论文标题：Effect of the Degree of Crystallinity of Base Material and Welded Material on the Mechanical Property of Ultrasonically Welded CF/PA6 Joints

论文链接：https://www.mdpi.com/1996-1944/18/2/420

期刊名：Materials

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/materials

作者简介

通讯作者：

李洋 副教授

天津大学材料学院

博士生导师。主要研究方向为热塑性复合材料焊接、异种材料连接、增材制造等。发表SCI/EI论文100余篇，授权专利8项。主持和参与包括国家自然科学基金、173计划等多项国家级及省部级项目。曾获中国机械工业联合会科技进步二等奖1项；国际、国内学术会议邀请报告9次。目前为SAMPE背景分会第四届理事会理事、中国机械工程学会高级会员；兼任国际期刊Materials专题组咨询顾问（Topical Advisory Panel Member）、Polymers编委、《材料工程》《航空材料学报》青年编委、焊接杂志社第一届青年编委。

第一作者：

时若雅 硕士研究生

天津大学材料科学与工程学院

天津大学材料科学与工程学院材料加工工程专业硕士研究生。主要研究方向为CFRTP超声波焊接。参与发表SCI论文5篇；获国家奖学金1次。

研究背景

碳纤维增强尼龙6（CF/PA6）复合材料凭借其优异的性能在航空航天、汽车制造等行业得到了广泛应用。超声焊接作为一种高效的连接技术，为CF/PA6复合材料的应用提供了有力支持。作为一种半结晶型聚合物，CF/PA6的结晶度是影响其物理性能的重要因素，进而又会对CF/PA6超声波焊接过程及接头力学性能产生影响。为此，从结晶度的角度对CF/PA6的超声波焊接展开研究具有重要意义。

来自天津大学材料科学与工程学院的李洋老师及其团队在Materials期刊发表了文章“Effect of the Degree of Crystallinity of Base Material and Welded Material on the Mechanical Property of Ultrasonically Welded CF/PA6 Joints”，通过对母材进行不同组合的焊前热处理工艺使其具有不同结晶度，采用固定焊接工艺参数研究母材结晶度对超声波焊接接头力学性能的影响并确定出最优的热处理工艺。随后，以最优热处理工艺为基础，在焊接过程中通过调整焊接压力和振幅两个工艺参数研究焊后界面处焊点材料的结晶度对接头力学性能的影响，从结晶度的角度揭示焊接工艺参数对接头力学性能的影响规律。

研究过程与结果

如图1所示，作者对热处理后的CF/PA6母材的结晶度进行分析。如图1（a）所示，热处理后CF/PA6母材的DSC加热曲线出现了两个熔融峰，其中低温熔融峰对应峰值出现在高于热处理温度1020℃的位置，且低温熔融峰对应区域的大小随热处理温度升高而增加。图1（b）证实了热处理可提高CF/PA6母材的结晶度。当热处理为180℃时，分子链端运动能力显著增加，导致材料的结晶度也明显增加。此外，通过对热处理试样分别采用炉冷、空冷和铜块冷却，研究冷却速度对试样结晶度的影响。研究指出三种冷却模式下结晶度的最大差异在100、140、180℃下分别为0.4%、1.4%和2.2%，说明热处理过程中的冷却阶段对材料结晶的影响很小。

图1. （a）CF/PA6母材的DSC加热曲线；（b）CF/PA6母材的结晶度

随后对热处理后的CF/PA6母材及在固定焊接工艺参数下得到的焊接接头的强度进行测试，如图2所示。热处理后CF/PA6工件的极限抗拉强度（UTS）增加，且UTS随热处理温度的升高而增加；低温（100℃）情况下，随炉冷却、空冷和铜冷三种冷却方式获得的材料的UTS分别为215.32.1 MPa、215.80.74 MPa和214.42.4 MPa，相差并不明显，而在高温范围（140180℃），冷却模式对材料的UTS的影响规律较为明显且表现出较好的一致性，即随炉冷却＞空冷＞铜冷。对于焊接接头，无热处理时，CF/PA6超声波焊接接头强度为13.95 MPa；当CF/PA6在100、140和180℃下进行热处理后，对应焊接接头的最大强度分别为15.52 MPa、16.9 MPa和17.68 MPa。这表明热处理可通过改变母材的结晶度对其自身力学性能产生影响，进而影响超声波焊接过程的产热及接头质量。根据母材和接头强度，确定最优的热处理工艺组合为180℃+随炉冷却。

图2. CF/PA6母材的极限抗拉强度

图3. （a）CF/PA6接头强度；（b）不同能量下对应的CF/PA6接头强度

随后，在最优热处理工艺的基础上，研究了不同焊接工艺参数组合下焊点材料结晶度对接头力学性能的影响规律及机理。如图4所示，焊点材料的DSC加热曲线上在110℃左右出现明显的放热峰，材料发生的冷结晶，导致其结晶度有所减小，且焊接压力和振幅越大，放热峰越明显。而从表1可知焊接前（ED_ref）的结晶度为31.1%，而焊后对应的ED_HF-HA、ED_MF-MA、ED_LF-LA分别为22.2%、19.8%和18.3%，验证了焊后材料结晶度降低，这是界面冷却结晶和应变诱导结晶共同作用的结果。

图4. 三种焊接工艺参数组合下得到的焊点材料的DSC测试曲线

表1 焊点材料的结晶行为参数

图5（a）表明，随着焊接压力和振幅的增加，焊点面积也随着增加。且由于焊接质量与焊点面积成正比，接头失效载荷也随之增加。为了进一步揭示焊点结晶度对接头质量的影响规律，作者量化了不同焊接工艺参数下CF/PA6接头的焊点面积和接头强度。如图6所示，焊点结晶度可提高接头强度，且当焊接工艺参数和焊点面积较小时，焊点结晶度对接头强度的影响更为显著。

图5. （a）焊点面积；（b）接头失效载荷

图6. 不同焊接参数下 CF/PA6 复合材料的焊接面积与接头强度的关系

研究总结

本文以CF/PA6为研究对象，从结晶度的角度对其超声波焊接接头力学性能进行研究。结果表明，热处理可提高CF/PA6母材的结晶度，导致其自身力学性能提高，从而促进其在超声波焊接过程中的摩擦和粘弹性产热，有利于改善接头力学性能。另外，焊点材料的结晶度会随焊接压力和振幅的增加而增加，且当焊接工艺参数较小时，焊点结晶度对接头强度的影响更为显著。

Materials 期刊介绍

主编：Maryam Tabrizian, McGill University, Canada; Prof. Dr. Yuguang Ma, South China University of Technology, China

主要关注材料科学与工程研究相关各个领域的最新研究成果，包括但不限于高分子、纳米材料、能源材料、复合材料、碳材料、多孔材料、生物材料、建筑材料、陶瓷、金属等，以及材料物理化学、催化、腐蚀、光电应用、结构分析和表征、建模等。

*JCR Q2 at “Metallurgy and Metallurgical Engineering”, “Physics, Applied”, “Physics, Condensed Matter”, and “Materials Science, Multidisciplinary” Categories

*Scopus Q1 at “Condensed Matter Physics” Category