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方法文章

用于通过单搭接剪切试验对焊接接头进行力学表征的热塑性复合材料试样的超声波焊接

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DOI：

10.3791/53592

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2016年2月11日

 , 
1Structural Integrity and Composites, Delft University of Technology

本文内容

摘要

本文介绍了一种用于基本力学测试的热塑性复合材料试样的超声波焊接简易方法。该超声波焊接工艺的关键特征是采用平面能量导向结构，以简化工艺准备过程，并利用工艺数据快速确定最佳加工条件。

摘要

本文介绍了一种在最佳工艺条件下对热塑性复合材料试样进行超声波焊接的新型简便方法。文中所述的超声波焊接工艺基于三个主要原则。首先，采用平面能量导向结构，以在焊接过程中使连接界面优先产生热量。平面能量导向结构是一种纯净的热塑性树脂薄膜，在焊接前置于待连接部件之间，由于其压缩刚度低于复合材料基材，因此在超声作用下可优先加热。因此，与未增强塑料的超声波焊接不同，平面能量导向结构提供了一种简单解决方案，无需在复合材料基材表面模塑树脂凸起结构。其次，利用超声波焊接机提供的过程数据，可快速确定任意热塑性复合材料组合的最优焊接参数。第三，焊接过程中采用位移控制，以确保焊接接头质量的一致性。根据该方法，热塑性复合材料平板试样以单搭接构型逐一进行焊接。对焊接试样进行力学测试，可测定接头的表观搭接剪切强度，这是最常用于量化热塑性复合材料焊接接头强度的性能指标之一。

引言

热塑性复合材料（TPC）具有可焊接性，有助于降低制造成本。焊接过程需要在压力下进行局部加热，使接合表面的热塑性树脂软化或熔化，从而实现紧密接触，并促进焊接界面两侧热塑性聚合物链的相互扩散。当分子间扩散完成后，在压力下冷却使焊接接头固化定型。多种焊接技术适用于热塑性复合材料，其主要区别在于热源的不同。1然而，主要的 "黏附" 机制, 即， 分子缠结保持不变。超声波焊接具有极短的焊接时间（几秒钟量级）、易于实现自动化，且几乎不受热塑性复合材料基底中增强类型的影响。此外，该技术还提供了以下可能性： 原位 监测2,3，可用于在线质量保证或快速定义加工窗口4超声波焊接热塑性复合材料主要是一种点焊工艺，但文献中已有通过连续超声波焊接成功实现较长焊缝连接的报道。5与电阻焊或感应焊不同，超声波焊接迄今为止尚未在热塑性复合材料构件之间的结构连接中实现工业应用。然而，目前正投入大量努力，致力于进一步开发用于航空领域的热塑性复合材料结构化超声波焊接技术。

在超声波焊接中，待连接的部件受到垂直于焊接界面的静态力和高频低振幅机械振动的共同作用，通过表面摩擦和黏弹性生热产生热量。通过在待焊接表面使用树脂凸起结构，可促进焊接界面的优先加热，这些凸起部位经历更高的循环应变，因而比基材产生更强的黏弹性生热6。作用于待焊部件的力和振动由连接至压力装置以及超声波系统（包括压电换能器和变幅杆）的声学焊头传递。根据声学焊头接触部件位置与焊接界面之间的距离，可将超声波焊接分为近场焊接和远场焊接。近场焊接（声学焊头与焊接界面之间的距离小于6 mm）适用于更广泛的材料，而远场焊接对特定热塑性材料的适用性则高度依赖于该材料传导声波的能力6。

超声波焊接过程可分为三个主要阶段。第一阶段为压力建立阶段，在此期间，声极逐渐增加对被焊接部件的作用力，直至达到某一触发力。此阶段不施加振动。第二阶段为振动阶段，当达到触发力后，振动阶段开始。在此阶段，声极以规定的振幅振动一定时间，从而产生焊接过程所需的热量。微处理器控制的超声波焊接机提供多种控制振动阶段持续时间的选项，其中包括时间（即， 直接控制）、位移或能量（间接控制）。此阶段施加的力， 即， 焊接力可保持恒定，且等于触发力度，或在施加振动期间逐步变化。第三阶段为凝固阶段，在此期间，焊接部件在一定的凝固力作用下冷却一段时间。最后一个阶段不施加振动。

焊接压力、振动振幅、振动频率以及振动阶段的持续时间（可通过能量或位移直接或间接控制）是控制热量产生的焊接参数。压力、振幅和持续时间是用户可定义的参数，而频率则由每台超声波焊接机固定。固化压力和固化时间也是焊接参数，它们不参与加热过程，但会影响焊缝的固化过程，并与其他参数共同影响焊接接头的最终质量。

本文介绍了一种新颖且简便的方法，用于对单个热塑性复合材料（TPC）试样进行近场超声焊接，采用单搭接构型，并依据美国材料与试验协会（ASTM）D 1002 标准进行后续的机械单搭接剪切（LSS）测试。通过对焊接试样进行力学测试，可测定接头的表观搭接剪切强度，该参数是用于量化热塑性复合材料焊接接头强度最常用的性能指标之一7本文所述的焊接方法基于三个主要支柱。首先，在接合界面使用松散的平面能量导向结构，以实现优先产生热量8,9 在焊接过程中。其次，利用超声波焊接机提供的过程数据，快速确定特定压力/振幅组合下振动阶段的最佳持续时间 2,4第三，通过控制超声波焊头的位移来间接调控振动阶段的持续时间，以确保焊接接头质量的一致性。4该焊接方法相较于目前热塑性复合材料的先进焊接工艺，具有以下主要创新点和优势：（a）通过使用松散的平板状能量导向器替代传统的模制能量导向器，简化了样品制备过程3，以及基于快速且经济高效的加工参数定义 原位 与常见的试错法不同，该方法侧重于过程监控。尽管本文所述方法旨在获得一种特定且简单的焊接几何形貌，但其可作为制定实际零件焊接工艺的基础。在此情况下，主要区别在于能量导向结构的流动受到限制，而单面搭接试样在四个边缘处的流动则不受约束。

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方案

1. 超声波焊接用试样的切割与制备

  1. 从较大的热塑性复合材料层压板上切割尺寸为 25.4 mm x 101.6 mm 的矩形样品，切割时应采用防止样品边缘分层的切割技术例如， 金刚石锯或水射流切割
    注：样品的尺寸依据 ASTM D 1002 标准。
    1. 由于焊接接头的强度取决于待焊接表面的纤维取向10，注意以相同的方向切割所有样品。
  2. 切割后，若热塑性树脂易吸湿，应按照制造商的建议将样品放入烘箱中干燥例如， 6 小时 135 °C 对于六层碳纤维增强聚醚酰亚胺（CF/PEI）样品。
  3. 将纯热塑性薄膜（与复合材料基体相同的树脂）切割成平整的能量导向体，尺寸约为 26 mm × 26 mm，厚度至少为 0.25 mm。如有必要，按照制造商的建议对能量导向体进行干燥处理例如， 1 小时 135 °C 用于PEI能量导向器）。
  4. 焊接前，逐个检查试样是否存在分层的边角，必要时予以弃用。使用去脂剂和棉布清洁试样。采用相同方法清洁平面能量导向结构。

2. 单搭接剪切试样的超声波焊接

注意：此步骤使用能够以恒定振幅进行焊接的微处理器控制超声波焊接机。该焊接机可将过程数据（如耗散功率和变幅杆位移随时间的变化）输出至计算机中的数据采集软件。此步骤中使用了专门设计和制造的夹具，用于在超声波焊接过程中精确定位和夹紧单搭接剪切试样（见图1）。

用于材料焊接的超声波焊接装置，包含换能器、控制单元和压力弹簧。
图1. 本研究中使用的超声波焊接仪及自行搭建的焊接装置。 1：声极，2：滑动平台，3：上部试样夹具（连接至2），4：下部试样夹具（经Elsevier许可转载自参考文献4）。请点击此处查看该图的放大版本。

  1. 每次焊接实验前填写实验记录表。
    1. 记录以下参数：室温和湿度、焊接装置编号、焊头类型、样品编号及材料、上下样品的宽度和厚度，以及能量导向器的厚度。
  2. 打开超声波焊接机和计算机。启动数据采集软件并新建一个会话。
  3. 若尚未安装，请更换为直径40 mm的圆柱形焊头，使其底面完全覆盖焊接区域。
    注意：可使用其他形状的焊头，但其底面不应小于焊接区域。
  4. 将试样和能量导向器放置并固定在焊接夹具中（见图1）。
    1. 用胶带将平直的能量导向器固定在下部试样上，使其覆盖面积略大于待焊接区域（12.7 mm × 25.4 mm）。
    2. 将下部样品放入夹具中，并通过拧紧顶部螺钉进行固定。
    3. 用胶带将能量导向器的另一端固定在装置底座上，以确保其在过程中保持位置不变。
    4. 将上部样品放入夹具中，对齐后拧紧顶部螺钉。
    5. 将上部样品的夹具放置在滑动平台上，并拧紧两侧螺钉。
    6. 在继续操作前，再次拧紧全部四个螺钉。
  5. 根据焊头位移确定振动阶段的最佳持续时间，以获得最高焊接强度，具体步骤见2.5.1至2.5.8。
    注意：针对每种期望的焊接力与振动振幅组合，均需确定相应的最佳振动时间。
    1. 将超声波焊接机设置为差分位移控制模式。
    2. 在超声波焊接机中输入焊接力和振动振幅（例如，300 N 和 86.2 μm）。
      注意：对于该超声波焊接机，86.2 μm 对应的是峰峰值振动振幅。在机器设置中，该值表示为一半，即 43.1 μm。
    3. 将振动阶段结束时的焊头位移（即行程）设为能量导向器初始厚度的数值（例如，0.25 mm）。
    4. 在超声波焊接机中输入固化力和固化时间（例如，1,000 N 和 4,000 msec）。
    5. 准备就绪后，佩戴隔音耳机，启动超声波焊接过程。
    6. 过程完成后，记录以下输出参数：焊接距离、最大功率、振动时间和能量。从焊接装置中取出试样，并用记号笔在其两端标注识别编号。
    7. 将焊接数据（焊头的功率和位移）导出至电子表格，绘制振动阶段期间功率和位移随时间变化的曲线。
      注意：位移曲线应表示焊头相对于振动阶段开始时位置的向下位移。
    8. 确定功率平台中期（阶段4）的位移值，如图2所示（本例中为0.10 mm）。
      注意：该特定位移值即为控制振动阶段持续时间的最佳行程，后续所有相同焊接力和振幅条件下的焊接均将采用此值。

突出显示最佳行程点的功率与位移关系图；实验结果的数据分析。
图2. 超声波焊接过程中功率（黑色）与位移（灰色）曲线，用于指示最佳行程值。 超声波焊接的振动阶段可分为5个阶段。最佳行程值位于第4阶段。研究案例：碳纤维增强聚醚酰亚胺（PEI）基材，0.25 mm厚的平面PEI能量导向结构，300 N焊接压力，86.2 µm振动振幅，0.25 mm行程。（经Elsevier许可转载自参考文献4。）请点击此处查看该图的放大版本。

  1. 针对给定的焊接力和振幅组合，在最佳行进距离下进行试片焊接。
    1. 对每个焊点重复步骤 2.1 至 2.5.6。在步骤 2.5.3 中，使用步骤 2.5.8 确定的对应焊接力和振幅组合下的最佳行进距离。
      注意：所有搭接剪切强度（LSS）测试均按照 ASTM D 1002 标准，在万能试验机上以 1.3 mm/min 的十字头速度进行。

3. 焊接试片的单搭接剪切强度（LSS）测试

  1. 测量并记录每个焊接试样的搭接宽度。
  2. 开启万能试验机，并在计算机上打开拉伸剪切强度（LSS）的测试程序。
  3. 在测试界面中输入试样编号和搭接尺寸，将力值设为 0，夹具间距设为初始位置（例如 60 mm）。
  4. 按照图 3所示，将试样安装在试验机的夹具中。

拉伸试验示意图：静态平衡、偏移位移、载荷对中、力学测试装置。
图3. Zwick/Roell 250 kN 万能试验机中夹持装置的示意图（未按比例绘制）。 上下夹头之间的偏移位移可使载荷方向与中心焊缝线对齐，从而在搭接剪切强度测试过程中最小化弯曲效应。请点击此处查看此图的放大版本。

  1. 通过点击计算机上的“开始”按钮，启动测试程序。
  2. 样品断裂后，将其从夹具中取出，并用胶带将两部分固定在一起。
  3. 对所有其他样品重复步骤 3.3 至 3.6。
  4. 测试完成后，将数据导出至电子表格，并根据标准中所述的程序，计算每种焊接力和振幅组合下的平均剪切强度（LSS）值。

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结果

碳纤维增强聚醚酰亚胺（CF/PEI）样品按照本文所述方法进行焊接。样品取自由五枚缎纹织物CF/PEI复合材料层压板制成，铺层方式为（0/90）3S 叠层顺序和1.92 mm标称厚度。从该层压板上切割样品，使纤维的主要表观取向与其最长边平行。使用厚度为0.25 mm的平板状PEI能量导向结构。复合材料样品和能量导向结构均在烘箱中干燥 135 °C 分别为6小时和1小时，具体以制造商说明为准。根据0.25 mm行程获得的功率和位移曲线，确定最佳行程值约为0.10 mm， 即， 获得CF/PEI样品在300 N焊接力下焊接后，能量导向结构初始厚度的40%。 86.2 µm 峰峰值振动幅度（参见 图2）。在这些焊接参数（300 N 焊接力）下焊接的样品， 86.2 µm 振幅为0.10 mm、固结力和时间分别为1,000 N和4秒时，测得表观搭接剪切强度为37.3±1.6 MPa（五个样本的平均值±标准差）。每个样本的功率曲线以及代表性横截面显微图像和断口表面如图所示 图4

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讨论

上一节展示的结果表明，本文提出的用于热塑性复合材料单搭接试样超声波焊接以进行力学测试的简便方法是恰当的。下文将讨论这些结果如何验证了该方法的三个主要支柱， 即， 使用平面松散型能量导向器、利用工艺反馈确定振动最佳持续时间、位移控制的应用，以及该技术的适用性与局限性。

关于第一个关键因素，研究表明，平面能量导向结构能够实现热塑性复合材料（TPC）试样的成功焊接。在未增强塑料的超声波焊接中，需要采用树脂凸起形式的能量导向结构，其横截面积小于接头搭接区域的横截面积，以产生更高的循环应变，从而在焊接界面处优先产生黏弹性热源6。然而，在热塑性复合材料（TPC）的超声波焊接中，尽管平面能量导向结构的横截面积与焊接搭接区域相同，仍能成功实现焊接界面处的优先黏弹性加热，这是由于平面能量导向结构的压缩刚度较低，因此在焊接过程中产生更高的循环应变。界面处产生的热量使能量导向结构熔化，并将热量传递至基材。在焊接压力的作用下，熔融的能量导向结构被挤出搭接区域，直至达到预设的行程距离。最佳行程值可实现完全焊接的搭接区域，其横截面形貌类似于较厚的层压板，因为焊缝线的厚度...

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披露

作者声明不存在任何竞争性经济利益。

致谢

作者谨此感谢Ten Cate Advanced Materials为本文所述工作提供免费材料支持。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
材料/试剂
Cetex 碳纤维/聚醚酰亚胺（CF/PEI）5 枚缎纹预浸料TenCate Advanced Composites (www.tencate.com)联系供应商本研究中用于制备试样的材料。
PFQD 溶剂脱脂剂PT Technologies Europe（现为 Socomore - www.socomore.com）联系供应商用于清洁试样和能量导体的溶剂脱脂剂。
棉布用于常规清洁，无特定供应商。
0.25 mm PEI 薄膜TenCate Advanced Composites (www.tencate.com)联系供应商用作能量导体的薄层薄膜。
胶带Airtech Advanced Materials Group (www.airtechintl.com)1" x 72 码 MFG # 327402，联系供应商获取目录号用于在超声波焊接过程中将能量导体固定到底部样品上。
名称公司目录编号备注
设备
Vötsch 烘箱Vötsch Industrietechnik (www.voetsch-ovens.com)VTU 60/60 — 联系供应商获取具体目录号用于在焊接前干燥 PEI 薄膜（能量导体）和 PEI 试样。
Rinco Dynamic 3000 超声波焊接机Aeson BV (www.aeson.nl/en/)联系供应商20 kHz 超声波焊接设备，用于焊接实验。提供多种焊头尺寸，详情请咨询供应商。包含 ACUCapture 软件。
Zwick/Roell 万能试验机Zwick (www.zwick.com)Z250 — 联系供应商获取具体目录号最大载荷为 250 kN 的万能试验机，用于单搭接剪切强度测试。

参考文献

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