关键词：热塑性复合材料;波纹夹芯结构;超声焊接;有限元分析;
热塑性复合材料（TPC）凭借其高比强度、易加工和可回收等优势，成为研究热点。然而，如何实现高质量连接一直是制约其应用的瓶颈。近日，一项关于超声焊接热塑性复合材料波纹夹芯结构的研究取得了重要进展，通过仿真与实验结合，揭示了界面温度场演化规律，并提出了优化设计方法。
波纹夹芯结构因其轻质高强、隔热吸波等优势，在机身壁板、舱门等部件中广泛应用。与传统金属相比，热塑性复合材料如碳纤维增强聚苯硫醚（CF/PPS）更具潜力，但传统胶结或机械连接方式易导致纤维断裂和界面分层，难以满足高质量连接需求。
超声焊接作为一种快速、清洁且高效的技术，能避免引入异性材料，保证结构完整性。然而，大尺寸复杂构型的焊接界面温度分布不均匀问题及待解决。本文基于一项最新研究，探讨超声焊接在波纹夹芯结构中的应用。
为了模拟焊接过程，研究人员建立了力-热耦合有限元模型。模型包括超声波焊头、TPC面板与芯层，以及能量传输膜三部分。通过标定材料热力学参数，如导热系数和比热容，为仿真提供基础。
图1 PPS树脂和CF/PPS复合材料比热容随温度变化的曲线
图1展示了PPS树脂和CF/PPS复合材料的比热容随温度变化曲线，这是热分析的关键输入。同时，通过动态机械分析获取高频下的弹性模量数据（图2），确保模型准确性。
图2 在20 kHz的条件下PPS树脂的弹性模量和损耗模量随温度变化曲线
仿真中，摩擦热源和黏弹性热源共同作用，导致界面温度演化。如图3所示，几何模型清晰展示了焊接界面结构，而网格划分（图4）确保了计算精度。
图3 波纹夹芯结构超声焊接界面几何模型
在振幅40μm、焊接压力500N的工艺参数下，仿真揭示了界面温度随时间的动态变化。如图5所示，焊接开始时，温度从能量传输膜边缘逐渐向内部演化。500ms时，边缘温度已达226℃，而内部变化不大；至2000ms时，整个界面温度超过熔点（281℃），形成充分熔融。
图4 焊接界面温度随时间的演化过程
研究还发现，结构参数显著影响温度分布。波纹芯层厚度越大，界面最高温度越低：1mm芯层时温度达310℃，而3mm时仅为244℃。类似地，能量传输膜厚度增加也会降低界面温度，两者成反比关系。
图5波纹芯层厚度分别为1 mm、2 mm和3 mm的模型在2000 ms时的界面温度分布创新优化：非连续能量传输膜提升焊接均匀性
针对平面能量传输膜导致的边缘过热、中心熔化不充分问题，研究团队提出了非连续条纹状设计。这种结构扩大了摩擦产热面积，显著改善了温度分布均匀性。
图6 非连续条纹状能量传输膜二维建模
仿真结果显示，条纹状设计使焊接时间缩短至约
1秒，效率提升50%。初期摩擦热快速扩散，200ms时高温区域已覆盖整个产热面，1000ms时界面充分熔融。这一优化为大规模应用奠定了基础。
图7 基于条纹状平面能量传输膜TPC波纹夹芯结构超声焊接温度演化
图8 偏轴拉伸剪切测试和三点弯曲测试
为评估实际性能，团队对焊接件和胶结件进行了拉伸剪切测试和三点弯曲测试。结果令人振奋：焊接试件的极限载荷显著高于胶结试件。在拉伸测试中，焊接件承载能力是胶结件的3.33倍，且失效呈阶段性，表明连接界面强度高。弯曲测试中，焊接件刚度稳定，而胶结件在2kN后刚度下降，显示其耐久性不足。
图9焊接和胶结波纹夹芯结构件拉伸剪切测试和三点弯曲测试的代表性载荷—位移曲线
SEM微观分析揭示了失效模式：纤维压痕和纤维断裂为主，表明界面连接质量高。树脂撕落现象较少，印证了焊接优越性
图12 超声焊接波纹夹芯结构断面焊缝SEM微观
[1]赵天,徐帅衡,陈薪宇,等.热塑性复合材料波纹夹芯结构超声焊接界面温度场仿真与力学性能分析[J].航空科学技术,2025,36(09):62-71.DOI:10.19452/j.issn1007-5453.2025.09.008.
