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熱塑性復(fù)合材料超聲波焊接技術(shù)

2021-05-13 10:31
由于熱塑性復(fù)合材料被越來(lái)越多地應(yīng)用于航空、風(fēng)力發(fā)電以及各種交通運(yùn)輸?shù)裙I(yè)領(lǐng)域，具有高效率的熱塑性復(fù)合材料焊接技術(shù)也得越來(lái)越受到重視。超聲波焊接技術(shù)是多種焊接熱塑性復(fù)合材料技術(shù)的其中一種。它具有極快的生產(chǎn)效率、極短的周期時(shí)間以及容易進(jìn)行自動(dòng)化生產(chǎn)和控制的特點(diǎn)。

焊接技術(shù)在傳統(tǒng)金屬和高分子材料領(lǐng)域已經(jīng)應(yīng)用了很長(zhǎng)時(shí)間，然而熱塑性復(fù)合材料的焊接技術(shù)卻是一個(gè)新興的領(lǐng)域。如今多種傳統(tǒng)的連接技術(shù)得到了進(jìn)一步的改進(jìn)，使其適用于復(fù)合材料的連接，而焊接技術(shù)是眾多連接技術(shù)的一種。圖1顯示了各種纖維增強(qiáng)與非增強(qiáng)熱塑性高分子材料的焊接技術(shù)。
纖維增強(qiáng)與非增強(qiáng)熱塑性高分子材料連接技術(shù)

熱塑性復(fù)合材料由于具有更好的韌性以及具有可回收再造的特點(diǎn)，在許多工業(yè)和商業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)開始逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬材料和熱固性復(fù)合材料。隨著熱塑性復(fù)合材料得到更廣泛的應(yīng)用，對(duì)熱塑性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)連接的研究得到了發(fā)展。相比于傳統(tǒng)的復(fù)合材料膠接工藝，焊接技術(shù)是一項(xiàng)非?？焖俸投讨芷诘倪B接技術(shù)。因此，該技術(shù)已應(yīng)用于波音新一代客機(jī)機(jī)翼前緣筋與蒙皮的連接。由此可見，熱塑性復(fù)合材料的焊接技術(shù)具有良好的發(fā)展前景。在焊接的過(guò)程中，界面上的高分子被加熱到熔融的狀態(tài)；在不同界面上的高分子鏈隨著鏈段的擴(kuò)散而混合纏繞；隨著溫度的降低，熔融的高分子冷卻固化，本身的界面消失而成為一個(gè)整體。

超聲焊接熱塑性復(fù)合材料的機(jī)理


超聲焊接熱塑性復(fù)合材料機(jī)理總結(jié)為以下4個(gè)階段，如圖所示 。
超聲波焊接熱塑性復(fù)合材料四個(gè)階段
1） 在焊接過(guò)程中，超聲振動(dòng)垂直于連接部位的表面。放置于連接部件之間的額外的能量導(dǎo)向薄膜在壓力的作用下與連接部件的表面接觸。此時(shí)，熱量的產(chǎn)生達(dá)到最大值，能量導(dǎo)向薄膜在焊接過(guò)程的階段1中熔化并在界面中流動(dòng)，從而使得兩個(gè)連接部件之間的距離減小，這個(gè)位移迅速增加直到熔化的能量導(dǎo)向薄膜接觸并鋪滿連接表面。此時(shí)能量導(dǎo)向薄膜的熔化速率降低。
2）在第二階段里，被連接的兩個(gè)部件表面相接觸，熔化速率再次提升。高分子鏈間摩擦導(dǎo)致連接部件表面熔化，熱量從能量導(dǎo)向薄膜傳遞到熱塑性復(fù)合材料上。
3）穩(wěn)定狀態(tài)的熔化過(guò)程在第三階段進(jìn)行。熔化的能量導(dǎo)向薄膜在被連接的復(fù)合材料表面流動(dòng)并浸潤(rùn)連接表面，形成一個(gè)厚度一致的熔化層，進(jìn)而形成一個(gè)完整的連接，同時(shí)伴隨著一個(gè)穩(wěn)定的溫度分布。
4）高分子鏈間擴(kuò)散和纏繞在連接部件的界面間進(jìn)行。經(jīng)過(guò)一定時(shí)間，或達(dá)到一定的能量級(jí)別或一定的位移量，第四階段開始。壓力仍然保持在連接部件上，從而使多余的熔化高分子從界面中被擠出，分子鍵形成，最后焊接處冷卻，形成一個(gè)整體。

由于熱塑性復(fù)合材料被越來(lái)越多地應(yīng)用于航空、風(fēng)力發(fā)電以及各種交通運(yùn)輸?shù)裙I(yè)領(lǐng)域，具有高效率的熱塑性復(fù)合材料焊接技術(shù)也得越來(lái)越受到重視。超聲焊接技術(shù)是多種焊接熱塑性復(fù)合材料技術(shù)的其中一種。它具有極快的生產(chǎn)效率、極短的周期時(shí)間以及容易進(jìn)行自動(dòng)化生產(chǎn)和控制的特點(diǎn)。它利用超聲振動(dòng)在被焊接部位產(chǎn)生熱能，從而熔化連接部位的界面，在固化后使得兩部位連接在一起。超聲焊接工藝主要由4個(gè)參數(shù)控制，分別為超聲振幅、焊接時(shí)間、焊接壓力，以及固化時(shí)間和保壓時(shí)間。由于材料本身對(duì)焊接部件的性能具有比較大的影響，同時(shí)各工藝參數(shù)又會(huì)相互影響，因此對(duì)特定的熱塑性復(fù)合材料，其最佳焊接工藝參數(shù)還需要進(jìn)一步驗(yàn)證。