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热塑性复合材料的焊接或熔化连接工艺,值得学习

   日期:2020-04-25     来源:《复合材料件可制造性技术》    浏览:829    
核心提示:​01复合材料的焊接过程用于热塑性复合材料的焊接或熔化连接工艺可以分为5个步骤:表面处理,加热,热压,扩散和冷却。(1)表面处

​01


复合材料的焊接过程


用于热塑性复合材料的焊接或熔化连接工艺可以分为5个步骤:表面处理,加热,热压,扩散和冷却。

 

(1)表面处理

 

对于热塑性材料,由于表面涂有脱膜剂,表面处理是很重要的。一般来说 ,脏的表面可以用机械的或化学方法来处理,除非需要保留表面的结构。通常,最好采用非转移的脱膜剂以免需要表面处理。Benatan和Gutowski研究了采用Frekote 34对焊接的影响,发现如果处理得当,渗透到零件表面内的少量脱膜剂对焊接没有影响。

 

(2)加热

 

热塑性复合材料加热有多种方式,最具吸引力的技术是只在连接接头附近加热熔化复合材料的表面。对于石墨类的复合材料,由于纤维具有良好的导热性,热量会很快传出加热区。有限元法和有限差分法都可以用来预测各向异性复合材料的热传导。对于热塑性石墨类纤维复合材料,由于热传导流出连接区域从而导致了加热本质上的复杂化。如果热塑性的复合材料在无压力条件下加热熔化,纤维中贮存的应变能会导致材料扭曲和疏松。因此,焊接加热时必须使零件适当支撑,以减小这些不必要的影响。

 

(3)加压

 

对加热的零件加压可消除表面的不平整并使界面产生紧密接触,这一过程由挤压流动机理控制,排放好的纤维在黏性基体中的挤压流动可以用指数率流动描述。然而,由于复合材料表面的不规则、非均匀温度场以及滞留的气泡,要想完全描述这一过程是非常复杂的。为了更容易形成聚合物一聚合物间界面的紧密接触,最好在复 合材料表面加一富树脂层。

 

(4)分子间扩散

 

结合表面间的分子扩散和分子链间的缠绕,产生了焊接强度。Woo等仔细研究了分子间的扩散过程,他们采用表象模型描述聚合物裂纹愈合过程中的链扩散。虽然这一过程非常复杂,但可以简化为如下过程:对于非晶态聚合物,扩散时间依赖于材料温度和与玻璃化温度的差别。对于半晶态聚合物,分子间的扩散只有在超过熔化温度才会发生。因为熔化温度明显高于玻璃化温度,扩散时间很短,估计半晶态PEEK和聚合物的扩散时间与加热与加压时间相比是瞬间的。

 

(5)冷却

 

冷却是焊接工艺的最后一步,这时热塑性材料重新硬化一保持零件和连接结构-体化。冷却时所加载荷-定要保持到基体材料足已抵抗软化和扭曲为止,这是很重要的。在这一步里,半晶基体重新结晶并形成了最终的微结构,微结构对基体和复合材料的性能都有影响。一般,结晶使基体有耐溶剂的能力,且晶粒的尺寸影响复合材料的力学性能。对于PEEK(也许还有其他聚合物材料)材料来说,结晶特性可以用Avrami动力学方程来描述。Blundell和Osborn研究 了PEEK中晶粒的生长;他们确定了超过700C/min的冷却速度时,晶粒增长被明显限制了,因而也就降低了抗溶剂能力。当冷却速度低于10°C/min时,他们发现结晶度提高了35%左右,这形成了一种影响零件的力学性能的形态结构。


02


复合材料的焊接方法

 

已有很多种可用于热塑性材料的焊接方法, Benalar回顾了很多用于石墨纤维热塑性复合材料的焊接方法。

 

(1)加热板焊接

 

在这种焊接方法中,零件与加热板接触,在表层软化后,移去加热板,然后将零件压在一起。由于这种方法表面冷却很快,尤其是对于碳纤维复合材料,这项技术只适用于小零件焊接。

 

(2)介电/微波加热

 

介电和微波经常用做加热或熔化热塑性材料。根据电磁场的频率和分子的特征频率,分子可以被多种方法激振。分子运动导致能量耗散,材料被加热。因此,这项技术可用于除石墨增强材料外的所有热塑性材料。由于石墨纤维加入聚合物材料后形成可导电材料,从而屏蔽了电磁场对胶接面的作用。介电加热的工作频率比微波低,约为1~ 100MHz ,在这个频段,石墨复合材料的屏蔽较低。因此,它可以穿透复合材料,只加热胶接界面。然而,由于石墨复合材料的导热性良好,这种工艺只能对复合材料稍有加热或者无加热效果。

 

(3)红外激光加热

 

红外炉也是塑料加压操作前加热的常用方法,激光和红外加热都是由于电磁辐射被表面吸收而加热的。胶接表面置于激光或红外灯下辐照直至热塑性材料熔化,然后迅速对齐零件并压合在一起,直至热塑性材料冷却并固化。这种问题可通过采用自动化工艺来解决,或者用于小型零件的胶接。

 

(4)热插片或螺钉

 

热插片或加热螺钉可以用于复合材料机械紧固,然后通过感应加热插片或螺钉(来使其周围的热塑性材料熔化而焊接零件)。选择尽可能小的插片或者钉,可以把机械固定造成的损伤减小到最小程度。理论上,这种机械紧固和焊接相结合的方法应比单纯熔化焊接具有更好的连接效果。

 

(5)摩擦-惯性焊接

 

摩擦一惯性焊接需要通过摩擦来实现对零件的加热。典型的摩擦焊接是将一个零件固定,而将另一个零件压紧在固定件的表面并旋转。这种方法适用于大批生产的筒形件。有时旋转会造成纤维偏向,这可通过在胶接面上加一厚树脂层的方法来解决。

 

(6)振动焊接

 

振动焊接(也叫线性摩擦焊)是另-种形式的摩擦焊。通过一个零件相对于另一个静止零件往复线性运动产生摩擦。这项技术可用于小型或中型零件的焊接。同样,运动会导致纤维偏向,也可通过在胶接面上加一厚树脂层的方法来减小这种偏向。

 

(7)电阻焊

 

电阻焊通过对一个电阻单元施加电流而完成的。如果电阻单元放置在胶接界面上,就可以用来加热并熔化热塑性材料来粘接零件。由于加热单元嵌留在胶接界面上,因此,重要的是加热材料要与复合材料相匹配。因此,单向石墨纤维预浸带可以用做电阻单元。实验方面,Houghton给出可以在两层热塑性膜中间加入预浸料形成夹层,可以提高胶接强度。这两层热塑性膜可以起到一定的热绝缘作用同时可作为易变形层而在层间更快地形成亲和接触。Holmes等人发展了能量选择方法来优化加热功率和加热单元的尺寸,考虑了能源供应的限制和热均匀性后,基于能源选择法的基础,可以判定用一步工艺进行大面积电阻焊需要相当大的负载和能源需求,因此,通过把胶接区分成多段,并将每段进行适当的控制,可以开发出一种自动序列电阻焊工艺以增加热均匀性。

 

(8)感应焊

 

感应焊的基本原理是基于导体在磁场中产生感应电流。由于材料内存在电阻会导致热耗散。加热单元埋留在胶接界面,因此,要求它和复合材料相匹配是很重要的。磁场可以用来加热石墨纤维和带镍涂层的石墨纤维。例如,采用热塑性预浸料和带镍涂层的石墨纤维进行焊接试验,在两层聚合物膜之间夹层的加热单元,可以形成最好的胶接(胶接强度可达到层间剪切强度的50%)。

 

(9)超声焊

 

超声焊是一种由震动能弓|起表面激振而耗散成热能,从而导致表面熔化而流动来粘接零件。通常为了控制工艺,在焊接的零件之一的表面制造形成凹凸面(称为聚能带或导能带)。被黏热塑性复合材料其中之-被制成带三角形的纯热塑性塑料的突棱来作为导能带,进行复合材料的焊接。


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复合材料的焊接设计


焊接与胶接的构型非常相似,针对胶接的讨论可以直接用于焊接。焊接连接分析可以用与机械连接和胶接相同的失效判据。


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装配

从复合材料结构整体性、可靠性和经济性方面讲 ,构成较高成本部件或组装件的复合材料最终装配结构对复合材料非常重要,最近一些与装配工艺相关的事故引起了人们的极大关注,并使业界意识到由装配造成损伤的潜在可能性。

 

复合材料装配中多次出现的问题都与公差带密切相关,例如,在复合材料机翼结构中,蒙皮与底层结构之间存在的较大间隙在装配拧紧时会贴合起来,在一些情况下一些区域会引起严重的分层。这种作用力是未填充的间隙相互靠近而形成的,对相对柔性的蒙皮来讲,会引起集中弯曲变形,相应的载荷则垂直于蒙皮平面。通常情况下损伤发展的分层程度依赖于蒙皮和底层结构的相对刚度,但是最主要的还是装配后检测损伤的能力。

 

防止装配弓|起的这些常见损伤的措施是存在的,但在生产环境条件下执行起来成本会很高,而且需要认真的监控。这些潜在的措施包括:用适当的垫片填充间隙;根据特定的形状,将加工面从外模线(OML)变至内模线,或反之;更精确控制拧紧力矩;改进预装配检查和测量仪器;发展允许更宽公差的紧固件设计。胶接结构中也存在类似的损伤问题,无论是二次胶接,还是共固化,而且其后果更为严重。在装配过程中或者在使用环境条件下,胶接接头的残余应力状态会发生变化,从而导致胶层的共聚破坏。


 
 
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