短切纤维对复合材料焊接强度的增强作用

王世坤

摘要：为证实短切纤维在复合材料的焊缝中的强化效果，采用了三种不同的方法，即：芳纶纤维、玻璃纤维和碳纤维，采用了电阻焊的方式，并以不锈钢丝为加热主体，将其与金属纤维进行了焊接。通过对接头断裂情况的研究，证实了短切纤维对复合材料接头的强化效果。结果表明：在不同的工艺条件下，两种材料之间的界面连接强度不断提高，界面上的裂纹形态呈现出一定的规律；

关键字：短切丝；阻焊； Polyethylamide；单搭接剪切测试；破坏方式

前言

随着材料科学的发展，复合材料技术日趋完善，在航空航天等领域展现出广阔的发展空间，尤其是在制造结构件等领域。目前，在航空航天领域，使用热塑性复合材料来制造航空航天的构件已经是很常见的一种方法，因为它耐腐蚀，耐损伤，而且其物理性质远超于金属材料。但是随着结构件的尺寸越来越大，对焊接技术的要求也越来越高。

与其它的焊接方法比较起来，电阻焊具有所需的装备相对较少、焊接方法比较灵活、焊接费用低廉等优点，在焊后不会对其进行二次处理，因此可以实现大面积的焊接，而且在焊接过程中也不会经常地对其进行运动，因此，它正在逐步地被各个国家所使用。在1987年的第一次使用中，采用了电阻焊技术，并显示出较高的加工效率，可以满足不同种类的碳纤、玻纤等复合材料的需要。为了更好地改善焊缝的质量和改善焊缝的力学性质，世界上许多国家都在进行着大量的试验和研究。美国的杜贝等人对不锈钢丝网状结构进行了热效应研究。经过大量的实验和理论分析，得出了复合材料电阻焊接中最主要的破坏方式是层间破坏。因此，目前国际上对复合材料的连接技术进行了研究，并提出了提高连接质量和连接性能的重要方法。

在此基础上，国内外众多研究人员在此基础上探索提高焊缝质量的途径，并取得了一系列优异的研究结果，然而，在此基础上，利用薄膜中间层的强度补偿提高焊缝质量的研究尚未见报道。针对这一不足，本项目拟采用 PEI对不同类型的复合材料进行改性，制备不同类型的复合膜，提高其与基体的结合强度，并从细观角度对其进行检验。

1实验对象和实验方法

1.1供试物质

实验用到了玻璃纤维，玻璃纤维，玻璃纤维，芳纶纤维，碳纤维，聚醚酰亚胺，不锈钢网等。

1.2实验步骤

要想制造出一块复合材料板，需要将聚醚酰亚胺溶解在树脂溶液中，采用浸润法作为有机物质，经过热压装置，可以获得厚度为2 mm的平板，之后，从树脂溶液中可以形成聚醚酰亚胺薄膜，在这一过程中，一些薄膜使用了短切玻璃纤维、短切芳纶纤维、短切碳纤维来对它们进行加强，从而获得了厚度为0.2 mm的薄膜，薄膜中的纤维含量为1%。

焊接过程：将聚醚酰亚胺膜或加强膜贴在不锈钢网的两边，形成加热体，然后将加热体放入由两片玻璃纤维组成的接头中，通过压力机施加接头0.2 MPa的压力，使得钢板和加热体紧密结合。实验中选用20 V供电的焊机，12 A的焊机，焊时最快30秒，最大180秒，每一次焊时都增大30秒[1]。在焊接过程中，为了减少焊接热量对焊接边缘造成的伤害，在测试过程中，必须使用一种能够对焊接温度进行实时检测的装置，因此，在测试过程中，我们选用了一种 K型热电偶来进行温度检测。

1.3特征和检验

采用的是单臂梁试验法，对焊接后的短切玻璃纤维聚醚酰亚胺复合板的力学性能进行了检测，将焊接后的短切玻璃纤维聚醚酰亚胺复合板做成25 mm×6 mm×2 mm的试样，装夹在拉伸试验机中，在加热速度为5℃/min的条件下，进行拉伸试验，对其焊接接头的强度进行了检测，并以5 mm/min的速率进行了检测。在拉伸过程中，通过对拉伸过程中样品断裂过程中的各项参数进行全面的测量，并通过显微镜对样品断裂过程中的微观形貌进行观测。试验中采用了单边搭接剪切法，以10 mm/分钟的速度对焊缝进行了剪裁，并将所有的数据都记录下来。

2实验的结论和探讨

2.1焊接方法和连接点的力学性能

在该组合电阻焊的工艺中，在该组合电阻焊的中心处，黑网的中间是一张不锈钢网，而该不锈钢网的上部和下部则是一张粘合的树脂膜。结果表明，在175℃左右，树脂的机械性质发生了显著的变化，200℃左右，树脂发生了玻璃化转化。在使用电阻焊的时候，短切玻璃纤维聚醚酰亚胺的焊接热力学性质需要从15 s升到200℃，从40 s升到350℃，以温度曲线为依据，将焊接时间设置为30 s。在不同的焊接时间长度下，短切玻璃纤维聚醚酰亚胺的接头强度随着时间的增加，表现出了先增加后降低的变化趋势。当时间为150 s时，接头强度最大，而当时间为180 s时，接头强度出现了下降，这是因为过长的焊接时间造成了焊缝损伤，从而使接头强度降低。

2.2异种纤维在异质结界中的强化效应及其机制

PEEK膜具有平滑的表面，在添加短切丝后，其纤维结构在膜内呈随机分布。添加纤维结构后，玻璃钢短切层的抗拉强度显著提高，有利于增强焊缝机械性能，而芳纶钢纤维聚醚酰亚酰亚胺薄层比玻璃钢短切层的低，其中碳钢短切层最优

[2]。把这3种薄膜单独进行焊接实验，发现它们的增强效果是不同的，在添加了纤维结构之后，它们的连接强度得到了显著的提升，其中，短切碳纤维聚醚酰亚胺的连接强度大大超过了其它两种复合材料，它的连接强度为35.97 MPa，而纤维结构则对连接的连接具有29.6%的增强效应，这也说明了纤维结构对于连接界面具有增强效应。

结果表明，在短时间内，在树脂未到达熔化之前，无论是树脂还是光纤都不能穿透不锈钢网片，因此其对不锈钢网片的强度影响很小；在150秒内，树脂和纤维能够与网状结构相结合，形成良好的焊缝强化效果，并与网状结构相结合，形成良好的焊缝强化效果。

2.3接触面的破坏方式和破坏机制

焊接界面的失效是因为不锈钢网和树脂的相互影响而造成的，它的失效方式依赖于树脂的熔化程度，在焊接的时间不同的情况下，它的破坏方式也有差异：①在低于60 s的情况下，树脂不能完全到达熔化状态，并且它与不锈钢网的结合不够好，界面的强度很低，因此，它的失效方式是层间失效。②在60-120秒范围内，在60-120秒范围内，随著时间的增加，树脂的熔化程度愈好，与不锈钢网片的粘合愈好，但是，由于焊口的温度比焊口的中间高，焊口的强度比焊口的中间高，此时，焊口的破坏形态以直线撕裂为主[3]；③在120-150秒范围内，随着焊接时间的增加，树脂在熔化过程中会更加完全，与不锈钢网片的粘合程度也会更好，两者的粘合程度会更好，从而获得最大的强度和最好的连接品质，破坏形式也会变成同步撕开；④在超过150秒的情况下，随着焊接时间的不断增加，会造成焊口的高温，使金属产生劣化，从而使金属的力学性能急剧降低，破坏形态向环状破坏转化。

3结论

结果表明，短切丝对复合材料的可焊性有显著提高，可使接头的强度提高30%左右。对焊接接头进行了机械性能测试，结果表明：在焊接接头中，短切丝和不锈钢网片发挥了一定的协同效应，使其在微观上和宏观上都得到了一定程度的提高，使其承载性能得到了显著提高。随焊时间延长，其熔化形态达到最佳，且与短切纤维聚醚与不锈钢网片的粘结性增强，其破坏模式从层内破坏向同步破坏转化，但延长焊后，其力学性能下降，其主要原因是焊口高温导致的变形。

参考文献

[1]钟翔屿，张代军，包建文，等．热塑性树脂含量对CCF800H碳纤维 环氧复合材料Ⅰ型层间断裂韧度的影响[J]．材 料 工 程，2017，45（8）：55-61．

[2]郭青，李瑞琦，陈征，等．导电聚合物复合材料的产热特性及电阻 焊接工艺[J]．焊接学报，2013，34（5）：79-82.