机械工程学报 ›› 2025, Vol. 61 ›› Issue (18): 76-85.doi: 10.3901/JME.2025.18.076
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沈亮量1,2,3, 肖娟1,2,3, 徐剑1,2,3, 蹇锡高1, 林剑峰4, 任志英4
SHEN Liangliang1,2,3, XIAO Juan1,2,3, XU Jian1,2,3, JIAN Xigao1, LIN Jianfeng4, REN Zhiying4
摘要: 以碳纤维增强热塑性复合材料CF/PPS为对象,基于电磁场-热传导耦合理论,建立了三维瞬态多物理场有限元模型,系统模拟了焊接界面温度场动态演变过程。通过自主搭建的感应焊试验平台,结合单搭接剪切试验与扫描电子显微镜(Scanning electron microscopy, SEM)观测,验证了模型的有效性(模型预测值与试验数据偏差<8%),揭示了焊接界面温度梯度在厚度方向的分布规律。研究结果表明:在20 A电流条件下,有效熔宽随焊接时间呈线性增长(30 s内);但当焊接时间超过30 s时,局部温度突破树脂基体热分解阈值(~400 ℃),导致界面出现热降解缺陷并伴随剪切强度显著下降(由18.6 MPa降至12.3 MPa)。通过多尺度试验表征与多物理场耦合分析,明确了热输入参数与树脂熔融行为之间的量化关系:适当热输入可促进树脂均匀熔融形成致密界面,而过度热输入会引发树脂热解碳化及气孔缺陷。本研究创新性地提出基于温度窗口的工艺优化模型,揭示了热输入-界面熔合-力学性能的关联机制,为CF/PPS复合材料感应焊接工艺窗口的精确控制提供了理论依据。研究成果不仅拓展了热塑性复合材料焊接理论体系,也为航空航天轻量化结构的高效制造提供了新的技术路径。
中图分类号: