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浅析热塑性复合材料超声焊接技术 孙付贵 辽宁大唐国际阜新煤制天然气有限责任公司 辽宁阜新 123000 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； 中图分类号：P755.1 文献标识码：A 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。其最高的产 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最好的超声波焊,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)发明并申请专利,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 超声波焊是最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