CN112571807A - 一种热塑性材料与轻质合金的热铆连接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种热塑性材料与轻质合金的热铆连接方法，通过在轻质合金预先制孔，进而利用带孔轻质合金，热塑性纤维预浸料、加热元件、热塑性材料等通过电加热熔融粘接工艺构筑轻质合金/热塑性材料高效异质接头。预制孔的引入改善了热塑性树脂胶层与轻质合金界面粘结强度；热塑性纤维预浸料的引入避免了加热元件电流和产生的热量通过轻质合金泄漏；本发明所述方法简单快捷，成本极低，在航空、航天、汽车等金属、非金属材料连接领域有广泛的应用前景。

Description

一种热塑性材料与轻质合金的热铆连接方法
技术领域
本发明涉及金属与复合材料连接技术领域，特别涉及一种热塑性材料与轻质合金的热铆连接方法。
背景技术
轻质合金和热塑性材料是工业领域最重要的两种结构材料；就航空领域而言，飞机的绝大多数结构是采用轻质合金和热塑性复合材料制造；因此，轻质合金和热塑性材料复合材料之间的连接是飞行器制造过程中不可避免的重要环节。机械紧固连接和胶接技术是目前最常用的两种异质材料连接技术。然而，机械紧固连接中，螺栓或铆钉使结构件整体重量增加，连接孔横截面积较小使得连接处的应力高度集中。轻质合金和复合材料的异质胶接技术能够克服机械紧固连接存在的问题，然而胶接技术需要长时间的固化，施工周期较长，成本高、效率低；另外，胶接头为难拆卸的结构，对施工过程精度要求高、容错率低。
为了克服金属/热塑性材料机械连接和胶接工艺存在的问题，近年来兴起了复合材料焊接(熔融粘接)技术，主要是将光、电、电磁、超声等能量转变成的热量，对两种或两种以上同种或异种材料加热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。
电阻熔融粘接技术，也称为原位植入电阻焊技术，已发展成为金属/热塑性材料传统连接的可替代连接技术；其具有工艺流程简单，设备灵活简便，效率高，费用低廉，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。然而，热塑性树脂与金属表面的粘结强度低，热塑性树脂与金属材料界面脱粘是金属/热塑性材料异质接头主要的失效模式。对金属材料表面进行磨损、喷砂、打磨、酸/碱/电化学/等离子/激光蚀刻等物理或化学粗化处理，能够改善金属材料表面张力、粗糙度或化学性质，有助于热塑性树脂与金属表面间机械互锁、物理吸附以及化学键合作用的增强，从而实现异质接头力学性能的强化。但该种方式对接头性能的提升有限，无法完全满足使用性能要求。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种热塑性材料与轻质合金的热铆连接方法，采用在轻质合金制孔，之后与热塑性材料进行电阻加热，使熔融的热塑性树脂在压力作用下完全填充轻质合金空洞，实现接头的有效连接。本发明所述方法快捷高效、绿色环保、成本极低，在航空航天和交通运输领域具有广泛应用前景。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种热塑性材料与轻质合金的热铆连接方法，首先在轻质合金上制孔，然后将带孔轻质合金与热塑性材料进行电阻加热，热塑性材料的树脂基体熔融后填充轻质合金孔，从而获得轻质合金/热塑性材料铆接接头，实现热塑性材料与轻质合金的连接。
进一步地，所述连接方法具体包括以下步骤：
步骤1.轻质合金待焊接区域打孔，热塑性纤维预浸料上预制孔；
步骤2.以发热元件作为植入体，热塑性纤维预浸料作为绝缘层置于轻质合金与热塑性材料的搭接区域，得到待加工焊件，其中热塑性纤维预浸料与轻质合金相接触，且二者孔心处于同一垂线上；
步骤3.向待加工焊件施加0.1～0.5MPa初始压力，调整电流和电压使待焊接区域的最高温度为200～400℃，焊接的时间为60s～300s；冷却，获得轻质合金/热塑性材料铆接接头，实现热塑性材料与轻质合金的连接。
进一步地，搭接时轻质合金位于热塑性材料的上方。
进一步地，所述轻质合金上孔的孔径为1～3mm，绝缘预浸料上预制孔直径大于轻质合金通孔直径0.5mm。
进一步地，所述的轻质合金为铝合金，钛合金，铝锂合金，铝镁合金中的一种。
进一步地，所述发热元件为不锈钢网、铜网、碳纤维织物、碳纤维束中的一种。
进一步地，所述热塑性纤维预浸料厚度为0.4mm，其由纤维与热塑性树脂复合制备的单层复合材料，纤维为玻璃纤维、芳纶纤维、PBO纤维、玄武岩纤维、碳纤维中的一种。
进一步地，所述绝缘预浸料所用树脂应与待焊热塑性材料树脂基体相同。
进一步地，所述的热塑性材料树脂基体为聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、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)、聚醚酮酮(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)中的一种。
进一步地，所述热塑性材料为纯热塑性材料或短切纤维增强的热塑性材料。
进一步地，所述短切纤维为短切碳纤维、短切玻璃纤维、短切芳纶纤维、短切PBO纤维、短切玄武岩纤维中的一种或多种。
依据热塑性树脂种类的不同，本发明所述方法制备的轻质合金/热塑性材料接头拉剪强度(LSS)达12～32MPa。
本发明通过在轻质合金预先制孔，进而利用带孔轻质合金，热塑性纤维预浸料、加热元件、热塑性材料等通过电加热熔融粘接工艺构筑轻质合金/热塑性材料高效异质接头。预制孔的引入改善了热塑性树脂胶层与轻质合金界面粘结强度；热塑性纤维预浸料的引入避免了加热元件电流和产生的热量通过轻质合金泄漏；两种设计均有助于轻质合金/热塑性材料树脂熔接头力学性能的改善。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1)本发明采用原位植入电阻加热工艺制备轻质合金/热塑性材料熔接接头，具有焊接工艺简单、施工周期短(仅需要几分钟)、无需昂贵设备、绿色环保等优点；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)本发明采用在轻质合金体上预制通孔的方法能够扩展轻质合金和热塑性树脂粘胶面积以及提升轻质合金和树脂电阻热铆接接头的力学强度，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；
3)本发明采用的热塑性纤维预浸料在熔融焊接加压过程中能够保持更好的完整性，有助于保护加热元件电流和产生的热量不损失，提高焊接效率；
4)本发明焊接过程热塑性薄膜的熔融流入预制孔，形成塑性铆钉，此热塑性铆钉避免了传统机械连接对材料造成的应力集中破坏等现象，在热机械铆接行为下，铆钉与和材料之间连接界面处发生分子扩散，从而避免了连接的缺乏，从而具有更好的连接效果；
5)本发明的轻质合金树脂熔接头力学强度优异，实施过程简单快捷、成本极低，在航空、航天、汽车等轻质合金连接领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为实施例轻质合金-热塑性材料焊接装置示意图；
图2为实施例中带孔铝合金示意图，从上到下依次为立体图、截面图、俯视图；
图3为实施例中带孔热塑性纤维预浸料示意图，从上到下依次为立体图、截面图、俯视图；
图4为实施例中焊接接头结构图；
附图标记：1-轻质合金；2-热塑性纤维预浸料；3-发热元件；4-热塑性材料；5-导线；6-电源；7-加压装置。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供一种热塑性材料与轻质合金的热铆连接方法，焊接装置如图1所示，具体包括以下步骤：
步骤1.轻质合金1预处理，去除表面杂质，并利用激光打孔机在其待焊接区域中心处打孔(如图2所示)，孔径为1～3mm；裁剪厚度为0.4mm的热塑性纤维预浸料2，并在中心处制备直径大于轻质合金孔直径0.5mm的通孔(如图3所示)；
步骤2.以发热元件3作为植入体，热塑性纤维预浸料作为绝缘层置于轻质合金与热塑性材料4的搭接区域，得到待加工焊件，搭接时轻质合金位于热塑性材料的上方，热塑性纤维预浸料与轻质合金相接触，且二者孔心处于同一垂线上，焊接接头结构如图4所示；
步骤3.将电源6夹头夹在发热元件两侧进行加热，通过加压装置7向待加工焊件施加0.1～0.5MPa初始压力，调整电流和电压使待焊接区域的最高温度为200～400℃，焊接的时间为60s～300s；冷却，获得轻质合金/热塑性材料铆接接头，实现热塑性材料与轻质合金的连接；进一步地，电阻加热焊接过程中，所用电源为直流电源或脉冲电源，直流电源提供电压为10～30V，脉冲电源提供初始电压为50V～20V，初始电流为20A～10A。
实施例1
将铝合金样件用400目砂纸打磨，之后利用激光打孔机在铝合金样件待焊区域中心预制通孔，并对玻璃纤维/PEI预浸料相应位置制孔；将不锈钢网植入体、玻璃纤维/PEI(玻璃纤维复合PEI)预浸料按接头结构设计的顺序(图4)放置在铝合金和GF/PEI(短切玻璃纤维增强PEI)层合板的搭接待焊区域；施加0.3MPa初始压力，接通电源，调整电压电流使焊接区域的最大温度达360℃，焊接时间为120s，冷却，得到铝合金-GF/PEI层合板热铆接件，其接头强度为12MPa。
实施例2
将铝合金样件用400目砂纸打磨，之后利用激光打孔机在铝合金样件待焊区域中心预制通孔，并对玻璃纤维/PEEK预浸料相应位置制孔；将不锈钢网植入体、玻璃纤维/PEEK预浸料按接头结构设计的顺序(图4)放置在铝合金和GF/PEEK层合板的搭接待焊区域；施加0.3MPa初始压力，接通电源，调整电压电流使焊接区域的最大温度达380℃，焊接时间为180s，冷却，得到铝合金-GF/PEEK层合板热铆接件，其强度为26Mpa。
实施例3
将铝合金样件用400目砂纸打磨，之后利用激光打孔机在铝合金样件待焊区域中心预制通孔，并对玻璃纤维/PPS预浸料相应位置制孔；将不锈钢网植入体、玻璃纤维/PPS预浸料按接头结构设计的顺序(图4)放置在铝合金和PPS样件的搭接待焊区域；施加0.3MPa初始压力，接通电源，调整电压电流使焊接区域的最大温度达300℃，焊接时间为180s，冷却，得到铝合金-PPS热铆接件，其接头强度为21MPa。
实施例4
将钛合金样件用400目砂纸打磨，之后利用激光打孔机在钛合金样件待焊区域中心预制通孔，并对玻璃纤维/PEI预浸料相应位置制孔；将不锈钢网植入体、玻璃纤维/PEI预浸料按接头结构设计的顺序(图4)放置在钛合金和GF/PEI层合板的搭接待焊区域；施加0.3MPa初始压力，接通电源，调整电压电流使焊接区域的最大温度达360℃，焊接时间为240s，冷却，得到钛合金-GF/PEI层合板热铆接件，其强度为28MPa。
实施例5
将钛合金样件用400目砂纸打磨，之后利用激光打孔机在钛合金样件待焊区域中心预制通孔，并对碳纤维/PEI预浸料相应位置制孔；将不锈钢网植入体、碳纤维/PEI预浸料按接头结构设计的顺序(图4)放置在钛合金和CF/PEI(短切碳纤维增强PEI)层合板的搭接待焊区域；施加0.3MPa初始压力，接通电源，调整电压电流使焊接区域的最大温度达360℃，焊接时间为240s，冷却，得到钛合金-CF/PEI层合板热铆接件，其接头强度为32MPa。
实施例6
将铝合金样件用400目砂纸打磨，之后利用激光打孔机在铝合金样件待焊区域中心预制通孔，并对玻璃纤维/PEI预浸料相应位置制孔；将不锈钢网植入体、玻璃纤维/PEI预浸料按接头结构设计的顺序(图4)放置在铝合金和GF/PEI层合板的搭接待焊区域；施加0.3MPa初始压力，接通电源，调整电压电流使焊接区域的最大温度达360℃，焊接时间为300s，冷却，得到铝合金-GF/PEI层合板热铆接件，其接头强度为23MPa。
以上技术方案阐述了本发明的技术思路，不能以此限定本发明的保护范围，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上技术方案所作的任何改动及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种热塑性材料与轻质合金的热铆连接方法，其特征在于：首先在轻质合金上制孔，然后将带孔轻质合金与热塑性材料进行电阻加热，热塑性材料的树脂基体熔融后填充轻质合金孔，从而获得轻质合金/热塑性材料铆接接头，实现热塑性材料与轻质合金的连接。
2.根据权利要求1所述的一种热塑性材料与轻质合金的热铆连接方法，其特征在于：所述连接方法具体包括以下步骤：
步骤1.轻质合金待焊接区域打孔，热塑性纤维预浸料上预制孔；
步骤2.以发热元件作为植入体，热塑性纤维预浸料作为绝缘层置于轻质合金与热塑性材料的搭接区域，得到待加工焊件，其中热塑性纤维预浸料与轻质合金相接触，且二者孔心处于同一垂线上；
步骤3.向待加工焊件施加0.1～0.5MPa初始压力，调整电流和电压使待焊接区域的最高温度为200～400℃，焊接的时间为60s～300s；冷却，获得轻质合金/热塑性材料铆接接头，实现热塑性材料与轻质合金的连接。
3.根据权利要求2所述的一种热塑性材料与轻质合金的热铆连接方法，其特征在于：搭接时轻质合金位于热塑性材料的上方。
4.根据权利要求2所述的一种热塑性材料与轻质合金的热铆连接方法，其特征在于：所述轻质合金上孔的孔径为1～3mm，绝缘预浸料上预制孔直径大于轻质合金通孔直径0.5mm。
5.根据权利要求2所述的一种热塑性材料与轻质合金的热铆连接方法，其特征在于：电阻加热焊接过程中，所用电源为直流电源或脉冲电源，直流电源提供电压为10～30V，脉冲电源提供初始电压为50V～20V，初始电流为20A～10A。
6.根据权利要求1所述的一种热塑性材料与轻质合金的热铆连接方法，其特征在于：所述的轻质合金为铝合金，钛合金，铝锂合金，铝镁合金中的一种；所述发热元件为不锈钢网、铜网、碳纤维织物、碳纤维束中的一种。
7.根据权利要求2所述的一种热塑性材料与轻质合金的热铆连接方法，其特征在于：所述热塑性纤维预浸料厚度为0.4mm，其由纤维与热塑性树脂复合制备的单层复合材料，纤维为玻璃纤维、芳纶纤维、PBO纤维、玄武岩纤维、碳纤维中的一种。
8.根据权利要求7所述的一种热塑性材料与轻质合金的热铆连接方法，其特征在于：所述绝缘预浸料所用树脂应与待焊热塑性材料树脂基体相同；所述的热塑性材料树脂基体为聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、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)、聚醚酮酮(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)中的一种。
9.根据权利要求1所述的一种热塑性材料与轻质合金的热铆连接方法，其特征在于：所述热塑性材料为纯热塑性材料或短切纤维增强的热塑性材料，短切纤维为短切碳纤维、短切玻璃纤维、短切芳纶纤维、短切PBO纤维、短切玄武岩纤维中的一种或多种。
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