joint）和搭接接頭（lap Joints）也通常使用導(dǎo)能筋。

 

對于剪切接頭，振動傳遞的方向與焊接面平行，由焊接面上的摩擦剪切力而產(chǎn)生熱量。當(dāng)需要強大的結(jié)構(gòu)性能或密封性時，可使用剪切接頭，非常適用于焊接半結(jié)晶樹脂。 

 

導(dǎo)能筋是超聲波焊接中一個重要的物理結(jié)構(gòu)。它有助于通過將能量集中在接頭界面，來增強粘彈性加熱。導(dǎo)能筋的大小和形狀會影響焊接質(zhì)量。它可以是半圓形的，三角形，或扁平的。它們的方向也可以與接頭平行或垂直。扁平的導(dǎo)能筋通常足以用于焊接纖維增強的復(fù)合材料。 

 

導(dǎo)能筋的幾何形狀對焊接質(zhì)量也有很大影響。例如，一項研究考察了碳纖維增強的聚醚酰亞胺的超聲波焊接。研究人員發(fā)現(xiàn)，焊接強度隨著導(dǎo)能筋體積的增加而增加，直至某一點。在一定的體積閾值之后，焊接強度下降。 特殊情況下，熱塑性復(fù)合材料也可以在沒有導(dǎo)能筋的情況下進行焊接。然而，有總比沒有好。一項研究表明，在連接尼龍6復(fù)合材料時，導(dǎo)能筋對焊接質(zhì)量的影響比焊接力或振動時間更重要。另一項研究也發(fā)現(xiàn)，在焊接碳纖維增強的PEEK時，有導(dǎo)能筋的接頭，搭接剪切焊接強度比沒有的高50%。

 

熱塑性塑料的焊接

 

常見應(yīng)用大多數(shù)是用玻璃纖維增強的PP或PA。一致認(rèn)為焊接時間和振幅對焊接質(zhì)量影響最大。導(dǎo)能筋或者剪切縫的幾何形狀對焊接質(zhì)量也有顯著影響。

 

碳纖維增強PEI的超聲波焊接，焊接強度隨著ED的體積增加而增加，但達(dá)到一定的體積閾值后，焊縫強度下降。對于碳纖維增強PA66的超聲波焊接。研究人員發(fā)現(xiàn)，4mm厚塑料面面焊接，沒有導(dǎo)能筋，焊接時間為2.1秒，焊接壓力為0.15MPa，焊接強度為5200N。

 

對于碳纖維增強PEEK的超聲波焊接。研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用0.45mm厚的扁平導(dǎo)能筋，焊接強度隨焊接時間的增加而增加。但在最佳時間后，進一步增加焊接時間會導(dǎo)致較大的裂紋和孔洞，焊接強度顯著降低。

 

“綠色”復(fù)合材料的超聲波焊接。研究人員利用超聲波焊接技術(shù)將竹纖維增強聚乳酸連接在一起。焊接時間為3秒，保持時間為9秒，焊接壓力為0.3Mpa時，焊縫強度達(dá)到最大。

 

另一項研究觀察了使用剪切縫設(shè)計的玻璃纖維增強PA的超聲焊接。焊接時間0.6秒，焊接壓力為0.4Mpa，保壓時間0.55秒的情況下獲得了最大的接頭強度。

 

焊接前的零件預(yù)熱可能對難以連接的塑料有幫助。例如，一項研究觀察了碳纖維增強PA66的超聲波焊接。研究人員發(fā)現(xiàn)，在焊接前預(yù)熱125℃的零件在拉伸和疲勞試驗中比未預(yù)熱的零件表現(xiàn)好30%。預(yù)熱降低了復(fù)合材料的分解，溫度梯度明顯降低。