制造大型的整体复合部件,如汽车车身或飞机机身,需要一个大型而复杂的模具。因此,这个过程可能会非常昂贵。或者,通过使用各种连接技术组装一系列较小的部件,可以以更低的成本制造这样复杂的部件。

制造商有几种连接这些部件的选择。紧固件是最常用的方法。紧固件不需要表面准备,易于检查。此外,必要时可将部件拆卸。然而,紧固件有几个缺点。一是由于衬底上的孔洞引起的应力集中。它们还为结构增加了重要的重量。,他们是昂贵的。紧固件占复合材料飞机结构总成本的19% ~ 42%。

粘合剂粘合是另一种选择。近年来,在力量,疲劳寿命和僵硬方面的性能提高了大大提高。粘合剂的主要优点是粘合异种材料的能力。粘合接头还提供更均匀的应力分布。另一方面,粘合剂需要广泛的表面制备和固化时间。而且,无法拆卸粘合的关节。

使用粘合剂和机械紧固件的混合接头提供了两种世界的最佳选择。它们具有良好的承载能力和疲劳寿命。但是,他们还需要广泛的劳动力和更长时间的加入时间。

焊接是第三种选择。热塑性塑料可以通过施加热量和压力来改造,这使得它们适合焊接。波音公司进行的一项研究发现,焊接复合翼结构需要比使用螺纹紧固件的劳动力减少61%。

焊接热塑性塑料的一种方法是电阻焊。在这种方法中,将导电材料的导线或编织物放置在接合界面中,电流通过它。电阻产生的热量熔化周围的聚合物,形成焊缝。钢丝或编织仍然是接头的一部分,影响焊接强度。这种技术的优点是可以焊接大型、复杂的接头。但是,导电材料增加了成本。

另一种选择是感应焊接。在该过程中,感应线圈沿焊接线移动。线圈在导电碳复合层压板中引起涡流,并将得到的热熔熔化聚合物。

超声波的优点和局限性

第三种选择是超声波焊接。这个过程有很多好处:

  • 超声波焊接是最快的加入方法,是自动化的理想选择。
  • 不需要填充材料。斑点和缝焊缝是可能的。
  • 表面损坏是最小的,因为热量在接合界面而不是表面的顶部产生。
  • 这是一个干净的过程。它不会产生烟雾或火花。

超声波焊接也有局限性:

  • 工艺仅限于重叠和剪切接缝,最大零件厚度限制在3毫米左右。超声波振动很难穿透较厚的零件。
  • 具有高刚度、硬度和阻尼能力的材料会阻碍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界面,因此焊接过程中会产生高频可听噪声。此外,由于振动循环加载,增加了零件疲劳失效的风险。

影响聚合物可焊性的特征是其分子结构、熔体温度、流动性、刚度和化学组成。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越多。刚度影响能量传递。坚硬的材料比柔软的材料能更好地传递振动。熔体温度和流动性等性能在焊接不同聚合物时起着更大的作用。如果一种材料的熔化温度比另一种低,它就会熔化得早,造成粘结不良。为了达到最好的效果,两种材料之间的熔体温度差不应超过22℃,并且两种材料的化学相容。

水分含量也会影响焊接质量。在100℃时,塑料吸收的水会蒸发,在接头界面产生多孔条件,降低焊接强度。脱模剂、增塑剂和抗冲击改性剂也会降低树脂传递振动的能力。

另一方面,填料和增量剂可以通过赋予更高的刚性来增强一些树脂传递超声能量的能力。但是,控制填料量非常重要。使用多达20%的填料显示阳性导致透射振动,但增加可能导致界面处的树脂量不足,这降低了焊接质量。

联合设计

超声波焊接接头有两种:能量导向接头和剪切接头。一个能源总监(ED)是一个突出的成型到一个部分。对接接头和搭接接头常用能量导向器。对于剪切接头,振动传播方向平行于焊接界面,由于界面处的摩擦剪切力而产生热量。当需要坚固的结构或密封时,使用剪切接头。它们也适用于焊接半结晶树脂。

电火花是超声焊接中一个重要的物理参数。它通过在关节界面集中能量来帮助增加粘弹性加热。电火花的大小和形状会影响焊接质量。EDs可以是半圆形、三角形或平面。它们的方向也可以与关节平行或垂直。由于“整齐”聚合物和纤维增强复合材料之间的刚度差异,平坦的ED通常足以用于焊接复合材料。

通过正确的工艺参数,可以在没有ED的情况下焊接热塑性复合材料。但是,最好的ed比不是更好。一项研究表明,当加入尼龙6复合材料时,ED对焊接质量比力或振动时间更重要。另一项研究发现,当焊接碳纤维增强的PEEK时,膝盖剪切强度比没有人的液体的关节剪切强度高50%。

超声波焊接参数

超声波焊接质量受几个参数的管辖,包括振动幅度;力量;输入能量;焊接时间;焊接过程中的垂直位移;焊接前,期间和之后的施加力;并保持时间。

焊接质量大部分取决于输入能量。Input energy can be calculated by the equation: E = F x f x A x t, where E is input energy (in joules), F is welding force (in newtons), f is the frequency (in hertz), A is the amplitude (in microns), and t is time (in seconds).

最佳的关节强度与总能量输入密切相关。例如,对纤维增强尼龙6的研究发现,总能量输入200至1,000焦耳增加了关节强度,但由于在关节中引入孔隙,能量超过1,000焦耳下降。

焊接时间是另一个关键参数。一项涉及碳纤维增强PEEK的研究发现,焊接质量增加,焊接时间增加0.7〜0.8秒。较长的焊接时间(1.1秒或更多)在界面处产生裂缝和空隙。最终,发现0.9秒是良好焊接质量的最佳时间。

频率也起着重要作用。例如,一项研究发现,在焊接玻璃纤维增​​强聚丙烯时,幅度和时间更重要。

热塑性塑料,热塑性

许多研究着眼于使用超声波焊接将热塑性复合材料与其他热塑性复合材料连接起来。大多数都是用玻璃纤维增强的聚丙烯或尼龙。一致认为焊接时间和振幅对焊接质量影响最大。

ED几何体也对焊接质量产生了显着影响。例如,一项研究看着碳纤维增强聚醚酰亚胺的超声波焊接。研究人员发现,随着ED的体积增加到一点,焊接强度增加。经过一定的体积阈值,焊接强度降低。

另一项研究着眼于碳纤维增强尼龙66的超声波焊接。研究人员发现,4毫米厚的面板搭接接头可以在没有能量指示器的情况下焊接。焊接时间为2.1秒,焊接压力为0.15百万帕斯卡,焊接强度为5.2千牛顿。

另一项研究检查了使用平面ED 0.45毫米厚的碳纤维增强PEEK的超声波焊接。研究人员发现焊接力量随焊接时间而增加。但是,在最佳时间之后,焊接时间的进一步增加导致大的裂缝和空隙,并且焊接强度显着降低。

一项研究看着所谓的“绿色”复合材料的超声波焊接。研究人员使用超声波焊接加入用竹纤维加入的聚乳酸。研究人员了解到,最大焊接强度发生在3秒的焊接时间,保持时间为9秒,焊接压力为3巴。

另一项研究观察了使用剪切接头的玻璃纤维增强聚酰胺超声焊接。研究人员在焊接时间为0.6秒,焊接压力为4 bar,保持时间为0.55秒的情况下获得了最大的接头强度。

难以加入的塑料可能在焊接之前预热。例如,一项研究看着碳纤维增强聚酰胺的超声波焊接66.研究人员发现,在焊接之前在125℃下预热的部件比未加热的部件更好地在拉伸和疲劳试验中进行30%。预热减少复合材料的分解,并且在温度梯度中有明显的降低。

热塑性复合材料到其他材料

许多研究看过焊接热塑性复合材料,例如热固性复合材料,铝和钢。

由于超声波焊接依赖于每个基板的熔化,热固性复合材料相互焊接是不可行的。然而,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丁醛。加工温度是影响焊接效果的一个主要因素。焊接时必须注意防止热固性复合材料的热降解。短的焊接时间是理想的。

研究人员还研究了金属与热塑性塑料的超声波焊接。在这种应用中,振动是平行于零件的,而不是垂直的。例如,一项研究将铝焊接到纯ABS上,并获得了230万帕斯卡的搭接剪切强度。

编者按:以下人士也对本文作出了贡献:Goram Gohel,南洋理工大学研究助理;梁嘉辉,博士,南洋理工大学机械与航天工程副教授;丹麦技术大学机械工程副教授Aminul Islam博士。