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關(guān)于碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料超聲波焊接研究

2021-11-30 17:29
碳纖維復(fù)合材料的連接方式
碳纖維復(fù)合材料連接有多種連接方法，需要根據(jù)應(yīng)用于不同連接區(qū)域的載荷特點(diǎn)等進(jìn)行選擇。目前應(yīng)用最多的主要有機(jī)械連接、膠接連接、以及機(jī)械/膠接混合連接等。

機(jī)械連接是使用機(jī)械方法，通常采用螺栓和鉚釘，將兩個(gè)或者多個(gè)被連接構(gòu)件連接在一起的方法。飛機(jī)結(jié)構(gòu)中常用的機(jī)械連接主要包括螺栓、鉚釘、盲緊固件和環(huán)槽鉚釘連接等。優(yōu)點(diǎn)是不需要表面處理，易于檢查，必要時(shí)可將部件拆卸。然而，機(jī)械連接有幾個(gè)缺點(diǎn)：零件螺絲孔引起的應(yīng)力集中;增加了結(jié)構(gòu)的重量;螺絲價(jià)格相對(duì)昂貴，例如復(fù)合材料飛機(jī)上緊固件占結(jié)構(gòu)總成本的19%~42%。

粘接連接是另一種選擇。近年來(lái)，膠粘劑在強(qiáng)度、疲勞壽命和剛度方面的性能有了很大的提高。膠粘劑的主要優(yōu)點(diǎn)是能粘接不同的材料，也提供更均勻的應(yīng)力分布。另一方面，膠粘劑需要大量的時(shí)間進(jìn)行表面準(zhǔn)備和固化，而且粘接接頭不能拆卸。

機(jī)械/膠接混合連接使用粘合劑和機(jī)械緊固件提供了兩者最佳的性能，具有良好的承重能力和疲勞壽命。但是仍需要大量的勞動(dòng)力和較長(zhǎng)的連接時(shí)間。

關(guān)于超聲波焊接


超聲波焊接是利用高頻振動(dòng)波傳遞到兩個(gè)需焊接的物體表面，在加壓的情況下，使兩個(gè)物體表面相互摩擦而形成分子層之間的熔合。

超聲波焊接的優(yōu)點(diǎn)


超聲波焊接是最快的連接方法，是自動(dòng)化的理想選擇。
不需要填充材料?？梢赃M(jìn)行點(diǎn)焊和焊縫焊接。
表面損傷小，因?yàn)闊崃渴窃诮雍辖缑娈a(chǎn)生，而非頂部表面。
一個(gè)干凈的工藝過(guò)程，不會(huì)產(chǎn)生煙霧或火花。

超聲波焊接的局限性


超聲波焊接也有一些局限性，由于換能器的輸出功率有限，對(duì)待焊材料的性質(zhì)要求嚴(yán)格，超聲波焊接并不能直接焊接較大工件，并且當(dāng)工件在超聲波傳遞方向上的尺寸較厚時(shí)，焊接效果會(huì)較差。這些缺點(diǎn)限制了超聲波焊接的應(yīng)用。

碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料(CFRTP)由于其優(yōu)越的力學(xué)性能、較低的加工成本及可回收性，逐漸成為繼鋁合金、高強(qiáng)鋼之后的新一代輕量化材料。國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)和材料企業(yè)都投入巨資和人力競(jìng)相開展相關(guān)研究，部分高校、企業(yè)已開始探索將CFRTP應(yīng)用于機(jī)身與車身的制造與裝配。超聲波焊接是最適合焊接熱塑性材料的方法之一，也是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模裝配CFRTP部件的關(guān)鍵使能技術(shù)之一。