在制造諸如汽車車身或飛機(jī)機(jī)身等大型整體復(fù)合材料部件時，為了確保精準(zhǔn)度并盡可能降低成本，通常采用的是繁復(fù)且大型的模具技術(shù)。然而，我國科研工作者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)通過運用多樣化的連接技術(shù)，如緊固件、粘合劑粘接以及混合方式等，能有效地將一系列規(guī)模相對較小的零部件組合整合為大規(guī)模的整體部件，成為制造大型整體部件的理想替代方案。
在眾多可供選擇的連接技術(shù)中，塑料螺栓因其方便的安裝、易于檢查及有限的表面處理需求而成為制造商鐘愛的首選。此外，盡管此類連接方式可能存在一些不足之處，例如基材上的孔洞可能導(dǎo)致應(yīng)力集中，并且會額外增加整體結(jié)構(gòu)的重量，同時，塑料螺栓的價格較為昂貴，可能占據(jù)復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)總成本的19%至42%，但這些問題都可以通過合理設(shè)計和優(yōu)化來解決。 
資料圖
焊接作為另一種可行的選擇，尤其適用于熱塑性塑料的加工。例如，波音公司曾進(jìn)行過一項研究，結(jié)果顯示與使用螺紋緊固件相比，采用焊接技術(shù)對復(fù)合材料機(jī)翼結(jié)構(gòu)進(jìn)行裝配所需要的人工勞動量減少了高達(dá)61%。
在此基礎(chǔ)上，我們還可以進(jìn)一步具體探討電阻焊的優(yōu)點。此方法是通過將導(dǎo)電材料的絲束或編織結(jié)構(gòu)放置于接頭處，然后通電，利用電阻產(chǎn)生的熱量熔融周圍的聚合物以形成穩(wěn)定可靠的焊接縫。這種技術(shù)的另一大亮點在于能夠高效焊接大型和復(fù)雜的接頭，但需要注意的是，導(dǎo)電材料的使用將會進(jìn)一步增加總生產(chǎn)成本。此外，還有一種被稱為感應(yīng)焊接的方法，其原理是在焊縫線上移動感應(yīng)線圈，通過感應(yīng)線圈在導(dǎo)電的碳纖維復(fù)合材料層壓板中的感應(yīng)出渦流，進(jìn)而產(chǎn)生熱量熔融聚合物，完成焊接過程。
超聲波焊接的優(yōu)點和局限性
超聲波焊接是焊接熱塑性塑料的第三個方法。其優(yōu)點主要有：·超聲波焊接是最快的連接方法，是自動化的理想選擇。
·不需要填充材料?？梢赃M(jìn)行點焊和縫焊。·因為熱量是在焊接面而不是在頂部產(chǎn)生的，表面損傷達(dá)到最小化。·焊接過程相對清潔，不會產(chǎn)生煙霧或火花。·該工藝僅限于重疊接頭和剪切接頭，最大零件厚度被限制在3毫米左右（超聲波振動可能難以穿透較厚的部件）。
·具有高剛度、高硬度和高阻尼的材料會阻礙將振動轉(zhuǎn)化為熱能的能力。·超聲波焊接的工作原理是將機(jī)械振動傳遞到接頭處，因此該過程可能會產(chǎn)生尖銳的噪音。此外，由于振動周期性負(fù)載，增加了零件疲勞失效的風(fēng)險。影響聚合物可焊性的特性是其分子結(jié)構(gòu)、熔體溫度、流動性、剛度和化學(xué)成分。熔體溫度與焊接所需的能量成正比。熔體溫度越高，焊接所需的超聲波能量就越多。剛度影響能量傳輸，堅硬的材料比柔軟的材料更能傳遞振動。熔體溫度和流動性等特性在焊接不同的聚合物時發(fā)揮更大的作用。如果一種材料的熔化溫度比另一種低，它就會提前熔化，造成不良的接頭。為了獲得最佳效果，兩種材料之間的熔融溫度差異不應(yīng)超過22℃，且兩種材料在化學(xué)性質(zhì)上應(yīng)該是相容的。水分含量也會影響焊接質(zhì)量。在100攝氏度時，塑料吸收的水分會蒸發(fā)，在接頭面形成多孔狀態(tài)，從而降低焊接強(qiáng)度。脫模劑、增塑劑和耐沖擊改性劑也會降低樹脂傳遞振動的能力。需要提示的是，填充劑和擴(kuò)展劑通過賦予樹脂更高的硬度,提高了傳輸超聲波能量的能力。然而，控制填充物的比例是很重要的。使用高達(dá)20%的填充物在傳遞振動方面有積極的效果，但添加更多的填充物可能導(dǎo)致銜接處樹脂量不足，從而降低焊接質(zhì)量。接頭設(shè)計
超聲波焊接主要應(yīng)用于兩種類型的接頭：導(dǎo)能筋接頭（Energy Director Joints）和剪切接頭（Shear Joints）。導(dǎo)能筋（ED）是鑄在其中一個部件上的突起。對接接頭（Butt Joint）和搭接接頭（lap Joints）也通常使用導(dǎo)能筋。對于剪切接頭，振動傳遞的方向與焊接面平行，由焊接面上的摩擦剪切力而產(chǎn)生熱量。當(dāng)需要強(qiáng)大的結(jié)構(gòu)性能或密封性時，可使用剪切接頭，非常適用于焊接半結(jié)晶樹脂。
導(dǎo)能筋的類型
導(dǎo)能筋是超聲波焊接中一個重要的物理結(jié)構(gòu)。它有助于通過將能量集中在接頭界面，來增強(qiáng)粘彈性加熱。導(dǎo)能筋的大小和形狀會影響焊接質(zhì)量。它可以是半圓形的，三角形，或扁平的。它們的方向也可以與接頭平行或垂直。扁平的導(dǎo)能筋通常足以用于焊接纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料。導(dǎo)能筋的幾何形狀對焊接質(zhì)量也有很大影響。例如，一項研究考察了碳纖維增強(qiáng)的聚醚酰亞胺的超聲波焊接。研究人員發(fā)現(xiàn)，焊接強(qiáng)度隨著導(dǎo)能筋體積的增加而增加，直至某一點。在一定的體積閾值之后，焊接強(qiáng)度下降。特殊情況下，熱塑性復(fù)合材料也可以在沒有導(dǎo)能筋的情況下進(jìn)行焊接。然而，有總比沒有好。一項研究表明，在連接尼龍6復(fù)合材料時，導(dǎo)能筋對焊接質(zhì)量的影響比焊接力或振動時間更重要。另一項研究也發(fā)現(xiàn)，在焊接碳纖維增強(qiáng)的PEEK時，有導(dǎo)能筋的接頭，搭接剪切焊接強(qiáng)度比沒有的高50%。超聲波焊接參數(shù)
超聲波焊接質(zhì)量同時受幾個參數(shù)的制約，包括振動幅度，功率，輸入能量，焊接時間，焊接過程中的垂直位移，焊接前、中、后的施力，最后是保持時間。
焊接質(zhì)量主要取決于輸入能量。輸入能量可以通過公式計算。E = F×f×A×t，其中E是輸入能量，F(xiàn)是焊接力，f是頻率，A是振幅，t是時間。最佳的焊接強(qiáng)度與總能量輸入密切相關(guān)。例如，還是對纖維增強(qiáng)尼龍6的研究中發(fā)現(xiàn)，200到1000焦耳的總能量輸入增加了焊接強(qiáng)度。但超過1000焦耳的能量會導(dǎo)致接頭中出現(xiàn)孔隙，從而降低了強(qiáng)度。焊接時間是另一個關(guān)鍵參數(shù)。在涉及碳纖維增強(qiáng)PEEK的研究發(fā)現(xiàn)，焊接質(zhì)量隨著焊接時間從0.7秒增加到0.8秒而提高。較長的焊接時間（1.1秒或以上）在接頭上產(chǎn)生了裂縫和空隙。最終，0.9秒是獲得良好焊接質(zhì)量的最佳時間。熱塑性復(fù)合材料與其他材料的焊接
許多研究都關(guān)注熱塑性復(fù)合材料與其他材料的焊接問題，如熱固性復(fù)合材料、鋁和鋼。由于超聲波焊接取決于每個基材的熔化情況，熱固性復(fù)合材料之間的焊接是不可行的。然而，也可以將熱固性復(fù)合材料焊接到熱塑性薄膜上，如PEEK、聚砜、聚苯硫醚、聚苯乙烯、聚醚酰亞胺和聚乙烯醇。加工溫度是影響這種焊接生產(chǎn)效果的主要因素。必須注意防止在焊接過程中熱固性復(fù)合材料的熱降解。焊接時間短是最理想的。
全球超聲焊接市場規(guī)模2020-2031年（百萬美元）
據(jù)統(tǒng)計，2022年度全球超聲波焊接系統(tǒng)市場規(guī)模達(dá)到了5.578億美元，而預(yù)計至2031年其市場規(guī)模將進(jìn)一步攀升至8.3613億美元，在此期間的復(fù)合年增長率預(yù)計為4.6％。超聲波焊接技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，涉及電氣、個人電腦、汽車、航空航天、醫(yī)學(xué)臨床以及綁定安裝等等多個產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的企業(yè)都能從中受益匪淺。然而，我們需要明確的是，兩個物品能否通過超聲波實現(xiàn)無縫銜接，并非僅僅取決于物體本身的厚度。超聲波焊接作為一項廣為人知且頗具特色的熱塑性塑料焊接技藝，憑借其迅速、輕松的自動化特性而被廣大用戶所吸納。焊接所需時間通常僅需短短一秒以內(nèi)，無需設(shè)置通風(fēng)框架，同時也預(yù)期能夠達(dá)到消除應(yīng)力及排氣的效果。這種獨特的焊接方式已被廣泛運用于制造微小聚集體，甚至在某些情況下，對于常規(guī)焊接手段而言過于脆弱的物體也能得到妥善處理。正是由于其多樣化的應(yīng)用場景與顯著優(yōu)勢，才使得超聲波焊接系統(tǒng)市場得以穩(wěn)步發(fā)展壯大。在醫(yī)學(xué)臨床領(lǐng)域，超聲波焊接技術(shù)的運用尤為頻繁，原因在于其不會對焊縫產(chǎn)生任何毒性物質(zhì)或降低其品質(zhì)，同時該設(shè)備還可專門用于潔凈室環(huán)境。這種特殊的交互作用同樣可以實現(xiàn)高度自動化，對層狀電阻進(jìn)行精確控制，同時也不會影響部件的生物相容性。借助此種技術(shù)，不僅能夠提升零部件的質(zhì)量水平，同時還能有效降低制造成本。例如，血管通道、鎮(zhèn)靜通道、血液通道、靜脈導(dǎo)管、透析管、移液器、心臟測量庫、血液或氣體通道、面部覆蓋物以及靜脈尖峰或通道等多種醫(yī)療器械均可采用超聲波焊接系統(tǒng)進(jìn)行加工制作。此外，超聲焊接在醫(yī)學(xué)臨床領(lǐng)域的另一大重要應(yīng)用便是材料處理。急救診所的設(shè)備、清潔衣物、蓋布、透皮貼片以及潔凈室材料等皆可用超聲波焊接技術(shù)進(jìn)行固定和縫合，從而避免污染物和殘留物的產(chǎn)生，大大降低污染發(fā)生的風(fēng)險。預(yù)估這些日益增長的需求將會進(jìn)一步助推超聲波焊接系統(tǒng)市場占有率的提升。對于汽車制造業(yè)而言，超聲波焊接技術(shù)常常被廣泛應(yīng)用于諸如儀表板、艙門板、燈具、氣管、導(dǎo)向輪、內(nèi)部裝飾以及電動馬達(dá)部件等大型塑料和電器元件的布局拼接過程中。隨著塑料在各式汽車的設(shè)計規(guī)劃以及生產(chǎn)工藝中所占據(jù)比重逐漸加大，如何精確高效地組裝和連接塑料零部件就成為了一道亟待解決的難題。而超聲波焊接技術(shù)之所以受到人們青睞，首先就是其工藝持續(xù)時間短，易于實現(xiàn)機(jī)器人化操作，同時投資成本較低；其次，超聲波焊接技術(shù)具有出色的適應(yīng)能力，深受各大航空產(chǎn)業(yè)青睞，同時也適用于連接薄板、檢測金屬以及其他輕質(zhì)材料。尤其值得一提的是，由于鋁材具有極高的導(dǎo)熱性能，因此采用傳統(tǒng)焊接方法對其進(jìn)行處理往往較為困難。預(yù)計以上諸多因素以及其多元化的應(yīng)用場景將在未來幾年內(nèi)繼續(xù)推動超聲波焊接系統(tǒng)市場的蓬勃發(fā)展。
此文由中國復(fù)合材料工業(yè)協(xié)會搜集整理編譯，部分?jǐn)?shù)據(jù)來源于網(wǎng)絡(luò)資料。文章不用于商業(yè)目的，僅供行業(yè)人士交流，引用請注明出處。