航空復材電磁感應焊接過程及焊接強度

蘇洲，黃曉明，陳中傲，游文濤，于立國，董正寶

（1.安徽理工大學，安徽 淮南 232001；2.山東航空學院，山東 濱州 256603）

0 前言

CFRP 為輕質量、高強度、耐疲勞等優異材料屬性的杰出代表，其密度約為鋼制合金密度的1/5，但強度是鋼制材料的10 倍，所以CFRP 在航空器制造與結構輕量化設計等工程領域有著廣泛應用前景，如應用在波音787 機體上的CFRP 占飛機總重的50%以 上[1?3]。開 展CFRP 應用技術研究，對提高飛機等航空器性能有重要意義。

CFRP 主要應用在飛機蒙皮裝配方面，其連接技術主要有螺栓連接、膠接和螺栓與膠接混合連接等。螺栓連接技術成熟，連接簡單，但緊固件裝配會導致重量增加，連接時層合板需要開孔，會產生結構應力集中；膠接應力分布均勻，重量輕，膠接后不會占用額外裝配空間，但膠接后不可拆卸，膠接技術要求較高[4?5]。碳纖維熱塑性復合材料因其加工簡單、抗沖擊性高、修復潛力高以及可通過焊接自動連接，在不同的應用中正在取代熱固性碳纖維復合材料[6?7]。碳纖維熱塑性復合材料樹脂基體高溫熔化，低溫凝固，可通過焊接的方式連接。目前使用的CFRP 的焊接方式主要有電阻焊接，超聲波焊接，以及電磁感應焊接[8?9]，感應焊接與電阻焊接相比，不需要在焊接層放置導電件，減少應力集中[10]；感應焊接不會像超聲焊接因為高頻振動引起材料表面疲勞破壞[11]。CFRP感應焊接不需要加入界面導電層，只需在焊接添加熱塑性膠粘劑，電磁感應焊接質量受到電流頻率、線圈形狀及在CFRP 層合板搭接區域添加的膠粘劑熔融程度等影響[12]。Segreto 等人[13]通過改變感應焊接工藝參數，研究了對CFRP 試樣焊接強度的影響。Lionetto 等人[14]通過建立PEEK 熔化和結晶行為的電磁和傳熱模型，研究了熔融程度對焊接強度的影響，感應焊接CFRP 有著顯著的應用優勢。

聚醚醚酮（PEEK）材料具有耐高溫、耐腐蝕及強度高、穩定性好等優異的力學物理性能[15]，單毫等人[16]通過紅外加熱纏繞成形工藝獲得碳纖維增強聚醚醚酮（CF/PEEK）制品，層間剪切強度達到82 MPa。王鑫等人[17]通過超聲原位固結成形工藝，制備CF/PEEK層合板，研究了超聲原位固結成形與熱壓成形工藝制造的層合板的力學性能。周天睿等人[18]采用熔融浸漬法制備了CF/PEEK 預浸帶，并制備層合板，研究了成形溫度，壓力大小等因素對層合板力學性能的影響。通過PEEK 材料作為膠粘劑進行感應焊接的試驗研究較少，文中則對PEEK 膠粘劑焊接CF/PEEK 層合板進行感應焊接研究。

目前研究聚焦在電磁感應焊接過程中的焊接裝置參數的影響，缺乏對感應焊接過程及焊接試樣強度的數值仿真與試驗研究。文中基于電磁感應、熱傳遞及焊接接頭強度，建立電磁感應焊接的電?磁?熱?結構進行多物理場聯合仿真模型，選用PEEK樹脂浸漬碳纖維制備的CF/PEEK 層合板，對膠層厚度、CFRP 接頭搭接長度對焊接強度影響規律進行研究。

1 電磁感應焊接理論

感應焊接原理是利用高頻交變電流在感應線圈附近形成交變磁場，通過CFRP 基體回路產生感應渦流并發熱，當焊接接頭區域放置的樹脂融化時施加壓力實現焊接。

1.1 電磁場理論

在電磁感應焊接的過程中，電磁場由麥克斯韋方程組控制[19 ?20]。在真空中的閉合曲面內的電荷分布與產生的電場之間的關系由高斯定理表示為

式中：H為磁場強度；J為求解磁疇時矢量形式的電流密度；B為磁感應強度。

交變電流和時變電場表示為

式中：ε為介電常數；E為感應電動勢；t為感應線圈的通電時間。

磁場磁通量變化產生感應電動勢表示為

電流與感應電動勢的關系表示為

式中：σ為電導率；Js為傳導電流密度。

復合材料的碳纖維是一種非導磁性材料，磁感應強度表示為

式中：真空磁導率u0=4π·10?7H/m；相對磁導率ur=1。

在數值模擬分析中，磁場的邊界條件表示為

式中：n為磁場的邊界向量；A為磁矢量勢。

1.2 傳熱分析過程原理

CF/PEEK 層合板內電能轉換為熱能的過程表示為

式中：Qe是磁場產生的熱量。

由于感應加熱進行熱交換，熱量從高溫區域傳導向低溫區域。應用熱力學熱交換定律，在數值模擬軟件中對渦流焦耳效應產生的熱量進行瞬態分析，熱力學第一定律表明孤立系統的能量守恒[21]，孤立系統的熱平衡式為

式中：ρ是復合材料密度；Cp是比熱容；k是熱傳導率。文中電磁傳熱數值模型邊界條件表示與周圍空氣相互作用，傳熱方式分別是熱對流和熱輻射，表示為

式中：hc為對流系數；T0為環境溫度；ε為材料發射率；σ為Stefan-Boltzmann 常數。

2 數值模型

數值模擬電?磁?熱的材料及力學性能見表1。

表1 數值模擬電-磁-熱的材料屬性及力學性能

2.1 電磁焊接模型

對銅管線圈，CF/PEEK 層合板，作為膠粘劑的PEEK 材料，空氣域等進行幾何建模。其中，銅管線圈匝數為7，外圈直徑為130 mm，螺距為8 mm，銅管直徑6 mm，內圈直徑10 mm。PEEK 膠粘劑厚度為0.5 mm，模型尺寸與試驗條件一致，模型如圖1 所示。電磁仿真模型采用EMC3D4 單元類型，傳熱模型采用DC3D4 單元類型，銅管線圈電流為10 A，頻率為20 kHz。焊接接頭中心距離線圈中心為40 mm。

圖1 電磁焊接仿真模型

通過式（8）可知，感應磁場在碳纖維復合材料表面誘導出渦流，焦耳效應產生的熱量加熱復合材料層合板。將感應模型產生的熱量Qe導入熱傳遞模型，以集中熱通量的形式作為熱分析的初始條件，設置熱對流和熱輻射與空氣熱交換，初始溫度場為20 ℃。

2.2 焊接強度模型

根據電?磁?熱聯合仿真結果，將傳熱模型結點溫度導入焊接強度模型，根據表1 中的材料力學性能，計算焊接強度。為了研究層合板的層間失效模式，在PEEK 膠粘劑層引入Cohesive 單元，用Cohesive 單元的消除表征相鄰層之間的分層現象，膠層和CFRP層合板層間的損傷起始使用二次名義應力準則[22]來預測模擬焊接強度。

對下CF/PEEK 層合板非搭接頭端全固定的邊界條件，在上CF/PEEK 層合板非搭接頭端施加0.03 mm/s的速度，分析時間設為100 s，搭接長度H分別設置為10，15，20，25，30 mm，PEEK 層的厚度L取值范圍為0～1.5 mm 。將CF/PEEK 層合板 進行C3D8R 單元離散，PEEK 膠粘層采用為COH3D8 單元類型。

3 試驗設計

3.1 焊接試驗

試驗使用材料為CF/PEEK 層合板，預浸料為T300-3K 型碳纖維（日本東麗公司Toray?），基體為PEEK（上海飛邁塑化有限公司），通過模壓成形工藝獲得CF/PEEK 層合板（熱壓機YTR-50T，大連銘旭機電設備制造有限公司）。

在進行感應焊接之前，用數控切割機（濟南奧鐳數控設備有限公司）切割CF/PEEK 層合板搭接區域大小的PEEK 薄膜（深圳市華達塑膠實業有限公司）作為焊接時的膠粘劑，試驗使用常用PEEK 薄膜單層厚度規格為0.2，0.5，1 mm。例如PEEK 膠粘劑厚度為0.7 mm，需搭接區域疊加0.5 mm 及0.2 mm 的PEEK薄膜。焊接時，通過直流電源（明緯S-2000-60）為ZVS高頻感應加熱機供電，利用感應線圈加熱CF/PEEK層合板進行焊接，焊接施加壓力為1 MPa，為防止焊接過程感應線圈過熱，通過水泵為線圈提供冷卻水，最后利用紅外熱像儀（ST-9450）測試焊接溫度。

3.2 強度測試

對感應焊接后的搭接接頭采用WAW-300 kN萬能材料試驗機進行單搭接試驗，試樣尺寸如圖2 所示。測試參照GB/T 33334—2016 標準，拉伸速率為2 mm/min，在進行單搭接試驗時，為減小拉伸載荷偏心的影響，在單搭膠接結構的兩端使用AB 膠粘貼鋁板，采用鋁板作為夾持件，每組測試5 次，單搭接剪切強度值為

圖2 (CF/PEEK）層合板連接的示意圖

式中：Fb為試樣撕裂破壞時的最大載荷值，N；B為試樣焊接面寬度，mm；S為試樣焊接面長度，mm。

4 結果與分析

4.1 焊接過程分析

由式（3）麥克斯韋?安培定理可知，線圈中心的感應磁場方向向上，形成閉環磁感線。通過電磁仿真，在線圈電流為10 A，頻率為20 kHz，PEEK 膠粘劑厚度為0.5 mm，搭接長度為12.5 mm（GB/T 33334—2016 標準）的條件下，電磁仿真模型的磁感應強度如圖3 所示。從圖中可以看出，形成的磁感線主要集中在線圈上下50 mm 范圍內，超出該范圍后磁感應強度迅速衰減。在進行試驗時，單層層合板厚度為2 mm，雙層層合板及膠粘劑厚度在4～6 mm 范圍之內，遠遠小于50 mm 范圍的衰減區間，那么上下2 層的層合板都產生熱量，可同時對PEEK 膠粘劑進行加熱，當然，膠粘劑層的厚度會影響PEEK 薄膜的熔融時間，但感應焊接速度快，影響可以忽略。

圖3 電磁模型的磁感應強度（EMB）

搭接頭和放置位置不完全對稱，線圈上方25 mm范圍之內的磁感應強度比圈下方15 mm 范圍磁感應強度更大，最大值為7.8×10?6Wb/mm2。從圖中可以看出，焊接搭頭部位的磁感應強度（EMB）呈逆時針方向分布，約為5.5×10?6Wb/mm2。銅管線圈中心區的EMB 稀疏，由銅管線圈中心區到邊界逐漸增大，EMB 最大值在搭接接頭為2.6×10?6Wb/mm2，最小值在中心區為1.3×10?6Wb/mm2。

磁感應強度分布決定了通電電流誘導的CF/PEEK搭接頭導電區域的焦耳耗散率（EMJH，即熱量傳遞程度）和搭接頭溫度的數值。如圖4 所示，層合板焊接部位EMJH 呈現出圓弧形，與銅管線圈的形狀相對應。焊接部位焦耳耗散率由外向內逐漸降低，層合板的EMJH 最高為113.4 J/s。

圖4 CF/PEEK 搭接頭導電區域的焦耳耗散率

圖5 為層合板與PEEK 膠粘劑的溫度分布，熱傳遞模型搭接頭溫度分布云圖如圖5(a)所示，溫度沿試樣長度方向整體呈條形分布，逐漸降低。搭接接頭高溫區域溫度靠近接頭端部，模型計算結果最高溫度為385.7 ℃，位于下CF/PEEK 層合板與PEEK 膠粘層接觸部位，試驗結果與仿真結果一致，搭接中間部位溫度最高，向兩端逐漸降低，最高溫度為372.5 ℃，試驗結果與數值模擬結果誤差為3.5%，在誤差允許范圍之內。

圖5 層合板與PEEK 膠粘劑的溫度分布

銅管線圈中心區磁感應強度（EMB）分布（圖3）及EMJH 分布（圖4）決定了被加熱物體的溫度分布及最高溫度區域。計算結果顯示銅管線圈中心對應層合板位置區域的溫度呈圓形分布，向四周逐漸增加，中心區域溫度為85.2 ℃。

圖5(b)為PEEK 膠粘層的溫度分布云圖，PEEK層在接頭端部區域溫度最高為384.2 ℃，達到了343 ℃的熔融溫度，滿足層合板焊接條件。

4.2 拉伸破壞分析

對CF/PEEK 層合板進行拉伸試驗，搭接長度為12.5 mm（GB/T 33334—2016 標準），PEEK 膠粘劑厚度為0.5 mm，仿真和試驗結果如圖6 所示。圖中F1為對層合板施加的拉力，F2為下夾具的拉力。結果表明層合板數值仿真剪切強度為5.31 MPa，試驗剪切強度為6.16 MPa，試驗與數值仿真的誤差為13.7%。

圖6 拉伸強度仿真與試驗對比圖

由于施加的拉力F1與下夾具的力F2非同軸拉力，PEEK 膠粘劑層越厚，施加拉力的非同軸性越明顯。拉伸產生的力矩使試樣彎曲，2 個CF/PEEK 層合板的端部受到的彎曲應力會導致接頭端部先產生破壞。彎曲端部會對膠粘層有拉伸作用，裂紋擴展方向垂直于拉應力方向，形成張開型裂紋，裂紋擴展方向平行于應力方向，形成滑移型裂紋，試驗滑移裂紋長為5 mm，焊接強度測試中的破壞斷裂類型為張開型與滑移型的混合破壞。

樣品拉伸斷裂狀態如圖7 所示。CF/PEEK 層合板的拉伸形式包括：PEEK 膠粘劑樹脂與碳纖維復材板連接界面的剝離破壞，焊接面的PEEK 膠粘劑層自身發生的內聚破壞，CF/PEEK 層合板發生的纖維抽離破壞。出現上述不同的破壞形式原因是感應焊接加熱不均勻導致的PEEK 膠粘劑樹脂熔融不充分，導致PEEK 層的樹脂不同位置拉伸強度不同，影響PEEK層與CF/PEEK 層合板的連接強度，溫度高的區域，連接強度高，樹脂浸潤層合板，單搭接拉伸試驗層合板纖維發生抽離破壞。溫度低的區域，溫度沒有達到PEEK 樹脂343 ℃的熔融溫度，或保溫持續時間短，導致PEEK 層的內聚破壞或者是剝離破壞。

圖7 CF/PEEK 層合板接頭拉伸破壞形式

4.3 不同的搭接長度和膠粘劑層厚度對焊接強度的影響

搭接長度的數值仿真與試驗結果剪切強度圖，如圖8 所示，數值仿真與試驗使用搭接長度H為10，15，20，25，30 mm，膠粘劑層厚度為0.5 mm，通過數值仿真與試驗驗證，探究CFRP 層合板的搭接長度對焊接強度的影響。由于實際試驗中采用的是編織類CFRP層合板，PEEK 膠粘劑滲入上下層層合板，增大了其粘接強度，拉伸斷裂情況如圖7 所示。而仿真中，采用的層合板為平板結構，熔融的PEEK 膠粘劑沒有滲入層合板，只考慮界面層的粘接，則上下層合板膠粘強度較差，所以圖8 中顯示數值仿真結果比試驗結果小，且搭接長度與剪切強度沒有明顯的相關性。

圖8 搭接拉伸數值計算與試驗的剪切強度

當PEEK 膠粘劑的厚度L取值范圍為0～1.5 mm，搭接長度為20 mm 時，通過數值仿真精細計算剪切強度，取膠粘劑厚度為0.2，0.5，0.7，1.0，1.5 mm 進行試驗驗證。數值仿真和試驗測試的剪切強度與膠粘層厚度的關系曲線如圖9 所示，通過圖中數據可以看出，數值仿真和試驗測試的剪切強度與膠粘層厚度的關系有相同的增減變化趨勢。膠粘劑厚度L取值范圍為0～0.8 mm，隨著PEEK 層的厚度增大，剪切強度逐漸減小，數值計算最小值為4.75 MPa；L取值范圍在0.8～1.0 mm，剪切強度增加，數值計算最大值為5.97 MPa。

圖9 PEEK 膠粘劑不同厚度與剪切強度試驗和數值計算曲線

當含有一定厚度的PEEK 膠粘劑焊接層合板拉伸受力時，由于膠粘劑厚度的影響，拉伸力的非同軸性將會導致層合板彎曲，如圖6 所示。由于非同軸拉力的影響，可將膠粘劑受力轉化為圖10 所示。圖中F1，F2分別為施加的拉力和下夾具的拉力，Fa，Fb分別為F1沿膠粘劑層切向和法向的分量。當PEEK 膠粘劑厚度為0～0.8 mm，隨著膠粘劑厚度逐漸增大，膠粘劑受到的Fa與F1的夾角θ逐漸增大，此時拉伸破壞主要由Fa所決定，當Fa為固定值時，隨著θ角度增加，F1值逐漸減小；當膠粘劑層厚度為0.8～1.0 mm時，此時Fa與Fb共同耦合的作用下，能夠承受的力逐漸增大；當膠粘劑層厚度為1.0～1.5 mm 時，此時拉伸破壞主要由Fb所決定，Fb與F1的夾角?逐漸減小，拉力逐漸減小。

圖10 拉伸受力分析

5 結論

（1）電磁感應加熱過程中EMB，EMJH 影響CF/PEEK 層合板溫度。溫度的高低與EMB，EMJH 的數值正相關，線圈中心數值較低，獲得的中心區溫度最高為85.2 ℃。模擬溫度最高為385.7 ℃，搭接接頭高溫區域溫度靠近接頭端部，溫度沿試樣長度方向整體呈條形分布，且逐漸降低，試驗結果最高溫度為372.5 ℃，兩者誤差為3.5%。

（2）受拉伸載荷偏心影響，焊接接頭首先發生破壞的部位是在接頭的端部，發生距離為5 mm 滑移斷裂，搭接接頭斷裂類型為張開型與滑移型的混合破壞。由于焊接溫度分布不均，焊接區域的焊接強度不同，斷裂后發生纖維抽離破壞、剝離破壞及基體內聚破壞。

（3）當PEEK 膠粘劑層厚度L恒定時，搭接長度H與焊接強度沒有相關性。當搭接長度恒定時，膠粘劑厚度的變化將會影響焊接強度大小。在當L=0.8 mm 時，強度最小為4.75 MPa；L=1 mm 時，此時膠粘劑層受到的拉力F1與Fa共同耦合作用，焊接強度最大為5.97 MPa。