CN109968673A - 一种金属与热塑性复合材料铆焊一体式摩擦点焊方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种金属与热塑性复合材料铆焊一体式摩擦点焊方法，包括以下步骤：S1、连接体材质的选取：连接体的材质与被焊热塑性复合材料的材质相同；S2、开预置孔；S3、多孔金属氧化层制备：在被焊金属表面制备多孔金属氧化层；S4、确定连接体的尺寸；S5、装夹和定位：将热塑性复合材料作为下板，而金属为上板，采用夹具将其安装固定，消除两板之间的间隙误差；对连接体和预置孔定位，使预置孔与连接体的轴线重合；S6、焊接。本发明所述的一种金属与热塑性复合材料铆焊一体式摩擦点焊方法，能够实现金属与热塑性复合材料连接时工艺周期短、不会产生应力集中，生产工艺简单和无气孔缺陷。

Description

一种金属与热塑性复合材料铆焊一体式摩擦点焊方法

技术领域

本发明属于焊接技术领域，尤其是涉及一种金属与热塑性复合材料铆焊一体式摩擦点焊方法。

背景技术

由于现代经济严重依赖于石化能源的消耗，因此导致能源供应日趋紧张、环境压力加剧。经济社会的发展要求节能减排，而汽车轻量化是我国节能减排战略环节中较为重要的一部分，其中轻量化应用新材料包括铝合金、镁合金、钛合金、高性能热塑性树脂基复合材料、多孔发泡及复合材料等。其中，金属与热塑性复合材料的连接受到广泛的关注。目前，聚合物及其复合材料的连接受到学者广泛关注，主要分为胶接、机械连接和焊接。一般而言，机械连接操作相对简单，但在连接部位易出现应力集中，降低可靠性，且连接件使接头重量增加，不利于轻量化设计；胶接工艺相对成熟，但胶接的工艺周期长，接头抗冲击、抗疲劳和耐湿热等性能不足，降低接头使用性能。目前，连接金属与热塑性复合材料的焊接方法主要包含超声焊，激光焊和搅拌摩擦点焊等。超声焊导能筋制作困难且焊件尺寸小，仅适用于薄壁结构；激光焊对待焊工件的透光性要求较高，且连接界面易导致气泡缺陷，减小界面连接面积，降低接头强度；此外，搅拌摩擦点焊连接时间较长，最终导致生产效率降低，成本增加。因此，有必要提出一种金属与热塑性复合材料的新的焊接方法，以解决利用胶接、机械连接和等其他焊接方法实现金属与热塑性复合材料连接时出现的工艺周期长、应力集中，生产工艺复杂和气孔缺陷多等问题。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种金属与热塑性复合材料铆焊一体式摩擦点焊方法，工艺周期短、生产工艺简单，无应力集中和气孔缺陷等问题，焊接质量好。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种金属与热塑性复合材料铆焊一体式摩擦点焊方法，包括以下步骤：

S1、连接体材质的选取：连接体的材质与被焊热塑性复合材料的材质相同；

S2、开预置孔：根据设计图纸要求，在被焊金属上打一定位孔，将定位孔扩为通孔且直径为d4，将通孔的上表面扩为锥孔且锥孔大径端直径为d3，锥孔的大径端直径d3大于通孔直径d4，通孔和锥孔即为填充连接体的预置孔；

S3、多孔金属氧化层制备：在被焊金属表面制备多孔金属氧化层；

S4、确定连接体的尺寸：连接体的底部外部轮廓直径d2小于等于S2所制预置孔的直径d4；连接体的顶部外部轮廓直径d1大于等于S2所制预置孔的直径d3；

S5、装夹和定位：将热塑性复合材料作为下板，而金属为上板，采用夹具将其安装固定，消除两板之间的间隙误差；对连接体和预置孔定位，使预置孔与连接体的轴线重合；

S6、焊接：选择适当的焊接参数，具有轴肩的无针焊具高速旋转带动连接体作同步运动，且以一定速率扎入预置孔中，其中无针焊具的轴肩的直径d大于等于连接体的直径d1；

具体焊接步骤为：首先，使连接体底部工作面与下板的热塑性复合材料接触摩擦产热并使热塑性复合材料板材和连接体达到热塑性状态；其次，连接体继续下扎一定深度时，连接体与热塑性复合材料界面的附近的软化且呈热塑性状态的材料填充进连接体与金属板之间的界面，消除界面间隙并实现金属与热塑性复合材料的径向连接；与此同时，在预置孔位置，基于连接体锥面与金属、无针焊具与待焊金属之间接触摩擦产热的作用下，实现上层圆锥面的连接；然后，保持无针焊具高速旋转并停留所需时间后将摩擦头匀速提起，实现异种材料的连接。

进一步的，在S2中，通孔直径d4设置为1-20mm；锥孔的大径端直径d3比通孔直径d4大1-30mm。

进一步的，在S3中，在被焊金属表面的待连接区制备多孔金属氧化层。

进一步的，在S4中，连接体与预制孔之间的间隙范围随金属厚度和连接体轮廓而变化，其间隙范围为0-2mm。

进一步的，在S6中，轴肩直径d比连接体直径d1大1-20mm，旋转速率为200-10000rpm，下扎速率为0.1-5mm/min，停留时间为1-10s，其最大下扎深度随热塑性复合材料板的厚度而变，其值可为0.1-5mm。

进一步的，轴肩的下端面为外凸十字型结构，相应的，连接体的上端面为内凹十字型结构。

进一步的，所述金属为铝、镁、铜、铝合金、镁合金或铜合金。

进一步的，所述热塑性复合材料为纤维增强的热塑性树脂基复合材料。

进一步的，所述热塑性复合材料为玻璃纤维、碳纤维或芳纶纤维增强的聚酰胺、聚乙烯、聚丙烯、尼龙、聚醚酰亚胺、聚苯硫醚、聚醚醚酮或聚甲基丙烯酸甲酯。

相对于现有技术，本发明所述的一种金属与热塑性复合材料铆焊一体式摩擦点焊方法具有以下优势：

本发明所述的一种金属与热塑性复合材料铆焊一体式摩擦点焊方法，

一、利用摩擦热和形变产热为热源，实现金属与热塑性复合材料之间的化学连接和机械互锁双重连接；

二、相对胶接，本发明无额外胶接剂降低了对环境的敏感性；相对机械连接，气密性良好且无需损伤聚合物基复合材料基体降低应力集中现象；相摩擦柱焊，焊前在热塑性复合材料上预置圆柱棒，装配时定位精度难以保证，本方法对定位精度要求较低，减小了装配复杂程度且可实现柔性装配；

三、该方法不仅适用于金属与热塑性复合材料异种材料连接，也适于同种材料的连接。该方法焊后无需二次加工，能够保证一次性成形，工艺稳定性和再现性高，适应性强。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的一种金属与热塑性复合材料铆焊一体式摩擦点焊的焊接前示意图；

图2为本发明实施例所述的一种金属与热塑性复合材料铆焊一体式摩擦点焊的焊接过程示意图；

图3为本发明实施例所述的一种金属与热塑性复合材料铆焊一体式摩擦点焊的焊接完成示意图；

图4为本发明实施例所述的一种金属与热塑性复合材料铆焊一体式摩擦点焊接头宏观图。

附图标记说明：

1-无针焊具，1-1-轴肩，2-连接体，3-上板，3-1-预制孔，4-下板。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1-图3所示，一种金属与热塑性复合材料铆焊一体式摩擦点焊方法，是通过以下步骤实现的：

S1、连接体2材质的选取：连接体2的材质与被焊热塑性复合材料的材质相同；

S2、开预置孔3-1：根据设计图纸要求，在被焊金属上打一定位孔，将定位孔扩为通孔且直径为d4，将通孔的上表面扩为锥孔且锥孔大径端直径为d3，锥孔的大径端直径d3大于通孔直径d4，通孔和锥孔即为填充连接体的预置孔3-1，具体可为：通孔直径d4设置为1-20mm；锥孔的大径端直径d3比通孔直径d4大1-30mm；

S3、多孔金属氧化层制备：在被焊金属表面的待连接区制备多孔金属氧化层；其中，多孔结构有效地增加金属与热塑性复合材料的微观机械咬合效果，而氧化层可促进金属(以Al为例)与热塑性复合材料的连接方式由Al-C键向Al-O-C键转变，增强其化学连接效果；

S4、确定连接体2的尺寸：连接体2的底部外部轮廓直径d2小于等于S2所制预置孔3-1的直径d4；连接体的顶部外部轮廓直径d1大于等于S2所制预置孔3-1的直径d3，连接体2与预制孔3-1之间的间隙范围随金属厚度和连接体2的轮廓而变化，其间隙范围为0-2mm；

S5、装夹和定位：将热塑性复合材料作为下板4，而金属为上板3，采用夹具将其安装固定，消除两板之间的间隙误差；对连接体2和预置孔3-1定位，使预置孔3-1与连接体2的轴线重合；

S6、焊接：选择适当的焊接参数，具有轴肩1-1的无针焊具1以旋转速率为200-10000rpm高速旋转带动连接体2作同步运动，且以0.1-5mm/min的速率扎入预置孔3-1中，其中无针焊具1的轴肩1-1的直径d大于等于连接体2的直径d1，具体可为：轴肩直径d比连接体直径d1大1-20mm，其最大下扎深度随热塑性复合材料板的厚度而变，其值可为0.1-5mm；

具体焊接步骤为：首先，使连接体2底部工作面与下板4的热塑性复合材料接触摩擦产热并使热塑性复合材料板材和连接体2达到热塑性状态；其次，连接体继续下扎一定深度时，连接体2与热塑性复合材料界面的附近的软化且呈热塑性状态的材料填充进连接体与金属板之间的界面，消除界面间隙并实现金属与热塑性复合材料的径向连接；与此同时，在预置孔3-1位置，基于连接体的锥面与金属、无针焊具与待焊金属之间接触摩擦产热的作用下，实现上层圆锥面的连接；然后，保持无针焊具1高速旋转并停留停留时间为1-10s后将摩擦头匀速提起，保证金属与热塑性复合材料之间形成良好的化学连接和机械互锁，实现异种材料的高质量连接。

轴肩1-1的下端面为外凸十字型结构，相应的，所述连接体2的上端面为内凹十字型结构。

金属为铝、镁、铜、铝合金、镁合金或铜合金。

热塑性复合材料为纤维增强的热塑性树脂基复合材料。

热塑性复合材料为玻璃纤维、碳纤维或芳纶纤维增强的聚酰胺、聚乙烯、聚丙烯、尼龙、聚醚酰亚胺、聚苯硫醚、聚醚醚酮或聚甲基丙烯酸甲酯。

如图4所示为利用铆焊一体式摩擦点焊金属和热塑性复合材料后接头的宏观图，从图中可直观看出：金属和热塑性复合材料连接一次成型，本方法可行性高，焊接质量好。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种金属与热塑性复合材料铆焊一体式摩擦点焊方法，其特征在于：所述方法是通过以下步骤实现的：

S1、连接体材质的选取：连接体的材质与被焊热塑性复合材料的材质相同；

S2、开预置孔：根据设计图纸要求，在被焊金属上打一定位孔，将定位孔扩为通孔且直径为d4，将通孔的上表面扩为锥孔且锥孔大径端直径为d3，锥孔的大径端直径d3大于通孔直径d4，通孔和锥孔即为填充连接体的预置孔；

S3、多孔金属氧化层制备：在被焊金属表面制备多孔金属氧化层；

S4、确定连接体的尺寸：连接体的底部外部轮廓直径d2小于等于S2所制预置孔的直径d4；连接体的顶部外部轮廓直径d1大于等于S2所制预置孔的直径d3；

S5、装夹和定位：将热塑性复合材料作为下板，而金属为上板，采用夹具将其安装固定，消除两板之间的间隙误差；对连接体和预置孔定位，使预置孔与连接体的轴线重合；

S6、焊接：选择适当的焊接参数，具有轴肩的无针焊具高速旋转带动连接体作同步运动，且以一定速率扎入预置孔中，其中无针焊具的轴肩的直径d大于等于连接体的直径d1；

具体焊接步骤为：首先，使连接体底部工作面与下板的热塑性复合材料接触摩擦产热并使热塑性复合材料板材和连接体达到热塑性状态；其次，连接体继续下扎一定深度时，连接体与热塑性复合材料界面的附近的软化且呈热塑性状态的材料填充进连接体与金属板之间的界面，消除界面间隙并实现金属与热塑性复合材料的径向连接；与此同时，在预置孔位置，基于连接体锥面与金属、无针焊具与待焊金属之间接触摩擦产热的作用下，实现上层圆锥面的连接；然后，保持无针焊具高速旋转并停留所需时间后将摩擦头匀速提起，实现异种材料的连接。

2.根据权利要求1所述的一种金属与热塑性复合材料铆焊一体式摩擦点焊方法，其特征在于：在S2中，通孔直径d4设置为1-20mm；锥孔的大径端直径d3比通孔直径d4大1-30mm。

3.根据权利要求2所述的一种金属与热塑性复合材料铆焊一体式摩擦点焊方法，其特征在于：在S3中，在被焊金属表面的待连接区制备多孔金属氧化层。

4.根据权利要求3所述的一种金属与热塑性复合材料铆焊一体式摩擦点焊方法，其特征在于：在S4中，连接体与预制孔之间是间隙范围随金属厚度和连接体的轮廓而变化，其间隙范围为0-2mm。

5.根据权利要求4所述的一种金属与热塑性复合材料铆焊一体式摩擦点焊方法，其特征在于：在S6中，轴肩直径d比连接体直径d1大1-20mm，旋转速率为200-10000rpm，下扎速率为0.1-5mm/min，停留时间为1-10s，其最大下扎深度随热塑性复合材料的厚度而变，其值为0.1-5mm。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种金属与热塑性复合材料铆焊一体式摩擦点焊方法，其特征在于：轴肩的下端面为外凸十字型结构，相应的，连接体的上端面为内凹十字型结构。

7.根据权利要求6所述的一种金属与热塑性复合材料铆焊一体式摩擦点焊方法，其特征在于：所述金属为铝、镁、铜、铝合金、镁合金或铜合金。

8.根据权利要求7所述的一种金属与热塑性复合材料铆焊一体式摩擦点焊方法，其特征在于：所述热塑性复合材料为纤维增强的热塑性树脂基复合材料。

9.根据权利要求8所述的一种金属与热塑性复合材料铆焊一体式摩擦点焊方法，其特征在于：所述热塑性复合材料为玻璃纤维、碳纤维或芳纶纤维增强的聚酰胺、聚乙烯、聚丙烯、尼龙、聚醚酰亚胺、聚苯硫醚、聚醚醚酮或聚甲基丙烯酸甲酯。