CN109130219B - 一种金属板材与碳纤维复合材料的复合连接工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属板材与碳纤维复合材料的复合连接工艺，包括以下步骤：在碳纤维板的连接区域加工一个圆孔，并将垫圈放置于圆孔中；将碳纤维板的圆孔周围表面和垫圈两侧端面均涂覆上胶黏剂；将电爆炸铝箔、辅助飞板、带有垫圈的碳纤维板和待连接的金属板依次叠放于下垫板上；将上垫板紧压于电爆炸铝箔上；启动电爆炸铝箔产生高速冲击力，使得辅助飞板在垫圈周围的材料产生高速塑性变形，并胀形穿过垫圈内孔高速冲击碰撞金属板形成焊接接头；对焊接接头施加辐射升温，使碳纤维板和金属板之间的胶黏剂固化。实现了金属板材与碳纤维板材之间的复合连接，形成的接头性能较好，提高了连接效率和连接质量，降低了加工成本。

Description

一种金属板材与碳纤维复合材料的复合连接工艺

技术领域

本发明涉及材料加工技术领域，具体涉及一种金属板材与碳纤维复合材料的复合连接工艺。

背景技术

近年来，轻量化是汽车、航空、航天工业的发展趋势，轻质高强度材料的运用是轻量化的重要途径，因此碳纤维复合材料在汽车、航空等先进制造领域的应用日益增加。然而碳纤维复合材料存在成本高、耐温性差等缺陷，因而综合考虑轻量化的成本和效果，多材料混用，充分发挥金属材料与碳纤维复合材料各自优势，已成为现代轻量化结构设计的明智选择。但是，金属与碳纤维复合材料由于物理属性差异较大，连接较为困难。因而解决金属/碳纤维复合材料连接难题、发展高效高可靠性的连接工艺对现代制造工程具有重要意义。

由于碳纤维复合材料(CFRP)是由高分子材料与碳纤维材料构成的复合材料，其与金属材料难于通过传统的金属焊接方法如熔化焊、钎焊、摩擦焊等进行高可靠性连接。目前金属与碳纤维采用的连接方法主要是机械连接、胶接和机械-胶接复合连接等。

上述方法用于连接金属与碳纤维板材存在一些缺陷：(1)机械连接主要采用螺栓或铆钉进行连接，制备的金属/CFRP接头一般承受纵向载荷，抗扭转强度差，在连接过程中如果导致摩擦面错动，改变结构的受力状态，可能会导致连接失稳；(2)由于存在铆钉或螺栓，增加了接头重量，大批量应用(如车身上需要多个焊点时)将使产品重量和成本大幅提升；(3)粘接主要是借助结构胶将同种或异种材料牢固的连接在一起。用这种连接方法制备的金属/CFRP接头的抗剥离强度和抗冲击强度，接头性能一般低于母材；且由于胶黏剂在连接件表面的浸润不均会导致胶黏剂层疏松或产生气泡，影响连接强度；采用超声波振动辅助胶接方法可以提高胶黏剂在CFRP和金属表面的浸润性，提升胶接接头强度，但由于接头强度仍取决于胶粘剂本身强度，接头抗拉能力提升有限。(4)采用机械-胶接复合连接工艺可以利用机械连接优势提高抗拉强度，利用胶接工艺提高抗扭强度，但仍存在机械连接接头重量大的缺点。

本发明针对汽车、航空航天领域的轻量化要求，提出一种轻量化金属板材与碳纤维焊接-胶接复合连接的方法，结合高速冲击焊与胶接连接特点，可以有效解决金属与碳纤维复合材料连接难题。通过该方法制得的接头具有连接性能好、重量轻的优点。

其原理在于，采用电爆炸高速冲击焊使夹住碳纤维板的金属板材在常温下发生焊接，从而通过碳纤维板上的预制孔对碳纤维板形成紧密铆接；同时涂覆在碳纤维板表面的胶接剂在爆炸冲击高频脉冲场下产生超高频振动流动，从而充分浸润金属板材与碳纤维板接合面，形成良好胶接；两种连接效应协同作用，形成了金属板材与碳纤维焊接-胶接复合连接接头。

其工艺特点在于，高强金属板间的冶金接头和塑性变形部分材料在CFRP预制孔内形成了一个“空心铆钉”，提高了接头的抗拉能力；同时胶黏剂使得CFRP与金属表面形成紧密连接，提高了接头的抗扭能力；接头纵向拉伸性能高于或相当于铆接或栓接接头，由于胶黏剂的存在接头能够承受更强的扭转载荷；轻量化金属板材采用电爆炸高速冲击连接，连接时无需焊接高温输入(如熔焊)，可有效避免金属板采用常规焊接(如熔焊)工艺时胶黏剂受高温提前固化与失效；并且，由于电爆炸高速冲击焊时金属板材在高频脉冲冲击力的作用下塑性变形与连接板碰撞连接，冲击板同时受到高频振动，会对金属与碳纤维板表面的胶黏剂产生超声振动效果，增强了胶接剂对连接结合面的浸润性能，提高胶接性能。因此本复合连接工艺结合了高速冲击连接、胶接、超声振动辅助胶接、铆接的优点，连接性能好，接头质量轻。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述缺陷，提供了一种金属板材与碳纤维复合材料的复合连接工艺，实现了金属板材与碳纤维板材之间的复合连接，形成的接头性能较好，提高了连接效率和连接质量，降低了加工成本，具有较好的工业应用前景。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种金属板材与碳纤维复合材料的复合连接工艺，包括以下步骤：

1)在碳纤维板的连接区域加工一个圆孔，然后将垫圈放置于圆孔中；

2)将碳纤维板的圆孔周围表面和垫圈两侧端面均涂覆上胶黏剂；

3)将辅助飞板、带有垫圈的碳纤维板和待连接的金属板依次叠放于下垫板上，辅助飞板和金属板从上下两侧将碳纤维板上的圆孔覆盖；

4)将电爆炸铝箔平放在辅助飞板上；

5)将上垫板紧压于电爆炸铝箔上；

6)启动电爆炸铝箔产生高速冲击力，使得辅助飞板在垫圈周围的材料产生高速塑性变形，并胀形穿过垫圈内孔高速冲击碰撞金属板形成焊接接头；

7)对焊接接头施加辐射升温，使碳纤维板和金属板之间的胶黏剂固化。

按照上述技术方案，碳纤维板的宽度为B，碳纤维板上所加工圆孔的直径为D，D≤0.5B。

按照上述技术方案，所述步骤1)中，垫圈通过过渡配合与碳纤维板上圆孔套接。

按照上述技术方案，垫圈的厚度与碳纤维板的板厚相同。

按照上述技术方案，所述的步骤3)中将辅助飞板、带有垫圈的碳纤维板和待连接的金属板依次叠放于下垫板时，使垫圈的中心与金属板的连接点中心对齐，垫圈4的中心即连接点中心，使碳纤维板与金属板形成预连接件，使辅助飞板的中心与垫圈的中心对准，即连接点中心；所述的步骤4)中将电爆炸铝箔平放在辅助飞板上时，使电爆炸铝箔起爆中心与辅助飞板中心对准。

按照上述技术方案，所述的步骤6)中，启动电爆炸铝箔爆炸的具体过程为：通过储能电容C对电爆炸铝箔放电，使电爆炸铝箔中心点在高频脉冲电流作用下爆炸。

按照上述技术方案，储能电容C对电爆炸铝箔放电过程中，放电量为2KJ～10KJ，产生的高频脉冲电流为8～30KA。

按照上述技术方案，储能电容C对电爆炸铝箔放电前，通过充电回路对储能电容C充电，当充电电压达到设定高压后，断开充电回路。

按照上述技术方案，所述的步骤2)中，胶黏剂为改性环氧树脂胶或其他热固性树脂结构胶，胶黏剂的固化温度为50～150℃。

按照上述技术方案，电爆炸铝箔外包覆有绝缘胶。

本发明具有以下有益效果：

本方法通过电爆炸冲击焊和超声辅助胶接相结合的连接方式，实现了金属板材与碳纤维板材之间的复合连接，形成的接头性能较好，有效解决了金属板和碳纤维材料的快速连接，提高了连接效率和连接质量，降低了加工成本，具有较好的工业应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例中碳纤维板的结构示意图；

图2是本发明实施例中垫圈放置于碳纤维板圆孔内的示意图；

图3是本发明实施例中在带有垫圈的碳纤维板上涂覆上胶黏剂的示意图；

图4是本发明实施例中碳纤维板和金属板依次放置于下垫板上的示意图；

图5是本发明实施例中辅助飞板、碳纤维板和金属板依次叠放于下垫板上的示意图；

图6是本发明实施例中电爆炸铝箔放置于辅助飞板上的示意图；

图7是本发明实施例中启动电爆炸铝箔作用前辅助飞板、碳纤维板和金属板叠放示意图；

图8是本发明实施例中启动电爆炸铝箔作用后形成金属板材与碳纤维板材焊接-胶接复合连接接头；

图中，1-金属板，2-下垫板，3-碳纤维板，4-垫圈，5-胶黏剂，6-辅助飞板，7-电爆炸铝箔，8-上垫板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

参照图1～图8所示，本发明提供的一个实施例中的金属板材与碳纤维复合材料的复合连接工艺，包括以下步骤：

1)在碳纤维板3的连接区域加工一个圆孔，然后将垫圈4放置于圆孔中；

2)将碳纤维板3的圆孔周围表面和垫圈4两侧端面均涂覆一圈上胶黏剂5；

3)将辅助飞板6、带有垫圈4的碳纤维板3和待连接的金属板1依次叠放于下垫板2上，辅助飞板6和金属板1从上下两侧将碳纤维板3上的圆孔覆盖；垫圈4的中心对准金属板1的连接点中心，垫圈4的中心即连接点中心，使碳纤维板3与金属板1形成预连接件，垫圈4的作用主要是在电爆炸高速冲击焊接时保护碳纤维板3，以免碳纤维板3内孔直接受到金属板1塑性变形区的不均匀冲击而出现分层破裂；

4)将电爆炸铝箔7平放在辅助飞板6上，电爆炸铝箔7设置于碳纤维板3的圆孔上方；

5)将上垫板8紧压于电爆炸铝箔7上，通过上垫板8与下垫板2之间施加的压力，将辅助飞板6、碳纤维板3、金属板1压紧；

6)启动电爆炸铝箔7产生高速冲击力，使得辅助飞板6在垫圈4周围的材料产生高速塑性变形，并胀形穿过垫圈4内孔高速冲击碰撞金属板1形成焊接接头；

7)对焊接接头区域施加辐射升温，使碳纤维板3和金属板1之间的胶黏剂5固化，形成金属板材与碳纤维板材焊接-胶接复合连接接头。

进一步地，碳纤维板3即为CFRP板。

进一步地，碳纤维板3的宽度为B，碳纤维板3上所加工圆孔的直径为D，D≤0.5B。

进一步地，所述步骤1)中，垫圈4通过过渡配合与碳纤维板3上圆孔套接。

进一步地，垫圈4的厚度与碳纤维板3的板厚相同。

进一步地，所述的步骤3)中将辅助飞板6、带有垫圈4的碳纤维板3和待连接的金属板1依次叠放于下垫板2时，使垫圈4的中心与金属板1的连接点中心对齐，垫圈4的中心即连接点中心，使碳纤维板3与金属板1形成预连接件，使辅助飞板6的中心与垫圈4的中心对准；所述的步骤4)中将电爆炸铝箔7平放在辅助飞板6上时，使电爆炸铝箔7起爆中心与辅助飞板6中心对准，即电爆炸铝箔7与垫圈4中心对准。

进一步地，所述的步骤6)中，启动电爆炸铝箔7爆炸的具体过程为：通过储能电容C对电爆炸铝箔7放电，使电爆炸铝箔7中心点在高频脉冲电流作用下爆炸。

进一步地，储能电容C对电爆炸铝箔7放电过程中，放电量为2KJ～10KJ，产生的高频脉冲电流为8～30KA

进一步地，储能电容C对电爆炸铝箔7放电前，通过充电回路对储能电容C充电，当充电电压达到设定高压后，断开充电回路。

进一步地，储能电容C与电爆炸铝箔7之间还连接有真空开关K。

进一步地，储能电容C为高压电容器。

进一步地，设定放电能量，并将高压电容器充电，充电完毕后闭合真空开关K，放电过程中，将高压电容器放电回路导电端与电爆炸铝箔7两端连接，导通放电回路；储能电容C对铝箔放电，铝箔在强脉冲电流作用下发生爆炸并产生高速冲击。

进一步地，所述的步骤2)中，胶黏剂5为改性环氧树脂胶或其他热固性树脂结构胶，胶黏剂5的固化温度为50～150℃。

进一步地，电爆炸铝箔7外包覆有绝缘胶。

进一步地，金属板1和辅助飞板6为同一种轻量化金属材料；具体可为高强钢、铝合金、镁合金、铜合金、钛合金或普通碳钢。

进一步地，金属板1的厚度为1～5mm，辅助飞板6的厚度为0.5～2mm。

进一步地，垫圈4的材料为碳钢或铝合金，垫圈4内孔径为5.0～15mm，孔单边距1～3mm；。

进一步地，所述碳纤维板3厚度为0.8～5.0mm。

进一步地，所述电爆炸铝箔7材料为纯铝，厚度为0.1～0.5mm。

本发明的工作原理：

本发明主要结合电爆炸高速冲击连接和胶接的特点形成复合连接工艺，工艺原理如图1所示。通过在碳纤维板3垫圈4周围两面涂覆一层胶黏剂5，实现金属板1、飞板6与碳纤维板3三者之间的预连接，接着通过电爆炸冲击焊使得飞板6在垫圈周围的材料产生高速塑性变形，并胀形通过垫圈孔内高速冲击碰撞金属板1形成焊点；同时飞板的高频脉冲振动类似超声振动促使金属与碳纤维板表面的胶黏剂5在高频振动下更好地浸润连接结合面，最终形成强度较好的焊接-胶接复合连接接头。

以上的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种金属板材与碳纤维复合材料的复合连接工艺，其特征在于，包括以下步骤：

1)在碳纤维板的连接区域加工一个圆孔，然后将垫圈放置于圆孔中；

2)将碳纤维板的圆孔周围表面和垫圈两侧端面均涂覆上胶黏剂；

3)将辅助飞板、带有垫圈的碳纤维板和待连接的金属板依次叠放于下垫板上，辅助飞板和金属板从上下两侧将碳纤维板上的圆孔覆盖；

4)将电爆炸铝箔平放在辅助飞板上；

5)将上垫板紧压于电爆炸铝箔上；

6)启动电爆炸铝箔产生高速冲击力，使得辅助飞板在垫圈周围的材料产生高速塑性变形，并胀形穿过垫圈内孔高速冲击碰撞金属板形成焊接接头；

7)对焊接接头施加辐射升温，使碳纤维板和金属板之间的胶黏剂固化。

2.根据权利要求1所述的金属板材与碳纤维复合材料的复合连接工艺，其特征在于，碳纤维板的宽度为B，碳纤维板上所加工圆孔的直径为D，D≤0.5B。

3.根据权利要求1所述的金属板材与碳纤维复合材料的复合连接工艺，其特征在于，所述步骤1)中，垫圈通过过渡配合与碳纤维板上圆孔套接。

4.根据权利要求1所述的金属板材与碳纤维复合材料的复合连接工艺，其特征在于，垫圈的厚度与碳纤维板的板厚相同。

5.根据权利要求1所述的金属板材与碳纤维复合材料的复合连接工艺，其特征在于，所述的步骤3)中将辅助飞板、带有垫圈的碳纤维板和待连接的金属板依次叠放于下垫板时，使垫圈的中心与金属板的连接点中心对齐，垫圈的中心即连接点中心，使碳纤维板与金属板形成预连接件，使辅助飞板的中心与垫圈的中心对齐；所述的步骤4)中将电爆炸铝箔平放在辅助飞板上时，使电爆炸铝箔起爆中心与辅助飞板中心对准。

6.根据权利要求1所述的金属板材与碳纤维复合材料的复合连接工艺，其特征在于，所述的步骤6)中，启动电爆炸铝箔爆炸的具体过程为：通过储能电容C对电爆炸铝箔放电，使电爆炸铝箔中心点在高频脉冲电流作用下爆炸。

7.根据权利要求1所述的金属板材与碳纤维复合材料的复合连接工艺，其特征在于，储能电容C对电爆炸铝箔放电过程中，放电量为2KJ～10KJ，产生的高频脉冲电流为8～30KA。

8.根据权利要求1所述的金属板材与碳纤维复合材料的复合连接工艺，其特征在于，所述的步骤2)中，胶黏剂为改性环氧树脂胶，胶黏剂的固化温度为50～150℃。

9.根据权利要求1所述的金属板材与碳纤维复合材料的复合连接工艺，其特征在于，电爆炸铝箔外包覆有绝缘胶。