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超声波焊接碳纤维增强热塑性复合材料（二）

来源： | 发布日期：2022-11-15

与热固性树脂基复合材料相比，CFRTP 的热塑性基体具有更高的黏度，从而限制了其构件的成型加工尺寸。因此，有效的连接技术就成为了 CFRTP大规模工业应用的关键使能技术。目前，碳纤维复合材料的主流连接技术为铆接和胶接。然而铆接的钻孔过程会切断纤维、铆钉周围会产生应力集中、铆钉与复合材料接触的地方还可能发生电化学腐蚀。

此外铆钉的大量使用还会增加构件的重量[2, 13]。尽管胶接可避免上述问题，但胶接需要额外的表面处理工艺、较长的固化时间，同时胶接接头剥离强度低，其连接性能还易受环境影响。由于 CFRTP 的热塑性基体具有反复加热软化和冷却硬化的性能，焊接技术相对于铆接和胶接在实现 CFRTP 构件装配具有更大优势。针对 CFRTP的焊接技术主要包括激光焊、搅拌摩擦焊、电阻焊、感应焊以及超声波焊。其中激光焊和搅拌摩擦焊焊接设备成本较高；电阻焊需要在待焊两工件间插入金属单元，对金属单元通电产生电阻热熔化CFRTP，并在外界压力下实现 CFRTP 的连接。

金属单元的加入会增加构件重量，降低轻量化效果；感应焊中同样需要在待焊工件间插入金属单元，通过电磁感应加热金属单元从而熔化 CFRTP。相比于这些方法，超声波焊具有高效、清洁、成本低、操作灵活、易于实现自动化等特点，被认为是最适合焊接热塑性材料的方法。图 1 中所示的概念车、汽车底盘和皮卡拖斗，以及图 2 中机身面板试验件、机身中段试验件均采用了超声波焊技术进行连接。

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