【原】西交大|復材超聲焊：仿真+實驗雙引擎，解鎖CF/PC超聲連接高強度

連續碳纖維增強熱塑性復合材料因具備低密度、優異機械性能及可回收利用等優勢，已成為航空航天、汽車等領域備受關注的“輕量化明星”結構材料。超聲波焊接作為一種高效無污染的新型熔接技術，完美適用于熱塑性復合材料的快速連接需求。然而，由于界面機理認識不足及多參數耦合下的優化困難，超聲焊接的工程應用受限，難以實現高效尋優。

針對這一挑戰，西安交通大學韓賓、張琦教授團隊提出 “仿真+實驗”融合方案：建立界面摩擦生熱—粘結演化物理模型，得出“由邊向中”的熔合擴展規律；并以剪切/剝離力學測試、micro-CT 三維重構、SEM 斷面觀察等多尺度手段閉環驗證機理、校準工藝窗口。研究同時系統評估四種典型搭接形式，給出可直接落地的結構設計與參數優化指引。相關成果已在線發表于國際權威期刊《Composite Structures》。

仿真結果顯示，焊接界面的溫度場呈顯著局部化特征：熱量優先在搭接前后緣及纖維束周圍聚集形成高溫“熱點”，促使PC基體率先軟化—熔化并由邊向中擴展熔合區。界面熱源機理表現為階段性主導：焊接初期以界面摩擦生熱為主；當溫度跨越PC的Tg后，材料粘彈耗散貢獻增強，維持較高的界面熱輸入并加速分子鏈擴散與重纏結，從而提高粘結程度。

圖1. CF/PC 復合材料超聲焊接界面溫度云圖：(a) 焊接時間0.2s；(b) 焊接時間0.6s；(c) （c）焊接界面溫度預測;（d）焊接界面附著度的預測。

此外，研究團隊系統評估了四種常見搭接結構的焊接表現。通過仿真與實驗相結合，分析不同搭接形式在焊接過程中的升溫特征和接頭強度。結果表明，搭接結構對焊縫尺寸和結合強度具有顯著影響。研究確定了優化的搭接設計以及界面預置樹脂墊片的合理厚度，在平齊搭接的條件下可以使能量得以有效聚焦，熔合區域分布更均勻，從而顯著提升接頭強度和穩定性。

圖2. 不同搭接情況示意圖：（a）平齊搭接;（b）懸臂搭接;（c）翹曲搭接;（d）焊頭傾斜。

通過一系列宏觀力學測試與微觀結構表征，團隊驗證了仿真模型的準確性并全面評估了焊接質量。搭接剪切強度和十字剝離強度測試結果表明，不同焊接參數下接頭力學性能差異顯著；結合CT三維重構和斷面SEM觀測，清晰揭示了界面失效模式（如纖維拔出、基體撕裂等）與仿真預測的熔合區域高度吻合。這一多尺度、多維度的驗證手段同時也驗證了仿真的可靠性。在此基礎上，研究團隊進一步優化了焊接工藝參數。結果發現，當焊接壓力為2.0?bar、焊接時間為1.2?s時，可獲得性能最優的接頭，其搭接剪切強度高達18.05?MPa，剝離強度達到2.21?MPa。

圖3. 焊接參數優化與性能提升：(a)不同焊接壓力和時間對接頭強度影響；(b)不同焊接壓力下的最大剪切強度及接頭形貌；(c) 不同焊接時間下的最大剝離強度和接頭形貌；(d-g)1.2s，2.0bar下的焊接界面SEM圖像；(h-i) 1.2s，2.0bar下接頭CT截面圖像。

綜合來看，這項工作提出了一個基于物理的仿真-實驗集成框架，系統地揭示了超聲波焊接中的熱/機械耦合機制。這些發現強調了優化焊接參數和增強樹脂-纖維結合以提高接頭強度的重要性，為推進 CF/PC 復合材料中的超聲波焊接工藝及其更廣泛的工業應用提供了寶貴的見解。

相關成果以“High‐performance ultrasonic welding of continuous carbon fiber reinforced polycarbonate composites: Synergizing simulation and experimentation”為題發表于國際權威期刊 Composite Structures。西安交通大學韓賓副教授為論文的通訊作者，論文第一作者是西安交通大學機械學院研究生任禹堯，合作者還包括西安交通大學機械學院張琦教授。韓賓團隊長期從事熱塑性復合材料及結構先進制造及焊接工藝的研究，相關專利及論文成果如下。

發明專利：

韓賓, 王肖笛, 嚴啟源, 等. 連續纖維增強熱塑性復合材料與金屬的超聲波復合鉚焊方法 [P]. 發明專利, 2023. 申請號: CN202310094688.3.

韓賓, 嚴啟源, 王肖笛, 等. 連續碳纖維增強熱塑性復合材料超聲波焊接界面監測方法 [P]. 發明專利, 2023. 申請號: CN202310075012.X.

韓賓, 嚴啟源, 王肖笛, 等. 連續碳纖維增強熱塑性復合材料超聲波焊接質量檢測方法 [P]. 發明專利, 2023. 申請號: CN202310078018.2.

韓賓, 嚴啟源, 王肖笛, 等. 連續碳纖維增強熱塑性復合材料焊接接頭溫度監測方法 [P]. 發明專利, 2023. 申請號: CN202310078399.4.

韓賓, 任禹堯, 嚴啟源, 等. 纖維增強熱塑性復合材料超聲波連續焊接智能系統及方法 [P]. 發明專利, 2025. 申請號: CN202510036139X.

權威期刊論文：

Ren YY, Han B*,Yan QY, et al. Enhancement of Pre-embedding SiC Particle on Interfacial Strength in Ultrasonic Welded Carbon Fiber Reinforced Thermoplastic Composite Joints. Composites Science and Technology, 2025: 111200.

Han B*, Yan QY,Ren YY, et al.Interfacial resistance-based multifunctional health monitoring on ultrasonic welding of carbon fiber-reinforced thermoplastic composites.Mechanical Systems and Signal Processing, 2025, 238:113247.

RenYY, Han B*, YanQY, WangXD, Zhang Q. High-performance ultrasonic welding of continuous carbon fiber reinforced polycarbonate composites: Synergizing simulation and experimentation.Composite Structures, 2025, 372, 119555.

Zheng PY, Han B*, Yao WB, Lu Y, Liu ZP, Wang QZ, Wang H, Zhang Q. Controllable spatiotemporal programming of shape memory polymer-elastomer bilayer composites for dynamic soft actuators. Chemical Engineering Journal, 2025, 518:164617.

Han B*, Wang YN, Liu C, Liu ZP, Zhang Q. 3D printed continuous carbon fiber reinforced TPU metamaterials for flexible multifunctional sensors. Chemical Engineering Journal, 2025, 513: 162767.

Zheng PY, Han B*, Liu ZP, Wang QZ, Wang ZY, Zhang Q. Multistable twist metastructures with enhanced collapsibility and multidimensional programmability. Additive Manufacturing, 2024, 95(5), 104550.