专题报告

热塑性复合材料部件的超声波焊接

更新时间：2021-09-13 11:32:15 编辑：秘书处浏览：2985

制造如汽车车身或飞机机身的大型整体复合材料部件，需要复杂、大型的模具，这一过程的成本相当高昂。但通过使用各种连接技术，组装一系列较小的部件，是低成本制造大型整体部件的理想替代选择。

在制造商主要选择的几种连接技术中，紧固件是最常见的。该技术不需要表面处理，而且容易检查。此外，如果有必要，连接好的部件可以反向拆解。然而，紧固件有几个缺点。基材上的孔洞会导致应力集中。它还增加了整体结构重量。而且，紧固件很昂贵，能占到复合材料飞机结构总成本的19%到42%。

粘合剂粘接是另一种选择。近年来，粘合剂在强度、疲劳寿命和刚度方面的性能有了很大提高。粘合剂的主要优点是能够粘合不同的材料、粘接处能实现更均匀的应力分布。其缺点也很好理解：粘合剂需要大量时间进行表面准备和固化。而且，粘接成型后不能拆卸。

混合使用粘合剂和机械紧固件，相比单独使用二者之一，是实现更好性能的选择。连接处具有更好的承重能力和疲劳寿命。但是相对应的，需要更多的劳动力，以及更长的连接时间。

焊接是第三种选择。热塑性塑料可以通过施加热量和压力进行改造，使它们更适合焊接。波音公司进行过一项研究发现，与使用螺纹紧固件相比，焊接复合材料机翼结构所需的劳动力减少了61%。

向下再细分，电阻焊又是焊接热塑性塑料的一种方法。其操作步骤是将导电材料的丝束或编织结构放在接头界面上，然后通电。电阻产生的热量融化周围的聚合物形成焊缝。导电丝束或编织结构会被固定在接头处，进一步增强了整体的焊接强度。这种技术的优点是能够焊接大型、复杂的接头。但是，导电材料会增加总成本。另一个方法是感应焊接。在这个过程中，感应线圈沿着焊缝线移动。线圈在导电的碳纤维复合材料层压板中感应出涡流，由此产生的热量融化聚合物。

超声波焊接的优点和局限性

超声波焊接是焊接热塑性塑料的第三个方法。其优点主要有：

超声波焊接是最快的连接方法，是自动化的理想选择。
不需要填充材料。可以进行点焊和缝焊。
因为热量是在焊接面而不是在顶部产生的，表面损伤达到最小化。
焊接过程相对清洁，不会产生烟雾或火花。

超声波焊接同样也有其局限性：

该工艺仅限于重叠接头和剪切接头，最大零件厚度被限制在3毫米左右（超声波振动可能难以穿透较厚的部件）。
具有高刚度、高硬度和高阻尼的材料会阻碍将振动转化为热能的能力。
超声波焊接的工作原理是将机械振动传递到接头处，因此该过程可能会产生尖锐的噪音。此外，由于振动周期性负载，增加了零件疲劳失效的风险。

影响聚合物可焊性的特性是其分子结构、熔体温度、流动性、刚度和化学成分。熔体温度与焊接所需的能量成正比。熔体温度越高，焊接所需的超声波能量就越多。刚度影响能量传输，坚硬的材料比柔软的材料更能传递振动。熔体温度和流动性等特性在焊接不同的聚合物时发挥更大的作用。如果一种材料的熔化温度比另一种低，它就会提前熔化，造成不良的接头。为了获得最佳效果，两种材料之间的熔融温度差异不应超过22℃，且两种材料在化学性质上应该是相容的。

水分含量也会影响焊接质量。在100摄氏度时，塑料吸收的水分会蒸发，在接头面形成多孔状态，从而降低焊接强度。脱模剂、增塑剂和耐冲击改性剂也会降低树脂传递振动的能力。

需要提示的是，填充剂和扩展剂通过赋予树脂更高的硬度,提高了传输超声波能量的能力。然而，控制填充物的比例是很重要的。使用高达20%的填充物在传递振动方面有积极的效果，但添加更多的填充物可能导致衔接处树脂量不足，从而降低焊接质量。

接头设计

超声波焊接主要应用于两种类型的接头：导能筋接头（Energy Director Joints）和剪切接头（Shear Joints）。导能筋（ED）是铸在其中一个部件上的突起。对接接头（Butt Joint）和搭接接头（lap Joints）也通常使用导能筋。对于剪切接头，振动传递的方向与焊接面平行，由焊接面上的摩擦剪切力而产生热量。当需要强大的结构性能或密封性时，可使用剪切接头，非常适用于焊接半结晶树脂。