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热塑性复合材料部件的超声波焊接



热塑性复合材料部件的超声波焊接

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。
 
热塑性复合材料部件的超声波焊接
 
导能筋是超声波焊接中一个重要的物理结构。它有助于通过将能量集中在接头界面,来增强粘弹性加热。导能筋的大小和形状会影响焊接质量。它可以是半圆形的,三角形,或扁平的。它们的方向也可以与接头平行或垂直。扁平的导能筋通常足以用于焊接纤维增强的复合材料。
 
导能筋的几何形状对焊接质量也有很大影响。例如,一项研究考察了碳纤维增强的聚醚酰亚胺的超声波焊接。研究人员发现,焊接强度随着导能筋体积的增加而增加,直至某一点。在一定的体积阈值之后,焊接强度下降。
 
特殊情况下,热塑性复合材料也可以在没有导能筋的情况下进行焊接。然而,有总比没有好。一项研究表明,在连接尼龙6复合材料时,导能筋对焊接质量的影响比焊接力或振动时间更重要。另一项研究也发现,在焊接碳纤维增强的PEEK时,有导能筋的接头,搭接剪切焊接强度比没有的高50%。
 
 
超声波焊接参数
 
 
 
 
 
 
 
 

超声波焊接质量同时受几个参数的制约,包括振动幅度,功率,输入能量,焊接时间,焊接过程中的垂直位移,焊接前、中、后的施力,最后是保持时间。
 
焊接质量主要取决于输入能量。输入能量可以通过公式计算。E = F x f x A x t,其中E是输入能量,F是焊接力,f是频率,A是振幅,t是时间。
 
最佳的焊接强度与总能量输入密切相关。例如,还是对纤维增强尼龙6的研究中发现,200到1000焦耳的总能量输入增加了焊接强度。但超过1000焦耳的能量会导致接头中出现孔隙,从而降低了强度。
 
焊接时间是另一个关键参数。在涉及碳纤维增强PEEK的研究发现,焊接质量随着焊接时间从0.7秒增加到0.8秒而提高。较长的焊接时间(1.1秒或以上)在接头上产生了裂缝和空隙。最终,0.9秒是获得良好焊接质量的最佳时间。
 
 
热塑性复合材料与其他材料的关系
 
 
 
 
 
 
 
 

许多研究都关注热塑性复合材料与其他材料的焊接问题,如热固性复合材料、铝和钢。

由于超声波焊接取决于每个基材的熔化情况,热固性复合材料之间的焊接是不可行的。然而,也可以将热固性复合材料焊接到热塑性薄膜上,如PEEK、聚砜、聚苯硫醚、聚苯乙烯、聚醚酰亚胺和聚乙烯醇。加工温度是影响这种焊接生产效果的主要因素。必须注意防止在焊接过程中热固性复合材料的热降解。焊接时间短是最理想的。
 
研究人员还研究了金属与热塑性塑料的超声焊接。在这种应用中,振动是平行于零件的,而不是垂直的。一项研究将铝焊接到纯ABS上,达到了2.3兆帕的搭接剪切焊接强度。

 
本文由中国复合材料工业协会编译,文章不用于商业目的,仅供行业人士交流。转载请注明来自中国复合材料工业协会。
 


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