CF_PEEK复合材料感应焊接工艺优化及失效机理.pdf

信息记录材料 2023 年 7 月 第 24 卷第 7 期CF/PEEK 复合材料感应焊接工艺优化及失效机理张天硕1,熊需海2,任 荣2,王 静2(1 沈阳航空航天大学民用航空学院 辽宁 沈阳 110136)(2 沈阳航空航天大学材料学院 辽宁 沈阳 110136)【摘摘要要】本文以碳纤维增强聚醚醚酮(poly ether ether ketone,CF/PEEK)层合板为研究对象,研究了感应焊接参数对 CF/PEEK 感应焊接接头力学性能以及接头失效模式的影响。结果表明,接头的单搭接剪切强度(lap shear strength,LSS)随着焊接参数值(压力、电流、时间)的增加,均呈现先增后减的变化趋势。当焊接压力为 0.5 MPa、焊接电流为 600 A、焊接时间为 130 s 时,焊接接头的强度为 36.04 MPa。焊接压力、焊接电流分别对树脂的流动性和熔融程度起到至关重要的作用。随着焊接时间的增加,焊接接头的失效模式发生了从界面脱粘-纤维和不锈钢网撕裂母材分层的转变。【关关键键词词】感感应应焊焊接接;热热塑塑性性复复合合材材料料;力力学学性性能能;接接头头形形貌貌【中中图图分分类类号号】TQ16 【文文献献标标识识码码】A 【文文章章编编号号】1009-5624(2023)07-0049-040 引言热塑性复合材料以其良好的抗冲击性能、处理周期短和可循环使用的特点1,在航空航天工业中得到广泛应用。在实际生产过程中,大型或复杂航空结构件由于其几何形状的限制因素,不可避免地出现零件之间的连接需求。常用的连接方式有机械连接和胶接等2,但机械连接会出现应力集中、电化学腐蚀等缺陷;胶接则需要对零件表面进行大量处理,所需的时间较长。由于热塑性复合材料能够多次熔化和重新固结,焊接成为热塑性复合材料一种特殊的连接技术3。焊接热塑性复合材料时,为了使聚合物链能够在界面处扩散结合,接头界面需要被加热到超过聚合物的玻璃态转化温度或熔融温度。在冷却过程中,接头在压力下进行固结。电阻焊接、超声焊接和感应焊接是航空航天中最常用的三种焊接工艺4。感应焊接以其无接触式、高效精准发热等特点被认为是最具有发展潜力的焊接技术之一5。近年来大量国内外学者对热塑性复合材料感应焊接技术进行了研究。Border 等6首次使用碳纤维作为感应焊接的加热元件对碳纤维增强聚醚醚酮(poly ether etherketone,CF/PEEK)进行焊接,研究了焊接区域温度和保压时间对接头强度的影响,发现焊接界面较低的温度和较短的保压时间会导致接头的粘接强度不足,而较高的温度会导致焊接界面的聚合物发生降解。Wang 等7研究了以金属网作为加热元件,不同输入电流对聚醚醚酮(PEEK)薄板的感应焊接效果。实验结果表明,在适当的工艺参数下,输入电流越大,产生的焦耳热越多,有利于树脂在界面处的融合以及减少缺陷的产生。然而,过多的热量输入会导致 PEEK 树脂的极度熔化和热分解。Baek 等8采用混合法将磁铁矿和尼龙(PA6)制备成 450 m 厚的薄膜进行感应焊接,研究发现质量分数为 75%的磁铁矿产热效果较好,焊接接头的搭接剪切强度较高。由于我国关于热塑性复合材料感应焊接的工艺的研究尚处于初级阶段,因此,本文选取航空部件常用的 CF/PEEK 复合材料层合板为研究对象,通过单搭接感应焊接的方式实现 CF/PEEK的连接;采用控制变量法获得了最佳焊接工艺以及接头的剪切强度;通过对接头横截面以及失效界面微观形貌的分析,揭示了各焊接参数对接头性能及其失效模式的影响。1 实验方法本实验使用的材料有碳纤维增强聚醚醚酮复合材料板(由 18 层单向预浸料 CF/PEEK 正交铺层热压制成 2mm 厚的层合板),304 不锈钢网(丝径为 0.1 mm,孔隙率为 25%)和聚醚酰亚胺(厚度为 0.2 mm)树脂薄膜。CF/PEEK 层合板的制备工艺如图 1 所示。将制备完成的层合板切割成 50 mm15 mm 的样件,接头的搭接面积为 15mm10 mm。304 不锈钢网的尺寸为 25 mm25 mm,其面积略大于接头的搭接面积,为了避免边缘效应引起的温度分布不均。为了保证焊接界面的树脂充足,在不锈钢网与层合板之间植入聚醚酰亚胺树脂薄膜,其尺寸与不锈钢网尺寸相同。最后将各样件按照图 2 所示的搭接方式,堆叠成待焊接头。图 1 CF/PEEK 层合板的制备工艺本实验采用自制的感应焊接平台进行焊接实验,平台设备包括感应焊机、冷却系统、感应线圈、夹具等,如图 3所示。CF/PEEK 复合材料感应焊接的工艺参数包括焊接压力、焊接电流、焊接时间、保压时间、加热距离以及焊接频率等。本文主要研究焊接压力(0.170.67 MPa)、焊接94信息记录材料 2023 年 7 月 第 24 卷第 7 期电流(400600 A)以及焊接时间(30200 s)三个主要工艺参数对接头性能的影响,设置保压时间为 3 min、加热距离为 1 mm、焊接频率为 80 kHz,以此获得最佳的焊接参数。为了保证实验数据的准确性和可重复性,每个参数焊接 5 个试样。图 2 焊接接头的搭接方式示意图根据 ASTM D1002 搭接剪切测试标准9,使用万能试验机对接头力学性能进行测试,试验机十字头的拉伸速率为 2 mm/min。在拉伸试验时,将焊接试样的两端固定在厚度为 2 mm 的金属铝片上,保证单搭接焊件能在万能试验机上保持同厚度且垂直。LSS 的计算如式(1):=FmaxL b(1)式中,为单搭接拉伸剪切强度,MPa;L 为搭接长度,mm;b 为搭接宽度,mm;Fmax为最大拉伸载荷,N。采用 Hitachi SU3500 型扫描电子显微镜对 CF/PEEK焊接接头的横截面以及失效界面的微观形貌进行分析。图 3 感应焊接平台设备2 结果与讨论2.1 焊接压力对接头性能及横截面微观形貌的影响图 4 为不同焊接压力下 CF/PEEK 焊接接头的 LSS(焊接电流为 600 A,焊接时间为 150 s),从中可以得出:当接头的焊接压力为 0.17 MPa 时,其平均 LSS 值仅为20.45 MPa,原因是当焊接压力较小时,处于熔融状态下的树脂在焊接界面内的流动性较差,树脂无法使不锈钢网充分的浸润如图 5(a)。此时,焊接界面树脂粘接层厚度为202.5 m,较厚的树脂层导致不锈钢网无法对复材板形成锚固效应。当焊接压力升至 0.5 MPa 时,接头的平均LSS 值达到最佳,此时焊接界面内的熔融态树脂具备良好的流动性和浸润性,树脂渗透到不锈钢网孔中,从而获得优异的焊接界面。焊接界面形成均匀且致密的树脂粘接层如图 5(c),其厚度减至 99.3 m,不锈钢网的锚固深度明显增加且树脂层内部缺陷明显减少。当焊接压力达到0.67 MPa 时,虽然树脂对不锈钢网的浸润性得到进一步增强,但是焊接接头压力过大,致使焊接区域内的树脂大量流失如图 5(d),不锈钢网的锚固深度虽得到提高,但树脂无法形成连续有效的粘结层,导致接头的平均 LSS 值大幅降低。因此,焊接界面树脂粘结层厚度和不锈钢网的锚固深度是影响接头焊接质量的两种重要因素。图 4 不同焊接压力的接头单搭接剪切强度图 5 不同焊接压力下,焊接接头横截面的微观形貌2.2 焊接电流对接头性能及失效界面微观形貌的影响不同焊接电流下 CF/PEEK 焊接接头的 LSS(焊接压力为0.5 MPa,焊接时间为150 s),如图6 所示。实验结果表明,焊接接头的 LSS 值随焊接电流的升高呈现先增加后减小的变化趋势,在焊接电流为 600 A 时,接头的 LSS 最大。当焊接电流为 400 A 时,不锈钢网所产生的热量无法满足树脂融化所需的温度,焊接界面的树脂无法流动且存在大量的气孔,如图 7(a)所示,因此无法形成有效的连接,导致焊接接头直接剥离。当焊接电流为 600 A 时,不锈钢网所产生的热量使得树脂能够充分地熔融,焊接界面内的树脂充足且分布均匀,如图 7(c)所示,粘接能力显著提升。当焊接电流为 700 A 时,不锈钢网所产生的热量在05信息记录材料 2023 年 7 月 第 24 卷第 7 期焊接界面积累过量,导致焊接区域内的树脂发生热分解甚至碳化,如图 7(d)所示,失去原有的粘接能力,从而降低了焊接接头的力学性能。图 6 不同焊接电流的接头单搭接剪切强度图 7 不同焊接电流下,焊接接头失效界面的微观形貌2.3 焊接时间对接头性能及失效界面微观形貌的影响在焊接压力为0.5 MPa、焊接电流为600 A 的条件下,在焊接时间为 30 200 s 的范围内进行焊接实验。CF/PEEK 焊接接头的 LSS 如图 8 所示。实验结果表明,当焊接时间为 130 s 时,接头获得最佳的焊接强度 36.04 MPa。当焊接时间过短时,不锈钢网产生的热量无法使焊接界面内的树脂达到充分熔融的状态,树脂对碳纤维和不锈钢网的浸润性较差,难以形成有效的粘接,焊接接头内部在拉伸过程中树脂基体为强度最弱的部分,其主要的失效形式为焊接界面脱粘,如图 9(a)所示。随着焊接时间的增加,树脂熔融程度的提高,接头内部强度最弱的部分由树脂基体开始向不锈钢网和碳纤维转移,焊接界面的失效部分为不锈钢网损伤以及纤维撕裂,如图 9(b)所示。当焊接时间达到 130 s 时,焊接界面内树脂充分熔融,碳纤维和不锈钢网被充分浸润,使得被焊上下板紧密结合,此时不锈钢网为接头内部强度最弱的部分,其主要的失效形式为不锈钢网整体撕裂图,如图 9(c)所示,说明焊接区域的强度趋近一致,焊接接头内部的树脂熔融程度相近,树脂与不锈钢网的结合效果优异。当焊接时间过长时,焊接界面积累的热量过多,造成焊接区域的边缘发生树脂热降解以及母材分层等缺陷图,如图 9(d)所示,致使焊接接头的连接强度严重下滑。图 8 不同焊接时间的接头单搭接剪切强度图 9 不同焊接时间下,焊接接头失效界面的微观形貌3 结论(1)CF/PEEK 复合材料感应焊接接头的 LSS 随焊接压力、焊接电流、焊接时间的增加均呈现先增后减的趋势。通过控制变量法得出 CF/PEEK 复合材料感应焊接的最佳工艺参数为:焊接压力 0.5 MPa、焊接电流 600 A、焊接时间 130 s,焊接接头的最大 LSS 值为 36.04 MPa。(2)适当的焊接压力有助于焊接界面树脂的流动,增加对不锈钢网的浸润。焊接压力过大时,导致焊接界面的树脂被挤出,降低接头强度。焊接界面树脂粘结层厚度和不锈钢网的锚固深度是影响接头焊接质量的两种重要因素。(3)焊接电流大小对焊接界面树脂的熔融程度起到至关重要的作用。焊接电流过小,树脂出现大量气孔缺陷。焊接电流过大,树脂出现热分解甚至碳化。(下转第 58 页)15信息记录材料 2023 年 7 月 第 24 卷第 7 期图 5 微基站分布可视化址模型,结合相关约束条件,运用模拟退火算法计算出需新建宏基站为1 290个,新建微基站为 83 个,新建基站业务量占总业务的比例为 95.23%,并将总成本控制为13 010 万元,同时三条中心线角度分别为 198.564、-235.461、-29.168。图 6 宏基站 1 与对应的弱覆盖点之间的角度3 结语综上所述,5G 基站建设是新基建重要一环,更是 5G网络建设的基础,网络建设中基站的布局决定了移动通信服务的能力,本文研究了移动通信网络站址规划问题。首 先对现有基站之间的距离和现有基站与弱覆盖点之间的距离进行分析,利用二范数公式进行欧式距离判断,对数据进行清洗处理;其次将问题归属到 01 背包规划问题上,确定规划过程中的约束条件,运用模拟退火算法求解出最大业务量、最小成本的目标函数,进行模型检验,明确所得结果是否大于 90%;再将覆盖区由原先的圆形区域转变成三个扇形区域,最终确定站址规划方案与扇区角度的结果。同时在实际问题探究中,基站分布应尽量均匀,满足通信信号要求,同时结合现有基站布局等情况,对模型得出的布局方案进行改动优化,科学预测基站需求量,更好地提高现网基站弱覆盖点的覆盖率以及人们的日常生活质量。【参考文献】1 黄伟峰.微基站在 5G 发展中的应用 J.中国新通信,2020,22(17):7-8.2 刘娅汐.移动通信网络覆盖计算与优化方法研究 D.北京:北京科技大学,2021.3 石建.面向 5G 的移动通信技术及其优化研究 D.天津:天津大学,2017.4 郑凌.创新 4G 移动通信网络规划对策研究:以福建移动为例 D.福州:福州大学,2017.5 张九龙,王晓峰,芦磊,等.改进的模拟退火算法求解规则可满足性问题 J.现代电子技术,2022,45(5):122-128.6 颜陆红,郭文普,徐东辉,等.基于 NSGA-算法的机动通信系统站址规划方法 J.计算机应用研究,2022,39(1):226-230,235.7 刘文凤.基于城乡规划的 5G 移动通信基站站址布局研究J.智能城市,2021,7(6):11-12.作者简介:初磊磊(2001),男,山东烟台,本科,研究方向:电气工程及其自动化。(上接第 51 页)(4)随着焊接时间的增加,焊接接头的失效模式发生了从界面脱粘-纤维和不锈钢网撕裂母材分层的转变。【参考文献】1 杨洋,见雪珍,袁协尧,等.先进热塑性复合材料在大型客机结构零件领域的应用及其制造技术 J.玻璃钢,2017(4):1-15.2 周利,秦志伟,刘杉,等.热塑性树脂基复合材料连接技术的研究进展 J.材料导报,2019,33(19):3177-3183.3 张增焕,刘红兵.航空领域热塑性纤维复合材料焊接技术发展研究 J.航空制造技术,2015,58(14):72-75.4 张胜玉.热塑性复合材料及其焊接 J.纤维复合材料,2000,17(4):45-48.5 张胜玉.塑料感应焊接技术 J.现代塑料加工应用,2015,27(2):34-38.6 BORDERJ,SALASR.Inductionheatedjoiningofthermoplasticcompositeswithoutmetalsusceptors J.Tomorrows Materials:Today.,1989,34:2569-2578.7 WANG F Y,MA W P,ZHAN X H,et al.Comparative studyon the morphology and mechanical strength of induction weldingjoint of polyetheretherketone under different currents J.Polym Eng Sci,2020,60(11):2908-2917.8 BAEK I,LEE S.A study of films incorporating magnetitenanoparticles as susceptors for induction welding of carbon fiberreinforced thermoplastic J/OL.Materials(Basel),2020,13(2):318.https:/doi.org/10.3390/ma13020318.9 HOU M,FRIEDRICH K.Resistance welding of continuousglass fibre-reinforced polypropylene composites J.ComposManuf,1992,3(3):153-163.基金项目:国家自然科学基金(51873109);辽宁省兴辽英才计划(XLYC1907198,XLYC1907019)。作者简介:张天硕(1998),男,辽宁沈阳,硕士,研究方向:复合材料感应焊接。85