CN109383036A - 内置电磁材料的热塑性树脂基复合材料感应焊设备及方法 - Google Patents

Abstract

内置电磁材料的热塑性树脂基复合材料感应焊设备及方法，属于材料成型、制造领域。本发明解决了感应焊接材料方面和设备方面的问题。本发明创新点：在材料方面，热塑性树脂基复合材料生产采用层压成型工艺，在层与层之间压制过程中，添加铁基铁磁材料，形成复合材料焊接件。在焊接设备方面，进行感应焊设备改进，实现轴向施加压力，根据需要控制与接头之间的距离，实现感应焊的高效焊接。焊接方法：首先利用加压设备对待焊的复合材料施加预压力，再接通感应线圈，产生电磁场加热内置电磁材料。本发明降低了感应焊对待焊物尺寸的要求、提高了焊接质量与效率、减少了能源消耗，同时简化了焊接设备、降低了设备一次性投入及生产成本。

Description

内置电磁材料的热塑性树脂基复合材料感应焊设备及方法

技术领域

本发明涉及一种热塑性树脂基复合材料感应焊设备及方法，具体涉及一种内置电磁材料的热塑性树脂基复合材料感应焊设备及方法，属于材料成型、制造领域。

背景技术

随着汽车制造、船舶、航空航天等领域的不断发展，对于减轻结构重量、节约经济成本、保证产品安全性能的要求越来越高，这使得“轻质轻量化”的概念应运而生，即在保证结构性能的同时将其由繁变简，由重变轻。通过采用高强树脂等材料代替钢铁的方法，可以在满足结构强韧性、耐疲劳性等前提下，尽可能多的降低重量。材料连接的质量很大程度上影响了产品的使用性能。

感应焊接是连接热塑性树脂基复合材料的有效方法，然而目前用于感应焊的材料及感应焊设备存在以下问题：首先，在待焊材料方面，感应焊接方法需要在待焊材料界面处添加植入物，植入物最终会残留在焊缝处，降低接头强度及疲劳性能；在感应焊设备方面，传统的感应焊设备是外置感应线圈，且压力未在轴向施加，这限制了待焊物的形状、尺寸，且影响了焊接质量。因此，解决材料方面和设备方面的问题，将有助于感应焊方法的推广应用。

发明内容

在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

鉴于此，本发明为了解决感应焊接材料方面和设备方面的问题，提高焊接接头的强度及疲劳性能，对感应焊设备进行了改良，并提出了内置电磁材料的热塑性树脂基复合材料的感应焊设备及方法。本发明降低了热塑性树脂基复合材料感应焊对待焊物尺寸的要求、提高了焊接质量与效率、减少了能源消耗，同时简化了焊接设备、降低了设备一次性投入及生产成本。

方案一：内置电磁材料的热塑性树脂基复合材料感应焊设备，包括感应发生器、热交换器、压力机、感应线圈、垫板、外置红外测温仪、绝热板和铜制壳体；所述铜制壳体、感应发生器、热交换器和压力机由下至上依次连接，所述感应线圈置于铜制壳体的底端内部，铜制壳体的底端面上固定有绝热板；所述感应线圈与感应发生器电连接，感应线圈为中空型线圈，其进出口与热交换器连接；垫板置于绝热板的下方，垫板与绝热板之间设置待焊件；外置红外测温仪的探头与待焊件对应设置；所述感应发生器为感应线圈提供高频电源；所述热交换器用于给感应线圈降温；所述压力机用于提供轴向压力；所述外置红外测温仪用于检测接头温度。

所述感应发生器与感应线圈相连，在交变电流下使感应线圈产生交变磁场，进而产生感应电流加热并使待焊表面熔化。

进一步地：所述待焊件为内置电磁材料的热塑性树脂基复合材料，其采用层压成型工艺方法制得，在层与层之间压制过程中，添加导电磁性材料(铁基铁磁材料)形成复合材料焊接件。

进一步地：所述复合材料焊接件厚度为0.25mm-5.0mm，压制的每层材料厚度为0.05mm-0.5mm，导电磁性材料厚度为60-150μm。

进一步地：所述内置电磁材料的热塑性树脂基复合材料中添加一种或几种增强相的复合材料。例如：纤维增强型(例如碳纤维、玻璃纤维等)。

进一步地：层压过程中添加的导电磁性材料(铁基铁磁材料)为粉末状或颗粒状。

进一步地：层压过程中添加导电磁性材料(铁基铁磁材料)，在任意一层压制时，提前混合在热塑性树脂预浸料中，或者均匀撒在任意一层表面上。

进一步地：所述热交换器是循环水冷却装置，防止感应线圈过热，将其通入循环水冷却。

进一步地：所述感应线圈是单匝线圈、多匝线圈、盘圈形线圈或发卡线圈。

进一步地：所述红外测温仪是外置的测温装置，检测接头温度，从而实现精确控温。

进一步地：所述绝热板厚度3-10mm，是采用高强玻璃类的热导率及磁导率均很低且耐压的材料，避免高温直接传送到热塑性树脂及板材上，且对磁场的损耗极小。

进一步地：所述铜制壳体的热传递效果良好，避免感应线圈过热。

方案二：内置电磁材料的热塑性树脂基复合材料感应焊方法，该方法是依托方案一所述的内置电磁材料的热塑性树脂基复合材料感应焊设备实现的，具体为：

将待焊件放置到垫板上，利用压力机对待焊件施加预压力，再通过感应发生器接通感应线圈，产生加热内置电磁材料的电磁场，通过热传导依次加热和熔化周围的热塑性树脂基复合材料，在循环水的冷却作用下，降低感应线圈的温度，待红外测温仪检测到接头温度达到树脂材料玻璃化温度，且小于热分解温度时，感应线圈停止工作，在压力作用下使接头冷却到室温，形成最终接头。

进一步地：所述压力机对待焊件施加0.45-1.20MPa的预压力，且在焊后保压至冷却到室温。

进一步地：所述感应发生器将40Hz-70Hz的电源转变为功率为1-5KW的高频为2-10MHz的电源。

本发明所达到的效果为：

为实现热塑性树脂基复合材料的高效焊接，本发明在材料方面，热塑性树脂基复合材料生产采用层压成型等工艺方法，在层与层之间压制过程中，添加铁基铁磁材料等导电磁性材料，形成复合材料焊接件。本发明具有焊材一体化特点，减少漏磁现象，且提高接头疲劳强度，降低焊接应力；还具有设备一体化特点，根据平方反比定律，来自于磁场中用于发热的能量与离线圈距离的平方成反比，该设备可根据需要精确控制与接头之间的距离，且不必担心由于感应线圈的高温导致树脂材料的熔化，提高工作效率，减少能源消耗，使设备更加简单轻便，安全性得到保障。

附图说明

图1为本发明设备原理图；

图2为添加的导电磁性材料的待焊件示意图。

图中：1-感应发生器；2-热交换器；3-压力机；4-感应线圈；5-待焊件；6-垫板；7-探头；8-外置红外测温仪；9-绝热板；10-铜制壳体；11-导电磁性材料。

具体实施方式

为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本发明公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。

在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在申请文件中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

实施例1：参见图1和图2，本实施方式的内置电磁材料的热塑性树脂基复合材料感应焊设备，包括感应发生器1，它是能将40Hz-70Hz的电源转变为功率一般为1-5KW的高频(2-10MHz)电源，压力机3提供0.45-1.20MPa的预压力，是与气缸或液缸连接的压头；感应线圈4及与其相连的热交换器2，感应线圈4可以是单匝线圈、多匝线圈、盘圈形线圈、发卡线圈等形式，可由铜管、薄板或机加工块制成，感应线圈是水冷的。线圈可以是方的、圆的或矩形的，常规尺寸是3.2mm、4.8mm、6.4mm、9.5mm。感应线圈4是中空线圈，与热交换器2相连进行循环水冷却，绝热板9与铜制壳体10相互紧固，外置红外测温仪8及其探头7用来探测热塑性板材焊接区温度，达到精确控温的目的，垫板6上用来放置待焊件；所述待焊件5为内置电磁材料的热塑性树脂基复合材料，其采用层压成型工艺方法制得，在层与层之间压制过程中，添加铁基铁磁材料形成复合材料焊接件。所述复合材料焊接件厚度为0.25mm-5.0mm，压制的每层材料厚度为0.05mm-0.5mm，导电磁性材料厚度为60-150μm。所述内置电磁材料的热塑性树脂基复合材料中添加一种或几种增强相的复合材料。例如：纤维增强型(例如碳纤维、玻璃纤维等)。层压过程中添加的铁基铁磁材料为粉末状或颗粒状。层压过程中添加铁基铁磁材料，在任意一层压制时，提前混合在热塑性树脂预浸料中，或者均匀撒在任意一层表面上。

实施例2：参见图1和2，一种基于上述实施例1所述感应焊设备的感应焊方法，具体是将复合材料焊接件5放置到垫板6上，利用加压设备3对待焊的复合材料施加预压力0.45-1.20MPa，再接通感应发生器1，感应发生器1可以将40Hz-70Hz的电源转变为功率一般为1-5KW的高频(2-10MHz)电源设备，进而给予感应线圈2-10MHz的高频率，产生能够加热内置导电磁性材料11的电磁场，通过热传导依次加热和熔化周围的热塑性树脂基复合材料，由于感应线圈4是中空结构，在感应线圈工作的同时，可以利用热交换器2向其中通入循环水，在循环水的的冷却作用下，降低感应线圈4的温度，待红外测温仪8的探头7检测到接头温度达到树脂材料玻璃化温度，且小于热分解温度时，感应线圈4停止工作，在持续压力作用下使接头冷却到室温，形成最终接头。

上述实施例1和2中，热塑性树脂基复合材料生产一般采用层压成型工艺，在层与层之间压制过程中，添加铁基铁磁材料等导电磁性材料，可得到内置电磁材料的一体化热塑性树脂基复合材料。焊接设备基于一般的热塑性树脂基复合材料的感应焊设备，同时对其进行改进，实现轴向施加压力，并且可根据需要精确控制与接头之间的距离，实现了感应焊的高效焊接。焊接方法如下：首先利用加压设备对待焊的复合材料施加预压力，再接通感应线圈(工作线圈)，产生电磁场加热内置电磁材料，继而通过热传导加热、熔化热塑性树脂基复合材料表面，在循环水的冷却作用下，降低感应线圈的温度，方法具有焊材一体化特点，减少漏磁现象，且提高接头疲劳强度，降低焊接应力；此外，设备具有一体化特点，该设备可根据需要精确控制与接头之间的距离，且不必担心由于感应线圈的高温导致树脂材料的熔化，提高工作效率，减少能源消耗，同时实现轴向施加压力，扩大了感应焊接方法的应用范围，使设备更加简单轻便，降低一次性投入及生产成本，且实用性高。

虽然本发明所揭示的实施方式如上，但其内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭示的核心技术方案的前提下，可以在实施的形式和细节上做任何修改与变化，但本发明所限定的保护范围，仍须以所附的权利要求书限定的范围为准。

Claims (10)

1.内置电磁材料的热塑性树脂基复合材料感应焊设备，其特征在于：内置电磁材料的热塑性树脂基复合材料感应焊设备，包括感应发生器(1)、热交换器(2)、压力机(3)、感应线圈(4)、垫板(6)、外置红外测温仪(8)、绝热板(9)和铜制壳体(10)；所述铜制壳体(10)、感应发生器(1)、热交换器(2)和压力机(3)由下至上依次连接，所述感应线圈(4)置于铜制壳体(10)的底端内部，铜制壳体(10)的底端面上固定有绝热板(9)；所述感应线圈(4)与感应发生器(1)电连接，感应线圈为中空型线圈，其进出口与热交换器连接；垫板(6)置于绝热板(9)的下方，垫板与绝热板之间设置待焊件(5)；外置红外测温仪(8)的探头(7)与待焊件(5)对应设置；所述感应发生器(1)为感应线圈(4)提供高频电源；所述热交换器(2)用于给感应线圈(4)降温；所述压力机(3)用于提供轴向压力；所述外置红外测温仪(8)用于检测接头温度；所述待焊件(5)为内置电磁材料的热塑性树脂基复合材料，其采用层压成型工艺方法制得，在层与层之间压制过程中，添加铁基铁磁材料形成复合材料焊接件。

2.根据权利要求1所述的内置电磁材料的热塑性树脂基复合材料感应焊设备，其特征在于：所述复合材料焊接件厚度为0.25mm-5.0mm，压制的每层材料厚度为0.05mm-0.5mm，导电磁性材料厚度为60-150μm。

3.根据权利要求2所述的内置电磁材料的热塑性树脂基复合材料感应焊设备，其特征在于：所述内置电磁材料的热塑性树脂基复合材料中添加增强相的复合材料，增强相的复合材料为碳纤维或玻璃纤维。

4.根据权利要求1所述的内置电磁材料的热塑性树脂基复合材料感应焊设备，其特征在于：层压过程中添加的铁基铁磁材料为粉末状或颗粒状。

5.根据权利要求1所述的内置电磁材料的热塑性树脂基复合材料感应焊设备，其特征在于：层压过程中添加的铁基铁磁材料，在任意一层压制时，提前混合在热塑性树脂预浸料中，或者均匀撒在任意一层表面上。

6.根据权利要求1所述的内置电磁材料的热塑性树脂基复合材料感应焊设备，其特征在于：所述热交换器(2)是循环水冷却装置。

7.根据权利要求1所述的内置电磁材料的热塑性树脂基复合材料感应焊设备，其特征在于：所述感应线圈(4)是单匝线圈、多匝线圈、盘圈形线圈或发卡线圈。

8.内置电磁材料的热塑性树脂基复合材料感应焊方法，该方法是依托权利要求1-7任一所述的内置电磁材料的热塑性树脂基复合材料感应焊设备实现的，其特征在于：将待焊件(5)放置到垫板(6)上，利用压力机(3)对待焊件(5)施加预压力，再通过感应发生器(1)接通感应线圈(4)，产生加热内置电磁材料的电磁场，通过热传导依次加热和熔化周围的热塑性树脂基复合材料，在循环水的冷却作用下，降低感应线圈(4)的温度，待红外测温仪(8)检测到接头温度达到树脂材料玻璃化温度，且小于热分解温度时，感应线圈(4)停止工作，在压力作用下使接头冷却到室温，形成最终接头。

9.根据权利要求8所述的内置电磁材料的热塑性树脂基复合材料感应焊方法，其特征在于：所述压力机(3)对待焊件(5)施加0.45-1.20MPa的预压力，且在焊后保压至冷却到室温。

10.根据权利要求9所述的内置电磁材料的热塑性树脂基复合材料感应焊方法，其特征在于：所述感应发生器(1)将40Hz-70Hz的电源转变为功率为1-5KW的高频为2-10MHz的电源。