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。

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。

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