复合材料超声波焊接工艺

　　研究了超声波焊接方法对长玻璃纤维聚丙烯复合材料的适用性及可行性，重点研究焊接时间对焊接接头强度的影响。结果表明：随着焊接时间由０．１０ｓ到０．８０ｓ不断增加，焊接接头剪切力呈现先上升后下降趋势；当焊接时间为０．３０ｓ时，焊接接头界面结合良好，无明显缺陷，剪切力达到最高４．１０ｋＮ，并且通过对断口分析，其失效形式为聚丙烯基体脱黏占主导同时伴随纤维断裂。

　　关键词：长玻璃纤维;聚丙烯;超声波焊接;焊接时间

　　长玻璃纤维（简称长玻纤）聚丙烯（ＰＰ）复合材料是一种热塑性复合材料，这种材料可以热成型，并且成型的方法很多，在使用过程中可以承受很强的冲击载荷，且材料的耐水性很好。由于这种材料的纤维长度大，使用过程中其强度会更高，允许使用的温度也较高［１－２］。热塑性复合材料的连接方式可以分为机械连接、黏接和焊接。机械连接复合材料的孔周围容易产生应力集中，高分子材料吸水后易造成紧固件松弛，高分子材料与铆钉之间有可能发生接触腐蚀并且还会额外增加重量。采用黏接时，黏接前需要表面处理，黏接剂受环境因素的影响会发生退化，黏接接头对储存环境比较敏感而且需要后续固化，黏接的生产效率也比较低。采用超声波焊接热塑性复合材料具有以下优点：焊接速度快，焊接强度高，密封性好；节约能源，成本低，清洁无污染且不会损伤工件；焊接过程稳定，所有焊接参数均可通过软件系统进行跟踪监控，一旦发现故障很容易进行排除和维护。由于国内热塑性复合材料研究尚处于起步阶段，对于长玻纤ＰＰ复合材料的焊接，目前最具有潜力的连接方式就是超声波焊接。尤其是在可实现自动控制和提高生产率方面，这种连接方式极具优势。因此，用超声波焊接长玻纤ＰＰ复合材料将是对热塑性复合材料焊接技术的一个有益探索［３］。

　　１试验介绍

　　试验所用材料是济宁鲁晨新材料科技有限公司生产的长玻纤增强ＰＰ复合材料，所用机器是必能信超声有限公司生产的超声波焊接设备，型号２０００Ｘｃ，２０∶４（超声波频率是２０ｋＨｚ，功率为４ｋＷ）。焊接的试件尺寸为：１５５．０ｍｍ×４５．０ｍｍ×１．５ｍｍ，焊接时搭接量为２０ｍｍ。由于焊机的功率是一定的，所以在试验中改变焊接时间等同于改变焊接的能量。超声波焊接的时间较短，所以焊接接头的质量对焊接时间参数比较敏感：焊接时间过短会导致焊接界面无法融合，焊接时间过长导致焊接过度，造成基体分解的同时会影响焊接接头的强度［４］，因此，焊接时间对接头的质量尤为关键，此次试验重点研究焊接时间对接头强度的影响。经过前期优化，其他焊接参数为：焊接电极的振幅９０％（６０μｍ×９０％）；频率２０ｋＨｚ；焊接压力４００ｋＰａ；触发压力１２０Ｎ；电极下降速率３７ｍｍ／ｓ。焊接完成后，对试件结合面处的结合情况进行分析，并对焊接接头进行剪切拉伸测试，观察断口微观组织，分析其失效机制。

　　２结果与讨论

　　２．１焊接结果

　　样片（编号１＃～９＃）的焊接结果见表１，图１是焊接后试件的示意。从表１和图１可以看出，１＃试件焊接后未熔合。因为焊接时间过短，能量过低，导致ＰＰ基体熔化量很小，无法实现界面结合。表１显示，２＃～７＃试件焊接成功，当焊接时间在０．１０～０．５０ｓ时，在超声波作用下ＰＰ基体熔化并且充分流动，从而实现接头的连接。观察９＃试件发现大量熔体被挤出，当焊接时间达到０．８０ｓ时，两试片发生滑移错位现象。由于焊接时间较长导致ＰＰ温度较高，所以在压力作用下出现挤出现象，这样会导致两试片的结合面出现未融合区域，从而使得有效的结合面积较小，无法形成良好的接头，许志武等［５］在研究碳纤维增强聚苯硫醚复合材料辐射预热超声焊接工艺时，出现了同样的现象。因此，只有焊接时间在一个合理的区间内才能实现有效连接，当焊接时间过短时，ＰＰ基体未融化或融化不完全导致焊接失败；当焊接时间过长时，ＰＰ基体受热分解，并在压力的作用下溢出导致焊接失败。

　　２．２试件焊接接头结合情况

　　焊接接头的结合情况如图２所示。从图２可以看出，当焊接时间小于０．３０ｓ（样片２＃和３＃）时，会发现结合面有很多未熔化区域，这是由于焊接能量较小，ＰＰ基体不能充分熔化和流动造成的。当焊接时间达到０．３０ｓ（样片５＃）时，焊接接头结合良好，无明显缺陷。当焊接时间持续增加时，由于ＰＰ基体受热分解，在压力的作用下溢出，使得接头结合不良，产生许多细小孔洞。２．３焊接接头断口分析对２＃～７＃试件采用相同的参数分别焊接３个子试样，并对其进行剪切拉伸。焊接时间为０．１０ｓ时，剪切力的平均值为１．５４ｋＮ；随着焊接时间的延长，剪切力增加。当焊接时间为０．３０ｓ时，接头的剪切力最高为４．１０ｋＮ。当焊接时间继续增加到０．８０ｓ时，剪切力却减小。图３是接头断口形貌。通过进一步分析断口发现，只是部分发生熔合并不是搭接部分均发生熔合。焊接时间不同，焊接面融合区的熔合面积不同，且抗剪切的失效形式也不同。从图３可以看出，随着焊接时间的增加，２＃～５＃样片熔合区域比例增加，５＃的熔合区域最大。断口处熔合区域的ＰＰ基体发生了撕裂迹象，而在未熔合区域，基体表面保持平整。２＃～４＃样片中，ＰＰ基体发生撕裂导致失效。图３还发现，５＃样片断口除熔合区ＰＰ基体撕裂的同时，还有局部纤维发生了断裂，这需要消耗大量的能量，因而体现为接头强度较高。６＃和７＃样片虽然焊接时间较长，熔合区域面积大，但是脱胶严重，ＰＰ溢出到试件边缘导致结合面微观结构缺陷较多，强度下降。

　　３结论

　　ａ）只有焊接时间在一个合理的区间内才能实现有效连接，当焊接时间过短时，ＰＰ基体未融化或融化不完全导致焊接失败；当焊接时间过长时，ＰＰ基体受热分解，并在压力作用下溢出，导致焊接失败。ｂ）随着焊接时间的增加，焊接接头的剪切力呈现先上升后下降趋势。当焊接时间为０．３０ｓ时，焊接接头界面结合良好，无明显缺陷，接头的剪切力最高为４．１０ｋＮ。ｃ）随着焊接时间增加，接头熔合区域比例增加，接头中未熔合区域表面平整。接头的剪切失效形式一般为熔合区域ＰＰ基体发生撕裂，在较优的焊接参数下失效形式为ＰＰ基体脱黏占主导同时伴随纤维断裂，使得强度较高。

　　参考文献

　　［１］贺福．碳纤维及其应用技术［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２００４．［２］胡赓祥，蔡珣，戎咏华．材料科学基础［Ｍ］．上海：上海交通大学出版社，２０１２．

　　［３］高阳，陈风波，赵去峰．塑料超声波焊接质量影响因素的研究进展［Ｊ］．宇航材料工艺，２００６，３６（６）：９－１３．

　　［４］高宇昊．碳纤维增强尼龙６６复合材料的超声波焊接工艺研究［Ｄ］．郑州：郑州大学，２０１５．

　　［５］许志武，李政玮，刘建光，等．ＣＦ／ＰＰＳ复合材料辐射预热超声焊接工艺及其接头断裂分析［Ｊ］．焊接学报，２０１７，３８（３）：１２１－１２４．

　　作者：宋宗贤 庄国彬 李嘉彬 魏鹏 韩明盼

转载请注明来自：http://www.uuqikan.com/guangdianjishulw/21938.html