CN109910312B - 一种提高纤维增强型树脂基复合材料回填式摩擦点焊焊接强度的方法 - Google Patents

Abstract

一种提高纤维增强型树脂基复合材料回填式摩擦点焊焊接强度的方法，属于焊接技术领域。本发明解决了现有的使用回填式摩擦点焊焊接纤维增强型树脂基复合材料时，存在由于回填不充分产生空隙、孔洞的缺陷，以及降低破碎纤维的成核作用，从而降低焊缝强度的问题。具体步骤为：待焊材料清洗；待焊材料装夹；反置导能筋：将导能筋置于上基板的搭接区域的上端面上，导能筋为纤维增强型树脂基复合材料；导能筋在焊接过程中提供树脂，填充待焊材料内的空隙，附着破碎的纤维增强结晶性，增加接头体系的树脂含量，促进树脂的回填作用；同时，增加树脂含量发挥弥散纤维的成核作用；本发明应用于纤维增强型树脂基复合材料的回填式摩擦点焊焊接。

Description

一种提高纤维增强型树脂基复合材料回填式摩擦点焊焊接强 度的方法

技术领域

本发明涉及一种摩擦点焊的方法，具体涉及一种提高纤维增强型树脂基复合材料回填式摩擦点焊焊接强度的方法，属于焊接技术领域。

背景技术

随着汽车制造、船舶、航空航天等领域的不断发展，对于减轻结构重量、节约经济成本、保证产品安全性能的要求越来越高，通过采用纤维增强型树脂基复合材料代替钢铁的方法，可以在满足结构强韧性、耐疲劳性等前提下，尽可能多的降低重量，符合结构轻质轻量化的目标。其中，回填式摩擦点焊是适合连接纤维增强型树脂基复合材料的方法之一，具有焊缝综合力学性能优异、设备结构简单、生产效率高等优势。然而，使用回填式摩擦点焊焊接纤维增强型树脂基复合材料时，由于复合材料本身树脂含量较低，在回填阶段由于树脂量不足而导致回填不充分，进而产生空隙、孔洞等缺陷，另外，树脂含量的不足也会降低破碎纤维的成核作用，从而在一定程度上降低了焊缝强度。

发明内容

在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

鉴于此，本发明为了解决现有的使用回填式摩擦点焊焊接纤维增强型树脂基复合材料时，存在由于回填不充分产生空隙、孔洞的缺陷，以及降低破碎纤维的成核作用，从而降低焊缝强度的问题，进而设计了一种提高纤维增强型树脂基复合材料回填式摩擦点焊焊接强度的方法。

本发明所采取的方案为：一种提高纤维增强型树脂基复合材料回填式摩擦点焊焊接强度的方法，具体步骤为：

步骤一、待焊材料清洗：用丙酮或酒精擦拭上基板和下基板的表面，去除粉尘；所述上基板和下基板均为纤维增强型树脂基复合材料；

步骤二、待焊材料装夹：将上基板和下基板上下搭接设置，并用夹具将上基板和下基板装夹在工作台上；

步骤三、反置导能筋：将导能筋置于上基板的搭接区域的上端面上，导能筋为树脂基体；导能筋在焊接过程中提供树脂，填充待焊材料内的空隙，附着破碎的纤维增强结晶性，增加接头体系的树脂含量，促进树脂的回填作用；同时，增加树脂含量发挥弥散纤维的成核作用；

步骤四、回填式摩擦点焊：分为扎入阶段、中间停留阶段、回填阶段和撤离阶段，具体为：搅拌套由上到下扎入待焊材料，利用搅拌摩擦作用使树脂基体熔化、纤维机械咬合互锁，最终由树脂进行回填凹陷，经过冷却凝固后得到表面平整，综合力学性能良好的焊点。

进一步地：步骤一中，纤维增强型树脂基复合材料为碳纤维增强的树脂基复合材料或玻璃纤维增强的树脂基复合材料；树脂基体为热塑性材料，具体是PC、PEEK、PEI、ABS、BMI、PPS、PMMA、PET或EPOXY。

进一步地：步骤一中，上基板和下基板的厚度均为0.5mm-5mm。

进一步地：步骤三中，导能筋与上基板为一体式结构或者分体式结构，使用夹具固定时，若导能筋与上基板为一体式，则只需固定上基板即可；若为分体式，则上基板与导能筋分别固定。

进一步地：步骤三中，导能筋的截面形状为连续的三角形或连续的半圆形结构，在步骤四的焊接过程中扎入阶段，导能筋与焊具线接触。如此设置，导能筋在焊接过程中树脂快速填充待焊材料内的空隙，显著提高焊接速度，且焊点表面更为平整。

进一步地：步骤三中，导能筋的材料与上基板的树脂基体相同或不同，具体是PC、PEEK、PEI、ABS、BMI、PPS、PMMA、PET或EPOXY。

进一步地：步骤四中，回填式摩擦点焊焊接参数为：转速为600rmp-1800rmp，扎入速度为40-100mm/min，中间停留时间小于等于4s。

本发明所达到的效果为：

本发明提出在不改变回填式摩擦点焊设备的前提下，通过增加焊缝处树脂含量的思路入手，具体是在搭接接头处采取反置导能筋的形式进行回填式摩擦点焊焊接，增加了接头体系的树脂含量，促进树脂的回填作用；同时，由于被搅拌破碎的碳纤维作为一种有效的成核剂，增加树脂含量可以发挥弥散纤维的成核作用，提高了聚合物的结晶性，减少由于纤维破碎而产生空隙，孔洞等接头缺陷，同时使焊缝表面成型更加平整美观，提高纤维增强型树脂基复合材料的焊接强度。此外，本发明还具有工艺设备及流程简单，适用范围广，可实现批量生产等优势。

附图说明

图1为反置导能筋截面示意图(三角形)；

图2为反置导能筋截面示意图(半圆形)；

图3为实施例1与现有焊接技术的焊接效果对比图；

图4是实施例2与现有焊接技术的焊接效果对比图；

图5是实施例3与现有焊接技术的焊接效果对比图。

具体实施方式

为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本发明公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。

在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在申请文件中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

实施例1：结合图1和图3，对本实施例的一种提高纤维增强型树脂基复合材料回填式摩擦点焊焊接强度的方法，进一步进行阐述：

步骤一、用丙酮或酒精擦拭待焊材料(纤维增强型树脂基复合材料)表面，去除粉尘等杂质，其中，纤维增强型树脂基复合材料为碳纤维增强型热塑性环氧类树脂基复合材料；

步骤二、将上基板1和下基板2上下搭接设置，并用夹具将上基板1和下基板2装夹在工作台上；

步骤三：采取反置导能筋3的方法将导能筋置于上基板1上，导能筋3为三角形结构，导能筋3材料为PC，导能筋3的厚度为0.30mm，上基板1和下基板2的厚度均为1.17mm；

步骤四：使用回填式搅拌摩擦点焊设备进行焊接，焊接参数：转速为1500rpm，扎入速度为60mm/min，中间停留时间为2s，扎入深度为1.50mm。

参见图3，其中a为现有技术焊点效果图，b为本发明焊点效果图，明显可以看出现有技术焊点处纤维拉拔严重，树脂量明显不足，本发明焊点明显改善。在同等的技术参数下，在本发明所述的方法下接头的拉剪强度可达到直接进行纤维增强型树脂基复合材料回填式搅拌摩擦点焊拉剪强度的120％-140％。

实施例2：结合图2和图4，对本实施例的一种提高纤维增强型树脂基复合材料回填式摩擦点焊焊接强度的方法，进一步进行阐述：

步骤一、用丙酮或酒精擦拭待焊材料(纤维增强型树脂基复合材料)表面，去除粉尘等杂质，其中，纤维增强型树脂基复合材料为碳纤维增强型热塑性环氧类树脂基复合材料；

步骤二、将上基板1和下基板2上下搭接设置，并用夹具将上基板1和下基板2装夹在工作台上；

步骤三：采取反置导能筋3的方法将导能筋置于上基板1上，导能筋3为半圆形结构，导能筋3材料为PC，导能筋3的厚度为0.30mm，上基板1和下基板2的厚度均为1.16mm；

步骤四：使用回填式搅拌摩擦点焊设备进行焊接，焊接参数：转速为1500rpm，扎入速度为80mm/min，中间停留时间为1s，扎入深度为1.80mm。

参见图4，其中a为现有技术焊点效果图，b为本发明焊点效果图，明显可以看出现有技术焊点处纤维拉拔严重，树脂量明显不足，本发明焊点明显改善。在同等的技术参数下，在本发明所述的方法下接头的拉剪强度可达到直接进行纤维增强型树脂基复合材料回填式搅拌摩擦点焊拉剪强度的120％-140％。

实施例3：结合图1和图5，对本实施例的一种提高纤维增强型树脂基复合材料回填式摩擦点焊焊接强度的方法，进一步进行阐述：

步骤一、用丙酮或酒精擦拭待焊材料(纤维增强型树脂基复合材料)表面，去除粉尘等杂质，其中，纤维增强型树脂基复合材料为碳纤维增强型热塑性环氧类树脂基复合材料；

步骤二、将上基板1和下基板2上下搭接设置，并用夹具将上基板1和下基板2装夹在工作台上；

步骤三：采取反置导能筋3的方法将导能筋置于上基板1上，导能筋3为三角形结构，导能筋3材料为PC，导能筋3的厚度为0.30mm，上基板1和下基板2的厚度均为1.19mm；

步骤四：使用回填式搅拌摩擦点焊设备进行焊接，焊接参数：转速为1700rpm，扎入速度为70mm/min，中间停留时间为1s，扎入深度为1.80mm。

参见图5，其中a为现有技术焊点效果图，b为本发明焊点效果图，明显可以看出现有技术焊点处纤维拉拔严重，树脂量明显不足，本发明焊点明显改善。在同等的技术参数下，在本发明所述的方法下接头的拉剪强度可达到直接进行纤维增强型树脂基复合材料回填式搅拌摩擦点焊拉剪强度的120％-140％。

综合上述实施例，显然地，通过在搭接接头处设置导能筋的手段来进行纤维增强型树脂基复合材料回填式搅拌摩擦点焊，可以有效地增加接头体系的树脂含量，促进树脂的回填作用；同时，由于被搅拌破碎的碳纤维作为一种效的成核剂，增加树脂含量可以发挥弥散纤维的成核作用，提高了聚合物的结晶性，减少由于纤维破碎而产生空隙，孔洞等接头缺陷，同时使焊缝表面成型更加平整美观。在同等的技术参数下，在本发明所述的方法下接头的拉剪强度可达到直接进行纤维增强型树脂基复合材料回填式搅拌摩擦点焊拉剪强度的120％-140％。由此可见，接头强度得到了大幅提升。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种提高纤维增强型树脂基复合材料回填式摩擦点焊焊接强度的方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤一、待焊材料清洗：用丙酮或酒精擦拭上基板(1)和下基板(2)的表面，去除粉尘；所述上基板(1)和下基板(2)均为纤维增强型树脂基复合材料；

步骤二、待焊材料装夹：将上基板(1)和下基板(2)上下搭接设置，并用夹具将上基板(1)和下基板(2)装夹在工作台上；

步骤三、反置导能筋(3)：将导能筋(3)置于上基板(1)的搭接区域的上端面上，导能筋(3)为树脂基体；导能筋在焊接过程中提供树脂，填充待焊材料内的空隙，附着破碎的纤维增强结晶性，增加接头体系的树脂含量，促进树脂的回填作用；同时增加树脂含量发挥弥散纤维的成核作用；

步骤四、回填式摩擦点焊：分为扎入阶段、中间停留阶段、回填阶段和撤离阶段，具体为：搅拌套由上到下扎入待焊材料，利用搅拌摩擦作用使树脂基体熔化、纤维机械咬合互锁，最终由树脂进行回填凹陷，经过冷却凝固后得到表面平整，综合力学性能良好的焊点。

2.根据权利要求1所述的一种提高纤维增强型树脂基复合材料回填式摩擦点焊焊接强度的方法，其特征在于：步骤一中，纤维增强型树脂基复合材料为碳纤维增强的树脂基复合材料或玻璃纤维增强的树脂基复合材料；树脂基体为热塑性材料，具体是PC、PEEK、PEI、ABS、BMI、PPS、PMMA、PET或EPOXY。

3.根据权利要求2所述的一种提高纤维增强型树脂基复合材料回填式摩擦点焊焊接强度的方法，其特征在于：步骤一中，上基板(1)和下基板(2)的厚度均为0.5mm-5mm。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种提高纤维增强型树脂基复合材料回填式摩擦点焊焊接强度的方法，其特征在于：步骤三中，导能筋(3)与上基板(1)为一体式结构或者分体式结构，使用夹具固定时，若导能筋(3)与上基板(1)为一体式，则只需固定上基板(1)即可；若为分体式，则上基板(1)与导能筋(3)分别固定。

5.根据权利要求4所述的一种提高纤维增强型树脂基复合材料回填式摩擦点焊焊接强度的方法，其特征在于：步骤三中，导能筋(3)的截面形状为连续的三角形或连续的半圆形结构，在步骤四的焊接过程中扎入阶段，导能筋与焊具线接触。

6.根据权利要求5所述的一种提高纤维增强型树脂基复合材料回填式摩擦点焊焊接强度的方法，其特征在于：步骤三中，导能筋(3)的材料与上基板(1)的树脂基体相同或不同，导能筋(3)的材料具体是PC、PEEK、PEI、ABS、BMI、PPS、PMMA、PET或EPOXY。

7.根据权利要求6所述的一种提高纤维增强型树脂基复合材料回填式摩擦点焊焊接强度的方法，其特征在于：步骤四中，回填式摩擦点焊焊接参数：转速为600rpm-1800rpm，扎入速度为40-100mm/min，中间停留时间小于等于4s。

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