熱塑性碳纖維復(fù)合材料的感應(yīng)焊接技術(shù)尚處于初級(jí)階段

　　全球經(jīng)濟(jì)下行，國(guó)際局勢(shì)可能迎來(lái)較大的變局，加上低端碳纖維需求飽和，這些因素綜合起來(lái)決定了全球碳纖維市場(chǎng)萎縮，但這并不是最終的呈現(xiàn)結(jié)果。中高端碳纖維的性能依然是航空航天、醫(yī)療、汽車(chē)制造等行業(yè)亟需的材料，另外從環(huán)保角度來(lái)看，熱塑性碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用前景較為廣闊。熱塑性碳纖維可多次重塑，加工過(guò)程可智能化操控，未來(lái)飛機(jī)、航天器等工業(yè)零部件會(huì)以此為基材。想要將熱塑性碳纖維零部件發(fā)揮出更好的效果，除了定制化生產(chǎn)外，還應(yīng)該具備成型后可加工的功能，如焊接等，本文將介紹熱塑性碳纖維工業(yè)零部件的焊接知識(shí)，尤其是感應(yīng)焊接的相關(guān)內(nèi)容。

　　熱塑性碳纖維復(fù)合材料焊接的5種方式介紹

　　與熱固性復(fù)合材料不同，熱塑性復(fù)合材料在成型完成后依舊可以熔融，二次熔融并施壓的方法實(shí)現(xiàn)熱塑性碳纖維零件的連接，這個(gè)步驟就可以認(rèn)為是焊接。目前，熱塑性碳纖維復(fù)合材料常用的焊接技術(shù)有熱氣、電阻、超聲、感應(yīng)和激光焊接，每種焊接方式都存在一定的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，需要根據(jù)不同的場(chǎng)景和需求來(lái)選擇使用。

　　1、熱氣焊：

　　描述：熱氣焊接使用熱氣流（通常是氮?dú)猓﹣?lái)熔化和熔合接頭處的熱塑性材料。

　　工藝：用熱氣體加熱材料表面，并施加壓力將它們連接在一起。

　　優(yōu)點(diǎn)：溫度和壓力控制精確，適合各種熱塑性復(fù)合材料。

　　注意事項(xiàng)：必須小心防止過(guò)度加熱和損壞碳纖維。

　　2、電阻焊：

　　描述：電阻焊涉及使電流穿過(guò)材料，在接頭處產(chǎn)生熱量。

　　過(guò)程：將兩個(gè)組件壓在一起，電流通過(guò)接頭，產(chǎn)生局部加熱。

　　優(yōu)點(diǎn)：過(guò)程快速，適合大型結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

　　注意事項(xiàng)：要求材料具有足夠的導(dǎo)電性，可能會(huì)導(dǎo)致局部過(guò)熱。

　　3、超聲波焊接：

　　描述：超聲波焊接采用高頻振動(dòng)在接頭處產(chǎn)生熱量，從而熔化和熔合熱塑性材料。

　　工藝：將超聲波振動(dòng)施加到接合界面，引起局部加熱和粘合。

　　優(yōu)點(diǎn)：加工速度快，適用于小型和復(fù)雜的零件，對(duì)周?chē)鷧^(qū)域的熱影響最小。

　　注意事項(xiàng)：適當(dāng)?shù)念l率和振幅設(shè)置至關(guān)重要，并且可能并不適合所有熱塑性復(fù)合材料。

　　4、感應(yīng)焊接：

　　描述：感應(yīng)焊接利用電磁感應(yīng)來(lái)加熱接頭處的熱塑性材料。

　　工藝：感應(yīng)線圈在材料中感應(yīng)熱量，形成用于焊接的局部熔化區(qū)。

　　優(yōu)點(diǎn)：熱量控制精確，適合大型結(jié)構(gòu)，對(duì)周?chē)鷧^(qū)域影響最小。

　　注意事項(xiàng)：需要材料具有足夠的導(dǎo)電性，不普遍適用。

　　5、激光焊接：

　　描述：激光焊接使用高度聚焦的激光束加熱并熔化接頭處的材料，在冷卻時(shí)形成熔合。

　　工藝：激光束被引導(dǎo)到接合界面，在那里它快速加熱熱塑性材料。然后將組件壓在一起，在凝固時(shí)形成焊縫。

　　優(yōu)點(diǎn)：激光焊接提供高精度和對(duì)熱輸入的控制，焊接速度相對(duì)較快，適合大批量生產(chǎn)，焊接產(chǎn)生的熱影響區(qū)最小，保留材料特性，污染風(fēng)險(xiǎn)較小。

　　注意事項(xiàng)：激光焊接時(shí)，需要小心保護(hù)碳纖維免受過(guò)熱，以防止損壞。

　　熱塑性碳纖維感應(yīng)焊接技術(shù)成熟，利好航空航天領(lǐng)域

　　感應(yīng)焊接技術(shù)特別適合于碳纖維增強(qiáng)的熱塑性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的焊接。因?yàn)樘祭w維可導(dǎo)電，能在交變磁場(chǎng)中感應(yīng)產(chǎn)生渦流而發(fā)熱，因此焊接碳纖維增強(qiáng)的熱塑性復(fù)合材料時(shí)無(wú)需引入額外的感應(yīng)材料。

　　隨著航空熱塑性復(fù)合材料制造技術(shù)成熟度增加，制造成本降低，其在航空制造技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用將會(huì)顯著提高。而航空部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要將簡(jiǎn)單部件通過(guò)連接技術(shù)組裝成為一個(gè)整體。因此，發(fā)展感應(yīng)焊接在內(nèi)的航空熱塑性復(fù)合材料焊接技術(shù)成為現(xiàn)階段先進(jìn)飛機(jī)制造技術(shù)研究的迫切需求，也將是未來(lái)一項(xiàng)長(zhǎng)期的任務(wù)。

　　目前熱塑性碳纖維的感應(yīng)焊機(jī)技術(shù)存在成熟度不高、尚未進(jìn)入工程樣機(jī)和實(shí)際產(chǎn)品應(yīng)用階段等問(wèn)題。不過(guò)在民用飛機(jī)熱塑性復(fù)合材料的感應(yīng)焊接方面，國(guó)外的應(yīng)用研究也起步不久，各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)均待突破，各國(guó)技術(shù)差距并不十分明顯。因此我國(guó)才更應(yīng)該加快開(kāi)展和加強(qiáng)該方面的開(kāi)發(fā)應(yīng)用工作，縮短與國(guó)外在飛機(jī)先進(jìn)材料和制造技術(shù)上的差距。只有真正的掌握核心技術(shù)，才能利好國(guó)內(nèi)的航空航天產(chǎn)業(yè)。

　　國(guó)內(nèi)針對(duì)熱塑性CF/PPS復(fù)合材料感應(yīng)焊接的研究進(jìn)展

　　有研究團(tuán)隊(duì)采用定點(diǎn)焊的方式研究了焊接功率及時(shí)間對(duì)單搭接剪切強(qiáng)度（LSS）的影響，并探索了不同植入層用于CF/PPS熱塑性復(fù)合材料感應(yīng)焊接的可行性。研究發(fā)現(xiàn)，焊接功率太大、時(shí)間太長(zhǎng)會(huì)引起樣品溫度過(guò)高，而使樹(shù)脂基體發(fā)生交聯(lián)、氧化、降解等失效的化學(xué)反應(yīng)，降低焊接接頭乃至復(fù)合材料內(nèi)部的力學(xué)性能。

　　1、CF/PPS復(fù)合材料感應(yīng)焊接的最長(zhǎng)時(shí)間數(shù)據(jù)

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)相對(duì)功率為400~800范圍內(nèi)，中間層的升溫速率最高。隨著相對(duì)功率的升高，升溫速率越快，發(fā)煙時(shí)間越早。當(dāng)時(shí)間超過(guò)一定值時(shí)，總會(huì)在板材中間出現(xiàn)冒煙的情況。冒煙情況的出現(xiàn)不外乎樹(shù)脂的降解或內(nèi)部殘留小分子的揮發(fā)，這些均會(huì)影響焊接效果和兩塊板材的粘結(jié)性能，因此需要避免這種情況的出現(xiàn)。

　　2、焊接功率及時(shí)間對(duì)剪切強(qiáng)度（LSS）的影響

　　對(duì)兩塊CF/PPS復(fù)合材料進(jìn)行感應(yīng)焊接，焊接方式為定點(diǎn)焊，加熱后使用輥壓進(jìn)行加壓，測(cè)試所得的單搭接剪切強(qiáng)度結(jié)果。結(jié)果表明，在感應(yīng)焊接過(guò)程中，因?yàn)楹附訒r(shí)間較短，樹(shù)脂外流現(xiàn)象不嚴(yán)重，使其焊接面保有一定量的樹(shù)脂。在相對(duì)功率為500時(shí)，加熱時(shí)間在65s時(shí)剪切強(qiáng)度（LSS）值最大，表明加熱時(shí)間不宜過(guò)短也不宜過(guò)長(zhǎng)。

　　3、植入層對(duì)剪切強(qiáng)度（LSS）的影響

　　使用兩塊CF/PPS復(fù)合材料，外加與復(fù)合材料同等形式（同樣原材料、織物形式、纖維體積含量等）的CF/PPS預(yù)浸料作為植入層定點(diǎn)焊接。結(jié)果表明，加入植入層后總體上剪切強(qiáng)度（LSS）下降了，有可能是因?yàn)橹踩雽酉拗屏藷岬漠a(chǎn)生與傳導(dǎo)，但是最高也能達(dá)到24.8MPa。

　　熱塑性碳纖維零部件的感應(yīng)焊接技術(shù)想要達(dá)到成熟的階段還需要大量的研究和總結(jié)，同樣國(guó)內(nèi)的熱塑性碳纖維產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步亦是如此。目前國(guó)內(nèi)能夠獨(dú)立完成熱塑性碳纖維復(fù)合材料制備的企業(yè)或機(jī)構(gòu)并不多，可能尚未超過(guò)10家，還需要更多的機(jī)構(gòu)、高校和企業(yè)參與進(jìn)來(lái)。智上新材料作為其中一家，我們認(rèn)為想要國(guó)內(nèi)碳纖維產(chǎn)業(yè)提升至國(guó)際先進(jìn)水平，不僅要在碳纖維原絲階段下功夫，同樣還要再?gòu)?fù)合材料制備階段做出更多努力，另外對(duì)應(yīng)下游的技術(shù)儲(chǔ)備同樣重要，這樣才能讓熱塑性碳纖維復(fù)合材料在不同行業(yè)發(fā)光發(fā)熱。