背景简介

焊接界面的强度决定了焊接接头的质量。纤维增强热塑性复合材料具有可回收、焊接手段多样等优点，近年来，在航空航天为和能源输送管道等应用不断拓展。在实际应用中，热塑性复合材料通常需要通过焊接的方式形成结构件，研究热塑性复合材料的焊接界面强度对保证接头可靠性具有重要意义。

对于热塑性复合材料的焊接界面，一方面，纤维在焊接界面上能够起到连接作用，从而提升界面强度；另一方面，纤维可能会增加初始缺陷（如纤维与基体的界面缺陷），从而削弱界面强度。对热塑性复合材料之间及其与金属材料的焊接界面研究表明，纤维在焊接界面上多表现为增强作用。然而，目前尚缺乏热塑性复合材料与热塑性聚合物的焊接界面性能研究，纤维在焊接界面上影响及其机制尚不明确。

成果介绍

本文以非金属管道接头中的焊接界面为研究对象，通过剪切和剥离实验测试了填充纤维对焊接界面强度的影响。通过焊接界面的微观组织结构观测和DIC全场应变测量，从纤维取向和焊接界面应变分布方面，分析了纤维对焊接界面强度的影响机制。

（1）剪切和剥离实验结果显示，焊接界面的剪切强度和剥离强度分别提升了6.1%和14.3%，证实了纤维焊接界面上的增强作用，且纤维对剥离强度的增强效果明显优于剪切强度。焊接界面的微观组织结构观测表明，纤维在焊接界面上的取向是影响其增强效果的关键因素。对于完整的焊接界面，在焊接过程中纤维会随着熔体的流动取向（图1a），使得焊接完成后，纤维基本平行于焊接界面取向（图1e）。

图1 焊接时熔体流动产生的纤维取向，焊接界面附近的纤维倾向于平行焊接界面取向

（2）剪切测试过程中，纤维随着基体的剪切变形平行于焊接界面取向（图2a）；而在剥离测试中，纤维会随着基体的剥离变形垂直于焊接界面取向（图2b）。垂直于焊接界面的纤维能够更好地起到连接焊接界面的作用，这解释了剥离强度增加更加明显的原因。

由此，通过焊接界面失效前后的纤维取向观测，发现了纤维在不同受载条件下随着基体变形产生了不同的取向状态，从而揭示了不同载荷下纤维对焊接界面增强效果差异的原因。

图2（a）剪切和（b）剥离测试后的焊接界面纤维取向及其增强效果示意图

（3）采用DIC测量了剪切测试中焊接界面的应变分布，发现填充纤维降低了焊接界面周围的应变水平（图3）。进一步提取焊接界面的应变分布，计算了焊接界面的应变集中系数（图4），发现纤维填充后焊接界面的应变分布更加均匀，降低了焊接界面端部的应变集中水平，这有助于缓解界面端部由于应变/应力集中发生提前失效。

图3 填充纤维（a）前（b）后焊接界面附近应变分布

结合DIC的应变测量数据，计算了纤维填充前后的焊接界面刚度（图5），发现纤维填充后焊接界面刚度提升了22.8%。较高的界面刚度能够更好地传递焊接界面端部的集中应变，提升界面应变分布均匀性，这与上述应变分布（图3）和应力集中系数（图4）的结果一致。

图4 焊接界面的应变集中系数，kp和kh为填充纤维前后的应变集中系数

图5 纤维填充前后焊接界面刚度

该研究工作得到了国家自然科学基金的支持。

引文格式：

GB/T 7714

Shi J, Yao R, Kong Z, et al. Strength analysis on hybrid welding interface of polymer and short carbon fiber reinforced composite[J]. Journal of Materials Science, 2021, 56: 14556-14569.

MLA

Shi, Jianfeng, et al. “Strength analysis on hybrid welding interface of polymer and short carbon fiber reinforced composite”. Journal of Materials Science 56 (2021): 14556-14569.

APA

Shi, J., Yao, R., Kong, Z., Ni, F., & Zheng, J. (2021) Strength analysis on hybrid welding interface of polymer and short carbon fiber reinforced composite. Journal of Materials Science, 56, 14556-14569.

（图文供稿：浙江大学 施建峰；

网络编辑：侯志伟，费嘉文，温建锋）