熱塑性樹脂基複合材料超聲波焊接技術

2021-11-08 17:29

熱塑性樹脂基複合材料具有較高的強度和剛度，以及較好的耐熱性、耐腐蝕性，被廣泛應用於航空航天等領域。目前使用最多、應用最廣的連接樹脂基複合材料的方法是膠接、機械緊固等連接方法，但是它們存在明顯的缺點。對膠接而言，膠粘劑固化時間較長，膠接接頭質量易受環境的影響，這在很大程度上限製了膠接技術的應用範圍。機械緊固包括螺栓連接、鉚釘連接等方法，但螺栓、鉚釘增加了結構質量，不符合結構輕質輕量化的目標，而且由於需要鑽孔導致應力集中，降低了材料的連接強度。盡管傳統的固相連接方法存在上述缺陷，但是因為其技術簡單、成本低廉，目前仍在大規模應用。

隨著汽車製造、船舶、航空航天等領域的不斷發展，人們對減輕結構質量、節約經濟成本、保證產品安全性能的要求越來越高，這使得“輕質輕量化”的概念應運而生，即在保證結構性能的同時將其由繁變簡，由重變輕。采用輕合金或高強樹脂等材料代替鋼鐵，可以在滿足結構強韌性、耐疲勞性等的同時，減輕結構質量。材料連接的質量在很大程度上影響了產品的使用性能，高強樹脂等輕質材料的性質不同於鋼鐵，如何保證輕質材料的連接質量對實現輕量化至關重要，因此輕質材料的連接技術具有重要的研究意義。

超聲波焊接是一種將超聲頻電源提供的電能轉換為高頻振動的機械能的焊接技術。使用超聲波技術焊接樹脂基複合材料具有效率高、速度快、強度高、嚴謹性好等特征，近年來已逐步取代傳統的固相連接技術。另外，此技術能耗較低、成本低廉，在應用後方便清洗、汙染較小，符合綠色發展的概念，而且獲得的焊接接頭具有較高的穩定性。超聲波焊接被認為是焊接連續纖維增強熱塑性複合材料最有前途的技術之一。

近年來，焊接技術發展迅速，特別是電阻焊和超聲波焊，在某些領域已經逐步取代膠接、機械緊固的方法。其中，電阻焊技術發展較早，技術相對成熟，焊接接頭強度大，相比於超聲波焊接技術，其應用範圍相對較廣。國內外學者對超聲波焊接技術的研究逐步深入，超聲波焊接因具有效率高、速度快、強度高、嚴謹性好等優勢而成為焊接熱塑性材料的重要方法之一。另外，相比於電阻焊，超聲波焊接技術不需添加金屬網等加熱元件，實現了結構的一致性，增強了焊接接頭的疲勞強度。因此，超聲波焊接技術被認為是最適合焊接熱塑性材料的方法。

總體來講，膠接和機械緊固的連接方法以其發展早、技術好的優勢，被廣泛應用於航空航天以及汽車、輪船等領域，但是使用膠接和機械緊固的方法會產生膠粘劑失效、應力集中等弊端，這嚴重限製了其未來發展潛力。在結構輕質輕量化的時代背景下，通過超聲波焊接技術連接熱塑性複合材料的方法近年來發展迅速，並逐步走向成熟，該技術具有焊接接頭強度及剛度大，疲勞強度高，同時焊接過程中無需膠粘劑，應力集中不明顯等優點;但仍存在一些缺點及空白需要解決與填補，例如焊接時複合材料的微觀連接機理、聚合物組成成分的變化等需要深入研究。相信在不久的將來，焊接技術會大範圍取代膠接與機械緊固的方式，它們優勢互補，共同進入工業化新時代。

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