碳纤维增强热塑性复合材料超声波焊接研究

碳纤维复合材料连接有多种连接方法，需要根据应用于不同连接区域的载荷特点等进行选择。目前应用最多的主要有机械连接、胶接连接以及机械/胶接混合连接等。

机械连接是使用机械方法，通常采用螺栓和铆钉，将两个或者多个被连接构件连接在一起的方法。飞机结构中常用的机械连接主要包括螺栓、铆钉、盲紧固件和环槽铆钉连接等。优点是不需要表面处理，易于检查，必要时可将部件拆卸。然而，机械连接也有几个缺点：零件螺丝孔引起的应力集中；增加了结构的重量；螺丝价格相对昂贵，例如复合材料飞机上紧固件占结构总成本的19%~42%。

粘接连接是另一种选择。近年来，胶粘剂在强度、疲劳寿命和刚度方面的性能有了很大的提高。胶粘剂的主要优点是能粘接不同的材料，也提供更均匀的应力分布。另一方面，胶粘剂需要大量的时间进行表面准备和固化，而且粘接接头不能拆卸。

机械/胶接混合连接使用粘合剂和机械紧固件提供了两者最佳的性能，具有良好的承重能力和疲劳寿命，但是仍需要大量的劳动力和较长的连接时间。

关于超声波焊接

超声波焊接是利用高频振动波传递到两个需焊接的物体表面，在加压的情况下，使两个物体表面相互摩擦而形成分子层之间的熔合。

焊接塑料原理示意图

超声波焊接的优点

超声波焊接是最快的连接方法，是自动化的理想选择；

不需要填充材料，可以进行点焊和焊缝焊接；

表面损伤小，因为热量是在接合界面产生，而非顶部表面；

一个干净的工艺过程，不会产生烟雾或火花。

超声波焊接的局限性

超声波焊接也有一些局限性，由于换能器的输出功率有限，对待焊材料的性质要求严格，超声波焊接并不能直接焊接较大工件，并且当工件在超声波传递方向上的尺寸较厚时，焊接效果会较差。这些缺点限制了超声波焊接的应用。

碳纤维增强热塑性复合材料（CFRTP）由于其优越的力学性能、较低的加工成本及可回收性，逐渐成为继铝合金、高强钢之后的新一代轻量化材料。国内外科研机构和材料企业都投入巨资和人力竞相开展相关研究，部分高校、企业已开始探索将CFRTP应用于机身与车身的制造与装配。超声波焊接是最适合焊接热塑性材料的方法之一，也是实现大规模装配CFRTP部件的关键使能技术之一。