机械工程学报

作者：沈亮量, 肖娟, 徐剑, 蹇锡高, 林剑峰, 任志英

单位：1. 大连理工大学化工学院 大连 200240;2. 中国科学院宁波材料技术与工程研究所全省数据驱动高安全能源材料及应用重点实验室 宁波 315201;3. 中国科学院宁波材料技术与工程研究所宁波市特种能源材料与化学重点实验室 宁波 315201;4. 福州大学机械工程及自动化学院 福州 350116

关键词：碳纤维复合材料,感应焊接,数值模拟,传质传热,多尺度分析；

基金：国家自然科学基金NSAF联合基金(U2330202)、国家自然科学基金(52175162，51975123，52075526，91860204)、福建省科技计划区域发展(2024H4017)和福建省重点技术创新和产业化(2024XQ010，2023XQ005)资助项目

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。

来源：2025年第18期

《机械工程学报》期刊编辑部

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