CN104175012A - 一种碳纤维材料与金属材料的焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种碳纤维材料与金属材料的焊接方法，包括以下步骤：一、在多层碳纤维材料层铺设而成的碳纤维预成型体中埋设固化金属焊条，并使金属焊条的一部分伸出于碳纤维预成型体外，形成碳纤维结构件；二、利用所述碳纤维结构件中的金属焊条与金属件进行焊接，实现碳纤维材料与金属材料的焊接连接。本发明通过创新的在碳纤维预成型体内设置金属焊条，以简单的操作工艺、较高的焊接强度实现了碳纤维材料与金属材料之间的焊接连接，以超低的成本、全新的方法创新了碳纤维与金属件之间的焊接连接方式，促进了碳纤维材料替代金属在多个技术领域的应用，极大的推动了碳纤维材料的发展。
Description
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，更具体的涉及一种碳纤维材料与金属材料的焊接方法。
背景技术
在现代新材料技术中，碳纤维材料因强度高、质量轻、导热性能出众而在热控制系统中得以广泛应用，特别是在汽车、航天上，这使得它与金属的连接成为人们的必然考虑。目前传统的碳纤维材料焊接方式为热塑性碳纤维复合材料熔融连接技术，热塑性碳纤维复合材料熔融连接（Fusion Bonding）技术主要是指通过一定的加热方式，使得热塑性碳纤维复合材料待连接面内树脂发生局部的熔融，再经过冷却固结到具有一定力学强度的一类结构件上的方法。热塑性碳纤维复合材料熔融连接技术原理上与金属材料的焊接过程有相似之处，因此习惯上又称为热塑性碳纤维复合材料的焊接技术。与传统机械结构件的铆接及胶结技术相比较，热塑性碳纤维复合材料的焊接技术最大的优点在于通用性、工艺周期短（一般批量单个件只需几十秒或几分钟）、连接强度高、可以最大限度的发挥热塑性碳纤维复合材料无可比拟的高性能优势，这极大的推动了高性能热塑性碳纤维复合材料结构件整体制造水平的提高，促进了热塑性碳纤维复合材料连接工艺的低成本、高效率、一体化发展。但是这种热塑性碳纤维复合材料的熔融连接技术在实现碳纤维与金属件的连接上存在着巨大的不足，与金属件的焊接强度不高且撞击易断裂，特别对于质量较大的金属结构件上，可操作性较低。现有技术中还有一类碳纤维材料的焊接技术，与这种熔融连接技术比较类似，将钛粉、铝粉、纳米碳粉等混合形成焊接层，利用这种焊接层高温熔融后将碳纤维与金属构件焊接在一起，类似的还有通过在碳纤维结构件待连接端面内注入金属焊料，将其熔融后与金属件焊接等等，这些焊接方式存在以下缺陷：一、焊接强度有限，因为金属焊料往往仅存在于碳纤维件的端表面附近，难以深入碳纤维件内部，进而无法保证碳纤维件与金属件之间的焊接强度，尤其是对于车用较大金属结构件，实用性差，还有因为金属焊料与碳纤维材料本身之间的熔接强度有限，也使得这种焊接方式无法保证大金属结构件与碳纤维件的高强度焊接；二、焊接工艺复杂、成本较高。首先焊料的配置成本较高，而且将这种焊料无论是形成中间焊层，还是注入到碳纤维结构件的焊接面内，操作工艺都比较复杂，进而提高了碳纤维与金属件间的焊接成本和劳动强度，在一定程度上抵消了引入碳纤维件的优势。因此如何以简单的操作工艺实现碳纤维材料与金属材料之间高强度的焊接连接对于促进碳纤维材料替代金属材料、以及碳纤维材料在汽车、航空等领域的广泛应用意义重大。
发明内容
本发明基于上述现有技术问题，创新的提出一种碳纤维材料与金属材料的焊接方法，通过创新的在碳纤维预成形体内设置金属焊条，以简单的操作工艺、较高的焊接强度实现了碳纤维材料与金属材料之间的焊接连接，以超低的成本、全新的方法创新了碳纤维材料与金属件之间的焊接连接方式，促进了碳纤维材料替代金属在多个技术领域的应用，极大的推动了碳纤维材料的发展。
本发明解决上述技术问题所采取的技术方案如下：
一种碳纤维材料与金属材料的焊接方法，包括以下步骤：
步骤一、在多层碳纤维材料层铺设而成的碳纤维预成型体1中埋设固化金属焊条2，并使金属焊条2的一部分伸出于碳纤维预成型体1外，形成碳纤维结构件；
步骤二、利用所述碳纤维结构件中的金属焊条2与金属件进行焊接，实现碳纤维材料与金属材料的焊接连接。
进一步的根据本发明所述的焊接方法，其中所述步骤一具体包括
（1）、根据碳纤维预成型体的铺层方案逐层铺设碳纤维材料层，并在碳纤维材料层铺设至中间层位置时，在所述中间层上铺设所述金属焊条2，并使金属焊条2的一部分伸出于碳纤维材料层的外侧；
（2）、在所述金属焊条2上继续铺设碳纤维材料层，待所有碳纤维材料层铺设完成后热压形成所述碳纤维预成型体；
（3）、在所述金属焊条2伸出碳纤维预成型体1侧面的位置向金属焊条2与碳纤维材料层间的间隙内灌入树脂，并采用真空袋压工艺将所述金属焊条2固化于碳纤维预成型体1内，形成所述碳纤维结构件。
进一步的根据本发明所述的焊接方法，其中所述步骤一具体包括：
（1）、根据碳纤维预成型体的铺层方案逐层铺设碳纤维材料层，待所有碳纤维材料层铺设完成后热压形成所述碳纤维预成型体1；
（2）、自所述碳纤维预成型体1的待焊接侧面的中间层位置向内插入所述金属焊条2，并使金属焊条2的一部分伸出于所述待焊接侧面；
（3）、在所述金属焊条2伸出碳纤维预成型体1侧面的位置向金属焊条2与碳纤维材料层间的间隙内灌入树脂，并采用真空袋压工艺将所述金属焊条2固化于碳纤维预成型体1内，形成所述碳纤维结构件。
进一步的根据本发明所述的焊接方法，其中所述金属焊条2的厚度为所述碳纤维预成型体1总厚度的30%-50%，所述金属焊条2的宽度为所述碳纤维预成型体1总宽度的5%-10%，所述金属焊条2埋设固化于碳纤维预成型体1内的长度占金属焊条总长度的30-50%。
进一步的根据本发明所述的焊接方法，其中所述金属焊条2埋设固化于碳纤维预成型体1内的长度为20-30mm，所述金属焊条2伸出于碳纤维预成型体1外的长度为30-40mm。
进一步的根据本发明所述的焊接方法，其中步骤二具体包括：
（1）、将所述碳纤维结构件中伸出于碳纤维预成型体1外的金属焊条2与金属件进行对准；
（2）、通过电焊将金属焊条与金属件焊接在一起。
进一步的根据本发明所述的焊接方法，其中步骤二具体包括：
（1）、在所述碳纤维结构件中伸出于碳纤维预成型体1外的金属焊条2的表面上进行镀银，并在镀银后的焊条表面涂覆锡膏，然后烘烤固化；
（2）、将步骤（1）中处理后的金属焊条2与金属件对准后，采用高温烙铁或放入高温烘箱内，利用烙铁焊将两者焊接在一起。
进一步的根据本发明所述的焊接方法，其中还包括步骤三、对所述碳纤维材料与金属材料的焊接位置进行外观修饰后处理。
进一步的根据本发明所述的焊接方法，其中所述金属焊条2为铜焊条，且在所述碳纤维预成型体1中埋设固化有多条所述金属焊条2。
进一步的根据本发明所述的焊接方法，其中所述金属焊条2与碳纤维预成型体1间通过机械结构连接，所述碳纤维预成型体内的金属焊条上加工有连接孔，通过机械连接件穿过碳纤维预成型体和所述连接孔而将所述金属焊条2和碳纤维预成型体1机械连接在一起。
通过本发明的技术方案至少能够达到以下技术效果：
本发明通过创新的在碳纤维预成形体内设置金属焊条实现了碳纤维材料与金属之间的焊接连接，创新了碳纤维焊接连接方式，首创了一种全新的碳纤维材料与金属材料的焊接方法，而且焊接操作工艺简单，焊接连接强度完全等同于金属件之间的焊接强度，远高于现有熔融、焊粉熔接等方式的连接强度，同时较现有的提前配置、注入焊料的焊接方式大幅降低了焊接成本，并且能够适用于碳纤维材料与各类金属件之间的高强度焊接连接，大大促进了碳纤维材料替代金属材料在多个技术领域的广泛应用，促进了碳纤维材料的发展。
附图说明
附图1为本发明所述焊接方法中制备的碳纤维结构件的俯视结构示意图；
附图2为附图1所示碳纤维结构件沿A-A向的剖视结构示意图；
图中：1-碳纤维预成型体，2-金属焊条。
具体实施方式
以下对本发明的技术方案进行详细的描述，以使本领域技术人员能够更加清楚的理解本发明，但并不因此限制本发明的保护范围。
本发明所述的碳纤维材料与金属材料的焊接方法具体包括以下步骤：
步骤一、制备含有金属焊条的碳纤维结构件；如附图1和附图2所示的，首先设计好碳纤维结构件的铺层方案，在包含多层结构的碳纤维预成型体1的中间层位置设置金属焊条2，所述金属焊条2可在碳纤维预成型体1的形成过程中随各碳纤维层的铺设形成在碳纤维预成型体1内，即当碳纤维预成型体1的各碳纤维层铺设至中间层位置时，在所述中间层上铺设金属焊条2，然后在所述金属焊条2上继续铺设各碳纤维层，或者所述金属焊条2可在碳纤维预成型体1形成后自碳纤维预成型体1待焊接表面的中间层位置伸入到碳纤维预成型体1内。然后自所述金属焊条2伸出碳纤维预成型体1表面的位置向金属焊条与碳纤维预成型体1间的间隙内灌入树脂，在采用真空袋压工艺将所述金属焊条固化于碳纤维预成型体1内，完成可用于焊接的碳纤维结构件的制作。所述的金属焊条一部分埋设固化于碳纤维预成型体1内，另一部分伸出于碳纤维预成型体1外，其中优选的埋设固化于碳纤维预成型体1内的金属焊条的长度可为20-30mm，伸出于碳纤维预成型体1外的金属焊条的长度可为30-40mm，通过伸出的金属焊条与金属件进行焊接，实现碳纤维结构件整体与金属件的焊接连接。为保证焊接连接强度，经过试验验证下述参数优选：尺寸方面：所述金属焊条2的厚度优选的为碳纤维预成型体1总厚度的30%至50%，所述金属焊条2的宽度优选的为碳纤维预成型体1总宽度的5%至10%，所述金属焊条2埋设固化于碳纤维预成型体1内的长度优选的占金属焊条总长度的30-50%：材料方面：所述金属焊条优选的铜焊条，并且优选在所述金属焊条伸出于碳纤维预成型体1外的表面上可进一步镀银，通过镀银能够提高锡膏在焊条表面的附着力，有利于进行烙铁焊，同时能够满足一些电学工艺中电路设计或连接焊接工艺的要求。
步骤二、在步骤一所述碳纤维结构件的金属焊条上涂锡膏，在实验室内对伸出碳纤维预成型体1外的金属焊条2表面均匀的涂覆高温锡膏，然后烘烤放置，以便于后续烙铁焊；
步骤三、将步骤一和二处理得到的碳纤维结构件与金属件进行焊接，利用碳纤维结构件上外伸的金属焊条与金属件直接进行电焊，或者用高温烙铁将碳纤维结构件上的金属焊条与金属线进行焊接，金属焊条上涂覆的锡膏为这种烙铁焊提供了条件，或者在步入式高温烘箱内将碳纤维结构件的金属焊条与金属件用夹具夹好后进行升温，自然冷却后焊接固化。
步骤四、进行外观修饰后处理，对碳纤维结构件与金属件的焊接位置进行打磨处理。
以上对本发明的优选实施方式进行了描述，本领域技术人员亦可在上述实施方案的基础上进行进一步优化改进，如可在碳纤维预成型体的待焊接边角设置多条进行焊接的镀有金属银的薄金属焊条，同时为了进一步增强金属焊条与碳纤维预成型体的机械连接强度，可进一步在金属焊条与碳纤维预成型体间设置机械连接结构，在伸入碳纤维预成型体内的金属焊条上加工连接孔，通过机械连接件穿过碳纤维预成型体和金属焊条上的连接孔而将两者牢固的连接在一起，并配合熔融树脂固化能够最大限度的提高金属焊条与碳纤维预成型体间的连接强度，而伸入的金属焊条与金属件之间的焊接强度等同于金属焊接强度，因此通过这种改进能够将碳纤维与金属件之间的焊接连接强度提高到金属与金属间的焊接强度高度，最大化了碳纤维与金属件尤其是大型金属件间的焊接连接强度，这种焊接牢固程度是现有所有碳纤维焊接方案无法比拟和达到的。
本发明通过在待焊接的碳纤维材料中设置金属焊条，在利用金属焊条实现碳纤维与金属件之间的焊接连接，解决了碳纤维材料与金属件间的焊接技术问题，大大提高了碳纤维材料与金属材料的焊接强度，使得碳纤维材料能够更好的满足金属件的各类焊接要求，同时通过在碳纤维结构件中设置的金属焊条上镀银可以满足一些电学工艺中电路设计或连接焊接工艺要求，促进了碳纤维材料在各领域的广泛应用。
以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明的主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴，本发明具体的保护范围以权利要求书的记载为准。
Claims (10)
1.一种碳纤维材料与金属材料的焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、在多层碳纤维材料层铺设而成的碳纤维预成型体（1）中埋设固化金属焊条（2），并使金属焊条（2）的一部分伸出于碳纤维预成型体（1）外，形成碳纤维结构件；
步骤二、利用所述碳纤维结构件中的金属焊条（2）与金属件进行焊接，实现碳纤维材料与金属材料的焊接连接。
2.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，其中所述步骤一具体包括：
（1）、根据碳纤维预成型体的铺层方案逐层铺设碳纤维材料层，并在碳纤维材料层铺设至中间层位置时，在所述中间层上铺设所述金属焊条（2），并使金属焊条（2）的一部分伸出于碳纤维材料层的外侧；
（2）、在所述金属焊条（2）上继续铺设碳纤维材料层，待所有碳纤维材料层铺设完成后热压形成所述碳纤维预成型体；
（3）、在所述金属焊条（2）伸出碳纤维预成型体（1）侧面的位置向金属焊条（2）与碳纤维材料层间的间隙内灌入树脂，并采用真空袋压工艺将所述金属焊条（2）固化于碳纤维预成型体（1）内，形成所述碳纤维结构件。
3.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，其中所述步骤一具体包括：
（1）、根据碳纤维预成型体的铺层方案逐层铺设碳纤维材料层，待所有碳纤维材料层铺设完成后热压形成所述碳纤维预成型体（1）；
（2）、自所述碳纤维预成型体（1）的待焊接侧面的中间层位置向内插入所述金属焊条（2），并使金属焊条（2）的一部分伸出于所述待焊接侧面；
（3）、在所述金属焊条（2）伸出碳纤维预成型体（1）侧面的位置向金属焊条（2）与碳纤维材料层间的间隙内灌入树脂，并采用真空袋压工艺将所述金属焊条（2）固化于碳纤维预成型体（1）内，形成所述碳纤维结构件。
4.根据权利要求2或3所述的焊接方法，其特征在于，所述金属焊条（2）的厚度为所述碳纤维预成型体（1）总厚度的30%-50%，所述金属焊条（2）的宽度为所述碳纤维预成型体（1）总宽度的5%-10%，所述金属焊条（2）埋设固化于碳纤维预成型体（1）内的长度占金属焊条总长度的30-50%。
5.根据权利要求1-4任一项所述的焊接方法，其特征在于，所述金属焊条（2）埋设固化于碳纤维预成型体（1）内的长度为20-30mm，所述金属焊条（2）伸出于碳纤维预成型体（1）外的长度为30-40mm。
6.根据权利要求1-5任一项所述的焊接方法，其特征在于，其中步骤二具体包括：
（1）、将所述碳纤维结构件中伸出于碳纤维预成型体（1）外的金属焊条（2）与金属件进行对准；
（2）通过电焊将所述金属焊条与金属件焊接在一起。
7.根据权利要求1-5任一项所述的焊接方法，其特征在于，其中步骤二具体包括：
（1）、在所述碳纤维结构件中伸出于碳纤维预成型体（1）外的金属焊条（2）的表面上进行镀银，并在镀银后的焊条表面涂覆锡膏，然后烘烤固化；
（2）、将步骤（1）中处理后的金属焊条（2）与金属件对准后，采用高温烙铁或放入高温烘箱内，将两者焊接在一起。
8.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，还包括步骤三、对所述碳纤维材料与金属材料的焊接位置进行外观修饰后处理。
9.根据权利要求1-8任一项所述的焊接方法，其特征在于，所述金属焊条（2）为铜焊条，且在所述碳纤维预成型体（1）中埋设固化有多条所述金属焊条（2）。
10.根据权利要求1-9任一项所述的焊接方法，其特征在于，所述金属焊条（2）与碳纤维预成型体（1）间进一步通过机械结构连接，所述碳纤维预成型体内的金属焊条上加工有连接孔，通过机械连接件穿过碳纤维预成型体和所述连接孔而将所述金属焊条（2）和碳纤维预成型体（1）机械连接在一起。
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