CN109910274B - 金属与热塑复材接合及再成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属与热塑复材接合及再成形方法，其步骤包含：提供一热塑性复合材料件，其一表面包括一第一区域；叠合固定一金属件于热塑性复合材料件之上，金属件包括一搭抵于第一区域的接合区域；快速升温接合区域与第一区域的叠合区域至一接合温度；将加热后的热塑性复合材料件与金属件快速置入涵盖第一区域、接合区域的模具内合模成形为金属与热塑复材接合再成形件；再自模具取出金属与热塑复材接合再成形件；加热热源为灯源时，可在灯源与其面对的金属件之间设置一热量调节隔墙，借以调节对金属件的加热热量；据此以使金属与热塑性复合材料接合成形，达到提升纤维强化复合材料的局部机械性能，增进压缩强度、耐磨耗及整体尺寸精度稳定性。

Description

金属与热塑复材接合及再成形方法

技术领域

本发明是有关于一种金属与热塑复材接合成形的方法，尤其是指一种应用对该金属辐射加热后软化热塑复材，再以模具压合成形的金属与热塑复材接合及再成形方法。

背景技术

热塑性复合材料(Fiber Reinforced Thermoplastic，FRTP)拥有韧性高、耐冲击性能佳、制造周期短、耐化学性能优异、吸湿率低、预浸料保存方便而且无使用时间的限制，在加工方面而言又可以重复加工。

热塑性复合材料已经迅速得到了认可，它可以替代很多材料，如压铸件、金属组装件、市场中的传统塑料，包括工业设备、汽车、消费品等。高冲击强度、更好的表面质量、低产品报废率、在高温和零下温度环境中的高刚性、在严酷环境和恒定载荷下的抗蠕变性使热塑性复合材料市场比热固性和金属材料市场更加有利可图。性价比的优势让热塑性复合材料在航空航天与国防、交通运输、电气电子行业更具吸引力。

随着印度、巴西、中国等国家的工业化快速发展，经济迅速回升，由于交通运输、消费品和电气电子工业的高需求，热塑性复合材料的需求量正在增加。由于快速的城市化进程和中产及上中产阶级人口的增加，热塑性复合材料在新兴国家的交通、电气电子、消费品、航空航天和国防工业的应用也正以很高的速率在增长。

亚太地区有望在未来五年内达到最高的增长率，这是由于中国、印度和其他国家的经济增长将导致热塑性复合材料需求量的增长。全球热塑性复合材料市场的增长主要源自于汽车、航空航天和电气电子行业需求的增加。

中国有望在未来五年里推动亚太地区的热塑性复合材料市场。中国热塑性复合材料市场的显著发展源自于制造业的强劲增长。

印度的中产阶级人口和工业化的增长为热塑性复合材料市场的发展提供了广阔的空间和机会。2014年，交通运输应用主导了整个热塑性复合材料市场的规模。

在未来五年内，交通运输和航空航天与国防工业对热塑性复合材料市场的需求有望增加，这是由于热塑性复合材料日益渗透到商用飞机中，例如湾流航空G650、空客A320商用喷气式飞机和空客A350宽体客机。

由于燃油成本的增加，轻质复合材料需求的主要驱动力来自于对燃油效率的日益强调，航空航天工业将需要轻质复合材料来实现可持续发展。与其他用于飞机构件的传统材料诸如钢、铝和钛相比，热塑性复合材料提供的主要益处是减重和更为简化的装配工序。

由于美国汽车制造商致力于达到公司平均燃料经济性（CAFÉ）标准，到2017年达到36.6mpg，到2025年达到54.5mpg，汽车轻量化成为了一个主要的策略。在汽车中使用热塑性复合材料有助于制造商以优化的里程实现燃料效率的目标。赛车和高性能汽车零部件如底盘、引擎罩、车轮、顶棚等对热塑性复合材料的使用在增加，这是热塑性复合材料向交通工业加速渗透的驱动因素之一。很短的制件成型周期和高冲击强度正在推动热塑性复合材料向这些用途的渗透。

现有含有热塑性树脂的纤维强化复合材料取代金属时，该复合材料的机械性能例如压缩强度(compression strength)与耐磨损性(abrasion resistance)并不如金属佳，尤其是将此复合材料制成需施力以作机械式弯折的对象，该复合材料易因反复施力折动而不断被磨损，致使对象功能性及耐用性不佳，使其所应用的范围受到限制。

全区加热成形的尺寸精度将因材料加热冷却及可能造成回弹而有所差异，及热塑性复合材料的树脂如加热过久或温度较高则易于劣化，而使良率较难提升。

一般传统加热需埋电热棒于模具中，设计较复杂，且需在封闭的环境下，借由气流传热，加热时间较长。

如图1所示。中国CN106113484A专利文献公开了一种热塑性复合材料与金属的连接方法，主要步骤如下：将待焊金属件11的待焊面进行粗化处理后与塑性复合材料件12拼接在一起；将感应加热装置13置于焊接区域上方，并利用线圈端部磁场在金属件11中产生的感应电流14对金属件11进行加热，使得热塑性复合材料12的表面吸收热量熔化；以及将感应加热装置的线圈沿焊接方向15移动，熔融树脂冷却并与金属件11结合，形成一热塑性复合材料与金属件的连接结构1，实现热塑性复合材料与金属的连续焊接。但该专利文献技术仅涉及单纯接合作业，无顺便成形的概念。且该先前技术应用感应加热，其仅能对金属件的小区域面积加热，当局部接合区域较大时，作业时间将拉长，焊接质量及尺寸精度将受影响。

发明内容

本发明目的在于提供局部加热的方式，利用金属热传效率比复合材料高，使金属与热塑性复合材料相互接合成形，以达到提升纤维强化复合材料的局部机械性能，增进其压缩强度、耐磨耗及整体尺寸精度稳定性。本发明的又一目的在于同时在该热塑性复合材料正反两面，各应用一金属件夹置该热塑性复合材料，并加热成形一双片金属夹层的接合成形件。

为达成上述成形目的，本发明提供的技术手段为一种金属与热塑复材接合及再成形方法，其步骤包含：备料步骤，提供一热塑性复合材料件，其一表面包括一第一区域；叠合步骤，叠合固定一金属件于该热塑性复合材料件之上，该金属件的一表面包括一接合区域，该接合区域是搭抵于该第一区域；快速升温步骤，加热该接合区域与该第一区域的叠合区域至一接合温度，该接合温度是介于该热塑性复合材料件的该第一区域的材料软化，但该金属件的该接合区域的材料未软化的温度区间内；模具合模成形步骤，利用涵盖该第一区域、该接合区域的模具，将加热后的该热塑性复合材料件与该金属件立即置入该模具的模穴内合模成形一金属与热塑复材接合再成形件；成形件取出步骤，取出该金属与热塑复材接合再成形件。

在一实施态样中，加热该接合区域与该第一区域的叠合区域至一接合温度的快速升温步骤中，是以一面对该金属件并使加热区域涵盖于该接合区域的位置设置的热源装置，进行快速升温加热。

在一实施态样中，该热源装置与其面对的该金属件之间设置一热量调节隔墙。且该热源装置可为一发光的灯源、该热量调节隔墙为一隔光墙。

在一实施态样中，该模具对应于该第一区域、该接合区域的位置是配置有散热装置。

在一实施态样中，该模具的该散热装置为一布置于模具内、相邻模穴区域的流体流道，并于该流体流道内循环流通水或冷气。

在一实施态样中，该模具合模成形后，直接于模具内通过该散热装置进行冷却。

在一实施态样中，进行加热该接合区域与该第一区域的叠合区域至一接合温度的快速升温步骤前，该热塑性复合材料件及该金属件是预先放置于该模具的下模内而后进行该快速升温的步骤，并在快速升温步骤完成后再与该模具的上模合模成形该金属与热塑复材接合再成形件。

在一实施态样中，进行快速升温步骤后的该热塑性复合材料件与该金属件是以连续输送带的方式传送至该模具的下模的模穴。

在一实施态样中，该金属件的该接合区域内预先成形有多个除料孔。

在一实施态样中，利用该模具合模成形该金属与热塑复材接合再成形件的该叠合区域包含该金属件与该热塑性复合材料件同步弯曲的波浪弯折结构。

为达成上述成形双片金属夹层的接合成形件的目的，本发明提供的技术手段为一种金属与热塑复材接合及再成形方法，其步骤包含：备料步骤，提供一热塑性复合材料件，其上、下表面分别包括一第一区域与一第二区域；叠合步骤，分别叠合固定一第一金属件、一第二金属件于该热塑性复合材料件的上、下表面，该第一金属件的一表面包括一第一接合区域，该第一接合区域是搭抵于该第一区域，该第二金属件的一表面包括一第二接合区域，该第二接合区域是搭抵于该第二区域；快速升温步骤，加热该第一、第二接合区域与对应的该第一区域、第二区域的叠合区域至一接合温度，该接合温度是介于该热塑性复合材料件的该第一、第二区域的材料软化，但该第一、第二金属件的各个接合区域的材料未软化的温度区间内；模具合模成形步骤，利用涵盖该第一区域、该第一接合区域与该第二区域、第二接合区域的模具，将加热后的该热塑性复合材料件与该第一、第二金属件立即置入该模具的模穴内合模成形一金属与热塑复材接合再成形件；成形件取出步骤，取出该金属与热塑复材接合再成形件。

在一实施态样中，该快速升温步骤是以分别覆盖该第一接合区域与该第一区域、该第二接合区域与该第二区域的叠合区域的快速加热用的热源装置进行快速升温加热。

在一实施态样中，各该热源装置与该第一、第二金属件之间各设置一热量调节隔墙。

在一实施态样中，该模具对应于该第一区域、该第一接合区域与该第二区域、该第二接合区域的位置是配置有散热装置。

在一实施态样中，该模具合模成形后，直接于模具内通过该散热装置进行冷却。

在一实施态样中，利用该模具合模成形该第一、第二金属件与该热塑性复合材料件的该叠合区域包含有该第一、第二金属件与该热塑性复合材料件同步弯曲的波浪弯折结构。

本发明的特点在于：相较全区加热制程，本发明的接合方法采用局部同时加热异材接合成形区域，不须整体加热，以节省加热能源及加热时间，其加热反应速率快，若进一步采用辐射加热工法，其加热区域面积较感应加热工法更广大，且成形后的整体尺寸精度佳（因本发明在接合金属件时不会对热塑性复合材料穿孔，再加上利用模具接合成形，其整体尺寸精度佳，适合作为热塑性复合材料的冷冻车箱与其柜门的五金件的接合结构、自行车架接合、铝合金/碳纤热塑复材ATV轮圈、电动车的金属与复材接合应用、飞机的机舱体接合应用）。本发明可回收再利用，环保性佳。在不影响其它不必加热的区域下，本发明可缩小及简化模冶具设计工序。本发明于金属件与热塑性复合材料在局部成形时，可借由上、下模合模压合形成局部波浪特征，能提升机械结合强度，金属表面不须另作粗化处理，节省制程时间。本发明在成形时对材料作局部加热所造成热塑性复合材料件树脂软化、变形的塑流应力将使接合处的组织更为紧密，因此接合优良率将有所改善，对后续接合性能强度可再提升（因金属件可作打孔除料，能更加提升与热塑复材接合强度及有轻量化的效果，不会积气，且热塑材料可渗入孔洞较深，接着力提升)。本发明的模具成形的连续方式生产，具有量产性，可降低其制造成本。

附图说明

图1为先前技术的热塑性复合材料与金属的感应焊接过程示意图；

图2为本发明一实施例的金属与热塑复材接合方法的步骤流程图；

图3A～3D为本发明一实施例的金属与热塑复材接合方法的结构流程图；

图4为本发明一实施例的加强金属与热塑复材接合机械强度的结构前视图；

图5为本发明一实施例的金属与热塑复材接合方法的金属件预先形成除料孔的结构上视图；

图6为本发明一实施例的双金属件与热塑复材接合方法的步骤流程图；

图7为本发明一实施例的双金属件与热塑复材接合方法的快速升温叠合区域的结构示意图；

图8为本发明一实施例的双金属件与热塑复材接合方法的合模成形结构示意图；

图9为本发明一实施例的双金属件与热塑复材接合的叠合区域形成波浪弯折结构的前视示意图。

附图中的符号说明：

1 热塑性复合材料与金属件的连接结构；11 金属件；12 塑性复合材料件；13 感应加热装置；14 感应电流；15 焊接方向；2,2’,2” 金属与热塑复材接合再成形件；21,21’,21” 热塑性复合材料件；211,211’,211” 第一区域；212 第二区域；22,22’ 金属件；221,221’ 接合区域；222 除料孔；23,23’,23” 叠合区域；231,231’ 波浪弯折结构；22A 第一金属件；221A 第一接合区域；22B 第二金属件；221B 第二接合区域；3,3’ 模具；31,31’ 模穴；32,32’ 散热装置；33,33’ 下模；34,34’ 上模；4 热源装置；41 热量调节隔墙；42 热量；5 连续输送带；S10～S14 金属与热塑复材接合及再成形步骤；S20～S24 双金属件与热塑复材接合及再成形步骤。

具体实施方式

现配合图式将本发明实施例详细说明如下，其所附图式主要为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此在该些图式中仅标示与本发明有关的组件，且所显示的组件并非以实施时的数目、形状、尺寸比例等加以绘制，其实际实施时的规格尺寸实为一种选择性的设计，且其组件布局形态有可能更为复杂。

首先请参照图2及图3A至图3D所示。本实施例的金属与热塑复材接合及再成形方法，其步骤包含：

步骤S10备料步骤，提供一热塑性复合材料件21，其一表面包括一第一区域211，该第一区域211可为热塑性复合材料件21的一局部区域。

如图2、3A所示。步骤S11叠合步骤，叠合固定一金属件22于该热塑性复合材料件21之上，该金属件22的一表面包括一接合区域221，该接合区域221是搭抵于该第一区域211，于实务上，如本实施例中，该接合区域221为金属件22的一局部区域。

如图2、3B所示。步骤S12快速升温步骤，加热该接合区域221与该第一区域211重叠的叠合区域23至一接合温度，该接合温度应维持于该热塑性复合材料件21的该第一区域211材料软化，但该金属件22的该接合区域221材料未软化的温度区间内，以利于该第一区域211材料与接合区域221材料的接合并于后续的模具3内合模成形（后述步骤叙明）。

如图2、3C所示。步骤S13模具合模成形步骤，利用涵盖该第一区域211、该接合区域221的模具3，将加热后的该热塑性复合材料件21与该金属件22立即（温度维持于接合温度）置入该模具3的模穴31内，并合模压合成形为一金属与热塑复材接合再成形件2。

如图2、3D所示。步骤S14成形件取出步骤，经冷却后取出该金属与热塑复材接合再成形件2。

再请参照图3B所示，在一实施例中，该步骤S12（即快速升温该接合区域221与该第一区域211的叠合区域23至一接合温度的步骤）中，快速升温的工法是以一面对该金属件22并使加热区域涵盖于该接合区域221的位置所设置的快速加热用的热源装置4来进行快速升温加热。

如图3B所示，本实施例中，该热源装置4与其面对的该金属件22之间设置一热量调节隔墙41，该热量调节隔墙41可调整该热源装置4通过的热量42及区域范围，借以调整该热源装置4对该金属性22的加热热量。另外，虽未图示，在一实施例中，该热源装置4为一发出热辐射光源的灯源，该热量调节隔墙41为一隔光墙。

在一实施例中，该步骤S13中该模具3是对应于该第一区域211、该接合区域221的位置是配置有散热装置32。该散热装置32可为一广布于模具3内、相邻模穴31区域的流体流道，并于该流体流道内循环流通水或冷气等流体。

因此，在另一实施例中，于上述该步骤S13进行合模成形后，可直接于模具3内通过该散热装置32进行冷却，以减少制程时间，提升量产性。

值得一提的是，在一实施例中，进行上述步骤S12对该接合区域与该第一区域升温至接合温度前，该热塑性复合材料件21及该金属件22可预先放置于该模具3的下模33内，再进行该快速升温的步骤（步骤S12），并在快速升温加热完成后，快速移除热源装置4，再与该模具3的上模34合模成形该金属与热塑复材接合再成形件2。

另外，在一实施例中，如图3B所示，将升温加热后的该热塑性复合材料件21与该金属件22（或其叠合区域23）移至模具3的方法，可应用连续输送带5传送至该模具3的下模33的模穴31内，以适合连续作业，提升量产性。

如图4所示。在一实施例中，于步骤S14中利用该模具3合模成形该金属与热塑复材接合再成形件2’的该叠合区域23’的结构，包含金属件22’与热塑性复合材料件21’第一区域211’与接合区域221’重叠的同步弯曲的波浪弯折结构231，以提高其机械结合强度。

如图5所示。在一实施例中，金属件22’的该接合区域221’内预先成形有多个除料孔222，以更加提升金属件22’与热塑性复合材料件接合强度及有轻量化的效果（该些除料孔222可使接合区域221’加热后不易积气，且热塑性复合材料件21’可渗入除料孔222孔洞较深，有助于接着力提升）。

如图6、图7及图8所示。本发明另一实施例的双金属件与热塑复材接合的方法，其包含下列步骤：

步骤S20备料步骤，提供一热塑性复合材料件21”，其上、下表面分别包括一第一区域211”与一第二区域212；

步骤S21叠合步骤，分别叠合固定一第一金属件22A、一第二金属件22B于该热塑性复合材料件21”的上、下表面，该第一金属件22A的一表面包括一第一接合区域221A，该第一接合区域221A是搭抵于该第一区域211”，该第二金属件22B的一表面包括一第二接合区域221B，该第二接合区域221B是搭抵于该第二区域212；

步骤S22快速升温步骤，如图6及图7所示，加热该第一接合区域221A、第二接合区域221B与对应的该第一区域211”、第二区域212的叠合区域23”至一接合温度，该接合温度是介于该热塑性复合材料件21”的该第一、第二区域211”,212的材料软化，但该第一、第二金属件22A,22B的各个接合区域(第一接合区域221A、第二接合区域221B)的材料未软化的温度区间内；

步骤S23模具合模成形步骤，如图6及图8所示，利用涵盖该第一区域211”、该第一接合区域221A与该第二区域212、第二接合区域221B的模具3’，将加热后的该热塑性复合材料件21”与该第一、第二金属件22A,22B立即置入该模具3’的模穴31’内合模成形一金属与热塑复材接合再成形件2”；

步骤S24成形件取出步骤，取出该金属与热塑复材接合再成形件2”。

如图6及图7所示，该快速升温步骤是以分别覆盖该第一接合区域221A与该第一区域211”、该第二接合区域221B与该第二区域212的叠合区域23”的快速加热的热源装置4进行快速升温加热。进一步地，各该热源装置4与该第一、第二金属件22A,22B之间各设置一热量调节隔墙41。

如图6及图8所示。本实施例中，该模具3’对应于该第一区域211”、该第一接合区域221A与该第二区域212、该第二接合区域221B的位置配置有散热装置32’。也因此，进一步地，该模具3’的下模33’、上模34’合模成形后，可直接于模具3’(下模33’,上模34’)内通过该散热装置32’进行冷却。

如图6及图9所示，为使机械强度提升，利用该模具3’合模成形该第一、第二金属件22A,22B与该热塑性复合材料件21”的该叠合区域23”包含有该第一、第二金属件22A,22B与热塑性复合材料件21”同步弯曲压合成形的波浪弯折结构231’。

上述实施形态仅例示性说明本发明的原理、特点及其功效，并非用以限制本发明的可实施范畴，任何熟悉此项技艺的人士均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施形态进行修饰与改变。任何运用本发明所揭示内容而完成的等效改变及修饰，均仍应为所附的申请专利范围所涵盖。因此，本发明的权利保护范围，应如申请专利范围所列。

Claims (13)

1.一种金属与热塑复材接合及再成形方法，其特征在于，步骤包含：

备料步骤，提供一热塑性复合材料件，所述热塑性复合材料件的一表面包括一第一区域；

叠合步骤，叠合固定一金属件于所述热塑性复合材料件之上，所述金属件的一表面包括一接合区域，所述接合区域是搭抵于所述第一区域；

快速升温步骤，加热所述接合区域与所述第一区域的叠合区域至一接合温度，所述接合温度是介于所述热塑性复合材料件的所述第一区域的材料软化，但所述金属件的所述接合区域的材料未软化的温度区间内，以一面对所述金属件并使加热区域涵盖于所述接合区域的位置设置的热源装置，进行升温加热，所述热源装置与其面对的所述金属件之间设置一热量调节隔墙；

模具合模成形步骤，利用涵盖所述第一区域、所述接合区域的模具，将加热后的所述热塑性复合材料件与所述金属件立即置入所述模具的模穴内合模成形一金属与热塑复材接合再成形件；以及

成形件取出步骤，取出所述金属与热塑复材接合再成形件。

2.如权利要求1所述的金属与热塑复材接合及再成形方法，其特征在于，其中，所述热源装置为一发光的灯源，所述热量调节隔墙为一隔光墙。

3.如权利要求1所述的金属与热塑复材接合及再成形方法，其特征在于，其中，所述模具对应于所述第一区域、所述接合区域的位置是配置有散热装置。

4.如权利要求3所述的金属与热塑复材接合及再成形方法，其特征在于，其中，所述模具的所述散热装置为一布置于模具内、相邻模穴区域的流体流道，并于所述流体流道内循环流通水或冷气。

5.如权利要求3或4所述的金属与热塑复材接合及再成形方法，其特征在于，其中所述模具合模成形后，直接于模具内通过所述散热装置进行冷却。

6.如权利要求1所述的金属与热塑复材接合及再成形方法，其特征在于，其中，进行加热所述接合区域与所述第一区域的叠合区域至一接合温度的快速升温步骤前，所述热塑性复合材料件及所述金属件是预先放置于所述模具的下模内而后进行快速升温的步骤，并在快速升温步骤完成后再与所述模具的上模合模成形所述金属与热塑复材接合再成形件。

7.如权利要求1所述的金属与热塑复材接合及再成形方法，其特征在于，其中，进行快速升温步骤后的所述热塑性复合材料件与所述金属件是以连续输送带的方式传送至所述模具的下模的模穴。

8.如权利要求1所述的金属与热塑复材接合及再成形方法，其特征在于，其中，利用所述模具合模成形所述金属与热塑复材接合再成形件的所述叠合区域包含所述金属件与所述热塑性复合材料件同步弯曲的波浪弯折结构。

9.如权利要求1所述的金属与热塑复材接合及再成形方法，其特征在于，其中，所述金属件的所述接合区域内预先成形有多个除料孔。

10.一种金属与热塑复材接合及再成形方法，其特征在于，步骤包含：

备料步骤，提供一热塑性复合材料件，所述热塑性复合材料件的上、下表面分别包括一第一区域与一第二区域；

叠合步骤，分别叠合固定一第一金属件、一第二金属件于所述热塑性复合材料件的上、下表面，所述第一金属件的一表面包括一第一接合区域，所述第一接合区域是搭抵于所述第一区域，所述第二金属件的一表面包括一第二接合区域，所述第二接合区域是搭抵于所述第二区域；

快速升温步骤，加热所述第一、第二接合区域与对应的所述第一区域、第二区域的叠合区域至一接合温度，所述接合温度是介于所述热塑性复合材料件的所述第一、第二区域的材料软化，但所述第一、第二金属件的各个接合区域的材料未软化的温度区间内，所述快速升温步骤是以分别覆盖所述第一接合区域与所述第一区域、所述第二接合区域与所述第二区域的叠合区域的热源装置进行升温加热，各所述热源装置与所述第一、第二金属件之间各设置一热量调节隔墙；

模具合模成形步骤，利用涵盖所述第一区域、所述第一接合区域与所述第二区域、第二接合区域的模具，将加热后的所述热塑性复合材料件与所述第一、第二金属件立即置入所述模具的模穴内合模成形一金属与热塑复材接合再成形件；以及

成形件取出步骤，取出所述金属与热塑复材接合再成形件。

11.如权利要求10所述的金属与热塑复材接合及再成形方法，其特征在于，其中，所述模具对应于所述第一区域、所述第一接合区域与所述第二区域、所述第二接合区域的位置是配置有散热装置。

12.如权利要求11所述的金属与热塑复材接合及再成形方法，其特征在于，其中，所述模具合模成形后，直接于模具内通过所述散热装置进行冷却。

13.如权利要求10所述的金属与热塑复材接合及再成形方法，其特征在于，其中，利用所述模具合模成形所述第一、第二金属件与所述热塑性复合材料件的所述叠合区域包含有所述第一、第二金属件与热塑性复合材料件同步弯曲的波浪弯折结构。

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