背景
纤维增强聚合物基复合材料(fiber-reinforced polymeric composite, FRPC)以其优良的比强度、比刚度以及可设计性迅速发展为最具吸引力的新兴轻质材料之一，在航空航天、交通运输等众多领域作为结构件或功能件逐步取代传统的金属材料使用。随着FRPC应用范围的扩大，其复杂构件的高效连接成形技术愈加重要。机械连接、胶黏剂胶接是目前应用最广泛的两种连接技术。然而，胶接技术存在胶黏剂固化时间长、胶接头不可拆等缺点；机械紧固技术钻孔过程破坏了FRPC本体强度，螺栓和铆钉的使用额外增加了结构件的质量，不符合轻量化的目的。
熔融连接(焊接)是一种新兴的FRPC连接方法，根据加热方式可分为热焊接、电磁焊和摩擦焊等。热焊接技术依赖于外部热源，将热源直接照射或接触待焊接表面以软化和熔化聚合物；之后移除热源，使两块母材待焊接表面相互接触并在压力作用下分子链迁移扩散，冷却固结形成连接结构。电磁焊包括感应植入焊接和电阻植入焊接两种形式，是在电场或高频磁场作用下两块FRPC母材焊接区域嵌入的导电或磁性材料植入物发热而使聚合物熔化实现连接的一种技术；该技术的缺点是必须在结合界面植入异质材料。摩擦焊是通过运动部件与静止部件之间的机械摩擦在界面处产生热量使聚合物熔融，具有焊接速度快、接头强度高等突出优点；依据振动源的不同可分为超声波焊接、搅拌摩擦焊和振动焊等。
超声波焊接(USW)利用高频振动波使两个搭接的待焊接表面相互摩擦产生热量熔化热塑性树脂进而形成焊缝；该技术具有成本低、效率高、稳定性强、不会损伤非焊接区域、高效无污染、适合批量操作和工艺自动化等优点，已被广泛的应用塑胶制品之间、塑胶制品与金属配件之间及其它非塑胶材料之间的连接。
热塑性复合材料的超声波焊接技术
超声焊接热塑性复合材料本质是聚合物-聚合物界面愈合。超声波焊接过程分为五个阶段：(1)部件的机械振动；(2)导能筋的黏弹性升温；(3)热传递；(4)流动和侵润；(5)分子链扩散。整个焊接过程焊件位移随着界面的移动逐渐增大。根据分子链的行为将超声波焊接概括为分子链的运动-扩散模型；当温度高于玻璃化转变温度(Tg)时，分子链松弛并由于摩擦升温导致运动能力增强;当温度达到熔点(Tm)时，分子链整体运动并能够在焊接界面上相互迁移扩散。
图1 超声波焊接聚合物基复合材料界面演变过程
热固性复合材料的超声波焊接技术
TSC由于基体树脂为不溶不熔的三维网络结构，不能满足使用USW技术连接的要求。然而，对TSC表面进行热塑化处理后，便可以采用与TPC相同的USW工艺进行TSC或TSC-TPC异种复合材料结构的连接。TSC表面塑化通常采用与纯热塑性树脂薄膜或预浸料作为热塑化改性层，与铺放在TSC预浸料堆的上或下表面，固化后获得表面具有热塑化层的TSC；热塑化层树脂与TSC基体树脂间具有良好相容性，熔点或玻璃化转变温度应高于TSC基体树脂的最高固化温度，避免加压固化过程中塑化层软化或熔化。USW焊接过程中，TSC搭接区域嵌入热塑性薄膜充当ED并提供足够的黏结剂；TSC表面未经塑化，直接嵌入热塑性薄膜焊接TSC，往往无法获得足够强度的USW接头。
复合材料连续超声波焊接技术
为了解决了大尺寸FRPC样件高效USW连接问题，超声辊压连续焊、顺序超声波点焊以及超声波连续焊接技术等具有自动控制功能的连续焊接技术及设备陆续被开发出来。连续超声辊压焊接是将待焊材料放置于声极和压辊之间，随着压辊旋转进入待焊区域，在压力和超声波作用下实现熔融连接。顺序超声波点焊(sequential USW)是通过移动声极对焊件相邻点依次进行超声焊接，直到整个界面实现熔合。不同于顺序USW点焊的形成的间断焊缝，超声波连续焊接技术的声极在焊接方向连续移动并持续施加超声进而形成连续焊缝。
复合材料超声波焊接技术在航空领域应用
USW焊接成形的多种类型航空复合材料零部件已进行了装机验证，并获得工程应用。利用USW实现了复合材料加强筋与蒙皮的连接(图2（a）)；在CF/PEKK复合材料试验机机身的面板上焊接了两对组件(图2（b）)，即采用超声点焊技术将铰链部件连接在C形框架上(图2（c）)以及顺序超声波点焊技术将CF/PEKK夹焊接到C形框架上(图2（d）)。采用USW可将CF/PEKK夹子焊接到翼肋上(图2（e）)，并通过顺序超声波点焊将CF/PEKK机身框架连接到CF/PEKK正交网格面板上(图2（f）)。此外，A380 固定机翼前缘热塑性复合材料蒙皮的铺设也是采用超声点焊进行定位连接。在汽车领域，随着热塑性材料越来越多地替代金属材料，USW被应用于车身上的方向盘、车门、外饰等塑料部件的制造和连接。名古屋大学国立复合材料研究中心通过充分利用CFRTP材料的可焊接优势，加热熔融连接，成功生产了全部由CFRTP材料制成的汽车底盘 (图2（g），（h）)。
图2 超声波焊接在航空和汽车领域的应用
展望
FRPC作为工程结构材料已经被众多行业视为实现装备轻量化的重要技术途径，尤其是航空航天领域，结构减重对于提高飞行器效能至关重要。为了提高FRPC复杂结构的生产效率，降低制造能耗及成本，激发了FRPC结构USW接技术的快速发展。尽管目前USW技术能够进行TPC、TSC以及TPC-TSC异质结构的焊接，取得了重要研究进展；然而，USW过程涉及材料、工艺、设备、控制等众多问题，未来的研究应聚焦以下方面：
(1) 输入能量、超声振幅/频率、焊接时间/压力等工艺参数是影响USW接头质量的关键因素，目前研究主要讨论单变量对接头力学强度的影响规律；实际上，各因素相互关联、发挥耦合效应，基于人工神经网络、深度学习等新技术剖析各项工艺参数对焊接过程界面行为的综合影响、寻找最优USW工艺是重要的研究方向之一。
(2) 随着工业自动化的发展和航空生产制造的需要，国外研究者将研究焦点转移到连续USW技术，关于连续USW的新型焊接机制及自动化工艺将成为研究热点。另外，国外已完成了FRFC航空构件USW技术的工程验证，而我国FRFC的USW技术研究尚处于起步阶段。因此，系统开展连续USW工艺研究、相关设备开发、工程应用验证将是我国复合材料领域亟待攻克的关键技术难题。
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