CN112060598B - 一种金属工件与热固性树脂基复合材料工件的焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属工件与热固性树脂基复合材料工件的焊接方法，主要通过在金属与热固性复合材料工件之间添加热塑性树脂基的方法来实现两者的焊接，实施步骤为首先通过热喷涂等预制方法将热塑性树脂与金属工件或热固性树脂基复合材料工件之一结合在一起，形成焊接基底；然后将焊接基底与未和热塑性树脂形成所述焊接基底的所述热固性树脂基复合材料或所述金属工件叠加在一起，热塑性树脂位于金属与热固性树脂基复合材料工件之间；最后单侧加热使焊接热源作用在金属工件的上表面，在热量传递作用下热塑性树脂熔化，从而使所述金属工件与所述热固性树脂基复合材料工件焊接在一起。有效解决了金属工件与热固性树脂基复合材料工件焊接难的问题。

Description

一种金属工件与热固性树脂基复合材料工件的焊接方法

技术领域

本发明涉及金属工件与热固性树脂基复合材料工件焊接技术领域。

背景技术

热固性树脂基复合材料以其高耐热性、高刚性、耐腐蚀等性能优势，在汽车、电子、船舶、管道、航空、风电、储罐等工业领域中得到越来越多的应用。

对汽车工业而言，热固性树脂基复合材料的应用能够整合部件以减少零件数量，同时其低密度有助于汽车减重，随着全球汽车轻量化的发展以及复合材料加工工艺与自动化设备的不断成熟，热固性树脂基复合材料在汽车车身的应用比例也将不断得到提升。但是，热固性树脂基复合材料与汽车用钢、铝合金等金属材料的连接存在很大的难题。热固性树脂基复合材料首先，鉴于硬化后的热固性树脂基复合材料基体在重新加热后不会熔化，温度过高会发生分解的物理化学性质，使用常规熔化焊接的方法无法实现金属与热固性树脂基复合材料的直接连接。另外，热固性树脂基复合材料在进行机械连接时的预先制孔，或者在铆钉等机械元件穿刺下造成的撕裂会形成应力集中，降低接头寿命，并且存在电化学腐蚀的问题。而采用胶接方式进行金属与热固性树脂基复合材料连接时，通常需要对金属或者热固性树脂基复合材料表面进行化学处理以增加表面能，同时涂胶与固化等工序在很大程度上降低了生产效率，粘接质量也受到诸多因素的影响，接头性能分散性较大。

基于以上因素，有必要开发出更为高效的金属与热固性树脂基复合材料连接方法，以适应热固性树脂基复合材料在汽车领域快速增长的应用需求，同时有助于扩大热固性树脂基复合材料在其他行业的应用。

发明内容

为了解决以上热固性树脂与金属焊接难的问题，本发明公开了一种在两者的配合界面处添加热塑性树脂中间层材料来实现金属工件与热固性树脂复合材料工件焊接的方法。因为与热固性树脂基复合材料基体固化与软化性质不同的是，固化的热塑性树脂在一定温度下会重新软化、熔化，从而具有进行加热熔化焊接的可能性。金属材料与热固性树脂基复合材料进行焊接的具体技术方案如下：

提供一种金属工件与热固性树脂基复合材料工件的焊接方法，包括以下步骤：

(a)首先通过预制方法将热塑性树脂与金属工件或热固性树脂基复合材料工件之一结合在一起，形成焊接基底；

(b)然后将焊接基底与未和热塑性树脂形成所述焊接基底的热固性树脂基复合材料或金属工件叠加在一起，其中热塑性树脂位于所述金属工件与热固性树脂基复合材料工件之间；

(c)使焊接热源作用在金属工件的上表面，在热量传递作用下所述热塑性树脂熔化，冷却凝固后粘附在金属工件与热固性树脂基复合材料工件之间，从而使金属工件与热固性树脂基复合材料工件焊接在一起。

在另一优选例中，热塑性树脂预制方法包括热压或热喷涂，热喷涂是通过热熔胶枪或者具有类似功能的加热喷涂工具将加热至熔融状态的热塑性树脂喷涂在金属工件或者热固性树脂复合材料工件表面，喷涂可以得到线条状、网格状或者其他任意形状的热塑性树脂层，其中，连续喷涂线条状树脂层有助于进行连续线性焊接，以及空间曲线位置的焊接。

在另一优选例中，热塑性树脂的厚度为20μm至500μm，优选地，50μm-250μm；当预制树脂层为线条状时，单条线的宽度为0.1mm至5.0mm，优选为0.5mm至3.0mm；预制多条线时，线间距为0mm至3mm，优选为0.5mm至1.5mm。

在另一优选例中，热塑性树脂是常见的热塑性聚合物，可以由聚碳酸树脂、聚醚醚酮树脂、聚对苯二甲酸乙二醇脂树脂、聚酰胺树脂、聚氨酯、聚甲醛、聚乙烯、聚丙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯中一种或多种树脂构成。

在另一优选例中，热塑性树脂包含热塑性聚合物和增强纤维材料，增强纤维由玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维中的一种或多种纤维构成；当使用热喷涂形式预制树脂层时，增强纤维以非连续纤维状态存在。

在另一优选例中，焊接热源为所述焊接热源为激光束或电弧或两者的组合，焊接时作用于金属工件的上方，焊接时焊接热源作用于金属工件表面，带有随动滚轮，随动滚轮与激光头或者弧焊枪连接，与焊接热源同步行走，同时作用于金属工件表面，金属工件表面在焊接热源作用下局部熔化，并通过热传导作用使预制热塑性树脂层熔化，随着焊接热源与随动滚轮的移动，冷却固化的热塑性树脂与金属工件和热固性树脂基复合材料工件实现连接。。

在另一优选例中，金属工件由基底材料和镀层构成，所述基底材料为钢或铜或铜合金或铝或铝合金或镁合金，所述镀层为锌或镍或铝硅，需要说明的是金属工件也可以只由基底材料构成。

在另一优先例中，金属工件的厚度为0.2mm-6.0mm，优选地0.5mm-4.0mm。

在另一优先例中，热固性树脂基复合材料工件由热固性树脂和增强材料构成，热固性树脂由不饱和聚酯树脂、酚醛树脂、环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、聚酰亚胺中的一种或多种树脂构成，增强材料由玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、硼纤维中的一种或两者的结合构成。

在另一优先例中，热固性树脂基复合材料工件的厚度为0.5mm至15.0mm，优选地1.0mm-6.0mm。

本发明的有益效果为：本发明通过热喷涂方法在两者的配合界面处添加热塑性树脂，使用随动滚轮和单侧热源，解决了金属工件与热固性树脂复合材料工件焊接难的问题，能够在不需要焊接夹具提供压力的情况下实现两者之间连续线性焊接、空间曲线焊接。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的可替代的实施方式。

图1是在金属工件或热固性树脂工件表面进行热喷涂，预制单条线性热塑性树脂示意图，可以是单条较宽的热塑性树脂，或者间距为0mm的多条较窄的热塑性树脂组合。

图2在金属工件或热固性树脂工件表面是热喷涂有一定间距的两条热塑性树脂示意图。

图3在金属工件或热固性树脂工件表面是热喷涂网状的热塑性树脂示意图。

图4是裸板金属工件与热固性树脂基复合材料工件的叠层结构的局部侧视图，其中，热塑性树脂预制于热固性树脂基复合材料工件表面。

图5是带有表面镀层的金属与热固性树脂基复合材料工件的叠层结构的局部侧视图，其中，热塑性树脂预制于金属工件镀层表面。

图6是激光焊接期间叠层结构的局部剖视图(以横截面示出叠层结构)，其中，带有涂层的金属在激光作用下部分熔化，中间层材料在热传导作用下熔化。

图7是电弧焊接期间叠层结构的局部剖视图(以横截面示出叠层结构)，其中，带有涂层的金属在电弧热作用下部分熔化，中间层材料在热传导作用下熔化。

图8是激光与电弧复合焊接期间叠层结构的局部剖视图(以横截面示出叠层结构)，其中，带有涂层的金属在激光-电弧热作用下部分熔化，中间层材料在热传导作用下熔化。

图9是对含有两条预制线性热塑性树脂的金属工件与热固性树脂基复合材料工件进行激光焊接示意图，其中，两条预制热塑性树脂具有一定的间距，而激光束作用在金属工件上表面两条预制热塑性树脂之间。

图10是图9焊接过程剖视图(以横截面示出叠层结构)，其中，金属工件熔化部分在热传导过程中在其下表面形成不同温度梯度的区间，两条预制热塑性树脂间隔区域受到热传导作用影响最大，温度高于热塑性树脂分解温度，故而避免在该区域预制热塑性树脂；而与热塑性树脂接触的区域温度区间刚好位于热塑性树脂熔融温度区间内，从而使热塑性树脂熔化。

图11是DP590高强双相钢镀锌板与SMC热固性树脂基复合材料在添加PC热塑性塑料中间层进行激光焊接之后的试样拉剪断面形貌及表征数据。

附图标记，1-热喷涂工具、2-工件、21-金属工件、211-金属工件上表面、212-金属工件下表面、213-金属工件上表面涂层、214-金属工件下表面涂层、22-热固性树脂基复合材料工件、221-热固性树脂基复合材料工件上表面、222-热固性树脂基复合材料工件下表面、3-预制于工件表面的热塑性树脂层、31-预制的第一条热塑性树脂、311-在热传导作用下处于熔融状态的第一条热塑性树脂、32-预制的第二条热塑性树脂、321-在热传导作用下处于熔融状态的第二条热塑性树脂、33-预制的网状热塑性树脂、4-激光束、5-弧焊枪、51-钨极、52-电弧、8-金属工件表面熔化熔池、81-金属工件熔池附件温度超出热塑性树脂熔融温度的区域、82-金属工件中热传导作用下温度处于热塑性树脂熔融温度区间的区域、9-焊接结合区域熔化的热塑性树脂。

具体实施方式

本发明人经过广泛而深入的研究，通过大量试验，发现了在对金属工件与热固性树脂基复合材料工件进行焊接时，通过在两者的配合界面处添加热塑性树脂基体中间层材料的方法，可以使金属工件与热固性树脂基复合材料工件达到很好的焊接效果，在此基础上完成了本发明。

如本文所用，术语“工件”在说明书中广泛地指片材金属层、铸件、挤压件或能电阻点焊的其他任何结构件。

需要说明的是，在本专利的权利要求和说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

此外，在该说明书中提供的数值范围意在包括其端部极限数值，另外，虽然本发明描述的是用在车身部件的结构中，但是详细的方法和组件也可适用于其他领域，例如工业设备、航空航天、电子电器等领域。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施例作进一步地详细描述。应该理解，这些仅仅为读者提供本发明可能采取的一些实例，但不旨在限制本发明的范围。

本发明描述了在金属工件或者热固性树脂基复合材料工件表面预制热塑性树脂的方法，如图1-5所示。图1中热喷涂工具1能够将热塑性树脂加热至熔融状态，通过外界气动压力将熔融树脂喷涂在工件2表面，冷却后形成预制于工件2表面的热塑性树脂层3。热塑性树脂层3可以是单条或多条树脂组合而成，单条宽度0.1mm至5.0mm，优选0.5mm至3mm。图2显示预制两条有一定间距的热塑性树脂条31、32，间距0mm至3mm，优选0.5mm至1.5mm。这种有间距的预制方法，适合于金属工件较薄时，比如厚度0.2mm至3.0mm，使用聚焦激光束这类能量密度较高、穿透较强的焊接热源进行后续焊接，有利于避免热源正下方局部区域温度过高造成热塑性树脂分解。图3是预制了网格状的热塑性树脂层33，这种预制形态适合于使用电弧这类热作用面积较大的焊接热源进行后续焊接，网格状有利于熔融树脂在焊接过程中的流动。图4是裸板金属工件与热固性复合材料工件叠层结构局部区域侧视图，其中热塑性树脂预制在热固性复合材料工件表面，此时，热塑性树脂的下表面302与热固性复合材料工件的上表面221属于相同的面，热塑性树脂的上表面301与金属工件的下表面212组成一个需要焊接的界面，在后续焊接过程中，热塑性树脂局部熔融固化后，使金属工件下表面212、热塑性树脂上表面301和下表面302、以及热固性复合材料工件上表面221形成一个整体，实现连接。图5是带有表面镀层的金属工件与热固性复合材料工件叠层结构局部区域侧视图，其中热塑性树脂预制在金属工件镀层表面。

以上在金属工件或者热固性复合材料工件表面预制热塑性树脂的方法与步骤是本发明实现金属工件与热固性复合材料工件有效焊接的前处理过程和关键步骤。需要注意的是，本发明所描述的预制方法并不代表直接将一定厚度的热塑性树脂材料添加在金属工件与热固性复合材料工件之间不能实现两者的焊接，相对来说，本发明公布的热喷涂预制方法更加有益于实现工业自动化应用。焊接热源和装夹夹具是实现有效焊接的另外两项重要因素，由于焊接过程主要依靠预制热塑性树脂的熔融固化实现，因此本发明选择效率更高的单侧加热热源作为焊接热源，同时，利用单侧加热热源作用在金属工件表面，理论上而言，对于热固性复合材料工件的厚度并没有最大厚度限制；另外，通常焊接方法需要使用固定夹具对材料施加压力，这种固定夹具的方法也能够在本发明所述预制热塑性树脂情况下达到焊接效果，但是，为满足连续线性焊接过程，本发明提出使用随动滚轮的方式进行焊接。以下将根据附图对不同焊接过程的实施例予以描述。

实施例1

图6为金属工件带有镀层时采用激光束能量进行焊接的焊接过程，其中，激光束4直接作用在金属工件21上表面211，金属材料吸收激光能量温度上升，上表面镀层213及其下方金属工件21基体材料升温熔化/蒸发，形成熔池8，控制激光能量输入使金属工件21下表面基体材料保持固态，在热传导作用下，焊接结合区域9对应金属工件21下表面镀层214根据镀层材料性质可能发生熔化，比如熔点较低的镀锌层被熔化，熔点较高的铝硅镀层不熔化，如果无镀层，则基体材料本身不熔化。焊接过程中熔池8持续吸收激光能量并通过金属工件21下表面212向与之接触的热塑性树脂3传递热量，使焊接结合区域9对应的热塑性树脂3熔化，焊接结合区域9冷却凝固之后实现金属工件21与热固性树脂基复合材料工件22的连接。

需要注意的是在焊接过程中，应控制激光能量输入以尽量避免/减少热塑性树脂3上表面焊接结合区域热固性树脂材料的烧损/分解。基于减少激光能量对金属工件21完全穿透的可能性，激光束来源优选光斑功率密度分布相对平均的半导体激光，如果是光纤激光或者碟片激光，则应在相对较低的激光功率、或者较大的离焦条件下以热传导焊的形式实施。激光束4在金属工件21表面211投射的光斑形状优选为环形，也可以是圆点、矩形、短线等其他可以通过激光传输系统输出的形状，其行走轨迹优选为直线，也可以是振荡曲线、封闭环形、折线、往复行走等其他可以通过激光头光路系统控制的行走路径。

热塑性树脂3是常见的热塑性聚合物，热塑性聚合物由聚碳酸树脂、聚醚醚酮树脂、聚对苯二甲酸乙二醇脂树脂、聚酰胺树脂、聚氨酯、聚甲醛、聚乙烯、聚丙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯中一种或多种树脂构成。热塑性树脂3也可以是包含增强纤维材料的热塑性聚合物，增强纤维由玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维中的一种或多种纤维构成；热喷涂形式预制热塑性树脂层的增强纤维以非连续纤维状态存在。热塑性树脂3的厚度范围为20μm-500μm，优选地50μm-250μm。

热固性树脂基复合材料工件22由热固性树脂和增强材料构成，热固性树脂由不饱和聚酯树脂、酚醛树脂、环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、聚酰亚胺中的一种或多种树脂构成，增强材料由玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、硼纤维中的一种或两者的结合构成，热固性树脂基复合材料工件22的厚度为0.5mm-15.0mm，优选地1.0mm-6.0mm。

金属工件21的基底材料为钢或铜或铜合金或铝或铝合金或镁合金，镀层213和214为锌或锌铝镁，也可以为汽车用钢板铝板常规涂层，金属工件21的厚度为0.2mm-6.0mm，优选地0.5mm-4.0mm。

实施例2

本实施例与实施例1类似，与之不同的是本实施例的焊接热源来自弧焊枪(如图7所示)，焊接热源为电弧52，由弧焊枪5通过电弧电极51产生，作用在金属工件21上表面211上，形成熔池8并向周围传递热量，最终使热塑性树脂3部分熔化形成焊接结合区域9，冷却凝固实现工件21与工件22的连接。与实施例1相比，本实施例适合于金属工件厚度小于2.5mm时的应用情况。

实施例3

本实施例与实施例1类似，与之不同的是本实施例的焊接热源来自激光束4与弧焊枪5的复合能量(如图8所示)，复合能量作用在金属工件21上表面211上，形成熔池8并向周围传递热量，，使中间层材料3部分熔化形成焊接结合区域9，冷却凝固实现工件21与工件22的连接。与实施例1相比，本实施例在对同等厚度的金属工件施焊时需要的激光功率更小；与实施例2相比，本实施例适用于进行厚度更大的金属工件的施焊。

实施例4

实施例4是对预制两条线性热塑性树脂层的金属工件21和热固性复合材料工件22进行焊接(如图9和10所示)，两条热塑性树脂31和32具有一定距离的间隔，激光束4作用在金属工件21的上表面，光束位置正对着两条热塑性树脂之间的空白区域。在焊接过程中，金属工件21通过熔池8吸收并传递能量，在熔池8的周围，形成具有不同温度梯度的区域，包括温度不低于热塑性树脂分解温度的高温区域81，和温度处于热塑性树脂熔融温度区间的熔融区域82，与熔融区域82接触的热塑性树脂31和32发生熔化形成结合区域311和322，冷却固化后实现金属工件21和热固性复合材料工件22的连接。这种特殊预制热塑性树脂的方法可以避免与高温区域81金属工件下表面接触的树脂发生分解、造成焊接缺陷形成，适合应用于更薄金属工件的情况，比如小于1mm厚度。本实施例的焊接热源也可以使用电弧或者激光-电弧复合热源。

实施例5

图11为1.2mm厚的DP590热镀锌高强钢板、0.2mm厚的聚碳酸酯、2.0mm厚SMC热固性树脂基复合材料叠层组合一起，在激光束能量作用下形成的焊接结合区域在拉剪剥离之后DP590一侧的局部形貌及三维表征数据。可以看见焊缝区域及其附近的PC材料均与DP590形成粘附，并且焊缝区域的PC材料在拉剪力破坏下高度明显低于原始的PC层高度，说明PC中间层在DP590与SMC之间产生了连接，拉剪强度测试也表明，在初步优化的激光焊接工艺参数下，DP590与SMC添加PC中间层的接头强度超过30MPa，达到胶接强度水平。

需要说明的是上述实施例采用的参数是发明人在单一试验条件下选取的参数，发明人经过反复试验证明选取本发明保护范围内的参数也可以达到同样的效果。

尽管本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限制本发明，任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，做出的种种的等效的变化或替换或组合，均属于本发明保护的范围。因此，本发明的保护范围当视后附的本申请权利要求所界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种金属工件与热固性树脂基复合材料工件的焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：

(a)首先通过预制方法将热塑性树脂与金属工件或热固性树脂基复合材料工件之一结合在一起，形成焊接基底，其中，所述热塑性树脂预制方法包括热压或热喷涂；

(b)然后将所述焊接基底与未和所述热塑性树脂形成所述焊接基底的所述热固性树脂基复合材料或所述金属工件叠加在一起，其中所述热塑性树脂位于所述金属工件与热固性树脂基复合材料工件之间；

(c)使焊接热源作用在所述金属工件的上表面，在热量传递作用下所述热塑性树脂熔化，冷却凝固后粘附在所述金属工件与热固性树脂基复合材料工件之间，从而使所述金属工件与所述热固性树脂基复合材料工件焊接在一起；

其中，所述热塑性树脂为多条状或网格状；焊接时，所述焊接热源的位置正对着所述热塑性树脂之间的空白区域。

2.如权利要求1所述的金属工件与热固性树脂基复合材料工件的焊接方法，其特征在于，所述热塑性树脂层的整体厚度范围为20μm至500μm。

3.如权利要求1所述的金属工件与热固性树脂基复合材料工件的焊接方法，其特征在于，所述热塑性树脂由聚碳酸树脂、聚醚醚酮树脂、聚对苯二甲酸乙二醇脂树脂、聚酰胺树脂、聚氨酯、聚甲醛、聚乙烯、聚丙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯中的一种或多种树脂构成。

4.如权利要求3所述的金属工件与热固性树脂基复合材料工件的焊接方法，其特征在于，所述热塑性树脂包含所述树脂和增强纤维材料，所述增强纤维由玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维中的一种或多种构成。

5.如权利要求1所述的金属工件与热固性树脂基复合材料工件的焊接方法，其特征在于，所述焊接热源为激光束或电弧或两者的组合，焊接时单侧加热，使所述焊接热源作用于金属工件的上方。

6.如权利要求1所述的金属工件与热固性树脂基复合材料工件的焊接方法，其特征在于，所述金属工件由基底材料和镀层构成，所述基底材料为钢或铜或铜合金或铝或铝合金或镁合金，所述镀层为锌或镍或铝硅。

7.如权利要求1所述的金属工件与热固性树脂基复合材料工件的焊接方法，其特征在于，所述金属工件的厚度为0.2mm-6.0mm。

8.如权利要求1所述的金属工件与热固性树脂基复合材料工件的焊接方法，其特征在于，所述热固性树脂基复合材料工件由热固性树脂和增强材料构成，所述热固性树脂由不饱和聚酯树脂、酚醛树脂、环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、聚酰亚胺中的一种或多种树脂构成，所述增强材料由玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、硼纤维中的一种或两者的结合构成。

9.如权利要求1所述的金属工件与热固性树脂基复合材料工件的焊接方法，其特征在于，所述热固性树脂基复合材料工件的厚度为0.5mm至15.0mm。

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