一种界面夹杂增强的热塑性复合材料超声波焊接方法

摘要

本发明公开了一种界面夹杂增强的热塑性复合材料超声波焊接方法，采用碳纳米管、石墨烯、SiC颗粒或高强度金属网钉在第一纤维增强热塑性复合材料板的待焊接区域上制备界面夹杂区；将第二纤维增强热塑性复合材料板待焊接区域搭接在第一纤维增强热塑性复合材料板的界面夹杂区上，并固定在砧座上；用超声波焊头在第二纤维增强热塑性复合材料板待焊接区域正上方施加垂直于工件交界面的焊接压力和正弦位移载荷，焊接完毕后使用超声波焊头对焊接接头保压并冷却后卸载，完成焊接。本发明极大地提升焊接接头的抗拉/剥离强度。

说明书

技术领域

本发明属于热塑性复合材料超声波连接技术领域，具体涉及一种界面夹杂增强的热塑性复合材料超声波焊接方法。

背景技术

超声波点焊接头的刚度和剪切强度几乎与机械紧固接头相当或更高，但由于超声焊接的热塑性复合材料制品存在抗拉/剥离强度较低的问题，导致在工程领域，超声波焊接很少用于连接碳纤维增强热塑性塑料结构。

焊接接头的界面强度直接决定了纤维增强热塑性复合材料超声焊接接头的强度，而纤维表面过度平滑，化学惰性和低表面能，焊接界面处的纤维与树脂间的抗剥离强度低，同时树脂基体的强度低，在承受载荷时由于焊接接头界面树脂基体的剪切破坏和纤维与树脂基体的剥离破坏而容易发生过早失效。

为了发挥超声波焊接热塑性复合材料的快速、高效和接头美观等突出优势，必须从提高焊接界面处树脂基体强度和纤维与树脂基体之间抗剥离强度两方面对焊接界面进行增强，从而提高焊接接头连接强度，制造出符合实际工业生产的高强度超声波焊接接头。

在树脂基体中混入碳纳米管、石墨烯或SiC颗粒，不仅可以显著提高树脂基体的强度，同时纤维增强树脂基复合材料中的碳纳米管、石墨烯或SiC颗粒可附着在碳纤维表面形成“倒刺”微结构，从而提高复合材料中纤维与树脂基体之间抗剥离强度。因而可以在焊接界面处夹杂碳纳米管、石墨烯或SiC颗粒，使其在超声波振动作用下混入焊接界面的树脂基体和纤维之间，从而提高焊接界面处树脂基体强度和纤维与树脂基体之间抗剥离强度，极大提升焊接接头的抗拉/剥离强度。

或者可以直接在焊接界面夹杂放置高强度金属网钉，高强度金属网钉在超声振动作用下，直接嵌入焊接接头纤维中形成钉扎效应，从而实现焊接接头的载荷通过高强度金属网钉在纤维间有效传递，亦可极大提升焊接接头的抗拉/剥离强度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种界面夹杂增强的热塑性复合材料超声波焊接方法，实现焊接接头的载荷通过高强度金属网钉在纤维间有效传递，亦可极大提升焊接接头的抗拉/剥离强度。

本发明采用以下技术方案：

一种界面夹杂增强的热塑性复合材料超声波焊接方法，包括以下步骤：

S1、采用碳纳米管、石墨烯、SiC颗粒或高强度金属网钉在第一纤维增强热塑性复合材料板的待焊接区域上制备界面夹杂区；

S2、将第二纤维增强热塑性复合材料板待焊接区域搭接在步骤S1制备的第一纤维增强热塑性复合材料板的界面夹杂区上，并固定在砧座上；

S3、用超声波焊头在步骤S2制备的第二纤维增强热塑性复合材料板待焊接区域正上方施加垂直与工件交界面的焊接压力和正弦位移载荷，焊接完毕后使用超声波焊头对焊接接头保压并冷却后卸载，完成焊接。

具体的，步骤S1具体为：

S101、将碳纳米管或石墨烯加入乙醇溶液中进行超声波搅拌，配成碳纳米管/石墨烯悬浊液，再将碳纳米管/石墨烯悬浊液均匀涂抹在第一纤维增强热塑性复合材料板待焊接区域上，并进行烘干处理；

S102、将S101制成的碳纳米管或石墨烯悬浊液均匀涂抹在第一纤维增强热塑性复合材料板的待焊接区域上，并进行烘干处理，得到碳纳米管或石墨烯界面夹杂区。

进一步的，步骤S101中，碳纳米管/石墨烯悬浊液的浓度为5～30mg/mL。

具体的，步骤S1具体为：

S201、将第一纤维增强热塑性复合材料板的待焊接区域朝上并放置于超声波焊头正下方，固定在砧座上；

S202、将10～40mg的SiC颗粒均匀铺放在S201中的第一纤维增强热塑性复合材料板的待焊接区域，得到SiC颗粒界面夹杂区。

具体的，步骤S1具体为：

S301、将碳纳米管、石墨烯或SiC颗粒均匀混入熔融的热塑性树脂基体中，通过注塑挤压方式制成厚度0.2～0.35mm的碳纳米管/石墨烯/SiC颗粒夹杂型的热塑性树脂基体薄膜，并切成略大于焊接区域的薄片，制得夹杂型树脂薄片；

S302、将第一纤维增强热塑性复合材料板的待焊接区域朝上并放置于超声波焊头正下方，固定在砧座上；

S303、将S301中制得的夹杂型树脂薄片平放在第一纤维增强热塑性复合材料板的待焊接区域上，并将其边缘固定，得到碳纳米管、石墨烯或SiC颗粒树脂薄膜界面夹杂区。

进一步的，步骤S301中，0.2～0.35m厚的碳纳米管/石墨烯夹杂型热塑性树脂基体薄膜的质量分数为1％～5％，0.2～0.35mm厚的SiC颗粒的夹杂型热塑性树脂基体薄膜的质量分数为5％～10％，薄膜的边长为30mm。

具体的，步骤S1具体为：

S401、采用雕刻机在高强度金属板上雕刻金属网孔和金属网钉孔得到金属网板，将金属钉安装固定在金属网板上得到高强度金属网钉或采用3D打印技术直接打印出高强度金属网钉；

S402、将第一纤维增强热塑性复合材料板待焊接区域朝上并放置于超声波焊头的正下方，固定在砧座上；

S403、将S401中制得的高强度金属网钉平放在第一纤维增强热塑性复合材料板待焊接区域上，得到高强度金属网钉界面夹杂区。

具体的，步骤S3中，焊接压力为500～1000N；正弦位移载荷的振动幅值为25～100μm。

具体的，步骤S3中，焊接时间为0.8～1.5s，对焊接接头保压并冷却5～10s后卸载。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种界面夹杂增强的热塑性复合材料超声波焊接方法，焊接过程中在超声焊头的横向挤压振动下，焊接界面处树脂基体的熔融挤压流动，使夹杂在界面处的碳纳米管、石墨烯或SiC颗粒混入焊接界面树脂基体和纤维中，并附着在纤维表面形成“倒刺”微结构，可以将焊接接头施加的载荷更有效地从树脂转移到纤维上，提高焊接界面处树脂基体的强度和纤维与树脂基体之间抗剥离强度，极大提升焊接接头的抗拉/剥离强度；界面夹杂区中的高强度金属网钉，焊接过程中在超声焊头的横向挤压振动下，使金属网钉逐渐钉入焊接界面软化树脂中的纤维中形成钉扎效应，从而实现焊接接头的载荷通过高强度金属网钉在纤维间有效传递，亦可极大提升焊接接头的抗拉/剥离强度。

进一步的，将碳纳米管或石墨烯加入乙醇溶液中进行超声波搅拌，从而使碳纳米管或石墨烯在酒精中充分分散避免团聚，配成碳纳米管或石墨烯悬浊液，将配成的碳纳米管或石墨烯悬浊液均匀涂抹在第一纤维增强热塑性复合材料板的待焊接区域上，并进行烘干处理，从而实现在界面夹杂区均匀分布一定量的碳纳米管或石墨烯，从而实现焊接过程中在超声焊头的横向挤压振动下碳纳米管或石墨烯能均匀的分布在焊接界面中的树脂基体和纤维中，从而提高焊接界面处树脂基体的强度和纤维与树脂基体之间抗剥离强度，极大提升焊接接头的抗拉/剥离强度。

进一步的，所配置的5mL碳纳米管/石墨烯悬浊液的浓度为5～30mg/mL，将该悬浊液均匀涂抹在第一纤维增强热塑性复合材料板的待焊接区域上，进行烘干处理，从而使得到界面夹杂区上均匀分布一定量的碳纳米管或石墨烯，使焊接过程中在超声焊头的横向挤压振动下均匀的分布在焊接界面中的树脂基体和纤维中碳纳米管或石墨烯含量不至于过少而无法提高焊接界面处树脂基体的强度和纤维与树脂基体之间抗剥离强度，也不至于过多而降低焊接界面处树脂基体的强度和纤维与树脂基体之间抗剥离强度，从而不能实现起到提升焊接接头的抗拉/剥离强度的作用。

进一步的，在界面夹杂区中均匀铺放10～40mg的SiC颗粒，从而焊接过程中在超声焊头的横向挤压振动下，焊接界面处树脂基体的熔融挤压流动，使夹杂在界面处的SiC颗粒混入焊接界面树脂基体和纤维中，并附着在纤维表面形成“倒刺”微结构，可以将焊接接头施加的载荷更有效地从树脂转移到纤维上，提高焊接界面处树脂基体的强度和纤维与树脂基体之间抗剥离强度，极大提升焊接接头的抗拉/剥离强度。界面夹杂区铺放的SiC颗粒的量为10～40mg，使焊接后分布在焊接界面中的树脂基体和纤维中SiC颗粒含量不至于过少而无法提高焊接界面处树脂基体的强度和纤维与树脂基体之间抗剥离强度，也不至于过多而降低焊接界面处树脂基体的强度和纤维与树脂基体之间抗剥离强度，从而不能实现起到提升焊接接头的抗拉/剥离强度的作用。

进一步的，焊接过程中在超声焊头的横向挤压振动下，焊接界面处的夹杂型树脂薄片中的碳纳米管、石墨烯或SiC颗粒会随着树脂基体的熔融挤压流动而逐渐混入焊接界面树脂基体和纤维中，并附着在纤维表面形成“倒刺”微结构，可以将焊接接头施加的载荷更有效地从树脂转移到纤维上，提高焊接界面处树脂基体的强度和纤维与树脂基体之间抗剥离强度，极大提升焊接接头的抗拉/剥离强度。

进一步的，碳纳米管/石墨烯的夹杂型热塑性树脂基体薄膜的质量分数为1％～5％，而SiC颗粒的夹杂型热塑性树脂基体薄膜的质量分数为5％～10％，使焊接后分布在焊接界面中的树脂基体和纤维中碳纳米管、石墨烯或SiC颗粒含量不至于过少而无法提高焊接界面处树脂基体的强度和纤维与树脂基体之间抗剥离强度，也不至于过多而降低焊接界面处树脂基体的强度和纤维与树脂基体之间抗剥离强度，从而不能实现起到提升焊接接头的抗拉/剥离强度的作用。

进一步的，界面夹杂区中的高强度金属网钉，焊接过程中在超声焊头的横向挤压振动下，使金属网钉逐渐钉入焊接界面软化树脂中的纤维中形成钉扎效应，从而实现焊接接头的载荷通过高强度金属网钉在纤维间有效传递，亦可极大提升焊接接头的抗拉/剥离强度。

进一步的，焊接压力为500～1000N，可确保焊接过程中两块被焊接的纤维增强热塑性复合材料板与界面夹杂区紧密接触。正弦位移载荷的振动幅值为25～100μm，可确保超声波焊头将机械能量以振动的形式作用于焊接界面，从而在短时间内大量焊接热从而形成焊接接头。

进一步的，对焊接接头保压并冷却5～10s后卸载，可确保焊接界面在一定压力下充分冷却凝固，避免产生未熔合缺陷，而降低焊接接头强度，焊接时间为0.8～1.5s，可确保向焊接界面输入足够的能量形成较大的熔合面积，使获得焊接接头具有足够的强度，但焊接时间不能过长，避免焊接界面树脂和纤维过度挤压而导致焊接强度降低。

综上所述，本发明通过在纤维增强热塑性复合材料焊接界面处夹杂碳纳米管、石墨烯或SiC颗粒，从而实现提高焊接界面处树脂基体的强度和纤维与树脂基体之间抗剥离强度，或在纤维增强热塑性复合材料的焊接界面夹杂高强度金属网钉，从而实现焊接接头的载荷通过高强度金属网钉在纤维间有效传递，极大提升焊接接头的抗拉/剥离强度，提供了一种有效的促进超声波焊接用于连接碳纤维增强热塑性塑料结构工程领域的技术方案。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明一种基于界面夹杂增强的纤维增强热塑性复合材料超声波焊接技术所采用的超声波焊接原理图；

图2为高强度金属网钉制备示意图；

图3为所制备的金属网钉界面夹杂所需的高强度金属网钉示意图；

图4为采用方案Ⅰ碳纳米管、石墨烯或SiC颗粒界面夹杂增强和方案Ⅱ碳纳米管、石墨烯或SiC颗粒树脂薄膜界面夹杂增强所得到的单搭接超声波焊接接头；

图5为采用方案Ⅲ高强度金属网钉界面夹杂增强所得到的单搭接超声波焊接接头；

图6为采用方案Ⅰ、方案Ⅱ和方案Ⅲ的方法进行十字搭接焊接，可得到界面夹杂增强的十字搭接超声波焊接接头。

其中：1.超声波焊头；2.超声波焊头所施加的横向正弦位移载荷；3.第二纤维增强热塑性复合材料板；4.界面夹杂物；5.第一纤维增强热塑性复合材料板；6.超声波焊头所施加的焊接压力；7.砧座；4-1.碳纳米管或石墨烯界面夹杂区；4-1-1.碳纳米管.石墨烯或SiC颗粒界面夹杂增强焊接区；4-2.碳纳米管、石墨烯界面或SiC颗粒树脂薄膜界面夹杂区；4-3.高强度金属网钉界面夹杂区；4-4.高强度金属网钉；4-4-1.高强度金属网板；4-4-2.高强度金属钉；5-1.焊接界面中的纤维；5-2.焊接界面树脂基体中的碳纳米管.石墨烯或SiC颗粒夹杂物；5-3.焊接界面树脂基体中的附着在纤维上的碳纳米管石墨烯或SiC颗粒夹杂物；5-4.焊接界面中的树脂基体。

具体实施方式

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

本发明提供了一种界面夹杂增强的热塑性复合材料超声波焊接方法，通过在纤维增强热塑性复合材料焊接界面处夹杂碳纳米管、石墨烯或SiC颗粒，焊接过程中在超声焊头的横向挤压振动下，焊接界面处树脂基体的熔融挤压流动，使夹杂在界面处的碳纳米管、石墨烯或SiC颗粒混入焊接界面树脂基体和纤维中，并附着在纤维表面形成“倒刺”微结构，可以将焊接接头施加的载荷更有效地从树脂转移到纤维上，提高焊接界面处树脂基体的强度和纤维与树脂基体之间抗剥离强度，极大提升焊接接头的抗拉/剥离强度。或在纤维增强热塑性复合材料的超声波焊接界面夹杂较大尺度的高强度金属网钉，焊接过程中在超声焊头的横向挤压振动下，使金属网钉逐渐钉入焊接界面软化树脂中的纤维中形成钉扎效应，从而实现焊接接头的载荷通过高强度金属网钉在纤维间有效传递，亦可极大提升焊接接头的抗拉/剥离强度。改善了目前由于超声焊接的热塑性复合材料制品抗拉/剥离强度较低的问题，提供了一种有效的促进超声波焊接用于连接碳纤维增强热塑性塑料结构工程领域的技术方案。

本发明一种界面夹杂增强的热塑性复合材料超声波焊接方法，包括以下步骤：

方案Ⅰ：碳纳米管、石墨烯或SiC颗粒界面夹杂增强

S101、将碳纳米管或石墨烯加入乙醇溶液中进行超声波搅拌，配成5mL的悬浊液，再将制得的碳纳米管/石墨烯悬浊液均匀涂抹在第一纤维增强热塑性复合材料板待焊接区域上，并进行烘干处理；

S102、将S101制成的碳纳米管或石墨烯悬浊液均匀涂抹在第一纤维增强热塑性复合材料板5的待焊接区域上，并进行烘干处理，得到碳纳米管或石墨烯界面夹杂区4-1；

S103、将S102中所处理第一纤维增强热塑性复合材料板5的界面夹杂区4-1朝上并放置于超声波焊头1正下方，固定在砧座7上；

若采用SiC颗粒，则上述步骤S101、S102和S103替换为：

S201、将第一纤维增强热塑性复合材料板5的待焊接区域朝上并放置于超声波焊头1正下方，固定在砧座7上；

S202、将一定量SiC颗粒均匀铺放在S101中的第一纤维增强热塑性复合材料板5的待焊接区域，得到SiC颗粒界面夹杂区4-1；

S204、将第二纤维增强热塑性复合材料板3的待焊接区域搭接在第一纤维增强热塑性复合材料板的界面夹杂区4-1上，并固定在砧座7上；

S205、使用超声波焊头1在S104中第二纤维增强热塑性复合材料板3待焊接区域正上方施加垂直于工件交界面500～1000N的焊接压力6和振动幅值为25～100μm的正弦位移载荷2，焊接时间为0.8～1.5s，焊接完毕后超声波焊头1对焊接接头保压并冷却3～10s后卸载，完成整个焊接过程。

方案Ⅱ：碳纳米管、石墨烯或SiC颗粒树脂薄膜界面夹杂增强

S301、将碳纳米管、石墨烯或SiC颗粒均匀混入熔融的热塑性树脂基体中，通过注塑挤压方式制成0.2～0.35mm厚，含有一定质量分数碳纳米管/石墨烯/SiC颗粒的夹杂型热塑性树脂基体薄膜，并切成略大于焊接区域的薄片，制得夹杂型树脂薄片；

S302、将第一纤维增强热塑性复合材料板5的待焊接区域朝上并放置于超声波焊头1正下方，固定在砧座7上；

S303、将S301中制得的夹杂型树脂薄片平放在第一纤维增强热塑性复合材料板5的待焊接区域上，并将其边缘固定，避免焊接过程中的振动导致树脂薄片偏移，得到碳纳米管、石墨烯或SiC颗粒树脂薄膜界面夹杂区4-2；

S304、将第二纤维增强热塑性复合材料板3待焊接区域搭接在第一纤维增强热塑性复合材料板5的树脂薄膜界面夹杂区4-2上，并固定在砧座7上；

S305、用超声波焊头1在S304中第二纤维增强热塑性复合材料板3待焊接区域正上方施加垂直于工件交界面500～1000N的焊接压力6和振动幅值为25～100μm的正弦位移载荷2，焊接时间为0.8～1.5s，焊接完毕后超声波焊头1对焊接接头保压并冷却3～10s后卸载，完成整个焊接过程。

方案Ⅲ：高强度金属网钉界面夹杂增强

S401、制备高强度金属网钉：采用雕刻机在高强度金属板上雕刻出金属网孔和金属网钉孔得到金属网板4-4-1，将金属钉4-4-2安装固定在金属网板4-4-1上得到高强度金属网钉4-4或采用3D打印技术直接打印出高强度金属网钉4-4；

S402、将第一纤维增强热塑性复合材料板5待焊接区域朝上并放置于超声波焊头1正下方，固定在砧座7上；

S403、将S1中制得的高强度金属网钉4-4平放在第一纤维增强热塑性复合材料板5待焊接区域上，得到高强度金属网钉界面夹杂区4-3；

S404、将第二纤维增强热塑性复合材料板3待焊接区域搭接在第一纤维增强热塑性复合材料板的高强度金属网钉界面夹杂区4-3上，并固定在砧座7上；

S405、用超声波焊头1在S304中第二纤维增强热塑性复合材料板3正上方施加垂直于工件交界面500～1000N的焊接压力6和振动幅值为25～100μm的正弦位移载荷2，焊接时间为0.8～1.5s，焊接完毕后超声波焊头1对焊接接头保压并冷却3～10s后卸载，完成整个焊接过程。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示本发明的各实施例可以通过各种不同的组合或更换其他材料。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

1)准备尺寸为长为101.6mm，宽为25.4mm和厚2mm的第二纤维增强热塑性复合材料板3和第一纤维增强热塑性复合材料板5；

2)将碳纳米管或石墨烯加入乙醇溶液中进行超声搅拌，配成5ml浓度为5mg/mL的悬浊液；

3)将上述2)中制得的悬浊液均匀涂抹在第一纤维增强热塑性复合材料板5的待焊接区域上，并在60℃的温度下进行烘干处理10分钟，得到碳纳米管或石墨烯界面夹杂区4-1；

4)将上述处理的第一纤维增强热塑性复合材料板5上得到的碳纳米管或石墨烯界面夹杂区4-1朝上并放置在超声波焊头1的正下方，固定在焊接砧座7上；

(若采用SiC颗粒，则上述步骤2)、3)和4)换为：2)、将第一纤维增强热塑性复合材料板5的待焊接区域朝上并放置在超声波焊头1的正下方，固定在砧座7上；3)、将10mg的SiC颗粒均匀铺放在2)中第一纤维增强热塑性复合材料板5的待焊接区域，得到SiC颗粒界面夹杂区4-1)

5)将第二纤维增强热塑性复合材料板3的待焊接区域搭接在第一纤维增强热塑性复合材料板5的碳纳米管或石墨烯界面夹杂区4-1上，并固定在砧座7上，安装情况如图1中方案Ⅰ所示；

6)用超声波焊头1在上述焊工件的正上方施加垂直于工件交界面的750N的焊接压力6，焊接频率为20kHz、振动幅值为65μm的正弦位移载荷2，焊接时间为1.2s，焊接完毕后超声波焊头1对焊接接头进行用焊接压力6保压冷却7.5s后卸载，完成整个焊接过程；

(若采用SiC颗粒，则上述步骤6中的焊接时间设置为0.8s，焊接压力6设置为500N，保压冷却时间设置为5s，其他参数不变，操作步骤同上)

7)得到图4所示碳纳米管、石墨烯或SiC颗粒界面夹杂增强的碳纤维增强PEEK的单搭接超声波焊接接头，同理进行十字搭接焊接可得到图6所示的界面夹杂增强的十字搭接超声波焊接接头。

因焊接界面添加SiC能增加界面摩擦，较短时间能向焊接界面输入较多能量，所以当焊接界面添加10mg SiC时，为确保较短时间内界面夹杂区中SiC颗粒混入焊接界面树脂基体和纤维中，采用中等振幅65μm，较短焊接时间0.8s，因焊接时间对焊接影响较大，所以当采用较短焊接时间0.8s，就采用较小的焊接压力500N，较小的保压时间5s，就可实现较高强度焊接。

而界面添加的为较低浓度5mg/mL碳纳米管/石墨烯时，因碳纳米管/石墨烯有润滑作用，减小了界面摩擦，为确保较短时间内向焊接界面输入足够能量确保界面夹杂区中碳纳米管/石墨烯混入焊接界面树脂基体和纤维中，采用振幅65μm的同时需要延长焊接时间至1.2s，因焊接时间对焊接影响较大，所以当采用中等焊接时间1.2s，就采用中等的焊接压力750N，中等的保压时间7.5s，就可实现较高强度焊接。

实施例2

1)准备尺寸为长为101.6mm，宽为25.4mm和厚2mm的第二纤维增强热塑性复合材料板3和第一纤维增强热塑性复合材料板5；

2)将碳纳米管或石墨烯加入乙醇溶液中进行超声搅拌，配成5ml的浓度为5mg/mL的悬浊液；

3)将上述2)中制得的悬浊液均匀涂抹在第一纤维增强热塑性复合材料板5的待焊接区域上，并在60℃的温度下进行烘干处理10分钟，得到碳纳米管或石墨烯界面夹杂区4-1；

4)将上述处理的第一纤维增强热塑性复合材料板5上得到的碳纳米管或石墨烯界面夹杂区4-1朝上并放置在超声波焊头1的正下方，固定在焊接砧座7上；

(若采用SiC颗粒，则上述步骤2)、3)和4)换为：2)、将第一纤维增强热塑性复合材料板5的待焊接区域朝上并放置在超声波焊头1的正下方，固定在砧座7上；3)、将10mg的SiC颗粒均匀铺放在2)中第一纤维增强热塑性复合材料板5的待焊接区域，得到SiC颗粒界面夹杂区4-1)

5)将第二纤维增强热塑性复合材料板3的待焊接区域搭接在第一纤维增强热塑性复合材料板5的碳纳米管或石墨烯界面夹杂区4-1上，并固定在砧座7上，安装情况如图1中方案Ⅰ所示；

6)用超声波焊头1在上述焊工件的正上方施加垂直于工件交界面的1000N的焊接压力6，焊接频率为20kHz、振动幅值为25μm的正弦位移载荷2，焊接时间为1.5s，焊接完毕后超声波焊头1对焊接接头进行用焊接压力6保压冷却10s后卸载，完成整个焊接过程；

(若采用SiC颗粒，则上述步骤6中的焊接时间设置为1.2s，焊接压力6设置为750N，保压冷却时间设置为7.5s，其他参数不变，操作步骤同上)

7)得到图4所示碳纳米管、石墨烯或SiC颗粒界面夹杂增强的碳纤维增强PEEK的单搭接超声波焊接接头，同理进行十字搭接焊接可得到图6所示的界面夹杂增强的十字搭接超声波焊接接头。实施案例2较实施案例1，界面夹杂的碳纳米管、石墨烯或SiC颗粒的含量相当但采用了单位时间输入较少的能量较小的振动幅值25μm。为确保向焊接界面输入足够的能量使界面夹杂区中SiC颗粒混入焊接界面树脂基体和纤维中，当采用较小振幅25μm时，需要延长焊接时间为中等的焊接时间1.2s，因焊接时间对焊接影响较大，所以当采用中等的焊接时间1.2s，就采用中等的焊接压力750N，中等的保压时间7.5s，就可实现较高强度焊接。

为确保向焊接界面输入足够的能量使界面夹杂区中碳纳米管/石墨烯时混入焊接界面树脂基体和纤维中，当采用较小振幅25μm时，需要延长焊接时间为较长的焊接时间1.5s，因焊接时间对焊接影响较大，所以当采用较长的焊接时间1.5s，就采用较高的焊接压力1000N，较长的保压时间10s，就可实现较高强度焊接。

实施例3

1)准备尺寸为长为101.6mm，宽为25.4mm和厚2mm的第二纤维增强热塑性复合材料板3和第一纤维增强热塑性复合材料板5；

2)将碳纳米管或石墨烯加入乙醇溶液中进行超声搅拌，配成5ml的浓度为30mg/mL的悬浊液；

3)将上述2)中制得的悬浊液均匀涂抹在第一纤维增强热塑性复合材料板5的待焊接区域上，并在60℃的温度下进行烘干处理10分钟，得到碳纳米管或石墨烯界面夹杂区4-1；

4)将上述处理的第一纤维增强热塑性复合材料板5上得到的碳纳米管或石墨烯界面夹杂区4-1朝上并放置在超声波焊头1的正下方，固定在焊接砧座7上；

(若采用SiC颗粒，则上述步骤2)、3)和4)换为：2)、将第一纤维增强热塑性复合材料板5的待焊接区域朝上并放置在超声波焊头1的正下方，固定在砧座7上；3)、将40mg的SiC颗粒均匀铺放在2)中第一纤维增强热塑性复合材料板5的待焊接区域，得到SiC颗粒界面夹杂区4-1；)

5)将第二纤维增强热塑性复合材料板3的待焊接区域搭接在第一纤维增强热塑性复合材料板5的碳纳米管或石墨烯界面夹杂区4-1上，并固定在砧座7上，安装情况如图1中方案Ⅰ所示；

6)用超声波焊头1在上述焊工件的正上方施加垂直于工件交界面的1000N的焊接压力6，焊接频率为20kHz、振动幅值为65μm的正弦位移载荷2，焊接时间为1.5s，焊接完毕后超声波焊头1对焊接接头进行用焊接压力6保压冷却10s后卸载，完成整个焊接过程；

(若采用SiC颗粒，则上述步骤6中的焊接时间设置为1.2s，焊接压力6设置为750N，保压冷却时间设置为7.5s，其他参数不变，操作步骤同上)

7)得到图4所示碳纳米管、石墨烯或SiC颗粒界面夹杂增强的碳纤维增强PEEK的单搭接超声波焊接接头，同理进行十字搭接焊接可得到图6所示的界面夹杂增强的十字搭接超声波焊接接头。

实施案例3较实施案例1，采用了相同的振动幅值65μm，但实施案例3的界面夹杂区添加了较高浓度的30mg/mL碳纳米管/石墨烯或较多的40mg SiC颗粒。

对比实施案例1，因界面夹杂区添加了较多的40mg SiC颗粒，因此需要更多的焊接能量确保使界面夹杂区中SiC颗粒混入焊接界面树脂基体和纤维中，所以当采用相同的中等的振动幅值65μm，需要延长焊接时间为中等的焊接时间1.2s，因焊接时间对焊接影响较大，所以当采用中等的焊接时间1.2s，就采用中等的焊接压力750N，中等的保压时间7.5s，就可实现较高强度焊接。

对比实施案例1，因界面夹杂区添加了较高浓度的30mg/mL碳纳米管/石墨烯，因此需要更多的焊接能量确保使界面夹杂区中碳纳米管/石墨烯混入焊接界面树脂基体和纤维中，所以当采用相同的中等的振动幅值65μm，需要延长焊接时间为较长的焊接时间1.5s，因焊接时间对焊接影响较大，所以当采用较长的焊接时间1.5s，就采用较高的焊接压力1000N，较长的保压时间10s，就可实现较高强度焊接。

实施例4

1)将碳纳米管或石墨烯或SiC颗粒均匀混入熔融的PEEK树脂基体中，通过注塑挤压方式制成0.2mm厚，质量分数为1％的碳纳米管/石墨烯夹杂型PEEK树脂基体薄膜，或质量分数为5％的SiC颗粒的夹杂型PEEK树脂基体薄膜，并切成边长为30mm的树脂薄片；

2)准备尺寸为长为101.6mm，宽为25.4mm和厚2mm的第二纤维增强热塑性复合材料板3和第一纤维增强热塑性复合材料板5；

3)将第一纤维增强热塑性复合材料板5待焊接区域朝上并放置于超声波焊头正下方，固定在砧座7上；

4)将1)制备的薄片平放在第一纤维增强热塑性复合材料板5的待焊接区域，得到碳纳米管、石墨烯界面或SiC颗粒树脂薄膜界面夹杂区4-2，并将其边缘固定，避免焊接过程中的振动导致树脂薄片偏移；

5)将第二纤维增强热塑性复合材料板3的待焊接区域搭接在第一纤维增强热塑性复合材料板5的碳纳米管、石墨烯界面或SiC颗粒树脂薄膜界面夹杂区4-2上，并固定在砧座7上，安装情况如图1中方案Ⅱ所示；

6)用超声波焊头1在上述焊工件的正上方施加垂直于工件交界面的750N的焊接压力6，焊接频率为20kHz、振动幅值为100μm的正弦位移载荷2，焊接时间为1.2s，焊接完毕后超声波焊头1对焊接接头进行用焊接压力6保压冷却5s后卸载，完成整个焊接过程；

7)得到图4所示碳纳米管、石墨烯或SiC颗粒界面夹杂增强的碳纤维增强PEEK的单搭接超声波焊接接头，同理进行十字搭接焊接可得到图6所示的界面夹杂增强的十字搭接超声波焊接接头。

当焊接界面添加树脂薄片时，因焊接时还需要对界面的树脂薄膜进行熔融挤压流动使其与焊接界面熔合为一体，所以需要向焊接界面输入更多的能量，为确保较短时间向焊接界面输入足够能量，使内界面夹杂区中碳纳米管/石墨烯混入焊接界面树脂基体和纤维中，采用单位时间输入更多的能量的较高振幅100μm，而0.2mm的树脂薄片较薄需要的能量较少，所以采用中等的焊接时间1.2s，因焊接时间对焊接影响较大，所以当采用中等的焊接时间1.2s，就采用中等的焊接压力750N，中等的保压时间7.5s，就可实现较高强度焊接。

实施例5

1)将碳纳米管或石墨烯或SiC颗粒均匀混入熔融的PEEK树脂基体中，通过注塑挤压方式制成0.35mm厚，质量分数为1％的碳纳米管/石墨烯夹杂型PEEK树脂基体薄膜，或质量分数为5％的SiC颗粒的夹杂型PEEK树脂基体薄膜，并切成边长为30mm的树脂薄片；

2)准备尺寸为长为101.6mm，宽为25.4mm和厚2mm的第二纤维增强热塑性复合材料板3和第一纤维增强热塑性复合材料板5；

3)将第一纤维增强热塑性复合材料板5待焊接区域朝上并放置于超声波焊头正下方，固定在砧座7上；

4)将1)制备的薄片平放在第一纤维增强热塑性复合材料板5的待焊接区域，得到碳纳米管、石墨烯界面或SiC颗粒树脂薄膜界面夹杂区4-2，并将其边缘固定，避免焊接过程中的振动导致树脂薄片偏移；

5)将第二纤维增强热塑性复合材料板3的待焊接区域搭接在第一纤维增强热塑性复合材料板5的碳纳米管、石墨烯界面或SiC颗粒树脂薄膜界面夹杂区4-2上，并固定在砧座7上，安装情况如图1中方案Ⅱ所示；

6)用超声波焊头1在上述焊工件的正上方施加垂直于工件交界面的1000N的焊接压力6，焊接频率为20kHz、振动幅值为100μm的正弦位移载荷2，焊接时间为1.5s，焊接完毕后超声波焊头1对焊接接头进行用焊接压力6保压冷却10s后卸载，完成整个焊接过程；

7)得到图4所示碳纳米管、石墨烯或SiC颗粒界面夹杂增强的碳纤维增强PEEK的单搭接超声波焊接接头，同理进行十字搭接焊接可得到图6所示的界面夹杂增强的十字搭接超声波焊接接头。

当采用的树脂薄片较厚为0.35mm时，需要对焊接界面输入比实施例4中采用0.2mm的树脂薄片时更多的能量，所以为确保较短时间向焊接界面输入足够能量，使界面夹杂区中碳纳米管/石墨烯混入焊接界面树脂基体和纤维中，采用单位时间能输入更多的能量的较高的振幅100um，所以较长的焊接时间1.5s，因焊接时间对焊接影响较大，所以当采用较长的焊接时间1.5s，就采用较高的焊接压力1000N，较长的保压时间10s，就可实现较高强度焊接。

实施例6

1)准备尺寸为长为101.6mm，宽为25.4mm和厚2mm的第二纤维增强热塑性复合材料板3和第一纤维增强热塑性复合材料板5；

2)制备高强度金属网钉：采用雕刻机在高强度金属板上雕刻出金属网孔和金属网钉孔得到金属网板4-4-1，将金属钉4-4-2安装固定在金属网板4-4-1上得到高强度金属网钉4-4或采用3D打印技术直接打印出高强度金属网钉4-4；

3)将第二纤维增强热塑性复合材料板3的待焊接区域朝上并放置在超声波焊头1的正下方，固定在砧座7上；

4)将1)中制得的高强度金属网钉4-4平放在第一纤维增强热塑性复合材料板5的待焊接区域上，得到高强度金属网钉界面夹杂区4-3；

5)将第二纤维增强热塑性复合材料板3的待焊接区域搭接在第一纤维增强热塑性复合材料板5的高强度金属网钉界面夹杂区4-3上，并固定在砧座7上，安装情况如图1中方案Ⅲ所示；

6)用超声波焊头1在上述焊工件的正上方施加垂直于工件交界面的750N的焊接压力6，焊接频率为20kHz、振动幅值为100μm的正弦位移载荷2，焊接时间1.2s，焊接完毕后超声波焊头1对焊接接头进行用焊接压力6保压冷却7.5s后卸载，完成整个焊接过程；

7)得到图5高强度金属网钉界面夹杂增强所得到的单搭接超声波焊接接头，同理进行十字搭接焊接可得到图6所示的十字搭接焊接接头。

当采用高强度金属网钉界面夹杂增强时，为确保为较短时间金属网钉能充分钉入焊接界面软化树脂中的纤维中形成钉扎效应，所以采用单位时间能输入更多的能量的较高的振幅100μm，中等的焊接时间1.2s，因焊接时间对焊接影响较大，所以当采用中等的焊接时间1.2s，就采用中等的焊接压力750N，中等的保压时间7.5s，就可实现较高强度焊接。

实施例7

1)准备尺寸为长为101.6mm，宽为25.4mm和厚2mm的第二纤维增强热塑性复合材料板3和第一纤维增强热塑性复合材料板5；

2)制备高强度金属网钉：采用雕刻机在高强度金属板上雕刻出金属网孔和金属网钉孔得到金属网板4-4-1，将金属钉4-4-2安装固定在金属网板4-4-1上得到高强度金属网钉4-4或采用3D打印技术直接打印出高强度金属网钉4-4；

3)将第二纤维增强热塑性复合材料板3的待焊接区域朝上并放置在超声波焊头1的正下方，固定在砧座7上；

4)将1)中制得的高强度金属网钉4-4平放在第一纤维增强热塑性复合材料板5的待焊接区域上，得到高强度金属网钉界面夹杂区4-3；

5)将第二纤维增强热塑性复合材料板3的待焊接区域搭接在第一纤维增强热塑性复合材料板5的高强度金属网钉界面夹杂区4-3上，并固定在砧座7上，安装情况如图1中方案Ⅲ所示；

6)用超声波焊头1在上述焊工件的正上方施加垂直于工件交界面的1000N的焊接压力6，焊接频率为20kHz、振动幅值为65μm的正弦位移载荷2，焊接时间1.5s，焊接完毕后超声波焊头1对焊接接头进行用焊接压力6保压冷却10s后卸载，完成整个焊接过程；

7)得到图5高强度金属网钉界面夹杂增强所得到的单搭接超声波焊接接头，同理进行十字搭接焊接可得到图6所示的十字搭接焊接接头。

对比实施案例6，当采用中等振幅65μm时，为确保向焊接界面输入足够的能量使金属网钉能充分钉入焊接界面软化树脂中的纤维中形成钉扎效应，因此需要比实施例6中采用的较高的振幅100μm的条件采用更长的焊接时间1.5s，因焊接时间对焊接影响较大，所以当采用较长的焊接时间1.5s，就采用较大的焊接压力1000N，较长的保压时间10s，就可实现较高强度焊接。

综上所述，本发明一种界面夹杂增强的热塑性复合材料超声波焊接方法，通过在纤维增强热塑性复合材料焊接界面处夹杂碳纳米管、石墨烯或SiC颗粒，从而实现提高焊接界面处树脂基体的强度和纤维与树脂基体之间抗剥离强度，或在纤维增强热塑性复合材料的焊接界面夹杂高强度金属网钉，从而实现焊接接头的载荷通过高强度金属网钉在纤维间有效传递，极大提升焊接接头的抗拉/剥离强度，提供了一种有效的促进超声波焊接用于连接碳纤维增强热塑性塑料结构工程领域的技术方案。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。