熱塑性復(fù)合材料的焊接研究

毛建暉，姬凌云，陳文光，張華華，顧育慧，李軍向

（明陽智慧能源集團(tuán)股份公司，中山 528437）

0 前言

目前風(fēng)機(jī)葉片采用環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠對各部件進(jìn)行粘接，主要有迎風(fēng)面和背風(fēng)面前后緣合模粘接、腹板與殼體粘接，而環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠存在固化周期長、膠接接頭質(zhì)量易受環(huán)境的影響、不同基材界面、粘接過程不可逆、不可回收等問題［1，2］。

近來，Arkema公司推出了一款反應(yīng)型熱塑性樹脂Elium，通過自由基聚合成高分子量的線型高聚物，有望應(yīng)用于風(fēng)機(jī)葉片的設(shè)計和制造［3，4］，熱塑性樹脂具備可焊接特性，焊接工藝具有效率高、應(yīng)力分布均勻、焊接過程可逆、便于實(shí)現(xiàn)自動化等優(yōu)點(diǎn)［5］。2010年荷蘭Fokker公司將熱塑性復(fù)合材料焊接技術(shù)引入G650商務(wù)機(jī)方向舵焊接；2017年Arkema、Pontis公司基于Elium樹脂合作研發(fā)了風(fēng)機(jī)葉片典型結(jié)構(gòu)件焊接，焊件獲得法國巴黎復(fù)合材料展覽會（JEC World）創(chuàng)新獎；David Brassard等［6］采用電阻焊接的方式對CF/PEEK復(fù)合材料進(jìn)行焊接，焊接接頭拉剪強(qiáng)度達(dá)19.60 MPa；Murray R E等［7，8］、Tobin J R等［9］和Leong K F等［10］分別采用電阻焊接、感應(yīng)焊接和超聲波焊接對以Elium樹脂為基體的熱塑復(fù)材進(jìn)行焊接，證實(shí)了Elium樹脂的可焊接特性。由此可見國內(nèi)外的機(jī)構(gòu)對熱塑性復(fù)合材料的焊接已有一定的研究成果，針對風(fēng)機(jī)葉片研究熱塑性復(fù)合材料大面積焊接技術(shù)有助于推動葉片生產(chǎn)模式革新，提高生產(chǎn)效率，降低制造成本。

本文采用紅外焊接、超聲波焊接、感應(yīng)焊接3種焊接方式，研究以Elium為樹脂基體的熱塑性復(fù)合材料的焊接特性，通過焊接接頭的拉伸剪切強(qiáng)度評估焊接效果。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料

樹脂：Elium，阿科瑪（常熟）化學(xué)有限公司；

玻纖織物：UD1250（TM+），重慶國際復(fù)合材料股份有限公司；

脫模劑、導(dǎo)流網(wǎng)、脫模布、密封膠條等輔材。

1.2 設(shè)備和儀器

紅外加熱器：SUPER-MINI G11-12 SM，萊丹塑料焊接技術(shù)（上海）有限公司；

超聲波焊接機(jī)：Sonic Tech3000，德國必勒；

感應(yīng)焊接機(jī)：自制；

壓機(jī)：TY603F，寧波天譽(yù)機(jī)械有限公司；

拉力試驗(yàn)機(jī)：INSTRON3382，美國英斯特朗；

電動切割機(jī)：山東森泰機(jī)械有限公司。

1.3 熱塑復(fù)合材料層合板的制備

采用真空灌注工藝制備熱塑復(fù)合材料層合板，具體步驟：在實(shí)驗(yàn)臺面打脫模劑→鋪設(shè)脫模布→鋪設(shè)4層UD1250（TM+）玻纖織物→鋪設(shè)導(dǎo)流網(wǎng)→打袋插管→抽真空及灌注→常溫固化4 h→脫模，工藝流程如圖1所示。將脫模后的熱塑復(fù)合材料層合板切割制成100 mm×25 mm的實(shí)驗(yàn)樣條。

圖1 熱塑層合板的制備

1.4 紅外焊接

用鑷子將樣條置于紅外加熱器上方3～5 cm，加熱時間40～60 s，如圖2所示，接著迅速將兩熔融面貼合，并在樣條焊接區(qū)域表面放置1 kg砝碼直至樣條冷卻至室溫，紅外焊接樣條如圖3所示。按ISO 4587《膠粘劑-拉伸剪切強(qiáng)度的測定（剛性材料對剛性材料）》測試焊接接頭的拉伸剪切強(qiáng)度，下同。

圖2 紅外焊接過程圖

圖3 紅外焊接的樣條

1.5 超聲波焊接

將樣條固定在超聲波焊接機(jī)上，見圖4所示，以超聲波超高頻率振動的焊頭在適度壓力下使兩塊樣條搭接面產(chǎn)生摩擦熱而熔融接合。焊接機(jī)頻率為20 kHz，通過調(diào)整焊接氣壓和焊接時間來達(dá)到最佳的焊接效果，將焊接好的樣條測試?yán)旒羟袕?qiáng)度。

圖4 超聲波焊接機(jī)

1.6 感應(yīng)焊接

首先制備銅網(wǎng)植入層，具體流程：取2張PI膜，涂兩遍脫模劑，先在一層PI膜上撒一層熱塑性樹脂粉末，鋪上銅網(wǎng)，再撒一層熱塑性樹脂粉末，覆蓋另一層PI膜后將4條邊用PI膠帶固定，然后將其放入預(yù)先加熱到200 ℃的壓機(jī)中加熱熔融，冷卻脫模即可得到銅網(wǎng) / 熱塑性樹脂植入層，如圖5所示。

圖5 銅網(wǎng)/熱塑樹脂植入層

通過調(diào)整感應(yīng)電機(jī)的頻率和線圈位置使植入層的發(fā)熱溫度在240 ℃左右，焊接持續(xù)時間60 s，隨后關(guān)閉電源，冷卻后得到焊接好的熱塑樣條，焊接過程如圖6所示，并測試其拉伸剪切強(qiáng)度。

圖6 感應(yīng)焊接示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 紅外焊接

對紅外焊接的5組樣條進(jìn)行拉伸剪切強(qiáng)度測試，拉剪強(qiáng)度最大值為8.89 MPa，最小值為4.48 MPa，離散系數(shù)28.40%，見表1。這證實(shí)了以Elium為樹脂基體的熱塑性復(fù)合材料具有可焊接的特性；由于紅外焊接過程控制較為粗獷，樣條部分區(qū)域加熱過度樹脂流失，樣條局部發(fā)白，如圖7所示，而部分區(qū)域未能充分熔融，如圖8所示，導(dǎo)致拉剪強(qiáng)度數(shù)據(jù)離散性大。

圖8 拉伸剪切強(qiáng)度測試失效樣條

表1 紅外焊接樣條拉伸剪切強(qiáng)度測試結(jié)果

圖7 紅外焊接測試樣條圖

2.2 超聲波焊接

對超聲波焊接的10組樣條進(jìn)行拉伸剪切強(qiáng)度測試，焊接參數(shù)及拉剪測試結(jié)果見表2。由表2可知，同一焊接氣壓，焊接時間的增加，拉剪強(qiáng)度呈先增大后降低的趨勢；同一焊接時間，焊接氣壓增加，拉剪強(qiáng)度呈增大趨勢。這是由于2個焊接樣條的交界面處聲阻大，在高頻振動下會產(chǎn)生局部高溫，致使兩樣條的接觸面迅速熔融，加上一定壓力后，使其融合成一體。焊接時間短，接觸面樹脂無法充分融合，導(dǎo)致拉剪強(qiáng)度低；焊接時間長，會導(dǎo)致樹脂充分融化流失掉，也會導(dǎo)致拉剪強(qiáng)度低。綜上最佳焊接條件：焊接氣壓0.35 MPa，焊接時間1400～1600 ms。

表2 不同焊接氣壓和焊接時間的樣條拉伸剪切強(qiáng)度測試結(jié)果

2.3 感應(yīng)焊接

對感應(yīng)焊接的5組樣條進(jìn)行拉伸剪切強(qiáng)度測試，由圖9可知，拉剪強(qiáng)度最大值為10.02 MPa，最小值為6.47 MPa，離散系數(shù)18.98%。從圖10～圖11拉剪測試失效樣條看，1，2組樣條存在未融區(qū)，這可能是由于植入體制備時銅網(wǎng)內(nèi)樹脂浸潤不好，焊接過程缺樹脂，接觸面未能充分融合焊接，導(dǎo)致拉剪強(qiáng)度偏低，樣條失效狀態(tài)如圖10所示，而3，4，5組接觸面融合較好，故拉剪強(qiáng)度較高，樣條失效狀態(tài)如圖11所示。

圖9 感應(yīng)焊接拉剪測試結(jié)果

圖10 部分未熔感應(yīng)焊接拉剪測試失效樣條

圖11 完全熔融感應(yīng)焊接拉剪測試失效樣條

3 結(jié)論

（1）紅外焊接證實(shí)了以Elium為樹脂基體的熱塑性復(fù)合材料具有可焊接的特性，焊接接頭拉剪強(qiáng)度達(dá)8.89 MPa；

（2）超聲波焊接的最佳工藝參數(shù)為：焊接氣壓0.35 MPa，焊接時間1400～1600 ms，焊接接頭拉剪強(qiáng)度可達(dá)11.93 MPa；

（3）制備了銅網(wǎng)/熱塑樹脂植入層，通過調(diào)整感應(yīng)焊機(jī)的頻率和線圈高度維持銅網(wǎng)溫度200 ℃左右實(shí)現(xiàn)熱塑復(fù)材焊接，焊接接頭拉剪強(qiáng)度可達(dá)10.02 MPa；

（4）從3種不同焊接方式的焊接接頭拉伸剪切強(qiáng)度測試數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)離散大，且焊接接頭拉剪強(qiáng)度低于DNV-GL規(guī)范要求12 MPa，需要進(jìn)一步改善焊接工藝。