超声波焊接在复合材料应用的最新进展

在之前的文章中，我们已经简要介绍了，超声波焊接作为熔融焊接技术的一种，因其快速、经济、适合批量生产而被广泛应用于热塑性材料的连接。这种技术通过摩擦和聚合物中的粘弹性耗散来连接部件。本次，我们对这种焊接工艺进行较为详细的介绍，以及讨论该技术最新的一些发展情况。

在超声波焊接中，待焊件通常在接头界面处有一个小的初始接触，来集中超声能量并引发熔化。对于许多应用来说，这种小的接触面积是通过一个能量引导器来实现的，能量引导器是一个尖锐的三角形肋条，模制在一个零件的表面上。但是，由于创造这种特性会增加零件的成本，过往的研究一直集中在焊接零件的方法上，特别是聚合物复合材料，而不是能量引导器。

在没有能量引导器的材料上进行焊接时，能量不集中，接合界面处的库仑摩擦小于有能量引导器时的情况。因此，零件需要更多的时间来熔化，整体焊接时间更长。但热塑性塑料在超声焊接下会产生粘弹性耗散，随着焊接时间的延长，零件温度会升高。当温度升高到某一点以上时，聚合物会发生热分解，形成多孔区域，严重影响焊接质量。

解决这个问题的一种方法是在焊接前加热零件。超声波焊接过程中产生的热量取决于材料的损耗模量，而损耗模量与零件的温度密切相关。因此，对零件进行预热可以缩短焊接时间，降低热分解的风险。然而，这个解决方案同样存在问题：它需要额外的操作，而且效果有限。

因此，在最新的进展中，研究人员开发了另一种解决方案：双脉冲超声波焊接。在该项技术中，第一个脉冲用于预热零件，而第二个脉冲完成焊接。第一个脉冲在接头界面处产生热量。界面处的材料首先熔化，并且那里的温度比工件中部的温度高。冷却一段时间后，在同一位置施加另一个超声波脉冲以扩大焊缝的尺寸。通过调整两次脉冲之间的焊接时间和冷却时间，使工件中间的温度保持在塑料的分解温度以下。通过增加接头界面的能量耗散，抑制热分解，提高了焊接质量。