纤维增强树脂基复合材料超声波焊接技术及应用研究进展

纤维增强聚合物基复合材料（fiber-reinforced polymeric composite，FRPC）以其优良的比强度、比刚度以及可设计性迅速发展为最具吸引力的新兴轻质材料之一，在航空航天、交通运输等众多领域作为结构件或功能件逐步取代传统的金属材料使用。随着FRPC 应用范围的扩大，其复杂构件的高效连接成形技术愈加重要。机械连接、胶黏剂胶接是目前应用最广泛的两种连接技术。然而，胶接技术存在胶黏剂固化时间长、胶接头不可拆等缺点；机械紧固技术钻孔过程破坏了 FRPC 本体强度, 螺栓和铆钉的使用额外增加了结构件的质量，不符合轻量化的目的。

熔融连接（焊接）是一种新兴的 FRPC 连接方法，根据加热方式可分为热焊接、电磁焊和摩擦焊等。热焊接技术依赖于外部热源，将热源直接照射或接触待焊接表面以软化和熔化聚合物；之后移除热源，使两块母材待焊接表面相互接触并在压力作用下分子链迁移扩散，冷却固结形成连接结构。电磁焊包括感应植入焊接和电阻植入焊接两种形式, 是在电场或高频磁场作用下两块 FRPC 母材焊接区域嵌入的导电或磁性材料植入物发热而使聚合物熔化实现连接的一种技术；该技术的缺点是必须在结合界面植入异质材料。摩擦焊是通过运动部件与静止部件之间的机械摩擦在界面处产生热量使聚合物熔融，具有焊接速度快、接头强度高等突出优点；依据振动源的不同可分为超声波焊接、搅拌摩擦焊和振动焊等。

超声波焊接(USW) 利用高频振动波使两个搭接的待焊接表面相互摩擦产生热量熔化热塑性树脂进而形成焊缝；该技术具有成本低、效率高、稳定性强、不会损伤非焊接区域、高效无污染、适合批量操作和工艺自动化等优点，已被广泛地应用于塑胶制品之间、塑胶制品与金属配件之间及其他非塑胶材料之间的连接。目前关于 FRPC 的 USW 技术研究主要集中在焊接工艺参数和导能筋对焊接质量的影响以及连接机制。在热塑性复合材料(TPC)研究的基础上，USW 也被拓展到热固性复合材料（TSC）或异种复合材料的焊接。本文系统总结近年来FRPC的 USW 工艺、设备及工程应用发展现状，并对 USW 的未来发展进行展望。

1 热塑性复合材料的超声波焊接技术

1 . 1 超声波焊接装置系统及工艺过程

超声波焊接系统通常由控制器、磁致伸缩换能器、变幅杆和超声声极组成（图 1）。控制器用于设置和监控时间、声极输入能量、位移、功率等工艺参数。换能器将电能转化为机械振动, 经变幅杆放大后由声极作用于待焊母材。焊接参数一旦被设定，焊接过程中的每一步操作都可由系统自动、快速、准确、连贯地执行。

图 1 超声波焊接系统及设备

Fig.1 Schematic diagram of ultrasonic welding equipment

超声波焊接是采用高频率机械波（20~ 120 kHz）来提供焊接所需热量。超声波焊接前，声极需压紧焊件，之后电源激励声极产生振幅约 10 ~ 120 μm 的纵向振动机械波，由于焊接界面存在凸起的“导能筋”，机械波会优先在导能筋与母材界面处转换成热能，使界面聚合物发生熔融。之后，在压力和超声振动的作用下，熔融的树脂不断铺展，挤出界面空隙，使得上下焊件表面形成紧密接触，分子链开始相互扩散，使焊件间的原始分界面逐渐消失，冷却后形成分子尺度上的连接。

1 . 2 超声波焊接机制

超声焊接 FRPC 本质是聚合物-聚合物界面愈合。超声波焊接过程分为 5 个阶段：(1) 部件的机械振动；(2) 导能筋的黏弹性升温；(3) 热传递；(4) 流动和浸润；(5) 分子链扩散。整个焊接过程焊件位移随着界面的移动逐渐增大。Zhang 等根据分子链的行为将超声波焊接概括为分子链的运动-扩散模型；当温度高于玻璃化转变温度(Tg) 时，分子链松弛并由于摩擦升温导致运动能力增强；当温度达到熔点(Tm) 时，分子链整体运动并能够在焊接界面上相互迁移扩散； 超声波焊接 FRPC 的界面演变和分子链运动过程如图2所示。

图 2 超声波焊接聚合物基复合材料界面演变过程

Fig.2 Evolution of the interface of ultrasonically welded polymer matrix composites

1 . 3 超声波焊接工艺参数

焊接质量与总输入能量有着密切的内在联系，而总输入能量又由声极输入能量、超声振幅/频率、振动时间、焊接压力等参数综合决定。表 1 总结了热塑性复合材料的 USW 工艺参数及接头性能。Wang等通过超声焊接短碳纤维增强尼龙 6 复合材料（CF/PA6）探究了压力、声极输入能量、焊接速度、时间和超声振幅均对接头力学性能的影响；其中，声极输入能量对接头强度影响最大。CF/PA6 超声焊接头的搭接剪切强度随着声极输入能量的增加而升高，但当输入能量高于1000 J时，强度出现下降，断面形貌显示较大的超声输入能量易导致聚合物基体降解产生额外的孔洞缺陷。Wang 等的研究同样发现声极输入能量过大会导致界面孔隙增加。

超声频率通过改变单位时间内的振动传播次数而影响能量的输入效率。Tsujino 等研究表明当频率从 27 kHz 提高至 180 kHz 时, 振动速度的增加导致界面处达到塑料熔点温度更快，聚合物熔融更充分，能够获得更高强度的塑料接头。提高超声的振幅也可以提高焊接中的能量输入。Koutras 等发现 1000 N的焊接力配合 86.2 μm 的振幅，接头界面的热塑性薄膜较薄且变透明；而 300 N 的焊接力和 51.8 μm 的振幅，接头界面的热塑性薄膜仍保持不透明且部分区域未熔化；这是因为较小的振幅和焊接力可能导致热量产生速度缓慢，界面处热量聚集困难，能量有效利用率不足。

表1 热塑性复合材料的 USW 工艺及接头性能

Table 1 USW process and joint properties of thermoplastic composites

焊接时间, 即超声施加时间, 决定了声极输入能量的持续时间。Kiss 等在保持其他参数不变的情况下，研究了焊接时间对全聚丙烯复合材料超声焊接头强度的影响。结果显示: 当焊接时间达到 0.7 s 时，焊接头的抗剪强度超过 9.0 MPa; 超过 1.0 s 时，声极在焊件表面形成压痕，在焊缝边缘形成薄弱区域。CF/PA66 超声接头失效断面分析表明延长焊接时间导致输入能量增加焊接界面温度显著升高，PA 66 树脂发生热氧化分解并导致接头强度降低。Tao 等研究了不同焊接时间下 CF/聚醚醚酮(PEEK) 复合材料USW 接头结构性能的演变；焊接时间为 0.7 s 时，树脂没有完全熔化，界面处有不连续的间隙；随着焊接时间的增加，界面温度升高、间隙逐渐消失，并在 0.9 s时得到了界面结合良好的接头，其剪切强度达到最大值 28 MPa；进一步延长焊接时间，则在接头热影响区出现裂纹和空洞缺陷, 强度迅速下降。

焊接压力通过声极直接施加在两块待焊母材搭接区域上表面并传导至焊接界面处的压力。焊接压力的选择与树脂种类有关，直接影响焊接界面加热过程中树脂的扩散和孔隙的运动。Bhudalia 等研究了焊接压力对 CF/Elium 复合材料 USW 接头的影响；当压力低于 0.2 MPa 时，接头强度非常低，几乎不能承载；在 0.5 MPa 压力下，界面处树脂挤出量增大，接头强度得到显著提升；当焊接压力高于 0.5 MPa 时，上侧的复合材料母材因受压过高导致发生分层。

除上述工艺参数外，Wang 等认为可以通过焊前预热将能量提前集中到接合界面，从而提高焊接效率；在焊接能量不变的情况下，CF/PA6 复合材料的USW 接头最大剪切载荷随着预热温度的升高而增加，并在预热温度为 200 ℃ 时提升最为显著，这表明较高的预热温度更有利于输入能量集中于焊接界面处。另外, 焊接环境对焊接质量也能够产生严重的影响。Van Aaken 等研究了焊接环境湿度与 USW接头强度的相关性；高环境湿度导致PA6 焊接区形成气泡，导致孔隙缺陷增加、焊缝质量下降。也有学者认为，水分子的存在减少了聚合物链中的氢键且塑化了分子链，黏结层的力学性能下降。

1 . 4 导能筋植入物

能量导向器（energy director, ED），也称作导能筋，是人为制造和添加在焊接界面处的树脂突起；在超声焊接过程，ED 和母材之间的发生相对运动能够将热量集中于界面处实现黏弹性加热。众多研究表明ED 的形状、尺寸、数量和取向等参数设计直接影响最终的焊接质量；已有导能筋截面形状包括三角形、矩形/平面、半圆形和网状等。

Villegas 等研究了三角形 ED 的取向和数量对CF/PEI 焊接接头的影响（图 3（a））；结果表明: 单个垂直 ED 和两个平行 ED 在接头重叠区域的平均有效焊接面积均可达到 90% 以上，而单个平行 ED 的平均有效焊接面积在 80% 以下。图 3 (b) 为采用半圆形 ED焊接碳/Elium 复合材料，USW 接头力学性能显示双半球形 ED 比单半球 ED 的效果更优异，剪切强度达 18. 68 MPa。增加 ED 的数量预期可以获得更优异的焊接效果。图 3 (c) 显示了有/无平面 ED 的CF/PEEK 复合材料 USW 接头结构；无 ED 焊接界面温度达到 PEEK 熔点( 343 ℃ ) 需要 0. 23 s，而相同焊接条件下嵌入扁平式 ED 的焊接界面达到 343 ℃ 仅需0. 17 s。另有研究发现，通过改变平面式 ED 的尺寸能够有效抑制焊接过程接头边缘处熔融聚合物外溢；当平面 ED 覆盖接头搭接面积 66% 时可以有效防止聚合物纵向边缘的熔化且未熔化的纵向边缘可防止纤维在压力作用下被挤出，其搭接剪切强度与 100%平面 ED 覆盖的焊接试件相当。Jongbloed 等利用聚合物编制的网状物作为 ED(图 3（d）) , 焊接过程中网状 ED 被压平使得 ED 和母材良好接触，充分润湿了待焊表面，获得更均匀焊缝；该类 ED 因其大规模加工的简易性和优良的焊接性被应用于大面积复合材料的连续超声波焊接。Yang 等发明了一种无需ED的球面底座超声焊接方式；通过将试件底座从平面改为凸起球面，当变幅杆对工件施加压力时，工件发生变形导致焊接界面处发生应力/应变集中，这种应力/应变集中有利于超声波能量的集聚。

目前, 超声波焊接 TPC 还存在如下局限性：（1）对焊件厚度存在局限性，当待焊材料厚度超过一定值后，超声波在传递过程中会出现衰减，通常难以形成可靠的接头；（2）不适合于大尺寸零部件的焊接和制造；（3）声极及超声波施加参数需经过专门设计, 通用性较差。

图 3 用于超声波焊接的导能筋类型 (a) 三角形; (b) 半圆形; (c) 平面形; (d) 网状

Fig. 3 ED types for ultrasonic welding (a) triangular ; (b) semicircular ; (c) flat; (d) mesh