摘要：由于熱塑性復合材料被越來越多地應用于航空、風力發電以及各種交通運輸等工業領域，具有高效率的熱塑性復合材料焊接技術也得越來越受到重視。本文就熱塑性復合材料超聲焊接技術相關問題進行了簡要分析。
　　關鍵詞：熱塑性復合材料；超聲焊接
　　一、超聲焊接的優缺點
　　超聲焊接技術是一種工業界常用的焊接技術，快速和周期短是其優點。同時，超聲焊接具有高效率、容易實現自動化和適用于大批量生產的特點。其高的產率可達到60件/min，焊接時間要低于其他任何一種焊接技術，并且也不需要特定的循環系統來去除煙霧或降溫。超聲焊接技術的高效率使其相較于其他連接技術具有更高的產率和更低的成本。先進的超聲焊接設備可全面控制和監控焊接的過程，使得焊接工藝很容易實現自動化。
　　然而，超聲焊接也存在其局限性，其中之一就是大型的連續連接無法在一次焊接過程中完成。同時，并不是所有的幾何形狀都可以進行超聲焊接，特殊的連接形狀需要進行特殊設計。而在焊接過程中，各種焊接工藝參數如能量等級、焊接壓力、焊接時間等會相互影響，工藝較為復雜。工藝參數之間的相互作用也會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對超聲焊接產生影響。另外，由于焊接部件的不同，夾具的工具成本也會相對較高。
　　二、熱塑性復合材料超聲焊接技術
　　1、振動焊接
　　振動焊是一種利用電磁傳動裝置在兩熱塑性塑料零件之間產生相對運動,進而摩擦生熱以形成接頭的焊接方法。振動焊需要兩熱塑性塑料在壓力和適當的頻率與振幅下一起摩擦直到產生足夠的熱量以熔化和混合聚合物。在線性振動焊過程中,一個零件相對于另一零件作線性運動。在兩零件之間的摩擦力產生熱量,依次熔化界面層。靜態載荷作用于移動零件,因而也作用于熔化層,促進了熔化液的液態流動,在振動停止之后,零件被校準,熔化聚合物凝固形成焊縫。振動焊的一個主要優點是同熱工具焊相比能夠大大減低連接時間,例如振動焊焊接AmodelA一1133HS材料時,采用短達0.60秒的焊接時間和低達2205KPa的壓力能夠獲得良好的結果。振動焊的另一個主要優點是能夠焊接技術上和經濟上采用其它方法不可行的大型零件。對于大型和大型塑料零件的連接,振動焊居主導地位。振動焊能夠形成高強度和氣密性(耐壓)接頭。通常,焊縫強度接近于母材。透明材料的振動焊焊縫仍然能夠保持光學透明。振動焊尤其適用于焊接結晶性熱塑性塑料如乙縮醛、聚乙烯、尼龍、聚丙烯等不容易進行超聲波或溶解焊接的塑料及其復合材料。用超聲波和振動焊焊接質量同樣好的零件好的超聲波焊,因為考慮到速度和成本因素,超聲波焊具有更短的循環時間和較低的設備成本。
　　2、攪動摩擦焊
　　傳統的摩擦焊方法是通過兩零件之間的摩擦加熱產生,而攪動摩擦焊是通過第三體摩擦連接零件表面而形成焊縫。攪動摩擦焊于1991年12月由TWI(英國焊接學會)發明并申請專利,現已進人商業化階段。攪動摩擦焊目前主要用于金屬和金屬基復合材料的焊接,但它也能焊接塑料和聚合物基復合材料。攪動摩擦焊的原理是對接或搭接接頭零件置于墊板上并以防止對接接頭面分開的方式夾緊。一個圓柱形帶肩工具同一個特殊形狀的凸出針一起旋轉并緩慢插人結合線處。在旋轉針接觸工件表面時快速摩擦加熱接觸點的材料,因而降低了材料的機械強度。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,通過旋轉突肩和焊針產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。在工件相對焊針移動或相反的情況下,通過焊針的側面和旋轉方向產生的機械攪動和鍛造作用,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合材料焊接方法之一。聚合物基復合材料的超聲波焊是利用超聲波能量使聚合物基復合材料作高頻機械振動而發熱熔化,同時施加焊接壓力將其熔合在一起的一種焊接方法。結晶性塑性復合材料和非結晶性塑料復合材料都可以用超聲波焊接。但結晶性塑性復合材料比那些非結晶性塑料復合材料焊接起來要困難得多。非結晶勝塑料復合材料沒有明確的熔點,塑化所需的能量即超聲能量較少,能夠在較寬溫度范圍內熔化并逐漸凝固。它們對超聲能量通常具有良好的透射率,高頻振動能夠經過較長的距離傳輸到接頭區域,因而這些材料均具有良好的近程或遠程超聲波焊接性能。結晶性塑料復合材料具有明確的熔點并需要較高的熔融熱,同非結晶性塑料復合材料相比,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的消聲作用,高頻振動傳輸到這些材料時超聲能量很快衰減,因而這些材料只適合于近程超聲波焊。實驗表明,采用近程超聲波焊接AmodelA-113HS時形成的焊縫相當好。而采用遠程超聲波焊時,形成的焊縫強度差,僅為近程超聲波焊時焊縫強度的三分之一。
　　超聲波焊接速度非常快(時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化,尤其適用于批量生產。超聲波接頭必須專門設計以便將振動能集中到熔化點。超聲波焊一般用于焊接小型截面,在設計零件時這一點應該考慮。焊縫區域的大小主要受振動機構(電極臂)的限制。超聲波成功焊接的主要條件是:適當的接頭設計、適當的電極臂振幅、適當的電極臂接觸面積。
　　4、感應焊
　　感應焊過程中,摻雜鐵磁性粒子的電磁化合物置于結合表面處,然后對化合物施加一個由高頻電源產生的磁場。高頻能量感應導電材料中的渦流,加熱主要是通過IZR加熱產生。在導磁率大于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,但渦流加熱是主要的機理。精心的線圈設計和頻率選擇使得恰好只對被焊區域加熱。鐵磁性粒子釋放的熱量使結合面達到焊接溫度,作用在接頭上的壓力范圍從0.138MPa到0.414MPa。這是一個快速加熱過程,能夠在巧秒內形成長達5.639米的長焊縫。這種方法盡管在焊接石墨纖維增強復合材料時,遇到了與磁場有關的一些問題,但是它能夠焊接大多數熱塑性塑料復合材料。感應焊的優點是焊接表面可以相當不規則及形狀比較復雜,能夠適應不平整調節安裝且適宜于長焊縫。感應焊的另一優點是能夠沿接頭移動線圈以形成連續的焊縫。為了加工復雜的結構,可以用機器人控制線圈。
　　5、電阻植入焊
　　電阻植入焊,有時稱為電阻焊,與感應焊同屬于植入焊。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電阻加熱介質。在對植入物通以電流時,由于焦耳效應,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域的復合材料中,直接影響接頭強度。如果能注意保證電源和植入物之間良好的電接觸,能夠得到優良的接頭強度。電阻植入焊速度較快,依據使用條件的不同,加熱時間從幾秒到幾分鐘。這種方法非常容易、成本很低廉。電阻植入焊能夠連續焊接大面積區域,而且焊接過程中不需要移動工件。這種方法通常用于焊接大型結構和那些不包含閉合回路焊接接頭的結構。由于植入物保留在接合線處,該方法存在以下缺點:在植入物與復合材料之間存在熱變形不一致；在植入物與復合材料界面處存在應力集中；可能存在腐蝕作用。
　　結束語
　　隨著熱塑性復合材料得到更廣泛的應用，對熱塑性復合材料結構連接的研究得到了發展。相比于傳統的復合材料膠接工藝，焊接技術是一項非常快速和短周期的連接技術，并且已經應用到許多領域，所以對熱塑性復合材料的焊接技術要進行不算的研究。

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