CN108340067A - 一种通过金属基复合材料的金属和复合材料的螺栓连方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示一种复合材料和金属材料的高强度螺栓连接的设计方法，该方法克服了连接部位强度低的问题。利用普通的两轴(biaxial)编制方孔的碳纤维布。利用3D扫描碳纤维编制布和3D打印技术的钛合金基材料薄片。钛合金基材料薄片和纤维编制布一层一层叠加，利用电加热热压和超声波焊接在低温下就可以做出在螺栓周围承载区局部，制造出高强度的金属基的碳纤维编制复合材料。本发明可以广泛地应用在航空国防领域上，特别是，商业飞机发动机复合材料叶片和金属材料叶片的连接。直升飞机复合材料叶片和金属转子之间的连接。还有各种其它飞机零部件。坦克，汽车零部轻量化研究。复合材料的船只和舰艇等。本发明提高了复合材料结构和金属材料结构的螺栓连接的强度和寿命，对航空国防有战略的影响力。

Description

一种通过金属基复合材料的金属和复合材料的螺栓连方法
技术领域
本发明属于航天国防技术领域，特别涉及一种通过金属基复合材料的金属和复合材料的螺栓连方法。
背景技术
复合材料是由金属材料、陶瓷材料或高分子材料等两种或两种以上的材料经过复合工艺而制备的多相材料，各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。狭义的复合材料就是纤维增强性复合材料(Fiber Reinforced composite)。纤维增强复合材料主要有三种：碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced composite)、玻璃纤维增强复合材料(Glass FiberReinforced composite)和芳纶纤维增强复合材料(Aramid Fiber Reinforcedcomposite).由于长纤维可以像布一样的编织，在环氧树脂(epoxy)的固化下就形成了纤维增强性层合复合材料(fiber reinforced laminated composite materials).复合材料具有重量轻，较高的强度比、较好的延展性、抗疲劳、等特点，已被大量运用到航空航天、医学、机械、建筑等行业。复合材料可以帮助人们设计围观组织和结构功能一体化的零部件。
除了焊接外，螺栓连接是金属连接的最常见方式之一，它的优点施工简单，装拆方便。飞机发动机转子之间，直升飞机转子和主螺旋桨之间均采用螺栓连接。现有的复合材料金属键链接结构是把复合材料板件当作金属板间来连接，其实复合材料板件有着很大的不同：
1.复合材料中纤维方向上的材料强度要比环氧树脂基材料的强度大的多。纤维复合材料只能承受沿纤维的方向上拉应力。在垂直纤维方向与纤维的方向上承受压力的时候都是由环氧树脂基材料承担的。螺栓连接的时候螺栓和复合材料纤维没有直接接触而是由环氧树脂基材料承担的，这就大大的降低了复合材料螺栓连接件的结构强度。
2.层合复合材料的破坏模式是层间剥离(delamination)。对于复合材料螺栓连接件，由于应力集中的存在，很容易产生层间剥离。
3.纤维复合材料比起金属材料不耐磨。
4.环氧树脂基材纤维复合材料不耐高温。工作温度在200℃以下。
金属基的复合材料衬套(bushing)是一种解决办法.高熔点的合金同城材料强度比较好，低熔点的金属(eutectic alloy)强度比较差。融化高熔点的合金涉及高温技术资金设备上有挑战性。
生产碳纤维增强金属复合材料的主要困难是在碳纤维细丝与它们所嵌入的金属的界面处实现了牢固的结合。熔融金属和碳纤维不浸润。为了克服以上矛盾，在碳纤维的表面上气相沉积钛-硼或硼化钛薄膜来预处理碳纤维。沉积厚度在0.01-2.0微米范围内的该薄膜牢固地粘附在碳纤维表面上，这样碳纤维就被熔融金属浸润了，并在金属凝固时粘附在其上。钛-硼薄膜作为碳纤维的防护涂层，防止它们被金属基质材料侵蚀而形成金属碳化物。
上面提到的在金属复合材料中用于碳纤维的钛-硼涂层的使用更全面地描述在下面：
U.S.Pat.No.3,860,443 of Jan.14，1975 to Lachman et al andU.S.Pat.No.4,082,864 to Kendall et al.
本发明揭示一种复合材料和金属材料的高强度螺栓连接的设计方法，该方法克服了连接部位强度低的问题。利用普通的两轴(biaxial)编制方孔的碳纤维布。利用3D扫描碳纤维编制布和3D打印技术的钛合金基材料薄片。钛合金基材料薄片和纤维编制布一层一层叠加，利用电加热热压和超声波焊接在低温下就可以做出在螺栓周围承载区局部，制造出高强度的金属基的碳纤维编制复合材料。
发明内容
本发明的目的在于提供一种通过金属基复合材料的金属和复合材料的螺栓连方法。解决复合材料非金属基材料强度不高，碳纤维和金属材料分离的问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
复合材料结构和金属材料结构的螺栓连接的设计方法，包括以下步骤：
第1步：以直升飞机叶片或者飞机发动机风扇为例，首先复合材料结构和金属材料结构的螺栓连接是金属的套筒和复合材料结构龙骨(spar)的连接。如图1所示。以这样的一个结构为基础进行一系列进一步的创新完善。
第2步：准备3D打印文件：利用两轴(biaxial)垂直编制方孔的碳纤维布，如图2所示。利用3D扫描，并对扫描的文件进行CAD减法(Boolean operation-cut)处理，也就是金属材料减去编制方孔的碳纤维布，剩下就是复合材料的金属基材料。
第3步，准备3D打印文件薄层和焊点：为了在金属基材料放人碳纤维布，CAD中的金属基材料必须做成一层一层的薄层，并且放入一层一层碳纤维布，如图3所示。在制作金属基材料薄层时，在对应碳纤维布方孔位置增加了尖的凸起，这些尖的凸起可以在压力下锁定碳纤维编织结构。同时为超声波焊接的焊点。如图2所示，焊点为的纤维之间的方孔位置。
第4步，3D打印文件：然后3D打印出上下有布纹的钛合金薄片，钛合金薄片是有圆孔的，用在在螺栓位置附近承载区(bearing area)，如图4所示。
第5步：通过气相沉积在碳纤维表面镀上钛-硼或硼化钛薄膜，碳纤维就和金属基浸润了。
第6步：3D打印的钛合金薄片可以镀上一定厚度的低熔点的共晶金属(eutecticalloy)。
第7步，堆放(layup)和加热：上下两个钛合金薄片和就可以放入一层碳纤维布。通过高频电磁场的肌肤效应(skin effects)加入钛合金薄片表面。或者通过感应电流加热钛合金薄片表面，使其保持在250°-300°之间。
第8步，加压同时超声波金属焊接：超声焊与其他压焊相比，要求压力较小，且变型量在10％以下，在真空(vacuum bag)的环境下，碳纤维编织在压力下埋入钛合金薄片上的低熔点的共晶金属薄层里。并使得钛合金的塑性变形对碳纤维编织夹紧作用。
第9步，超声波金属焊接：在保持较低的250°-300°和在一定的压力下，进行超声波金属焊接。超声波焊接机都有一个中心频率，例如20KHz、40KHz等，焊接机的工作频率主要由换能器(Transducer)、变幅杆(Booster)、和焊头(Horn)的机械共振频率所决定，发生器的频率根据机械共振频率调整，以达到一致，使焊头工作在谐振状态，每一个部份都设计成一个半波长的谐振体。金属焊接中焊头振动方向平行于焊位。也就是使钛合金薄片沿面内方向运动。使两个钛合金薄片在得尖的凸起位置焊在一起。
进一步，它类似于摩擦焊，可以把两种不同的金属焊在一起。它适用于铜、铝、锡、镍、金、银、钼、不銹钢等有色金属材料薄板、细棒、丝、片、带等材料实施瞬间焊接，总厚度可达2-4mm。
第10步，重复第7步直到所有碳纤维编织焊完为止。
第11步，对形成复合材料结构可以进复合材料螺栓行钻孔。为了和套筒配合，持龙骨(spar)外尺寸不变。实际上，由于加入了钛合金薄片，复合材料板结构厚度向内增加。通过真空副压施加环氧树脂(vacuum assisted infusion or vacuum injected molding).环氧树脂固化。
第12步，高精度扩钻孔达到轴套(bushing)的直径。加入一个轴套。放入复合材料龙骨，上上螺栓螺母，就形成了图1的装配结构。
这样一种通过金属基复合材料的金属和复合材料的螺栓连方法大大的提高了复合材料螺栓连接件的结构强度，它是由于一下原因：复合材料螺栓上的载荷是通过钛合金金属基材料承担；而不是通过环氧树脂承担。
整个复合材料和金属材料连接阶段设计过程中最核心的是使用ANSYS三维的螺栓有限元计算方法。复合材料层间理论(layerwise theory)精确计算层间应力。通过有限元模型来决定钛合金薄片厚度，钛合金薄片上的镀层厚度，施加压力和塑性变形。通过有限元模型超声波焊接结构的共振频率，如图5所示。
附图说明
图1为复合材料结构和金属材料结构的螺栓连接是金属的套筒和复合材料结构龙骨(spar)的连接示意图；
图2为一层两轴(biaxial)编制碳纤维材料示意图；
图3为多层编制碳纤维材料示意图；
图4为螺栓周围局部金属基复合材料大小示意图(金属基材料仅显示为薄片，未显示编制复合材料纹理，未显示编制碳纤维材料)；
图5为复合材料微观力学模型示意图。

Claims (10)

1.一种通过金属基复合材料的金属和复合材料的螺栓连方法，其特征在于，利用3D扫描碳纤维编制布和3D打印技术的钛合金基材料薄片。钛合金基材料薄片和纤维编制布一层一层叠加，利用电加热热压和超声波焊接在较低温下就可以做出在螺栓周围承载区局部，制造出高强度的金属基的碳纤维编制复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种通过金属基复合材料的金属和复合材料的螺栓连方法，其特征在于，以直升飞机叶片或者飞机发动机风扇叶片为例，首先复合材料结构和金属材料结构的螺栓连接是金属的套筒和复合材料结构龙骨(spar)的连接。以这样的一个结构为基础进行一系列进一步的创新完善。
3.根据权利要求1所述一种通过金属基复合材料的金属和复合材料的螺栓连方法，其特征在于，准备3D打印文件：利用两轴(biaxial)垂直编制方孔的碳纤维布。利用3D扫描，并对扫描的文件进行CAD减法(Boolean operation-cut)处理，也就是金属材料减去编制方孔的碳纤维布，剩下就是复合材料的金属基材料。
4.根据权利要求1所述一种通过金属基复合材料的金属和复合材料的螺栓连方法，其特征在于，准备3D打印文件薄层和焊点：为了在金属基材料放人碳纤维布，CAD中的金属基材料必须做成一层一层的薄层，并且放入一层一层碳纤维布。在制作金属基材料薄层时，在对应碳纤维布方孔位置增加了尖的凸起，这些尖的凸起可以在压力下锁定碳纤维编织结构。同时为超声波焊接的焊点。焊点为的纤维之间的方孔位置。
5.根据权利要求1所述一种通过金属基复合材料的金属和复合材料的螺栓连方法，其特征在于，3D打印文件：然后3D打印出上下有布纹的钛合金薄片，钛合金薄片是有圆孔的，用在在螺栓位置附近承载区(bearing area)。
6.根据权利要求1所述的一种通过金属基复合材料的金属和复合材料的螺栓连方法，其特征在于，3D打印的钛合金薄片可以镀上一定厚度的低熔点的共晶金属(eutecticalloy)。
7.根据权利要求1所述的一种通过金属基复合材料的金属和复合材料的螺栓连方法，其特征在于，堆放(layup)和加热：上下两个钛合金薄片和就可以放入一层碳纤维布。通过高频电磁场的肌肤效应(skin effects)加入钛合金薄片表面。或者通过感应电流加热钛合金薄片表面，使其保持在250°-300°之间。
8.根据权利要求1所述的一种通过金属基复合材料的金属和复合材料的螺栓连方法，其特征在于，加压同时进行超声波金属焊接：超声焊与其他压焊相比，要求压力较小，且变型量在10％以下，在真空(vacuum bag)的环境下，碳纤维编织在压力下埋入钛合金薄片上的低熔点的共晶金属薄层里。并使得钛合金的塑性变形对碳纤维编织夹紧作用。
9.根据权利要求1所述的一种通过金属基复合材料的金属和复合材料的螺栓连方法，其特征在于，超声波焊接：超声波焊接机都有一个中心频率，例如20KHz、40KHz等，焊接机的工作频率主要由换能器(Transducer)、变幅杆(Booster)、和焊头(Horn)的机械共振频率所决定，发生器的频率根据机械共振频率调整，以达到一致，使焊头工作在谐振状态，每一个部份都设计成一个半波长的谐振体。金属焊接中焊头振动方向平行于焊位。也就是使钛合金薄片沿面内方向运动。使两个钛合金薄片在得尖的凸起位置焊在一起。它适用于铜、铝、锡、镍、金、银、钼、不銹钢等有色金属材料薄板、细棒、丝、片、带等材料实施瞬间焊接，总厚度可达2-4mm。
10.根据权利要求1所述的一种通过金属基复合材料的金属和复合材料的螺栓连方法，其特征在于，整个复合材料和金属材料连接阶段设计过程中最核心的是使用ANSYS三维的螺栓有限元计算方法。复合材料层间理论(layerwise theory)精确计算层间应力。通过有限元模型来决定钛合金薄片厚度，钛合金薄片上的镀层厚度，施加压力和塑性变形。通过有限元模型超声波焊接结构的共振频率。
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