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摘要：由于熱塑性復(fù)合材料被越來越多地應(yīng)用于航空、風(fēng)力發(fā)電以及各種交通運(yùn)輸等工業(yè)領(lǐng)域，具有高效率的熱塑性復(fù)合材料焊接技術(shù)也得越來越受到重視。本文就熱塑性復(fù)合材料超聲焊接技術(shù)相關(guān)問題進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析。
關(guān)鍵詞：熱塑性復(fù)合材料；超聲焊接
一、超聲焊接的優(yōu)缺點(diǎn)
超聲焊接技術(shù)是一種工業(yè)界常用的焊接技術(shù)，快速和周期短是其優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，超聲焊接具有高效率、容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和適用于大批量生產(chǎn)的特點(diǎn)。其高的產(chǎn)率可達(dá)到60件/min，焊接時(shí)間要低于其他任何一種焊接技術(shù)，并且也不需要特定的循環(huán)系統(tǒng)來去除煙霧或降溫。超聲焊接技術(shù)的高效率使其相較于其他連接技術(shù)具有更高的產(chǎn)率和更低的成本。先進(jìn)的超聲焊接設(shè)備可全面控制和監(jiān)控焊接的過程，使得焊接工藝很容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。
然而，超聲焊接也存在其局限性，其中之一就是大型的連續(xù)連接無法在一次焊接過程中完成。同時(shí)，并不是所有的幾何形狀都可以進(jìn)行超聲焊接，特殊的連接形狀需要進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。而在焊接過程中，各種焊接工藝參數(shù)如能量等級(jí)、焊接壓力、焊接時(shí)間等會(huì)相互影響，工藝較為復(fù)雜。工藝參數(shù)之間的相互作用也會(huì)影響到連接部位的性能。材料的一些性能，如熔融溫度、熔融粘度和分子量等也會(huì)對(duì)超聲焊接產(chǎn)生影響。另外，由于焊接部件的不同，夾具的工具成本也會(huì)相對(duì)較高。
二、熱塑性復(fù)合材料超聲焊接技術(shù)
1、振動(dòng)焊接
振動(dòng)焊是一種利用電磁傳動(dòng)裝置在兩熱塑性塑料零件之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng),進(jìn)而摩擦生熱以形成接頭的焊接方法。振動(dòng)焊需要兩熱塑性塑料在壓力和適當(dāng)?shù)念l率與振幅下一起摩擦直到產(chǎn)生足夠的熱量以熔化和混合聚合物。在線性振動(dòng)焊過程中,一個(gè)零件相對(duì)于另一零件作線性運(yùn)動(dòng)。在兩零件之間的摩擦力產(chǎn)生熱量,依次熔化界面層。靜態(tài)載荷作用于移動(dòng)零件,因而也作用于熔化層,促進(jìn)了熔化液的液態(tài)流動(dòng),在振動(dòng)停止之后,零件被校準(zhǔn),熔化聚合物凝固形成焊縫。振動(dòng)焊的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是同熱工具焊相比能夠大大減低連接時(shí)間,例如振動(dòng)焊焊接AmodelA一1133HS材料時(shí),采用短達(dá)0.60秒的焊接時(shí)間和低達(dá)2205KPa的壓力能夠獲得良好的結(jié)果。振動(dòng)焊的另一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是能夠焊接技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上采用其它方法不可行的大型零件。對(duì)于大型和大型塑料零件的連接,振動(dòng)焊居主導(dǎo)地位。振動(dòng)焊能夠形成高強(qiáng)度和氣密性(耐壓)接頭。通常,焊縫強(qiáng)度接近于母材。透明材料的振動(dòng)焊焊縫仍然能夠保持光學(xué)透明。振動(dòng)焊尤其適用于焊接結(jié)晶性熱塑性塑料如乙縮醛、聚乙烯、尼龍、聚丙烯等不容易進(jìn)行超聲波或溶解焊接的塑料及其復(fù)合材料。用超聲波和振動(dòng)焊焊接質(zhì)量同樣好的零件好的超聲波焊,因?yàn)榭紤]到速度和成本因素,超聲波焊具有更短的循環(huán)時(shí)間和較低的設(shè)備成本。
2、攪動(dòng)摩擦焊
傳統(tǒng)的摩擦焊方法是通過兩零件之間的摩擦加熱產(chǎn)生,而攪動(dòng)摩擦焊是通過第三體摩擦連接零件表面而形成焊縫。攪動(dòng)摩擦焊于1991年12月由TWI(英國焊接學(xué)會(huì))發(fā)明并申請(qǐng),現(xiàn)已進(jìn)人商業(yè)化階段。攪動(dòng)摩擦焊目前主要用于金屬和金屬基復(fù)合材料的焊接,但它也能焊接塑料和聚合物基復(fù)合材料。攪動(dòng)摩擦焊的原理是對(duì)接或搭接接頭零件置于墊板上并以防止對(duì)接接頭面分開的方式夾緊。一個(gè)圓柱形帶肩工具同一個(gè)特殊形狀的凸出針一起旋轉(zhuǎn)并緩慢插人結(jié)合線處。在旋轉(zhuǎn)針接觸工件表面時(shí)快速摩擦加熱接觸點(diǎn)的材料,因而降低了材料的機(jī)械強(qiáng)度。在外加力的作用下焊針鍛造和擠壓行程中的材料,直到焊針的突肩緊密接觸工件表面。這時(shí),通過旋轉(zhuǎn)突肩和焊針產(chǎn)生的摩擦熱在工具突肩下面和焊針周圍形成大量的軟化層和塑料熔液。在工件相對(duì)焊針移動(dòng)或相反的情況下,通過焊針的側(cè)面和旋轉(zhuǎn)方向產(chǎn)生的機(jī)械攪動(dòng)和鍛造作用,塑料被焊針的前表面移送到后表面,在工具后邊材料冷卻形成焊縫。
3、超聲波焊
超聲波焊是常用的聚合物基復(fù)合材料焊接方法之一。聚合物基復(fù)合材料的超聲波焊是利用超聲波能量使聚合物基復(fù)合材料作高頻機(jī)械振動(dòng)而發(fā)熱熔化,同時(shí)施加焊接壓力將其熔合在一起的一種焊接方法。結(jié)晶性塑性復(fù)合材料和非結(jié)晶性塑料復(fù)合材料都可以用超聲波焊接。但結(jié)晶性塑性復(fù)合材料比那些非結(jié)晶性塑料復(fù)合材料焊接起來要困難得多。非結(jié)晶勝塑料復(fù)合材料沒有明確的熔點(diǎn),塑化所需的能量即超聲能量較少,能夠在較寬溫度范圍內(nèi)熔化并逐漸凝固。它們對(duì)超聲能量通常具有良好的透射率,高頻振動(dòng)能夠經(jīng)過較長的距離傳輸?shù)浇宇^區(qū)域,因而這些材料均具有良好的近程或遠(yuǎn)程超聲波焊接性能。結(jié)晶性塑料復(fù)合材料具有明確的熔點(diǎn)并需要較高的熔融熱,同非結(jié)晶性塑料復(fù)合材料相比,在焊接過程中需要更多的超聲能量和振幅,而且這些材料具有較強(qiáng)的消聲作用,高頻振動(dòng)傳輸?shù)竭@些材料時(shí)超聲能量很快衰減,因而這些材料只適合于近程超聲波焊。實(shí)驗(yàn)表明,采用近程超聲波焊接AmodelA-113HS時(shí)形成的焊縫相當(dāng)好。而采用遠(yuǎn)程超聲波焊時(shí),形成的焊縫強(qiáng)度差,僅為近程超聲波焊時(shí)焊縫強(qiáng)度的三分之一。
超聲波焊接速度非常快(時(shí)間為幾分之一秒到幾秒),接頭清潔,通常無飛濺。此外,超聲波焊比較容易自動(dòng)化,尤其適用于批量生產(chǎn)。超聲波接頭必須專門設(shè)計(jì)以便將振動(dòng)能集中到熔化點(diǎn)。超聲波焊一般用于焊接小型截面,在設(shè)計(jì)零件時(shí)這一點(diǎn)應(yīng)該考慮。焊縫區(qū)域的大小主要受振動(dòng)機(jī)構(gòu)(電極臂)的限制。超聲波成功焊接的主要條件是:適當(dāng)?shù)慕宇^設(shè)計(jì)、適當(dāng)?shù)碾姌O臂振幅、適當(dāng)?shù)碾姌O臂接觸面積。
4、感應(yīng)焊
感應(yīng)焊過程中,摻雜鐵磁性粒子的電磁化合物置于結(jié)合表面處,然后對(duì)化合物施加一個(gè)由高頻電源產(chǎn)生的磁場(chǎng)。高頻能量感應(yīng)導(dǎo)電材料中的渦流,加熱主要是通過IZR加熱產(chǎn)生。在導(dǎo)磁率大于1的材料(如鎳和鐵中),偶極加熱增加渦流一直到材料的居里點(diǎn),但渦流加熱是主要的機(jī)理。精心的線圈設(shè)計(jì)和頻率選擇使得恰好只對(duì)被焊區(qū)域加熱。鐵磁性粒子釋放的熱量使結(jié)合面達(dá)到焊接溫度,作用在接頭上的壓力范圍從0.138MPa到0.414MPa。這是一個(gè)快速加熱過程,能夠在巧秒內(nèi)形成長達(dá)5.639米的長焊縫。這種方法盡管在焊接石墨纖維增強(qiáng)復(fù)合材料時(shí),遇到了與磁場(chǎng)有關(guān)的一些問題,但是它能夠焊接大多數(shù)熱塑性塑料復(fù)合材料。感應(yīng)焊的優(yōu)點(diǎn)是焊接表面可以相當(dāng)不規(guī)則及形狀比較復(fù)雜,能夠適應(yīng)不平整調(diào)節(jié)安裝且適宜于長焊縫。感應(yīng)焊的另一優(yōu)點(diǎn)是能夠沿接頭移動(dòng)線圈以形成連續(xù)的焊縫。為了加工復(fù)雜的結(jié)構(gòu),可以用機(jī)器人控制線圈。
5、電阻植入焊
電阻植入焊,有時(shí)稱為電阻焊,與感應(yīng)焊同屬于植入焊。焊接過程中,金屬或碳纖維植入物或以石墨為基體的材料置于接頭界面充當(dāng)電阻加熱介質(zhì)。在對(duì)植入物通以電流時(shí),由于焦耳效應(yīng),植入物被加熱,熱量被傳遞到周圍的接頭界面,因而材料出現(xiàn)熔化。熔化材料在外加壓力下被迫流過植入物并形成焊縫。植入物嵌人在接頭區(qū)域的復(fù)合材料中,直接影響接頭強(qiáng)度。如果能注意保證電源和植入物之間良好的電接觸,能夠得到優(yōu)良的接頭強(qiáng)度。電阻植入焊速度較快,依據(jù)使用條件的不同,加熱時(shí)間從幾秒到幾分鐘。這種方法非常容易、成本很低廉。電阻植入焊能夠連續(xù)焊接大面積區(qū)域,而且焊接過程中不需要移動(dòng)工件。這種方法通常用于焊接大型結(jié)構(gòu)和那些不包含閉合回路焊接接頭的結(jié)構(gòu)。由于植入物保留在接合線處,該方法存在以下缺點(diǎn):在植入物與復(fù)合材料之間存在熱變形不一致；在植入物與復(fù)合材料界面處存在應(yīng)力集中；可能存在腐蝕作用。
結(jié)束語
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)非常快速和短周期的連接技術(shù)，并且已經(jīng)應(yīng)用到許多領(lǐng)域，所以對(duì)熱塑性復(fù)合材料的焊接技術(shù)要進(jìn)行不算的研究。
