《Journal of Advanced Joining Processes》：Introducing a novel combined power-amplitude control method for continuous ultrasonic welding of CF/LMPAEK composites
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对高生产率、降低成本和更可持续飞机结构日益增长的需求，推动了热塑性复合材料在航空航天应用中的快速引入。其广泛应用（尤其是在单通道飞机项目中）面临的主要挑战在于满足每月高达80–100架飞机的高生产率要求。因此，快速自动化制造技术（如热成型和焊接）对于实现规模化
对高生产率、降低成本和更可持续飞机结构日益增长的需求，推动了热塑性复合材料在航空航天应用中的快速引入。其广泛应用（尤其是在单通道飞机项目中）面临的主要挑战在于满足每月高达80–100架飞机的高生产率要求。因此，快速自动化制造技术（如热成型和焊接）对于实现规模化工业化至关重要。连续超声波焊接（CUW）就是这样一种高速连接技术。然而，对于高刚度的航空级复合材料，使用当前最先进的控制方法实现均匀焊接接缝仍具挑战性。本研究通过引入一种新型组合功率-振幅控制方法，探讨了改善由单向（UD）铺层制成的CF/LMPAEK（碳纤维/低熔点聚芳醚酮）被焊件在连续超声波焊接中工艺鲁棒性和焊接质量的潜力。研究人员使用最先进的恒振幅和恒功率控制方法以及新引入的方法进行焊接，并从功率和振幅响应、加热均匀性及最终焊接质量方面进行了比较。开发并实施了一种组合模糊功率-振幅控制方法。在本研究考察的工艺条件下，所提出的控制方法减少了功率和振幅的极端波动，并改善了焊接强度和焊接均匀性。总体而言，研究结果表明，组合功率-振幅控制是改善热塑性复合材料连续超声波焊接鲁棒性和质量的一种有前景的方法。
**论文解读：CF/LMPAEK复合材料连续超声波焊接的新型组合功率-振幅控制方法**
**研究背景与存在问题**
在航空工业中，对高生产率、低成本和更可持续飞机结构的需求日益增长，推动了轻质热塑性复合材料在飞机结构中的快速引入，尤其适用于下一代单通道飞机。与热固性复合材料不同，热塑性复合材料在初始固化后可重新熔融和重塑，这种可加工性使得高速制造技术（如热成型用于零件制造，以及焊接技术用于装配）成为可能，从而提供成本效益解决方案。此外，由于可重复加工性，热塑性复合材料本质上比热固性复合材料更具可回收性。
在多种焊接技术中，连续超声波焊接（CUW）因其焊接速度突出，尤其适用于长接缝（如将加强筋焊接到蒙皮）。该工艺能效高，因为热量主要产生在焊接界面，且高速下热量散失少。然而，在连续超声波焊接中，有效控制方法的研究有限。通常采用恒振幅控制方法，但该方法在焊接由单向（UD）铺层制成的被焊件时，难以获得高质量焊接接缝，即高强度和低长度方向变异、高焊接均匀性。对于基于UD的CF/LMPAEK（碳纤维/低熔点聚芳醚酮）被焊件，焊接长度上强度的高散射以及焊接均匀性降低，表明可能需要替代控制方法。作为替代方案，恒功率控制方法被引入，但其被认为在工业应用中存在局限性，因为当工艺条件不稳定时，它可能不如恒振幅控制鲁棒。因此，本研究旨在引入一种新型组合功率-振幅控制方法，以改善焊接CF/LMPAEK被焊件（由UD铺层组成）的工艺鲁棒性和焊接质量。
**研究内容与结论**
本研究系统比较了新型组合功率-振幅控制方法与最先进的恒振幅和恒功率控制方法。研究人员基于功率和振幅响应、加热均匀性以及焊接质量（包括搭接剪切强度LSS和焊接均匀性）对这三种控制方法产生的焊接件进行了评估。结果表明，在恒振幅控制下，功率波动显著，功率谷值与欠焊区域相关。在恒功率控制下，振幅波动显著，振幅谷值和峰值分别产生欠焊和过焊区域。振幅波动对焊接强度和均匀性的不利影响大于功率波动。组合功率-振幅控制方法减少了振幅和功率的极端波动。温度测量表明，恒振幅和组合功率-振幅控制后的上表面温度均匀性相当，而恒功率控制导致更不均匀的温度分布。然而，上表面温度测量可能无法完全反映焊接界面的温度分布，因为恒振幅控制下观察到的欠焊区域比组合功率-振幅控制更多。在实施组合控制方法时观察到，对称模糊极限可能无法充分防止导致欠焊的低功率条件，因此采用了不对称极限。总体而言，组合功率-振幅控制能改善焊接强度、焊接均匀性，并减少欠焊和过焊区域，显示出提高工艺鲁棒性的潜力。
**论文发表在《Journal of Advanced Joining Processes》**
**主要关键技术方法**
研究人员使用了以下主要关键技术方法：
1. **连续超声波焊接（CUW）系统**：采用SAM XL机器人连续超声波焊接装置，包括KUKA工业机器人、自制连续超声波焊接末端执行器（EEF），配备Herrmann Ultrasonics公司的一体化超声波焊接系统（20 kHz ULTRABOND 48.20 G7数字超声波发生器、压电换能器、钢制变幅杆和钢制声极）。
2. **控制架构**：基于EtherCAT通信协议，在cRIO-9039实时控制器上运行LabVIEW实现控制。开发了三种控制方法：恒振幅控制、恒功率控制以及组合功率-振幅控制（采用模糊逻辑控制算法）。
3. **原位热成像监测**：使用FLIR A655sc热像仪对焊接后固化区域的顶部表面温度进行监测，提取声极中心后方75 mm处的温度像素数据创建热成像图。
4. **力学测试与断口分析**：从每个焊接件中提取9个单搭接剪切（SLS）试样，按照ASTM D1002标准在Zwick/Roell 250 kN万能试验机上进行测试，计算搭接剪切强度（LSS）。使用Keyence VR-5000三维显微镜进行断口显微分析，通过GIMP软件确定欠焊百分比。
**样本队列来源**：本研究中使用的CF/LMPAEK（Toray Cetex? TC1225）复合材料层压板由Toray Advanced Composites提供，为12层单向铺层[45/0/135/0/90/0/0/90/0/135/0/45]的固化层压板，以及一个24层单向铺层[45/0/135/0/90/0/90/0/135/0/45]s的一步固化参考层压板。
**研究结果**
**功率和振幅响应**：恒振幅控制下，功率波动显著，平均功率在1349–1396 W之间，功率变异系数在20.2%–22.5%之间。恒功率控制下，振幅波动显著，平均振幅在81.1%–89.8%之间，振幅变异系数在10.5%–12.0%之间。组合功率-振幅控制（对称和不对称）显著降低了功率和振幅的波动，不对称组合功率-振幅控制的平均功率变异系数为12.9%，平均振幅变异系数为4.2%，相比恒振幅控制和恒功率控制，功率波动降低约40%，振幅波动降低约65%。
**焊接强度与均匀性**：恒振幅控制焊接的平均标准化LSS为119.5%，变异系数5.0%。恒功率控制焊接的平均标准化LSS为105.2%，变异系数22.3%，表现出最高的强度变异和最低的平均强度。对称组合功率-振幅控制焊接的平均标准化LSS为124.7%。不对称组合功率-振幅控制焊接的平均标准化LSS为127.1%，变异系数4.6%，在所有控制方法中获得了最高的平均强度和最低的变异系数。与恒振幅控制相比，不对称组合功率-振幅控制的强度提高了6.4%，且经双尾Welch's t检验证明差异具有统计学显著性（p=5.88×10
-4）。与恒功率控制相比，强度提高了20.8%，变异系数从22.3%降至4.6%。
**加热均匀性（热成像）**：恒振幅控制焊接后，顶部表面平均温度94.1°C，变异系数7.9%。恒功率控制焊接后，平均温度100.8°C，变异系数16.7%，温度分布最不均匀。不对称组合功率-振幅控制焊接后，平均温度93.1°C，变异系数8.8%，与恒振幅控制相当，但显著优于恒功率控制。
**欠焊与断口分析**：恒振幅控制焊接的平均欠焊百分比为5.0%。恒功率控制焊接的平均欠焊百分比为15.7%，是所有控制方法中最高的。不对称组合功率-振幅控制焊接的平均欠焊百分比仅为1.0%，比恒振幅控制减少了约80%。断口分析显示，恒振幅控制下，功率谷值与欠焊区域对应；恒功率控制下，振幅谷值与欠焊区域对应，振幅峰值与过焊区域（孔隙、基体纤维流动）对应。组合功率-振幅控制显著减少了欠焊区域，仅观察到少量较小的欠焊区域。所有控制方法在纵向边缘附近均观察到类似的孔隙度。
**讨论与结论**
研究讨论了连续超声波焊接过程中加热阶段对边界条件（如工装、夹持、材料刚度、局部材料状态）的高度敏感性，这些因素影响振动传输和能量耗散。恒振幅控制下功率波动的原因被认为是边界条件变化，导致机械阻抗改变。恒功率控制下振幅波动对焊接质量的影响更大，因为粘弹性加热率与应变平方成正比，且需最小振幅才能有效传递能量。组合功率-振幅控制通过同时控制两个参数并最小化其波动，实现了更均匀的加热和更高的焊接质量。不对称模糊极限的引入进一步减少了低功率条件导致的欠焊。研究还指出，测得的顶部表面温度可能无法完全反映焊接界面温度，因为恒振幅控制下存在未在表面温度中体现的局部欠焊区域，而组合控制通过动态调整参数缓解了这些局部缺陷。
结论部分翻译如下：
本研究通过引入一种新型组合功率-振幅控制方法，考察了改善由单向铺层制成的CF/LMPAEK被焊件在连续超声波焊接中工艺鲁棒性和焊接质量的潜力。在本研究考察条件下获得的结果表明，相对于传统的恒振幅焊接和较新引入的恒功率控制方法，该控制方法改善了焊接质量，产生了更高的平均搭接剪切强度、更低的离散性、更少的欠焊区域以及更均匀的焊接件。这些结论得到以下关键发现的支持：
• 在恒振幅控制下，观察到显著的功率波动，功率谷值与欠焊区域相关。在本研究中，未发现功率峰值与过热的持续一致性证据。
• 在恒功率控制下，振幅波动显著，振幅谷值和峰值分别产生欠焊和过焊区域。
• 在本研究考察的控制条件下，振幅波动对焊接强度和焊接均匀性的不利影响大于功率波动。
• 组合功率-振幅控制方法减少了振幅和功率的极端波动。
• 温度测量表明，恒振幅控制和组合功率-振幅控制在固化后产生相当的顶部表面温度均匀性，而恒功率控制导致更不均匀的温度分布。然而，顶部表面温度测量可能无法完全反映焊接界面的温度分布，证据是恒振幅控制下观察到的欠焊区域多于组合功率-振幅控制。
• 在实施组合控制方法过程中的观察表明，对称模糊极限可能不足以充分防止可能导致欠焊的低功率条件，从而推动了不对称极限的使用。
总体而言，这些发现表明，组合功率-振幅控制是热塑性复合材料连续超声波焊接的一种有前景的方法。在本研究考察的工艺条件下，该方法改善了焊接强度、焊接均匀性，并减少了欠焊和过焊区域。这些结果证明了该控制策略在提高工艺鲁棒性方面的潜力。评估参数在不同材料和构型间的可转移性是该方法更广泛应用的重要下一步。此外，测量到的顶部表面温度与焊接界面实际热条件之间的关系需要进一步研究。对控制参数的进一步优化可能带来额外改进，并增强该方法在高性能复合材料连接应用中的适用性。
