CN111070697A - 一种热塑性复合材料连续化超声焊接设备及其应用 - Google Patents

一种热塑性复合材料连续化超声焊接设备及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种热塑性复合材料连续化超声焊接设备及其应用。该设备至少包括运动导向机构、超声焊接机构和工控单元，所述运动导向机构包括带有Y向导轨的底座、可沿底座的Y向导轨水平移动的龙门架、可沿龙门架Z向升降运动的横梁，所述超声焊接机构包括在力的传递方向上依次连接的第一伺服电机、超声发生器及放大器、焊接压头，所述第一伺服电机设在所述横梁上，可沿横梁在X向水平移动，所述工控单元通过控制软件分别控制X向、Y向和Z向的移动路径和移动速度。本发明能够实现热塑性复合材料焊接和含分层损伤热塑性复合材料的修理。

Description

一种热塑性复合材料连续化超声焊接设备及其应用
技术领域
本发明属于热塑性树脂基复合材料制造技术，特别是涉及一种热塑性复合材料连续化超声焊接设备及其应用。
背景技术
碳纤维增强复合材料(CFRP)因具有高比强、高模量、优异的耐腐蚀性及抗疲劳性等优点，已超越传统金属材料成为新一代飞机用量最大的材料。目前航空工业使用的复合材料绝大多数为热固性树脂基复合材料，但是热塑性树脂基复合材料的应用范围近年来不断扩大，这主要是因为热塑性树脂基复合材料具有下列优势：
(1)高韧性，耐疲劳强度高，冲击损伤阻抗和冲击损伤容限都比热固性复合材料高；
(2)加工成型工艺简单，成型周期短、效率高；
(3)热塑性预浸料有近乎无限的储存期；
(4)材料容易实现回收利用，节约成本并对环境友好。
与热固性复合材料不同，热塑性复合材料的成型过程不涉及固化反应，主要是受热熔融-冷却固结的物理过程，并且可以重复数次。这一特点使得热塑性复合材料可以通过重新热熔-固结实现焊接。采用焊接技术完成复合材料件之间的连接装配，具有以下显著优点：
(1)减少紧固件的用量，显著提高复合材料结构的减重效率，从而改善飞行性能，降低飞行成本；
(2)不需要制孔、锪窝，避免了这些机加工手段可能在复合材料件中引入应力集中点的风险；
(3)连接装配效率高，而且便于实现自动化，提高制造效率。
目前在航空结构中得到应用的焊接方法包括电阻焊接、感应焊接和超声焊接。电阻焊接是通过在待连接零件之间加入电阻加热体，通过电阻发热熔融热塑性基体实现连接。A340、A380前缘即采用电阻焊接方式完成蒙皮与肋的连接。但是由于植入了电阻加热体，在一定程度上降低了复合材料结构的减重效率，连接部位的疲劳性能和耐腐蚀性能也受到影响，并给无损检测探伤造成困难。
感应焊接则是通过焊接面在交变电场作用下产生感应电流而发热熔融连接。碳纤维本身可作为感应发热材料，但是往往还需要额外加入导电材料，将感应生热集中在连接面内。感应焊接的优点是效率高，且焊接部位可重新拆开并进行修补。Gulfstream 650即采用感应焊接工艺完成方向舵和升降舵蒙皮与肋的连接。
超声焊接是最通用的热塑性塑料的连接方法之一，其界面热熔融合的能量来源于待焊接表面在高频超声驱动下的机械摩擦，不需要植入电阻发热体，也不需要焊接面具有特殊导电结构(例如碳纤维织物网格)。这一特点尤其适合热塑性复合材料制件内部分层损伤的重新热熔粘结复原，超声焊接工艺是一条值得探索的热塑性复合材料修理技术路线。
传统的超声焊接工艺只适用于小范围内的间断式焊接，这限制了超声焊接技术在热塑性复合材料航空结构中的应用。本项发明提出了一种热塑性复合材料连续化超声焊接设备，可实现热塑性复合材料件的大范围连续超声焊接和分层损伤修理。
发明内容
(一)本发明的目的
提出一种热塑性复合材料连续化超声焊接设备，能够实现热塑性复合材料的焊接装配及内部分层损伤修理。
(二)技术方案
第一方面，提供了一种热塑性复合材料连续化超声焊接设备，该设备至少包括运动导向机构、超声焊接机构和工控单元，所述运动导向机构包括带有Y向导轨的底座、可沿底座的Y向导轨水平移动的龙门架、可沿龙门架Z向升降运动的横梁，所述超声焊接机构包括在力的传递方向上依次连接的第一伺服电机、超声发生器及放大器、焊接压头，所述第一伺服电机设在所述横梁上，可沿横梁在X向水平移动，所述工控单元通过控制软件分别控制X向、Y向和Z向的移动路径和移动速度。
进一步地，所述底座的上表面沿Y向对称开设两条槽式的Y向导轨，所述龙门架的两侧立柱底端通过Y向移动滚轮机构对称安装在相应的槽式的Y向导轨中，所述Y向移动滚轮机构包括用于驱动所述龙门架沿所述底座在Y向往复移动的第二伺服电机。
进一步地，所述横梁的两端通过升降式导轨组件安装在所述龙门架的两侧立柱上，所述升降式导轨组件包括用于驱动横梁沿所述龙门架在Z向升降运动的第三伺服电机。
进一步地，所述工控单元的控制软件与所述第一伺服电机、第二伺服电机和第三伺服电机均分别连接，并控制相应电机的位置模式和速度模式。
进一步地，所述工控单元的控制软件控制所述第一伺服电机，所述第一伺服电机将施加的压力传递至所述焊接压头，在进行热塑性复合材料焊接时，通过焊接压头对相互接触的热塑性复合材料板材传递高频机械振动，使热塑性复合材料待焊接界面间产生高温，熔融基体树脂，并在压力下融合为一体，实现焊接。
第二方面，提供了上述第一方面所述的热塑性复合材料连续化超声焊接设备的应用，用于热塑性复合材料板材的焊接，焊接时，在待焊接复合材料板材之间放置热塑性树脂模的焊料，通过工控单元控制焊接压头移动至焊接区域上方，第一伺服电机通过超声发生器及放大器、焊接压头将施加的力传递至待焊接的热塑性复合材料板材，使其高频机械振动，使热塑性复合材料板材内部分层界面间产生高温，熔融焊料的基体树脂，并在压力下融合为一体，实现热塑性复合材料板材的焊接。
(三)有益效果
本发明提出一种热塑性复合材料连续化超声焊接设备，可以驱动超声焊接机构以指定的速率、沿指定的路径移动，实现热塑性复合材料板材的连续化超声焊接。
超声焊接的机理是相互接触的热塑性复合材料表面在高频超声驱动下因机械摩擦而发热熔融，因此不需要植入电阻发热体，也不需要焊接面具有特殊导电结构(例如碳纤维织物网格)。
利用超声焊接不需要植入电阻发热体，也不需要焊接面具有特殊导电结构这一特点，可以使热塑性复合材料制件内部分层损伤的重新热熔粘结，实现内部分层损伤修理。
附图说明
图1是热塑性复合材料连续化超声焊接设备结构示意。
1.横梁；2.龙门架的立柱；3.Y向移动滚轮机构；4.底座；5.第一伺服电机；6.超声发生器及放大器；7.焊接压头；8.待焊接的热塑性复合材料板材；9.热塑性树脂膜(焊料)
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域的技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
参见图1所示，本发明的第一方面，提供了一种热塑性复合材料连续化超声焊接设备，该设备至少包括运动导向机构、超声焊接机构和工控单元(图中未示出)，所述运动导向机构包括带有Y向导轨的底座4、可沿底座4的Y向导轨水平移动的龙门架2、可沿龙门架Z向升降运动的横梁1，所述超声焊接机构包括在力的传递方向上依次连接的第一伺服电机5、超声发生器及放大器6、焊接压头7，所述第一伺服电机5设在所述横梁1上，可沿横梁1在X向水平移动，所述工控单元通过控制软件分别控制X向、Y向和Z向的移动路径和移动速度。
需要说明的是，参见图1所示，本发明所指的X向为沿横梁1长度的水平方向，Y向为垂直于横梁1长度的水平方向，Z向为垂直于横梁1长度的竖向方向。
所述底座4的上表面沿Y向对称开设两条槽式的Y向导轨，所述龙门架2的两侧立柱底端通过Y向移动滚轮机构3对称安装在相应的槽式的Y向导轨中，所述Y向移动滚轮机构3包括用于驱动所述龙门架沿所述底座在Y向往复移动的第二伺服电机(图中未示出)。
所述横梁1的两端通过升降式导轨组件安装在所述龙门架2的两侧立柱上，所述升降式导轨组件包括用于驱动横梁1沿所述龙门架2在Z向升降运动的第三伺服电机(图中未示出)。
所述工控单元的控制软件与所述第一伺服电机5、第二伺服电机和第三伺服电机均分别连接，并控制相应电机的位置模式和速度模式。可以通过控制相应电机驱动超声焊接机构以指定的速率、沿指定的路径移动，实现热塑性复合材料板材的连续化超声焊接。
所述工控单元的控制软件控制所述第一伺服电机，所述第一伺服电机将输出的压力传递至所述焊接压头，在进行热塑性复合材料焊接时，通过焊接压头对相互接触的热塑性复合材料板材传递高频机械振动，使热塑性复合材料待焊接界面间产生高温，熔融基体树脂，并在压力下融合为一体，实现焊接。
第二方面，本发明还提供了上述热塑性复合材料连续化超声焊接设备的应用。将该设备用于热塑性复合材料板材的焊接，焊接时，在待焊接复合材料板材8之间放置热塑性树脂模的焊料9，通过工控单元控制焊接压头7移动至焊接区域上方，第一伺服电机5通过超声发生器及放大器6、焊接压头7将施加的力传递至待焊接的热塑性复合材料板材8，使其高频机械振动，使热塑性复合材料板材8内部分层界面间产生高温，熔融焊料的基体树脂，并在压力下融合为一体，实现热塑性复合材料板材的焊接。该焊接设备及其应用能够实现热塑性复合材料的焊接装配及内部分层损伤修理。
本发明的工作原理是：以带有Y向导轨的底座4为基础，可沿底座的Y向导轨水平移动的龙门架2通过Y向移动滚轮机构3的驱动沿底座4的Y向导轨实现Y向水平移动；横梁1带动超声焊接机构(包括第一伺服电机5、超声发生器及放大器6、焊接压头7)沿移动龙门架2的立柱升高或降低。第一伺服电机5与超声发生器及放大器6、焊接压头7结合为一体，通过电机的驱动可施加焊接压力。待焊接复合材料8置于底座4之上，被焊接压头7通过伺服电机5压紧；在进行焊接使，两块待焊接的热塑性复合材料板材之间预先放置一层热塑性树脂膜(焊料)9，能够提高焊接面的结合力。
实施例1：碳纤维增强聚醚醚酮树脂基复合材料(CF/PEEK)板材焊接。焊接面间放置0.3mm厚度的PEEK树脂膜作为焊料。调节第一伺服电机功率，设定焊接压力为(2.0±0.2)MPa；调节超声放大器输出功率，设定焊接面温度为(420±10)℃。调节移动立柱移动速率为(20±5)mm/s，沿焊缝轨迹匀速移动，完成焊接。
实施例2：带有分层损伤的碳纤维增强聚苯硫醚树脂基复合材料(CF/PPS)板材修理。调节第一伺服电机功率，设定焊接压力为(1.5±0.1)MPa；调节超声放大器输出功率，设定焊接面温度为(350±10)℃。调节移动立柱移动速率为(20±5)mm/s，往复扫掠覆盖全部分层区域，完成修理。

Claims (6)

1.一种热塑性复合材料连续化超声焊接设备，其特征在于，该设备包括运动导向机构、超声焊接机构和工控单元，所述运动导向机构包括带有Y向导轨的底座、可沿底座的Y向导轨水平移动的龙门架、可沿龙门架Z向升降运动的横梁，所述超声焊接机构包括在力的传递方向上依次连接的第一伺服电机、超声发生器及放大器、焊接压头，所述第一伺服电机设在所述横梁上，可沿横梁在X向水平移动，所述工控单元通过控制软件分别控制X向、Y向和Z向的移动路径和移动速度。
2.根据权利要求1所述的一种热塑性复合材料连续化超声焊接设备，其特征在于，所述底座的上表面沿Y向对称开设两条槽式的Y向导轨，所述龙门架的两侧立柱底端通过Y向移动滚轮机构对称安装在相应的槽式的Y向导轨中，所述Y向移动滚轮机构包括用于驱动所述龙门架沿所述底座在Y向往复移动的第二伺服电机。
3.根据权利要求2所述的一种热塑性复合材料连续化超声焊接设备，其特征在于，所述横梁的两端通过升降式导轨组件安装在所述龙门架的两侧立柱上，所述升降式导轨组件包括用于驱动横梁沿所述龙门架在Z向升降运动的第三伺服电机。
4.根据权利要求3所述的一种热塑性复合材料连续化超声焊接设备，其特征在于，所述工控单元的控制软件与所述第一伺服电机、第二伺服电机和第三伺服电机均分别连接，并控制相应电机的位置模式和速度模式。
5.根据权利要求1所述的一种热塑性复合材料连续化超声焊接设备，其特征在于，所述工控单元的控制软件控制所述第一伺服电机，所述第一伺服电机将施加的压力传递至所述焊接压头，在进行热塑性复合材料焊接时，通过焊接压头对相互接触的热塑性复合材料板材传递高频机械振动，使热塑性复合材料待焊接界面间产生高温，熔融基体树脂，并在压力下融合为一体，实现焊接。
6.一种如权利要求1-5任一项所述的热塑性复合材料连续化超声焊接设备的应用，其特征在于，用于热塑性复合材料板材的焊接，焊接时，在待焊接复合材料板材之间放置热塑性树脂模的焊料，通过工控单元控制焊接压头移动至焊接区域上方，第一伺服电机通过超声发生器及放大器、焊接压头将施加的力传递至待焊接的热塑性复合材料板材，使其高频机械振动，使热塑性复合材料板材内部分层界面间产生高温，熔融焊料的基体树脂，并在压力下融合为一体，实现热塑性复合材料板材的焊接。
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