热塑性复合材料的焊接研究

毛建晖，姬凌云，陈文光，张华华，顾育慧，李军向

（明阳智慧能源集团股份公司，中山 528437）

0 前言

目前风机叶片采用环氧结构胶对各部件进行粘接，主要有迎风面和背风面前后缘合模粘接、腹板与壳体粘接，而环氧结构胶存在固化周期长、胶接接头质量易受环境的影响、不同基材界面、粘接过程不可逆、不可回收等问题［1，2］。

近来，Arkema公司推出了一款反应型热塑性树脂Elium，通过自由基聚合成高分子量的线型高聚物，有望应用于风机叶片的设计和制造［3，4］，热塑性树脂具备可焊接特性，焊接工艺具有效率高、应力分布均匀、焊接过程可逆、便于实现自动化等优点［5］。2010年荷兰Fokker公司将热塑性复合材料焊接技术引入G650商务机方向舵焊接；2017年Arkema、Pontis公司基于Elium树脂合作研发了风机叶片典型结构件焊接，焊件获得法国巴黎复合材料展览会（JEC World）创新奖；David Brassard等［6］采用电阻焊接的方式对CF/PEEK复合材料进行焊接，焊接接头拉剪强度达19.60 MPa；Murray R E等［7，8］、Tobin J R等［9］和Leong K F等［10］分别采用电阻焊接、感应焊接和超声波焊接对以Elium树脂为基体的热塑复材进行焊接，证实了Elium树脂的可焊接特性。由此可见国内外的机构对热塑性复合材料的焊接已有一定的研究成果，针对风机叶片研究热塑性复合材料大面积焊接技术有助于推动叶片生产模式革新，提高生产效率，降低制造成本。

本文采用红外焊接、超声波焊接、感应焊接3种焊接方式，研究以Elium为树脂基体的热塑性复合材料的焊接特性，通过焊接接头的拉伸剪切强度评估焊接效果。

1 实验部分

1.1 原料

树脂：Elium，阿科玛（常熟）化学有限公司；

玻纤织物：UD1250（TM+），重庆国际复合材料股份有限公司；

脱模剂、导流网、脱模布、密封胶条等辅材。

1.2 设备和仪器

红外加热器：SUPER-MINI G11-12 SM，莱丹塑料焊接技术（上海）有限公司；

超声波焊接机：Sonic Tech3000，德国必勒；

感应焊接机：自制；

压机：TY603F，宁波天誉机械有限公司；

拉力试验机：INSTRON3382，美国英斯特朗；

电动切割机：山东森泰机械有限公司。

1.3 热塑复合材料层合板的制备

采用真空灌注工艺制备热塑复合材料层合板，具体步骤：在实验台面打脱模剂→铺设脱模布→铺设4层UD1250（TM+）玻纤织物→铺设导流网→打袋插管→抽真空及灌注→常温固化4 h→脱模，工艺流程如图1所示。将脱模后的热塑复合材料层合板切割制成100 mm×25 mm的实验样条。

图1 热塑层合板的制备

1.4 红外焊接

用镊子将样条置于红外加热器上方3～5 cm，加热时间40～60 s，如图2所示，接着迅速将两熔融面贴合，并在样条焊接区域表面放置1 kg砝码直至样条冷却至室温，红外焊接样条如图3所示。按ISO 4587《胶粘剂-拉伸剪切强度的测定（刚性材料对刚性材料）》测试焊接接头的拉伸剪切强度，下同。

图2 红外焊接过程图

图3 红外焊接的样条

1.5 超声波焊接

将样条固定在超声波焊接机上，见图4所示，以超声波超高频率振动的焊头在适度压力下使两块样条搭接面产生摩擦热而熔融接合。焊接机频率为20 kHz，通过调整焊接气压和焊接时间来达到最佳的焊接效果，将焊接好的样条测试拉伸剪切强度。

图4 超声波焊接机

1.6 感应焊接

首先制备铜网植入层，具体流程：取2张PI膜，涂两遍脱模剂，先在一层PI膜上撒一层热塑性树脂粉末，铺上铜网，再撒一层热塑性树脂粉末，覆盖另一层PI膜后将4条边用PI胶带固定，然后将其放入预先加热到200 ℃的压机中加热熔融，冷却脱模即可得到铜网 / 热塑性树脂植入层，如图5所示。

图5 铜网/热塑树脂植入层

通过调整感应电机的频率和线圈位置使植入层的发热温度在240 ℃左右，焊接持续时间60 s，随后关闭电源，冷却后得到焊接好的热塑样条，焊接过程如图6所示，并测试其拉伸剪切强度。

图6 感应焊接示意图

2 结果与讨论

2.1 红外焊接

对红外焊接的5组样条进行拉伸剪切强度测试，拉剪强度最大值为8.89 MPa，最小值为4.48 MPa，离散系数28.40%，见表1。这证实了以Elium为树脂基体的热塑性复合材料具有可焊接的特性；由于红外焊接过程控制较为粗犷，样条部分区域加热过度树脂流失，样条局部发白，如图7所示，而部分区域未能充分熔融，如图8所示，导致拉剪强度数据离散性大。

图8 拉伸剪切强度测试失效样条

表1 红外焊接样条拉伸剪切强度测试结果

图7 红外焊接测试样条图

2.2 超声波焊接

对超声波焊接的10组样条进行拉伸剪切强度测试，焊接参数及拉剪测试结果见表2。由表2可知，同一焊接气压，焊接时间的增加，拉剪强度呈先增大后降低的趋势；同一焊接时间，焊接气压增加，拉剪强度呈增大趋势。这是由于2个焊接样条的交界面处声阻大，在高频振动下会产生局部高温，致使两样条的接触面迅速熔融，加上一定压力后，使其融合成一体。焊接时间短，接触面树脂无法充分融合，导致拉剪强度低；焊接时间长，会导致树脂充分融化流失掉，也会导致拉剪强度低。综上最佳焊接条件：焊接气压0.35 MPa，焊接时间1400～1600 ms。

表2 不同焊接气压和焊接时间的样条拉伸剪切强度测试结果

2.3 感应焊接

对感应焊接的5组样条进行拉伸剪切强度测试，由图9可知，拉剪强度最大值为10.02 MPa，最小值为6.47 MPa，离散系数18.98%。从图10～图11拉剪测试失效样条看，1，2组样条存在未融区，这可能是由于植入体制备时铜网内树脂浸润不好，焊接过程缺树脂，接触面未能充分融合焊接，导致拉剪强度偏低，样条失效状态如图10所示，而3，4，5组接触面融合较好，故拉剪强度较高，样条失效状态如图11所示。

图9 感应焊接拉剪测试结果

图10 部分未熔感应焊接拉剪测试失效样条

图11 完全熔融感应焊接拉剪测试失效样条

3 结论

（1）红外焊接证实了以Elium为树脂基体的热塑性复合材料具有可焊接的特性，焊接接头拉剪强度达8.89 MPa；

（2）超声波焊接的最佳工艺参数为：焊接气压0.35 MPa，焊接时间1400～1600 ms，焊接接头拉剪强度可达11.93 MPa；

（3）制备了铜网/热塑树脂植入层，通过调整感应焊机的频率和线圈高度维持铜网温度200 ℃左右实现热塑复材焊接，焊接接头拉剪强度可达10.02 MPa；

（4）从3种不同焊接方式的焊接接头拉伸剪切强度测试数据可以发现数据离散大，且焊接接头拉剪强度低于DNV-GL规范要求12 MPa，需要进一步改善焊接工艺。