《Composite Structures》：Comparison of welding techniques for carbon fibre-reinforced PEKK composite
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本文为解决热塑性复合材料高效可靠连接难题，研究人员对比了超声焊接(USW)、感应焊接(IW)和激光导流焊接(LCW)三种融合焊接技术连接碳纤维增强聚醚酮酮(CF/PEKK)单搭接接头的性能。研究发现，感应与超声焊接获得相近的剪切强度(约23MPa)，激光焊接强度最低(17MPa)，三者均低于共固结基准(33MPa)。研究揭示了焊缝线厚度和界面结晶度是影响接头强度的关键因素，为航空航天领域CF/PEKK结构的焊接工艺选择和优化提供了重要依据。
在商用航空领域，追求轻量化以提升燃油效率和减少碳足迹是永恒的主题。碳纤维增强聚合物(CFRP)复合材料凭借其优异的比强度和抗疲劳性能，正日益广泛地应用于飞机结构。然而，制约其大规模应用的一个关键瓶颈在于连接技术。传统的机械紧固（如铆接、螺栓连接）需要在结构上钻孔，这会引入应力集中点，降低连接效率，并增加额外重量。而胶接技术则面临表面处理一致性、环境老化以及化学相容性选择复杂等挑战。对于热塑性复合材料而言，其基体材料可反复熔融重塑的特性，为采用焊接这类熔合连接技术提供了可能，有望克服传统连接方法的缺点，实现高强度、可靠且成本效益更优的连接。
为此，一组研究人员在《Composite Structures》期刊上发表了一项研究，系统地比较了超声焊接(USW)、感应焊接(IW)和激光导流焊接(LCW)三种技术用于连接碳纤维增强聚醚酮酮(CF/PEKK)复合材料的性能。研究以共固结接头作为性能基准，旨在评估这些焊接技术的潜力，并深入探究其背后的失效机理与性能关联因素。
研究人员主要采用了以下关键技术方法：首先，使用预浸料通过标准热压罐工艺制造CF/PEKK层压板，并加工成单搭接接头(SLJ)试样。对于感应焊接，使用机器人操作的感应线圈在优化参数（电流475A，移动速度50mm/min）下加热接头界面至370°C；对于超声焊接，使用配备钛质焊头的超声焊机，并采用聚醚酰亚胺(PEI)薄膜作为能量导向器；对于激光导流焊接，由于CF/PEKK对激光透明，采用了铝箔作为吸热体，激光束扫描铝箔暴露区域以传导热量熔化聚合物。所有焊接接头及共固结基准接头均按照ASTM D5868标准进行准静态拉伸测试，以获取剪切强度(LSS)。同时，利用二维数字图像相关(DIC)技术分析接头在加载过程中的变形与应变演化。此外，还通过差示扫描量热法(DSC)测量了焊接界面区域的结晶度，并通过光学显微镜和断口形貌观察分析了焊缝微观结构和失效模式。
3.1. 视觉检查与光学显微镜
通过光学显微镜检查焊缝横截面发现，感应焊接接头在一端存在约5mm的未焊接区域，这归因于感应线圈宽度小于搭接长度。超声焊接接头显示出均匀的、约150μm厚的焊缝线。激光导流焊接接头由于使用了500μm铝箔和两层125μm PEI薄膜，焊缝线厚度最大（700-800μm），且存在厚度不均的情况，这可能影响了接头性能。
3.2. 接头强度与损伤机理
力学测试结果表明，共固结接头获得了最高的平均剪切强度(LSS)，为33MPa。感应焊接和超声焊接接头的平均LSS相近，分别为23.6MPa和22.8MPa。激光导流焊接接头的平均LSS最低，为17MPa。DIC分析显示，接头的LSS与搭接区旋转角度及焊缝线厚度密切相关。焊缝线越厚，载荷偏心效应越大，导致搭接区旋转角度增加，从而产生更高的剥离应力，降低接头强度。激光焊接接头因其最厚的焊缝线而表现出最大的旋转角度。应变演化分析进一步揭示了不同焊接技术的失效模式差异：感应焊接接头主要表现为剪切主导的失效，而超声焊接和激光焊接接头则显示出更高的剥离应变成分，表明其失效模式更偏向于剥离主导。
3.3. 结晶度
DSC分析表明，焊接界面区域的结晶度对接头强度有显著影响。共固结接头界面结晶度最高，约为31%。感应焊接、超声焊接和激光导流焊接接头界面的结晶度分别为24%、20%和14%。结晶度的高低与焊接后的冷却速率有关：感应焊接采用受控冷却（10°C/min），结晶度较高；而超声和激光焊接在环境温度下快速冷却，结晶度较低。此外，超声和激光焊接中使用的PEI薄膜与PEKK的共混也可能延缓结晶动力学。研究数据表明，界面结晶度与接头LSS呈正相关趋势。
3.4. 断口形貌分析
断口观察提供了失效模式的直观证据。感应焊接接头断口表面均匀，显示出明显的“应力发白”区和塑性流动痕迹，表明焊接界面强度高于首层纤维界面，失效伴随纤维断裂。超声焊接接头断口显示超过80%的区域已焊合，PEI树脂被挤出，但也存在未熔化的PEI区域，表明工艺有优化空间。激光焊接接头断口显示铝箔上附着有碳纤维，界面存在因过热导致聚合物分解而产生的气孔缺陷，这与其较低的强度表现一致。共固结接头断口显示出大范围的“应力发白”、分层和纤维断裂，表明失效前发生了广泛的损伤积累。
结论与讨论
本研究通过系统的实验对比，揭示了超声、感应和激光导流焊接CF/PEKK复合材料的性能差异及其内在机理。主要结论如下：在研究的三种焊接工艺中，感应焊接和超声焊接能获得相近的剪切强度性能（约23MPa），而激光导流焊接的强度最低（17MPa）。所有焊接接头的强度均显著低于共固结基准。
接头性能受到焊缝线厚度和界面结晶度的共同影响。较厚的焊缝线（如激光焊接）会加剧载荷偏心，导致更高的剥离应力和更低的强度。同时，焊接界面的结晶度与接头强度正相关。感应焊接由于可控的冷却过程获得了相对较高的结晶度，而超声和激光焊接的快速冷却及PEI的添加导致了较低的结晶度。
断口分析表明，感应焊接界面质量较好，而超声和激光焊接存在未焊合区域或工艺缺陷，说明其工艺参数仍有优化潜力以提升焊接质量和强度。
这项研究证实了焊接技术（尤其是感应和超声焊接）用于连接高性能CF/PEKK热塑性复合材料的潜力，为航空航天结构件的连接提供了有前景的解决方案。同时，研究明确指出，通过优化焊接参数（如确保完全焊合、控制冷却速率以提高结晶度、减少焊缝线厚度）有望进一步提升焊接接头的力学性能。未来的研究可以扩展到其他载荷条件（如疲劳、冲击）、环境老化以及更复杂的接头形式，以推动焊接技术在热塑性复合材料结构中的规模化应用。
