2.2　树脂基增强复合材料的焊接

2.2.1　树脂基增强复合材料的焊接性

由于热固性树脂基增强复合材料与热固性树脂一样，固化后的结构不能再溶解和熔化，所以，这类树脂基增强复合材料不能焊接，只能用胶接的方法进行连接。

热塑性树脂基增强复合材料是通过二次化学键结合而成的，加热时，这些键变弱或被破坏，各高分子又能自由滑动和扩散，因此，这类树脂可以反复加热熔化和冷却固化，可以焊接。

热塑性树脂基又可分为无定形的非晶态热塑性树脂基和半结晶态的热塑性树脂基。半结晶态的热塑性树脂基同时具有非晶区和结晶区两部分。非晶态热塑性树脂基复合材料和半结晶态热塑性树脂基复合材料熔化连接的临界温度是不同的，前者的熔化连接临界温度是其玻璃化转变温度（Tg），而后者的熔化连接临界温度是晶体的熔化温度（Tm），它们的熔化连接临界温度都不能超过其热分解温度（Td）。

2.2.2　树脂基增强复合材料的焊接

由于树脂基增强复合材料的表面一般为树脂基体，因而，其焊接方法与树脂基体类似。但是，由于增强纤维的存在，所以，其焊接过程与树脂基体还是有一些区别。纤维会影响加热焊的热过程，纤维还会增大树脂基增强复合材料的刚度和硬度。与塑料焊接一样，树脂基增强复合材料也可以用热气焊、热工具焊、电阻加热焊（不是电阻焊）、感应加热焊、红外加热焊、激光焊、介电加热焊、微波加热焊、摩擦焊和超声波焊等。具体原理及工艺措施见第1章，这里仅就树脂基增强复合材料焊接的特点加以阐述。表2-9给出了树脂基增强复合材料焊接和胶接的优缺点。

（1）树脂基增强复合材料的焊接方法

①热气焊。这是最常见的、应用最广的树脂基增强复合材料焊接方法。其优点是灵活方便，不受焊件形状的限制；缺点是焊接速度较慢。

②热工具焊。对于单向层压板，连接表面平行于纤维时，易于操作，接头强度接近母材。但是，当连接表面垂直于纤维或者焊接多向层压板时，纤维不利于两个工件的贴合，应适当增大压力，但不能增大太多，否则，会使熔化的树脂流出。在两个工件连接表面之间夹一层薄薄的与母材相当的中间层，有利于得到良好的接头。

③电阻加热焊。热塑性树脂基增强复合材料的电阻加热焊与金属的电阻焊有所不同：金属的电阻焊是在两个连接表面之间产生电阻热而使之焊接在一起的；而热塑性树脂基增强复合材料的电阻加热焊是在两个连接表面之间放置加热元件，用这个加热元件加热这两个连接表面并使之焊接在一起的。热塑性树脂基增强复合材料电阻加热焊加热元件的热源也是电阻加热，焊后加热元件残留在接头中，成为接头的一部分。这个加热元件与被连接的树脂基复合材料之间必须具有很好的相容性。例如，可采用单向石墨预浸层作为电阻加热元件，为改善接头强度，可在石墨预浸材料上下两面各加一层热塑性树脂薄膜，如图2-1所示。这样所得到的接头强度可达热塑性树脂基复合材料的70%左右。

④感应加热焊。对于不含金属芯的纤维增强树脂基复合材料，这是一种比较合适的焊接方法。如果纤维方向与连接表面平行，可在工件之间加入金属网或弥散分布有金属颗粒的热塑性塑料膜；如果纤维方向与连接表面垂直或连接多向层压板，可在工件之间加入含有金属丝（其方向与纤维方向平行）的热塑性塑料。例如，焊接石墨纤维增强热塑性树脂基复合材料时，可在连接表面间放置一个由热塑性塑料和镀镍石墨纤维预浸材料制成的感应加热元件，并在其两侧加上热塑性树脂薄膜以便得到更好的连接，其接头强度可达到复合材料的50%。

⑤摩擦焊和振动焊。这两种方法都可用于纤维增强热塑性树脂基复合材料的焊接。

⑥超声波焊。这是纤维增强热塑性树脂基复合材料最好的焊接方法之一。其优点是接头强度高，易于实现机械化和自动化；缺点是只能焊接尺寸较小的工件。

⑦溶剂焊。这也是纤维增强热塑性树脂基复合材料最好的焊接方法之一。所用的溶剂与热塑性树脂塑料所用的溶剂基本相同，不过，与热塑性树脂塑料相比，纤维增强热塑性树脂基复合材料焊接时应施加更大的压力。

（2）树脂基增强复合材料与金属之间的焊接

①树脂基增强复合材料与金属之间的加热焊。在航空航天工业中常常会遇到树脂基增强复合材料与金属（如铝合金或钛合金）的焊接，常用的焊接方法为加热焊。通过适当的方式将树脂基增强复合材料加热到一定的温度，使其具有较大的黏度，然后以一定的压力压到金属上，使之结合。

②树脂基增强复合材料与金属之间的焊接举例。Cf /PEEK（碳纤维增强聚醚醚酮复合材料）与7075-T6铝合金之间的焊接可采用电阻加热焊。PEEK是一种半结晶性热塑性树脂基材料，它具有较高的耐热性、耐化学腐蚀性、阻燃性、优异的抗蠕变性和耐动态疲劳性，是高性能复合材料的热塑性树脂基体。Cf /PEEK具有较高的强度和刚度，是用于航空航天的高性能热塑性树脂基增强复合材料，如用来制造直升机的尾翼等。7075-T6铝合金属于Al-Zn-Mg-Cu合金，是航空航天工业中的重要合金。因此，Cf /PEEK与7075-T6铝合金的焊接意义重大。

a.焊接工艺。图2-2给出了Cf /PEEK与7075-T6铝合金的电阻加热焊接头结构，图2-3所示为电阻加热焊搭接接头。其焊接工艺如下。

ⅰ.采用厚0.18mm的304不锈钢网作为电阻加热元件，将该网固结在S2玻璃纤维/PEEK预浸料中，以提高接头强度。

ⅱ.将电阻加热元件放置在Cf/PEEK与7075-T6铝合金搭接接头的连接面之间。两层S2玻璃纤维/PEEK预浸料作为不锈钢网的托架，并使不锈钢网与7075-T6铝合金之间绝缘。另外，在加热元件的两侧放置厚0.13mm的PEEK薄膜，以改善树脂的润湿和结合。

ⅲ.焊接工艺参数：功率160kW/m2，焊接压力1.034MPa，焊接加热时间60s。

b.接头性能。采用上述焊接工艺焊接的Cf/PEEK与7075-T6铝合金的搭接接头，其剪切强度为17.7～19.9MPa，大部分接头断在结合界面上，甚至断在加热元件上。加热时间和焊接压力对于接头强度有明显的影响：当加热时间降为50s时，接头剪切强度降为6.2～8.9MPa，接头出现一些空洞；当焊接压力降为0.690MPa时，接头剪切强度极低，为0～2.6MPa，这时，接头全部断在结合界面上，接头存在大量的空洞，这可能是由于压力太小结合区空气排不出的缘故。

2.2.3　树脂基增强复合材料之间的胶接

树脂基增强复合材料自身之间及树脂基增强复合材料与金属之间都可以进行胶接。但由于树脂基增强复合材料的线胀系数比金属要小，因此，树脂基增强复合材料与金属之间进行胶接时，会产生较大的应力和变形。在胶接设计时应加以注意，不要使树脂基增强复合材料与金属之间的线胀系数相差太大。

（1）接头设计

①接头形式。图2-4～图2-8分别给出了树脂基增强复合材料胶接接头的基本形式、搭接接头形式、对接接头形式、槽接接头形式、管材接头形式。

②接头尺寸。从上述的接头形式可以看到，胶接接头的基本形式还是搭接，搭接接头的尺寸（特别是搭接长度）应根据树脂基增强复合材料的厚度和强度来确定，表2-10给出了搭接接头搭接长度的计算公式。图2-9和图2-10给出了树脂基增强复合材料的厚度及搭接长度对接头强度的影响。

（2）胶接工艺　树脂基增强复合材料胶接工艺的流程为接头表面处理→预装配→配置胶黏剂→涂抹胶黏剂→胶接装配→加压固化。

①表面准备。

a.热塑性树脂基增强复合材料的表面处理。树脂基增强复合材料胶接的处理与树脂胶接的表面处理基本上是一样的，但是，由于树脂基增强复合材料内部含有纤维，因而，在喷砂或打磨时应小心进行，以防止损伤纤维。表面处理对胶接质量有重要的影响。因此，无论是树脂基增强复合材料之间的胶接还是树脂基增强复合材料与金属之间的胶接，都必须进行表面处理。

由于热塑性树脂基增强复合材料基体品种繁多，表面处理的差别很大。一般通过机械打磨、喷砂或化学法去除塑料表面的脱膜剂、油和其它污物；提高表面能，使表面活化，从而使胶黏剂易于润湿工件表面；使表面具有一定的粗糙度。这样，可以提高接头强度。

ⅰ.聚烯烃树脂基增强复合材料。聚烯烃包括聚乙烯和聚丙烯，其常用的方法有铬酸氧化法、火焰氧化法、电晕放电处理法、等离子处理法等。

• 铬酸氧化法。用丙酮、丁酮或二甲苯脱脂；在室温下的下述溶液中浸渍60～90min，或者在65～70℃的下述溶液中浸渍30～60s：重铬酸钠75份（质量比，下同），浓硫酸1500份，蒸馏水120份；蒸馏水清洗；60℃干燥15～30min。不可处理过度，否则，会降低接头强度。

• 火焰氧化法。用溶剂清洗；用砂布粗化处理过的表面，再用溶剂清洗；在800℃氧化焰上快速处理1s，使其表面光亮。

• 电晕放电处理法。用电压15000V进行1～600s的电晕放电处理，以使其表面氧化和粗糙化。

• 等离子处理法。在气体压力为133Pa的等离子体发生器中用惰性气体处理1～5s，其接头强度比不处理提高了十倍到几十倍。

• 紫外线照射法。在工件表面上涂上敏感剂（如三氯乙烯）后，再用紫外线照射，其临界表面张力可由3×10-4N/cm提高到3.8×10-4N/cm，改善了胶黏剂对工件表面的润湿性。

• 溶剂处理法。将工件放在三氯乙烯、四氯乙烯、甲苯等的溶液中或溶液的蒸气中浸渍15s，可显著改善工件表面特性，提高其胶接性能。胶接后，应立即（10s内）进行胶接或涂底胶，以免溶剂挥发。

火焰氧化法和等离子处理法效果较好，铬酸氧化法效果较差。

ⅱ.聚苯乙烯树脂基增强复合材料。

• 打磨法。先用异丙醇或无水乙醇脱脂；用200目的砂布打磨或喷砂，再用溶剂清洗。

• 化学处理法。先用异丙醇或无水乙醇脱脂；在100℃的重铬酸钠10份、硫酸90份的溶液中处理3～4min；用蒸馏水彻底清洗；在50℃下干燥。

• 无浸渍工艺。先用异丙醇或无水乙醇脱脂；在表面涂上钾粉1份、硫酸3份的糊；在80℃下处理3～4min；用蒸馏水彻底清洗；在65℃下干燥。

ⅲ.聚氯乙烯树脂基增强复合材料。这种材料的处理比较简单，一般只需打磨后用溶剂清洗即可。用甲醇、甲乙酮、低沸点石油醚、甲苯或三氯乙烯等溶剂擦洗粘接面；用200目的砂布轻轻打磨；吹去灰尘；用溶剂擦洗；干燥；立即胶接。

ⅳ.丙烯酸类树脂基增强复合材料。聚甲基丙烯酸甲酯增强复合材料遇到有些溶剂时易于发生龟裂，故清洗时要特别小心。用甲醇、丙酮、三氯乙烯或异丙醇擦拭或用清洗剂清洗；用细砂纸（180～400目）或金刚砂纸打磨，并用干净的干布擦去砂粒；用溶剂重复擦拭，干燥后涂胶。

ⅴ.聚甲醛树脂基增强复合材料。

• 打磨法。用丙酮、甲乙酮清洗，脱脂；用砂纸打磨或喷砂；再用溶剂清洗并干燥。

• 重铬酸法。用丙酮或甲乙酮擦拭；在室温下的下述溶液中浸泡10～20min：重铬酸钠3份（质量比，下同），浓硫酸26份，水11份；用干净流动的自来水冲洗至少3min；用蒸馏水清洗；在38℃的温度下在鼓风箱中干燥60min。

• 全氯乙烯溶液处理法。

将工件放入38～121℃的全氯乙烯溶液（配方为硅藻土0.5份、1.4-二烷3.0份、对-甲苯硫磺0.3份、全氯乙烯96.2份）槽内浸泡10～30s，并用三氯乙烷洗去油脂及污物（注意：操作时，不能让工件相互接触，也不能让工件与其它物品接触，以免损害胶接面，另外，还应不间断通风，以排出有害气体）。

将工件放入38～121℃的烘箱中进行暴露腐蚀，这时溶液中的处理剂浓缩，并产生腐蚀。工件表面腐蚀层的厚度与暴露的温度和时间有关：烘箱温度低，暴露时间就长；烘箱温度高，暴露时间就短。在烘箱中进行暴露腐蚀时，仍有有毒甲醛排出，仍应通风。

将工件从烘箱中取出，并用71～79.5℃的热水冲洗，这样才能使处理剂产生的腐蚀终止。

再放入烘箱中进行干燥。

• 表面处理法。用甲醛擦拭工件，并在空气中干燥；在重铬酸钠5份、浓硫酸100份、水8份的溶液中浸渍10～15s；立即用自来水冲洗，再用去离子水清洗；在60℃的温度下干燥.

ⅵ.聚酰胺（尼龙）树脂基增强复合材料。

• 打磨法。用丙酮、丁酮或异丙醇清洗，脱脂；用去污粉擦洗，清水清洗，在65℃的温度下彻底干燥；用砂纸打磨，溶剂清洗，彻底干燥；迅速涂底胶，可用苯酚的乙醇和水溶液、间苯二酚-甲醛树脂或异氰酸酯作底胶，将工件放入溶液中，在60℃的温度下浸渍10min左右，蒸馏水清洗，干燥。

• 浸泡法。在80%的苯酚溶液中浸泡，然后用水清洗，烘干。

• 等离子处理法。用丙酮、丁酮或异丙醇清洗，脱脂后，再放入惰性气体中进行等离子处理。

与金属胶接时，不处理增强聚酰胺（尼龙）树脂复合材料也可得到较强的胶接强度，但为了安全起见，还是应该进行处理。

ⅶ.聚碳酸酯树脂基增强复合材料。

• 溶剂清洗法。最常用的清洗溶剂为甲醇、乙醇、异丙醚、庚烷和粗挥发油。不能使用酮类、甲苯、三氯乙烯和粗苯，因为聚碳酸酯与这些溶剂不相容，会引起裂纹或破裂。包括涂料稀释剂在内的其它清洗溶剂也会引起裂纹或破裂，因此，在选择清洗溶剂时必须十分谨慎。

• 火焰处理法。用乙醇擦拭工件表面，以去除污物和油脂；用丙烷喷灯的氧化焰对工件进行处理；将工件表面打磨得富有光泽，没有刮痕和裂纹；冷却5～10min即可进行胶接。

• 烘箱干燥法。将工件放入71℃的鼓风烘箱内，放置1h；从烘箱内取出，冷却5～10min即可进行胶接。

• 打磨法。用甲醇、乙醇或其它溶剂擦拭工件表面；空气中干燥后用细砂布（120～400目）或砂纸打磨；用干净的干布或短毛硬刷除去打磨的粉尘；用溶剂再次擦拭工件表面。

ⅷ.热塑性聚酯基增强复合材料。这类材料有VALOX热塑性聚酯基增强复合材料和CELANEX热塑性聚酯基增强复合材料，其胶接比较困难，应仔细进行表面处理。常用的方法如下。

• 打磨处理法。用细砂纸（240目）轻轻打磨表面；用甲苯或三氯甲烷进行脱脂；用净水清洗；干燥后涂胶。

• 化学法。用丁醇、异丙醇或无水乙醇清洗工件表面，以去除污物和油脂；在82℃、20%的丁醇、异丙醇或无水乙醇水溶液中处理5～7min，再在1%的SnCl2水溶液中浸泡5min，然后水洗；干燥。

• 等离子体处理法。用氧等离子、氩等离子或水蒸气等离子对工件表面进行活化处理。此法比打磨处理法优越，胶接接头强度比打磨处理法提高3～4倍。

ⅸ.聚苯醚树脂基增强复合材料。

• 打磨处理法。用甲醇擦洗工件表面，以去除污物和油脂；然后用细砂纸轻轻打磨表面；再用甲醇擦洗工件表面，干燥后即可。

• 酸腐蚀法。用异丙醇或清洗溶液清洗工件表面；80℃下在下述溶液中浸渍1min：重铬酸钠37份（质量比，下同），浓硫酸750份，水60份；然后用蒸馏水清洗；干燥后即可。

ⅹ.聚苯硫醚基增强复合材料。这类材料不进行表面清理也可进行胶接，但强度较低。

表面清理具体操作是用丙酮或乙醇脱脂，应采用不起毛的纸，蘸乙醇擦拭工件胶接面；用细砂纸打磨或喷砂；用丙酮再脱脂；晾干。

ⅺ.聚砜基增强复合材料。

• 酸腐蚀法。在碱性溶液中用超声波清理，然后，用清水漂洗；在66～71℃的温度下，将工件放在下列酸性溶液中浸泡5min：重铬酸钠34份，浓硫酸966份；用冷水漂洗；在66℃的鼓风烘箱中干燥。

• 溶剂清洗法。用氟利昂和试剂级异丙醇组成的溶液（其体积比为65∶35）连续进行三次漂洗；在66℃的鼓风烘箱中干燥。

• 用超声波清洗器清洗。在温度为63～69℃的中性清洗液中浸泡工件表面7～10min；用自来水漂洗；用蒸馏水漂洗；用异丙醇漂洗0.5min以上；用液氮清洗；在66℃的空气中干燥。

ⅻ.聚芳砜基增强复合材料。

• 喷砂法。用碱性腐蚀溶液进行超声波清洗；用冷水清洗；用酒精漂洗；用150目的细砂进行喷砂；用酒精漂洗；用氮气干燥。

• 酸腐蚀法。在碱性溶液中用超声波清理，然后，用冷水清洗；在66～71℃的温度下，将工件放在下列酸性溶液中浸泡15min：重铬酸钠34份，浓硫酸966份；用冷水漂洗；在66℃的鼓风烘箱中干燥。

• 溶剂清洗法。用氟利昂和试剂级异丙醇组成的溶液（其体积比为65∶35）连续进行三次清洗；在66℃的鼓风烘箱中干燥。

b.热固性树脂基增强复合材料的表面处理。

ⅰ.剥离法。热固性树脂基增强复合材料的表面一般都要覆盖一层织物，以防止受到污染。只有剥去这一层织物，才能进行胶接。剥去这一层织物后再用刷子或者清洁的过滤空气清理表面，除去已松动的颗粒，然后，再进行清洗和喷砂。

ⅱ.喷砂或打磨。喷砂的目的是使工件表面获得一定的粗糙度，但注意不要损害增强纤维。一般采用中等粒度的金刚砂进行处理，也可用砂纸或砂布打磨。打磨方向应平行于纤维方向，以免使纤维受到损伤。喷砂或打磨后，需要用有机溶剂清除工件成型过程中表面残留的脱膜剂。常用的有机溶剂有丙酮、甲苯、三氯乙烷等。有时，喷砂或打磨前也应清洗。应当说明的是，喷砂或打磨后，需要在4h内进行胶接，否则，喷砂或打磨后，暴露时间太长，胶接接头质量显著下降。

ⅲ.手工擦洗法。首先用自来水和洗涤剂对胶接面进行清理，以清除油脂、脱膜剂及其它污物等。清理时可使用清洁的布或非金属纤维刷子。然后，用流动的自来水漂洗，最后在54～56℃下进行干燥处理，直到工件表面达到“水膜不破”为止。

ⅳ.溶剂浸泡-打磨法。若采用上述三种方法都达不到“水膜不破”的标准，可采用溶剂浸泡-打磨法进行处理。将复合材料放入试剂级丙酮中浸泡48h；在86～104℃温度下进行干燥处理3～4h；用200目（粒度0.071mm）的砂纸轻轻打磨；用干净的高压空气或在真空中去除粉尘颗粒；检查工件表面是否达到“水膜不破”标准。若仍然达不到“水膜不破”标准，则重复将复合材料放入试剂级丙酮中浸泡48h；在86～104℃温度下进行干燥处理3～4h；用200目（粒度0.071mm）的砂纸轻轻打磨这三个步骤，直到工件表面达到“水膜不破”为止。

c.金属的表面处理。树脂基增强复合材料与金属胶接时，也需要对金属进行表面处理。金属的表面处理比对树脂基增强复合材料的要求更严格。

ⅰ.钛合金。一般进行阳极化处理。电解液组成为氧化铬2份、硫酸15份、磷酸15份、铬酸10份，在电压15～18V下处理15min。

ⅱ.铝合金。可以用极化处理。电解液组成为氧化铬100份、硫酸0.2份、氯化钠0.2份，在40℃的温度下，于10min内将电压由0V提高到10V，保持20min，再在5min内将电压由10V提高到50V，保持5min，然后水洗，再在40℃的温度下干燥。

②树脂基增强复合材料常用胶黏剂。

a.树脂基增强复合材料常用胶黏剂的分类。

ⅰ.热塑性树脂基增强复合材料常用胶黏剂的分类。

• 热塑性树脂基增强复合材料用胶黏剂按粘接强度可分为结构胶黏剂和非结构胶黏剂两类。结构胶黏剂的胶接接头强度较高，能承受较大的载荷，其剪切强度大于7MPa，而非结构胶黏剂的胶接接头强度较低，不能承受较大的载荷。

• 热塑性树脂基增强复合材料用胶黏剂按固化条件可分为室温固化（30℃以下固化或称冷固化）胶黏剂、中温固化（30～90℃固化）胶黏剂和高温固化（100℃以上固化）胶黏剂三类。

• 热塑性树脂基增强复合材料用胶黏剂按固化后的热行为可分为热塑性胶黏剂和热固性胶黏剂两类。

• 热塑性树脂基增强复合材料用胶黏剂按应力-应变曲线的形状可分为韧性胶黏剂和脆性胶黏剂两类。韧性胶黏剂是指剪切应变极限在0.05以上的胶黏剂（其胶黏剂厚度为0.1～0.2mm），而脆性胶黏剂则指剪切应变极限远小于这一数值的胶黏剂。韧性胶黏剂有较高的疲劳强度和疲劳寿命，可在较低温度下使用；而脆性胶黏剂可在较高温度下使用。

• 热塑性树脂基增强复合材料常用胶黏剂按组成分类有树脂基胶黏剂、橡胶基胶黏剂、混合胶黏剂及无机胶黏剂等。树脂基增强复合材料胶接用的胶黏剂为树脂基胶黏剂，常用的有环氧树脂胶黏剂、酚醛树脂胶黏剂、聚酰亚胺树脂胶黏剂、聚酯树脂胶黏剂、有机硅胶黏剂等。表2-11给出了热塑性树脂基增强复合材料常用胶黏剂，表2-12给出了热塑性树脂基增强复合材料常用胶黏剂的特点。

ⅱ.热固性树脂基增强复合材料常用胶黏剂

表2-13给出了热固性树脂基增强复合材料常用胶黏剂。

b.胶黏剂的选择。这是决定胶接接头强度的重要因素，应遵循如下原则。

ⅰ.所选择的胶黏剂与被胶接件有良好的相容性，接头强度要高。

ⅱ.胶黏剂应具有较好的综合力学性能。

ⅲ.尽量选用固化温度较低的胶黏剂。