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上一篇文章介绍了机械与粘合剂连接热塑性复合增材部件的方法，在连接热塑性复合增材时，使用机械连接预制孔会破坏增强纤维，进而影响整体结构性能，异种材料连接还有可能产生电偶腐蚀弱化界面。对胶接来说，受环境影响、黏结剂的固化时间较长是其主要缺点。与机械连接和胶接相比，熔融焊接（熔接）技术可以获得更加可靠、稳定的接合部，更具发展优势。
熔融焊接指的是将界面处的树脂加热至黏性状态，使树脂基体相互扩散，并冷却形成接合部，如图1。
图1 熔融焊接分类示意图[1]
热塑性复合增材具有反复加热软化和冷却硬化的性能，可以在合适的温度及压力下无限地重塑，在很多方面优于热固性复合增材。熔接过程示意图如图2所示，热塑性聚合物中的长分子链在加热和接合过程中会扩散融合为一体，这种现象使得各种熔融焊接技术接合热塑性塑料部件成为可能。
图2 熔接连接机构示意图[2]
「No.1 摩擦焊接」
摩擦旋焊技术通过机械摩擦使移动部件和静止部件之间产生热量，同时对零件施加轴向压力，以压力的方式将材料熔融部分接合。如图3所示。摩擦焊接的其他变体包括搅拌摩擦焊和摩擦线性焊。
图3 摩擦旋焊机构示意图[3]
摩擦旋焊效率高、焊接效果好，因此，它适用在大规模生产制造中应用。该工艺更适用于热塑性塑料及其相应的复合增材。
「No.2 超声波焊接」
超声波塑料焊接是一种通过金属焊头将高频低幅(频率为 20～40 kHz，振幅 1～250 μm)的纵向机械振动作用于待焊塑料工件表面，使工件之间的接触面发生熔化，再经一定时间的保压冷却而形成可靠接头的焊接方法。图4展示了使用压电换能器的超声波焊接机的原理图。
图4 超声波焊接机示意图[4]
「No.3 感应焊接」
该工艺通过感应焊接熔化聚合物基体并使基体之间完成接合。当零件中存在导电回路时，例如用作增强的碳纤维，就会产生涡电流，从而产生有效的局部加热。在玻纤增强复合材料中，需要外部电磁加热器将磁能转换成热能用以加热焊接，如图5所示。
图5 感应焊接示意图 [5]
「No.4 微波焊接」
使用1至100 GHz频率范围内的电磁波用于热塑性复合材料的焊接技术称为微波焊接。大多数热塑性材料本身不会被微波加热而升温。因此，在接合部周围添加一些微波敏感材料，以协助局部加热，在施加压力的同时形成接合部，如图6。合适的微波敏感材料包括碳、金属或其他导电聚合物。
图 6 微波焊接图[6]
「No.5 电阻焊接」
电阻焊接技术将导电元件（通常是碳纤维或钢网）放置在要连接的组件的界面处，并连接到电源，电流的热效应会在界面处会产生热量以熔化塑料并形成接合部。电阻焊接的示意图，如图7所示。
图 7 电阻焊接工艺示意图[7]
「No.6 热板焊接」
热板焊接是一种连接热塑性复合材料的热焊接技术，是以热板产生的热量加热软化待焊接材料的接合表面，再通过施加压力以达到焊接效果的一种加压焊接方法，经加热后的热塑性材料中的聚合物链在交界处交叉扩散，使两个表面紧密地结合在一起。
图 8 热板焊接工艺示意图[6]
值得注意的是，如果焊接过程中施加压力过大会导致表面熔融材料量不足，造成接合强度差。
「No.7 辐射焊接」
辐射焊有两种变体，即红外焊接和激光焊接。红外焊接是一种非常适合连接纤维增强热塑性复合材料的非接触式加热焊接技术，如图10，主要优点是效率极快。因此，这种方法可以加工具有高生产率和可重复性的坚固接合部。
图 9 红外焊接系统示意图[8]
激光束焊接（LBW）被认为是连接热塑性薄零件以及中厚零件的最佳方法。实际应用的一种方案中要求顶部材料透射激光辐射，而底部材料吸收这些辐射，如图11。当两者在界面处熔化时会发生熔合，使两个组件焊接在一起。
图 10 激光束焊接 （LBW） 工艺示意图[9]
除了上述透射激光焊接，在同种热塑性基体复合材料的焊接中也可直接将激光照射在接合处的表面，将接合部分的热塑性基体熔化后再通过施加压力，将同种材质的热塑性复合增材焊接为一体。
每种连接方法都有其优点和缺点，连接技术的选择取决于最终应用和特定的设计要求。超声波、感应和辐射焊接等熔融接合技术在需要短加工周期的风力涡轮机叶片、汽车、航空航天机身、舱壁和冲浪板等应用中显示出巨大的潜力。与其他连接技术相比，这些方法的优点是表面处理要求较低、具有可回收性、可再加工和优异的耐用性。
参考文献&素材来源
原文始发于微信公众号（organosheet）：【工艺·科普】热塑性复合增材接合技术（二）——熔融接合技术
