CN109807460B - 一种通过检测下压力控制金属与高分子焊接的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通过检测下压力控制金属与高分子焊接的方法，金属与高分子通过摩擦焊或热压焊进行连接，设定旋转工具或压头的下压速度v，采集金属与高分子连接过程中的下压力F及对应的下压时间t，并设定参数

a＝K/K₀，其中K₀为下压初始阶段的稳定值，当a值到达设定值时，停止焊接。与现有技术相比，本发明通过实测下压力数据，可同时获得高分子粘度和界面温度数据，从而通过控制下压力数据控制焊接进程，具有简易轻便，有效可靠，仅通过下压力检测即可实现金属/高分子接头连接性能的最优化，能够满足不同种类与尺寸的金属/高分子连接的研究应用等优点。

Description

一种通过检测下压力控制金属与高分子焊接的方法

技术领域

本发明涉及一种金属与高分子焊接的控制，尤其是涉及一种通过检测下压力控制金属与高分子焊接的方法。

背景技术

随着高端工业中对结构轻量化的需求越来越高，金属/高分子复合材料在航空航天、汽车工业等领域得到了大量的应用。金属与高分子材料的理化性能存在诸多差异，导致其连接工艺较难实现。粘接、机械连接、电阻焊、新型焊接等工艺是常见的金属/高分子材料的连接方法。

使用机械连接的金属/高分子接头易因为应力集中或连接松弛导致断裂。此外，铆钉、螺栓的使用也增加了结构重量。粘接接头在高温、高湿度、高酸碱度的环境下使用寿命不长，且粘接的连接工艺还包括粘接前后表面处理与愈合，时间成本较高。相比前两种传统的连接工艺，一些新型焊接工艺，如激光焊接、超声波焊接、摩擦焊接与电阻焊接等更适用于金属/高分子的连接。在这些连接工艺中，高分子受热熔融与金属形成紧密的宏观咬合与微观连接，从而实现高强度连接。然而，激光焊接界面温度过高(～1000℃)，容易使高分子过热降解产生气泡，影响接头连接强度；超声波焊仅适用于薄板焊接，无法连接较厚构件。相对其他焊接方式，摩擦焊具有热输入速率平缓、装置简便的优点，对构件形状与尺寸均没有较大限制。电阻焊中的焊接温度与下压力相对独立且可控，工艺较为灵活。

在实际金属/高分子连接过程中常常遇到因为热输入量较低而导致高分子流动性低、热输入量过高而导致高分子过热降解，这都会导致接头连接质量差的问题。对许多高分子而言，适宜连接的工艺窗口较窄，目前尚未有研究能解决连接过程的接头质量控制问题。

公开号为CN103391828A的专利公开了一种金属构件与塑料构件的连接方法，其使用旋转工具在金属表面通过摩擦能加热连接金属/高分子材料。该方法限定了连接方法为搅拌摩擦焊，且限制旋转工具轴线相对金属构件表面的法线倾斜角θ满足0°<θ≤5°，且旋转工具直径D需为金属构件厚度t的5至20倍之间，具有局限性，其使用阳极氧化等方法处理金属表面，工艺具有一定复杂性。申请人于2016年提出的专利申请CN105619779A公开了一种钛合金与超高分子量聚乙烯的连接方法和接头及其应用，该方法实现了钛合金与超高分子量聚乙烯的连接，但是效果并不好，主要原因在于连接过程的界面温度较低，仅高于超高分子量聚乙烯的熔融温度(136℃)。虽然超高分子量聚乙烯在此温度下呈现出熔融状态，但是其熔融流动能力极差，难以有效地控制连接过程的温度与下压力，成品率太低。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种通过检测下压力控制金属与高分子焊接的方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种通过检测下压力控制金属与高分子焊接的方法，金属与高分子通过摩擦焊或热压焊进行连接，其特征在于，预设压头(或旋转工具)的下压速度v，并采集金属与高分子连接过程中的下压力F及对应的下压时间t，设定参数K，将其记作下压力对时间导数dF/dt与下压速度v的商，即：

在下压开始阶段，随着旋转工具与金属板的充分接触，或压头带动高分子与金属板充分接触，K值不断上升，在1-10秒后趋于稳定并不再上升，将此稳定值记作K₀，即参数K的初始值。随着焊接的不断进行，K值也会逐渐减小。另设参数a＝K/K₀，当a值到达设定值时，停止焊接。

a的设定值根据待焊接金属与高分子材料的不同而设定为0.2～0.8。

金属板材一侧通过机械加工、三维打印或铸造的方法形成粗糙表面。粗糙表面层的形貌可以是经过设计的任意三维结构，其厚度根据金属/高分子的不同种类与连接需求做不同选择，原则上应大于0.1mm。

焊接过程中，通过控制下压力，控制高分子填充进金属表面的粗糙层中，高分子与金属形成无裂痕的高质量连接。

所述的摩擦焊具体方法为：将金属与高分子搭接放置，使用旋转工具接触金属表面，旋转工具匀速下压并旋转，通过摩擦加热金属表面，生成的热量通过金属传导至金属/高分子界面处，从而加热并软化高分子，使金属与高分子在下压力与热量作用下实现连接。旋转工具产生的摩擦能与塑性变形能传导至金属/高分子界面处，使界面处温度超过高分子的熔融温度，并低于金属的熔点。高分子处于流动状态。

在旋转工具主轴上或工作台下方设置压力传感器，并连接控制器，实时输出下压方向的下压力数据。

所述的控制器连接旋转工具，当a值到达设定值时，控制旋转工具停止工作，自动停止焊接。

所述的热压焊具体方法为：使用碳刷装夹金属板并固定于工作台上，将高分子固定于工作台上方的压头下侧，碳刷与电机相连，打开电机后，电流通过金属并加热至指定温度后，下降压头使高分子与金属接触，加热并软化高分子，使金属与高分子在下压力与热量作用下实现连接。

所述的压头上集成了压力传感器，该压力传感器连接控制器，实时检测压头的下压速度，并传递至控制器。

所述的控制器连接压头和电机，控制压头的下压力，并配合电机控制焊接温度，当a值到达设定值时，控制压头停止工作，自动停止焊接。

压力传感器的测试频率不低于10Hz。下压力数据实时输入计算机或其他具有计算反馈功能的控制器后，先实测制成下压力曲线后，对曲线进行最小二乘法平滑处理去除杂波，后对平滑处理后的下压力曲线对下压时间求导，得到实时变化的dF/dt数据曲线。

相关研究表明，金属/高分子连接过程中，如果变形速率不变的话，高分子流体在高温下的剪切应力σ与其粘度η存在正比例关系：

σ＝η·dυ/dy(1)，其中υ为熔融高分子流体的流动速率，y为熔融高分子流体的层间距。

而高分子的高温流动粘度η正与其温度T存在如下的关系：

η＝A·e^(ΔEη)/RT(2)，其中A为随高分子种类变化的比例系数，e为自然常数，ΔE_η为高分子的流动活化能，R为玻尔兹曼常数：8.314J/mol·K，T为高分子熔体的温度。

因此，对下压力演化的实时计算能实现连接过程中高分子流动性与界面温度的实时预估，从而使接头两侧材料在高分子流动性佳、降解程度低时实现连接，能有效改善接头连接质量。这对于熔融流动指数较低的高分子(如，超高分子量聚乙烯)尤为适用。这在目前国内外研究中还尚未有人提出。

基于摩擦焊的连接工艺，具体包括以下步骤：

1.使用机械加工技术、三维打印技术或铸造技术的方法使金属的一侧具有粗糙表面。

2.使金属与高分子搭接接触，固定于工作台上，使用旋转工具接触金属表面。

3.旋转工具匀速下压并旋转，通过摩擦能加热金属表面，生成的热量通过金属传导至金属/高分子界面处，从而加热并软化高分子。金属与高分子在下压力与热量作用下实现连接。

4.在连接过程中，集成于旋转工具主轴上的压力传感器与计算机或其他具有计算反馈功能的控制器连接，并实时输出接头下压方向上的下压力(F)数据曲线。同时，制作K值曲线，并计算参数a。当a的值下降到一定临界点时停止连接。

5.显示设备上显示界面处输出停止连接前高分子的粘度与界面连接温度。

根据公式(1)可知，高分子的流动剪切应力与粘度存在正比例关系(σ∝η)。在旋转工具下压过程中，高分子慢慢软化并流入金属的粗糙层中，测试得到的下压力是高分子的流动剪切应力与不断增加的接触面积的乘积。单位时间增加的接触面积是下压速度与板材宽度的乘积。因此下压力对下压时间的导数与高分子的粘度和下压速度的乘积成正比：dF/dt∝v·η。参数a即反映了高分子在连接过程中的高温粘度η与初始粘度η’的比值。

在连接过程早期，参数a的值应保持在1左右；随着连接过程的继续进行，因为高分子不断受热软化，参数a的值开始缓慢下降；在连接过程后期，因为高分子开始降解形成气体，参数a的值快速下降，直到小于0为止。对不同的高分子，适宜与金属形成紧密连接的参数a的值都不同，一般地，对大部分高分子而言，当参数a的值为0<a≤0.5时能形成较好的连接。预设临界参数a’，当参数a持续低于a’一秒之后反馈到摩擦焊数控系统，使旋转工具停止旋转与下压，连接结束。

同时，还可以得出停止连接时高分子的粘度和界面连接温度，并在显示设备上显示，高分子在熔融温度的粘度η’为已知值，停止连接时的高分子粘度η：

η＝η’·a’(3)

根据公式(2)中高分子粘度与温度的关系可得出界面处的最高连接温度：

其中，R为玻尔兹曼常数：8.314J/mol·K，ΔE_η为高分子的流动活化能，T_m为高分子的熔融温度。

可以看出，只要能控制金属与高分子焊接过程中的下压力，即可实时监控连接过程中的温度、高分子粘度，从而判断接头的连接质量。

基于热压焊的连接工艺，具体包括以下步骤：

1)使用机械加工技术、三维打印技术或铸造技术的方法使金属的一侧具有粗糙表面。

2)使用碳刷夹住金属两侧，固定于工作台上，将碳刷与直流电源连接。打开电机，使电流通过金属后加热金属至指定温度(高于高分子熔点，低于金属熔点)。将高分子固定于工作台上方的压头下侧。

3)将压头下压，使高分子与金属接触，电阻加热的热量通过金属传导至高分子一侧，加热并软化高分子。金属与高分子在下压力与热量作用下实现连接。

4)在连接过程中，集成于压头上的压力传感器与控制器连接，并实时输出下压方向上的下压力(F)数据曲线。同时，制作下压力与下压时间的导数曲线与下压速度v之商的值(即参数K值的数据曲线)，并计算参数a。当当参数a的值下降到一定临界点时停止连接。

5)显示设备上显示界面处输出停止连接前高分子的粘度与界面连接温度。

在上述步骤2中，电机根据选取金属的不同种类调整电流大小，一般选择50A～150A。加热金属的温度根据高分子种类的不同，选择高于高分子熔点50℃～150℃为宜。

在上述步骤3中，金属通过电阻加热产生的热量传导至界面处，使界面处温度超过高分子的熔融温度，并低于金属的熔点，高分子处于流动状态。

进一步地，连接前在金属板块侧面制造开孔隧道，插入K型柔性热电偶，用于连接过程中界面温度场的测量，从而验证输出连接温度的误差。

进一步地，金属表面粗糙层的优化结构可以选择金刚石型多孔三维结构，或蜂窝型二维结构，或其他能提供金属表面浮突并有效与高分子机械咬合的结构。结构的孔径(或直径)根据实际需要选择，一般选择0.5mm～3mm之间。

本发明分别使用摩擦焊方法与热压焊方法连接金属/高分子，其原理均为加热金属/高分子界面，并使高分子在下压力作用下流入金属表面的三维打印多孔结构中。通过连接过程的压力传感器实时数据采集，应用公式计算高分子的实时粘度与界面温度，从而使连接过程能够在最适宜的连接条件处停止，得到高质量的金属/高分子接头，连接完成后金属与高分子之间可形成很强的宏观机械咬合与微观连接。与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.本发明对各种金属与高分子均可适用，对金属表面粗糙结构的制备方法与形状结构也没有特别要求，适用范围广；选择的摩擦焊与热压焊均为工艺灵活、设备搭建方便的技术，适用范围很广。

2.本方法仅通过集成于旋转工具或压头上的压力传感器的数据采集便能实现高分子粘度、焊接温度的大致测量，与现有的通过不断调控连接参数(耗费大量时间)、使用热电偶测试界面温度(容易破坏金属/高分子连接界面)优化金属/高分子接头的方法相比，能够节省大量的时间成本与物料成本。

3.本发明采用下压力测量的方法监控连接过程，相比温度测量的可重复性更高，能应用于各种生产环境，得到的接头质量稳定可靠。

附图说明

图1为本发明用于金属/高分子摩擦点焊的方法示意图；

图2为本发明用于金属/高分子热压焊的方法示意图；

图3为本发明的前两个实施例的dF/dt曲线；

图4为本发明中用于计算下压力曲线的软件逻辑流程图。

其中：1为金属的块体部分；2为高分子块体；3为粗糙层；4为旋转工具，焊接开始后旋转工具开始匀速转动并匀速下压；5为压力传感器；6为数据线，连接计算机；7为碳刷；8为压头，在连接过程中与高分子块体固定。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

如图1所示，使用本发明方法的摩擦焊工艺连接金属与高分子部分。金属部分由三维打印的多孔结构层粗糙层3与实心金属的块体部分1组成，厚度均为1mm–3mm。将金属板与高分子块体2固定于工作台上，并在连接界面处插入热电偶测试连接温度。使用集成了压力传感器5的旋转工具4开始在金属板材表面旋转并下压，设定恒定下压速度为0.04mm/s，压力传感器5通过数据线6连接计算机。

实时用计算机计算连接过程中下压力随时间的导数dF/dt，并计算dF/dt与下压速度v的商：

同时设定当K值下降超过20％后停止焊接。至焊接进行到30秒左右，焊接结束。具体焊接控制过程如图4所示，包括以下步骤：

1.向软件输入下压速度数值，并预设停止焊接的a值为a’

2.焊接开始；

3.适用最小二乘法平滑处理下压力数据；

4.计算dF/dt与K值并作图，取K最大值计作K₀(即初始时的K₀值)，实时计算a＝K/K₀；

5.判断a是否小于a’；

6.若否，则返回步骤47.若是，则焊接接触，输出计算粘度与界面温度。

图3中对应实施例1的图表即为连接过程中输出的dF/dt曲线与K值曲线。根据得到的dF/dt曲线使用公式(4)输出的连接界面温度为270℃左右，与热电偶的测温结果相似，略高于高分子的软化温度。将界面纵向切开后可以看到金属/高分子的微观界面处存在一定裂痕，表明因为高分子未充分软化使金属/高分子的微观连接不足。

实施例2

按实施例1所述搭建摩擦焊的连接装置，同时，设定前20秒焊接过程的下压速度为0.04mm/s，20秒后的下压速度为之前的三分之一，即0.013mm/s。实时用计算机计算连接过程中下压力随时间的导数dF/dt。同时设定当dF/dt与下压速度的比值(记为K)下降超过50％后停止焊接。至焊接进行到50秒左右，焊接结束。

图3中对应实施例2的图表即为连接过程中输出的dF/dt曲线与K值曲线。由于dF/dt曲线在焊接过程中与下压速度v及高分子粘度η的乘积成正比，因此下压速度的下降也导致dF/dt的等比例下降。而因为

因此K的值仅与高分子粘度有关。当连接时间达到50秒左右时，K值下降超过50％，连接过程自动结束。根据得到的dF/dt曲线输出的连接界面温度为340℃左右，已接近高分子的热降解温度。将界面纵向切开后可见金属/高分子微观界面连接紧密，表明高分子已充分软化并与金属形成了一定的微观连接。

实施例3

如图2所示，使用上述的热压焊方法连接金属与高分子。将双层结构的金属(包括实心金属的块体部分1和其表面的粗糙层3)首先固定于工作台上，选用两个碳刷7连接电机并装夹于金属板两侧。将高分子块体2固定于压头8上，压头8上集成压力传感器5并使用数据线6与计算机相连。

开始连接后，先打开电机，使用50–150A电流通过金属板，使其迅速加热升温。达到设计温度(150℃–300℃)后，压头8自动快速下压，使高分子与金属板接触后，以恒定速率v＝0.04mm/s缓慢下压。同时计算机按照实施例1所述，并设置参数a’值为0.6。在连接过程中，计算机同步计算dF/dt与K值，焊接进行25秒后，K值下压至原定值的60％，结束焊接。

根据得到的dF/dt曲线输出的连接界面温度为310℃左右，高分子在此温度下软化充分。将界面纵向切开后可见金属/高分子微观界面连接大部分紧密，仅有少许裂纹，表明高分子已充分软化并与金属形成了一定的微观连接。

以上详细描述了本发明的三种实施方案，分别列举了使用本发明的过低热输入量与较佳热输入量的摩擦焊连接工艺与一种热压焊的连接工艺。本发明没有限定连接技术、金属与高分子的种类、金属表面结构的形貌尺寸、连接工艺参数等。因此，凡是本技术领域中的技术人员按照本发明的构思通过逻辑分析、推理或实验得到的技术方案，均在由权利要求书所确定的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种通过检测下压力控制金属与高分子焊接的方法，金属与高分子通过摩擦焊或热压焊进行连接，其特征在于，采集金属与高分子连接过程中的下压力F及对应的下压时间t，设定参数K，将其记作下压力对时间导数dF/dt与下压速度v的商，即：

设定另一参数a＝K/K₀并记录，其中K₀为下压初始阶段的稳定值，当a值到达设定值时，停止焊接；

a的设定值根据待焊接金属与高分子材料的不同而设定为0.2～0.8。

2.根据权利要求1所述的一种通过检测下压力控制金属与高分子焊接的方法，其特征在于，金属板材一侧通过机械加工、三维打印或铸造的方法形成粗糙表面。

3.根据权利要求1或2所述的一种通过检测下压力控制金属与高分子焊接的方法，其特征在于，连接时高分子的粘度η和界面连接温度T，通过以下公式计算得出：

η＝η’·a，其中η’为高分子在熔融温度的粘度；

其中，R为玻尔兹曼常数：8.314J/mol·K，ΔE_η为高分子的流动活化能，T_m为高分子的熔融温度。

4.根据权利要求1所述的一种通过检测下压力控制金属与高分子焊接的方法，其特征在于，所述的摩擦焊具体方法为：将金属与高分子搭接放置，使用旋转工具接触金属表面，旋转工具匀速下压并旋转，通过摩擦加热金属表面，生成的热量通过金属传导至金属/高分子界面处，从而加热并软化高分子，使金属与高分子在下压力与热量作用下实现连接。

5.根据权利要求4所述的一种通过检测下压力控制金属与高分子焊接的方法，其特征在于，在旋转工具主轴上或工作台下方设置压力传感器，并连接控制器，实时输出下压方向的下压力数据。

6.根据权利要求5所述的一种通过检测下压力控制金属与高分子焊接的方法，其特征在于，所述的控制器连接旋转工具，当a值到达设定值时，控制旋转工具停止工作，自动停止焊接。

7.根据权利要求1所述的一种通过检测下压力控制金属与高分子焊接的方法，其特征在于，所述的热压焊具体方法为：使用碳刷装夹金属板并固定于工作台上，将高分子固定于工作台上方的压头下侧，碳刷与电机相连，打开电机后，电流通过金属并加热至指定温度后，下降压头使高分子与金属接触，加热并软化高分子，使金属与高分子在下压力与热量作用下实现连接。

8.根据权利要求7所述的一种通过检测下压力控制金属与高分子焊接的方法，其特征在于，所述的压头上集成了压力传感器，该压力传感器连接控制器，实时检测压头的下压力并传递至控制器。

9.根据权利要求8所述的一种通过检测下压力控制金属与高分子焊接的方法，其特征在于，所述的控制器连接压头和电机，控制压头的下压速度，并配合电机控制焊接温度，当a值到达设定值时，控制压头停止工作，自动停止焊接。

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