CN108406147A - 一种碳纤维复合材料与金属的连接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碳纤维复合材料与金属的连接方法，包括以下步骤：S1、将自蔓延反应粉末分段铺放于碳纤维复合材料与金属之间，相邻两段自蔓延反应粉末之间的间距小于搅拌头的直径；S2、利用搅拌头在相邻两段自蔓延反应粉末的间隔处进行搅拌摩擦点焊，且焊接过程中通过控制下压量使搅拌头插入底层碳纤维复合材料中，搅拌头通过摩擦产热引燃位于其两侧的自蔓延反应粉末，自蔓延反应粉末发生自蔓延反应实现碳纤维复合材料和金属的连接。本发明将搅拌摩擦点焊与自蔓延连接技术相结合，满足了自蔓延连接过程对压力和温度的要求，克服了点焊接头气密性较差的缺点，实现了碳纤维复合材料和其他金属之间快速、高强度的连接。

Description

一种碳纤维复合材料与金属的连接方法
技术领域
本发明属于材料焊接工程技术领域，具体涉及一种碳纤维复合材料与金属的连接方法。
背景技术
随航空航天和汽车交通领域轻量化、高性能和低成本的发展趋势，对材料的要求也随之提高，需要密度更小、性能更高的材料。而碳纤维复合材料具有强度高、质量轻、相对密度小等特点，且耐磨性、耐疲劳性较高，因此碳纤维复合材料在航空航天和汽车领域具有广阔应用前景。但由于理化性能差异巨大，碳纤维复合材料与金属的连接十分困难，成为制造金属-碳纤维复合材料混合结构亟需解决的问题。
目前碳纤维复合材料与金属的连接方法主要集中在胶接、机械连接等方面。但胶接接头强度较低，抗冲击、抗疲劳性能较差；而机械连接，在连接部位容易形成应力集中，使得材料的性能降低，另外连接件的加入使接头的重量增加，不利于实现轻量化。因此，对于碳纤维复合材料与其他金属的焊接方法的研究是很有必要的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种碳纤维复合材料与金属的连接方法，它将搅拌摩擦点焊与自蔓延连接技术相结合，满足了自蔓延连接过程对压力和温度的要求，克服了点焊接头气密性较差的缺点，实现了碳纤维复合材料和其他金属之间快速、高强度的连接。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种碳纤维复合材料与金属的连接方法，包括以下步骤：
S1、将自蔓延反应粉末分段铺放于碳纤维复合材料与金属之间，装配成三明治式工件，相邻两段自蔓延反应粉末之间的间距小于搅拌头的直径，并利用夹具将三明治式工件固定安装在搅拌摩擦焊机的工作台上，金属朝向搅拌头；
S2、利用搅拌头在相邻两段自蔓延反应粉末的间隔处进行搅拌摩擦点焊，且焊接过程中通过控制下压量使搅拌头插入底层碳纤维复合材料中，搅拌头通过摩擦产热引燃位于其两侧的自蔓延反应粉末，自蔓延反应粉末发生自蔓延反应实现碳纤维复合材料和金属的连接，搅拌头依次对自蔓延反应粉末的各间隔处进行搅拌摩擦点焊，即完成碳纤维复合材料与金属的连接。
按上述技术方案，所述自蔓延反应粉末为碳纳米粉、铝粉、锡粉和铜粉在氩气保护下球磨得到的混合粉末。
按上述技术方案，所述混合粉末中各成分质量百分比为：碳纳米粉1%～6%，钛粉25%～50%，铝粉35%～60%，锡粉5%～15%，铜粉4%～13%。
按上述技术方案，步骤S2中，搅拌头的转速为1000rpm～3000rpm，轴肩下压量为0.1mm～0.4mm，搅拌头插入金属保持时间为3s～15s。
本发明产生的有益效果是：本发明将搅拌摩擦点焊与自蔓延连接相结合，搅拌摩擦点焊可满足自蔓延反应所需的温度和压力，连接过程可在常温和大气环境下进行，无需额外设备，连接过程简单；同时，搅拌摩擦点焊过程中存在的轴向压力，可促进自蔓延反应产物的致密化和均匀化，而且致密的自蔓延反应产物也改善了点焊接头气密性较差的缺点，从而最终获得搅拌摩擦点焊-自蔓延连接的复合接头，该接头强度较高，性能更好。本发明采用搅拌摩擦焊机进行连接，搅拌摩擦点焊过程可通过数控机床程序控制，自动化程度高，连接速度快，从而提高生产效率。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例中自蔓延反应粉末的铺置示意图；
图2是本发明实施例中搅拌摩擦点焊过程示意图。
图中：1-金属，2-自蔓延反应粉末，3-碳纤维复合材料，4-搅拌头。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种碳纤维复合材料与金属的连接方法，包括以下步骤：
S1、如图1所示，将自蔓延反应粉末2分段铺放于碳纤维复合材料与金属之间，具体为位于碳纤维复合材料3上方，装配成三明治式工件，相邻两段自蔓延反应粉末之间的间距小于搅拌头的直径，并利用夹具将三明治式工件固定安装在搅拌摩擦焊机的工作台上，金属朝向搅拌头；
S2、如图2所示，利用搅拌头4在相邻两段自蔓延反应粉末的间隔处进行搅拌摩擦点焊，且焊接过程中通过控制下压量使搅拌头4插入底层碳纤维复合材料3中，搅拌头通过摩擦产热引燃位于其两侧的自蔓延反应粉末，自蔓延反应粉末发生自蔓延反应实现碳纤维复合材料和金属的连接，搅拌头依次对自蔓延反应粉末的各间隔处进行搅拌摩擦点焊，即完成碳纤维复合材料与金属的连接，自蔓延反应粉末从被引燃到自蔓延反应完成过程中，搅拌头始终插入在金属和碳纤维复合材料中。
本发明中的自蔓延反应粉末可采用Al-C-Ti体系的混合粉末，其引燃温度较低，符合搅拌摩擦焊过程的温度，优选的，自蔓延反应粉末为碳纳米粉、铝粉、锡粉和铜粉在氩气保护下球磨得到的混合粉末，加入铜粉和锡粉，可以用于降低自蔓延反应粉末的引燃温度，保证其在搅拌摩擦点焊过程中被顺利引燃。当混合粉末中各成分质量百分比为：碳纳米粉1%～6%，钛粉25%～50%，铝粉35%～60%，锡粉5%～15%，铜粉4%～13%时，效果最佳。
在本发明的优选实施例中，步骤S2中，搅拌头的转速为1000rpm～3000rpm，轴肩下压量为0.1mm～0.4mm，搅拌头插入金属保持时间为3s～15s。
以下列举两个实施例对本发明进行进一步说明。
实施例1
碳纤维复合材料选用碳纤维增强聚醚醚酮板，金属选用A5052铝合金，两者的连接方法，包括如下步骤：
S1、按质量百分比将碳纳米粉3%、钛粉34%、铝粉36%、锡粉14%和铜粉13%混合均匀，在氩气保护下球磨得到混合粉末；
S2、将混合粉末以3mm的间隔距离，分段铺置在碳纤维增强聚醚醚酮板和A5052铝合金板之间，混合粉末厚度为1～2mm，每段长度为50mm，并用夹具将其固定；
S3、设定搅拌头转速为2000rpm，下压量为0.2mm，插入保持时间为7s，通过对数控机床输入运转指令，使其自动对各段混合粉末间隔处进行搅拌摩擦点焊，并引燃全部混合粉末，焊接完成后使其充分冷却，即可完成碳纤维增强聚醚醚酮板与A5052铝合金板之间的连接。
本实施例中，碳纤维增强聚醚醚酮板材和A5052铝合金板材厚度均为2mm，搅拌头直径为5mm，轴肩直径为20mm。
实施例2
实施例2中，碳纤维复合材料选用碳纤维增强铝基复合材料，金属选用A5052铝合金，两者之间的连接步骤与实施例1相同。
鉴于搅拌摩擦点焊是一种固相焊技术，其连接温度较低，可以避免基体材料在高温下发生相变、氧化等不利状况，并且具有结合强度高、成本低、能耗低、生产效率高等优点，以及自蔓延连接技术是利用粉末之间的自蔓延燃烧反应所放出的热量来实现待焊母材连接的一门连接技术，具有节约能源、反应快捷、产热局部迅速等优点，因此本发明将搅拌摩擦点焊与自蔓延连接技术相结合，满足了自蔓延连接过程对压力和温度的要求，克服了点焊接头气密性较差的缺点，实现了碳纤维复合材料和其他金属之间快速、高强度的连接。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种碳纤维复合材料与金属的连接方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将自蔓延反应粉末分段铺放于碳纤维复合材料与金属之间，装配成三明治式工件，相邻两段自蔓延反应粉末之间的间距小于搅拌头的直径，并利用夹具将三明治式工件固定安装在搅拌摩擦焊机的工作台上，金属朝向搅拌头；
S2、利用搅拌头在相邻两段自蔓延反应粉末的间隔处进行搅拌摩擦点焊，且焊接过程中通过控制下压量使搅拌头插入底层碳纤维复合材料中，搅拌头通过摩擦产热引燃位于其两侧的自蔓延反应粉末，自蔓延反应粉末发生自蔓延反应实现碳纤维复合材料和金属的连接，搅拌头依次对自蔓延反应粉末的各间隔处进行搅拌摩擦点焊，即完成碳纤维复合材料与金属的连接。
2.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料与金属的连接方法，其特征在于，所述自蔓延反应粉末为碳纳米粉、铝粉、锡粉和铜粉在氩气保护下球磨得到的混合粉末。
3.根据权利要求2所述的碳纤维复合材料与金属的连接方法，其特征在于，所述混合粉末中各成分质量百分比为：碳纳米粉1％～6％，钛粉25％～50％，铝粉35％～60％，锡粉5％～15％，铜粉4％～13％。
4.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料与金属的连接方法，其特征在于，步骤S2中，搅拌头的转速为1000rpm～3000rpm，轴肩下压量为0.1mm～0.4mm，搅拌头插入金属保持时间为3s～15s。
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