CN109693403A - 碳纤维复材与铝材间接感应加热无铆连接振动接合模具及工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种碳纤维复材与铝材间接感应加热无铆连接振动接合模具及工艺，将碳纤维复合板、夹层结构、铝合金板材组成的连接件置于下模与凹模上表面，压边圈固定连接件，利用下模电磁感应线圈与上模电磁感应线圈分别队里对凹模和上模冲头进行升温加热，对连接件进行局部控温。开启超声波高频振动器，上模冲头向下移动挤压连接件，在冲压力和超声波震荡作用下铝合金板材与碳纤维复合板发生塑性变形。同时由于上模冲头与凹模的挤压和超声波的震荡作用，使得夹层结构内树脂与碳纤维再排布，铝粉与树脂包覆嵌入板材内。树脂发生固化反应，最终使铝合金板材、夹层结构、碳纤维复合板互相勾连嵌入，实现铝合金板材、碳纤维复合板材相互连接。
Description
技术领域
本发明涉及冲压连接领域，尤其涉及到一种碳纤维复材与铝材间接感应加热无铆连接振动接合模具及工艺。
背景技术
随着汽车行业的飞速发展，汽车轻量化技术的应用大势所趋，轻量化的替代性材料是业内普遍认可最具价值的轻量化技术。铝合金已在车身上大量应用，而非金属纤维复合材料等新材料也正逐步应用于车身制造中。对于非金属纤维复合材料如果采用传统的方式将两块板料连接在一起，那么,单件连接成本就比较高。现有成熟技术如铆钉接或螺栓连接，准备工作、运输成本和零配件的加工成本较高，且拆卸不方便、孔的产生存在应力集中、密封性差。螺栓连接在振动、冲击、载荷变动和温差过大的情况下，往往会产生松动而导致机械故障。铆接对制孔的精度要求较高，工作时噪音大，结构笨重，且螺栓连接和铆接均存在腐蚀问题，影响接头质量。如果采用点焊,点焊机的投资较大,且存在应力集中、抗振动性差疲劳强度差。此外,对于多层板料相连接就更困难,也不能连接具有镀层的板件、铝、铜及不锈钢板件。而对喷漆板件,不同材质板件、厚度差异相当大的板件以及中间有夹层的板件更是无能为力。而对于近年来得到推广的新型连接技术，如SPR自冲铆接技术、FDS流钻铆钉拧紧工艺的推广，弥补了异种材料连接的空白。针对上述两种连接方法，又因其皆须破坏被连接件表面，对材料造成不可逆伤害，使连接部位在寿命、疲劳强度、耐水、防盐雾方面表现不佳。如果采用胶接，其可靠性差、缺乏有效的质量连接方法、胶接性能受环境(湿、热、腐蚀介质)影响大、易老化不能传递大载荷。
冲压连接工艺最先在德国问世。20世纪70年代末，德国TOX(托克斯)冲压技术有限公司研究开发出了TOX连接技术。冲压连接技术可以更好的弥补上述连接方式所存在的缺陷，是一种可塑性薄板的不可拆卸式冲压点连接技术。但传统冲压连接技术普遍应用在钢、铝(铝合金)以及其他带有涂层的有色金属等金属板材连接领域，在金属与复合材料、复合材料与复合材料间的应用还无相对完整和成熟的冲压连接技术的公开理论体系,且将传统的冲压连接方法用于异种复合材料连接，对于各向异性的复合材料而言不能充分发挥其作用，连接方法难以实现。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种碳纤维复材与铝材间接感应加热无铆连接振动接合模具及工艺，利用碳纤维复合材料/铝合金材料间接感应加热无铆振动接合模具形成的冲压连接点，可实现金属板材和非金属板材、非金属板材和非金属板材之间不同厚度、不同连接层数的快速、高效、低成本的连接。
为实现上述目的，本发明是根据以下技术方案实现的：
一方面，本发明提出了一种碳纤维复材与铝材间接感应加热无铆连接振动接合模具，其特征在于，包括：凹模(8)，下模电磁感应线圈(9)、下模交流电源(10)、下模(11)、超声波高频振动器(12)，其中所述凹模(8)固定于所述下模(11)的中心位置，所述电磁感应线圈(9)缠绕于所述下模(11)中，所述下模电磁感应线圈(9)与所述下模交流电源(10)相连接，在所述凹模(8)上表面叠放碳纤维复合板材(7)、中部的夹层结构(6)、铝合金板(5)，所述铝合金板(5)上方布置有所述压边圈(4)，所述压边圈(4)的中部为上模冲头(3)，所述上模冲头(3)外部缠绕上模电磁感应线圈(1)，所述上模电磁感应线圈(1)与上模交流电源(2)相连接，所述上模冲头(3)与所述压边圈(4)中轴线重合。
另一方面，本发明还提出了一种碳纤维复材与铝材间接感应加热无铆连接振动接合工艺，基于权利要求1所述的接合模具实现的，其特征在于，包括以下步骤：
连接进行前，进行连接件材料预铺放，将成品碳纤维复合板(7)铺放于底层，将铝合金材料(5)置于顶层，中间采用夹层结构(6)，夹层结构为[0°/90°/0°/90°/0°/90°]碳纤维预浸料铺层，同时内部喷涂2层纳米级铝粉，自上而下顺序为：纳米级铝粉层(13)、0°铺放碳纤维预浸料(14)、纳米级铝粉层(15)、90°铺放碳纤维预浸料(16)；
将铺放完成的连接件置于模具下模(11)，下模(11)固定不动，凹模(8)紧锁于下模(11)处，凹模(8)上表面光滑，铝合金板(5)、夹层结构(6)、碳纤维复合板(7)叠加放置在凹模(8)上表面，压边圈(4)压住铝合金板(5)、夹层结构(6)和碳纤维复合板(7)；
将下模电磁感应线圈(9)与下模交流电源(10)接通，开始对下模(11)及铝合金板(5)、夹层结构(6)、碳纤维复合板(7)进行加热，当加热温度达到被加热件中夹层结构(6)预浸料固化温度且能最大程度软化碳纤维复合板(5)时，切断交流电源(10)，并保持温度；同时将上模电磁感应线圈(1)与上模交流电源(2)接通，对上模冲头(3)进行加热，当加热温度达到被加热件中碳纤维复合板(7)的失效温度前且能最大程度软化上层铝合金板材(5)时，切断交流电源(2)，并保持温度；上模冲头(3)同时向下移动，上模冲头(3)向下移动过程中与压边圈(4)、凹模(8)中轴线保持重合；
连接过程开始，开启超声波高频振动器(12)，上模冲头(3)向下移动，上模冲头(3)接触上层材料铝合金板(5)，上模冲头继续向下移动，上模冲头挤压连接件铝合金板材(5)、夹层结构(6)和碳纤维复合板(7)，使铝合金板材(5)、夹层结构(6)和碳纤维复合板(7)发生变形，由于压边圈(4)和下模(8)限制铝合金板材(5)、夹层结构(6)和碳纤维复合板(7)的向外流动，铝合金板材(5)、夹层结构(6)和碳纤维复合板(7)的变形发生在凹模(8)内，使得铝合金板材(5)逐渐嵌入夹层结构(6)中，夹层结构(6)受压变形逐渐嵌入碳纤维复合板(7)中；夹层结构预浸料受热软化，在固化温度下发生固化反应，使3层材料发生机械互锁；因上模冲头(3)下表面和下模(11)及凹模(8)的上表面均光滑，故连接件其余部位均保持平整；铝合金板材(5)、夹层结构(6)和碳纤维复合板(7)成形完全后，上模冲头(3)向上移动离开连接件表面，去除压边圈(4)后，将被连接件取出，连接过程终止。
上述技术方案中，上模冲头(3)根据材料厚度和连接成形质量进行相应冲压速度、冲压力的调节。
上述技术方案中，压边圈(4)根据不同板材成形厚度以及与材料成形过程中的压边力做出相应调节。
上述技术方案中，凹模(8)根据不同板材成形特点，针对连接点的不同成形情况，做出相应调整。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1、可实现异种材料连接，针对无铆连接不能连接非金属材料的劣势，通过增加中间连接层，实现板材的机械互锁，解决传统无铆连接无法对非金属材料实现连接点变形强化的问题。针对夹层结构喷涂铝粉，通过超声波高频振动器12的振荡作用，利用夹层结构中预浸料固化过程中树脂的流动性，促使铝粉在连接点出再分布，填充因板材变形产生的缝隙，同时因上下模的挤压作用，促使铝粉被树脂包裹进入铝合金表面微孔，增强板材连接强度，同时因铝粉与铝合金材料属同种材料，具备较优的亲和力，在铝合金与树脂之间构建媒介，实现接合。同时因夹层中碳纤维预浸料与成品碳纤维板材属同种材料，具有较强的亲和力，作为夹层材料，提升了连接非金属板材的性能。
2、上下模具均有独立控温，可针对不同板材的成形性能进行相应温度调控，可大幅度提升板材连接性能，避免对模具整体加热引起的的高能耗和加热效率低的问题。同时，根据电磁感应加热的高效性，避免了传统加热方式中升温速率慢，升温效果差的情况产生。减少了加热过程中与空气的热量交换，降低了热量散失。间接加热方式避免直接对板材加热和间接加热的瞬时高温对板材性能造成影响。
3、下模可替换，下模可匹配不同冲点，冲点圆孔可匹配调整不同尺寸间隙，可适用于不同板层厚度、不同材料叠层数的接合试验测试，高通量接合，具备省时性。
4、夹层结构6能够显著增强碳纤维复合材料7与铝合金板材5的连接能力。夹层结构6中的纳米级铝粉可增强树脂与铝合金板材5的浸润接合能力，同时夹层结构6中的碳纤维预浸料其材料与碳纤维复合板材7为同种材料，增强了夹层结构6与碳纤维复合板材7的浸润接合能力。
5、超声波高频振动器12能够显著提升夹层结构6在连接铝合金板材与碳纤维复合材料成品板材的能力。通过超声波高频振动能够使夹层结构6中的铝粉充分与连接过程中被软化的树脂相混合。树脂在铝粉的包覆下更易进入铝合金表面，也增强了纳米级铝粉与铝合金板的结合性能。振荡使铝粉更加充分地嵌入因材料变形产生的缝隙，可在凹坑薄壁与底部形成强化。高频振动可使碳纤维丝束在碳纤维预浸料中的树脂软化固化时实现再分布，实现碳纤维丝束与铝合金板材和成品碳纤维板材变形同步，使其在固化结束后保证成形效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
图1为本发明间接感应加热无铆振动连接装置示意图；
图2为本发明间接感应加热无铆振动连接结束后示意图；
图3为本发明夹层结构组织结构示意图；
图中：1、上模电磁感应线圈；2、上模交流电源；3、上模冲头；4、压边圈；5、铝合金板材；6、夹层结构；7、碳纤维复合板材；8、凹模；9、下模电磁感应线圈；10、下模交流电源；11、下模；12、超声波高频振动器；13、铝粉；14、0°铺放的碳纤维预浸料；15、铝粉；16、90°铺放的碳纤维预浸料。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“径向”、“轴向”、“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在图1所示的一种碳纤维复材与铝材间接感应加热无铆连接振动接合模具的示意图中，本发明主要包括：超声波高频振动器12、下模11、凹模8，下模11固定不动，将凹模8固定于下模11的中心位置，下模底座11与凹模8上表面光滑，下模11外部缠绕下模电磁感应线圈9，下模电磁感应线圈9分别与下模交流电源10连接。其独立为凹模8进行加热，实现温度调控，可大幅度提升板材连接性能，避免对模具整体加热引起的的高能耗以及传统方式的加热效率低的问题，通过模具传递热量可降低电磁感应加热的瞬时高温对连接件材料的损害。在下模11和凹模8上叠加放置连接材料碳纤维复合板7、夹层结构6、铝合金板材5。压边圈4置于板材之上，以固定板材位置和压住板材，压边圈4中心轴线与凹模8轴线重合。压边圈中心上层布置上模冲头，上模冲头3中心轴线与压边圈4轴线重合，上模冲头3外壁缠绕上模电磁感应线圈1，上模电磁感应线圈1与上模交流电源2相连接。
本发明的一种碳纤维复材与铝材间接感应加热无铆连接振动接合工艺，包括以下步骤：
根据图1所示，连接开始前，将碳纤维复合板7放置在下模11与凹模8上表面，下模11与凹模8上表面均光滑。碳纤维复合板7上方叠加夹层材料6，夹层材料构成由6层碳纤维预浸料0°/90°交叠铺放和2层均匀喷涂的纳米级铝粉组成，铺层结构为自上而下依次为[纳米级铝粉/0°/纳米级铝粉/90°/0°/90°/0°/90°]，夹层架构6上方放置铝合金板材5。为防止冲压连接过程中因材料变形造成板材位移，在铝合金板材5上方连接点处放置压边圈4，压边圈4可固定连接件不动，压边圈4中心轴线与凹模8轴线重合。将上模冲头3中心轴线与凹模8轴线重合。分别启动上模电磁感应线圈1与下模电磁感应线圈9，根据板材成型温度不同，独立对上模冲头3和下模11与凹模8加热，使上下模形成温度差。下模升温用于软化碳纤维板材同时使碳纤维预浸料中树脂软化，上模冲头升温用于促进碳纤维预浸料中树脂固化和铝合金板材成形。达到指定温度后，切断电源并保持温度。
根据图2所示，开始连接过程，将超声波高频振动器12启动，上模冲头3向下移动，当接触铝合金板材5时，上模冲头3继续向下移动，此时冲头开始挤压板材，在冲压力的作用下，铝合金板材5发生塑性变形，随着力的传导，使夹层结构6和碳纤维板材7发生变形。因凹模8型腔和上模冲头3的挤压，以及前期加热对夹层结构6中碳纤维预浸料的软化，在超声波高频振动和巨大的冲压力作用下，夹层结构6中碳纤维预浸料中树脂产生流动，由于模具单面侧向间隙远小于连接板件的总厚度,在高频振荡和冲压力的作用下,上模冲头3侧材料受挤压并挤压凹模8侧材料一起向下流动,底部材料受挤压变薄向外侧流动,最后材料流向凹模环形槽。
软化后的碳纤维预浸料在高频振荡和冲压力作用下发生再排布，可填充变形后铝合金板材5和碳纤维板材7之间的缝隙。在超声波高频振动器12的作用下使纳米级铝粉与软化的树脂混合均匀，形成包覆。树脂流动与纳米级铝粉填充到铝合金板材5的断裂氧化膜缝隙内与板材形成相互勾连。此外，铝粉与铝合金板材为同性物质，就有较强的亲和力，对于夹层结构与铝合金板材的结合变得更为紧密。碳纤维预浸料在加热过程中发生固化反应，使变形过程更加稳定，其次，夹层结构6中碳纤维预浸料与碳纤维板材7为同性材料，提升了夹层结构6与碳纤维板材7之间的连接能力。以上变形与固化使板件间材料在塑性流动的过程中产生相互镶嵌,上模冲头3侧材料嵌进凹模8侧材料中,高频振动使碳纤维预浸料中的碳纤维丝束实现再分布，从而达到了相互连接。保持上模冲头3与下模11位置不动，保压一段时间后，关闭超声波高频振动器12，上模冲头3向上移动，移除压边圈4，将铝合金板材5、夹层结构6和碳纤维板材7取出，成形结束。
上模电磁感应线圈1、下模电磁感应线圈9分别与上模交流电源2和下模交流电源10相连接，实现上下模独立控温，针对不同材料板材厚度、夹层结构厚度、连接件材料差异、材料成形情况调节温度。
在本发明中，夹层结构6能够显著增强碳纤维复合材料7与铝合金板材5的连接能力。通过超声波高频振动器12的震荡作用，促使夹层结构6中的纳米级铝粉与树脂充分混合，可增强树脂与铝合金板材5的浸润接合能力，同时夹层结构6中的碳纤维预浸料其材料与碳纤维复合板材7为同种材料，增强了夹层结构6与碳纤维复合板材7的浸润接合能力。
超声波高频振动器12能够促使软化后的树脂内部碳纤维与铝粉的再分布。同时，震荡使得铝粉能够与树脂形成更加优良的包覆，增强夹层结构6强度，大幅提升夹层结构6与碳纤维复合板材5和铝合金板材7的接合能力。
上模电磁感应线圈1和下模电磁感应线圈9所具有的加热高效性，升温速度快，可明显解决传统加热方式中升温速度慢、加热效率低的问题，大幅提升工艺连接效率。同时可避免直接对板材加热时，快速升高的温度对板材产生的破坏。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (5)
1.一种碳纤维复材与铝材间接感应加热无铆连接振动接合模具，其特征在于，包括：凹模(8)，下模电磁感应线圈(9)、下模交流电源(10)、下模(11)、超声波高频振动器(12)，其中所述凹模(8)固定于所述下模(11)的中心位置，所述电磁感应线圈(9)缠绕于所述下模(11)中，所述下模电磁感应线圈(9)与所述下模交流电源(10)相连接，在所述凹模(8)上表面叠放碳纤维复合板材(7)、中部的夹层结构(6)、铝合金板(5)，所述铝合金板(5)上方布置有所述压边圈(4)，所述压边圈(4)的中部为上模冲头(3)，所述上模冲头(3)外部缠绕上模电磁感应线圈(1)，所述上模电磁感应线圈(1)与上模交流电源(2)相连接，所述上模冲头(3)与所述压边圈(4)中轴线重合。
2.一种碳纤维复材与铝材间接感应加热无铆连接振动接合工艺，基于权利要求1所述的接合模具实现的，其特征在于，包括以下步骤：
连接进行前，进行连接件材料预铺放，将成品碳纤维复合板(7)铺放于底层，将铝合金材料(5)置于顶层，中间采用夹层结构(6)，夹层结构为[0°/90°/0°/90°/0°/90°]碳纤维预浸料铺层，同时内部喷涂2层纳米级铝粉，自上而下顺序为：纳米级铝粉层(13)、0°铺放碳纤维预浸料(14)、纳米级铝粉层(15)、90°铺放碳纤维预浸料(16)；
将铺放完成的连接件置于模具下模(11)，下模(11)固定不动，凹模(8)紧锁于下模(11)处，凹模(8)上表面光滑，铝合金板(5)、夹层结构(6)、碳纤维复合板(7)叠加放置在凹模(8)上表面，压边圈(4)压住铝合金板(5)、夹层结构(6)和碳纤维复合板(7)；
将下模电磁感应线圈(9)与下模交流电源(10)接通，开始对下模(11)及铝合金板(5)、夹层结构(6)、碳纤维复合板(7)进行加热，当加热温度达到被加热件中夹层结构(6)预浸料固化温度且能最大程度软化碳纤维复合板(5)时，切断交流电源(10)，并保持温度；同时将上模电磁感应线圈(1)与上模交流电源(2)接通，对上模冲头(3)进行加热，当加热温度达到被加热件中碳纤维复合板(7)的失效温度前且能最大程度软化上层铝合金板材(5)时，切断交流电源(2)，并保持温度；上模冲头(3)同时向下移动，上模冲头(3)向下移动过程中与压边圈(4)、凹模(8)中轴线保持重合；
连接过程开始，开启超声波高频振动器(12)，上模冲头(3)向下移动，上模冲头(3)接触上层材料铝合金板(5)，上模冲头继续向下移动，上模冲头挤压连接件铝合金板材(5)、夹层结构(6)和碳纤维复合板(7)，使铝合金板材(5)、夹层结构(6)和碳纤维复合板(7)发生变形，由于压边圈(4)和下模(8)限制铝合金板材(5)、夹层结构(6)和碳纤维复合板(7)的向外流动，铝合金板材(5)、夹层结构(6)和碳纤维复合板(7)的变形发生在凹模(8)内，使得铝合金板材(5)逐渐嵌入夹层结构(6)中，夹层结构(6)受压变形逐渐嵌入碳纤维复合板(7)中；夹层结构预浸料受热软化，在固化温度下发生固化反应，使3层材料发生机械互锁；因上模冲头(3)下表面和下模(11)及凹模(8)的上表面均光滑，故连接件其余部位均保持平整；铝合金板材(5)、夹层结构(6)和碳纤维复合板(7)成形完全后，上模冲头(3)向上移动离开连接件表面，去除压边圈(4)后，将被连接件取出，连接过程终止。
3.根据权利要求2所述的一种碳纤维复材与铝材间接感应加热无铆连接振动接合工艺，其特征在于，上模冲头(3)根据材料厚度和连接成形质量进行相应冲压速度、冲压力的调节。
4.根据权利要求2所述的一种碳纤维复材与铝材间接感应加热无铆连接振动接合工艺，其特征在于，压边圈(4)根据不同板材成形厚度以及与材料成形过程中的压边力做出相应调节。
5.根据权利要求2所述的一种碳纤维复材与铝材间接感应加热无铆连接振动接合工艺，其特征在于，凹模(8)根据不同板材成形特点，针对连接点的不同成形情况，做出相应调整。
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