金属与热塑性复合材料的超声波焊接研究进展

 

近年来，随着全球能源危机的日益严峻，节能减排已成为许多行业领域的首要任务。对于交通领域，结构轻量化可以有效地降低油耗和减少尾气排放。因此越来越多的产品在设计时考虑采用轻质材料。纤维增强热塑性复合材料（Fiber Reinforced Thermoplastic, FRTP）因其低密度、高比强度、良好的耐腐蚀性、可回收、可焊接等优点，具有广阔的应用前景。由于FRTP在目前情况下不能完全取代传统的金属材料，因此需要将FRTP与金属进行连接来满足实际的应用需求。常见的金属/FRTP焊接方法包括激光焊、搅拌摩擦焊接、感应焊、电阻焊和超声波焊。其中超声波焊具有高效、清洁、环保、成本低、易于实现自动化等特点；此外，超声波焊接对金属材料性能的影响较小。因此实现金属/FRTP的高强超声波焊接具有重要工程意义。

 

 

本文从焊接过程、连接机理、力学性能和电化学腐蚀四个方面总结了金属/FRTP超声波焊接的研究现状。研究表明，金属/FRTP超声波焊接的物理机制，特别是金属/FRTP的化学结合机制仍不明确。由于缺乏对金属/FRTP界面反应的定量描述，目前对金属/FRTP超声焊接的建模和数值模拟还非常欠缺。在金属表面制造宏观或微观的凹槽和突起是提高金属/FRTP接头强度的主要方法。然而，其效果是不稳定的，需要对这些凹槽和突起进行定量分析。总之，金属/FRTP超声波焊接仍有巨大的研究空间。

 

 

本工作总结了金属/FRTP异种材料超声焊接的研究进展，主要集中在接头的连接机制和力学性能方面。主要结论和展望如下：

 

（1）超声波金属焊接（UMW）和超声波塑料焊接（UPW）都可用于连接金属与FRTP。UMW和UPW的主要产热机制分别是摩擦产热和粘弹产热。UMW和UPM在连接金属/FRTP时的物理机制仍不明确，应开展建模或数值方法来揭示金属/FRTP超声波焊接的基本规律。

 

（2）根据现有研究，金属/FRTP超声焊接接头的连接机制只有机械互锁。没有形成或没有观察到化学连接的原因尚不明确。研究金属/FRTP接头中化学键和氢键的形成条件具有重要意义。

 

（3）金属表面处理，如喷砂、酸洗、喷涂、3D打印、激光刻蚀、电化学加工等，被认为是提高金属/FRTP接头力学性能的重要方法。对于不同的材料组合和焊接条件，表面处理的效果是不同的，导致焊接强度分散。超声振动下的金属表面形态和熔融聚合物之间的相互作用也是值得研究的方向。

 

（4）当FRTP中的纤维为碳纤维时，可通过在金属和FRTP之间增加一个绝缘层来防止碳纤维和金属之间可能发生的电化学腐蚀。

图1 不同的超声波焊接方法

图2  宏（微）观机械自锁接头横截面：（a）3D打印“pin”结构嵌入树脂基体后的接头横截面；（b）超声波铆焊接头横截面；（c）微观机械自锁示意图；（d）射流电解加工处理的多尺度金属表面结构与CFRP形成的接头横截面

图3  添加GF/PEEK中间层的金属与CF/PEEK接头

 

Zeguang Liu, Yang Li, Zhiwei Liu, Yuanduo Yang, Yiang Li, Zhen Luo. Ultrasonic welding of metal to fiber-reinforced thermoplastic composites: A review. Journal of Manufacturing Processes, 2023, 85: 702-712.

 

https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2022.12.001