熱塑性復合材料部件的超聲波焊接
更新時間：2021-09-13 11:32:15
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制造如汽車車身或飛機機身的大型整體復合材料部件，需要復雜、大型的模具，這一過程的成本相當高昂。但通過使用各種連接技術，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中，緊固件是最常見的。該技術不需要表面處理，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，緊固件有幾個缺點。基材上的孔洞會導致應力集中。它還增加了整體結構重量。而且，緊固件很昂貴，能占到復合材料飛機結構總成本的19%到42%。粘合劑粘接是另一種選擇。近年來，粘合劑在強度、疲勞壽命和剛度方面的性能有了很大提高。粘合劑的主要優點是能夠粘合不同的材料、粘接處能實現更均勻的應力分布。其缺點也很好理解：粘合劑需要大量時間進行表面準備和固化。而且，粘接成型后不能拆卸。混合使用粘合劑和機械緊固件，相比單獨使用二者之一，是實現更好性能的選擇。連接處具有更好的承重能力和疲勞壽命。但是相對應的，需要更多的勞動力，以及更長的連接時間。焊接是第三種選擇。熱塑性塑料可以通過施加熱量和壓力進行改造，使它們更適合焊接。波音公司進行過一項研究發現，與使用螺紋緊固件相比，焊接復合材料機翼結構所需的勞動力減少了61%。向下再細分，電阻焊又是焊接熱塑性塑料的一種方法。其操作步驟是將導電材料的絲束或編織結構放在接頭界面上，然后通電。電阻產生的熱量融化周圍的聚合物形成焊縫。導電絲束或編織結構會被固定在接頭處，進一步增強了整體的焊接強度。這種技術的優點是能夠焊接大型、復雜的接頭。但是，導電材料會增加總成本。另一個方法是感應焊接。在這個過程中，感應線圈沿著焊縫線移動。線圈在導電的碳纖維復合材料層壓板中感應出渦流，由此產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方法。其優點主要有：
- 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阻礙將振動轉化為熱能的能力。
- 超聲波焊接的工作原理是將機械振動傳遞到接頭處，因此該過程可能會產生尖銳的噪音。此外，由于振動周期性負載，增加了零件疲勞失效的風險。
影響聚合物可焊性的特性是其分子結構、熔體溫度、流動性、剛度和化學成分。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，堅硬的材料比柔軟的材料更能傳遞振動。熔體溫度和流動性等特性在焊接不同的聚合物時發揮更大的作用。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超過22℃，且兩種材料在化學性質上應該是相容的。水分含量也會影響焊接質量。在100攝氏度時，塑料吸收的水分會蒸發，在接頭面形成多孔狀態，從而降低焊接強度。脫模劑、增塑劑和耐沖擊改性劑也會降低樹脂傳遞振動的能力。需要提示的是，填充劑和擴展劑通過賦予樹脂更高的硬度,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20%的填充物在傳遞振動方面有積極的效果，但添加更多的填充物可能導致銜接處樹脂量不足，從而降低焊接質量。超聲波焊接主要應用于兩種類型的接頭：導能筋接頭（Energy Director Joints）和剪切接頭（Shear Joints）。導能筋（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生熱量。當需要強大的結構性能或密封性時，可使用剪切接頭，非常適用于焊接半結晶樹脂。導能筋是超聲波焊接中一個重要的物理結構。它有助于通過將能量集中在接頭界面，來增強粘彈性加熱。導能筋的大小和形狀會影響焊接質量。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。扁平的導能筋通常足以用于焊接纖維增強的復合材料。導能筋的幾何形狀對焊接質量也有很大影響。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。研究人員發現，焊接強度隨著導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，熱塑性復合材料也可以在沒有導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復合材料時，導能筋對焊接質量的影響比焊接力或振動時間更重要。另一項研究也發現，在焊接碳纖維增強的PEEK時，有導能筋的接頭，搭接剪切焊接強度比沒有的高50%。超聲波焊接質量同時受幾個參數的制約，包括振動幅度，功率，輸入能量，焊接時間，焊接過程中的垂直位移，焊接前、中、后的施力，最后是保持時間。焊接質量主要取決于輸入能量。輸入能量可以通過公式計算。E = F x f x A x t，其中E是輸入能量，F是焊接力，f是頻率，A是振幅，t是時間。最佳的焊接強度與總能量輸入密切相關。例如，還是對纖維增強尼龍6的研究中發現，200到1000焦耳的總能量輸入增加了焊接強度。但超過1000焦耳的能量會導致接頭中出現孔隙，從而降低了強度。焊接時間是另一個關鍵參數。在涉及碳纖維增強PEEK的研究發現，焊接質量隨著焊接時間從0.7秒增加到0.8秒而提高。較長的焊接時間（1.1秒或以上）在接頭上產生了裂縫和空隙。最終，0.9秒是獲得良好焊接質量的最佳時間。許多研究都關注熱塑性復合材料與其他材料的焊接問題，如熱固性復合材料、鋁和鋼。由于超聲波焊接取決于每個基材的熔化情況，熱固性復合材料之間的焊接是不可行的。然而，也可以將熱固性復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效果的主要因素。必須注意防止在焊接過程中熱固性復合材料的熱降解。焊接時間短是最理想的。研究人員還研究了金屬與熱塑性塑料的超聲焊接。在這種應用中，振動是平行于零件的，而不是垂直的。一項研究將鋁焊接到純ABS上，達到了2.3兆帕的搭接剪切焊接強度。本文由中國復合材料工業協會編譯，文章不用于商業目的，僅供行業人士交流。轉載請注明來自中國復合材料工業協會。
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