CN110000440A - 一种层合板与金属板接头搭接的方法 - Google Patents

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韩文钦
周金宇
朱福先
胡可军
杨超
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Abstract

本发明涉及一种层合板与金属板接头搭接的方法，具体包括：(1)将金属板与树脂复合材料层合板进行搭接，并用夹具固定；(2)使用CMT焊机将焊丝输送至树脂复合材料层合板一侧，对树脂复合材料层合板上与焊丝的拟接触部位进行局部加热，使树脂复合材料层合板的局部材料温度达到熔融状态；(3)启动CMT焊机，将焊丝以设定的送丝速度插入局部熔化的树脂复合材料层合板内，当焊丝接触金属板时，开始进行冷金属过渡熔钎焊焊接；(4)焊接结束后，切断树脂复合材料层合板上面的焊丝，完成一个焊钉，继续进行其他焊钉操作即可。本发明方法在不破坏接头结构、不降低接头强度的情况下，使树脂复合材料层合板与金属板轻松焊接。

Description

一种层合板与金属板接头搭接的方法
技术领域
本发明属于冷金属过渡熔钎焊焊接技术领域，具体涉及一种层合板与金属板接头搭接的方法。
背景技术
纤维增强热塑性树脂基复合材料凭借其区别于金属材料的优异特性，比如较高的比强度和比模量、耐疲劳、可重复加工及成型加工成本低等优点，为了适应轻量化设计要求，在航空航天、高铁、风电等工程领域内应用发展较快。在应用过程中，复合材料还不能完全取代金属材料，在某些部位还需要与金属材料进行连接，以充分发挥两种材料在结构中的力学性能和物理性能。
目前传统的复合材料层合板与金属的连接方式主要有机械连接、胶接和混合连接。机械连接在一定程度上提高了连接强度，但制孔工程中要切断复合材料纤维，导致孔边产生应力集中现象，进而要增加连接件厚度，另外还使用了大量的紧固件，从而增加了接头重量，不利于结构轻量化设计。相比机械连接，胶接连接结构重量较轻，但是其承载能力和连接强度较低。混合连接也使用了紧固件，增加了结构重量。
冷金属过渡焊接技术CMT(cold metal transfer)通过外加焊丝缓冲器以及位于焊枪处的高频推拉四机构，实现对焊丝动态运动过程的有效控制。当焊丝接触到熔池即短路发生时，短路信号会反馈给焊机的处理器，焊机会切断电流，并将信号反馈给送丝机，送丝机回抽焊丝，使得焊丝与熔滴分离，即冷金属过渡模式。在冷金属熔滴过渡时，电流降至非常低，几乎为零；电弧自身输入热量的过程很短，短路发生，电弧熄灭，热输入量迅速地减少。CMT焊接方法具有低热量输入、高熔敷率、无飞溅、变形小等特点，在工业领域应用广泛。
发明内容
本发明主要提供了一种层合板与金属板接头搭接的方法，在不破坏接头结构、不降低接头强度的情况下，使树脂复合材料层合板与金属板轻松焊接。其技术方案如下：
一种层合板与金属板接头搭接的方法，包括以下步骤：
(1)将金属板与树脂复合材料层合板进行搭接，并用夹具固定；
(2)使用CMT焊机将焊丝输送至树脂复合材料层合板一侧，对树脂复合材料层合板上与焊丝的拟接触部位进行局部加热，使树脂复合材料层合板的局部材料温度达到熔融状态；
(3)启动CMT焊机，将焊丝以设定的送丝速度插入局部熔化的树脂复合材料层合板内，当焊丝接触金属板时，开始进行冷金属过渡熔钎焊焊接；
(4)焊接结束后，切断树脂复合材料层合板上面的焊丝，完成一个焊钉，继续进行其他焊钉操作即可。
优选的，步骤(1)中树脂复合材料层合板的材质含有热塑性树脂和纤维材料。
优选的，所述热塑性树脂为聚醚醚酮、聚丙烯、尼龙、聚对苯二甲酸乙二酯或聚苯硫醚。
优选的，所述纤维材料选自碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维中的一种或几种。
优选的，步骤(1)中金属板的材料为钢材、铝合金、镁合金或钛合金。
优选的，步骤(2)中的焊丝材质为与金属板具有焊接性的材质。
优选的，步骤(2)中的焊丝材质与金属板材质相同。
优选的，步骤(2)中所述局部加热的温度为低于树脂复合材料熔点温度10-20℃。
优选的，步骤(2)中使用红外线加热灯管对复合板进行局部加热。
采用上述方案，本发明具有以下优点：
本发明使用CMT焊机将焊丝插入加热后树脂处于熔融状态的复合材料层合板内，焊丝不会切断层合板内的纤维而只是把纤维束局部挤离原位，纤维束围绕焊丝重新分布，不影响纤维的承载力，避免了制孔时切断纤维导致的降低接头强度和孔边应力集中问题。焊丝通过与复合材料的胶结作用力、轴向摩擦力和横向机械作用力，承受和传递连接件之间的载荷，抑制复合材料层合板面外分层的发生。通过优化焊丝的数量，提高复合材料与金属搭接接头的强度，降低接头重量。该工艺针对由热塑性树脂、纤维材料组合而成的层合板均可适用。
本发明使用CMT技术将焊丝焊接于金属板上，焊接时热输入量低，变形小，对复合材料损伤小。CMT焊机上的焊丝缓冲器和送丝机构，使焊丝的往复运动随熔滴过渡的过程而变化，运动频率可达上百赫兹，可实现柔性自动化焊接。
本发明不但能够制备复合材料层合板与金属板的搭接接头，而且还能在现场修复已有的复合材料与金属板接头，不破坏接头结构，易于操作。
附图说明
图1为层合板与金属板接头加工示意图；
图2为层合板与金属板接头焊接完成示意图；
图3为层合板与金属板焊接完成内部结构示意图。
其中：1.金属板，2.树脂复合材料层合板，3.红外线加热灯管，4.送丝机构，5.焊丝。
具体实施方式
以下实施例中的实验方法如无特殊规定，均为常规方法，所涉及的实验试剂及材料如无特殊规定均为常规生化试剂和材料。
实施例1
一种基于CMT技术的层合板与金属板接头搭接的方法，具体如下：
(1)将金属板1和树脂复合材料层合板2表面用丙酮清洗，然后将树脂复合材料层合板2叠放于金属板1之上，使二者搭接，将二者利用夹具固定于工作台上；
树脂复合材料层合板的材质包含纤维材料和热塑性树脂，还包括辅料(包括增稠剂、填料、引发剂、脱模剂等)，可采用预浸料模压成型、片状模塑料冲压成型、真空成型、焊接层合法工艺中的一种制备得到热塑性复合材料层合板；
所述的纤维材料可为碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等中的一种或几种混杂使用；所采用的热塑性树脂为基体材料，可为聚醚醚酮(PEEK)、聚丙烯(PP)、尼龙(PA)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚苯硫醚(PPS)等热塑性树脂中的一种；金属板的材料可选钢材、铝合金、镁合金、钛合金等金属中的一种；
(2)使用CMT焊机将焊丝5送至树脂复合材料层合板2的上方，利用红外线加热灯管3对焊丝5和树脂复合材料层合板2的局部进行加热，使用红外测温仪测量焊丝欲插入的复合材料局部温度，加热至低于热塑性树脂熔点温度10-20℃，使树脂复合材料层合板2的局部基体树脂达到熔融状态；
(3)启动CMT焊机，根据金属板1的材质设置焊接电压、电流、送丝速度等参数，送丝机构4将焊丝5以一定的送丝速度插入局部熔融的树脂复合材料层合板2内，当焊丝5接触到金属板1时，开始进行冷金属过渡熔钎焊焊接；
焊丝5插入加热后局部树脂处于熔融状态的树脂复合材料层合板2内，焊丝5不会切断层合板2内的纤维而只是把纤维束局部挤离原位，纤维束围绕焊丝5重新分布，不影响纤维的承载力。
采用的焊丝5材质与金属板1材质相同，或者焊丝5对于要焊接的金属板1具有很好的焊接性，焊丝5直径为1～1.2mm。
焊丝的送给由送丝机和焊枪上的拉丝机构共同完成，焊机对焊丝的送给运动和熔滴的过渡过程进行数字化的自动协调，以实现熔滴在相互交替的高频率的“热-冷-热”过渡过程，降低了焊接热量，对树脂复合材料层合板2局部不产生烧伤。
(4)焊接结束后，使用高频电脉冲打孔机切断树脂复合材料层合板2上面的焊丝5，完成一个焊钉，然后再进行下一个焊钉的制作，直到整个接头制作完成，如图2和3所示。
焊丝5被电脉冲熔断，在焊钉端部形成滴状头部，如图3所示，能起到限制树脂复合材料层合板2沿焊钉轴向运动的效果。
对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种层合板与金属板接头搭接的方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将金属板与树脂复合材料层合板进行搭接，并用夹具固定；
(2)使用CMT焊机将焊丝输送至树脂复合材料层合板一侧，对树脂复合材料层合板上与焊丝的拟接触部位进行局部加热，使树脂复合材料层合板的局部材料温度达到熔融状态；
(3)启动CMT焊机，将焊丝以设定的送丝速度插入局部熔化的树脂复合材料层合板内，当焊丝接触金属板时，开始进行冷金属过渡熔钎焊焊接；
(4)焊接结束后，切断树脂复合材料层合板上面的焊丝，完成一个焊钉，继续进行其他焊钉操作即可。
2.根据权利要求1所述的层合板与金属板接头搭接的方法，其特征在于：步骤(1)中树脂复合材料层合板的材质含有热塑性树脂和纤维材料。
3.根据权利要求2所述的层合板与金属板接头搭接的方法，其特征在于：所述热塑性树脂为聚醚醚酮、聚丙烯、尼龙、聚对苯二甲酸乙二酯或聚苯硫醚。
4.根据权利要求2所述的层合板与金属板接头搭接的方法，其特征在于：所述纤维材料选自碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的层合板与金属板接头搭接的方法，其特征在于：步骤(1)中金属板的材料为钢材、铝合金、镁合金或钛合金。
6.根据权利要求5所述的层合板与金属板接头搭接的方法，其特征在于：步骤(2)中的焊丝材质为与金属板具有焊接性的材质。
7.根据权利要求5所述的层合板与金属板接头搭接的方法，其特征在于：步骤(2)中的焊丝材质与金属板材质相同。
8.根据权利要求1所述的层合板与金属板接头搭接的方法，其特征在于：步骤(2)中所述局部加热的温度为低于树脂复合材料熔点温度10-20℃。
9.根据权利要求1所述的层合板与金属板接头搭接的方法，其特征在于：步骤(2)中使用红外线加热灯管对复合板进行局部加热。
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