CN108115944A - 一种复合材料管材与金属管材的连接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明关于一种复合材料管材与金属管材的连接方法，属于异质制件连接领域。该方法的具体步骤为：首先，对金属管材连接端内部加工成锥形结构，并在连接区域周身加工出镂空孔洞；其次，将复合材料预浸料在可吹气加压的芯模上裹覆以制作复合材料管，连接处也为锥形结构；将金属管材锥形结构的连接端与复合材料管锥形结构的连接端进行扣合；第四，将复合材料预浸料小块粘贴在金属管镂空处；第五，将粘贴完成的金属管材、复合材料预浸料管材连同芯模置于成型模具内合模，固化并成型。本发明连接方法有效解决了机械连接孔边应力集中、重量大，以及胶接分散性大、可靠性低等缺点。

Description

一种复合材料管材与金属管材的连接方法
技术领域
本发明涉及异质材料制件的连接技术，具体涉及一种复合材料管材与金属管材的连接方法。
背景技术
复合材料与金属具有不同物理、化学和力学性能，它们之间的连接属于异质材料连接。传统的复合材料与金属的连接工艺有机械连接以及胶接。胶接是利用胶粘剂在连接面上产生的机械结合力，物理吸附力和化学键合力将两个制品连接起来的工艺方法。胶接法连接的部位应力分布连续，重量轻，且工艺方法简单，但粘结强度较低，一般适用于传递载荷较小的部件。相比胶接，机械连接比较可靠，可以传递较大载荷。通过合理的紧固件排布、钉孔配合以及紧固件夹紧力可以在一定程度上提高金属与复合材料机械连接强度。但是金属与复合材料的机械连接具有以下缺点：首先，由于制孔过程中切断了复合材料纤维，导致孔边应力严重集中，从而不得不增加复合材料和金属连接件的厚度，进而导致重量增加；第二，大量紧固件的使用，需要大量的制孔和装配工作，成本高、周期长，而且增加了结构重量；第三，由于复合材料与金属材料力学性能不同，其对拧紧力矩、干涉配合等装配参数的要求也不同，紧固参数的控制较复杂。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种不需要额外增加金属配件，能够比现有胶接连接传递更大载荷的复合材料管材与金属管材的连接方法。
为达到上述目的，本发明揭示了一种复合材料管材与金属管材的连接方法，其中，金属管材直径在10mm～1500mm之间，金属管材壁厚在0.5mm～100mm之间。
首先，对金属管材连接区域内部加工成锥形结构，并在周身加工出镂空孔洞，镂空结构形状可以是长条形、菱形、正方形、圆形、椭圆形，以及不规则形状。
其次，将复合材料预浸料在可吹气加压的芯模上裹覆以制作复合材料管，连接区域也为锥形结构。
第三，将金属管材锥形结构的连接端与复合材料管锥形结构的连接端进行扣合(将复合材料管连接区域嵌入到金属管材连接区域)。
第四，根据金属管的镂空形状裁剪出复合材料预浸料小块，并将预浸料小块粘贴在金属管镂空处；其中，复合材料预浸料小块厚度小于连接区域金属管的厚度。
第五，将粘贴完成的金属管材、复合材料预浸料管材连同芯模置于成型模具内并合模。
第六，将合模后的模具置于能使预浸料固化的温度环境中并对芯模进行持续的吹气加压，进行一体固化。
第七，固化成型后将连接完成的管材取出，并去除芯模。
与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：
首先，本发明中金属管材与复合材料管材的连接面是由金属内壁的锥形结构与复合材料外壁锥形结构相扣合所形成的，该锥形连接面使复合材料管连接区域的纤维较为平直，从而连接件能够保证较高的拉伸性能，而且，在一定程度上加大了两种材质粘接的接触面积。其次，本发明所述方法既利用了金属与复合材料的粘结作用，又利用了金属与复合材料之间的嵌合作用。本发明中对金属管材进行了镂空处理，且在内部使用了可吹气加压的芯模，管材在成型的过程中，在温度和压力的作用下，对芯模吹气加压，可以使镂空区域的预浸料发生形变，使其向镂空区域的空间凸起，凸起处的纤维为连续纤维，管材成型后在使用的过程中，“凸起”将起到机械嵌合作用，只有克服“凸起”的剪切作用，连接件才会失效，因此，巨大的嵌合力，可以大大提高金属管与复合材料管的连接强度。
另外，由于本发明对金属管材镂空处进行复合材料预浸料小块的补充，在连接件固化成型时补充的预浸料也将固化成型，这些预浸料填充了一部分金属管材上的镂空空间，使内部复合材料管材在金属镂空处的形变控制在有限范围内，这样可以防止因复合材料预浸料管变形过大影响整体管材的拉伸性能。同时，预浸料小块填补了部分镂空区域的空间，可以防止缺料，保证管材表面光滑平整。
为保证复合材料管材在成型的过程中，压力的作用下能够产生“凸起”，填在镂空空间的预浸料小块厚度不能太厚，要小于连接区域金属管材的厚度，以保证镂空区域有能够使复合材料管的预浸料凸起的空间，同时，为保证“凸起”的产生及管材表面光滑，不会缺料，连接管在成型的过程中，向芯模施加的压力应不低于0.1MPa。
再有，虽然本发明对金属管材进行了镂空的处理但是由于在后期的成型过程中采用预浸料一体成型的方式，镂空区域将会被复合材料管的预浸料及填充的预浸料小块填满，金属管镂空处表面将与复合材料发生粘结，从而防止产生应力集中。所以通过该方法制造的连接件有效解决机械连接孔边应力集中、重量大，以及胶接分散性大、可靠性低等缺点。
附图说明
图1是本发明实施例中对铝管进行锥形加工后的截面示意图；
图2是本发明实施例中对铝管进行镂空加工后的示意图；
图3是本发明实施例中将预浸料裹覆呈阶梯状形成锥形结构的示意图；
图4是本发明实施例中铝管上的锥体结构和碳纤维预浸料管的锥形结构相扣合的示意图；
图5是本发明实施例中向铝管镂空处补贴碳纤维预浸料小块的示意图；
图6是本发明实施例中最终成型碳纤维复合材料管与铝管连接的示意图；
图7是本发明实施例中碳纤维管与铝管连接处的截面示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的实施案例。
本实施案例以制备碳纤维复合材料管与铝管的连接件为例，碳纤维复合材料管材与铝管的外径均为50mm，壁厚为3mm连接区域长度为50mm。碳纤维复合材料管原材料采用碳纤维预浸料，单层厚度为0.2mm。具体的实施步骤如下：
首先，对铝管100进行内部连接区域锥形的加工处理，加工出长度为50mm锥体结构101，如图1所示。
第二，在铝管100的锥体连接区101处进行镂空结构加工，镂空102形状为菱形如图2所示。
第三，在外径为44mm的可吹气硅橡胶气囊芯模202上缠绕裹覆碳纤维预浸料200，包裹15层(成型后碳纤维复合材料管材厚度为3mm，单层预浸料厚度为0.2mm)，连接端的50mm区域将预浸料裹覆呈阶梯状，形成锥形结构201如图3所示。
第四，将包裹好的碳纤维预浸料管200上的锥形结构201嵌入到加工好的铝管100上的锥体结构101内，使两部分相扣合，如图4所示。
第五，将碳纤维预浸料剪成尺寸与铝管镂空相同的菱形预浸料，并进行叠层，得到厚度不等的小块203，然后在扣合好的铝管镂空处102进行补贴，如图5所示。其中最靠近金属管边缘的一行小块厚度为1mm，中间行的小块厚度为1.5mm，第三行小块的厚度为2mm。
第六，将镂空处补贴完成的铝管100、碳纤维预浸料管200及硅橡胶气囊202一同置于成型模具中，合模后将模具置于130℃温度环境中并向硅橡胶气囊202中吹气加压，压力为0.6MPa，保持1.5小时后固化成型。
最后，脱模，取出制件，去除气囊芯模202，得到铝管与复合材料管的连接件，如图6所示。
由于在成型过程中硅橡胶气囊202对碳纤维预浸料传递压力，所以在铝管镂空102的预浸料在成型的过程中产生形变204，而由于之前在铝管镂空处102补贴了碳纤维预浸料小块203，所以形变发生在可控制的有限范围内，同时保证了管材表面光滑平整，如图7所示。
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对权利要求保护范围的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明技术方案进行的非本质修改或者等同替换，并不能脱离本发明技术方案的实质，且均应在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种复合材料管材与金属管材的连接方法，其特征在于该连接方法包含以下步骤：首先，对金属管材连接区域内部加工成锥形结构，并在周身加工出镂空孔洞，镂空结构形状可以是长条形、菱形、正方形、圆形、椭圆形，以及不规则形状；其次，将复合材料预浸料在可吹气加压的芯模上裹覆以制作复合材料管，连接区域也为锥形结构；第三，将金属管材锥形结构的连接端与复合材料管锥形结构的连接端进行扣合(将复合材料管连接区域嵌入到金属管材连接区域)；第四，根据金属管的镂空形状裁剪出复合材料预浸料小块，并将预浸料小块粘贴在金属管镂空处；第五，将粘贴完成的金属管材、复合材料预浸料管材连同芯模置于成型模具内并合模；第六，将合模后的模具置于能使预浸料固化的温度环境中并对芯模进行持续的吹气加压，进行一体固化；第七，固化成型后将连接完成的管材取出，并去除芯模。
2.根据权利要求1所述的一种复合材料管材与金属管材的连接方法，其特征在于：所述的金属管材内径在10mm～1500mm之间，金属管材壁厚在0.5mm～100mm之间。
3.根据权利要求1所述的一种复合材料管材与金属管材的连接方法，其特征在于：所述的金属管材加工的锥形结构内表面进行粗糙改性。
4.根据权利要求1所述的一种复合材料管材与金属管材的连接方法，其特征在于：复合材料预浸料小块厚度小于连接区域金属管的厚度。
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