制造大型单片复合材料部件,如车身或飞机机身,需要大型复杂的模具。结果,该过程可以是非常昂贵的。或者,可以通过使用各种接合技术组装一系列较小的部件来较少地制造这种复合部件。

制造商有几个选择加入这些部件的选项。紧固件是最常见的方法。紧固件不需要表面制备,易于检查。此外,如果需要,可以拆卸部件。然而,紧固件具有几个缺点。一种是由于基材中的孔引起的应力集中。它们还增加了结构的重量。而且,它们很贵。紧固件占复合飞机结构总成本的19%至42%。

粘接是另一种选择。近年来,胶粘剂在强度、疲劳寿命和刚度方面的性能有了很大的提高。胶粘剂的主要优点是能粘接不同的材料。粘接接头也提供更均匀的应力分布。另一方面,胶粘剂需要大量的时间进行表面准备和固化。并且,粘接接头不能拆卸。

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具有电阻焊接。在该方法中,导电材料的导线或编织物放置在接合界面中,并且电流通过它。来自电阻的热量熔化周围的聚合物并产生焊缝。电线或辫子仍然是关节的一部分,并影响焊接强度。该技术的优点是其焊接大型复杂关节的能力。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。可以进行点焊和缝焊。
  • 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:

  • 该过程仅限于重叠和剪切接头,最大部分厚度限制在约3毫米。超声波振动可能难以穿透更厚的部件。
  • 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。

影响聚合物的可焊性的特性是其分子结构,熔体温度,流动性,刚度和化学化妆。熔融温度与焊接所需的能量成正比。熔体温度越高,焊接需要更超声的能量。刚度影响能量传播。僵硬的材料比更柔软的材料发射振动。熔融温度和流动性等性质在焊接异种聚合物时起着更大的作用。如果一个材料较低的熔体温度比另一个较低的熔体温度,它将早期融化,产生较差的粘合。为获得最佳结果,两种材料之间的熔体温度差异应不超过22℃,两种材料应化学相容。

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,填料和扩展剂可以通过赋予更高的刚性来增强某些树脂传递超声波能量的能力。然而,控制填充物的数量很重要。使用高达20%的填料在传递振动方面显示出积极的效果,但添加更多的填料可能导致界面树脂量不足,从而降低焊接质量。

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。

在正确的工艺参数下,热塑性复合材料的焊接不需要电火花,但有电火花总比没有电火花好。一项研究表明,在连接尼龙6复合材料时,电火花比力或振动时间对焊接质量更重要。另一项研究发现,当焊接碳纤维增强的PEEK时,有ED的接头的搭接剪切强度比没有ED的接头高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).

最佳接头强度与总能量输入密切相关。例如,一项对纤维增强尼龙6的研究发现,200到1000焦耳的总能量输入增加了接头强度,但超过1000焦耳的能量由于在接头中引入气孔而降低了接头强度。

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,焊接质量随着焊接时间从0.7秒增加到0.8秒而增加。较长的焊接时间(1.1秒或更长)会在界面处产生裂纹和空隙。最终发现,0.9秒是获得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,振幅和时间比力更重要。

热塑性塑料热塑性塑料

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。

另一项研究看着碳纤维增强尼龙66的超声波焊接。研究人员发现,在没有能源导演的情况下,可以焊接带有4毫米厚的面板的搭接接头。在2.1秒的焊接时间和0.15megapascal的压力下获得5.2千杆菌的焊接强度。

另一项研究使用0.45毫米厚的扁平ED进行碳纤维增强PEEK的超声波焊接。研究人员发现,焊接强度随焊接时间的增加而增加。但在最佳时间后,进一步增加焊接时间会导致较大的裂纹和孔洞,焊接强度显著降低。

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。

另一项研究研究了使用剪切接头的玻璃纤维增​​强聚酰胺的超声波焊接。研究人员获得了0.6秒的焊接时间,4巴的恒定焊接压力的最大关节强度,保持时间为0.55秒。

焊接前的预热可能对难连接的塑料有益。例如,一项研究观察了碳纤维增强聚酰胺66的超声波焊接。研究人员发现,在焊接前预热125℃的零件在拉伸和疲劳试验中比未预热的零件表现好30%。预热降低了复合材料的分解,温度梯度明显降低。

其他材料的热塑性复合材料

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betway在线游戏平台动是平行于零件的,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。

编者注:以下人员也为本文章贡献:南洋科技大学研究助理大猩猩Gohel;南洋科技大学机械和航空航天工程副教授Kah Fai Leong;丹麦技术大学机械工程机械工程副教授和博士伊斯兰教博士。