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