CN109910310B

CN109910310B - 一种热塑性复合材料电阻焊接装置

Info

Publication number: CN109910310B
Application number: CN201910194838.1A
Authority: CN
Inventors: 战强; 田新扬; 安学锋; 陈祥臻
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2019-03-14
Filing date: 2019-03-14
Publication date: 2021-02-02
Anticipated expiration: 2039-03-14
Also published as: CN109910310A

Abstract

本发明公开了一种热塑性复合材料电阻焊接装置。热塑性复合材料电阻焊接装置包括机架、压紧机构、供电机构。所述机架负责固定压紧机构和供电机构，同时支撑热塑性复合材料、焊料及温度传感器的铺放。所述压紧机构可对复合材料和焊料施加压力并进行压力闭环控制。所述供电机构可为多种类型及不同厚度的热塑性复合材料施加电阻热，并配合压紧机构完成电阻焊接。本发明结构简单、安全可靠，焊接过程无需人工干预，焊接效果好。

Description

一种热塑性复合材料电阻焊接装置

技术领域

本发明涉及复合材料焊接技术领域，更具体地，涉及一种应用于热塑性复合材料的电阻焊接装置。

背景技术

随着高性能复合材料在航空航天领域中的应用越来越广泛，如何实现其结构有效可靠的连接成为目前行业内关注的焦点。传统飞机蒙皮、前缘等部件多采用热固性复合材料，但其成本高，加工工艺复杂，周期长，且连接时需要通过铆接固定，这种连接技术会产生应力集中，并对部件本身产生整体性破坏。相比热固性材料，热塑性材料自身具有优异的形变能力，强度和韧性高。针对热塑性复合材料这一特性，出现了熔融焊接技术，即通过将焊接件加热熔融并冷却固化的方式实现材料间的焊接成形，这不仅消除了机械紧固件的重量，避免了对焊接部件的结构破坏，而且还缩短了定位和钻孔的时间和成本，热塑性材料已经逐渐取代热固性材料成为当今最具潜力的高性能复合材料之一。

目前热塑性复合材料熔融焊接技术主要有感应焊接、超声波焊接、电阻焊接和激光焊接四种焊接方法。其中电阻焊接因其技术成熟、焊缝质量高、工艺复杂性低而得到了广泛应用，如空客A380机翼前缘焊接，A320后压舱壁焊接等。精确施压、稳压加热是保证高质量焊接接头的关键因素。国内外很多相关领域的研究者提出了解决方案。如有专利(文件号CN1544238、CN104270840A)提出了热塑性复合材料电阻焊接装置及对应焊接方法。但上述专利所述装置在加压过程中无法对加压压力实现闭环控制，从而造成焊接质量不可控，且整个焊接工艺流程所需时间较长，焊接效率低。德国宇航中心(DLR)采用一种“焊接桥”对空客A320的后压曲面舱壁进行电阻焊接，其中压力通过10个气缸施加，但所述装置结构复杂，需要气源，对环境要求较高。

发明内容

本发明的目的就是针对聚苯硫醚(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)等热塑性复合材料，提供一种电阻焊接装置，以形成完整且具有较好力学性能的焊缝，解决热塑性复合材料焊接接头力学性能不一、结合强度差的问题。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：一种热塑性复合材料电阻焊接装置，包括机架、压紧机构、供电机构；所述机架包括左侧支撑梁、横向支撑板、右侧支撑梁、焊接台面、两条挡板、温度传感器接线端子和四个支脚；所述压紧机构包括电机、减速器、电机支撑板、联轴器、两个直线轴承、两根导向光轴、滚珠丝杠、丝杠螺母、压力支撑板、两个压力传感器和压头；所述供电机构共两组，每组包括肘夹、垫高块、螺钉、螺母、上垫片、下垫片、弹簧、锁紧螺母、压紧螺钉、绝缘块和铜电极；

所述机架的左侧支撑梁和右侧支撑梁分别用螺栓固定于焊接台面的左右两端，并相对于焊接台面的前后端面对称；横向支撑板与左侧支撑梁和右侧支撑梁用螺栓紧固，且横向支撑板的左右两端面分别与左侧支撑梁左端面和右侧支撑梁右端面对齐；两条电木制作的挡板用螺钉固定于左侧支撑梁和右侧支撑梁的内侧；四个支脚分别通过螺钉固装于焊接台面下端面四个对角处；所述温度传感器接线端子共五个，沿焊接台面前边水平方向依次排布，并通过螺钉固定于焊接台面边缘；

所述压紧机构的电机通过螺钉与减速器固定，减速器的安装法兰面与电机支撑板上端面固定在一起，并通过四个电机支柱固装在横向支撑板上端面的几何中心处，减速器的输出轴通过联轴器与滚珠丝杠固定侧轴端固接；两个直线轴承相对于滚珠丝杠对称套装于横向支撑板上，两根导向光轴分别与两个直线轴承配装，且两个导向光轴下端面与压力支撑板上端面紧固；丝杠螺母配装于滚珠丝杠上，并通过螺钉与压力支撑板上端面紧固；两个压力传感器相对于滚珠丝杠对称布置，它们的上端面分别与压力支撑板紧固，它们的下端面分别与压头紧固；

所述供电机构的肘夹和垫高块通过螺钉与挡板和焊接台面紧固，螺钉与螺母配装，并依次穿过上垫片、肘夹臂内孔、下垫片、弹簧，最后通过锁紧螺母与绝缘块紧固，铜电极配装于绝缘块内部，并通过压紧螺钉紧固，铜电极与供电导线连接。

进一步的，所述焊接台面上端面开有凹槽，五个温度传感器穿过凹槽，埋于下层复合材料板下端面和焊接台面上端面的贴合面之间。

本发明的有益效果是：利用电机驱动滚珠丝杠进行加压的方式安全稳定，在提供大推力的同时还具备自锁能力；在焊接过程中可实时监测并维持设定压力，从而保证焊缝力学性能的一致性。与相关专利相比，本发明具有高效快速、安全稳定的优点，工作时仅需操作人员利用供电机构的两个肘夹夹紧焊料，剩余流程则全由焊接装置自动完成，且噪音极低，改善了工作环境；整个焊接装置结构简单、操作方便，焊接效果好，可应用于多种热塑性复合材料的电阻焊接。

附图说明

图1是热塑性复合材料电阻焊接装置的结构组成图；

图2是供电机构的结构组成图；

图3是温度传感器布置示意图。

1.电机 2.减速器 3.电机支撑板 4.联轴器 5.电机支柱 6.滚珠丝杠 7.丝杠螺母 8.导向光轴9.直线轴承 10.压力传感器 11.横向支撑板 12.右侧支撑梁 13.压力支撑板 14.左侧支撑梁 15.供电机构 16.压头 17.挡板 18.焊接台面 19.支脚 20.温度传感器接线端子 21.温度传感器 22.下层复合材料板

1501.肘夹 1502.垫高块 1503.螺钉 1504.螺母 1505.上垫片 1506.下垫片1507.弹簧 1508.调位螺母 1509.压紧螺钉 1510.绝缘块 1511.铜电极

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步详细说明。应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域的技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

本发明的工作原理：通过压紧机构的电机1驱动丝杠螺母7带动压头16下压实现对待焊复合材料的压力施加，在此过程中，布置于压力支撑板13和压头16内的两个压力传感器10可实时测量当前压力，并形成压力闭环控制。此外，双传感器测量可消除单传感器的测量误差，实现精确测量。通过肘夹1501上的铜电极1511向不锈钢网23施加电流产生电阻热，在电阻热和压力的共同作用下，焊料被加热至熔融状态并通过再冷却最终使上层复合材料板和下层复合材料板25固化在一起。

如图1所示，热塑性复合材料电阻焊接装置主要包括机架、压紧机构、供电机构；所述机架包括左侧支撑梁14、横向支撑板11、右侧支撑梁12、焊接台面18、两条挡板17、五个温度传感器接线端子20和四个支脚19；所述压紧机构包括电机1、减速器2、电机支撑板3、联轴器4、两个直线轴承9、两个导向光轴8、滚珠丝杠6、丝杠螺母7、压力支撑板13、两个压力传感器10和压头16；所述供电机构15共两组，每组包括一个肘夹1501、一个垫高块1502、一个螺钉1503、一个螺母1504、一个上垫片1505、一个下垫片1506、一个弹簧1507、一个锁紧螺母1508、一个压紧螺钉1509、一个绝缘块1510和一个铜电极1511。

所述机架的左侧支撑梁14和右侧支撑梁12通过螺栓分别固定于焊接台面18的左右两端，并相对于焊接台面18的前后端面对称；横向支撑板11通过螺栓与左侧支撑梁14和右侧支撑梁12紧固，且横向支撑板11的左右两端面分别与左侧支撑梁14左端面和右侧支撑梁12右端面对齐；两条挡板17分别用螺钉固定于左侧支撑梁14和右侧支撑梁12的内侧，且两条挡板之间水平间距为252mm；四个支脚19分别通过螺钉固装于焊接台面18下端面四个对角处；所述温度传感器接线端子20共五个，沿焊接台面前边水平方向依此排布，并通过螺钉固定于焊接台面18边缘，每个温度传感器接线端子20一端接温度传感器25，另一端接哈丁接头，并与控制箱连接。

所述压紧机构的电机1通过螺钉与减速器2固定，减速器2的安装法兰面与电机支撑板3上端面通过螺栓固定，电机支撑板3通过四个电机支柱5固装在横向支撑板11上端面的几何中心处；减速器2的输出轴通过联轴器4与滚珠丝杠6的固定侧轴端固接，两个直线轴承9相对于滚珠丝杠6对称套装于横向支撑板11上，并通过螺钉固定，两根导向光轴8分别与两个直线轴承9配装，且两个导向光轴8的下端面与压力支撑板13上端面紧固；丝杠螺母7配装于滚珠丝杠6上，并通过螺钉与压力支撑板13上端面紧固；两个压力传感器10相对于滚珠丝杠6对称布置，它们的上端面分别与压力支撑板13紧固，它们的下端面分别与压头16紧固。电机1、两个压力传感器10的线缆依次穿过横向支撑板11右侧的方形槽、右侧支撑梁14至焊接台面18处的哈丁接头处，并与控制箱连接。

所述肘夹1501和垫高块1502通过螺钉与焊接台面18紧固，螺钉1503与螺母1504配装，并依次穿过上垫片1505、肘夹臂内孔、下垫片1506、弹簧1507，最后通过锁紧螺母1508与绝缘块1510紧固，铜电极1511为方形，配装于绝缘块1510内部，铜电极1511和绝缘块1510均开有穿线孔，且铜电极1511还开有螺纹孔，线缆依次穿过绝缘块1510、铜电极1511，压紧螺钉1509拧入铜电极1511的螺纹孔内至线缆处，从而将线缆固定。两个供电机构15的线缆分别穿过焊接台面18上的两个方形槽至哈丁接头处，并与控制箱连接。

Claims

1.一种热塑性复合材料电阻焊接装置，其特征在于：包括机架、压紧机构、供电机构；所述机架包括左侧支撑梁、横向支撑板、右侧支撑梁、焊接台面、两条挡板、温度传感器接线端子和四个支脚；所述压紧机构包括电机、减速器、电机支撑板、联轴器、两个直线轴承、两根导向光轴、滚珠丝杠、丝杠螺母、压力支撑板、两个压力传感器和压头；所述供电机构共两组，每组包括肘夹、垫高块、螺钉、螺母、上垫片、下垫片、弹簧、锁紧螺母、压紧螺钉、绝缘块和铜电极；

2.根据权利要求1所述的一种热塑性复合材料电阻焊接装置，其特征在于：所述焊接台面上端面开有凹槽，五个温度传感器穿过凹槽，埋于下层复合材料板的下端面和焊接台面上端面的贴合面之间。