CN108099219A - 一种碳纤维复合材料板与铝合金板之间的粘铆方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碳纤维复合材料板与铝合金板之间的粘铆方法，该粘铆方法采用带有通孔的碳纤维复合材料板与铝合金板进行胶粘，在胶粘剂未固化前进行铆接，利用开孔半空心铆钉，在冲头作用铆接过程中排出半空心铆钉空心部分空气，胶粘剂流入铆钉开孔进行封闭，并在自冲铆接过程完成后进行固化，完成粘铆连接。本发明可以提高了现有碳纤维复合材料连接工艺的强度，解决了现有粘铆技术中铆接对胶层的破坏问题，同时，铆接过程可以排空空心部空气，并在胶粘剂的流入后封闭，提高接头的耐腐蚀性。

Description

一种碳纤维复合材料板与铝合金板之间的粘铆方法
技术领域
本发明涉及碳纤维复合材料板与铝合金板铆接技术领域，尤其涉及一种碳纤维复合材料板与铝合金板之间的粘铆连装置及一种胶结剂固化前自冲粘铆方法。
背景技术
随着汽车、航空及军工材料多元化发展趋势，单一应用传统金属材料已不能完全满足使用需求。复合材料的快速发展和广泛应用使得材料运用更加完善。相比于传统的金属材料和其它复合材料，碳纤维复合材料具有高强度和高比强度的优势，使其能在结构应用中明显提高结构整体性能，但是碳纤维复合材料和金属材料连接关系复杂，目前，碳纤维复合材料的连接方法主要有：传统机械连接、胶接连接、缝合连接、冷碾铆接等，其中，胶接连接实用简单，但存在一些明显的缺陷，连接性能易受环境影响。碳纤维复合材料自冲铆接技术较金属材料更为复杂，其较差的延展性决定碳纤维复合材料不易于与金属材料自冲铆接。因此，复合连接工艺成为碳纤维复合材料连接的重要手段。
粘结和铆接复合连接技术是提高碳纤维复合材料与金属材料连接强度的重要手段。
粘铆复合连接工艺通过胶层作为绝缘性材料将板材分开，具有良好的抗腐蚀性与连接固定的作用，铆接可以防止胶接突然失效，起到失效缓冲的作用。但是，传统的碳纤维复合材料和材料粘铆工艺存在以下缺陷：1.铆接过程中，碳纤维复合材料板材会发生破坏，影响其力学性能；2.胶层固化后再铆接，铆钉穿透胶层，会影响胶层的力学性能；3.胶层固化后铆接，不能提高铆钉与金属板、铆钉与碳纤维复合材料板的力学性能。
因此，在粘铆复合连接工艺流程中，在胶粘剂液态状态下对铝合金板和碳纤维复合材料板进行铆接，铆接后进行整体固化。粘铆过程中得到高强度且稳定的铆接接头，同时改善原有粘铆方法对胶粘剂的破坏，得到性能良好的连接件。同时，铆接过程不会破坏胶层，可以更好的保证胶层强度的同时，也可以提高碳纤维复合材料板与金属材料板的整体性能。
发明内容
本发明方法是提供一种碳纤维复合材料板与铝合金板之间的胶结剂固化前自冲粘铆方法，可以提高了现有碳纤维复合材料连接工艺的强度，解决了现有粘铆技术中铆接对胶层的破坏问题。
本发明的另一个目的是开发了一种开孔半空心铆钉，铆接过程可以排空空心部空气，并在胶粘剂的流入后封闭，提高接头的耐腐蚀性。
圆盘形凹模主体，其上中心设置有环形凹模型腔，凹模主体的环面上由外向内开设多个与所述凹模型腔不相通的矩形凹槽，所述凹模型腔中心设有圆锥凸台；压边圈，其与所述凹模主体在竖直方向相对设置，所述压边圈能够在竖直方向运动，所述压边圈中心设置有通孔；
多个导热电极，分别设置在所述凹模的矩形凹槽内；
冲头，其为实心圆环形结构件，所述冲头可上下滑动设置在所述压边圈中心孔内部；
驱动机构，其驱动所述冲头和所述压边圈向下移动进行冲压铆接操作。
优选的是，还包括：
所述导热电极连接脉冲电流发生器。
一种碳纤维复合材料板与铝合金板之间的粘铆方法，其特征在于，还包括：
步骤一，将胶粘剂均匀的涂抹铝合金板料的一面，并把直径与胶层厚度相同钢丝均匀地放在粘接剂中，胶层厚度为0.1～0.3mm，并与一块带有直径为6～8mm通孔的碳纤维复合材料板件粘接；
步骤二，将涂胶的铝合金板和碳纤维复合材料板件置于凹模之上，铝合金板在下，驱动压边圈下移至将两块板件压紧，将铆钉送入压边圈的中心光通孔中，冲头下移实施自冲铆接；
步骤三，随着冲头下移，使胶粘剂随铝合金板变形流入铆钉与铝合金板之间，同时排出铆钉空心部分空气，流入铆钉开孔进行封闭，铆钉在凹模和冲头的共同作用下铆钉腿部逐渐外翻形成铆扣；
步骤四，直到冲头到达下止点，开启脉冲电流发生器，使胶粘剂进行固化。
优选的是，步骤四中，所述脉冲电流发生器的参数：
脉冲电压：V＝200～700v
脉冲密度：I＝3000～3400A/mm2
脉冲宽度：λ＝45～65μs
脉冲频率：f＝70～90Hz
脉冲时间：t＝5～19s。
优选的是，还包括：
步骤三中，冲头冲压的速度
其中，H是冲头冲压的高度，t是冲压时间，S是所述凹模型腔截面积，σ是待粘铆的铝合金板的抗挤压应力，f是铝合金板与所述凹模型腔的摩擦力，L是冲压头周长，h是铝合金板厚度，F是铝合金板抗剪强度。
优选的是，还包括：
步骤三中，冲头冲压的冲压力
其中，k是系数，L是冲压头周长，h是铝合金板厚度，σ是待粘铆的铝合金板的抗挤压应力，F是铝合金板抗剪强度，S是所述凹模型腔截面积。
优选的是，还包括：
冲压时间t为1～1.8s。
本发明所述的有益效果：1)本发明方法是在胶粘剂未固化前进行铆接，解决铆接过程中铆钉对胶层的破坏，从而提高粘铆复合连接性能；2)本发明所述的粘铆方法同时胶粘剂随铆接过程流入铆钉与铝合金板之间，有效防止接头的腐蚀问题，同时进一步加强了接头的连接强度；3)本发明所述的粘铆方法中采用开孔半空心铆钉，铆接过程可以排出半空心铆钉空心部分空气，胶粘剂流入铆钉开孔进行封闭，使铆钉与碳纤维复合材料、铝合金板完全粘结，提高接头强度，避免异种金属发生腐蚀；4)本发明在铆接装置增加加热装置，使固化剂直接固化，简化工艺步骤，保证连接的稳定性；5)使用通孔碳纤维复合材料板，不需要进行冲孔加工工艺，简化工艺步骤，节省成本，同时也避免了碳纤维复合材料板在冲孔过程中发生脆性破坏，破坏材料本身良好的力学性能。
附图说明
图1为本发明所述的铝合金板与碳纤维复合材料板之间的粘铆方法中采用的带有通孔的碳纤维复合材料板全剖视图。
图2为本发明所述的铝合金板与碳纤维复合材料板之间的粘铆方法中采已经完成涂胶的板材示意图。
图3为本发明所述的铝合金板与碳纤维复合材料板之间的粘铆方法中采用的自冲铆接设备结构组成示意图。
图4为本发明所述的铝合金板与碳纤维复合材料板之间的粘铆方法中采用的自冲铆接设备在铆接过程中冲头运动到下止点的工序。
图5为本发明所述的开孔半空心铆钉全剖视图。
图6为本发明所述的开孔半空心铆钉俯视图。
图7为本发明所述的铝合金板与碳纤维复合材料板之间的粘铆装置中压力传感器、温度传感器、冷却水道分布位置的全剖视图。
图8为本发明所述的铝合金板与碳纤维复合材料板之间的粘铆装置中压力传感器在压边圈分布位置的全剖视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
如图3-8所示，本发明提供自冲粘铆连接装置包括：冲头5，导热电极6，凹模主体7，凹模型腔8，压边圈9。压边圈9，其与凹模主体7相对设置，压边圈9中心设置有通孔，压边圈9底面与凹模主体7顶面为可接触式连接。凹模主体7，其为圆盘形结构件，并在中心处设置有环形腔，即为凹模型腔8，环形腔中心有一个圆锥形凸台，凹模型腔8的回转轴线与圆锥形凸台的回转轴线共线。
凹模主体7的底环面上由外向内开设多个结构相同的矩形凹槽，矩形凹槽的轴线与凹模主体7中心位置凹模型腔8的中心轴相交，并且矩形凹槽与凹模型腔8不连通，矩形凹槽的表面与凹模主体7的表面上均涂有绝缘材料。
导热电极6，其数量为多个，结构相同，设置在凹模主体7的矩形凹槽内，导热电极6略凸出，导热电极6连接脉冲电流发生器。
距凹模主体7上表面40mm的中部添加有一排30～50个上冷却水道14，上冷却水道14的直径为20mm，为保证能够迅速调节铝合金板3下表面温度，冷却水道14采用圆形增大冷却面积。
冲头5，其为实心圆柱形结构件，其设置在压边圈9中心孔内部，并能够沿中心孔上下滑动；
压边圈9下表面，凹模主体7上表面均匀分布了6～8个贴片式压力传感器11/12，贴面式压力传感器占用空间小，适合测定金属表面压力，上贴片式压力传感器选用EPL系列贴片式动态压力传感器，该压力传感器有一定的温度补偿适合加热状态下测定金属表面压力值。压力传感器11/12与压边圈9、凹模主体7使用胶粘，胶粘操作简单并且可以重复使用。
如图8所示，凹模主体7上表面均匀分布4～8个下温度传感器13，下温度传感器13选择贴片式温度传感器，贴片式温度传感器和被测物体表面接触面积大，接触紧密，所以在一些表面温度测量方面具有比较明显的优势：测温准确性高、反应速度快，体积小方便固定安装。下温度传感器13选用的型号为JCJ100TTP贴片式温度传感器，下温度传感器13与凹模主体7采用胶粘的连接方式，胶粘操作简单并且可以重复使用。
贴片式压力传感器11/12外接导线连接到数字控制台6。下温度传感器13均匀胶粘在凹模主体7上表面，外接导线连接到数字控制台6。数字控制台6显示压边圈9下表面的压力值、凹模主体7上表面的压力值、凹模主体7上表面的温度值，数控控制台6控制凹模主体7中的导热电极，同时分别控制下冷却水道14的注水。
开孔半空心铆钉10，铆钉头部直径范围为8-10mm，腿部范围为6-8mm，头部开有小孔。铆钉腿部外径与所述碳纤维复合材料板5通孔直径相同，使铆钉腿部恰好可放入带有通孔的碳纤维复合材料板5的通孔中。
参考图1-4，本发明所述的铝合金板与碳纤维复合材料板的粘铆方法的步骤如下：
步骤一，如图1粘铆之前制备出一块带有一个直径为6～8mm通孔的碳纤维复合材料板件；
步骤二，如图2所示，将预制孔碳纤维复合材料板与铝合金板进行除杂预处理，将高分子胶粘剂2均匀的涂抹铝合金板料的一面，并把直径与胶层厚度相同钢丝4均匀地放在粘接剂的四周，粘接碳纤维复合材料1，去除板料周围多余的胶粘剂。
步骤三，如图3所示，将所述已涂胶的带有通孔的碳纤维复合材料板1与铝合金板3放置在凹模主体7上，碳纤维复合材料板1在上铝合金板3在下，驱动压边圈9压紧碳纤维复合材料板1，胶结剂2和铝合金板3，根据数字控制台6显示的压边圈9下表面，凹模主体7上表面的压力，控制表面压力值，保持适当的压紧压力，并保证碳纤维复合材料板1中通孔、冲头5和凹模主体7的同轴度。
步骤四，采用送钉机构将铆钉送入压边圈的中心光通孔中，铆钉头部直径范围为8-10mm，腿部范围为6-8mm，铆钉腿部外径与所述碳纤维复合材料板5通孔直径相同，使铆钉腿部恰好可放入带有通孔的碳纤维复合材料板5的通孔中。
步骤五，如图4所示，铝合金板与碳纤维复合材料板的粘铆过程中冲头5沿着压边圈9中的通孔向下运动到下止点，随着冲头5继续下移开孔半空心铆钉10作用于碳纤维复合材料板1、胶粘剂2和铝合金板3，冲头5作用使碳纤维复合材料板1、胶粘剂2和铝合金板3变形流入凹模主体7内的凹模型腔8，以开孔半空心铆钉10在凹模主体7、凹模型腔8和冲头5的共同作用下铆钉腿部逐渐外翻形成铆扣，同时胶粘剂2流入开孔半空心铆钉10，以及铝合金板3与开孔半空心铆钉10之间。
步骤六，直到冲头5到达下止点，控制数字控制台6开启脉冲电流发生器，对胶粘剂加热进行固化，通过数字控制台控制固化温度和时间，当胶层固化度达到1时，胶层固化结束，冲头5泄压向上运动回程，准备进行下一次铆接，完成粘铆连接工艺。
其中，脉冲电流发生器的参数如下：
脉冲电压：V＝200～700v
脉冲密度：I＝3000～3400A/mm2
脉冲宽度：λ＝45～65μs
脉冲频率：f＝70～90Hz
脉冲时间：t＝5～19s。
优选的是，还包括：
步骤六中，冲头冲压的速度
其中，H是冲头冲压的高度，t是冲压时间，S是所述凹模型腔截面积，σ是待粘铆的铝合金板的抗挤压应力，f是铝合金板与所述凹模型腔的摩擦力，L是冲压头周长，h是铝合金板厚度，F是铝合金板抗剪强度。
优选的是，
步骤六中，冲头冲压的冲压力
其中，k是系数，L是冲压头周长，h是铝合金板厚度，σ是待粘铆的铝合金板的抗挤压应力，F是铝合金板抗剪强度，S是所述凹模型腔截面积。
优选的是，还包括：
冲压时间t为1～1.8s。
在另一实施例中：
带有通孔的碳纤维复合材料板与铝合金板之间的粘铆接法的步骤如下：
步骤1、取一块中心带有直径为8mm通孔碳纤维复合材料板件1的整体尺寸为200mm×80mm×2mm和一块厚度为2mm的铝合金板3；
步骤2、将预制孔碳纤维复合材料板与铝合金板进行除杂预处理，将高分子胶粘剂2均匀的涂抹铝合金板料的一面，胶层厚度为0.2mm,并把直径与胶层厚度相同钢丝4均匀地放在粘接剂的四周，粘接碳纤维复合材料1，去除板料周围多余的胶粘剂。
步骤3、将所述的已涂胶的板件，放置在凹模主体7上，碳纤维复合材料板1在上铝合金板3在下，驱动压边圈9压紧碳纤维复合材料板1，胶结剂2和铝合金板3，根据数字控制台6显示的压边圈9下表面，凹模主体7上表面的压力，控制表面压力值，保持适当的压紧压力，并保证碳纤维复合材料板5中通孔、冲头3和凹模主体7的同轴度。
步骤4、采用送钉机构将开孔半空心铆钉10送入压边圈的中心光通孔中，开孔半空心铆钉10头部直径为10mm，腿部外径为8mm，铆钉腿部外径与所述碳纤维复合材料板1通孔直径相同，恰使铆钉腿部可放入带有通孔的碳纤维复合材料板1的通孔中。
步骤5、驱动冲头5沿着压边圈9中的通孔向下运动，冲头5圆柱主体的底面圆直径为10mm与铆钉头部直径相同，随着冲头5继续下移开孔半空心铆钉10作用于碳纤维复合材料板1、胶粘剂2和铝合金板3，冲头5作用使碳纤维复合材料板1、胶粘剂2和铝合金板3变形流入凹模主体7内的凹模型腔8，开孔半空心铆钉10在凹模主体7、凹模型腔8和冲头5的共同作用下铆钉腿部逐渐外翻形成铆扣，同时胶粘剂2流入开孔半空心铆钉10，以及铝合金板3与开孔半空心铆钉6之间。
步骤6、直到冲头5到达下止点，直到冲头5到达下止点，控制数字控制台6开启脉冲电流发生器，并控制加热至120℃使胶粘剂进行固化，控制维持此固化温度，当胶层固化度达到1时，胶层固化结束，冲头5泄压向上运动回程，准备进行下一次铆接，完成粘铆连接工艺。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (7)

1.一种碳纤维复合材料板与铝合金板之间的粘铆连装置，其特征在，包括：
圆盘形凹模主体，其上中心设置有环形凹模型腔，凹模主体的环面上由外向内开设多个与所述凹模型腔不相通的矩形凹槽，所述凹模型腔中心设有圆锥凸台；压边圈，其与所述凹模主体在竖直方向相对设置，所述压边圈能够在竖直方向运动，所述压边圈中心设置有通孔；
多个导热电极，分别设置在所述凹模的矩形凹槽内；
冲头，其为实心圆环形结构件，所述冲头可上下滑动设置在所述压边圈中心孔内部；
多个冷却水道，靠近上表面设置在所述凹模主体中；
驱动机构，其驱动所述冲头和所述压边圈向下移动进行冲压铆接操作。
2.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料板与铝合金板之间的粘铆连装置，其特征在于，还包括：
所述导热电极连接脉冲电流发生器。
3.一种碳纤维复合材料板与铝合金板之间的粘铆方法，其特征在于，还包括：
步骤一，将胶粘剂均匀的涂抹铝合金板料的一面，并把直径与胶层厚度相同钢丝均匀地放在粘接剂中，胶层厚度为0.1～0.3mm，并与一块带有直径为6～8mm通孔的碳纤维复合材料板件粘接；
步骤二，将涂胶的铝合金板和碳纤维复合材料板件置于凹模之上，铝合金板在下，驱动压边圈下移至将两块板件压紧，将铆钉送入压边圈的中心光通孔中，冲头下移实施自冲铆接；
步骤三，随着冲头下移，使胶粘剂随铝合金板变形流入铆钉与铝合金板之间，同时排出铆钉空心部分空气，流入铆钉开孔进行封闭，铆钉在凹模和冲头的共同作用下铆钉腿部逐渐外翻形成铆扣；
步骤四，直到冲头到达下止点，开启脉冲电流发生器，使胶粘剂进行固化。
4.根据权利要求3所述的碳纤维复合材料板与铝合金板之间的粘铆方法，其特征在于，步骤四中，所述脉冲电流发生器的参数：
脉冲电压：V＝200～700v
脉冲密度：I＝3000～3400A/mm2
脉冲宽度：λ＝45～65μs
脉冲频率：f＝70～90Hz
脉冲时间：t＝5～19s。
5.根据权利要求3所述的碳纤维复合材料板与铝合金板之间的粘铆方法，其特征在于，还包括：
步骤三中，冲头冲压的速度
<mrow> <mi>V</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>&amp;pi;</mi> <mi>H</mi> </mrow> <mi>t</mi> </mfrac> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msup> <mi>e</mi> <mfrac> <mrow> <mo>-</mo> <mi>S</mi> <mi>&amp;sigma;</mi> </mrow> <mrow> <mn>1.05</mn> <mi>f</mi> <mi>L</mi> <mi>h</mi> <mi>F</mi> </mrow> </mfrac> </msup> </mrow>
其中，H是冲头冲压的高度，t是冲压时间，S是所述凹模型腔截面积，σ是待粘铆的铝合金板的抗挤压应力，f是铝合金板与所述凹模型腔的摩擦力，L是冲压头周长，h是铝合金板厚度，F是铝合金板抗剪强度。
6.根据权利要求3所述的碳纤维复合材料板与铝合金板之间的粘铆方法，其特征在于，还包括：
步骤三中，冲头冲压的冲压力
<mrow> <mi>p</mi> <mo>=</mo> <mi>k</mi> <mi>L</mi> <mi>h</mi> <mi>&amp;sigma;</mi> <mi>l</mi> <mi>n</mi> <mfrac> <mrow> <mi>S</mi> <mi>&amp;sigma;</mi> </mrow> <mrow> <mi>L</mi> <mi>h</mi> <mi>F</mi> </mrow> </mfrac> </mrow>
其中，k是系数，数值为1，L是冲压头周长，h是铝合金板厚度，σ是待粘铆的铝合金板的抗挤压应力，F是铝合金板抗剪强度，S是所述凹模型腔截面积。
7.根据权利要求5所述的碳纤维复合材料板与铝合金板之间的粘铆方法，其特征在于，还包括：
冲压时间t为1～1.8s。
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