复合材料超声波连续焊接专题综述

引言

随着航空航天、新能源汽车等领域对轻量化、高强度结构需求的激增，热塑性复合材料因其可焊接性、可回收性及优异的力学性能，逐渐成为替代传统金属材料的关键选项。超声波连续焊接技术凭借其高效、清洁、自动化程度高的特点，在复合材料连接领域展现出独特优势。本文从技术原理、工艺优化、应用场景及未来挑战等方面，系统梳理复合材料超声波连续焊接的最新进展。

一、技术原理与核心优势

1.1 超声波焊接机制

超声波焊接通过高频机械振动（20-120 kHz）在接触界面产生摩擦热，使热塑性树脂熔融并形成分子级结合。其核心过程分为五个阶段：

• 机械振动传递：换能器将电能转化为机械能，通过变幅杆放大后传递至焊头；

• 界面摩擦产热：振动能量在接触面（如导能筋）集中，引发局部高温；

• 树脂熔融流动：熔融树脂在压力作用下填充界面空隙，挤出气泡；

• 分子链扩散：冷却后形成分子间缠结，实现无添加剂的永久连接；

• 残余应力消除：短时焊接（通常<1秒）减少热影响区，避免材料降解。

案例：德国航空航天中心（DLR）开发的连续超声波焊接（CUW）末端执行器，搭载于库卡机器人，成功实现碳纤维增强聚苯硫醚（CF/PPS）机身壳体的自动化装配，焊接速度达0.5米/分钟。

1.2 连续焊接的突破性优势

• 效率提升：相比传统点焊，连续焊接可减少60%以上的人工劳动量；

• 结构完整性：无缝连接避免应力集中，提升疲劳寿命；

• 材料适应性：适用于碳纤维增强聚醚醚酮（CF/PEEK）、玻璃纤维增强聚酰胺（GF/PA6）等多元材料体系；

• 环境友好性：无需胶粘剂或紧固件，减少挥发性有机物（VOC）排放。

数据：波音公司研究显示，采用超声波焊接替代螺纹紧固件装配复合材料机翼，成本降低42%，重量减轻19%。

二、工艺优化与关键技术

2.1 导能筋设计与创新

导能筋（Energy Director, ED）是超声波焊接的核心结构，其形状、尺寸直接影响能量传递效率：

传统导能筋：三角形或半圆形凸起，适用于点焊；

网状导能筋：DLR提出的连续焊接创新设计，通过交叉网格分布实现均匀产热，但易出现接头不均匀性问题；

平导能筋：南昌大学研究显示，扁平导能筋可减少树脂流动阻力，提升焊接效率，但需优化与焊接参数的匹配；

无导能筋技术：通过表面预处理（如激光毛化）或不对称焊头设计，实现“幽灵焊点”抑制，但尚未大规模应用。

案例：天津大学罗震教授团队发现，CF/PEEK材料采用网状导能筋时，焊接强度随导能筋体积增加呈先升后降趋势，最佳体积阈值为0.8 mm³。

2.2 参数协同控制

焊接质量受振幅、压力、时间、能量输入等多参数耦合影响：

能量输入公式：E=F×f×A×t（F为压力，f为频率，A为振幅，t为时间）；

临界能量窗口：输入能量超过1000 J易导致孔隙缺陷，低于500 J则熔融不充分；

动态压力调节：南京航空航天大学研究提出，焊接压力需随树脂流动状态实时调整，避免分层或压痕。

实验：对CF/PEEK进行焊接时，0.9秒焊接时间下剪切强度达28 MPa，延长至1.1秒则因热氧化分解导致强度下降40%。

2.3 异种材料焊接突破

通过共固化热塑性粘覆层，实现热塑性/热固性复合材料（如CF/PPS与环氧树脂）的连接：

粘覆层优化：日本帝人株式会社研究显示，0.2 mm厚聚醚酰亚胺（PEI）粘覆层可提升接头强度35%；

短时焊接策略：焊接时间控制在0.3秒内，防止热固性基体降解；

界面强化机制：哈尔滨工业大学闫久春团队发现，超声波振动可去除热固性表面氧化膜，促进润湿性提升。

应用：空客A320后压力舱壁演示件中，7条1.5米电阻焊缝与超声波焊缝协同，实现8个CF/PPS部件的集成。

三、应用场景与产业化进展

3.1 航空航天领域DLR的MFFD（多功能机身演示件）项目采用CUW技术，实现3个连续焊接区与20个静态焊接区的协同，满足空客AITM6-4005标准的水耦合超声检测要求；美国通用电气公司利用超声波焊接，将CF/PEEK卫星结构装配时间从72小时缩短至8小时。

3.2 新能源汽车领域

特斯拉Model Y采用超声波焊接连接CF/PA6电池壳体，较传统铆接减重15%；日本丰田通过超声波焊接实现氢燃料电池双极板钛合金与石墨板的密封连接，泄漏率低于10⁻⁹ Pa·m³/s。

3.3 医疗设备领域

超声波焊接因无熔融剂残留，广泛应用于PEEK骨科植入物制造，满足ISO 10993生物相容性标准；瑞士联邦理工学院开发出微米级超声波焊接技术，实现聚二甲基硅氧烷（PDMS）与玻璃的高精度连接。

四、挑战与未来方向

4.1 技术瓶颈

大尺寸结构焊接：网状导能筋在连续焊接中易出现能量分布不均，需开发自适应振动控制系统；

异质材料界面控制：热塑性/热固性焊接中，粘覆层厚度与纤维取向的匹配机制尚未完全明确；

残余应力预测：当前数值模拟多假设材料各向同性，需建立考虑纤维分布的各向异性模型。

4.2 智能化升级

在线质量监测：结合人工智能算法，通过声发射信号实时识别焊接缺陷，如孔隙、未熔合；

数字孪生技术：构建焊接过程虚拟模型，优化参数组合，减少试错成本。

4.3 标准化与成本

目前缺乏统一的焊接强度测试标准（如SLS、ILSS）；

高端超声波焊接系统（如DLR的CUW装备）仍依赖进口，需加强产学研合作。

结论

复合材料超声波连续焊接技术已从实验室走向工业化应用，其高效、清洁、自动化的特性正推动航空航天、新能源等领域的制造革命。未来，随着导能筋设计创新、异种材料焊接突破及智能化控制技术的成熟，该技术有望成为复合材料连接的主流方案，为全球轻量化制造提供关键支撑。

参考文献

天津大学罗震教授团队. 碳纤维增强热塑性复合材料超声波焊接研究进展.Journal of Materials Engineering, 2022.

德国航空航天中心（DLR）. Continuous Ultrasonic Welding for Aircraft Structures.Advanced Materials & Processes, 2023.

波音公司. Ultrasonic Welding vs. Fasteners in Composite Wing Assembly.SAE Technical Paper, 2021.

南京航空航天大学. 参数协同控制对CF/PEEK焊接质量的影响.Composite Structures, 2024.

此文由中国复合材料工业协会搜集整理编译，部分数据来源于网络资料。文章不用于商业目的，仅供行业人士交流，引用请注明出处。