«——【·摘要·】——»
对于碳纤维增强塑料的超声波焊接，通常在它们之间插入一种称为能量导向器的尖锐形状树脂。在这项研究中，使用二维模型对CFRP的超声波焊接进行了有限元分析。
讨论了ED形状对温度升高、变形历史和耗散能量行为的影响。考虑扁平和三角形ED形状。从结果来看，三角ED比扁平ED更容易提高温度，三角ED消耗的能量和时间比扁平ED少。
在三角ED中，温度分布显着，即在某一点有很高的温度，而在另一些点有非常低的温度，可能会发生意想不到的化学反应，例如氧化。这项研究得出的结论是，三角ED并不总是比平坦ED更好。
无论如何，发现温度突然升高是由协同效应引起的。也就是说，温度的升高使粘弹性和摩擦耗散能量显著，耗散能量的增加使温度升高。
«——【·简介·】——»
碳纤维增强塑料因其优异的比强度和刚度而广泛用于航空航天工业，CFRP有望广泛应用于包括汽车行业在内的广泛领域。迄今为止，大多数CFRP都是使用热固性树脂复合材料成型的。
但是由于其成型性和生产率，使用热塑性复合材料代替热固性树脂复合材料正在加速使用.热塑性复合材料具有优异的抗冲击性和可回收性以及较短的处理时间.
鉴于热塑性树脂的特性，可以进行焊接接头，并且没有螺栓或铆钉的连接组件可以减轻重量并集中应力。超声波焊接是一种焊接方法.超声波焊接利用焊接界面传递振动能量时产生的热量来熔化和焊接树脂.
由于热塑性塑料可以快速有效地焊接，并且具有高能效，因此它们有望在未来用于连接飞机等大型部件.在超声波焊接中，通常通过在界面处插入树脂突起来熔化.这个突起被称为能量导向器.由于ED是熔化的起点，因此当在界面中引入时，它们可实现高度可重复的焊接。
许多研究都讨论了EDs.王涛等报道，当在界面中插入扁平ED时，与未插入ED的情况相比，未熔化区域的范围和裂纹数量显着减少，Levy等人报告说，扁平ED的边缘导致焊缝界面打滑并因摩擦而发热。
在另一篇论文中，据报道，当引入三角形ED时，应力集中在尖端，并且由于粘弹性能量耗散引起的热量产生成为主导，据报道，树脂熔化的起点和焊接时间因ED的形状而异。
在开发二维超声焊接模型，讨论不同ED形状和压力对ED温升行为的影响。考虑了两种类型的ED形状，扁平和三角形。使用有限元方法进行分析，并通过在复合材料顶部反复施加振荡应力来表示超声波振动。
在此分析中，实际振动频率约为 20 kHz，设置为 10 Hz 以降低计算成本。为了避免振动能量低于实际值，在本分析中将ED的比热和密度设置为低于实际值，以增加产生的热量。
为简单起见，树脂的非弹性行为被建模为线性粘弹性，而不考虑塑性。粘弹性引起的能量耗散是指施加外力时损失的能量而没有被储存。我们还在粘弹性行为中引入了阿伦尼乌斯型时间-温度叠加原理。
随着ED温度的升高，粘弹性行为变得更加明显，耗散的能量增加，从而导致温度进一步升高。在结果和讨论部分，我们首先比较了不同ED几何形状的变形随时间的变化，计算了发热和耗能，并定性讨论了它们的速率，计算了ED在发热过程中的温度分布，并比较了ED形状之间的差异。
«——【·分析方法·】——»
数值分析中使用通用有限元分析代码ABAQUS 2018。复合材料呈方形，一侧长度为1毫米。ED是矩形和三角形。为复合材料和 ED 设置的材料属性列在表1.在该分析中，CFRP的性质被认为对结果没有显着影响，因此假设各向同性，并使用高于树脂的刚度值。
模型中未考虑热应力，因为它们预计不会对分析结果产生重大影响。振荡应力分别设置为0.6 MPa和4.5 MPa。数值模拟很困难，因为实际焊接时间和振动频率~10−5在本研究中，将比热和密度设置为低于实际值，以增加单次振动产生的热量，10 Hz振动模拟约20 kHz的超声波振动。
«——【·分析结果·】——»
模型承受应力时合成位移的时间历程，左端显示了应力加载前的场景，ED的变形随时间增加，我们讨论模型承受0.6 MPa应力的情况。与三角ED相比，扁平ED的变形非常小。
当施加4.5 MPa的应力时，扁平和三角形ED均变形，三角形ED在第一次应力载荷下开始处变形，而扁平ED在第十个应力载荷时开始明显变形。这可能是由于与界面接触的顶点处的应力集中。
施加0.25 MPa应力时，平面和三角形ED在0.6 s时的应力分布。在平面ED中，应力分布是均匀的，而在三角ED中，应力集中在与界面接触的顶点处，粘弹性能量耗散与应力成正比，顶点处的应力集中使粘弹性耗散更加明显，优先产生热量。
三角ED在第三次和第十次应力载荷下显示出显着的温度升高，而扁平ED则没有。这一结果可归因于能量耗散。在相同的负载条件下，粘弹性引起的能量耗散。
三角形ED在第三次和第十次应力载荷处显示出显着增加，类似于温度变化。在第三次加载时，由于ED顶点处的应力集中，温度部分超过80°C，温度升高，第十个负载处的温度变化很大被认为是由于整体温度超过80°C。
第三荷载和第十荷载之间的温升不大，这可能是由于ED的变形，从而阻止了附录1的应力集中。在相同负载条件下，摩擦引起的能量耗散与粘弹性引起的能量耗散相比，摩擦引起的能量耗散非常小。
这些结果表明，当使用具有明显应力集中的三角形ED时，树脂的粘弹性是ED温升的主要因素。应力为0.6 MPa时三角形ED顶点附近的温度分布。第三次加载时，应力集中在三角ED的顶点，温度部分超过80°C，导致温度升高较大。
当压制压力较低且使用三角ED时施加超声波振动时，最初会发生粘弹性引起的能量耗散。然后将耗散的能量转化为热量，使ED的温度升高，根据阿伦尼乌斯型时间-温度叠加原理加速表观时间，降低刚度。
阿伦尼乌斯型时间-温度叠加原理加速了表观时间，表观刚度降低，表明该过程导致ED熔化。ED在4.5 MPa应力下的温度随时间的变化，表明在第10个应力下，平坦ED的温度升高， 与在0.6MPa的应力下不同。
由于粘弹性和摩擦引起的能量耗散的时间变化。对于粘弹性和摩擦力，扁平ED的能量耗散逐渐增加至第9个应力加载，然后在第10个应力加载时迅速增加，我们讨论到第9次的应力载荷。
由于摩擦耗散能的斜率比粘弹性耗散能的斜率更明显，因此根据在界面处首先产生摩擦耗散能引起的热量，并且ED温度升高，根据阿伦尼乌斯型时间-温度叠加原理加速表观时间，表观刚度减小。
ED变形，粘弹性耗散能量根据增加，对附录1第十项应力载荷进行说明，当温度达到约80°C时观察到温度迅速升高。 随着温度的升高，粘弹性耗散能量根据阿伦尼乌斯时间-温度叠加原理增大。
温度进一步升高，从而进一步增加了耗散的能量。这意味着ED处于耦合状态。在本分析中假设的模型中，耦合状态变得明显的点约为80°C，即使在其他特性的情况下，也认为当温度上升到一定程度时会出现上述耦合状态。
在实际的超声波焊接中，振动能量、压力和焊接时间是影响焊接质量的主要参数。在这项研究中，我们发现无论ED的形状如何，ED温度都会迅速升高。这可能会使参数优化变得困难，从而可能影响超声波焊接研究的进展。
将比热和密度值设置为较低的值，将热容设置为较高的值，以模拟20 Hz下的10 kHz超声波振动。三角ED的温升速度快于扁平EDs，与以往研究结果定性一致;也就是说，它们可以以较少的振动能量进行焊接。
定量讨论温升速率是未来的任务，假设无论温度如何，比热都是恒定的，这导致ED温度的发散，由于比热取决于温度，因此由于能量耗散引起的热量应该收敛。比热的温度依赖性是未来需要分析的另一个问题。
在4.5 MPa应力下三角ED温度分布的时间变化如图12所示。与复合材料接触的顶点在局部产生热量，表明ED内部存在温差，4.5 MPa下平坦ED的温度分布。
与三角ED相比，在平面ED内部产生的热量相对均匀。如果在焊接过程中ED内部存在温差，则ED可能会因为同时存在熔化和未熔化的零件而燃烧，本分析表明，与扁平ED相比，使用三角ED时，由于局部和过度加热，可能会发生意想不到的化学反应。
这项研究只是定性研究，因为它是二维的，频率小于超声波，我们将开发一种分析方法，通过将该方法扩展到三维并考虑分析设备来模拟真实的超声波频率，从而实现定量讨论。
«——【·笔者认为·】——»
建立了超声焊接中使用的两种ED的二维模型，并比较了变形、温度和耗散能量的时间变化。三角ED的变形比扁平ED的变形更早开始，施加的应力越高，产生的热量就越高。
与平面ED相比，三角ED可能需要更少的焊接能量并缩短焊接时间。ED的发热过程被认为是由于粘弹性而耗能、摩擦引起的能量耗散和温度升高的耦合状态，这可能导致温度快速上升。
上述快速温升可能是超声波焊接中难以优化压力、频率和焊接时间的一个因素。虽然扁平ED内部的温度相对均匀，但三角形ED在顶点具有局部温度分布，导致其内部温差较大。
换句话说，三角ED具有降低焊接能量和缩短焊接时间的潜力，但局部加热可能过度，从而可能发生意想不到的化学反应。
«——【·参考文献·】——»
- 艾德里安 《用平面能量导向器对热塑性复合材料进行超声波焊接中的加热现象建模》材料工艺出版社，2014
- 阿尔瓦《费尔南德斯·维勒加斯一世热塑性复合材料感应焊接的建模和实验研究以及与其他焊接工艺的比较》热塑性复合材料材料出版社，2016
- 亚历克斯《热塑性复合材料的熔接/焊接》热塑性复合材料材料出版社，2004
- 亚历山大《热塑性复合材料的熔接/焊接》热塑性复合材料材料出版社，2004
- 王康《剪切荷载作用下短碳纤维增强复合材料超声点焊的性能预测》曼工科学与工程出版社，2017
- 艾伯特《碳纤维增强聚酰胺6基体结晶度对静态弯曲性能的影响》高级组合材料出版社，2021
