摘要：由于热塑性复合材料被越来越多地应用于航空、风力发电以及各种交通运输等工业领域，具有高效率的热塑性复合材料焊接技术也得越来越受到重视。本文就热塑性复合材料超声焊接技术相关问题进行了简要分析。
　　关键词：热塑性复合材料；超声焊接
　　一、超声焊接的优缺点
　　超声焊接技术是一种工业界常用的焊接技术，快速和周期短是其优点。同时，超声焊接具有高效率、容易实现自动化和适用于大批量生产的特点。其高的产率可达到60件/min，焊接时间要低于其他任何一种焊接技术，并且也不需要特定的循环系统来去除烟雾或降温。超声焊接技术的高效率使其相较于其他连接技术具有更高的产率和更低的成本。先进的超声焊接设备可全面控制和监控焊接的过程，使得焊接工艺很容易实现自动化。
　　然而，超声焊接也存在其局限性，其中之一就是大型的连续连接无法在一次焊接过程中完成。同时，并不是所有的几何形状都可以进行超声焊接，特殊的连接形状需要进行特殊设计。而在焊接过程中，各种焊接工艺参数如能量等级、焊接压力、焊接时间等会相互影响，工艺较为复杂。工艺参数之间的相互作用也会影响到连接部位的性能。材料的一些性能，如熔融温度、熔融粘度和分子量等也会对超声焊接产生影响。另外，由于焊接部件的不同，夹具的工具成本也会相对较高。
　　二、热塑性复合材料超声焊接技术
　　1、振动焊接
　　振动焊是一种利用电磁传动装置在两热塑性塑料零件之间产生相对运动,进而摩擦生热以形成接头的焊接方法。振动焊需要两热塑性塑料在压力和适当的频率与振幅下一起摩擦直到产生足够的热量以熔化和混合聚合物。在线性振动焊过程中,一个零件相对于另一零件作线性运动。在两零件之间的摩擦力产生热量,依次熔化界面层。静态载荷作用于移动零件,因而也作用于熔化层,促进了熔化液的液态流动,在振动停止之后,零件被校准,熔化聚合物凝固形成焊缝。振动焊的一个主要优点是同热工具焊相比能够大大减低连接时间,例如振动焊焊接AmodelA一1133HS材料时,采用短达0.60秒的焊接时间和低达2205KPa的压力能够获得良好的结果。振动焊的另一个主要优点是能够焊接技术上和经济上采用其它方法不可行的大型零件。对于大型和大型塑料零件的连接,振动焊居主导地位。振动焊能够形成高强度和气密性(耐压)接头。通常,焊缝强度接近于母材。透明材料的振动焊焊缝仍然能够保持光学透明。振动焊尤其适用于焊接结晶性热塑性塑料如乙缩醛、聚乙烯、尼龙、聚丙烯等不容易进行超声波或溶解焊接的塑料及其复合材料。用超声波和振动焊焊接质量同样好的零件好的超声波焊,因为考虑到速度和成本因素,超声波焊具有更短的循环时间和较低的设备成本。
　　2、搅动摩擦焊
　　传统的摩擦焊方法是通过两零件之间的摩擦加热产生,而搅动摩擦焊是通过第三体摩擦连接零件表面而形成焊缝。搅动摩擦焊于1991年12月由TWI(英国焊接学会)发明并申请,现已进人商业化阶段。搅动摩擦焊目前主要用于金属和金属基复合材料的焊接,但它也能焊接塑料和聚合物基复合材料。搅动摩擦焊的原理是对接或搭接接头零件置于垫板上并以防止对接接头面分开的方式夹紧。一个圆柱形带肩工具同一个特殊形状的凸出针一起旋转并缓慢插人结合线处。在旋转针接触工件表面时快速摩擦加热接触点的材料,因而降低了材料的机械强度。在外加力的作用下焊针锻造和挤压行程中的材料,直到焊针的突肩紧密接触工件表面。这时,通过旋转突肩和焊针产生的摩擦热在工具突肩下面和焊针周围形成大量的软化层和塑料熔液。在工件相对焊针移动或相反的情况下,通过焊针的侧面和旋转方向产生的机械搅动和锻造作用,塑料被焊针的前表面移送到后表面,在工具后边材料冷却形成焊缝。
　　3、超声波焊
　　超声波焊是常用的聚合物基复合材料焊接方法之一。聚合物基复合材料的超声波焊是利用超声波能量使聚合物基复合材料作高频机械振动而发热熔化,同时施加焊接压力将其熔合在一起的一种焊接方法。结晶性塑性复合材料和非结晶性塑料复合材料都可以用超声波焊接。但结晶性塑性复合材料比那些非结晶性塑料复合材料焊接起来要困难得多。非结晶胜塑料复合材料没有明确的熔点,塑化所需的能量即超声能量较少,能够在较宽温度范围内熔化并逐渐凝固。它们对超声能量通常具有良好的透射率,高频振动能够经过较长的距离传输到接头区域,因而这些材料均具有良好的近程或远程超声波焊接性能。结晶性塑料复合材料具有明确的熔点并需要较高的熔融热,同非结晶性塑料复合材料相比,在焊接过程中需要更多的超声能量和振幅,而且这些材料具有较强的消声作用,高频振动传输到这些材料时超声能量很快衰减,因而这些材料只适合于近程超声波焊。实验表明,采用近程超声波焊接AmodelA-113HS时形成的焊缝相当好。而采用远程超声波焊时,形成的焊缝强度差,仅为近程超声波焊时焊缝强度的三分之一。
　　超声波焊接速度非常快(时间为几分之一秒到几秒),接头清洁,通常无飞溅。此外,超声波焊比较容易自动化,尤其适用于批量生产。超声波接头必须专门设计以便将振动能集中到熔化点。超声波焊一般用于焊接小型截面,在设计零件时这一点应该考虑。焊缝区域的大小主要受振动机构(电极臂)的限制。超声波成功焊接的主要条件是:适当的接头设计、适当的电极臂振幅、适当的电极臂接触面积。
　　4、感应焊
　　感应焊过程中,掺杂铁磁性粒子的电磁化合物置于结合表面处,然后对化合物施加一个由高频电源产生的磁场。高频能量感应导电材料中的涡流,加热主要是通过IZR加热产生。在导磁率大于1的材料(如镍和铁中),偶极加热增加涡流一直到材料的居里点,但涡流加热是主要的机理。精心的线圈设计和频率选择使得恰好只对被焊区域加热。铁磁性粒子释放的热量使结合面达到焊接温度,作用在接头上的压力范围从0.138MPa到0.414MPa。这是一个快速加热过程,能够在巧秒内形成长达5.639米的长焊缝。这种方法尽管在焊接石墨纤维增强复合材料时,遇到了与磁场有关的一些问题,但是它能够焊接大多数热塑性塑料复合材料。感应焊的优点是焊接表面可以相当不规则及形状比较复杂,能够适应不平整调节安装且适宜于长焊缝。感应焊的另一优点是能够沿接头移动线圈以形成连续的焊缝。为了加工复杂的结构,可以用机器人控制线圈。
　　5、电阻植入焊
　　电阻植入焊,有时称为电阻焊,与感应焊同属于植入焊。焊接过程中,金属或碳纤维植入物或以石墨为基体的材料置于接头界面充当电阻加热介质。在对植入物通以电流时,由于焦耳效应,植入物被加热,热量被传递到周围的接头界面,因而材料出现熔化。熔化材料在外加压力下被迫流过植入物并形成焊缝。植入物嵌人在接头区域的复合材料中,直接影响接头强度。如果能注意保证电源和植入物之间良好的电接触,能够得到优良的接头强度。电阻植入焊速度较快,依据使用条件的不同,加热时间从几秒到几分钟。这种方法非常容易、成本很低廉。电阻植入焊能够连续焊接大面积区域,而且焊接过程中不需要移动工件。这种方法通常用于焊接大型结构和那些不包含闭合回路焊接接头的结构。由于植入物保留在接合线处,该方法存在以下缺点:在植入物与复合材料之间存在热变形不一致；在植入物与复合材料界面处存在应力集中；可能存在腐蚀作用。
　　结束语
　　随着热塑性复合材料得到更广泛的应用，对热塑性复合材料结构连接的研究得到了发展。相比于传统的复合材料胶接工艺，焊接技术是一项非常快速和短周期的连接技术，并且已经应用到许多领域，所以对热塑性复合材料的焊接技术要进行不算的研究。