短切纖維對復(fù)合材料焊接強度的增強作用

孫一棋

（中國石油大慶石化公司熱電廠，黑龍江大慶 163000）

0 引言

隨著材料學(xué)的不斷進步，復(fù)合材料技術(shù)更加成熟，尤其在航天行業(yè)中顯示出了巨大的應(yīng)用前景，特別是制作結(jié)構(gòu)件方面[1]。現(xiàn)階段采用熱塑性復(fù)合材料制作飛行器中的結(jié)構(gòu)件已成為業(yè)內(nèi)的普遍做法，這種材料耐腐蝕、耐損傷，具有比金屬材料更優(yōu)良的物理性能[2]。但結(jié)構(gòu)件的尺寸向著大型化方向發(fā)展，需要更高的焊接技術(shù)，常見的焊接方式有激光焊接、感應(yīng)焊接、超聲焊接、電阻焊接等[3]。

與其他焊接方式相比，電阻焊所需要的設(shè)備簡單，焊接工藝靈活易行，焊接成本低，焊后無需進行表面的二次處理，可以實現(xiàn)大面積焊接，焊接時也不用頻繁移動結(jié)構(gòu)件，逐漸被各國廣泛采用。1987 年電阻焊首次被應(yīng)用于熱塑性復(fù)合材料的焊接[4]，表現(xiàn)出了良好的工藝性，能夠適應(yīng)多種復(fù)合材料的焊接需求，如基于碳纖維或玻璃纖維的多種復(fù)合材料。為了進一步提高焊接質(zhì)量，提升焊接接頭的性能，各國學(xué)者對其開展了廣泛的研究。美國學(xué)者Dubé 等分析了不銹鋼網(wǎng)加熱體復(fù)合材料的焊接熱影響。Tanaka 等通過試驗確定了樹脂焊接時保溫時間對接頭質(zhì)量的影響。庫克等針對影響復(fù)合材料電阻焊接頭強度的因素做了專項研究，總結(jié)出斷面的失效機制。費畢格等指出了復(fù)合材料焊接時纖維方向的重要作用。通過廣大學(xué)者的不斷研究，最終確定了層內(nèi)失效是復(fù)合材料電阻焊最為重要的失效模式。由此，學(xué)術(shù)界統(tǒng)一了復(fù)合材料焊接工藝標準，認為界面的增強是提升焊接質(zhì)量與接頭性能的主要途徑。

基于界面增強理論，許多學(xué)者開始探究焊接工藝的提升途徑，也產(chǎn)生了很多優(yōu)秀成果，但還沒有學(xué)者嘗試通過對樹脂薄膜夾層進行強度補償來增強接頭力學(xué)性能的方法。為了彌補這一空白，本文將試驗多種復(fù)合材料與PEI 樹脂固化制作薄膜，以此來提升界面的力學(xué)性能，并通過微觀分析驗證該方法的有效性。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

本次試驗的材料主要有：玻璃纖維平紋織布、短切玻璃纖維、短切芳綸纖維、短切碳纖維、聚醚酰亞胺、不銹鋼網(wǎng)等。

1.2 試驗過程

制作復(fù)合材料板，將聚醚酰亞胺溶解于樹脂溶液中，采取浸潤法制作有機物料，通過熱壓設(shè)備得到厚度為2 mm 的板材，再由樹脂溶液生成聚醚酰亞胺薄膜，其中一部分薄膜利用短切玻璃纖維、短切芳綸纖維、短切碳纖維分別進行強化，得到厚度為0.2 mm 的薄膜，薄膜中的纖維含量為1%。

焊接工藝：在不銹鋼網(wǎng)的兩側(cè)貼合聚醚酰亞胺薄膜或增強型薄膜制成加熱體，再將加熱體置于兩塊玻璃纖維的接縫中，通過壓力機給予接縫0.2 MPa 的壓力，使板材與加熱體能夠完全貼合。采用20 V 電源作為焊接電源，焊接電流12 A，焊接時間最短30 s，最長180 s，每次焊接均以30 s 的幅度增加。焊接過程中需要利用冷卻設(shè)備對焊接邊緣進行冷卻保護，以降低焊接熱對焊縫邊緣的影響，試驗中需要實時測量焊接溫度，本文選擇K 型熱電偶作為溫度測量設(shè)備。

1.3 表征與測試

焊接后的短切玻璃纖維聚醚酰亞胺復(fù)合板的力學(xué)性能采取單臂梁試驗法進行測試，將焊接后的短切玻璃纖維聚醚酰亞胺復(fù)合板制成25 mm×6 mm×2 mm 的試樣，裝夾在拉伸試驗機上，在加熱速度為5 ℃/min 的環(huán)境中進行拉伸試驗，測試其焊接接頭的強度，拉伸速率選擇5 mm/min。試樣被拉斷后記錄拉斷時的全部數(shù)據(jù)，再利用顯微鏡觀察斷面的微觀形態(tài)。焊接接頭的剪切強度采取單搭接剪切法進行測試，剪切速率選擇10 mm/min，試樣被剪斷后記錄全部數(shù)據(jù)，并根據(jù)式（1）進行分析。

式中 τ——單搭接剪切強度，MPa

L——搭接長度，mm

b——搭接寬度，mm

Fmax——最大拉伸力，N

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 焊接工藝及接頭強度分析

復(fù)合材料電阻焊焊接過程如圖1 所示，中間黑色網(wǎng)狀夾層為不銹鋼網(wǎng)，在不銹鋼網(wǎng)上下兩側(cè)分別放置貼合的樹脂薄膜。短切玻璃纖維聚醚酰亞胺的力學(xué)性能在175 ℃時強度開始明顯下降，溫度達到200 ℃時開始玻璃化轉(zhuǎn)變，經(jīng)試驗得知，這種樹脂在350 ℃融化。短切玻璃纖維聚醚酰亞胺的焊接熱力學(xué)性能在采用電阻焊時，溫度需15 s 上升至200 ℃，需40 s 上升至350 ℃，根據(jù)溫度曲線設(shè)定焊接時間為30 s。不同焊接時間長度下短切玻璃纖維聚醚酰亞胺的接頭強度隨時間的增加接頭強度呈現(xiàn)先增加后減少的變化規(guī)律，時間為150 s 時接頭強度最大，時間為180 s 時接頭強度下降，這是由于過長的焊接時間導(dǎo)致焊縫損傷，使接頭強度下降。

圖1 復(fù)合膜焊接

2.2 不同纖維對界面的增強作用及機理

聚醚酰亞胺薄膜表面光滑，加入短切纖維后纖維組織無序分布于薄膜中（圖2）。在加入纖維組織后，短切玻璃纖維聚醚酰亞胺薄膜的拉伸強度，強度明顯增加，這將有利于焊接力學(xué)性能的強化，短切芳綸纖維聚醚酰亞胺薄的強度小于短切玻璃纖維聚醚酰亞胺薄膜，強度最好的為短切碳纖維聚醚酰亞胺薄膜。將這3種薄膜分別做焊接試驗，其強化效果也有所不同，加入纖維組織后的焊接強度明顯提高，短切碳纖維聚醚酰亞胺薄膜的焊接強度要高于其他兩種復(fù)合材料很多，剪切強度達到35.97 MPa，纖維組織對焊接接頭的強化作用達到29.6%，這也證明了纖維組織對焊接界面的強化作用。

圖2 薄膜電鏡照片

試驗證明了纖維組織對焊接接頭的強化作用：焊接時間較短時，樹脂沒有達到熔融狀態(tài)，樹脂材料和纖維都無法穿過不銹鋼網(wǎng)，對焊接接頭的增強作用有限；當焊接時間達到150 s 時，樹脂材料和纖維可以緊密地貼合在不銹鋼網(wǎng)上，起到了很好的焊接接頭增強作用，在外力作用下，樹脂材料和纖維與不銹鋼網(wǎng)同時發(fā)生斷裂，共同抵御了外部載荷。不同焊接時間失效界面中纖維的形式和電鏡照片如圖3、圖4 所示。

圖3 焊接時間30 s

圖4 焊接時間150 s

2.3 界面失效模式及失效機理

焊接界面失效是由于不銹鋼網(wǎng)與樹脂材料被破壞引起的，失效形式取決于樹脂材料的熔融程度，焊接時間不同時，其破壞形式也不同：①焊接時間＜60 s，樹脂材料無法全部達到熔融狀態(tài)，與不銹鋼網(wǎng)的結(jié)合不充分，界面強度較差，材料的失效形式為層間失效；②焊接時間60～120 s，隨著焊接時間的延長，樹脂的熔融狀態(tài)變好，與不銹鋼網(wǎng)結(jié)合也變得充分一些，但焊縫邊緣的溫度高于中心，因此焊縫邊緣的強度也要高于中心，這時材料的失效形式為線性撕裂；③焊接時間120～150 s，焊接時間繼續(xù)延長，樹脂的熔融狀態(tài)更充分，能更好地與不銹鋼網(wǎng)結(jié)合，此時二者的融合達到最佳，材料的強度最高，接頭質(zhì)量最好，失效形式也轉(zhuǎn)變?yōu)橥瑫r撕裂；④焊接時間＞150 s，焊接時間繼續(xù)延長，導(dǎo)致焊縫邊緣溫度過高，材料發(fā)生變質(zhì)，強度迅速下降，失效形式轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)形撕裂（圖5）。

圖5 不同焊接時間下樹脂與不銹鋼網(wǎng)的結(jié)合狀態(tài)

3 結(jié)論

在熱塑性復(fù)合材料電阻焊中，短切纖維對材料焊接性能的提升作用非常明顯，焊縫強度能夠提升30%。通過焊縫的力學(xué)試驗可以看出，短切纖維與不銹鋼網(wǎng)起到了協(xié)同作用，分別從微觀和宏觀兩個角度增加了材料的強度，聚醚酰亞胺的承載能力明顯提升。隨著焊接時間的增加，復(fù)合材料的熔融狀態(tài)最好，短切纖維聚醚酰亞胺與不銹鋼網(wǎng)的結(jié)合程度提高，材料的失效形式也由層間失效轉(zhuǎn)變?yōu)橥瑫r撕裂，但焊接時間過長反而會降低材料的強度，這是由于焊縫邊緣溫度過高產(chǎn)生了變質(zhì)。