30%碳纖維增強PA6復合材料的超聲焊接-鉚接復合連接工藝

張國濤，王垚, 楊瑞賓，劉忠俠

(1.鄭州大學，材料物理教育部重點實驗室，鄭州 450052;2.鄭州工程技術學院，鄭州 450044)

0 前言

碳纖維增強尼龍復合材料由于其比強度高、強度大、耐高溫等優點，能夠滿足汽車輕量化的設計要求，在汽車工業中得到了廣泛的應用[1-4]。碳纖維增強尼龍復合材料的連接技術直接影響到接頭的性能和使用環境，因此尋找合適的連接技術來制造高質量的部件是碳纖維增強尼龍復合材料應用的關鍵。超聲波焊接是依靠超聲波振動引起的焊接材料表面的庫倫摩擦和分子間摩擦為熱源來熔接板材的一種焊接方法[5]，是玻璃纖維[6-8]或碳纖維[9-14]增強熱塑性復合材料應用最廣泛的連接技術之一。然而，實際的接頭強度受到各種因素[15-17]的影響，如連接材料幾何形狀、尺寸和力學性能、超聲波焊接參數、環境溫度和濕度、焊接板材之間的接觸、焊頭尺寸及接頭實際服役過程中受到的拉伸、壓縮、彎曲、剝離等外部載荷。因此，保證超聲波焊接接頭具有足夠的強度是超聲波焊接接頭應用的關鍵要求。

搭接接頭是汽車車身制造中應用最廣泛的一種熱塑性塑料超聲波焊接接頭結構，搭接接頭的強度通常采用單搭接頭的抗剪強度來評價。然而，在許多情況下，結構可能受到如剝離、扭轉、剪切其它類型的載荷，剪強度并不總能反映接頭的實際承載能力。研究表明，點焊、粘結、自沖鉚接、超聲波焊接等接頭對剝離載荷的抗力遠低于對剪切載荷的抗力，因此存在較大的安全隱患，有必要改善超聲波焊接接頭的剝離強度。然而，目前對超聲波焊接接頭的抗剪強度的研究較多，對于超聲波焊接接頭的剝離強度的相關研究很少。近年來，研究人員為提高接頭的力學性能，推出了一系列同質和異質材料的焊接、鉚接和粘接技術相結合的混合連接技術，發現將金屬材料或熱塑性復合材料的鉚-焊復合連接、粘-鉚復合連接[18]是一種很好的提高接頭抗剪強度、剝離強度和能量吸收能力的方法。因此，為了協同改善30%的碳纖維增強PA6復合材料焊接接頭的抗剪強度和剝離強度，該研究開發了一種超聲波焊接-鉚接復合連接工藝，利用一種具有φ8 mm釘帽，φ3 mm的釘身φ5 mm中間凸緣和φ5 mm的釘尾的新型雙凸緣釘子，制備了超聲焊接-鉚接復合接頭，研究了超聲波焊接參數對超聲波焊接-鉚接復合接頭的抗剪強度和剝離強度的影響，分析了超聲波焊接-鉚復合連接機制及其對超聲波焊-鉚接頭強度的改善機理。

1 試驗材料與試驗方法

30%碳纖維增強PA6復合材料試片的尺寸為132 mm × 38 mm × 2.3 mm，雙凸緣鉚釘采用35鋼制備，幾何圖形如圖1所示。復合材料以及鉚釘的力學性能見表1。超聲波焊-鉚復合連接在圖2所示型號為KZ-2026的多功能超聲波焊接機上進行，超聲波焊接機的額定功率為2.6 kW，額定頻率為20 kHz。超聲波焊-鉚接頭的制備方法如圖3所示，首先將雙凸緣鉚釘放在焊頭的下方(圖3a)，然后;對鉚釘施加超聲波振動(圖3b)，在超聲波的振動下釘子鉚入上、下板，待鉚釘全部鉚入下板后繼續振動一定時間，使上下板之間的焊合面上形成圍繞鉚釘的焊核(圖3c)。為了研究接頭的超聲波焊接-鉚接機制，采用位移傳感器記錄了焊-鉚過程中焊頭的位移-時間曲線。

圖1 雙凸緣鉚釘的幾何形狀

表1 30% 碳纖維增強PA6復合材料以及鉚釘的力學性能

圖2 超聲波焊-鉚設備示意圖

圖3 超聲波焊-鉚復合連接工藝的焊鉚過程

接頭強度采用兩種接頭進行評價，一種為搭接長度為25 mm的單搭拉伸剪切接頭(圖4a)，用于評價接頭的抗剪強度。一種為十字拉伸剝離接頭(圖4b)，用于評價接頭的剝離強度?？辜魪姸群蛣冸x強度均采用MTS810拉伸試驗機進行測量，拉伸速度2 mm/min。剪切拉伸和剝離拉伸示意圖如圖5所示。為避免拉伸過程中產生扭轉力，在2種接頭的夾持部分均放置有長度40 mm，與復合材料板材同厚度的墊片?？辜魪姸群蛣冸x強度均以拉伸試驗獲得的峰值載荷表示，接頭的能量吸收能力以載荷-位移曲線包圍的面積表示，通過方程(1)給出的接頭的載荷-位移曲線積分進行估算：

(1)

式中;Q為接頭吸收能量;F為載荷;x位移。每組接頭均試驗3個試樣，以3個試樣的強度和吸收能量的平均值表示接頭強度和吸能性能。為了分析超聲波焊-鉚接頭的復合連接質量，采用金剛石線切割機沿鉚釘的徑向切割焊-鉚接頭，接頭截面經過拋光后采用用奧林巴斯BX51光學顯微鏡進行檢查。

圖4 單搭拉伸剪切試樣

圖5 剪切拉伸和剝離拉伸原理圖

2 試驗結果與分析

2.1 超聲波焊-鉚接頭的連接機制

為了分析復合接頭的超聲波焊接-鉚接機制，采用直徑為14 mm的滾花焊頭和焊接壓力為0.38 MPa，焊接時間為2.3 s,2.5 s,2.7 s的3組超聲波焊接參數制備了3種超聲波焊-鉚接頭，接頭制備過程中的焊頭位移-時間曲線如圖6所示。該研究將焊接過程中將焊頭接觸鉚釘開始直至焊接結束的全部超聲波振動時間定義為焊接時間，焊頭下降的位移定義為焊頭位移，焊頭施加到鉚釘和板材上的壓力定義為焊接壓力，焊頭從焊接開始至焊接結束下降的距離定義為焊頭位移。從圖6可以看出，焊-鉚接頭的焊頭位移-時間曲線明顯不同于超聲波焊接的焊頭-位移曲線，焊-鉚接頭的焊頭位移明顯大于超聲波焊接接頭，且在振動1.5 s后出現較大的拐點。對比分析焊-鉚接頭和超聲波焊接接頭的焊頭位移-時間曲線可以發現，超聲波焊接接頭的焊頭位移-時間曲線可以分為4個階段，如圖7所示，即庫倫摩擦階段(o-a)、不穩定熔化階段(a-b)、穩定熔化階段(b-c)、凝固階段(c-d)[9]。不同于超聲波焊接接頭的焊接過程，焊-鉚接頭的鉚釘首先放入焊頭下方，超聲波焊接時鉚釘下方材料首先熔化，鉚釘在焊接壓力下依次被焊頭鉚入上板和下板，所以超聲波焊-鉚過程可以大致分為5個階段：釘子與上板的庫倫摩擦階段(o′-a′)、鉚釘鉚入上板階段(a′-b′)、鉚釘鉚入下材階段(b′-c′)、焊合面材料的熔化階段(c′ -d′)和凝固階段(d′ -e′)。焊合面上鉚釘周圍的材料熔化吸收了一部分的超聲波能量，熔化的材料進入鉚釘溝槽與鉚接板材形成機械互鎖。當鉚釘完全鉚入上、下板后，需要進一步延長焊接時間或增加焊接壓力使焊合面上的材料繼續熔化以形成焊核，因此，焊-鉚接頭的焊接需要較高的超聲波能量輸入。

圖6 超聲波焊接接頭和超聲波焊-鉚接頭的焊頭-位移曲線特征

圖7 焊接過程分析示意圖

2.2 超聲波焊-鉚接頭的外觀形貌

為了分析超聲波焊接-鉚接的連接效果，對前述制備的3種焊-鉚接頭的外觀和截面進行了觀察，圖8示出了各種焊接參數下的焊-鉚接頭的外觀形貌，可以看出，接頭的外觀除了具有焊頭的壓痕以外，即使在長的焊接時間及高的焊接壓力下，沒有出現過多熔化材料的溢出，表明在超聲波焊接的過程中，所設計的鉚釘溝槽有效阻止了焊合面熔化材料的溢出，這將有利于鉚釘與焊接板材機械互鎖的形成和焊接板材的焊合面上焊核的形成。為更好說明焊-鉚接頭的連接效果，將焊-鉚接頭沿鉚釘中心沿徑向切開，觀察接頭的截面形貌，如圖9所示。可以看出，各種超聲波焊接參數均可制備出良好的焊-鉚接頭，鉚釘的的凸緣、釘帽形狀完好，說明釘子的機械互鎖情況良好，達到了預期的焊-鉚效果。焊合面上的焊核尺寸隨著超聲波時間的延長或者焊接壓力的增大而增大，但過長的焊接時間造成鉚釘凸緣斷裂，如圖9c所示。鉚釘與板材的良好結合以及鉚釘周圍形成的焊核會對焊-鉚接頭的承載能力產生影響，進而影響超聲波焊-鉚接頭的力學性能，這將2.3，2.4中討論。

圖8 不同焊接參數下超聲波焊-鉚接頭的外觀形貌

圖9 不同焊接參數下超聲波焊-鉚接頭的截面形貌

2.3 焊接參數對超聲波焊-鉚接頭力學性能的影響

為了分析焊-鉚接頭的焊接強度，采用單搭拉伸接頭和十字拉伸接頭測量了超聲波焊-鉚接頭的抗剪強度和剝離強度，結果如圖10～12所示。作為對比，采用0.12 MPa焊接壓力，2.5 s焊接時間制備的單一超聲波焊接接頭的抗剪強度和剝離強度也示于圖10中。從圖10～12中可以看出，超聲波焊-鉚復合連接可以提高超聲波焊接接頭的抗剪強度和剝離強度。隨焊接時間的延長，焊-鉚接頭的抗剪強度和剝離強度均高于單一超聲波焊接的接頭強度，并呈現了先增高后降低的趨勢。在超聲時間為2.5 s時，接頭的強度最大，載荷位移也最大，相較與超聲波焊接接頭，抗剪強度和剝離強度分別提高了29.9%和39.2%。 在焊接時間為2.5 s的參數下增加焊接壓力，焊-鉚接頭的強度幾乎沒有提高。值得注意的是，從圖11，圖12發現，不同于超聲波焊接接頭的剝離載荷-位移曲線的單調增加，超聲波焊-鉚接頭的剝離載荷-位移曲線可以分為2個階段，接頭載荷隨位移單調增加到第一個峰值時突然下降，然后再次隨位移增加直至接頭徹底失效。第一個峰值載荷之前的階段為焊核失效階段，剝離載荷達到峰值后鉚釘周圍焊核斷裂，但接頭沒有徹底破壞。之后鉚釘開始起作用，剝離載荷隨著鉚釘的拔出稍有增加直至完全拔出，從而表現出較單一超聲波焊接接頭更高的接頭強度。

圖10 焊-鉚接頭的抗剪強度與剝離強度

圖11 十字拉伸接頭的剝離載荷-位移曲線

圖12 單搭拉伸接頭的剪切載荷-位移曲線

由于接頭對于剝離強度的敏感性高于抗剪強度，為了更加直觀的判斷焊接參數對超聲波焊-鉚接頭性能的影響，采用方程(2)估算了超聲波焊接接頭和超聲波焊-鉚接頭的剝離強度與抗剪強度的比值，將其定義為R：

(2)

R越大，剝離強度提高越顯著。相反，R值越小，抗剪強度的提高越顯著。2種接頭的R值如圖13所示，可以看出，采用0.38 MPa焊接壓力，2.3～2.7 s的焊接時間制備的超聲波焊-鉚復合連接的接頭不僅具有較單一超聲波焊接接頭高的抗剪強度和剝離強度，而且其R值也高于單一超聲波焊接接頭，超聲波焊接2.5 s制備的焊-鉚接頭具有最大的R值，表明超聲波焊-鉚連接對碳纖維增強PA6復合材料接頭的剝離強度的改善優于對抗剪強度的改善。但采用0.4 MPa焊接壓力，2.5 s制備的焊-鉚接頭的強度和R值均低于超聲波焊接接頭，表明過高的超聲波焊接壓力對超聲波焊-鉚復合接頭剝離強度的改善不利。綜合分析焊接參數對焊-鉚接頭抗剪強度和剝離強度的影響，超聲波焊-鉚接頭的最佳超聲波焊接參數組合為0.38 MPa焊接壓力，2.5 s焊接時間。

圖13 超聲波焊-鉚接頭在不同焊接參數下的R值

接頭吸能性是車身耐撞性能的評價指標之一。根據圖10～12的研究結果，超聲波焊接參數不僅影響焊-鉚接頭的剪切載荷和剝離載荷，而且影響2種接頭的載荷-位移曲線中的位移，表明超聲波焊-鉚復合連接可能影響焊-鉚接頭的能量吸收能力。為了分析焊-鉚工藝如何影響焊-鉚接頭的能量吸收能力，分別估計了超聲波焊-鉚接頭和單一超聲波焊接接頭的剪切載荷-位移曲線和剝離載荷-位移曲線的面積，結果如圖14所示，可以看出，在剪切載荷和剝離載荷作用下，超聲波焊-鉚接頭的能量吸收能力均優于單一超聲波焊接接頭。延長焊接時間，兩種載荷作用下的接頭能量吸收能力先增加后減小，與接頭的強度變化規律一致。增加焊接壓力，剪切作用下的接頭能量吸收能力有所減小而剝離載荷作用下的接頭的能量吸收能力有所上升，在最佳焊鉚參數下(焊接壓力0.38 MPa，焊接時間2.5 s)焊-鉚接頭的吸能性最好。

圖14 超聲波焊-鉚接頭在不同焊接參數下的吸能性

2.4 超聲波焊-鉚接頭力學性能改善機制

為確定雙凸緣釘子對2.3 mm厚30%碳纖維增強PA6復合材料超聲波焊接-鉚接復合連接的接頭力學性能的改善機理，對接頭進行了失效分析，結果如圖15所示?？梢钥闯?，焊-鉚接頭有拔出失效和板材斷裂2種失效形式，在超聲波焊接時間較短時，失效形式為拔出失效，或當超聲時間過長或者焊接壓力過大時，接頭的斷裂形式為拔出失效，板材斷裂是當接頭強度較高的情況下才會出現的斷裂機制。對拔出失效接頭的斷口進行觀察發現，鉚釘鉚入板材后，鉚釘周圍板材結合面材料在超聲波作用下依靠超聲波振動引起的分子摩擦發熱、熔化，從而在冷卻后在鉚釘周圍存在一定尺寸的焊合區，鉚釘的尾部凸緣已經斷掉。結合焊-鉚接頭拉伸時的載荷-位移曲線的對比分析，可以發現，焊-鉚接頭的失效是按照焊核斷裂-鉚釘拔出的順序失效。對比分析焊-鉚接頭的強度和焊核面積發現，接頭的強度與焊核面積存在正相關性，這表明鉚釘周圍的焊核為接頭提供了初始承載能力，焊-鉚接頭承載能力決定于焊核尺寸。鉚釘拔出后其尾部的凸緣已經斷掉說明釘子的凸緣與板材之間的機械互鎖有效地抵抗了焊核斷裂后的鉚釘拔出，從而在鉚釘周圍焊核斷裂后使焊-鉚接頭仍保持一定的承載能力，表現出較高的剝離強度和吸能效果，因此鉚釘與板材間的機械互鎖決定了焊-鉚接頭的剝離強度和吸能效果。這些結果表明，超聲波焊-鉚接頭力學性能的改善是鉚釘周圍焊核和鉚釘與板材間的機械互鎖綜合作用的結果，要想實現超聲波焊-鉚接頭力學性能，特別是剝離強度的改善，除了需要在鉚釘周圍形成較大的焊核面積外，鉚釘與焊接板材之間形成良好的機械互鎖至關重要。

圖15 焊接參數對超聲焊-鉚復合接頭失效形式的影響

3 結論

(1)超聲波焊接-鉚接復合連接過程可以分為以下5個階段：庫倫摩擦階段、鉚釘鉚入上板階段、鉚釘鉚入下板階段、鉚釘周圍焊合面熔化階段及焊合面凝固階段。所制備的焊-鉚接頭中的鉚釘溝槽有效阻止了焊合面熔化材料的溢出，促進了鉚釘與鉚接板機械互鎖的形成。鉚釘周圍的焊核尺寸隨著超聲時間的延長或者焊接壓力的增大而增大，但過長的焊接時間造成鉚釘凸緣斷裂。

(2)超聲波焊-鉚連接可以提高超聲波焊接接頭的抗剪強度、剝離強度和吸能效果，相對抗剪強度，其對剝離強度的改善效果更顯著。在最佳焊接參數下(焊接壓力0.38 MPa，焊接時間2.5 s)，焊-鉚接頭具有最高的的抗剪強度、剝離強度和吸能效果,相較與單一超聲波焊接接頭，抗剪強度、剝離強度及在剪切和剝離接頭的吸收能量分別提高了29.9%，39.2%，84.2%和244.6%。

(3)超聲波焊-鉚接頭強度的改善機制緣于鉚釘周圍形成的焊核及鉚釘與鉚接板材間的機械互鎖。鉚釘周圍的焊核為接頭提供了初始承載能力，焊核尺寸決定了焊-鉚接頭的承載能力。鉚釘與板材之間的機械互鎖有效地抵抗了焊核斷裂后鉚釘拔出，決定了焊-鉚接頭的剝離強度和吸能效果。