电阻焊接技术在复合材料领域应用进展

窦恺

摘要：电阻焊是利用电极给组合焊接件提供压力，电流在焊接件间接触点机附近形成电阻热，从而实现焊件焊接的技术方法。经过长时间的发展，电阻焊技术已经趋于成熟，具有焊接效率高、成本低、焊点质量高等优点。易于实现机械化和自动化焊接。同时，焊接材料也更加广泛，它可以适用于钢、铝、铜、合金等各种材料。随着航空航天、汽车、机械加工和电子工业的快速发展，电阻焊在工业领域的应用越来越广泛，受重视的程度也在不断提高。但是电阻焊的焊接过程复杂，易受外界影响，因此在电阻焊的应用中，有必要对焊接质量和焊接参数进行探讨。。基于此，本篇文章对电阻焊接技术在复合材料领域应用进展进行研究，以供参考。

关键词：电阻焊接技术；复合材料领域；应用进展

引言

航空航天等重大工程领域对结构轻量化和多功能化提出了迫切需求，夹芯结构具有轻质高强和隔热吸波等多功能设计优势，采用纤维增强树脂基复合材料（以下简称复合材料）制备成型的夹芯结构表现出更加明显的力学和多功能优势，在现代国防与工业高端装备中展现出广阔的应用前景。与热固性复合材料相比，热塑性树脂表面能较低，胶粘连接对热塑性复合材料夹芯结构面芯界面强度提升有限。基于此，本文探究电阻焊接技术在复合材料领域应用进展。

1研究背景

随着全球气候变暖与能源危机等问题的日益加剧，节能减排成为工业生产与日常生活的客观要求，而实现运输工具的轻量化则成为其关键．在航空航天与汽车制造等行业中，在保证可靠性与效率的同时尽可能实现轻量化是其在生产活动中不懈追求的目标，而轻质材料与结构、先进连接方法是实现这一目标的可靠途径．采用先进连接方法实现复合材料和金属材料的连接，形成复合结构则成为实现轻量化且保证接头强度的有效方法．碳纤维增强热塑性复合材料由于具有高强度、优越的抗疲劳性、优异的震荡衰减特性、耐腐蚀、抗蠕变等一系列优点，成为能够应用于结构件中的一种新兴轻量化材料，目前已逐步应用于车辆底盘、车身或飞机机身、方向舵等构件中．其在航空航天、汽车制造等领域的大量应用，将对实现节能减排、缓解气候与能源危机具有重大意义．电阻单元焊最早是一种用于铝合金与高强钢连接的焊接方法，其主要原理为在两待焊板材中的上板焊接区预先钻一通孔，随后将与下板材质相容性较好的材料制成的铆钉插入孔中，在铆钉上进行电阻点焊，利用铆钉与下板的焊接实现两板材之间的可靠连接．对铝合金与硼钢的电阻焊技术进行研究发现传统电阻点焊几乎无法实现两材料的连接，而利用电阻单元焊技术获得了可靠的接头，接头强度达７．１４２ｋＮ，同时塑性优良．通过电阻单元焊技术，并通过沉头铆钉与沉头孔的配合连接铝合金与钢，发现在焊接电流为１８ｋＡ时，接头拉剪力高达５．１７２ｋＮ，且失效模式为熔核拔出失效．电阻单元焊技术可以将异种材料的连接转化为同质材料的连接，从而利用冶金结合提高接头强度，而目前利用电阻单元焊技术对金属与非金属材料的研究十分有限．孪晶诱导塑性钢作为一种典型的高强钢，已在车辆底盘、车身以及减震器支座等结构中实现了应用，

2焊接参数对焊接质量影响分析

现阶段，电阻焊接在工业领域得到广泛应用，但在实际应用中仍然存在问题。电阻焊接工艺涉及电、热、力和冶金等。这是一个相对复杂的过程，电动机压力、电流强度、电流作用时间、零件材料和厚度可能会影响焊接过程中的焊接质量。需要进一步研究这些参数与焊缝质量之间的定量关系。现阶段主要采用数值模拟分析、试验等分析影响电阻熔接的品质参数，并透过研究诸如熔接电流、熔核形成、电机压力等参数研究，提供在熔接过程中建立熔接参数的建议。由于在连续高导材料中使用电阻熔接，因此需要进一步细化电阻熔接参数，以提高熔接质量和效率，同时降低熔接成本。数值模拟技术具有成本低、效率高的优点，广泛应用于电阻焊接质量。此时，大多数数字仿真软件都是基于有限元构建的，因此很难在仿真过程中考虑所有类型的焊接相关参数。为此目的，Mohsen提出了一种热电联产-水-金属耦合模型，以便更好地解释电阻焊接过程中金属与物理(热和电)之间的关系。构建模拟模型后，可以使用SYSWELD软件模拟焊接过程，同时考虑电流强度、电极电压、电极半径、焊缝厚度等参数的影响。，在焊缝热区、电流强度和熔体体积上。研究结果表明，当焊接电流为6-10ka时，电流强度在焊接质量中起着重要作用。热区半径、熔体体积等。随着焊接时间的增加而增加，但熔胶区域的体积随电极半径的增加而减少。

3复合材料连接技术的发展

3.1机械连接对

20世纪60年代，美国航天局开始研究机械连接。机械装配包括螺栓和铆钉装配，但无论采用何种连接方式，都可能导致纤维断裂、应力集中和局部力减小，但机械装配容易拆卸、可重复装配、可靠性高、技术应用广泛且适合装配。

3.2焊接(welding)

复合材料的焊接方法包括激光焊接、感应焊接、超声波焊接和电阻焊接。(1)激光焊接适用于复杂部件，分为激光穿透焊接和激光直接连接两种技术。激光穿透焊接适用于透明树脂与不透明树脂、碳纤维强化热塑性树脂和金属材料的连接。激光直接焊接类似于电阻焊接，因为激光在材料表面产生热量，导致界面融合。(2)感应焊接界面要求安装焊接成本高、界面温度分布不均的电磁传感器，影响了植入体的超声波焊接强度。( 3)超声波焊接操作简单，时间短，不需要做复杂的表面处理，但导能筋的选择和制作困难。(4)电阻焊接工艺简单，成本低廉，技术比较成熟，在许多方面取代了机械连接和橡胶连接，在复合材料领域前景广阔。

4电阻焊接分析

4.1实验部分

复合材料层板的电阻焊接是使用自行研制的热塑性复合材料焊接设备(CAUC-CW100)进行的。焊接电源可提供受控细密的恒流，最大输出电流为60A，最大输出电压为30v；焊接表面用玻璃纸涂布，用酒精清洗，确保焊接表面不受污染，焊接工艺在室温(室温25℃，湿度50%)下进行。为了将电流引入混纺织物电阻元件，采用铜件混纺织物电阻元件，用可调力大小的电筒施加压力，混纺织物长度为20mm，最大接触电阻约为总电阻的2%焊接过程中，电子压力缸和压力传感器可进行实时压力监测；焊接件的表面温度采用红色外部温度传感器OMEGAOS136，并将k-burrow型热电偶安装在焊接中进行实时温度监控。

4.2结果与讨论

焊接过程中，实时监测焊接接头界面温度，研究CF/PPS复合材料层电阻焊接界面的融合方式。使用三对热电偶(k型，φ0.07mm)测量焊接界面中部和两侧的温度，

图1CF/PPS层板电阻焊接过程

如图1a所示，在每对热电偶和每一个CF/PPS混合织物加热元件之间放置一个小的UPILEX薄膜(约3 mm x 3 mm)，以防止对焊接电流产生任何影响。测试结果表明，焊缝两侧的温度始终高于中间区域3 ~ 5c，如图1b所示，主要原因是边缘电流泄漏和法兰与试样之间区域内CF/PPS混合织物电阻元件的热扩散，从而导致 然后在焊接区域中间继续，最后合并延伸到两侧以合并整个焊接界面，如图1c所示。 此合并模式可能会导致熔接区域两侧过热并扭曲熔接接合几何图形。CF/PPS复合材料板焊接接头的合并程度和几何形状取决于焊接参数控制。一般而言，输入功率越低，所需的熔接时间越长，热散布就越充足，并且熔接接合越容易变形。因此，防止焊接结构焊接部分局部过热是焊接过程中的关键控制因素。

结束语

总而言之，1) 对于复合层，建议使用混合织物进行电阻焊接的最佳工艺窗口。(2)电阻焊接已被证明是最有希望的熔焊方法之一。它比传统连接技术和其他熔胶焊接方法具有许多优势，使其对复合零件的连接非常有吸引力。电阻焊接技术可以扩展到商业和工业中任何类型的热塑性复合材料的连接。

参考文献

[1]路鹏程,李志歆,王志平,邱运朋.CF/PPS复合材料层板电阻焊接研究[J].塑料工业,2020,49(01):60-64+88.

[2]赵普.热塑性航空复合材料电阻焊接界面增强设计及机理[D].沈阳航空航天大学,2020.000048.

[3]曲长明.C/C复合材料-T2紫铜的高效电阻钎焊工艺研究[D].哈尔滨工业大学,.2018.001352.

[4]王宏洋.CF/PPS复合材料的碳纤维电阻热连接技术研究[D].中国民航大学,2018.

[5]刘洪波,迪力穆拉提·阿卜力孜,吴旺青,谢磊,段玉岗,李涤尘.聚合物基复合材料电阻焊接技术研究进展[J].玻璃钢/复合材料,2018(01):97-102.