短碳纤维增强尼龙66复合材料的超声波焊接及质量改进

摘要

汽车行业的快速发展在提升了人们生活水平的同时，其所造成的环境污染也日益严重。为了达到节能减排的目的，轻质、高性能的材料，尤其是尼龙及碳纤、玻纤增强尼龙基复合材料由于质轻、成本低、比强度高等优点，轻量化效果显著，在汽车车身制造中的应用愈来愈广泛。但是，尼龙及其复合材料在车身制造中的应用面临的主要问题是如何实现尼龙材料的高强连接。超声波焊接技术以其速度快、效率高、接头强度高、能耗低、方便操作、易于实现自动化、无需引入异质材料和特殊表面处理等优点，是目前最有效的尼龙材料连接技术。但是尼龙超声波焊接的焊接质量波动性较大，因此如何提升焊接质量，修复有焊接缺陷接头是目前急需解决的问题。本课题为ZZU-GM联合基金项目“Real-time Weld Inspection/Correction Process Development”的研究内容的一部分，基于碳纤维增强尼龙66复合材料超声波焊接技术，在研究焊接工艺参数及焊板间隙对焊接质量影响的基础上，通过二次焊接修复技术对缺陷接头进行修复；通过设计新型预压环夹具以及采用粘-焊复合连接技术提高碳纤增强尼龙66复合材料的超声波焊接强度和焊接质量，取得如下研究成果：
　　（1）对于搭接25mm，厚度4mm的碳纤维增强尼龙66复合材料的超声波焊接强度随着焊接时间的增加先增加后下降，最佳工艺参数是2.1s焊接时间，0.15MPa焊接压力，最佳焊接强度大于5.5kN，焊接强度和焊接面积成正比。板材间隙降低了接头的焊接强度，特别是当间隙大于0.5mm时，焊接强度显著降低，说明焊接面的接触情况对超声波焊接的质量具有显著影响。
　　（2）二次焊接可以显著改善有焊接缺陷的接头（0.7mm板间隙）质量，增加接头强度。最佳的二次修复能量为5kJ，修复后的接头强度可达到5kN以上。超声波焊接修复的主要机理是有缺陷接头已存的焊核区域边缘二次熔化，使得接头的焊核面积增加，承载面积增大，从而使焊接强度提高。
　　（3）预压环制备的超声波焊接接头的强度与焊接时间关系类似于常规焊接夹具并具有相同的最佳焊接参数。在相同焊接参数下，预压环焊接接头的焊接强度高于常规夹具焊接接头。原因在于预压环夹具有利于焊接过程中超声波能量的吸收，因此，预压环焊接接头的焊核总是起始于焊接区域中心部位形成中心焊核，然后逐步向周边扩展，不但增加了接头的焊核尺寸，增加了稳定熔合区厚度，而且减轻了周边焊核引起的应力集中，降低了焊接接头板材断裂的几率。
　　（4）预压环夹具制备的粘-焊接头的接头强度较常规夹具制备的粘-焊接头强度提高近40％，吸收的能量提高1.4倍。粘-焊能够提高接头强度和吸能效果的原因可能是粘接剂进一步促进了超声波的传递，促进接头的熔合。

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1 引言

1.1 热塑性复合材料简介

1.2 尼龙及其改性复合材料

1.3 热塑性塑料连接技术

1.4 塑料超声波焊接技术

1.5 塑料超声波焊接的接头形貌

1.6 塑料超声波焊接面临的问题

1.7 研究内容及技术路线

2 实验方法

2.1 测试材料

2.2 超声波焊接

2.3 焊接温度的测量

2.4 焊接夹具的设计与装配

2.5 超声波焊接修复

2.6 粘-焊

2.7 试样拉伸试验

2.8 微观组织观察

3 超声波焊接与修复

3.1 超声波焊接工艺

3.2 板间隙对超声波焊接的影响

3.3 缺陷接头的修复工艺

3.4 超声波焊接修复机理

3.5 修复对接头形貌的影响

3.6 本章小结

4 预压环夹具对超声波焊接的影响

4.1 预压环夹具对超声波焊接强度的影响

4.2 焊接接头的微观分析

4.3 焊头位移和焊接温度实时跟踪

4.4 焊核形成机制及接头失效模式分析

4.5 本章小结

5 预压环对粘-焊复合连接技术的影响

5.1 搭接40mm的粘-焊复合连接接头强度

5.2 粘-焊接头负载吸能分析

5.3 粘-焊接头断面分析

5.4 本章小结

6 总结

参考文献

个人简历

致谢