熱塑性復(fù)合材料部件的超聲波焊接
更新時(shí)間：2021-09-13 11:32:15
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制造如汽車車身或飛機(jī)機(jī)身的大型整體復(fù)合材料部件，需要復(fù)雜、大型的模具，這一過(guò)程的成本相當(dāng)高昂。但通過(guò)使用各種連接技術(shù)，組裝一系列較小的部件，是低成本制造大型整體部件的理想替代選擇。在制造商主要選擇的幾種連接技術(shù)中，緊固件是最常見(jiàn)的。該技術(shù)不需要表面處理，而且容易檢查。此外，如果有必要，連接好的部件可以反向拆解。然而，緊固件有幾個(gè)缺點(diǎn)?；纳系目锥磿?huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中。它還增加了整體結(jié)構(gòu)重量。而且，緊固件很昂貴，能占到復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)總成本的19%到42%。粘合劑粘接是另一種選擇。近年來(lái)，粘合劑在強(qiáng)度、疲勞壽命和剛度方面的性能有了很大提高。粘合劑的主要優(yōu)點(diǎn)是能夠粘合不同的材料、粘接處能實(shí)現(xiàn)更均勻的應(yīng)力分布。其缺點(diǎn)也很好理解：粘合劑需要大量時(shí)間進(jìn)行表面準(zhǔn)備和固化。而且，粘接成型后不能拆卸。混合使用粘合劑和機(jī)械緊固件，相比單獨(dú)使用二者之一，是實(shí)現(xiàn)更好性能的選擇。連接處具有更好的承重能力和疲勞壽命。但是相對(duì)應(yīng)的，需要更多的勞動(dòng)力，以及更長(zhǎng)的連接時(shí)間。焊接是第三種選擇。熱塑性塑料可以通過(guò)施加熱量和壓力進(jìn)行改造，使它們更適合焊接。波音公司進(jìn)行過(guò)一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，與使用螺紋緊固件相比，焊接復(fù)合材料機(jī)翼結(jié)構(gòu)所需的勞動(dòng)力減少了61%。向下再細(xì)分，電阻焊又是焊接熱塑性塑料的一種方法。其操作步驟是將導(dǎo)電材料的絲束或編織結(jié)構(gòu)放在接頭界面上，然后通電。電阻產(chǎn)生的熱量融化周圍的聚合物形成焊縫。導(dǎo)電絲束或編織結(jié)構(gòu)會(huì)被固定在接頭處，進(jìn)一步增強(qiáng)了整體的焊接強(qiáng)度。這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是能夠焊接大型、復(fù)雜的接頭。但是，導(dǎo)電材料會(huì)增加總成本。另一個(gè)方法是感應(yīng)焊接。在這個(gè)過(guò)程中，感應(yīng)線圈沿著焊縫線移動(dòng)。線圈在導(dǎo)電的碳纖維復(fù)合材料層壓板中感應(yīng)出渦流，由此產(chǎn)生的熱量融化聚合物。超聲波焊接是焊接熱塑性塑料的第三個(gè)方法。其優(yōu)點(diǎn)主要有：
- 該工藝僅限于重疊接頭和剪切接頭，最大零件厚度被限制在3毫米左右（超聲波振動(dòng)可能難以穿透較厚的部件）。
- 具有高剛度、高硬度和高阻尼的材料會(huì)阻礙將振動(dòng)轉(zhuǎn)化為熱能的能力。
- 超聲波焊接的工作原理是將機(jī)械振動(dòng)傳遞到接頭處，因此該過(guò)程可能會(huì)產(chǎn)生尖銳的噪音。此外，由于振動(dòng)周期性負(fù)載，增加了零件疲勞失效的風(fēng)險(xiǎn)。
影響聚合物可焊性的特性是其分子結(jié)構(gòu)、熔體溫度、流動(dòng)性、剛度和化學(xué)成分。熔體溫度與焊接所需的能量成正比。熔體溫度越高，焊接所需的超聲波能量就越多。剛度影響能量傳輸，堅(jiān)硬的材料比柔軟的材料更能傳遞振動(dòng)。熔體溫度和流動(dòng)性等特性在焊接不同的聚合物時(shí)發(fā)揮更大的作用。如果一種材料的熔化溫度比另一種低，它就會(huì)提前熔化，造成不良的接頭。為了獲得最佳效果，兩種材料之間的熔融溫度差異不應(yīng)超過(guò)22℃，且兩種材料在化學(xué)性質(zhì)上應(yīng)該是相容的。水分含量也會(huì)影響焊接質(zhì)量。在100攝氏度時(shí)，塑料吸收的水分會(huì)蒸發(fā)，在接頭面形成多孔狀態(tài)，從而降低焊接強(qiáng)度。脫模劑、增塑劑和耐沖擊改性劑也會(huì)降低樹(shù)脂傳遞振動(dòng)的能力。需要提示的是，填充劑和擴(kuò)展劑通過(guò)賦予樹(shù)脂更高的硬度,提高了傳輸超聲波能量的能力。然而，控制填充物的比例是很重要的。使用高達(dá)20%的填充物在傳遞振動(dòng)方面有積極的效果，但添加更多的填充物可能導(dǎo)致銜接處樹(shù)脂量不足，從而降低焊接質(zhì)量。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(gè)部件上的突起。對(duì)接接頭（Butt Joint）和搭接接頭（lap Joints）也通常使用導(dǎo)能筋。對(duì)于剪切接頭，振動(dòng)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(qiáng)大的結(jié)構(gòu)性能或密封性時(shí)，可使用剪切接頭，非常適用于焊接半結(jié)晶樹(shù)脂。導(dǎo)能筋是超聲波焊接中一個(gè)重要的物理結(jié)構(gòu)。它有助于通過(guò)將能量集中在接頭界面，來(lái)增強(qiáng)粘彈性加熱。導(dǎo)能筋的大小和形狀會(huì)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(qiáng)的復(fù)合材料。導(dǎo)能筋的幾何形狀對(duì)焊接質(zhì)量也有很大影響。例如，一項(xiàng)研究考察了碳纖維增強(qiáng)的聚醚酰亞胺的超聲波焊接。研究人員發(fā)現(xiàn)，焊接強(qiáng)度隨著導(dǎo)能筋體積的增加而增加，直至某一點(diǎn)。在一定的體積閾值之后，焊接強(qiáng)度下降。特殊情況下，熱塑性復(fù)合材料也可以在沒(méi)有導(dǎo)能筋的情況下進(jìn)行焊接。然而，有總比沒(méi)有好。一項(xiàng)研究表明，在連接尼龍6復(fù)合材料時(shí)，導(dǎo)能筋對(duì)焊接質(zhì)量的影響比焊接力或振動(dòng)時(shí)間更重要。另一項(xiàng)研究也發(fā)現(xiàn)，在焊接碳纖維增強(qiáng)的PEEK時(shí)，有導(dǎo)能筋的接頭，搭接剪切焊接強(qiáng)度比沒(méi)有的高50%。超聲波焊接質(zhì)量同時(shí)受幾個(gè)參數(shù)的制約，包括振動(dòng)幅度，功率，輸入能量，焊接時(shí)間，焊接過(guò)程中的垂直位移，焊接前、中、后的施力，最后是保持時(shí)間。焊接質(zhì)量主要取決于輸入能量。輸入能量可以通過(guò)公式計(jì)算。E = F x f x A x t，其中E是輸入能量，F(xiàn)是焊接力，f是頻率，A是振幅，t是時(shí)間。最佳的焊接強(qiáng)度與總能量輸入密切相關(guān)。例如，還是對(duì)纖維增強(qiáng)尼龍6的研究中發(fā)現(xiàn)，200到1000焦耳的總能量輸入增加了焊接強(qiáng)度。但超過(guò)1000焦耳的能量會(huì)導(dǎo)致接頭中出現(xiàn)孔隙，從而降低了強(qiáng)度。焊接時(shí)間是另一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。在涉及碳纖維增強(qiáng)PEEK的研究發(fā)現(xiàn)，焊接質(zhì)量隨著焊接時(shí)間從0.7秒增加到0.8秒而提高。較長(zhǎng)的焊接時(shí)間（1.1秒或以上）在接頭上產(chǎn)生了裂縫和空隙。最終，0.9秒是獲得良好焊接質(zhì)量的最佳時(shí)間。熱塑性復(fù)合材料與其他材料的關(guān)系許多研究都關(guān)注熱塑性復(fù)合材料與其他材料的焊接問(wèn)題，如熱固性復(fù)合材料、鋁和鋼。由于超聲波焊接取決于每個(gè)基材的熔化情況，熱固性復(fù)合材料之間的焊接是不可行的。然而，也可以將熱固性復(fù)合材料焊接到熱塑性薄膜上，如PEEK、聚砜、聚苯硫醚、聚苯乙烯、聚醚酰亞胺和聚乙烯醇。加工溫度是影響這種焊接生產(chǎn)效果的主要因素。必須注意防止在焊接過(guò)程中熱固性復(fù)合材料的熱降解。焊接時(shí)間短是最理想的。研究人員還研究了金屬與熱塑性塑料的超聲焊接。在這種應(yīng)用中，振動(dòng)是平行于零件的，而不是垂直的。一項(xiàng)研究將鋁焊接到純ABS上，達(dá)到了2.3兆帕的搭接剪切焊接強(qiáng)度。本文由中國(guó)復(fù)合材料工業(yè)協(xié)會(huì)編譯，文章不用于商業(yè)目的，僅供行業(yè)人士交流。轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明來(lái)自中國(guó)復(fù)合材料工業(yè)協(xié)會(huì)。
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