CN112622297A - 一种树脂基复合材料与轻质合金的热气焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种树脂基复合材料与轻质合金的热气焊接方法，包括如下步骤：步骤1.构建焊接接头：将热塑性树脂薄膜置入待焊接的树脂基复合材料与轻质合金接头区域；步骤2.超声辅助热气焊接：对接头区域上部施加压力，开启热风枪，调整温度使焊接区域的最高温度为160～500℃进行焊接，焊接过程中同时施加超声振动；焊接结束后冷却，即获得树脂基复合材料‑轻质合金焊接接头。本发明通过超声在复合材料‑轻质合金热气焊接过程中施加超声波，采用超声振动辅助热气焊接树脂基复合材料，利用超声波能量改善热塑性树脂的流动和填缝能力，进而构筑力学性能更强的复合材料焊接头。

Description

一种树脂基复合材料与轻质合金的热气焊接方法
技术领域
本发明涉及一种热塑性树脂基复合材料-轻质合金的连接工艺，特别涉及一种树脂基复合材料与轻质合金的热气焊接方法。
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。
热气焊接，主要通过热风产生的热量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，在焊接过程中熔融的热塑性树脂很难实现焊件表面的完全接触和铺展，从而导致无法实现树脂基复合材料的有效焊接。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种树脂基复合材料与轻质合金的热气焊接方法，本发明的目的是克服树脂基复合材料热气焊接过程中接头界面树脂填充不充分的缺陷，实现树脂基复合材料-轻质合金的高强度连接。通过超声在复合材料-轻质合金热气焊接过程中施加超声波，采用超声振动辅助热气焊接树脂基复合材料，利用超声波能力改善热塑性树脂的流动和填缝能力，进而构筑力学性能更强的复合材料焊接头。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种树脂基复合材料与轻质合金的热气焊接方法，包括如下步骤：
步骤1.构建焊接接头：将热塑性树脂薄膜置入待焊接的树脂基复合材料与轻质合金接头区域；
步骤2.超声辅助热气焊接：对接头区域上部施加压力，开启热风枪，调整温度使焊接区域的最高温度为160～500℃进行焊接，焊接过程中同时施加超声振动；焊接结束后冷却，即获得树脂基复合材料-轻质合金焊接接头。
进一步地，步骤1构建焊接接头过程中，为防止树脂基复合材料在焊接过程中表面热老化，树脂基复合材料置于下部，轻质合金置于上部，步骤2中通过放置在树脂基复合材料上表面超声换能器施加超声振动。
进一步地，步骤2中超声振动频率为10～100K赫兹，振幅为2～100μm。
进一步地，步骤2中施加压力为0.1～0.5MPa。
进一步地，步骤2中的焊接时间为60s～300s，超声时间为0.5～60s。
进一步地，所述轻质合金为铝合金、钛合金、铝锂合金、铝镁合金中的一种。
进一步地，所述树脂基复合材料的树脂基体为聚碳酸酯(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，所述树脂基复合材料为增强树脂基复合材料，增强材料为无机颗粒、晶须、短纤维或连续纤维中的一种或几种，增强材料中的纤维为碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、PBO纤维、玄武岩纤维中的一种或几种。
进一步地，所述热塑性树脂薄膜厚度为0.15～0.25mm，并与待焊的树脂基复合材料的树脂基体相同或极性相近。
本发明中热气提供了树脂薄膜熔融需要的热量；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，超声振动在焊接过程中不仅可以借助超声波能量提高熔融树脂的流动性，还改善了熔融的热塑性树脂胶层在焊件上的浸润程度和填缝能力，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，从而提高接头力学性能，本发明制备的树脂基复合材料-轻质合金焊接接头拉伸强度达12～28MPa。。
与现有技术相比，本发明的主要优点为：
1)本发明采用超声辅助热气焊接工艺制备树脂基复合材料-轻质合金熔接接头，将超声振动和热效应巧妙结合，使焊接工艺同时吸收超声振动和热气效应的优势，焊接工艺简单、施工高效(仅需要几分钟)、无需昂贵设备、绿色环保等优点；
2)外加的超声波能量促进焊件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；
3)超声换能器可以代替液压装置在焊接过程中施加压力，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；
4)超声换能器辅助焊接过程，有助于热塑性树脂与轻质合金、复合材料之间机械互锁、物理吸附以及化学键合作用的增强，从而提高接头力学性能；
5)本发明的树脂基复合材料-轻质合金焊接头力学强度优异，实施过程简单快捷、绿色环保、成本极低，在航空航天和交通运输等复合材料连接领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例1中超声辅助的树脂基复合材料和轻质合金的热气焊接方法示意图；
附图标记：
1-热风枪；2-铝合金；3-PEI薄膜；4-树脂基复合材料；5-超声换能器。
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。
实施例1
如图1所示，将厚度为0.20mm的PEI薄膜3放置在玻璃纤维增强聚醚酰亚胺热塑性树脂基复合材料(GF/PEI)4-铝合金2的搭接区域，其中树脂基复合材料置于下部，轻质合金置于上部，构建焊接接头，得到待加工焊接件；利用压机在搭接区域上方施加0.3MPa的压力，开启热风枪1，对准待焊接接头位置，调整温度使焊接区域的最大温度达400℃，焊接时间为120s；在焊接过程中通过超声换能器5在热塑性树脂基复合材料上施加振动频率为10K赫兹，振幅为2μm的超声能量，引入超声时间为5s；之后冷却，得到GF/PEI热塑性树脂基复合材料-铝合金高效异质接头，接头拉伸强度为12MPa。
实施例2
将厚度为0.25mm的PEI薄膜放置在碳纤维增强聚醚酰亚胺热塑性树脂基复合材料(CF/PEI)-铝合金的搭接区域，其中树脂基复合材料置于下部，轻质合金置于上部，构建焊接接头，得到待加工焊接件。利用压机在搭接区域上方施加0.3MPa的压力，开启热风枪，对准待焊接接头位置，调整温度使焊接区域的最大温度达400℃，焊接时间为150s；在焊接过程中通过超声换能器在热塑性树脂基复合材料上施加振动频率为10K赫兹，振幅为2μm的超声能量，引入超声时间为5s；之后冷却，得到CF/PEI热塑性树脂基复合材料-铝合金高效异质接头，接头拉伸强度为18MPa。
实施例3
将厚度为0.15mm的PPS薄膜放置在碳纤维增强聚苯硫醚热塑性树脂基复合材料(CF/PPS)-铝合金的搭接区域，其中树脂基复合材料置于下部，轻质合金置于上部，构建焊接接头，得到待加工焊接件。利用压机在搭接区域上方施加0.3MPa的压力，开启热风枪，对准待焊接接头位置，调整温度使焊接区域的最大温度达250℃，焊接时间为180s；在焊接过程中通过超声换能器在热塑性树脂基复合材料上施加振动频率为10K赫兹，振幅为2μm的超声能量，引入超声时间为8s；之后冷却，得到CF/PPS热塑性树脂基复合材料-铝合金高效异质接头，接头拉伸强度为28MPa。
实施例4
将厚度为0.20mm的PEI薄膜放置在玻璃纤维增强聚醚酰亚胺热塑性树脂基复合材料(GF/PEI)-钛合金的搭接区域，其中树脂基复合材料置于下部，轻质合金置于上部，构建焊接接头，得到待加工焊接件。利用压机在搭接区域上方施加0.3MPa的压力，开启热风枪，对准待焊接接头位置，调整温度使焊接区域的最大温度达400℃，焊接时间为240s；在焊接过程中通过超声换能器在热塑性树脂基复合材料上施加振动频率为10K赫兹，振幅为2μm的超声能量，引入超声时间为8s；之后冷却，得到GF/PEI热塑性树脂基复合材料-钛合金高效异质接头，接头拉伸强度为24MPa。
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)

1.一种树脂基复合材料与轻质合金的热气焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1.构建焊接接头：将热塑性树脂薄膜置入待焊接的树脂基复合材料与轻质合金接头区域；
步骤2.超声辅助热气焊接：对接头区域上部施加压力，开启热风枪，调整温度使焊接区域的最高温度为160～500℃进行焊接，焊接过程中同时施加超声振动；焊接结束后冷却，即获得树脂基复合材料-轻质合金焊接接头。
2.根据权利要求1所述的一种树脂基复合材料与轻质合金的热气焊接方法，其特征在于，步骤1构建焊接接头过程中，树脂基复合材料置于下部，轻质合金置于上部，步骤2中通过放置在树脂基复合材料上表面的超声换能器施加超声振动。
3.根据权利要求1所述的一种树脂基复合材料与轻质合金的热气焊接方法，步骤2中超声振动频率为10～100K赫兹，振幅为2～100μm。
4.根据权利要求1所述的一种树脂基复合材料与轻质合金的热气焊接方法，步骤2中施加压力为0.1～0.5MPa。
5.根据权利要求1所述的一种树脂基复合材料与轻质合金的热气焊接方法，步骤2中的焊接时间为60s～300s，超声时间为0.5～60s。
6.根据权利要求1所述的一种树脂基复合材料与轻质合金的热气焊接方法，所述轻质合金为铝合金、钛合金、铝锂合金、铝镁合金中的一种。
7.根据权利要求1所述的一种树脂基复合材料与轻质合金的热气焊接方法，所述树脂基复合材料的树脂基体为聚碳酸酯(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。
8.根据权利要求1所述的一种树脂基复合材料与轻质合金的热气焊接方法，所述树脂基复合材料为增强树脂基复合材料，增强材料为无机颗粒、晶须、短纤维或连续纤维中的一种或几种，增强材料中的纤维为碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、PBO纤维、玄武岩纤维中的一种或几种。
9.根据权利要求1所述的一种树脂基复合材料与轻质合金的热气焊接方法，所述热塑性树脂薄膜厚度为0.15～0.25mm，并与待焊的树脂基复合材料的树脂基体相同或极性相近。
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