北京理工大学方岱宁院士研究团队,北京理工大学李营和赵天副教授课题组,在(Composites Part B)期刊上发表了题为《热塑性复合材料点焊接头与机械紧固接头的力学性能:初步比较》(Mechanical behaviour of thermoplastic composites spot-welded and mechanically fastened joints: A preliminary comparison)的研究论文。通过双层剪切(DLS)试验和拉力(PT)试验,研究了焊接试件和机械连接试件的面内和面外力学性能。
在最近的几十年里,热塑性复合材料(TPCs)在飞机结构上的应用变得越来越广,与金属相比,(TPCs)具有优越的强度和刚度-重量比,并且制造工艺具有成本效益。除了这些优点外,TPCs还可以焊接。这是由于热塑性树脂的固有特性,即加热时可熔化,冷却后仍保持原有的机械性能。一方面,焊接工艺可根据加热机理进行分类,即摩擦焊、热焊和电磁焊。另一方面,根据焊接面积,焊接工艺一般可分为连续焊和点焊两类。众所周知的感应焊和电阻焊是典型的连续焊接技术。它们目前应用于航空航天工业,用于热塑性复合材料部件的连接,作为机械紧固接头的复合材料友好替代品。与胶粘剂粘合接头类似,热塑性复合材料结构中的连续焊缝不需要在附着物上钻孔,并避免由点载荷引入而引起的应力集中。
图1 复合材料焊接在机身上的应用
热塑性复合材料焊接有潜力显著提高商用飞机生产的可持续性。与以前的金属和热固性复合材料组件相比,更自动化、可焊接热塑性结构有可能将制造周期缩短 80%,重量减少 50%。自动化和模拟的不断进步,焊接也变得越来越普遍。但是焊接后的力学性能影响着复合材料焊接的发展和应用,为解决上述问题,北京理工大学方岱宁院士研究团队,北京理工大学李营和赵天副教授课题组通过平面内和平面外载荷下的螺栓连接和焊接接头进行静态强度、刚度和损伤进行了元件级别的比较。
最后试验结果表明:双层剪切(DLS)试验,点焊接头的承载能力与机械紧固接头相当,点焊接头的平均刚度比机械紧固接头高88%。点焊接头的层内破坏是点焊接头的主要破坏形式,主要表现为层内撕裂和纤维基体脱粘。拉力(PT)试验,点焊接头的承载能力低于机械紧固接头,在剥离载荷下,点焊接头的平均刚度略高于机械紧固接头,约为113.5%。点焊接头的破坏机制是层内破坏为主,表面未出现进一步的损伤区域,也未出现穿透厚度的损伤。相比之下,在机械紧固试样的粘附层内发现了分层。
图2 DLS(左)和PT(友)加载夹具和试样
图3 DLS(左)和PT(右)试验中性载荷-位移曲线图
图4 DLS试验后焊接接头的失效
图5 DLS试验后机械紧固接头的失效
总的来说,北京理工大学方岱宁院士研究团队,北京理工大学李营和赵天副教授课题组研究发现,点焊接头失效后的损伤面积有限,试件是完好的,焊接结构件的修复和重复使用是可以的。在承受剪切载荷的结构中,点焊接头具有相当的承载能力和优异的接头刚度,完全可以替代传统的机械紧固件。
免责声明：市场有风险，选择需谨慎！此文仅供参考，不作买卖依据。
