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        熱塑性復(fù)合材料的焊接研究

        2022-07-12 03:36:52毛建暉姬凌云陳文光張華華顧育慧李軍向
        玻璃纖維 2022年3期
        關(guān)鍵詞:復(fù)合材料

        毛建暉,姬凌云,陳文光,張華華,顧育慧,李軍向

        (明陽智慧能源集團(tuán)股份公司,中山 528437)

        0 前言

        目前風(fēng)機(jī)葉片采用環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠對各部件進(jìn)行粘接,主要有迎風(fēng)面和背風(fēng)面前后緣合模粘接、腹板與殼體粘接,而環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠存在固化周期長、膠接接頭質(zhì)量易受環(huán)境的影響、不同基材界面、粘接過程不可逆、不可回收等問題[1,2]。

        近來,Arkema公司推出了一款反應(yīng)型熱塑性樹脂Elium,通過自由基聚合成高分子量的線型高聚物,有望應(yīng)用于風(fēng)機(jī)葉片的設(shè)計和制造[3,4],熱塑性樹脂具備可焊接特性,焊接工藝具有效率高、應(yīng)力分布均勻、焊接過程可逆、便于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點[5]。2010年荷蘭Fokker公司將熱塑性復(fù)合材料焊接技術(shù)引入G650商務(wù)機(jī)方向舵焊接;2017年Arkema、Pontis公司基于Elium樹脂合作研發(fā)了風(fēng)機(jī)葉片典型結(jié)構(gòu)件焊接,焊件獲得法國巴黎復(fù)合材料展覽會(JEC World)創(chuàng)新獎;David Brassard等[6]采用電阻焊接的方式對CF/PEEK復(fù)合材料進(jìn)行焊接,焊接接頭拉剪強(qiáng)度達(dá)19.60 MPa;Murray R E等[7,8]、Tobin J R等[9]和Leong K F等[10]分別采用電阻焊接、感應(yīng)焊接和超聲波焊接對以Elium樹脂為基體的熱塑復(fù)材進(jìn)行焊接,證實了Elium樹脂的可焊接特性。由此可見國內(nèi)外的機(jī)構(gòu)對熱塑性復(fù)合材料的焊接已有一定的研究成果,針對風(fēng)機(jī)葉片研究熱塑性復(fù)合材料大面積焊接技術(shù)有助于推動葉片生產(chǎn)模式革新,提高生產(chǎn)效率,降低制造成本。

        本文采用紅外焊接、超聲波焊接、感應(yīng)焊接3種焊接方式,研究以Elium為樹脂基體的熱塑性復(fù)合材料的焊接特性,通過焊接接頭的拉伸剪切強(qiáng)度評估焊接效果。

        1 實驗部分

        1.1 原料

        樹脂:Elium,阿科瑪(常熟)化學(xué)有限公司;

        玻纖織物:UD1250(TM+),重慶國際復(fù)合材料股份有限公司;

        脫模劑、導(dǎo)流網(wǎng)、脫模布、密封膠條等輔材。

        1.2 設(shè)備和儀器

        紅外加熱器:SUPER-MINI G11-12 SM,萊丹塑料焊接技術(shù)(上海)有限公司;

        超聲波焊接機(jī):Sonic Tech3000,德國必勒;

        感應(yīng)焊接機(jī):自制;

        壓機(jī):TY603F,寧波天譽(yù)機(jī)械有限公司;

        拉力試驗機(jī):INSTRON3382,美國英斯特朗;

        電動切割機(jī):山東森泰機(jī)械有限公司。

        1.3 熱塑復(fù)合材料層合板的制備

        采用真空灌注工藝制備熱塑復(fù)合材料層合板,具體步驟:在實驗臺面打脫模劑→鋪設(shè)脫模布→鋪設(shè)4層UD1250(TM+)玻纖織物→鋪設(shè)導(dǎo)流網(wǎng)→打袋插管→抽真空及灌注→常溫固化4 h→脫模,工藝流程如圖1所示。將脫模后的熱塑復(fù)合材料層合板切割制成100 mm×25 mm的實驗樣條。

        圖1 熱塑層合板的制備

        1.4 紅外焊接

        用鑷子將樣條置于紅外加熱器上方3~5 cm,加熱時間40~60 s,如圖2所示,接著迅速將兩熔融面貼合,并在樣條焊接區(qū)域表面放置1 kg砝碼直至樣條冷卻至室溫,紅外焊接樣條如圖3所示。按ISO 4587《膠粘劑-拉伸剪切強(qiáng)度的測定(剛性材料對剛性材料)》測試焊接接頭的拉伸剪切強(qiáng)度,下同。

        圖2 紅外焊接過程圖

        圖3 紅外焊接的樣條

        1.5 超聲波焊接

        將樣條固定在超聲波焊接機(jī)上,見圖4所示,以超聲波超高頻率振動的焊頭在適度壓力下使兩塊樣條搭接面產(chǎn)生摩擦熱而熔融接合。焊接機(jī)頻率為20 kHz,通過調(diào)整焊接氣壓和焊接時間來達(dá)到最佳的焊接效果,將焊接好的樣條測試?yán)旒羟袕?qiáng)度。

        圖4 超聲波焊接機(jī)

        1.6 感應(yīng)焊接

        首先制備銅網(wǎng)植入層,具體流程:取2張PI膜,涂兩遍脫模劑,先在一層PI膜上撒一層熱塑性樹脂粉末,鋪上銅網(wǎng),再撒一層熱塑性樹脂粉末,覆蓋另一層PI膜后將4條邊用PI膠帶固定,然后將其放入預(yù)先加熱到200 ℃的壓機(jī)中加熱熔融,冷卻脫模即可得到銅網(wǎng) / 熱塑性樹脂植入層,如圖5所示。

        圖5 銅網(wǎng)/熱塑樹脂植入層

        通過調(diào)整感應(yīng)電機(jī)的頻率和線圈位置使植入層的發(fā)熱溫度在240 ℃左右,焊接持續(xù)時間60 s,隨后關(guān)閉電源,冷卻后得到焊接好的熱塑樣條,焊接過程如圖6所示,并測試其拉伸剪切強(qiáng)度。

        圖6 感應(yīng)焊接示意圖

        2 結(jié)果與討論

        2.1 紅外焊接

        對紅外焊接的5組樣條進(jìn)行拉伸剪切強(qiáng)度測試,拉剪強(qiáng)度最大值為8.89 MPa,最小值為4.48 MPa,離散系數(shù)28.40%,見表1。這證實了以Elium為樹脂基體的熱塑性復(fù)合材料具有可焊接的特性;由于紅外焊接過程控制較為粗獷,樣條部分區(qū)域加熱過度樹脂流失,樣條局部發(fā)白,如圖7所示,而部分區(qū)域未能充分熔融,如圖8所示,導(dǎo)致拉剪強(qiáng)度數(shù)據(jù)離散性大。

        圖8 拉伸剪切強(qiáng)度測試失效樣條

        表1 紅外焊接樣條拉伸剪切強(qiáng)度測試結(jié)果

        圖7 紅外焊接測試樣條圖

        2.2 超聲波焊接

        對超聲波焊接的10組樣條進(jìn)行拉伸剪切強(qiáng)度測試,焊接參數(shù)及拉剪測試結(jié)果見表2。由表2可知,同一焊接氣壓,焊接時間的增加,拉剪強(qiáng)度呈先增大后降低的趨勢;同一焊接時間,焊接氣壓增加,拉剪強(qiáng)度呈增大趨勢。這是由于2個焊接樣條的交界面處聲阻大,在高頻振動下會產(chǎn)生局部高溫,致使兩樣條的接觸面迅速熔融,加上一定壓力后,使其融合成一體。焊接時間短,接觸面樹脂無法充分融合,導(dǎo)致拉剪強(qiáng)度低;焊接時間長,會導(dǎo)致樹脂充分融化流失掉,也會導(dǎo)致拉剪強(qiáng)度低。綜上最佳焊接條件:焊接氣壓0.35 MPa,焊接時間1400~1600 ms。

        表2 不同焊接氣壓和焊接時間的樣條拉伸剪切強(qiáng)度測試結(jié)果

        2.3 感應(yīng)焊接

        對感應(yīng)焊接的5組樣條進(jìn)行拉伸剪切強(qiáng)度測試,由圖9可知,拉剪強(qiáng)度最大值為10.02 MPa,最小值為6.47 MPa,離散系數(shù)18.98%。從圖10~圖11拉剪測試失效樣條看,1,2組樣條存在未融區(qū),這可能是由于植入體制備時銅網(wǎng)內(nèi)樹脂浸潤不好,焊接過程缺樹脂,接觸面未能充分融合焊接,導(dǎo)致拉剪強(qiáng)度偏低,樣條失效狀態(tài)如圖10所示,而3,4,5組接觸面融合較好,故拉剪強(qiáng)度較高,樣條失效狀態(tài)如圖11所示。

        圖9 感應(yīng)焊接拉剪測試結(jié)果

        圖10 部分未熔感應(yīng)焊接拉剪測試失效樣條

        圖11 完全熔融感應(yīng)焊接拉剪測試失效樣條

        3 結(jié)論

        (1)紅外焊接證實了以Elium為樹脂基體的熱塑性復(fù)合材料具有可焊接的特性,焊接接頭拉剪強(qiáng)度達(dá)8.89 MPa;

        (2)超聲波焊接的最佳工藝參數(shù)為:焊接氣壓0.35 MPa,焊接時間1400~1600 ms,焊接接頭拉剪強(qiáng)度可達(dá)11.93 MPa;

        (3)制備了銅網(wǎng)/熱塑樹脂植入層,通過調(diào)整感應(yīng)焊機(jī)的頻率和線圈高度維持銅網(wǎng)溫度200 ℃左右實現(xiàn)熱塑復(fù)材焊接,焊接接頭拉剪強(qiáng)度可達(dá)10.02 MPa;

        (4)從3種不同焊接方式的焊接接頭拉伸剪切強(qiáng)度測試數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)離散大,且焊接接頭拉剪強(qiáng)度低于DNV-GL規(guī)范要求12 MPa,需要進(jìn)一步改善焊接工藝。

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