CN110640299A - 一种金属与聚合物板材搅拌摩擦嵌套连接方法 - Google Patents

Abstract

一种金属与聚合物板材搅拌摩擦嵌套连接方法，属于复合材料的连接技术领域，该连接方法为：将金属和聚合物材料板材的对接侧分别加工成凹槽状结构和凸起状结构配合的形式，其中金属板材结合处上下表面加工有一定宽度和高度的凸台；将金属和聚合物板材通过凹槽状结构和凸起状结构配合连接并固定在焊接工作台上；使用旋转搅拌头对金属板材上下表面的凸台进行搅拌摩擦加工，并以金属侧为搅拌头前进侧；随着旋转搅拌头与凸台材料表面摩擦产热，凸台处金属材料充分软化至塑性流动状态，搅拌头前方的塑化材料随着搅拌头的带动由前进侧转移到后退侧，覆盖并包裹住连接部位，形成盒型搅拌摩擦嵌套接头，改善金属与聚合物材料连接强度低的现状。

Description

一种金属与聚合物板材搅拌摩擦嵌套连接方法

技术领域

本发明属于复合材料的连接技术领域，具体涉及一种金属与聚合物板材搅拌摩擦嵌套连接方法。

背景技术

作为一种结构材料，聚合物材料(含聚合物基复合材料)具有质量轻、比强度高、比刚度大、耐腐蚀性好等一系列优势，可替代金属材料以实现结构的轻量化设计，因此具有良好的应用前景。在轻量化机械结构设计中，不可避免地会遇到金属与聚合物材料的连接问题。目前，金属与聚合物材料的连接主要以机械连接(铆接、螺接等)、胶接和焊接为主要手段。机械连接与胶接工艺操作相对简单，但也存在着无法解决的问题。首先，铆接和螺栓连接需要在材料中切割通孔，易导致孔洞部位产生应力集中，大大降低了结构的力学性能；其次，铆接和螺栓连接引进了强度更高的钢质或硬质金属材料的铆钉或螺栓，增加了结构重量，且存在装配工作量大的问题。对于胶接工工艺来说，其工艺过程周期较长，且接头抗冲击、疲劳、耐湿热等性能的不足降低了其接头结构的使用性能。

一种普遍的做法是利用焊接方式实现金属与聚合物材料的连接，其方法主要包括：电阻焊、超声波焊、感应焊和线性振动焊等。这些焊接方法在实际应用中也存在其缺点和限制。电阻焊一次可焊面积小，超声焊导能筋制作困难，感应焊无法连续焊接复杂结构件，振动焊接头易出现毛边等缺陷等。与上述连接方式相比较，搅拌摩擦焊接(FrictionStir Welding，FSW)工艺在连接效率、连接质量、连接适应性、自动化程度等方面的优势可克服上述缺点与不足。

搅拌摩擦焊是由英国焊接研究所于1991年发明的一种新型固相连接技术，它采用旋转搅拌头与被焊工件通过摩擦生热，并挤压软化材料以形成焊缝。由于在焊接过程中连接区域的材料受到了高速旋转搅拌头提供的机械混合与较大的顶锻作用，因此搅拌摩擦焊接技术可适用于异种材料的连接。但在金属与聚合物材料的搅拌摩擦焊接中，由于两种材料的热物理性能相差较大，其焊接成形较差且接头力学性能较低。因此，寻找一种适用于金属与聚合物材料板材的连接方法以提高接头的成形与力学性能是十分必要的，对于进一步扩大聚合物材料在行业中的应用、助力国家轻量化的高端产品的制造具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够实现金属与聚合物板材连接的有效方法。它是将金属与聚合物材料板材的连接区域进行处理，加工成燕尾槽形式，其中金属板材的结合处上下表面加工出一定宽度和高度的凸台；随后将金属和聚合物板材通过凹槽状结构和凸起状结构配合连接并固定在焊接工作台上；使用旋转搅拌头对金属板材上下表面的凸台进行搅拌摩擦加工，并以金属侧为搅拌头前进侧，随着旋转搅拌头与凸台金属材料表面摩擦产热，凸台处金属材料充分软化并达到塑性流动状态；搅拌头前方的塑化材料随着搅拌头的带动由前进侧转移到后退侧，覆盖并包裹住连接部位，最终形成盒型搅拌摩擦嵌套接头。

一种金属与聚合物板材搅拌摩擦嵌套连接方法，包括以下步骤：

步骤1、将金属板材的凸台待连接侧加工出凹槽状结构；将聚合物板材的待连接侧加工出与金属板材待连接侧凹槽状结构配合的凸起状结构；

步骤2、将加工后的金属板材和聚合物板材结合面处清理干净后，将金属板材与聚合物板材通过凹槽状结构与凸起状结构配合相连，且将其固定在焊接工作台上，并通过压板装夹固定金属板材和聚合物板材；

步骤3、通过搅拌摩擦焊机的控制面板设置焊接工艺参数与焊接路径，对焊接起始点定位后进行焊接；在焊接初始时搅拌头与金属板材的凸台表面接触并旋转下压，下压深度为凸台高度或根据工艺需要调整为小于凸台高度；在焊接过程中凸台部分在搅拌头的摩擦产热作用下软化至塑性流动状态，搅拌头前方的塑化材料随着旋转搅拌头的带动由前进侧转移到后退侧，将金属板材与聚合物板材的结合处覆盖；

步骤4、到达焊接终点后搅拌头旋转回抽，待冷却后即完成金属板材与聚合物板材的连接，形成盒型搅拌摩擦嵌套接头。

所述金属板材为钢、铝、镁、铜或金属基复合材料，聚合物板材为热塑性或热固性材料板材。特别地，待焊金属板材带凸台一侧亦可为热塑性聚合物材料板材。所述金属板材和聚合物板材的厚度均为1～50mm；金属和聚合物板材采用平面板材、曲面板材或平面与曲面结合的板材。

所述金属板材待连接侧的凸台高度为0.1～2mm，宽度为5～30mm。

所述金属板材的待连接侧凹槽状结构为燕尾槽、圆弧形槽或T型槽等；聚合物板材的待连接侧为燕尾形凸起、圆弧形凸起或T型凸起。

所述搅拌头的轴肩直径为5～40mm，搅拌头的轴肩端部可为平面或内凹型，当其为内凹型时，内凹角为0～4°；所述搅拌头的轴肩端部可加工弧形或同心圆形沟槽，便于增加摩擦产热和促进材料流动；搅拌头的轴肩外表面有一层或多层涂层，当凸台材料为硬质合金时，为防止搅拌头的轴肩磨损，喷涂耐磨涂层；当凸台材料为高熔点金属时，为防止搅拌头的轴肩软化变形，喷涂隔热涂层；当凸台材料为树脂基复合材料或高分子聚合物材料时，为防止搅拌头的轴肩粘连材料，喷涂脱模涂层。

所述搅拌头的下压速度为0.1～10mm/min，下压量为0.1～5mm，转速为100～10000r/min，焊接速度为5～2000mm/min，搅拌头回抽速度为1～50mm/min。

本发明的有益效果为：

(1)改善了金属与聚合物材料搅拌摩擦焊接表面成形不好的问题：在合适工艺参数下，金属塑性流动良好，能完全覆盖对接处的连接结构，所得接头表面为良好的搅拌摩擦焊缝表面。

(2)解决了金属与聚合物材料连接强度较低的问题：由于盒型搅拌摩擦嵌套接头内部凹槽状结构与凸起状结构形式的机械互锁结构的存在，接头的抗拉强度与常规搅拌摩擦焊接方式相比有较大幅度的提升。

(3)连接材料适应性比其他焊接方式广泛：该嵌套连接方法除了适用于金属(金属基复合材料)与树脂基(热塑性和热固性)聚合物之间的连接，特别的，该方法还适用于金属与不具有焊接性的诸如ABS、PS等弱极性和PP、PT、FE等非极性高分子聚合物之间的连接以及金属与无机非金属材料的连接。

(4)连接工艺可扩展性强：由于该工艺方法中旋转搅拌头为分体式设计，其拆卸与换装较为快捷，且针对搅拌头的诸如非接触式加热和超声振动等辅助工艺的改进也较为方便，有利于该技术后期的工艺扩展。

附图说明

图1为本发明实施例1镁合金板和聚丙烯高分子聚合物板材尺寸示意图；

图2为本发明镁合金板和聚丙烯高分子聚合物板材搅拌摩擦嵌套连接方法的实施例1工艺流程图；

图3为本发明实施例2短碳纤维增强PEEK复合材料板和尼龙材料板材尺寸示意图；

图4为本发明短碳纤维增强PEEK复合材料板和尼龙材料板材搅拌摩擦嵌套连接方法的实施例2工艺流程图；

1-凸台，2-燕尾槽，3-燕尾形凸起，4-圆弧形槽，5-圆弧形凸起，6-搅拌头。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

一种金属与聚合物板材搅拌摩擦嵌套连接方法，如图1和图2所示，包括以下步骤：

步骤1、将尺寸为180×100×4mm的AZ31镁合金板的凸台1待连接侧通过线锯床切割加工出燕尾槽2，将尺寸为180×100×2mm聚丙烯高分子聚合物板材的待连接侧通过线锯床切割加工成燕尾形凸起3，其中燕尾槽2横截面梯形短边长6mm，长边16mm，燕尾槽2斜边与长边的夹角为45°，凸台1为双面形式，两侧的凸台1高度均为0.2mm，宽度均为10mm；

步骤2、将加工后的镁合金板和聚丙烯高分子聚合物板材结合面处通过丙酮清洗并用无水乙醇擦拭干净，晾干后将镁合金板的燕尾槽2与聚丙烯高分子聚合物板材的燕尾形凸起3配合连接，并将其通过螺栓固定在搅拌摩擦焊接机的焊接工作台上，通过压板装夹固定镁合金板和聚丙烯高分子聚合物板材，压板由螺栓连接到焊接工作台上，焊接工作台下方设置有下部旋转搅拌头6的通槽；

步骤3、选取轴肩端面带有六螺旋弧形凹槽的无针搅拌头6进行焊接，为了保证产热充足及材料流动充分，焊接过程中选取金属侧为前进侧，搅拌头6轴肩尺寸为16mm，通过搅拌摩擦焊机的控制面板设置焊接工艺参数与焊接路径，其中转速1400r/min，焊接速度60mm/min，下压量0.2mm，下压速度2mm/min，对焊接起始点定位后进行施焊，在焊接初始时搅拌头6正转下压进镁合金板凸台1表面，下压深度为凸台1高度0.2mm；在焊接过程中凸台部分镁合金材料在搅拌头6的摩擦产热作用下软化至塑性流动状态，搅拌头前方的塑化材料随着旋转搅拌头的带动由前进侧转移到后退侧，覆盖住两板材结合处的燕尾槽2与燕尾形凸起3结构；

步骤4、搅拌头6到达焊接终点后搅拌头6回抽到安全高度，搅拌头6上抬速度为10mm/min，待冷却后即完成嵌套焊接，随后撤掉压板约束，取出接头，得到表面成形良好的镁合金与聚丙烯高分子聚合物的“外盒-内燕尾”型的搅拌摩擦焊接嵌套接头。

实施例2

一种金属与聚合物板材搅拌摩擦嵌套连接方法，如图3和图4所示，包括以下步骤：

步骤1、将尺寸为200×100×2.8mm的短碳纤维增强PEEK复合材料板的凸台1待连接侧加工出圆弧形槽4，将尺寸为200×100×2mm尼龙材料板材的待连接侧加工成圆弧形凸起5，其中圆弧形槽4半径为5mm，圆弧形凸起5为270°圆弧，凸台1为双面形式，两侧的凸台1高度均为0.2mm，宽度均为20.2mm；

步骤2、将加工后的PEEK复合材料板和尼龙材料板材结合面处通过丙酮清洗并用无水乙醇擦拭干净，晾干后将PEEK复合材料板圆弧形槽4与尼龙材料板材的圆弧形凸起5配合连接，并将其固定在搅拌摩擦焊接机的焊接工作台上，通过压板装夹固定PEEK复合材料板和尼龙材料板材，压板由螺栓连接到刚性工作台上，压板由螺栓连接到刚性工作台上，工作台下方设置有下部旋转搅拌头6的通槽；

步骤3、选取轴肩端面带有同心圆凹槽的无针搅拌头6进行焊接，搅拌头6轴肩尺寸为24mm，通过搅拌摩擦焊机的控制面板设置合适焊接工艺参数与焊接路径，其中搅拌头6的转速为1000r/min，焊接速度为20mm/min，下压量为0.2mm，下压速度为1mm/min，对焊接起始点定位后进行施焊，在焊接初始时旋转搅拌头6下压进PEEK复合材料板材凸台1表面，下压深度为凸台1高度0.2mm；在焊接过程中凸台部分PEEK材料在搅拌头6的摩擦产热作用下软化至塑性流动状态，搅拌头前方的塑化材料随着旋转搅拌头的带动由前进侧转移到后退侧，覆盖住两板材结合处的圆弧形槽4与圆弧形凸起5结构；

步骤4、搅拌头6到达焊接终点后搅拌头6回抽到安全高度，上抬速度为10mm/min，待冷却后即完成嵌套焊接，随后撤掉压板约束，取出接头，得到表面成形良好的短碳纤维增强PEEK复合材料与尼龙材料的“外盒-内圆弧槽”型搅拌摩擦焊接嵌套接头。

Claims (7)

1.一种金属与聚合物板材搅拌摩擦嵌套连接方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将金属板材的凸台待连接侧加工出凹槽状结构；将聚合物板材的待连接侧加工出与金属板材待连接侧凹槽状结构配合的凸起状结构；

步骤2、将加工后的金属板材和聚合物板材结合面处清理干净后，将金属板材与聚合物板材通过凹槽状结构与凸起状结构配合相连且固定在焊接工作台上，并通过压板装夹固定金属板材和聚合物板材；

步骤3、通过搅拌摩擦焊机的控制面板设置焊接工艺参数与焊接路径，对焊接起始点定位后进行焊接，在焊接初始时搅拌头与进金属板材的凸台表面接触并旋转下压，下压深度为凸台高度或根据工艺需要调整为小于凸台高度；在焊接过程中凸台部分在搅拌头的摩擦产热作用下软化至塑性流动状态，搅拌头前方的塑化材料随着旋转搅拌头的带动由前进侧转移到后退侧，将金属板材与聚合物板材的结合处覆盖；

步骤4、到达焊接终点后搅拌头旋转回抽，待冷却后即完成金属板材与聚合物板材的连接，形成盒型搅拌摩擦嵌套接头。

2.根据权利要求1所述的一种金属与聚合物板材搅拌摩擦嵌套连接方法，其特征在于：所述金属板材为钢、铝、镁、铜、金属基复合材料或可进行搅拌摩擦加工的热塑性聚合物材料板材，而与之相连的聚合物板材为热塑性或热固性材料板材；所述金属板材和聚合物板材的厚度均为1～50mm；金属和聚合物板材采用平面板材、曲面板材或平面与曲面结合的板材。

3.根据权利要求1所述的一种金属与聚合物板材搅拌摩擦嵌套连接方法，其特征在于：所述金属板材待连接侧的凸台高度为0.1～2mm，宽度为5～30mm。

4.根据权利要求1所述的一种金属与聚合物板材搅拌摩擦嵌套连接方法，其特征在于：所述金属板材的待连接侧凹槽状结构为燕尾槽、圆弧形槽或T型槽；聚合物板材的待连接侧为燕尾形凸起、圆弧形凸起或T型凸起。

5.根据权利要求1所述的一种金属与聚合物板材搅拌摩擦嵌套连接方法，其特征在于：所述搅拌头的轴肩直径为5～40mm，搅拌头的轴肩端部可为平面或内凹型，当为内凹型时，内凹角为0～4°；所述搅拌头的轴肩端部加工有弧形或同心圆形沟槽。

6.根据权利要求1所述的一种金属与聚合物板材搅拌摩擦嵌套连接方法，其特征在于：所述搅拌头的轴肩外表面有一层或若干层涂层，当凸台材料为硬质合金时，喷涂耐磨涂层；当凸台材料为高熔点金属时，喷涂隔热涂层；当凸台材料为树脂基复合材料或高分子聚合物材料时，喷涂脱模涂层。

7.根据权利要求1所述的一种金属与聚合物板材搅拌摩擦嵌套连接方法，其特征在于：所述搅拌头的下压速度为0.1～10mm/min，下压量为0.1～5mm，转速为100～10000r/min，焊接速度为5～2000mm/min，搅拌头回抽速度为1～50mm/min。

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