CN108436244B - 碳纤维复合材料与铝合金板材的连接方法 - Google Patents

碳纤维复合材料与铝合金板材的连接方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种碳纤维复合材料与铝合金板材的连接方法，包括步骤：从下至上依次紧密叠置碳纤维复合材料、钛箔、紫铜片和铝合金板材形成待焊接区域，对焊接区域采用电子束焊接，焊接完成后进行保温冷却热处理。该方法可解决碳、铝元素的不润湿问题，实现碳纤维复合材料与铝合金板材的冶金连接。

Description

碳纤维复合材料与铝合金板材的连接方法
技术领域
本发明涉及一种碳纤维复合材料与金属板材的连接方法，尤其是涉及一种碳纤维复合材料与铝合金板材的连接方法。
背景技术
碳纤维复合材料是以碳元素为基体、颗粒或纤维为增强相的复合材料。碳纤维复合材料的密度低、比强度和比模量大，结构尺寸稳定，且具有耐高温、耐疲劳性和耐磨性等优异性能，广泛应用于国防、航天、航空、汽车、仪器仪表等工业领域。
为实现汽车轻量化并保证汽车行车安全及性能，可以考虑将碳纤维复合材料和铝合金板材连接进行混合使用。但是碳纤维复合材料和铝合金板材中含有大量的Al和C元素，碳在铝中溶解度有限，二者不易发生润湿和反应，而在较高的温度下，碳铝反应生成Al4C3为脆性组织，会直接降低连接位置的性能，因此碳纤维复合材料和铝合金板材的连接难度较大。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种碳纤维复合材料与铝合金板材的连接方法，解决碳纤维复合材料与铝合金板材连接位置机械性能较差，连接难度大的问题。
本发明技术方案如下：一种碳纤维复合材料与铝合金板材的连接方法，包括步骤：从下至上依次紧密叠置碳纤维复合材料、钛箔、紫铜片和铝合金板材形成待焊接区域，对焊接区域采用电子束焊接，焊接完成后进行保温冷却热处理。该连接方法中纯钛箔和紫铜片同时作为添加层，通过纯钛箔与碳发生润湿作用，铜与铝发生反应，可以增加铝元素与碳元素的润湿，形成复杂的多元化合物，形成连接。
优选的，所述钛箔的厚度为100～500μm，紫铜片的厚度为100～500μm。
优选的，所述钛箔的厚度为200～300μm，紫铜片的厚度为200～300μm。
优选的，所述电子束焊接在抽真空设备中进行，真空度范围为1.3×10-3～2.0×10-3Pa。
优选的，所述电子束焊接中电子束加速电压为40～50KV，焊接束流为10～20mA，焊接速度为6～10mm/s。
优选的，所述电子束焊接在磁场中进行，所述磁场的磁场强度为10～30A/m，所述磁场的磁场方向垂直于碳纤维复合材料、钛箔、紫铜片和铝合金板材之间的接触面。增加的磁场可保证焊接熔化过程中熔池充分流动，增强连接性能。
优选的，所述保温冷却热处理时，保温温度为100～200℃，保温时间为3～6h，保温结束后以5～10℃/min速率冷却至常温。
优选的，所述叠置碳纤维复合材料、钛箔、紫铜片和铝合金板材前，对碳纤维复合材料、钛箔、紫铜片和铝合金板材的各个接触面进行打磨，并浸没于丙酮溶液中超声清洗10～15min，去除表面油污等杂物，确保表面干净。
优选的，所述打磨时采用400～1000目砂纸打磨，丙酮溶液纯度≥99.8％。
本发明所提供的技术方案的优点在于：采用纯钛箔和紫铜片作为添加层，通过外加磁场的电子束焊接使得碳元素与钛元素，铝元素和铜元素反应，实现碳纤维复合材料与铝合金板材的冶金连接，能够有效改善碳和铝元素的润湿性；并通过在焊后对焊接接头进行热处理，去除焊接接头的残余应力，提高接头的机械性能。
附图说明
图1为碳纤维复合材料与铝合金板材连接处结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。
实施例1
本实施例对尺寸规格均为100*50*1mm的碳纤维增强酚醛环氧复合材料T300/648和6061铝合金板材进行焊接。
本实施例包括以下步骤：
S1、对碳纤维复合材料板材和铝合金板材进行机械加工，得到待焊接的板材；
S2、采用400目砂纸将碳纤维复合材料1、钛箔2、紫铜片3和铝合金板材4的各个接触面打磨，再放入纯度≥99.8％的丙酮溶液中超声清洗10～15min，去除表面油污等杂物，确保表面干净；
S3、如图1所示，将碳纤维复合材料1、钛箔2、紫铜片3和铝合金板材4从下至上依次叠置，为保证各个材料之间紧密接触，可采用夹具夹装形成装配件；
S4、对装配件进行外加磁场5的电子束焊接6，得到焊接件；电子束焊接中真空度范围为1.3×10-3Pa，磁场强度为20A/m；
S5、取出焊接件，并放到热处理炉中进行热处理，热处理炉的温度为200℃，保温5个小时后以5℃/min速率随炉冷却至常温，即完成碳纤维复合材料和6061铝合金板材的焊接。
实施例2
本实施例对尺寸规格均为100*50*1mm的碳纤维增强酚醛环氧复合材料T300/648和6061铝合金板材进行焊接。
本实施例包括以下步骤：
S1、对碳纤维复合材料板材和铝合金板材进行机械加工，得到待焊接的板材；
S2、采用600目砂纸将碳纤维复合材料、钛箔、紫铜片和铝合金板材的各个接触面打磨，再放入纯度≥99.8％的丙酮溶液中超声清洗10～15min，去除表面油污等杂物，确保表面干净；
S3、将碳纤维复合材料、钛箔、紫铜片和铝合金板材从下至上依次叠置，为保证各个材料之间紧密接触，可采用夹具夹装形成装配件；
S4、对装配件进行外加磁场的电子束焊接，得到焊接件；电子束焊接中真空度范围为1.6×10-3Pa，磁场强度为10A/m；
S5、取出焊接件，并放到热处理炉中进行热处理，热处理炉的温度为150℃，保温3个小时后以8℃/min速率随炉冷却至常温，即完成碳纤维复合材料和6061铝合金板材的焊接。
实施例3
本实施例对尺寸规格均为100*50*1mm的碳纤维增强聚苯硫醚板CF-PPS和6061铝合金板材进行焊接。
本实施例包括以下步骤：
S1、对碳纤维复合材料板材和铝合金板材进行机械加工，得到待焊接的板材；
S2、采用1000目砂纸将碳纤维复合材料、钛箔、紫铜片和铝合金板材的各个接触面打磨，再放入纯度≥99.8％的丙酮溶液中超声清洗10～15min，去除表面油污等杂物，确保表面干净；
S3、将碳纤维复合材料、钛箔、紫铜片和铝合金板材从下至上依次叠置，为保证各个材料之间紧密接触，可采用夹具夹装形成装配件；
S4、对装配件进行外加磁场的电子束焊接，得到焊接件；电子束焊接中真空度范围为2.0×10-3Pa，磁场强度为30A/m；
S5、取出焊接件，并放到热处理炉中进行热处理，热处理炉的温度为100℃，保温6个小时后以10℃/min速率随炉冷却至常温，即完成碳纤维复合材料和6061铝合金板材的焊接。
下表列出了上述各实施例的电子束焊接条件、钛箔、紫铜片厚度与焊接接头强度的检测结果
Figure BDA0001585962290000031
Figure BDA0001585962290000041
上述各实施例通过控制电子束加速电压和焊接速度实现对接头反应层的厚度和反应相分布的控制，进而控制接头的显微组织和性能，获得的接头完整致密，无裂纹等缺陷；焊接后的热处理，去除焊接接头的残余应力，提高了接头的力学性能。

Claims (6)

1.一种碳纤维复合材料与铝合金板材的连接方法，其特征在于，包括步骤：从下至上依次紧密叠置碳纤维复合材料、钛箔、紫铜片和铝合金板材形成待焊接区域，所述钛箔的厚度为200～300μm，紫铜片的厚度为200～300μm，对焊接区域采用电子束焊接，所述电子束焊接在磁场中进行，所述磁场的磁场强度为10～30A/m，所述磁场的磁场方向垂直于碳纤维复合材料、钛箔、紫铜片和铝合金板材之间的接触面，焊接完成后进行保温冷却热处理。
2.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料与铝合金板材的连接方法，其特征在于，所述电子束焊接在抽真空设备中进行，真空度范围为1.3×10-3～2.0×10-3Pa。
3.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料与铝合金板材的连接方法，其特征在于，所述电子束焊接中电子束加速电压为40～50KV，焊接束流为10～20mA，焊接速度为6～10mm/s。
4.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料与铝合金板材的连接方法，其特征在于，所述保温冷却热处理时，保温温度为100～200℃，保温时间为3～6h，保温结束后以5～10℃/min速率冷却至常温。
5.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料与铝合金板材的连接方法，其特征在于，所述叠置碳纤维复合材料、钛箔、紫铜片和铝合金板材前，对碳纤维复合材料、钛箔、紫铜片和铝合金板材的各个接触面进行打磨，并浸没于丙酮溶液中超声清洗10～15min。
6.根据权利要求5所述的碳纤维复合材料与铝合金板材的连接方法，其特征在于，所述打磨时采用400～1000目砂纸打磨，丙酮溶液纯度≥99.8％。
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