Elium是一種液態的熱塑性樹脂，用于制造復合材料的零件。它的機械性能類似于熱固性塑料，加工又類似于熱塑性塑料，即可熱成形，因此可回收利用，通過超聲波焊接進行連接。

這個剎車踏板是由纖維增強型PA6制成。

上圖的側面碰撞門梁是由玻璃纖維增強型的PA6.6熱塑性塑料制成，比超高強度鋼制成的相同部件輕60%。

以上所有航空部件均由碳纖維增強PEEK制成。通過超聲波點焊，將鉸鏈hinges與C型框架連接。

導能筋(EnergyDirector)的大小和形狀會影響焊接質量。導能筋可以是半圓形、三角形或平面。由于“純”樹脂和纖維增強型復合材料之間的剛度差異，平的導能筋可以用在焊接復合材料上。

超聲波焊接用來連接熱塑性復合材料。

增強型復合材料通過纖維增加樹脂剛度，來改善超聲波傳導能力，提高復合材料的可焊性。但是，過多纖維會降低接頭界面處的樹脂含量，從而降低焊接強度。

常見連接方法

制造大型的單一復合部件，如汽車車身或飛機機身，需要一個大型而復雜的模具，因此這個過程會非常昂貴。替代的可選方案，是通過使用各種連接技術組裝一系列較小的零部件，以更低的成本制造這樣復雜的部件。

最常見的連接方法最緊固件連接，例如螺絲。使用緊固件的優點：不需要表面處理，易于檢查，必要時可將部件拆卸。然而，緊固件有幾個缺點：零件螺絲孔引起的應力集中；增加了結構的重量；螺絲價格相對昂貴，例如復合材料飛機上緊固件占結構總成本的19% ~ 42%。

粘接是另一種選擇。近年來，膠粘劑在強度、疲勞壽命和剛度方面的性能有了很大的提高。膠粘劑的主要優點是能粘接不同的材料，也提供更均勻的應力分布。另一方面，膠粘劑需要大量的時間進行表面準備和固化，而且粘接接頭不能拆卸。

混合接頭使用粘合劑和機械緊固件提供了兩者最佳的性能，具有良好的承重能力和疲勞壽命。但是仍需要大量的勞動力和較長的連接時間。

焊接是第三種選擇。熱塑性塑料因其加熱熔化、加壓改變形狀的特性，所以適合于焊接。波音公司進行的一項研究發現，焊接復合材料機翼結構所需的勞動力成本比使用螺紋緊固件少了61%。

焊接熱塑性塑料的一種方法是電阻焊（Resistance Welding）。在這種方法中，將導電材料的導線或編織物放置在接合界面中。當電流通過時，電阻產生的熱量熔化周圍的聚合物，形成焊縫。鋼絲或編織物保留在接頭上，影響焊接強度。這種技術的優點是可以焊接大型和復雜的接頭。缺點是導電材料增加了成本。

另一個選擇是感應焊接（Induction Welding）。在這個過程中，感應線圈沿著焊縫移動。線圈在導電碳復合材料層板中產生渦流，產生的熱量熔化聚合物。

超聲波的優點和局限性

第三種選擇是超聲波焊接。這個過程有很多好處：

?超聲波焊接是最快的連接方法，是自動化的理想選擇。

?不需要填充材料?？梢赃M行點焊和焊縫焊接。

?表面損傷是最小的，因為熱量是在接合界面產生，而非頂部表面。

?一個干凈的工藝過程，不會產生煙霧或火花。

超聲波焊接也有局限性：

?工藝可行性受限于結構和焊縫設計，最大零件厚度或者從表面到焊縫的距離限制在7毫米內（一些剛度較小塑料的最大厚度小于3mm）。超聲波振動很難穿透較厚的零件。

?具有高剛度、硬度和阻尼的材料會阻礙振動轉化為熱能的效率。

?超聲波焊接的工作原理是將機械振動傳遞到接頭界面，因此焊接過程中會產生高頻振動。由于振動循環加載，增加了零件尤其是電子元件疲勞失效的風險。

影響塑料可焊性的因素有：分子結構、熔融溫度、流動性、剛度和化學組成。熔融溫度與焊接所需能量成正比。熔融溫度越高，焊接所需的超聲波能量越多。剛度影響能量傳遞，堅硬的材料比柔軟的材料能更好地傳遞振動。熔融溫度、流動性和化學成份，在焊接不同聚合物時起到關鍵作用。比方說，如果一種材料熔融溫度比另一種低，它就會熔化得早，造成粘結不良。為了達到最好的焊接效果，兩種材料之間的熔融溫度差不應超過22℃，并且兩種材料的化學成份相容。

水分含量也會影響焊接質量。在100℃時，塑料吸收的水會蒸發，在接頭界面產生多孔缺陷，降低焊接強度。脫模劑、增塑劑和抗沖擊改性劑也會降低樹脂傳遞振動的能力。

另一方面，填料可以通過提高材料剛性，來增強某些樹脂傳遞超聲波能量的能力。然而，填充物含量要限制。當使用高達20%的填料有助于傳遞超聲振動，使用更多填料可能導致界面樹脂量不足，從而降低焊接質量。

焊縫設計

超聲波焊接的焊縫設計有兩種：導能筋設計和剪切縫設計。導能筋是一個突起的三角或者半圓筋?？捎糜诿芊庑砸蟮偷男〕叽缌慵?，以及公差較大的中大尺寸零件。對于剪切縫，振動傳播方向平行于焊接界面，界面處的摩擦剪切力產生熱量。當有較高焊接強度或高密封性要求時，使用剪切縫設計。剪切縫設計也適用于半結晶樹脂的焊接。

導能筋的作用是通過尖點引導和集中超聲振動，以增加接觸點的粘彈性應力產生的熱量。導能筋大小和形狀會影響焊接質量。導能筋可以是半圓形、三角形或平面。由于"純"聚合物和纖維增強型復合材料之間的剛度差異，扁平的導能筋也可以焊接復合材料。

在正確的工藝參數下，熱塑性復合材料的焊接可以不需要導能筋，但是有導能筋總比沒有導能筋要好。有研究表明：連接PA6復合材料時，對比焊接壓力和振動時間參數，導能筋設計對焊接質量更加重要；當焊接碳纖維增強PEEK時，有導能筋的焊接強度要比無導能筋接頭高50%。

超聲波焊接參數

超聲焊接質量受以下參數影響：振幅、焊接能量、焊接時間、焊接深度，焊接前、焊接中和焊接后壓力，以及保壓時間。

焊接質量在很大程度上取決于輸入能量。輸入能量由公式計算：E = F x f x A x t，其中E為輸入能量（焦耳），F為焊接壓力（牛頓），f為頻率（赫茲），A為振幅（微米），t為時間（秒）。

有研究表明，焊接強度與總能量輸入密切相關。例如對纖維增強PA6的焊接，當焊接能量從200J增加到1000J時焊接強度增加，但超過1000J時，由于在焊縫中產生氣孔而降低了焊接強度。

焊接時間是另一個關鍵參數。例如，碳纖維增強PEEK，其焊接質量隨著焊接時間增加而增加。但是，較長的焊接時間（1.1秒或更長）會在焊縫處產生裂紋和孔隙。

振幅也起著重要作用，一般塑料的熔融溫度越高，需要的振幅也就越大。

熱塑性塑料的焊接

常見應用大多數是用玻璃纖維增強的PP或PA。一致認為焊接時間和振幅對焊接質量影響最大。

導能筋或者剪切縫的幾何形狀對焊接質量也有顯著影響。例如，碳纖維增強PEI的超聲波焊接，焊接強度隨著ED的體積增加而增加，但達到一定的體積閾值后，焊縫強度下降。

對于碳纖維增強PA66的超聲波焊接。研究人員發現，4mm厚塑料面面焊接，沒有導能筋，焊接時間為2.1秒，焊接壓力為0.15MPa，焊接強度為5200N。

對于碳纖維增強PEEK的超聲波焊接。研究人員發現，當采用0.45mm厚的扁平導能筋，焊接強度隨焊接時間的增加而增加。但在最佳時間后，進一步增加焊接時間會導致較大的裂紋和孔洞，焊接強度顯著降低。

“綠色”復合材料的超聲波焊接。研究人員利用超聲波焊接技術將竹纖維增強聚乳酸連接在一起。焊接時間為3秒，保持時間為9秒，焊接壓力為0.3Mpa時，焊縫強度達到最大。

另一項研究觀察了使用剪切縫設計的玻璃纖維增強PA的超聲焊接。焊接時間0.6秒，焊接壓力為0.4Mpa，保壓時間0.55秒的情況下獲得了最大的接頭強度。

焊接前的零件預熱可能對難以連接的塑料有幫助。例如，一項研究觀察了碳纖維增強PA66的超聲波焊接。研究人員發現，在焊接前預熱125℃的零件在拉伸和疲勞試驗中比未預熱的零件表現好30%。預熱降低了復合材料的分解，溫度梯度明顯降低。

熱塑性塑料焊接到其它材料

許多研究都著眼于將熱塑性復合材料焊接到其它材料上，例如熱固性復合材料、鋁和鋼。

由于超聲波焊接依賴于兩種連接材料的熔化，因此熱塑性和熱固性復合材料之間焊接是不可行的。然而，可以將熱固性復合材料焊接到熱塑性薄膜上，如PEEK、PSU/PSF、PPS、PS、PEI和PVB。焊接溫度是影響焊接效果的一個主要因素。焊接時必須注意防止熱固性復合材料的熱降解。盡可能采用短的焊接時間。

研究人員還研究了金屬與熱塑性塑料的超聲波焊接。在這種應用中，振動是平行于零件的，而不是垂直的。例如，一項研究將鋁焊接到純ABS上，剪切強度達到2.3Mpa