长玻璃纤维(简称长玻纤)聚丙烯(PP)复合材料是一种热塑性复合材料，这种材料可以热成型，并且成型的方法很多，在使用过程中可以承受很强的冲击载荷，且材料的耐水性很好。由于这种材料的纤维长度大，使用过程中其强度会更高，允许使用的温度也较高[1-2]。热塑性复合材料的连接方式可以分为机械连接、黏接和焊接。机械连接复合材料的孔周围容易产生应力集中，高分子材料吸水后易造成紧固件松弛，高分子材料与铆钉之间有可能发生接触腐蚀并且还会额外增加重量。采用黏接时，黏接前需要表面处理，黏接剂受环境因素的影响会发生退化，黏接接头对储存环境比较敏感而且需要后续固化，黏接的生产效率也比较低。采用超声波焊接热塑性复合材料具有以下优点：焊接速度快，焊接强度高，密封性好;节约能源，成本低，清洁无污染且不会损伤工件;焊接过程稳定，所有焊接参数均可通过软件系统进行跟踪监控，一旦发现故障很容易进行排除和维护。由于国内热塑性复合材料研究尚处于起步阶段，对于长玻纤PP复合材料的焊接，目前最具有潜力的连接方式就是超声波焊接。尤其是在可实现自动控制和提高生产率方面，这种连接方式极具优势。因此，用超声波焊接长玻纤PP复合材料将是对热塑性复合材料焊接技术的一个有益探索[3]。
1试验介绍
试验所用材料是济宁鲁晨新材料科技有限公司生产的长玻纤增强PP复合材料，所用机器是必能信超声有限公司生产的超声波焊接设备，型号2000Xc，20∶4(超声波频率是20kHz，功率为4kW)。焊接的试件尺寸为：155.0mm×45.0mm×1.5mm，焊接时搭接量为20mm。由于焊机的功率是一定的，所以在试验中改变焊接时间等同于改变焊接的能量。超声波焊接的时间较短，所以焊接接头的质量对焊接时间参数比较敏感：焊接时间过短会导致焊接界面无法融合，焊接时间过长导致焊接过度，造成基体分解的同时会影响焊接接头的强度[4]，因此，焊接时间对接头的质量尤为关键，此次试验重点研究焊接时间对接头强度的影响。经过前期优化，其他焊接参数为：焊接电极的振幅90%(60μm×90%);频率20kHz;焊接压力400kPa;触发压力120N;电极下降速率37mm/s。焊接完成后，对试件结合面处的结合情况进行分析，并对焊接接头进行剪切拉伸测试，观察断口微观组织，分析其失效机制。
2结果与讨论
2.1焊接结果
样片(编号1#～9#)的焊接结果见表1，图1是焊接后试件的示意。从表1和图1可以看出，1#试件焊接后未熔合。因为焊接时间过短，能量过低，导致PP基体熔化量很小，无法实现界面结合。表1显示，2#～7#试件焊接成功，当焊接时间在0.10～0.50s时，在超声波作用下PP基体熔化并且充分流动，从而实现接头的连接。观察9#试件发现大量熔体被挤出，当焊接时间达到0.80s时，两试片发生滑移错位现象。由于焊接时间较长导致PP温度较高，所以在压力作用下出现挤出现象，这样会导致两试片的结合面出现未融合区域，从而使得有效的结合面积较小，无法形成良好的接头，许志武等[5]在研究碳纤维增强聚苯硫醚复合材料辐射预热超声焊接工艺时，出现了同样的现象。因此，只有焊接时间在一个合理的区间内才能实现有效连接，当焊接时间过短时，PP基体未融化或融化不完全导致焊接失败;当焊接时间过长时，PP基体受热分解，并在压力的作用下溢出导致焊接失败。
2.2试件焊接接头结合情况
焊接接头的结合情况如图2所示。从图2可以看出，当焊接时间小于0.30s(样片2#和3#)时，会发现结合面有很多未熔化区域，这是由于焊接能量较小，PP基体不能充分熔化和流动造成的。当焊接时间达到0.30s(样片5#)时，焊接接头结合良好，无明显缺陷。当焊接时间持续增加时，由于PP基体受热分解，在压力的作用下溢出，使得接头结合不良，产生许多细小孔洞。2.3焊接接头断口分析对2#～7#试件采用相同的参数分别焊接3个子试样，并对其进行剪切拉伸。焊接时间为0.10s时，剪切力的平均值为1.54kN;随着焊接时间的延长，剪切力增加。当焊接时间为0.30s时，接头的剪切力最高为4.10kN。当焊接时间继续增加到0.80s时，剪切力却减小。图3是接头断口形貌。通过进一步分析断口发现，只是部分发生熔合并不是搭接部分均发生熔合。焊接时间不同，焊接面融合区的熔合面积不同，且抗剪切的失效形式也不同。从图3可以看出，随着焊接时间的增加，2#～5#样片熔合区域比例增加，5#的熔合区域最大。断口处熔合区域的PP基体发生了撕裂迹象，而在未熔合区域，基体表面保持平整。2#～4#样片中，PP基体发生撕裂导致失效。图3还发现，5#样片断口除熔合区PP基体撕裂的同时，还有局部纤维发生了断裂，这需要消耗大量的能量，因而体现为接头强度较高。6#和7#样片虽然焊接时间较长，熔合区域面积大，但是脱胶严重，PP溢出到试件边缘导致结合面微观结构缺陷较多，强度下降。
3结论
a)只有焊接时间在一个合理的区间内才能实现有效连接，当焊接时间过短时，PP基体未融化或融化不完全导致焊接失败;当焊接时间过长时，PP基体受热分解，并在压力作用下溢出，导致焊接失败。b)随着焊接时间的增加，焊接接头的剪切力呈现先上升后下降趋势。当焊接时间为0.30s时，焊接接头界面结合良好，无明显缺陷，接头的剪切力最高为4.10kN。c)随着焊接时间增加，接头熔合区域比例增加，接头中未熔合区域表面平整。接头的剪切失效形式一般为熔合区域PP基体发生撕裂，在较优的焊接参数下失效形式为PP基体脱黏占主导同时伴随纤维断裂，使得强度较高。
参考文献
[1]贺福.碳纤维及其应用技术[M].北京：化学工业出版社，2004.[2]胡赓祥，蔡珣，戎咏华.材料科学基础[M].上海：上海交通大学出版社，2012.
[3]高阳，陈风波，赵去峰.塑料超声波焊接质量影响因素的研究进展[J].宇航材料工艺，2006，36(6)：9-13.
[4]高宇昊.碳纤维增强尼龙66复合材料的超声波焊接工艺研究[D].郑州：郑州大学，2015.
[5]许志武，李政玮，刘建光，等.CF/PPS复合材料辐射预热超声焊接工艺及其接头断裂分析[J].焊接学报，2017，38(3)：121-124.
《复合材料超声波焊接工艺研究》来源：《现代塑料加工应用》，作者：宋宗贤 庄国彬 李嘉彬 魏鹏 韩明盼