CN110102925B - 一种金属与高分子焊接装置及焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种金属与高分子焊接装置及焊接方法，包括电加热系统、压力系统、工作平台(7)，待焊接金属平板(6)固定在工作平台(7)上，待焊接高分子平板(4)通过压力系统悬于待焊接金属平板(6)上方，电加热系统对待焊接金属板进行加热，随后压力系统将高分子平板(4)压合在金属平板(6)上进行焊接。与现有技术相比，本发明的优势在于可以精确控制焊接过程中的下压量与下压深度；精确测量焊接过程中的温度与压力数据；可以自动调节焊接过程中的压力与温度；可以控制焊后过程中的冷却速度，提高高分子材料与金属平板接头的强度；可以调节预热、焊接、冷却过程中的环境气氛，控制高分子的氧化降解程度；可以实现多种模式的金属与高分子焊接，包括手动模式、恒定压力模式、恒定温度模式。

Description

一种金属与高分子焊接装置及焊接方法

技术领域

本发明涉及异种材料的焊接，尤其是涉及一种高分子材料与金属材料的焊接装置及其焊接方法。

背景技术

高分子材料具有比强度高、抗疲劳性能好、密度低、耐腐蚀、耐磨及自润滑等优点，可加工性高且成本低，所以在汽车、机械、航空航天、医疗等领域都得到了广泛的应用。但是其相比于金属材料，存在熔化与降解温度较低，力学性能不够高，导电、导热性能先对较低等缺点，现阶段主要以金属与高分子的复合使用为主流，因而高分子与金属的有效连接就成了一个关键问题。

高分子与金属的连接方式主要包括粘接、机械连接和焊接。粘接使用粘合剂，通过粘合剂固化实现结合，但其对环境与温度有较高要求，连接强度不稳定，难以预测。机械连接使用铆钉等形成机械互锁，但容易造成应力集中，使高分子端发生脆性断裂，材料存在较大残余应力。

新型焊接技术通过使界面处的塑料熔融并施以一定压力形成连接，主要包括激光焊接、超声波焊接、搅拌摩擦焊接、电阻焊接。激光焊接利用激光熔融高分子材料，却会使高分子过热而发生氧化降解，在界面处容易产生气泡，形成缺陷；超声波焊接利用超声波振动产生的界面局部高温形成焊接，但其对于材料厚度有很大限制；搅拌摩擦焊接利用搅拌头摩擦金属生热，和搅拌头的下压力联合作用形成焊接，却容易发生温度与压力分布不均匀的问题。

电阻焊接利用加热电阻的热量融化高分子形成焊接。公布号CN 104228059B的专利介绍了一种电阻焊接装置，需要使用额外的热塑性粘接剂，压力为手动加压，不能准确控制，而且加热电阻需要放置在两个复合材料焊接表面之间，加热元件在焊接后依旧残留在接头中，对焊接质量造成很大影响。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种自动控温、控压的金属与高分子焊接装置及焊接方法，焊接过程中不需引入其他介质。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种金属与高分子焊接装置，其特征在于，包括电加热系统、压力系统、工作平台，待焊接金属平板固定在工作平台上，待焊接高分子平板通过压力系统悬于待焊接金属平板上方，压力系统将高分子平板压合在金属平板上进行焊接。

所述的电加热系统包括金属平板固定装置、导电元件固定件、导线、导电元件及温度测量系统，所述的金属平板固定装置将金属平板固定在工作平台上，金属平板焊接区域两侧与导电元件紧密贴合，导电元件通过导电元件固定件固定在工作平台上，温度测量系统包括热电偶、红外热成像仪及温度数据记录仪。

所述的导线为铜制导线，所述的热电偶设置在金属平板上，该热电偶连接温度数据记录仪，所述的红外热成像仪设置在工作平台上，探测红外温度数据并回传至温度数据记录仪上，导线及导电元件与金属平板连接形成通电回路，对金属平板进行预热，通过热电偶和红外热成像仪实时测量金属平板温度。

所述的压力系统包括压头及内置测力传感器、弹簧夹片及金属背板，待焊接高分子平板通过弹簧夹片固定在压头上，高分子平板与压头之间设置金属背板。弹簧夹片、金属平板固定装置、导电元件固定件根据应用材料尺寸的不同可以调节适配。所述弹簧夹片可根据高分子材料的宽度及厚度进行调节，宽度调节范围为15-25mm，厚度调节范围为2-30mm。

所述的压力系统还连接充气系统，充气系统包括密封罩与进气孔，其中密封罩使用时将电加热系统和压力系统密封在内，进气孔与压缩气瓶连接调节密封罩内的气体环境。

所述的密封罩采用透明亚克力材质，所述的进气孔与至少两个压缩气瓶组合，根据应用场合的不同可选择不同的压缩气体，实现焊接过程中不同浓度的环境气氛调节，有效控制高分子材料在焊接过程中的氧化降解。

所述的进气系统根据焊接需求不同可选择充不同的气体以及控制气体压强，包括空气和氮气，所述密封罩采用透明亚克力材料，所述进气孔含控制阀，可控制气体的连通与断开。

所述的装置还包括触摸式人机交互界面系统，该触摸式人机交互界面系统固定在工作平台(7)上，并连接电加热系统、压力系统和充气系统，控制焊接温度和压力，可以实现手动模式与自动模式的焊接。

一种采用所述金属与高分子焊接装置进行焊接的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：待焊接金属平板通过金属平板固定装置固定在工作平台上，待焊接高分子平板通过弹簧夹片固定在压头上，导线及导电元件与金属平板连接形成通电回路，对金属平板进行加热，通过热电偶和红外热成像仪实时测量金属平板温度，并根据焊接需求调节控制加热速率，在达到设定预热温度后，压力系统按照设定的下压速率控制高分子平板下降与金属平板接触，高分子平板在温度作用下熔融并在压力作用下嵌入金属平板内，在达到指定深度后，停止加热，进行冷却后得到高强度接头。

上述导电元件可以为市场上常见的导电元件，包括紫铜、银、碳刷等，其中优选导电性能出色且质地较软的碳刷。

焊接过程中，系统可根据实时测量的温度和压力数据，自动控制调节焊接过程中的下压力和热输入，实现对于焊接压力和温度的精准测量和调控；

所述的压力系统采用伺服电机机构控制压头高度，位移精度0.01mm。压头升降速率设定范围在0-9.99mm/s；所述压头最大输出压力5000N，压头内置测力传感器准确测量范围：0-5000N，力分辨率0.1％，数据采集频率0-50KHz。

所述电加热系统采用低电压大电流加热控制系统，电加热系统电压为0-48V，电流范围为0-400A。加热温度范围为20-400℃。热电偶测温范围为0-700℃，温度分辨率为0.05-0.1℃，热电偶可根据应用场合不同选择不同的型号，材质包括K型热电偶和Pt100铂热电阻热电偶；红外热成像仪的空间分辨率不高于0.5mm，采样频率不低于10Hz，导电元件可根据材料厚度与焊接需求选择不同的尺寸，导电元件厚度范围在3-10mm，宽度范围在3-20mm。

焊接的模式包括：手动焊接模式、恒定压力模式以及恒定温度模式。

本发明金属与高分子焊接装置将金属平板通过金属平板固定装置固定在工作台上，平板焊接区域两侧与导电元件紧密贴合，导电元件通过导电元件固定件固定在工作台上。待焊高分子平板通过弹簧夹片固定在压头上，高分子平板与压头之间设置有金属背板以限制高分子焊接过程中在压力方向上的形变。

电加热系统首先对金属平板进行预热，通过热电偶和红外热成像仪实时测量平板温度，并根据焊接需求调节控制加热速率，在达到设定预热温度后，压力系统按照设定的下压速率控制高分子平板下降于金属平板接触，高分子平板在温度作用下熔融并在压力作用下嵌入金属平板内，通过人机交互界面系统可实时设置不同的焊接模式。外置的密封罩控制了焊接环境，限制了焊接过程中的氧化降解。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.操作灵活：独立的电加热系统和压力系统可以分别控制焊接过程中的下压力和热输入，增加了对于焊接条件控制研究的操作灵活性。

2.环境气氛可控：密封罩上的双重进气孔可与至少两个压缩气瓶组合，可以在焊接过程中实现不同浓度的环境气氛调节，有效控制高分子材料在焊接过程中的氧化降解。

3.应用范围广：弹簧夹片、金属平板固定装置、导电元件固定件的设计都考虑了不同材料尺寸与特性的情形，使得该焊接装置可以针对不同的材料组合进行有效的焊接。

4.精准控制：触摸式人机交互系统可以实现对电加热系统和压力系统的精准控制，也可以实现自动模式的设定，包括恒定压力模式和恒定温度模式。

5.安全可靠：热电偶和测力传感器可以对焊接过程中的温度和压力实现实时精准测量，压头设有压力保护装置，电加热系统亦设有高温保护系统，防止系统过热和压头过载损坏机构。

6.操作简便：触摸式人机交互界面，可以手动操作焊接过程。亦可以通过设定的恒定压力模式和恒定温度模式进行一键式操作执行。所有实时压力、温度和位移数据会反馈在交互界面上，直观明了。

附图说明

图1为本发明一种自动控温控压金属与高分子焊接装置电加热系统与压力系统的结构示意图；

1、内置测力传感器的压头，2、弹簧夹片，3、金属背板，4、高分子平板，5、金属平板固定装置，6、金属平板，7、工作平台，8、导电元件固定件，9、铜制导线，10、导电元件，11、温度数据记录仪，12、热电偶，16、红外热成像仪；

图2为本发明一种自动控温控压金属与高分子焊接装置整体结构示意图；

13、密封罩，14、进气孔，15、触摸式人机交互界面系统。

图3为三种主要焊接模式工艺流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

一种自动控温、控压的金属与高分子焊接装置，该焊接装置主要由电加热系统、压力系统、工作台、充气系统和触摸式人机交互界面系统组成。

如图1-2所示，所述的工作平台7上固定有电加热系统与触摸式人机交互界面系统15。所述的电加热系统包括金属平板固定装置5、导电元件固定件8、铜质导线9、导电元件10、热电偶12、红外热成像仪15及温度数据记录仪11。所述的压力系统包括内置测力传感器的压头1、弹簧夹片2及金属背板3。压力系统通过机构悬置在在工作平台7上方。所述的充气系统包括密封罩13与进气孔14，密封罩13使用时可将电加热系统和压力系统密封在内，进气孔14可与压缩气瓶连接调节气体环境。

将金属平板6通过金属平板固定装置5固定在工作平台7上，金属平板6焊接区域两侧与导电元件10紧密贴合，导电元件10通过导电元件固定件8固定在工作平台7上。待焊高分子平板4通过弹簧夹片2固定在压头1上，高分子平板4与压头1之间设置有金属背板3以限制高分子焊接过程中在压力方向上的形变。密封罩13与工作平台7紧密贴合，实现环境的密封，通过进气孔14填充环境气体。

电加热系统首先通过铜质导线9及导电元件10与金属平板6连接形成通电回路，对金属平板6进行预热，通过热电偶12与红外热成像仪15实时测量金属平板6温度，并根据焊接需求调节控制加热速率，在达到设定预热温度后，压力系统按照设定的下压速率控制高分子平板4下降于金属平板6接触，高分子平板4在温度作用下熔融并在压力作用下嵌入金属平板6内，在达到指定深度后，停止加热，进行冷却后得到高强度接头。

本实施例中采用的导电元件10为碳刷，利用了导电元件10材料的柔性及良好导电导热性，使得导电元件10与金属平板6良好贴合，避免了局部过热现象。两侧加热实现了更均匀的温度分布，通过调节导电元件固定件8可以针对焊接需求更换不同尺寸规格的导电元件10，实现多参数的焊接。

本发明通过弹簧夹片2与金属平板固定装置5可以针对不同尺寸的材料进行调节，实现多尺度范围的操作。

本发明利用了密封罩13亚克力材料的透明性质，可对焊接过程进行肉眼观察。通过对两个进气孔14配备的压缩气瓶进行调节，可以控制焊接过程中的环境气体成分与气体压强。

本发明利用金属背板3的刚性有效防止了高分子平板4在压力方向上的形变翘曲现象。

本发明通过热电偶12及温度数据记录仪11可以实时测量焊接界面温度数据，通过内置测力传感器的压头1可以实时测量测量压头压力数据，通过人机交互界面15可以实时观察具体数据，包括焊接温度、压力、实际下压速度、位移及时间并对焊接参数进行调节，包括焊接模式、设定下压速度、目标位移、加热电流、点动热压位移、最大输出压力。

通过人机交互界面系统15可实时设置不同的焊接模式：点动热压模式、恒定压力模式及恒定温度模式。下面分别介绍三种主要焊接模式：如图3所述，

1.手动操作(点动热压)模式：

手动操作模式简单明了，便于操作员根据实际作业情况灵活调整焊接参数。主要分为以下六个步骤

第一步待焊材料固定：

将金属平板6通过金属平板固定装置5固定在工作平台7上，金属平板6焊接区域两侧与导电元件10紧密贴合，导电元件10通过导电元件固定件8固定在工作平台7上。待焊高分子平板4通过弹簧夹片2固定在压头1上，高分子平板4与压头1之间设置有金属背板3以限制高分子焊接过程中在压力方向上的形变。密封罩13与工作平台7紧密贴合，实现环境的密封，通过进气孔14与压缩气瓶相连。

第二步行程标定：

通过人机交互界面系统15选择行程标定。压头1控制高分子平板4以设定好的往复速度下移，直到与金属平板6接触时停止，压力系统把此高度标定为热压开始位置。

第三步确认是否开启保护气氛：

根据具体焊接需求决定是否开启保护气氛，人机交互界面系统15可选择是否通过进气孔14填充气体。

第四步预热：

通过人机交互界面系统15选择加热，电加热系统通过铜质导线9及导电元件10与金属平板6连接形成通电回路，对金属平板6进行预热，通过热电偶12实时测量金属平板6温度，并根据焊接需求手动调节电流大小以控制加热速率，直至达到设定的预热温度。

第五步点动热压：

通过人机交互界面系统15选择点动热压。压力系统按照设定的下压速率控制高分子平板4下降于金属平板6接触并开始熔融，每次点动热压会下压指定单次热压深度，操作员根据热电偶12与内置测力传感器的压头1实时监测的温度与压力数据结合实际需求控制点动热压频率，亦可随时手动调整电流大小以控制焊接温度。

第六步冷却：

确认达到指定深度后，通过人机交互界面系统15选择停止加热。接头在保压状态下进行自然冷却。冷却完成后完成焊接。

2.压力恒定模式

压力恒定模式通过预先设定一个恒定的下压力数值，本焊接装置在设定的恒定压力下，完成自动焊接过程。本模式主要针对一些低熔融指数的高分子材料，如超高分子量聚乙烯材料，其在熔融状态下流动性依旧很低，本模式可防止其热压过程中的压力过载，保护设备，同时依靠高的热输入提高高分子的流动性，完成焊接。主要分为以下七个步骤：

第一步待焊材料固定：

同手动操作模式第一步。

第二步行程标定：

同手动操作模式第二步。

第三步确认是否开启保护气氛：

同手动操作模式第三步

第四步设定参数：

通过人机交互界面系统15预先设定相关焊接参数，包括下压速度、恒定压力、指定深度、最高温度。

第五步预热：

通过人机交互界面系统15选择加热，电加热系统通过铜质导线9及导电元件10与金属平板6连接形成通电回路，以指定的电流的大小，对金属平板6进行预热，通过热电偶12实时监测金属平板6温度，在达到预设的焊接温度后自动进入下一步骤。

第六步自动热压：

压力系统按照设定的下压速率控制高分子平板4下降于金属平板6接触并开始熔融，内置测力传感器的压头1在下压过程中会实时监测压头压力，若实际压力超出设定压力，说明高分子的流动性过低，系统会自动增加电流大小，增大热输入，增加高分子的流动性，使得实际压力恢复到设定值；当压力小于设定压力时，说明高分子流动性过大，为了防止高分子的溢出，系统会自动降低电流大小，减小热输入，降低高分子的流动性，维持焊接过程的稳定。

同时系统设置有过热保护，当热电偶12监测到实际温度超出最大设定温度时，为了系统安全考虑，系统会自动断电，停止焊接来达到降温的目的。

第七步冷却：确认达到指定深度后，系统自动判定热压步骤完成，停止加热，进入自然冷却。冷却完成后完成焊接。

3.温度恒定模式

温度恒定模式通过预先设定一个恒定的温度数值，本焊接装置在设定的恒定温度下，完成自动焊接过程。因某些高分子材料在较高温度下才能熔融产生流动性，而过高的温度又会使高分子材料发生降解，因而需要维持在一定的温度区间范围进行焊接。本模式针对这种需要维持一定恒定温度的高分子材料，可以完成自动焊接，同时设计有系统过载保护，较为安全。主要分为以下七个步骤：

第一步待焊材料固定：

同手动操作模式第一步。

第二步行程标定：

同手动操作模式第二步。

第三步确认是否开启保护气氛：

同手动操作模式第三步

第四步设定参数：

通过人机交互界面系统15预先设定相关焊接参数，包括下压速度、恒定温度、指定深度、最大压力。

第五步预热：

通过人机交互界面系统15选择加热，电加热系统通过铜质导线9及导电元件10与金属平板6连接形成通电回路，以指定的电流的大小，对金属平板6进行预热，通过热电偶12实时监测金属平板6温度，在达到预设的焊接温度后自动进入下一步骤。

第六步自动热压：

压力系统按照设定的下压速率控制高分子平板4下降于金属平板6接触并开始熔融，热电偶12实时监测焊接温度，当焊接温度小于设定温度时，系统自动增加电流，增大热输入，提高高分子流动性；当焊接温度大于设定温度时，系统会自动减小电流，减少热输入，降低界面温度，防止高分子降解。

同时系统设置有过载保护，当内置测力传感器的压头1在下压过程中监测到实际压力大于设定最大压力时，出于系统安全考虑，系统会自动停止下压，已达到减小压力的目的。

第七步冷却：确认达到指定深度后，系统自动判定热压步骤完成，停止加热，进入自然冷却。冷却完成后完成焊接。

上述实施例中采用的压头1压力范围为0-5000N，压头内置测力传感器测量范围为0-5000N；热电偶12测温范围为0-700℃，温度分辨率为0.05-0.1℃，热电偶12材质为K型热电偶或Pt100铂热电阻热电偶；电加热系统选择输出电压为24V，电流范围为0-400A.加热温度范围为20-400℃。

Claims (8)

1.一种金属与高分子焊接装置，其特征在于，包括电加热系统、压力系统、工作平台(7)，待焊接金属平板(6)固定在工作平台(7)上，待焊接高分子平板(4)通过压力系统悬于待焊接金属平板(6)上方，压力系统将高分子平板(4)压合在金属平板(6)上进行焊接；

所述的压力系统包括压头(1)及内置测力传感器、弹簧夹片(2)及金属背板(3)，待焊接高分子平板(4)通过弹簧夹片(2)固定在压头(1)上，高分子平板(4)与压头(1)之间设置金属背板(3)；

所述的压力系统还连接充气系统，充气系统包括密封罩(13)与进气孔(14)，其中密封罩(13)使用时将电加热系统和压力系统密封在内，进气孔(14)与压缩气瓶连接调节密封罩(13)内的气体环境。

2.根据权利要求1所述的一种金属与高分子焊接装置，其特征在于，所述的电加热系统包括金属平板固定装置(5)、导电元件固定件(8)、导线(9)、导电元件(10)及温度测量系统，所述的金属平板固定装置(5)将金属平板(6)固定在工作平台(7)上，金属平板(6)焊接区域两侧与导电元件(10)紧密贴合，导电元件(10)通过导电元件固定件(8)固定在工作平台(7)上，所述的温度测量系统包含热电偶(12)，温度数据记录仪(11)及红外热成像仪(16)。

3.根据权利要求2所述的一种金属与高分子焊接装置，其特征在于，所述的导线(9)为铜制导线，所述的热电偶(12)设置在金属平板(6)上，该热电偶(12)连接温度数据记录仪(11)，所述的红外热成像仪(16)设置在工作平台(7)上，探测红外温度数据并传输至温度数据记录仪上，导线(9)及导电元件(10)与金属平板(6)连接形成通电回路，对金属平板(6)进行预热，通过热电偶(12)和红外热成像仪(16)实时测量金属平板(6)温度。

4.根据权利要求1所述的一种金属与高分子焊接装置，其特征在于，所述的密封罩(13)采用透明亚克力材质，所述的进气孔(14)与至少两个压缩气瓶组合，实现对于密封罩内气体环境的定量调控。

5.根据权利要求1所述的一种金属与高分子焊接装置，其特征在于，所述的装置还包括触摸式人机交互界面系统，该触摸式人机交互界面系统固定在工作平台(7)上，并连接电加热系统、压力系统和充气系统，控制焊接温度和压力。

6.一种采用权利要求1-5中任一所述金属与高分子焊接装置进行焊接的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：待焊接金属平板(6)通过金属平板固定装置(5)固定在工作平台(7)上，待焊接高分子平板(4)通过弹簧夹片(2)固定在压头(1)上，导线(9)及导电元件(10)与金属平板(6)连接形成通电回路，对金属平板(6)进行预热，通过热电偶(12)和红外热成像仪(16)实时测量金属平板(6)温度，并根据焊接需求调节控制加热速率，在达到设定预热温度后，压力系统按照设定的下压速率控制高分子平板(4)下降与金属平板(6)接触，高分子平板(4)在温度作用下熔融并在压力作用下嵌入金属平板(6)内，在温度测量系统和压力系统的实时监控下调整力和热的输入，在达到指定深度后，停止加热，进行冷却后得到高强度接头。

7.根据权利要求6所述的一种采用金属与高分子焊接装置进行焊接的方法，其特征在于，独立自动控制调节焊接过程中的下压力和热输入，实现对于焊接压力和温度的精准测量和调控；

所述的压头(1)压力范围为0-5000N，压头内置测力传感器测量范围为0-5000N；

热电偶(12)测温范围为0-700℃，温度分辨率为0.05-0.1℃，热电偶(12)材质包括K型热电偶和Pt100铂热电阻热电偶；

电加热系统可控电压范围为0-48V，电流范围为0-400A，加热温度范围为20-600℃。

8.根据权利要求6所述的一种采用金属与高分子焊接装置进行焊接的方法，其特征在于，焊接的模式包括：手动焊接模式、恒定压力模式以及恒定温度模式。

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