CN109465535A - 超声波辅助铝合金/复合材料回填式搅拌摩擦胶接点焊连接工艺 - Google Patents

超声波辅助铝合金/复合材料回填式搅拌摩擦胶接点焊连接工艺 Download PDF

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Abstract

本发明涉及超声波辅助铝合金/复合材料回填式搅拌摩擦胶接点焊连接工艺。首先将铝合金在微沟槽轧辊上进行微沟槽处理增加表面粗糙度，对复合材料表面采用红外激光辐射处理去除表面基质增加纤维活性，然后酒精超声清洗；将铝合金在卡具上固定好，在铝合金板材上进行涂胶；依次将中间层、复合材料板以搭接的方式装配在固定卡具上面；将超声波变幅杆置于搭接部位的上表面，施加超声波，促使胶黏剂铺展填缝、增强搅拌区熔融态材料的流动性，同时采用搅拌摩擦点焊工艺进行连接。本发明结合了搅拌摩擦点焊、胶接、超声波辅助的优点，实现了铝合金/复合材料的连接，并增加了材料的回填流动性、减小了接头空隙、提高了接头的强度。

Description

超声波辅助铝合金/复合材料回填式搅拌摩擦胶接点焊连接 工艺
技术领域
本发明属于焊接技术领域，具体是采用超声波辅助结合回填式搅拌摩擦点焊、胶接技术来连接铝合金/复合材料。
背景技术
随着汽车车身轻量化的发展，越来越多的轻质材料被混合应用于车身部位的制造，铝合金和复合材料(碳纤维增强复合材料,CFRP/玻璃纤维增强复合材料,GFRP)由于其质量轻、力学性能良好广泛应用于车体和车身覆盖件的设计中。但是由于铝合金和复合材料理化性能的巨大差异，普通的熔化焊往往会产生气孔、热裂纹等缺陷，还会造成复合材料的烧损，因此固相焊连接如搅拌摩擦点焊技术成为连接铝合金/复合材料异种材料的理想方法之一。搅拌摩擦点焊连接时，材料的流动性对于接头的形成有很大的影响，直接影响到接头的连接面积和质量，而热固性复合材料的流动性比较差，同时常规回填式搅拌摩擦点焊连接时，接头存在不可避免的空隙，影响接头应力分布，因此如何避免上述问题进而获取高质量的铝合金/复合材料连接接头成为当下研究的热点。
中国发明专利“一种提高铝合金搅拌摩擦点焊接头强度的方法”(公布号：CN103801815A，公布日期：2014.07.20)，针对铝合金同种材料连接时易出现“HOOK”缺陷，通过采用在铝合金底部施加超声波辅助增加材料流动性降低缺陷的产生率，但是其研究只针对同种或异种铝合金的连接；中国发明专利“一种功率超声辅助搅拌摩擦点焊装置及焊接方法”(公布号：CN108296624A，公布日期：2018.05.21)该装置采用超声波换能器和搅拌摩擦点焊夹持的装配方式进行连接，这对于试样的固定有很大的不便，也会影响装配精度。以上方法都对本发明有着很重要的借鉴意义，对于铝合金/复合材料的连接，不仅要注意铝合金材料的流动性问题，同时也要考虑复合材料的粘性问题以及装配方式对接头间隙的影响。因此本发明寻求一种可以稳定高效连接铝合金/复合材料的方法工艺，来提高接头的连接质量和强度。
发明内容
针对搅拌摩擦点焊过程中搅拌区熔融态材料流动性差、焊点周围存在间隙、接头强度低，本发明通过设计一种多技术复合的工艺来连接铝合金/复合材料以解决上述问题。
为实现上述目的，本发明的进行步骤如下：
步骤一，选取1-3mm厚的铝合金板和1-3mm厚的碳纤维/玻璃纤维复合材料板，针对碳纤维复合材料选取厚度为100-200μm的PA6材料作为中间层，对于玻璃纤维增强基复合材料选取厚度为100-200μm的PPS材料作为中间层；
步骤二，将铝合金在微沟槽轧辊上进行深度为0.3-0.6mm的微沟槽处理增加表面粗糙度到Ra 3.2-6.3，对复合材料板表面采用波长320-360nm、功率10-20W、频率15-25kHz、扫描速度250-500mm/s的红外激光进行辐射处理去除表面基质增加纤维活性，然后用酒精超声清洗；
步骤三，将铝合金在卡具上固定好，使用涂胶设备在铝合金板材上进行涂胶；
步骤四，将中间层、复合材料板同铝合金以搭接的方式装配固定在卡具上面；
步骤五，将超声变幅杆置于紧邻搅拌头的右侧位置，与工件上表面接触，同时连续施加频率为20-50kHz、振幅为2-20μm的超声波，持续到连接过程结束，超声振动在促使胶黏剂铺展填缝的同时也增强了搅拌区熔融态材料的流动性；
步骤六，采用三平面型搅拌针，旋转速度为1000-3000r/min，下扎深度为2.15-3mm，下扎速度为100-200mm/min，连接时间2-6s，下扎压力6.5-8.5KN的工艺参数进行连接；
步骤七，连接完成关闭超声波，2-5分钟后接头固化完成取样；
在上述技术方案中，步骤六中的搅拌摩擦点焊工艺参数范围可以适用于CFRP和GFRP的连接中，根据材料的不同厚度选取具体的参数值；
在上述技术方案中，铝合金采用了微沟槽表面处理，处理深度控制在0.3-0.6mm，复合材料采用红外激光辐射处理去除了表面基质增强了纤维活性，如图3所示为CFRP材料经过红外激光处理后表面基质明显被去除；
在上述技术方案中，为了增强铝合金板和复合材料的连接质量以及提高材料流动性，针对碳纤维复合材料选取了PA6材料作为中间层，对于玻璃纤维增强基复合材料选取了PPS材料作为中间层；
在上述技术方案中，超声波的施加从开始一直持续到连接过程结束，超声振动辅助不仅提高了胶黏剂铺展的均匀性同时也增强了材料的流动性，使得回填更充分；
在上述技术方案中，胶黏剂可以使用密封胶也可以使用高强结构胶或者点焊胶，结构胶对接头强度的提升更有利；
本发明的优点：
一、本发明可以实现铝合金轻质金属同复合材料的连接，尤其可以实现搭接方式中复合材料在上铝合金在下的连接，相对于常规回填式搅拌摩擦点焊以及传统的胶接、机械连接技术连接质量更高；
二、本发明耦合了红外激光处理去除毛坯复合材料表面基质，增强纤维活性、胶黏剂填缝、中间层提高连接质量、超声波振动增强材料流动性的作用，而不仅仅是这几种技术效应的简单叠加。表现为：
1、红外激光处理去除了复合材料表面基质增强了纤维活性，沟槽处理铝合金使工件表面微结构化，增加了粗糙度，提高了胶黏剂的附着性；
2、中间层材料的加入提高了复合材料同铝合金的连接性，增强了搅拌区熔融态材料的流动性，增大了焊点面积，胶黏剂的使用不仅填充了搭接接头的装配间隙，同时增强了接头的强度；
3、施加超声波有助于去除工件表面的氧化膜，进一步提高胶黏剂在工件表面的铺展、填缝以及提高熔融态材料的流动性，增大界面结合力，提高接头质量；
附图说明
图1是本发明实验用焊接装置立体示意图。
图2为本发明实验用焊接装置平面图。图中：1为铝合金板，2碳纤维板，3为中间层，4为搅拌摩擦点焊装置，5为超声振幅杆，6为超声换能器。
图3为使用红外激光处理前后碳纤维复合材料表面的SEM图像；左为红外激光处理前的表面SEM图像；右为红外激光处理后的SEM图像
图4为使用本发明方法获得接头的回填情况同常规方法获得接头回填情况的对比。上为常规回填式搅拌摩擦点焊接头；下为本发明工艺点焊接头
具体实施方式
下面通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
实施例1
选取1mm厚的6061铝合金、2mm厚的CFRP、100μm厚的PA6材料，加工成100mm×25.4mm的尺寸，采用回填式搅拌摩擦点焊机进行焊接，具体步骤如下：
步骤一，将铝合金在微沟槽轧辊上进行厚度为0.4mm的微沟槽处理增加表面粗糙度，对CFRP表面采用波长330nm、功率15W、频率20kHz、扫描速度280mm/s的红外激光进行辐射处理，然后酒精超声清洗；
步骤二，将铝合金在卡具上固定好，使用点胶设备在铝合金板材上进行涂胶；
步骤三，将100μm厚的PA6中间层、CFRP同铝合金以搭接的方式装配在固定卡具上面，搭接面积25.4×25.4mm2；
步骤四，将超声波振幅杆置于工件上表面搭接部位附近，施加静压力0.5Mpa、振幅2μm、频率40kHz的超声波，施加时间一直持续到连接结束；
步骤五，采用搅拌针旋转速度1200r/rpm、下扎深度2.15mm、连接时间4S、下扎压力6.8KN的工艺参数进行连接；
步骤六，连接完成关闭超声波，2分钟后接头固化冷却完成取样，对接头进行剪切强度测试，接头的剪切强度达到1725N。
实施例2
选取2mm厚的6061铝合金、2mm厚的CFRP、100μm厚的PA6材料，加工成100mm×25.4mm的尺寸，采用回填式搅拌摩擦点焊机进行焊接，具体步骤如下：
步骤一，将铝合金在微沟槽轧辊上进行厚度为0.4mm的微沟槽处理增加表面粗糙度，对CFRP表面采用波长330nm、功率15W、频率20kHz、扫描速度280mm/s的红外激光进行辐射处理，然后酒精超声清洗；
步骤二，将铝合金在卡具上固定好，使用点胶设备在铝合金板材上进行涂胶；
步骤三，将100μm厚的PA6中间层、CFRP同铝合金以搭接的方式装配在固定卡具上面，搭接面积25.4×25.4mm2；
步骤四，将超声波振幅杆置于工件上表面搭接部位附近，施加静压力1Mpa、振幅4μm、频率50kHz的超声波，施加时间一直持续到连接结束；
步骤五，采用搅拌针旋转速度1400r/rpm、下扎深度2.3mm、连接时间4S、下扎压力8KN的工艺参数进行连接；
步骤六，连接完成关闭超声波，2分钟后接头固化冷却完成取样，对接头进行剪切强度测试，接头的剪切强度达到1673N。
实施例3
选取2mm厚的2024铝合金、2mm厚的GFRP、150μm厚的PPS材料，加工成100mm×25.4mm的尺寸，采用回填式搅拌摩擦点焊机进行焊接，具体步骤如下：
步骤一，将铝合金在微沟槽轧辊上进行厚度为0.4mm的微沟槽处理增加表面粗糙度，对GFRP表面采用波长330nm、功率15W、频率20kHz、扫描速度280mm/s的红外激光进行辐射处理，然后酒精超声清洗；
步骤二，将铝合金在卡具上固定好，使用点胶设备在铝合金板材上进行涂胶；
步骤三，将150μm厚的PPS中间层、GFRP同铝合金以搭接的方式装配在固定卡具上面，搭接面积25.4×25.4mm2；
步骤四，将超声波振幅杆置于工件上表面搭接部位附近，施加静压力1.5Mpa、振幅4μm、频率60kHz的超声波，施加时间一直持续到连接结束；
步骤五，采用搅拌针旋转速度1400r/rpm、下扎深度2.3mm、连接时间4S、下扎压力8KN的工艺参数进行连接；
步骤六，连接完成关闭超声波，2分钟后接头固化冷却完成取样，对接头进行剪切强度测试，接头的剪切强度达到1326N。
实施例4
选取1.2mm厚的5182铝合金、3mm厚的GFRP、150μm厚的PPS材料，加工成100mm×25.4mm的尺寸，采用回填式搅拌摩擦点焊机进行焊接，具体步骤如下：
步骤一，将铝合金在微沟槽轧辊上进行厚度为0.4mm的微沟槽处理增加表面粗糙度，对GFRP表面采用波长330nm、功率15W、频率20kHz、扫描速度280mm/s的红外激光进行辐射处理，然后酒精超声清洗；
步骤二，将铝合金在卡具上固定好，使用点胶设备在铝合金板材上进行涂胶；
步骤三，将150μm厚的PPS中间层、GFRP同铝合金以搭接的方式装配在固定卡具上面，搭接面积25.4×25.4mm2；
步骤四，将超声波振幅杆置于工件上表面搭接部位附近，施加静压力1Mpa、振幅2μm、频率60kHz的超声波，施加时间一直持续到连接结束；
步骤五，采用搅拌针旋转速度2200r/rpm、下扎深度1.5mm、连接时间4S、下扎压力8KN的工艺参数进行连接；
步骤六，连接完成关闭超声波，2分钟后接头固化冷却完成取样，对接头进行剪切强度测试，接头的剪切强度达到2326N。
实施例5
选取1mm厚的6181铝合金、2.17mm厚的CFRP、100μm厚的PA6材料，加工成100mm×25.4mm的尺寸，采用回填式搅拌摩擦点焊机进行焊接，具体步骤如下：
步骤一，将铝合金在微沟槽轧辊上进行厚度为0.4mm的微沟槽处理增加表面粗糙度，对GFRP表面采用波长330nm、功率15W、频率20kHz、扫描速度280mm/s的红外激光进行辐射处理，然后酒精超声清洗；
步骤二，将铝合金在卡具上固定好，使用点胶设备在铝合金板材上进行涂胶；
步骤三，将100μm厚的PA6中间层、CFRP同铝合金以搭接的方式装配在固定卡具上面，搭接面积25.4×25.4mm2；
步骤四，将超声波振幅杆置于工件上表面搭接部位附近，施加静压力0.5Mpa、振幅2μm、频率40kHz的超声波，施加时间一直持续到连接结束；
步骤五，采用搅拌针旋转速度1200r/rpm、下扎深度1.15mm、连接时间6S、下扎压力8.3KN的工艺参数进行连接；
步骤六，连接完成关闭超声波，2分钟后接头固化冷却完成取样，对接头进行剪切强度测试，接头的剪切强度达到2760N。
而对于实施例5中的材料采用常规回填式搅拌摩擦点焊连接的接头，其剪切强度为2290N。对比发现使用本研发工艺获得的接头剪切强度提高了17％，这不仅与胶黏剂的使用有关，同时中间层的加入和超声波辅助都增加了连接区域熔融态金属和复合材料的流动性，进而使得回填更完整，如图4所示，焊点面积增大，装配间隙得以填充，从而强度提高。

Claims (2)

1.超声波辅助铝合金/复合材料回填式搅拌摩擦胶接点焊连接工艺，其特征在于：
步骤一，选取1-3mm厚的铝合金板和1-3mm厚的碳纤维或玻璃纤维复合材料板，针对碳纤维复合材料选取厚度为100-200μm的PA6材料作为中间层，对于玻璃纤维增强基复合材料选取厚度为100-200μm的PPS材料作为中间层；
步骤二，将铝合金在微沟槽轧辊上进行深度为0.3-0.6mm的微沟槽处理增加表面粗糙度到Ra 3.2-6.3，对复合材料板表面采用波长320-360nm、功率10-20W、频率15-25kHz、扫描速度250-500mm/s的红外激光进行辐射处理去除表面基质增加纤维活性，然后用酒精超声清洗；
步骤三，将铝合金在卡具上固定好，使用涂胶设备在铝合金板材上进行涂胶；
步骤四，将中间层、复合材料板同铝合金以搭接的方式装配固定在卡具上面；
步骤五，将超声变幅杆置于搅拌头的右侧位置，与工件上表面接触，同时连续施加频率为20-50kHz、振幅为2-20μm的超声波，持续到连接过程结束；
步骤六，搅拌摩擦点焊工艺进行连接；
步骤七，连接完成关闭超声波，2-5分钟后接头固化完成取样。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:搅拌摩擦点焊工艺具体参数采用三平面型搅拌针，旋转速度为1000-3000r/min，下扎深度为2.15-3mm，下扎速度为100-200mm/min，连接时间2-6s，下扎压力6.5-8.5KN的工艺参数进行连接。
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