CN112248601B - 一种超声振压辅助碳纤维板与金属板粘接的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种超声振压辅助碳纤维板与金属板粘接的方法,涉及胶接技术领域。本发明提供的方法,包括以下步骤:将碳纤维板和金属板进行搭接,使碳纤维板和金属板之间形成粘合层型腔;采用超声振动装置向胶粘剂施加垂向超声振动的同时施加向下的压力,使胶粘剂以振荡形式注射进入所述粘合层型腔,得到粘合层;对所述粘合层进行振动保压,同时进行加热,得到预固化胶层;将所述预固化胶层进行深度固化,完成碳纤维板与金属板的粘接。本发明提供的方法能够提高碳纤维板与金属板胶接接头的强度和稳定性,避免碳纤维板与金属板粘合强度不高和质量不足的问题。
Description
技术领域
本发明涉及胶接技术领域,具体涉及一种超声振压辅助碳纤维板与金属板粘接的方法。
背景技术
对于碳纤维与金属的连接,与传统的连接工艺(如螺栓连接、铆接等) 相比,胶接工艺不需要在待连接零件上开孔,保证了其材料完整性、连续性和力学性能,避免了碳纤维复合材料缺口敏感度高、韧性差等问题。
在碳纤维与金属胶接过程中,传统的涂胶工艺如人工涂胶、胶枪喷涂、刷涂等方法通常都是在待粘接表面上涂胶并粘接,粘接过程中难以施加有效一致的成型压力来控制胶粘剂在粘合层的均匀扩散,难以形成胶层厚度分布均匀的粘接接头,由于不均匀的胶层厚度,在粘接过程中不可避免地会出现气泡、空粘等缺陷,在载荷作用下胶层中缺陷处容易产生应力集中或产生裂纹,影响粘接强度甚至破坏粘接结构。同时,传统的涂胶工艺难以施加足够的成型压力使胶粘剂充分流动,均匀润湿待粘接表面形成良好的界面结合,形成稳定一致的胶层,进而导致粘接接头粘接强度不高、质量不足的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超声振压辅助碳纤维板与金属板粘接的方法,本发明提供的方法能够提高碳纤维板与金属板胶接接头的强度和稳定性,避免碳纤维板与金属板粘合强度不高和质量不足的问题。
为了实现上述发明目的,本发明提供以下技术方案:
本发明提供了一种超声振压辅助碳纤维板与金属板粘接的方法,包括以下步骤:
将碳纤维板和金属板进行搭接,使碳纤维板和金属板之间形成粘合层型腔;
采用超声振动装置向胶粘剂施加垂直 超声振动的同时施加向下的压力,使胶粘剂以振荡形式注射进入所述粘合层型腔,得到粘合层;
对所述粘合层进行振动保压,同时进行加热,得到预固化胶层;
将所述预固化胶层进行深度固化,完成碳纤维板与金属板的粘接。
优选地,所述垂直超声振动的功率不超过2500W,所述垂直超声振动的频率为15~28kHz,振幅为16~50μm。
优选地,所述垂直超声振动采用间歇式振动,振动1~3s,停止1~5s。
优选地,所述施加的向下的压力为0.4~5MPa。
优选地,所述胶粘剂包括双组分环氧树脂胶。
优选地,所述振动保压的保压压力为0.4~5MPa,保压时间为5~15min。
优选地,所述加热的温度为50~90℃,保温时间为10~30min。
优选地,所述深度固化在室温条件下进行,所述深度固化的时间为 10~48h。
优选地,所述金属板为镍板或铝板。
优选地,在注入胶粘剂之前,还包括:将所述粘合层型腔的表面依次进行清洗、打磨和硅烷偶联化处理。
本发明提供了一种超声振压辅助碳纤维板与金属板粘接的方法,包括以下步骤:将碳纤维板和金属板进行搭接,使碳纤维板和金属板之间形成粘合层型腔;采用超声振动装置向胶粘剂施加垂直 超声振动的同时施加向下的压力,使胶粘剂以振荡形式注射进入所述粘合层型腔,得到粘合层;对所述粘合层进行振动保压,同时进行加热,得到预固化胶层;将所述预固化胶层进行深度固化,完成碳纤维板与金属板的粘接。本发明利用超声振动装置产生的超声高频剪切作用能够有效解除胶粘剂分子链的缠结,使胶粘剂形成均匀的交联网络结构从而降低内应力;超声振动的空化作用能形成高频剪切流场,促进气泡的移动与消除,有助于粘接剂充分流动,填充粘接区域,形成良好的界面结合;通过外部向粘接区域流体施加压力作用,使待粘接区域产生均匀的注胶压力和固化压力,有助于形成均匀的粘接结构。本发明将超声振动和压力注射结合起来,有效解决了实际工程中碳纤维板与金属板胶粘质量不好、胶粘质量不均的问题,该方法精度高,表面质量稳定,通过超声振动与压力耦合作用于胶粘剂,能够促进胶粘剂与待粘接表面的壁面结合与渗透,提高碳纤维板与金属板胶接接头性能稳定性,适合自动化、工业化生产。
附图说明
图1为本发明实施例中下模的示意图;
图2为本发明实施例中上模固定下模的示意图;
图3为本发明实施例中超声振动装置的示意图;
图4为本发明实施例中超声振动装置与下模的装配示意图;
图5为本发明粘合层形成的原理示意图;
其中,1为气缸,2为换能器,3为变幅杆,4为超声振动工具头,5为胶粘剂,6为注胶筒,7为注胶嘴,8为金属板,9为碳纤维板,10为上模, 11为下模,11-1为底板,11-2为第一限位块,11-3为第二限位块,11-4为垫块,12为紧固螺栓,13为限位螺栓。
具体实施方式
本发明提供了一种超声振压辅助碳纤维板与金属板粘接的方法,包括以下步骤:
将碳纤维板和金属板进行搭接,使碳纤维板和金属板之间形成粘合层型腔;
采用超声振动装置向胶粘剂施加垂直 超声振动的同时施加向下的压力,使胶粘剂以振荡形式注射进入所述粘合层型腔,得到粘合层;
对所述粘合层进行振动保压,同时进行加热,得到预固化胶层;
将所述预固化胶层进行深度固化,完成碳纤维板与金属板的粘接。
本发明将碳纤维板和金属板进行搭接,使碳纤维板和金属板之间形成粘合层型腔。本发明对所述碳纤维板和金属板的具体尺寸没有特殊要求,本领域技术人员所熟知的碳纤维板和金属板均适用于本发明的方法。在本发明的具体实施例中,所述碳纤维板的尺寸为101.6mm×25.4mm×2.5mm(长×宽×厚),所述金属板的尺寸为101.6mm×25.4mm×1.5mm(长×宽×厚)。在本发明中,所述金属板优选为镍板或铝板。在本发明的具体实施例中,所述粘合层型腔为长方体,尺寸为25.4mm×25.4mm×0.76mm(长×宽×高)。本发明提供的方法适用于粘结不规则形状的粘合面。
作为本发明的一个实施例,所述碳纤维板和金属板在如图1所示的下模中进行搭接。如图1所示,所述下模包括底板以及设置在所述底板两端的第一限位块和第二限位块;所述第一限位块和第二限位块均为U型槽结构,所述第一限位块和第二限位块的槽口相对;所述第二限位块的凹槽内设置有垫块。在本发明中,所述第一限位块和第二限位块与底板优选一体成型。在本发明中,所述第一限位块的凹槽优选用于定位碳纤维板,所述第一限位块的凹槽厚度优选大于等于碳纤维板的厚度,所述第一限位块的凹槽宽度优选与碳纤维板的宽度一致,所述碳纤维板在宽度方向上与第一限位块为过盈配合。在本发明中,所述第二限位块的凹槽优选用于定位金属板,在所述垫块上方放置金属板,所述第二限位块的凹槽厚度优选大于等于碳纤维板、金属板和垫块的总厚度,所述第二限位块的凹槽宽度优选与金属板的宽度一致,所述金属板在宽度方向上与第二限位块为过盈配合;所述垫块优选与底板一体成型。在垂直方向上,所述金属板与碳纤维板重叠的部分形成粘合层型腔,所述粘合层型腔的厚度优选等于垫块的厚度-碳纤维板的厚度。本发明通过下模定位碳纤维板和金属板,避免在胶接过程中碳纤维板和金属板发生移动。
作为本发明的一个实施例,除注胶口外,所述粘合层型腔的边缘采用胶带密封。
作为本发明的一个实施例,本发明优选采用如图2所示的上模固定下模中的碳纤维板和金属板,具体方法包括:将所述碳纤维板和金属板放置在下模中后,将上模放置在金属板的上方,所述上模的四个角与第二限位块接触,并通过紧固螺栓固定。本发明利用上模起到合模限位的作用。
得到粘合层型腔后,本发明采用超声振动装置向胶粘剂施加垂直 超声振动的同时施加向下的压力,使胶粘剂以振荡形式注射进入所述粘合层型腔,得到粘合层。在本发明中,所述胶粘剂优选包括双组分环氧树脂胶;所述双组分环氧树脂胶优选包括环氧树脂和固化剂,所述环氧树脂与固化剂的体积比优选为2:1。本发明对所述胶粘剂的具体用量没有特殊要求,以填充满所述粘合层型腔为宜,在本发明的具体实施例中,所述胶粘剂的填充量优选为 500mm3。在本发明中,所述垂直超声振动的功率优选不超过2500W,更优选为1200~2000W;所述垂直超声振动的频率优选为15~28kHz,更优选为 20~24kHz;所述垂直超声振动的振幅优选为16~50μm,更优选为20~35μm。本发明限定垂直超声振动的参数在上述范围,能够在胶粘剂不固化的情况下将胶粘剂充分振压进入粘合层型腔。
在本发明中,所述垂直超声振动优选采用间歇式振动,振动1~3s,停止 1~5s,具体优选为振动1s,停止4s。本发明采用间歇式振动能够避免局部过热导致的胶粘剂固化现象。在本发明中,所述施加的向下的压力优选为 0.4~5MPa,更优选为1~3MPa。
作为本发明的一个实施例,所述超声振动装置如图3所示,包括自上而下设置的气缸、换能器、变幅杆和超声振动工具头。在本发明的具体实施例中,所述气缸接压缩机,用于产生注胶压力;所述换能器接电源;所述超声振动工具头作为超声振动和注胶压力的施加装置。
在本发明中,优选将胶粘剂放置于注胶筒内,所述注胶筒的一侧设置有注胶嘴,使剪切振动的胶粘剂进入粘合层型腔。本发明利用注胶嘴将胶粘剂垂直振动转变为水平振动,降低充模压力。
本发明对所述超声振动装置的具体结构尺寸以及注胶筒和注胶嘴的具体尺寸均没有特殊要求,以能够满足生产需求为宜。
作为本发明的一个实施例,如图4所示,本发明通过超声振动装置中的超声振动工具头向注胶筒内的胶粘剂施加垂直 超声振动的同时施加向下的压力,使胶粘剂通过注胶嘴进入粘合层型腔,得到粘合层。
在本发明中,所述粘合层形成的原理示意图如图5所示,超声振动工具头边振动边下行,使注胶筒内的胶粘剂在超声压力耦合作用下注射进入碳纤维板和金属板之间的粘合层型腔,通过注胶嘴将胶粘剂垂直振动转变为水平剪切振动,降低充模压力,直至胶粘剂填充满粘接区域。
本发明优选根据所述粘合层型腔所需的胶粘剂量进行超声振动工具头的振压行程设定。在本发明中,所述超声振动工具头的振压行程与前文所述施加的向下的压力对应。在本发明中,所述超声振动工具头的振压行程振压行程H如式I所示,
式I中,V为充满所述粘合层型腔所需的胶粘剂的体积,单位为mm3; R为超声振动工具头的端面半径,单位为mm。
本发明优选采用机械限位限制所述超声振动装置的下行量,具体优选采用限位螺栓控制所述超声振动装置的下行量。
本发明在向粘合层型腔中注入胶粘剂之前,优选还包括:将所述粘合层型腔的表面依次进行清洗、打磨和硅烷偶联化处理。在本发明中,所述清洗用清洗剂优选为丙酮;所述硅烷偶联化处理采用的硅烷偶联试剂优选为 KH550硅烷偶联剂。本发明对所述清洗、打磨和硅烷偶联化处理的具体工艺没有特殊要求,采用本领域技术人员所熟知的工艺即可。
得到粘合层后,本发明对所述粘合层进行振动保压,同时进行加热,得到预固化胶层。在本发明中,所述振动保压优选为超声振动保压,所述超声振动保压的超声功率优选不超过2500W,更优选为1200~2000W;超声频率优选为15~28kHz,更优选为20~24kHz;超声振幅优选为16~50μm,更优选为20~35μm。在本发明中,所述振动保压的保压压力优选为0.4~5MPa,更优选为0.5~3MPa;保压时间优选为5~15min,更优选为10~12min。在本发明中,利用振动保压更有利于获得致密均匀的胶层结构。
在本发明的具体实施例中,得到所述粘合层后,本发明锁紧限位螺栓,进行保压,并保持超声处于工作状态,对粘合层进行振动保压。
本发明在进行所述振动保压的同时对所述粘合层进行加热,得到预固化胶层。在本发明中,所述加热的温度优选为50~90℃,更优选为60~70℃;保温时间优选为10~30min,更优选为20~25min。
作为本发明的一个实施例,本发明采用模具加热系统对下模进行整体加热,热量从下模传至碳纤维板,最终使保压状态下的胶粘剂升温,将粘合层初步固化。
得到预固化胶层后,本发明将所述预固化胶层进行深度固化,完成碳纤维板与金属板的粘接。在本发明中,所述深度固化优选在室温条件下进行,所述深度固化的时间优选为10~48h,更优选为24~48h。在本发明的具体实施例中,所述室温的温度为25℃。
在本发明的具体实施例中,采用超声振压注胶的方式,通过超声振动装置对胶粘剂施加剪切振动的同时施加向下的压力,使胶粘剂以剪切振荡的形式进入碳纤维板和金属板之间的粘合层型腔,同时维持压力进行振动保压。而现有技术中通常是先将胶粘剂涂敷在一块板上,再铺上另一块板,超声振动是施加在板上,振动通过板传递到胶,本发明的方法相比于现有技术更有利于促进胶粘剂与粘合层型腔表面的壁面结合与渗透,提高粘接强度。
下面将结合本发明中的实施例,对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例1
将碳纤维板和镍板在如图1所示的下模中进行搭接,碳纤维板在下,镍板在上,使碳纤维板和金属板之间形成粘合层型腔;所述粘合层型腔的边缘除注胶口外均采用胶带密封;调整下模的位置,使注胶嘴位于所述粘合层型腔的注胶口位置,合上上模,如图2所示,通过紧固螺栓完全固定模具;所述碳纤维板的尺寸为101.6mm×25.4mm×2.5mm(长×宽×厚),所述镍板的尺寸为101.6mm×25.4mm×1.5mm(长×宽×厚),所述粘合层型腔的尺寸为25.4mm×25.4mm×0.76mm(长×宽×高);
在注胶筒中加入2g双组分环氧树脂胶粘剂(生产厂家和型号为3M DP420环氧树脂胶),调整超声振动工具头的初始位置,使其进入注胶筒 10mm;安装限位螺栓,使工具头的下降行程为1.8mm;开启超声电源,设定气缸压力和超声参数,开启超声,按下气缸开关,开始注胶;超声振动工具头向胶粘剂进行垂直 超声振动,在气缸的压力下将注胶筒内的胶粘剂压出,剪切振动的胶粘剂通过注胶嘴进入所述粘合层型腔内,注胶压力为 1MPa,超声频率为20kHz,振幅为32μm;超声采用间歇式振动,振动1s,停止4s,待型腔充满后,得到粘合层;
锁紧限位螺栓,设定注胶气缸压力为0.5MPa,开始保压,并保持超声处于工作状态,持续10min;同时开启模具加热系统对下模进行整体加热,热量从下模传至碳纤维板,最终使保压状态下的胶粘剂升温至65℃,保持 20min,使胶粘层初步固化,得到预固化胶层;
关闭超声停止保压,将所述预固化胶层在25℃下固化48h,使胶层充分固化,完成碳纤维板与镍板的粘接。
所述碳纤维板与镍板单搭接接头的平均剪切强度为10.53MPa,相较于手工涂胶粘接的平均剪切强度6.97MPa,粘接强度提升了51.08%。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种超声振压辅助碳纤维板与金属板粘接的方法,包括以下步骤:
将碳纤维板和金属板进行搭接,使碳纤维板和金属板之间形成粘合层型腔;
采用超声振动装置向胶粘剂施加垂直 超声振动的同时施加向下的压力,使胶粘剂以振荡形式注射进入所述粘合层型腔,得到粘合层;
对所述粘合层进行振动保压,同时进行加热,得到预固化胶层;所述振动保压的保压压力为0.4~5MPa,保压时间为5~15min;所述加热的温度为50~90℃,保温时间为10~30min;
将所述预固化胶层进行深度固化,完成碳纤维板与金属板的粘接。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述垂直超声振动的功率不超过2500W,所述垂直超声振动的频率为15~28kHz,振幅为16~50μm。
3.根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于,所述垂直超声振动采用间歇式振动,振动1~3s,停止1~5s。
4.根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于,所述施加的向下的压力为0.4~5MPa。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述胶粘剂包括双组分环氧树脂胶。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述深度固化在室温条件下进行,所述深度固化的时间为10~48h。
7.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述金属板为镍板或铝板。
8.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,在注入胶粘剂之前,还包括:将所述粘合层型腔的表面依次进行清洗、打磨和硅烷偶联化处理。
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超声振动强化碳纤维/铝材胶接工艺研究及应用;郝旭飞;《中国优秀硕士学位论文全文数据库工程科技Ⅱ辑》;20190715;正文第15页第2段,第16页第3-9段,第17页第1-5段,第19页表2-2 * |
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PB01 | Publication | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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