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

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....

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....

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

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.......

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。