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熱塑性樹脂基復(fù)合材料超聲波焊接技術(shù)

2021-11-08 17:29
熱塑性樹脂基復(fù)合材料具有較高的強(qiáng)度和剛度，以及較好的耐熱性、耐腐蝕性，被廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域。目前使用最多、應(yīng)用最廣的連接樹脂基復(fù)合材料的方法是膠接、機(jī)械緊固等連接方法，但是它們存在明顯的缺點(diǎn)。對(duì)膠接而言，膠粘劑固化時(shí)間較長(zhǎng)，膠接接頭質(zhì)量易受環(huán)境的影響，這在很大程度上限制了膠接技術(shù)的應(yīng)用范圍。機(jī)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(jié)構(gòu)質(zhì)量，不符合結(jié)構(gòu)輕質(zhì)輕量化的目標(biāo)，而且由于需要鉆孔導(dǎo)致應(yīng)力集中，降低了材料的連接強(qiáng)度。盡管傳統(tǒng)的固相連接方法存在上述缺陷，但是因?yàn)槠浼夹g(shù)簡(jiǎn)單、成本低廉，目前仍在大規(guī)模應(yīng)用。
 
隨著汽車制造、船舶、航空航天等領(lǐng)域的不斷發(fā)展，人們對(duì)減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量、節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本、保證產(chǎn)品安全性能的要求越來越高，這使得“輕質(zhì)輕量化”的概念應(yīng)運(yùn)而生，即在保證結(jié)構(gòu)性能的同時(shí)將其由繁變簡(jiǎn)，由重變輕。采用輕合金或高強(qiáng)樹脂等材料代替鋼鐵，可以在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)韌性、耐疲勞性等的同時(shí)，減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量。材料連接的質(zhì)量在很大程度上影響了產(chǎn)品的使用性能，高強(qiáng)樹脂等輕質(zhì)材料的性質(zhì)不同于鋼鐵，如何保證輕質(zhì)材料的連接質(zhì)量對(duì)實(shí)現(xiàn)輕量化至關(guān)重要，因此輕質(zhì)材料的連接技術(shù)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(zhuǎn)換為高頻振動(dòng)的機(jī)械能的焊接技術(shù)。使用超聲波技術(shù)焊接樹脂基復(fù)合材料具有效率高、速度快、強(qiáng)度高、嚴(yán)謹(jǐn)性好等特征，近年來已逐步取代傳統(tǒng)的固相連接技術(shù)。另外，此技術(shù)能耗較低、成本低廉，在應(yīng)用后方便清洗、污染較小，符合綠色發(fā)展的概念，而且獲得的焊接接頭具有較高的穩(wěn)定性。超聲波焊接被認(rèn)為是焊接連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料最有前途的技術(shù)之一。
 
近年來，焊接技術(shù)發(fā)展迅速，特別是電阻焊和超聲波焊，在某些領(lǐng)域已經(jīng)逐步取代膠接、機(jī)械緊固的方法。其中，電阻焊技術(shù)發(fā)展較早，技術(shù)相對(duì)成熟，焊接接頭強(qiáng)度大，相比于超聲波焊接技術(shù)，其應(yīng)用范圍相對(duì)較廣。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)超聲波焊接技術(shù)的研究逐步深入，超聲波焊接因具有效率高、速度快、強(qiáng)度高、嚴(yán)謹(jǐn)性好等優(yōu)勢(shì)而成為焊接熱塑性材料的重要方法之一。另外，相比于電阻焊，超聲波焊接技術(shù)不需添加金屬網(wǎng)等加熱元件，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的一致性，增強(qiáng)了焊接接頭的疲勞強(qiáng)度。因此，超聲波焊接技術(shù)被認(rèn)為是最適合焊接熱塑性材料的方法。
 
總體來講，膠接和機(jī)械緊固的連接方法以其發(fā)展早、技術(shù)好的優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于航空航天以及汽車、輪船等領(lǐng)域，但是使用膠接和機(jī)械緊固的方法會(huì)產(chǎn)生膠粘劑失效、應(yīng)力集中等弊端，這嚴(yán)重限制了其未來發(fā)展?jié)摿?。在結(jié)構(gòu)輕質(zhì)輕量化的時(shí)代背景下，通過超聲波焊接技術(shù)連接熱塑性復(fù)合材料的方法近年來發(fā)展迅速，并逐步走向成熟，該技術(shù)具有焊接接頭強(qiáng)度及剛度大，疲勞強(qiáng)度高，同時(shí)焊接過程中無需膠粘劑，應(yīng)力集中不明顯等優(yōu)點(diǎn);但仍存在一些缺點(diǎn)及空白需要解決與填補(bǔ)，例如焊接時(shí)復(fù)合材料的微觀連接機(jī)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(shù)會(huì)大范圍取代膠接與機(jī)械緊固的方式，它們優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，共同進(jìn)入工業(yè)化新時(shí)代。