短切纖維對復合材料焊接強度的增強作用

孫一棋

（中國石油大慶石化公司熱電廠，黑龍江大慶 163000）

0 引言

隨著材料學的不斷進步，復合材料技術更加成熟，尤其在航天行業中顯示出了巨大的應用前景，特別是制作結構件方面[1]。現階段采用熱塑性復合材料制作飛行器中的結構件已成為業內的普遍做法，這種材料耐腐蝕、耐損傷，具有比金屬材料更優良的物理性能[2]。但結構件的尺寸向著大型化方向發展，需要更高的焊接技術，常見的焊接方式有激光焊接、感應焊接、超聲焊接、電阻焊接等[3]。

與其他焊接方式相比，電阻焊所需要的設備簡單，焊接工藝靈活易行，焊接成本低，焊后無需進行表面的二次處理，可以實現大面積焊接，焊接時也不用頻繁移動結構件，逐漸被各國廣泛采用。1987 年電阻焊首次被應用于熱塑性復合材料的焊接[4]，表現出了良好的工藝性，能夠適應多種復合材料的焊接需求，如基于碳纖維或玻璃纖維的多種復合材料。為了進一步提高焊接質量，提升焊接接頭的性能，各國學者對其開展了廣泛的研究。美國學者Dubé 等分析了不銹鋼網加熱體復合材料的焊接熱影響。Tanaka 等通過試驗確定了樹脂焊接時保溫時間對接頭質量的影響。庫克等針對影響復合材料電阻焊接頭強度的因素做了專項研究，總結出斷面的失效機制。費畢格等指出了復合材料焊接時纖維方向的重要作用。通過廣大學者的不斷研究，最終確定了層內失效是復合材料電阻焊最為重要的失效模式。由此，學術界統一了復合材料焊接工藝標準，認為界面的增強是提升焊接質量與接頭性能的主要途徑。

基于界面增強理論，許多學者開始探究焊接工藝的提升途徑，也產生了很多優秀成果，但還沒有學者嘗試通過對樹脂薄膜夾層進行強度補償來增強接頭力學性能的方法。為了彌補這一空白，本文將試驗多種復合材料與PEI 樹脂固化制作薄膜，以此來提升界面的力學性能，并通過微觀分析驗證該方法的有效性。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

本次試驗的材料主要有：玻璃纖維平紋織布、短切玻璃纖維、短切芳綸纖維、短切碳纖維、聚醚酰亞胺、不銹鋼網等。

1.2 試驗過程

制作復合材料板，將聚醚酰亞胺溶解于樹脂溶液中，采取浸潤法制作有機物料，通過熱壓設備得到厚度為2 mm 的板材，再由樹脂溶液生成聚醚酰亞胺薄膜，其中一部分薄膜利用短切玻璃纖維、短切芳綸纖維、短切碳纖維分別進行強化，得到厚度為0.2 mm 的薄膜，薄膜中的纖維含量為1%。

焊接工藝：在不銹鋼網的兩側貼合聚醚酰亞胺薄膜或增強型薄膜制成加熱體，再將加熱體置于兩塊玻璃纖維的接縫中，通過壓力機給予接縫0.2 MPa 的壓力，使板材與加熱體能夠完全貼合。采用20 V 電源作為焊接電源，焊接電流12 A，焊接時間最短30 s，最長180 s，每次焊接均以30 s 的幅度增加。焊接過程中需要利用冷卻設備對焊接邊緣進行冷卻保護，以降低焊接熱對焊縫邊緣的影響，試驗中需要實時測量焊接溫度，本文選擇K 型熱電偶作為溫度測量設備。

1.3 表征與測試

焊接后的短切玻璃纖維聚醚酰亞胺復合板的力學性能采取單臂梁試驗法進行測試，將焊接后的短切玻璃纖維聚醚酰亞胺復合板制成25 mm×6 mm×2 mm 的試樣，裝夾在拉伸試驗機上，在加熱速度為5 ℃/min 的環境中進行拉伸試驗，測試其焊接接頭的強度，拉伸速率選擇5 mm/min。試樣被拉斷后記錄拉斷時的全部數據，再利用顯微鏡觀察斷面的微觀形態。焊接接頭的剪切強度采取單搭接剪切法進行測試，剪切速率選擇10 mm/min，試樣被剪斷后記錄全部數據，并根據式（1）進行分析。

式中 τ——單搭接剪切強度，MPa

L——搭接長度，mm

b——搭接寬度，mm

Fmax——最大拉伸力，N

2 試驗結果與討論

2.1 焊接工藝及接頭強度分析

復合材料電阻焊焊接過程如圖1 所示，中間黑色網狀夾層為不銹鋼網，在不銹鋼網上下兩側分別放置貼合的樹脂薄膜。短切玻璃纖維聚醚酰亞胺的力學性能在175 ℃時強度開始明顯下降，溫度達到200 ℃時開始玻璃化轉變，經試驗得知，這種樹脂在350 ℃融化。短切玻璃纖維聚醚酰亞胺的焊接熱力學性能在采用電阻焊時，溫度需15 s 上升至200 ℃，需40 s 上升至350 ℃，根據溫度曲線設定焊接時間為30 s。不同焊接時間長度下短切玻璃纖維聚醚酰亞胺的接頭強度隨時間的增加接頭強度呈現先增加后減少的變化規律，時間為150 s 時接頭強度最大，時間為180 s 時接頭強度下降，這是由于過長的焊接時間導致焊縫損傷，使接頭強度下降。

圖1 復合膜焊接

2.2 不同纖維對界面的增強作用及機理

聚醚酰亞胺薄膜表面光滑，加入短切纖維后纖維組織無序分布于薄膜中（圖2）。在加入纖維組織后，短切玻璃纖維聚醚酰亞胺薄膜的拉伸強度，強度明顯增加，這將有利于焊接力學性能的強化，短切芳綸纖維聚醚酰亞胺薄的強度小于短切玻璃纖維聚醚酰亞胺薄膜，強度最好的為短切碳纖維聚醚酰亞胺薄膜。將這3種薄膜分別做焊接試驗，其強化效果也有所不同，加入纖維組織后的焊接強度明顯提高，短切碳纖維聚醚酰亞胺薄膜的焊接強度要高于其他兩種復合材料很多，剪切強度達到35.97 MPa，纖維組織對焊接接頭的強化作用達到29.6%，這也證明了纖維組織對焊接界面的強化作用。

圖2 薄膜電鏡照片

試驗證明了纖維組織對焊接接頭的強化作用：焊接時間較短時，樹脂沒有達到熔融狀態，樹脂材料和纖維都無法穿過不銹鋼網，對焊接接頭的增強作用有限；當焊接時間達到150 s 時，樹脂材料和纖維可以緊密地貼合在不銹鋼網上，起到了很好的焊接接頭增強作用，在外力作用下，樹脂材料和纖維與不銹鋼網同時發生斷裂，共同抵御了外部載荷。不同焊接時間失效界面中纖維的形式和電鏡照片如圖3、圖4 所示。

圖3 焊接時間30 s

圖4 焊接時間150 s

2.3 界面失效模式及失效機理

焊接界面失效是由于不銹鋼網與樹脂材料被破壞引起的，失效形式取決于樹脂材料的熔融程度，焊接時間不同時，其破壞形式也不同：①焊接時間＜60 s，樹脂材料無法全部達到熔融狀態，與不銹鋼網的結合不充分，界面強度較差，材料的失效形式為層間失效；②焊接時間60～120 s，隨著焊接時間的延長，樹脂的熔融狀態變好，與不銹鋼網結合也變得充分一些，但焊縫邊緣的溫度高于中心，因此焊縫邊緣的強度也要高于中心，這時材料的失效形式為線性撕裂；③焊接時間120～150 s，焊接時間繼續延長，樹脂的熔融狀態更充分，能更好地與不銹鋼網結合，此時二者的融合達到最佳，材料的強度最高，接頭質量最好，失效形式也轉變為同時撕裂；④焊接時間＞150 s，焊接時間繼續延長，導致焊縫邊緣溫度過高，材料發生變質，強度迅速下降，失效形式轉變為環形撕裂（圖5）。

圖5 不同焊接時間下樹脂與不銹鋼網的結合狀態

3 結論

在熱塑性復合材料電阻焊中，短切纖維對材料焊接性能的提升作用非常明顯，焊縫強度能夠提升30%。通過焊縫的力學試驗可以看出，短切纖維與不銹鋼網起到了協同作用，分別從微觀和宏觀兩個角度增加了材料的強度，聚醚酰亞胺的承載能力明顯提升。隨著焊接時間的增加，復合材料的熔融狀態最好，短切纖維聚醚酰亞胺與不銹鋼網的結合程度提高，材料的失效形式也由層間失效轉變為同時撕裂，但焊接時間過長反而會降低材料的強度，這是由于焊縫邊緣溫度過高產生了變質。