CN112172179B - 一种树脂基复合材料超声-电阻混合焊接方法 - Google Patents

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Abstract

一种树脂基复合材料超声‑电阻混合焊接方法，属于复合材料连接技术领域。包括以下步骤：(1)按照树脂基复合材料焊界面内部结构搭建焊接接头；(2)接通电源进行焊接；同时在焊接过程中施加超声振动；(3)超声振动结束后，在焊接区域上方施加压力；(4)冷却，完成树脂基复合材料超声‑电阻混合焊接，获得复合材料电阻焊接头。本发明将超声振动和电阻热效应巧妙结合，使焊接工艺同时吸收超声振动和电阻热效应的优势，焊接工艺简单、施工高效、无需昂贵设备、绿色环保；制备的树脂基复合材料电阻焊接头力学强度优异，成本极低，在航空、航天、汽车等复合材料连接领域具有广泛的应用前景。

Description

一种树脂基复合材料超声-电阻混合焊接方法
技术领域
本发明属于复合材料连接技术领域，具体涉及一种树脂基复合材料超声-电阻焊接方法。
背景技术
树脂基复合材料是航空航天飞行器主要的结构材料之一；复合材料结构之间的连接是飞行器制造过程关键技术。机械紧固连接、焊接和胶接技术是两种最常用的连接方式。然而，栓接、铆接等机械紧固连接需要对复合材料钻孔，影响本体力学强度，同时螺栓或铆钉使结构件整体重量增加；焊接技术和胶接则导致复合材料结构变成了不可拆卸的整体，对施工过程精度要求高、容错率低。另外，胶接技术需要长时间的固化，存在施工周期较长、效率低的缺点。
树脂熔融焊接技术是一种能够将光、电、电磁、超声等能量转变成的热量使搭接区域热塑性树脂熔化，通过热塑性树脂与粘接母材间的原子、分子扩散结合或微观机械互锁等作用连接成一体的工艺。该技术克服了胶接技术的缺点，通过再次加热能够拆卸焊接结构，对损坏焊件进行更换并形成新的焊接头，非常适合飞行器零部件装配和修复。
电阻熔融粘接技术，也称为原位植入电阻焊技术，主要通过在两个焊件的搭接区域嵌入热塑性树脂薄膜和电阻加热元件，通电加热元件产生的焦耳热使热塑性树脂薄膜熔融、冷却凝固，从而实现焊件的连接。该技术具有工艺流程简单，效率高，费用低，能连续焊接大面积区域，并且在焊接过程中不需要移动焊件等诸多优势，是一种具有广泛应用前景的连接技术。然而，电阻焊接植入体一般为金属网或碳纤维织布，在焊接过程中熔融的热塑性树脂很难实现对植入体的完全填充和包裹，从而导致无法实现树脂基复合材料的有效焊接。
超声振动在焊接过程中的应用不仅能借助超声波能量提高熔融树脂的流动性，还能促进树脂的填缝能力，同时超声换能器可以代替液压装置在焊接过程中施加压力，有助于热塑性树脂与植入体间机械互锁、物理吸附以及化学键合作用的增强，从而提高树脂电阻焊接头力学性能。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供一种树脂基复合材料超声-电阻混合焊接方法。
本发明解决技术问题的主要途径是通过超声振动头在复合材料电阻焊接过程中施加超声波，进而利用复合材料层合板、加热元件、热塑性薄膜等通过电加热熔融粘接工艺构筑力学性能更强的复合材料电阻焊接头。电阻发热方式提供了热塑性树脂薄膜熔融需要的热量；超声波的引入改善了熔融的热塑性树脂胶层在植入体上的浸润程度和填缝能力；热塑性薄膜的引入提供了更为丰富的粘接剂，能够密实填充接头区域空隙并粘结相关表面。以上设计均有助于树脂基复合材料电阻焊接头力学性能的改善。
本发明的一种树脂基复合材料超声-电阻混合焊接方法，包括以下步骤：
(1)将两层热塑性树脂薄膜分别置于植入体加热元件两侧，之后将该封装结构置于待焊接热塑性复合材料层合板接头区域，按照树脂基复合材料焊界面内部结构搭建焊接接头；
(2)接通电源使植入体加热元件产热进行焊接，调整电流或电压使焊接区域的最高温度为160～1000℃；焊接时间为10～300s；同时在焊接过程中施加超声振动；其中，超声振动频率为10～100KHz，振幅为2-100μm，引入超声时间为0.5～60s；
(3)超声振动结束后，通过超声波换能器在焊接区域上方施加0.1～0.5MPa压力；
(4)冷却，完成树脂基复合材料超声-电阻混合焊接，获得复合材料电阻焊接头。
上述树脂基复合材料超声-电阻混合焊接方法，其中：
所述步骤(1)(2)中，所述树脂基复合材料为纤维增强树脂基复合材料；其中，纤维为碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、PBO纤维、玄武岩纤维中的任一种或几种；树脂为热塑性树脂和热固性树脂中的任一种，热塑性树脂为聚碳酸酯(PC)、聚丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、尼龙(PA)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚醚酮(PEK)、聚醚醚酮(PEKK)、聚醚醚酮(PEEK)、聚芳醚腈(PEN)、含酞侧基聚醚酮(PEK-C)、含酞侧基聚醚砜(PEK-S)、含杂萘联苯结构聚芳醚砜酮(PPESK)中的任一种；热固性树脂为环氧树脂(EP)、酚醛树脂(PF)、呋喃树脂(FF)、聚丁二烯树脂(PB)、双马来酰亚胺树脂(BMI)、三聚氰胺甲醛树脂(MF)中的任一种，热固性树脂作为基体树脂时需要对树脂基复合材料表面进行热塑化，使热固性树脂基复合材料具有可焊接性，热塑化所用的树脂为聚碳酸酯(PC)、聚丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、尼龙(PA)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚醚酮(PEK)、聚醚醚酮(PEKK)、聚醚醚酮(PEEK)、聚芳醚腈(PEN)、含酞侧基聚醚酮(PEK-C)、含酞侧基聚醚砜(PEK-S)、含杂萘联苯结构聚芳醚砜酮(PPESK)中的任一种；所述植入体加热元件为不锈钢网、镍铬合金丝网、铁铬铝合金丝网、镍铜合金丝网、碳纤维织布、碳纤维束中的任一种；其中，金属丝网的丝径为0.03-0.25mm，孔径为0.03-0.7mm；碳纤维丝径为6-8μm。
所述步骤(3)中，所述超声波换能器为一种与焊接母材一致或极性相近的热塑性树脂薄膜，该薄膜由聚碳酸酯(PC)、聚丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、尼龙(PA)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚醚酮(PEK)、聚醚醚酮(PEKK)、聚醚醚酮(PEEK)、聚芳醚腈(PEN)、含酞侧基聚醚酮(PEK-C)、含酞侧基聚醚砜(PEK-S)、含杂萘联苯结构聚芳醚砜酮(PPESK)中的任一种或几种制备而成；热塑性树脂薄膜的厚度为0.1-0.3mm。
所述步骤(4)中，依据树脂基复合材料的种类及热塑性树脂薄膜的种类的不同，得到的复合材料电阻焊接头的单搭接拉伸剪切强度(LSS)为5～45MPa。
本发明的优点为：
1)采用本发明的超声辅助原位植入电阻焊工艺制备树脂基复合材料熔接接头，将超声振动和电阻热效应巧妙结合，使焊接工艺同时吸收超声振动和电阻热效应的优势，焊接工艺简单、施工高效、无需昂贵设备、绿色环保；另外电阻加热元件植入体保留在接头内部，采用二次通电的方式能够进行焊接接头的拆卸修复和二次焊接。
2)外加的超声波能量促进树脂基复合材料表面与热塑性树脂薄膜的结合，并且在超声作用下熔融的热塑性树脂均匀分布于整个焊缝，避免了树脂的团聚现象；施加的压力可以最终控制焊缝的厚度，并可避免疏松、多孔的现象产生。
3)施加的超声振动可以借助超声波能量促使熔融的热塑性树脂更大范围地浸润和包裹植入体加热元件，从而植入体表面和热塑性树脂粘胶剂的界面强度以及树脂基复合材料焊接头的力学强度，该工艺实施过程便捷、成本极低、绿色环保、灵活性大、适应性强、容易工业化推广。
4)采用本发明方法制备的树脂基复合材料电阻焊接头力学强度优异，实施过程简单快捷、成本极低，在航空、航天、汽车等复合材料连接领域具有广泛的应用前景。
5)本发明采用超声振动辅助电阻焊接复合材料，利用超声波能力改善热塑性树脂的流动和填缝能力。
附图说明
图1为本发明实施例1中树脂基复合材料超声-电阻混合焊接方法焊接接头的结构示意图：1-下层GF/PEI复合材料；2-第一热塑性树脂薄膜；3-植入体加热元件；4-第二热塑性树脂薄膜；5-上层GF/PEI复合材料；6-第二热塑性树脂薄膜；7-上层GF/PEI复合材料。
图2为本发明实施例1中树脂基复合材料超声-电阻混合焊接方法装置示意图：1-超声换能器；2-电源；3-绝缘块；4-载物台；5-CF/PEI复合材料板；6-植入体加热元件；7-热塑性树脂薄膜。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创新特征、达成效果易于了解，下面结合具体的实施方式，进一步阐述本发明。本发明实施例2-6中使用的装置及焊接区域放置顺序均采用实施1的方式。
实施例1
一种树脂基复合材料超声-电阻混合焊接方法，具体操作步骤：
(1)按照树脂基复合材料焊界面内部结构搭建焊接接头；将PEI薄膜、不锈钢网植入体加热元件按顺序放置在GF增强PEI热塑性树脂基(GF/PEI)复合材料的搭接待焊区域，放置顺序见图1，得到待加工焊接件；将待加工焊接件放置于焊接装置中，装置图见图2；选用的不锈钢网植入体加热元件丝径为0.08mm，孔径为0.4mm；
(2)接通2-电源进行焊接，调整电流或电压使焊接区域的最高温度达到400℃；焊接时间为90s；同时在焊接过程中通过1-超声换能器施加振动频率为10KHz，振幅为2μm的超声能量，引入超声时间为20s；
(3)超声振动结束后，通过超声波换能器在焊接区域上方施加0.3MPa压力；超声波换能器为0.2mm厚的PEI薄膜；
(4)冷却，完成树脂基复合材料超声-电阻混合焊接，获得GF/PEI树脂基复合材料高效异质接头，该树脂基复合材料的焊接头拉伸强度最高达到41.7MPa。
实施例2
一种树脂基复合材料超声-电阻混合焊接方法，具体操作步骤：
(1)按照树脂基复合材料焊界面内部结构搭建焊接接头；将PEK薄膜、镍铬合金丝网植入体加热元件按顺序放置在CF增强PEK热塑性树脂基(CF/PEK)复合材料的搭接待焊区域，得到待加工焊接件；将待加工焊接件放置于焊接装置中；选用的镍铬合金丝网植入体加热元件丝径为0.09mm，孔径为0.5mm；
(2)接通电源进行焊接，调整电流或电压使焊接区域的最高温度达到420℃；焊接时间为90s；同时在焊接过程中通过超声换能器施加振动频率为20KHz，振幅为40μm的超声能量，引入超声时间为5s；
(3)超声振动结束后，通过超声波换能器在焊接区域上方施加0.3MPa压力；超声波换能器为0.2mm厚的PEK薄膜；
(4)冷却，完成树脂基复合材料超声-电阻混合焊接，获得CF/PEK树脂基复合材料高效异质接头，该树脂基复合材料的焊接头拉伸强度最高达到43.2MPa。
实施例3
一种树脂基复合材料超声-电阻混合焊接方法，具体操作步骤：
(1)按照树脂基复合材料焊界面内部结构搭建焊接接头；将PPS薄膜、铁铬铝合金丝网植入体加热元件按顺序放置在CF增强PPS热塑性树脂基(CF/PPS)复合材料的搭接待焊区域，得到待加工焊接件；将待加工焊接件放置于焊接装置中；选用的铁铬铝合金丝网植入体加热元件丝径为0.15mm，孔径为0.1mm；
(2)接通电源进行焊接，调整电流或电压使焊接区域的最高温度达到300℃；焊接时间为100s；同时在焊接过程中通过超声换能器施加振动频率为15KHz，振幅为60μm的超声能量，引入超声时间为20s；
(3)超声振动结束后，通过超声波换能器在焊接区域上方施加0.3MPa压力；超声波换能器为0.1mm厚的PPS薄膜；
(4)冷却，完成树脂基复合材料超声-电阻混合焊接，获得CF/PPS热塑性树脂基复合材料高效异质接头，该树脂基复合材料的焊接头拉伸强度最高达到35.6MPa。
实施例4
一种树脂基复合材料超声-电阻混合焊接方法，具体操作步骤：
(1)按照树脂基复合材料焊界面内部结构搭建焊接接头；将PEI薄膜、镍铜合金丝网植入体加热元件按顺序放置在CF增强BMI热固性树脂基(CF/BMI)复合材料的搭接待焊区域，其被焊接面包裹一层PEI薄膜，得到待加工焊接件；将待加工焊接件放置于焊接装置中；选用的镍铜合金丝网植入体加热元件丝径为0.2mm，孔径为0.5mm；
(2)接通电源进行焊接，调整电流或电压使焊接区域的最高温度达到450℃；焊接时间为240s；同时在焊接过程中通过超声换能器施加振动频率为20KHz，振幅为80μm的超声能量，引入超声时间为20s；
(3)超声振动结束后，通过超声波换能器在焊接区域上方施加0.5MPa压力；超声波换能器为0.3mm厚的PEI薄膜；
(4)冷却，完成树脂基复合材料超声-电阻混合焊接，获得CF/BMI热固性树脂基复合材料高效异质接头，该树脂基复合材料的焊接头拉伸强度最高达到28.5MPa。
实施例5
一种树脂基复合材料超声-电阻混合焊接方法，具体操作步骤：
(1)按照树脂基复合材料焊界面内部结构搭建焊接接头；将PEI薄膜、碳纤维束植入体加热元件按顺序放置在CF增强EP热固性树脂基(CF/EP)复合材料的搭接待焊区域，其被焊接面包裹一层PEI薄膜，得到待加工焊接件；将待加工焊接件放置于焊接装置中；选用的碳纤维束植入体加热元件丝径为7μm；
(2)接通电源进行焊接，调整电流或电压使焊接区域的最高温度达到400℃；焊接时间为280s；同时在焊接过程中通过超声换能器施加振动频率为15KHz，振幅为10μm的超声能量，引入超声时间为20s；
(3)超声振动结束后，通过超声波换能器在焊接区域上方施加0.5MPa压力；超声波换能器为0.3mm厚的PEI薄膜；
(4)冷却，完成树脂基复合材料超声-电阻混合焊接，获得CF/EP热固性树脂基复合材料高效异质接头，该树脂基复合材料的焊接头拉伸强度最高达到26.4MPa。
实施例6
一种树脂基复合材料超声-电阻混合焊接方法，具体操作步骤：
(1)按照树脂基复合材料焊界面内部结构搭建焊接接头；将PEK和PEI混合薄膜、碳纤维织布植入体加热元件按顺序放置在CF增强EP热固性树脂基(CF/EP)复合材料的搭接待焊区域，其被焊接面包裹一层混合薄膜，得到待加工焊接件；将待加工焊接件放置于焊接装置中；选用的碳纤维织布植入体加热元件丝径为7μm；
(2)接通电源进行焊接，调整电流或电压使焊接区域的最高温度达到450℃；焊接时间为240s；同时在焊接过程中通过超声换能器施加振动频率为20KHz，振幅为5μm的超声能量，引入超声时间为20s；
(3)超声振动结束后，通过超声波换能器在焊接区域上方施加0.4MPa压力；超声波换能器为0.2mm厚的PEK和PEI混合薄膜；
(4)冷却，完成树脂基复合材料超声-电阻混合焊接，获得CF/EP热固性树脂基复合材料高效异质接头，该树脂基复合材料的焊接头拉伸强度最高达到31.2MPa。

Claims (4)

1.一种树脂基复合材料超声-电阻混合焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将两层热塑性树脂薄膜分别置于植入体加热元件两侧，之后将该封装结构置于待焊接热塑性复合材料层合板接头区域，按照树脂基复合材料焊界面内部结构搭建焊接接头；
（2）接通电源使植入体加热元件产热进行焊接，调整电流或电压使焊接区域的最高温度为160~1000℃；焊接时间为10~300s；同时在焊接过程中施加超声振动；其中，超声振动频率为10~100KHz，振幅为2-100μm，引入超声时间为0.5~60s；
（3）超声振动结束后，通过超声波换能器在焊接区域上方施加0.1~0.5MPa压力；
（4）冷却，完成树脂基复合材料超声-电阻混合焊接，获得复合材料电阻焊接头。
2.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，所述步骤（1）中，树脂基复合材料为纤维增强树脂基复合材料；其中，纤维为碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、PBO纤维、玄武岩纤维中的任一种或几种；树脂为热塑性树脂和热固性树脂中的任一种，热塑性树脂为PC、ABS、PA、PPS、PEI、PEK、PEKK、PEEK、PEN、含酞侧基聚醚酮、含酞侧基聚醚砜、含杂萘联苯结构聚芳醚砜酮中的任一种；热固性树脂为EP、PF、FF、PB、BMI、MF中的任一种，热固性树脂作为基体树脂时需要对树脂基复合材料表面进行热塑化，使热固性树脂基复合材料具有可焊接性，热塑化所用的树脂为PC、ABS、PA、PPS、PEI、PEK、PEKK、PEEK、PEN、含酞侧基聚醚酮、含酞侧基聚醚砜、含杂萘联苯结构聚芳醚砜酮中的任一种。
3.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，所述步骤（1）（2）中，植入体加热元件为不锈钢网、镍铬合金丝网、铁铬铝合金丝网、镍铜合金丝网、碳纤维织布、碳纤维束中的任一种；其中，金属丝网的丝径为0.03-0.25mm，孔径为0.03-0.7mm；碳纤维丝径为6-8μm。
4.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，所述步骤（4）中，得到的复合材料电阻焊接头的单搭接拉伸剪切强度为5~45MPa。
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