CN112659562B - 一种热辐射柔性化连接高分子板材与泡沫金属异种材料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热辐射柔性化连接高分子板材与泡沫金属异种材料的方法，属于异质材料连接技术领域。该方法包括：向辐射加热箱内放置高分子板材和泡沫金属基材，对环境升温至高分子板材的玻璃化转变温度，保温至箱体内温度稳定；上述高分子板材与泡沫金属基材十字交叉固定连接，工具头按预设的加工轨迹路径水平方向环绕进给和竖直方向逐层下压，高分子板材以铆接形式渗入到泡沫金属基材的孔洞内完成连接。本发明引入辐射加热环境改进搅拌摩擦焊接中摩擦产热作为唯一热源，同时改善高分子板材的连接表面保持光滑，避免焊接出现的表面缺陷，连接处状态良好，未发生元素扩散，加工灵活可操作。

Description

一种热辐射柔性化连接高分子板材与泡沫金属异种材料的 方法

技术领域

本发明属于异质材料连接技术领域，具体涉及一种热辐射柔性化连接高分子板材与泡沫金属异种材料的方法。

背景技术

随着轻量化材料逐渐进入市场，高分子材料由于具有较小的密度、较高的力学、耐磨性等，在日常生活中应用十分广泛。泡沫金属是指含有泡沫气孔的特种金属材料，由于其特殊的结构特点如密度小、隔热性好、透气性能好等，也逐渐被应用于航空航天、石油化工等一系列工业开发领域。但是，由于泡沫金属特殊的气孔结构而表面粗糙，其力学性能随气孔率的增加而降低，为提高泡沫金属的力学性能及表面质量，考虑将高分子板材与泡沫金属的表面连接。鉴于传统的异种材料连接如胶接、机械连接、激光擦焊等，其连接强度、加工技术难度、连接面精度等存在一定问题。基于以上问题，需要对现有的高分子板材与泡沫金属材料的连接方法进行改进，以求达到连接强度高、连接状态良好、连接表面光滑和可灵活加工操作的目标。

发明内容

本发明的目的是提供了一种热辐射柔性化连接高分子板材与泡沫金属异种材料的方法，通过环境温度改变和强迫下压力控制高分子板材与泡沫金属材料的连接状态，连接结构为高分子板材交叉叠于泡沫金属基材上方，中心部位嵌入泡沫金属的孔洞中，基于高分子材料流动后以铆接的形式与泡沫金属基材相连接，可根据预设加工轨迹定制连接处形状及连接深度，最终获得的连接件表面光滑，连接处不发生元素融合，连接状态良好，连接强度高，可灵活加工。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

本发明提供的一种热辐射柔性化连接高分子板材与泡沫金属异种材料的加工装置，包括工具头、隔热盖板和辐射加热箱，所述辐射加热箱内侧壁设有隔热板和底部设有辐射加热源，所述隔热盖板置于所述辐射加热箱上方且可灵活移动；

自上而下依次还包括压板、高分子板材、泡沫金属基材、固定板和支撑板，所述固定板一端置于所述隔热板上、一端经连接螺钉固定于所述支撑板上，所述泡沫金属基材被夹紧固定于所述高分子板材、固定板和支撑板形成的空白区域内；

所述压板置于所述高分子板材上方外周，所述工具头与所述高分子板材和所述泡沫金属基材十字交叉位置连接形成的加工区域接触。

本发明提供的一种热辐射柔性化连接高分子板材与泡沫金属异种材料的方法，采用上述热辐射柔性化连接高分子板材与泡沫金属异种材料的加工装置进行加工，所述方法步骤如下：

S1：向辐射加热箱内放置高分子板材和泡沫金属基材，通过所述辐射加热箱对环境升温至高分子板材的玻璃化转变温度，保温直至箱体内温度稳定；

S2：按照权利要求1所述，将所述高分子板材与泡沫金属基材十字交叉固定连接，且连接处均匀受热；

S3：所述工具头按照预设的加工轨迹路径水平方向环绕进给和竖直方向逐层下压，从与所述高分子板材接触的水平面开始按预设轨迹运动，逐层下压使其与所述泡沫金属基材的部分表面紧密连接，所述高分子板材以铆接形式渗入到所述泡沫金属基材的孔洞内。

进一步，所述高分子板材处于橡胶态时，由所述工具头按照预定轨迹下压至目标连接状态。

进一步，所述加工轨迹路径可自由设定。

进一步，所述高分子板材为聚乳酸板材，所述泡沫金属基材为泡沫镍。

进一步，所述高分子板材和所述泡沫金属基材的连接区域形状可灵活加工，连接深度控制在0.5-1.5mm。

根据本发明的一些实施例，所述热辐射柔性化连接高分子板材与泡沫金属异种材料的方法，具体步骤如下：

步骤1，使用CAD软件绘制所述高分子板材和所述泡沫金属基材的连接区域的加工轨迹，得到工具头下压的加工轨迹路径；

步骤2，经所述连接螺钉紧固连接所述支撑板和固定板后，整体放置于所述辐射加热箱中固定位置，盖上所述隔热盖板；

步骤3，设置加工温度，打开温度控制开关，等待所述辐射加热箱中的环境温度达到预设温度，并保持10分钟在1℃上下浮动；

步骤4，将已切割尺寸合适的泡沫金属基材置于所述支撑板上，通过所述固定板限制其不发生位置移动；

步骤5，将已切割尺寸合适的高分子板材置于所述泡沫金属基材上十字交叉叠放；

步骤6，在所述高分子板材盖上压板后，整体装置盖上隔热盖板，等待辐射加热箱中的环境温度达到预设温度，并保持10分钟在1℃上下浮动；

步骤7，取掉隔热盖板，调取工具头的加工轨迹路径，启动数控机床；

步骤8，所述工具头按照所述加工轨迹路径下压所述高分子板材，水平方向环绕进给，竖直方向逐层下压，直至所述高分子板材渗入所述泡沫金属基材的孔洞中完成连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明充分利用高分子材料对温度敏感的特性，改变高分子板材的固态物理特性使其被工具头按照轨迹下压渗入泡沫金属的孔洞，且加工环境温度尚未达到其熔融温度和分解温度，未对高分子材料本身的化学特性改变。

(2)本发明引入辐射加热环境，克服搅拌摩擦焊接中摩擦产热作为唯一热源的问题。

(3)本发明增加环境温度对连接的影响且不需要通过摩擦产热，降低工具头的旋转速率，改善高分子板材的连接表面精度，避免焊接容易出现的表面缺陷，尤其是对高分子板材与金属异种材料的连接。

(4)连接区域、深度均可通过设计工具头路径轨迹控制，可以方便、灵活的完成连接件的加工；且连接处未发生元素扩散，由于工具头下压后材料流动形成铆接方式，连接强度高。

(5)本发明的连接结构中，高分子板材与金属泡沫基材呈十字交叉叠放，其中高分子板材表面的中心区域渗入到泡沫金属基材内部孔洞，连接区域形状可灵活制定，连接深度亦可控制在0.5-1.5mm。该连接结构便于两种材料的连接位置处在辐射加热环境中保持受热均匀，便于固定两种材料的加工位置；在测试两种材料的连接强度时，可以对两种材料分别夹持，设计柔性化拉伸夹具使用常规拉伸机进行剥离测试。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明中热辐射柔性化连接高分子板材与泡沫金属异种材料的加工装置的结构示意图；

图2为一较佳实施例中高分子板材与金属基材的连接结构示意图；

图3为工具头加工轨迹路径的示意图；

图4为实施例1中聚乳酸板材和泡沫镍异种材料热辐射柔性化连接面的照片；

附图中的标记表示为：1-工具头、2-压板、3-固定板、4-支撑板、5-高分子板、6-泡沫金属、7-连接螺钉、8-隔热板、9-辐射加热源、10-箱体，11-隔热盖板。

具体实施方式

下面结合附图，进一步对本发明的优选实施例进行详细描述，以下的描述为示例性的，并非对本发明的限制，任何的其他类似情形也都落入本发明的保护范围之中。

如图1至3所示，本发明采用的热辐射柔性化连接高分子板材与泡沫金属异种材料的加工装置，包括工具头1、隔热盖板11和辐射加热箱10，辐射加热箱10内侧壁设有隔热板8和底部设有辐射加热源9，隔热盖板11置于辐射加热箱10上方且可灵活移动；自上而下依次还包括压板2、高分子板材5、泡沫金属基材6、固定板3和支撑板4，固定板3一端置于隔热板8上、一端经连接螺钉7固定于支撑板4上，泡沫金属基材6被夹紧固定于高分子板材5、固定板3和支撑板4形成的空白区域内；压板2置于高分子板材5上方外周，工具头1与高分子板材5和泡沫金属基材6十字交叉位置连接形成的加工区域接触。

热辐射柔性化连接高分子板材与泡沫金属异种材料的加工方法，步骤如下：

S1：向辐射加热箱内放置高分子板材和泡沫金属基材，通过辐射加热箱对环境升温至高分子板材的玻璃化转变温度，保温直至箱体内温度稳定；

S2：按照权利要求1，高分子板材与泡沫金属基材十字交叉固定连接，且连接处均匀受热；

S3：工具头在预设的加工轨迹路径下经过旋转进给和逐层下压，从与高分子板材接触的水平面开始按预设轨迹运动，逐层下压使其与泡沫金属基材的部分表面紧密连接，高分子板材以铆接形式渗入到泡沫金属基材的孔洞内。

示例性地或备选地，高分子板材处于橡胶态时，由工具头按照预定轨迹下压至目标连接状态。

示例性地或备选地，加工轨迹路径可自由设定。

示例性地或备选地，高分子板材为聚乳酸板材，泡沫金属基材为泡沫镍。

示例性地或备选地，高分子板材和泡沫金属基材的连接区域形状可灵活加工，连接深度控制在0.5-1.5mm。

示例性地或备选地，热辐射柔性化连接高分子板材与泡沫金属异种材料的具体步骤如下：

步骤1，用CAD软件绘制高分子板材和泡沫金属基材连接区域的加工轨迹，得到工具头下压的加工轨迹路径；

步骤2，经连接螺钉紧固连接支撑板和固定板后，整体放置于辐射加热箱中固定位置，盖上隔热盖板；

步骤3，设置加工温度，打开温度控制开关，等待辐射加热箱中的环境温度达到预设温度，并保持10分钟在1℃上下浮动；

步骤4，将泡沫金属基材置于支撑板上，通过固定板限制其不发生位置移动；

步骤5，将高分子板材置于泡沫金属基材上十字交叉叠放；

步骤6，在高分子板材盖上压板后，整体装置盖上隔热盖板，待辐射加热箱中的环境温度达到预设温度，并保持10分钟在1℃上下浮动；

步骤7，取掉隔热盖板，调取工具头的加工轨迹路径，启动数控机床；

步骤8，工具头按上述加工轨迹路径下压高分子板材，水平方向环绕进给，竖直方向逐层下压，直至高分子板材铆接渗入泡沫金属基材的孔洞中完成连接。

实施例1

热辐射柔性化连接聚乳酸板材和泡沫镍异种材料，具体步骤如下：

步骤1，使用CAD软件绘制连接区域所需工具头的增量下压运动轨迹，设计两种材料的连接区域为3cm×3cm方形，工具头单次下压深度为0.5mm，共计下压深度为1mm；

步骤2，连接支撑板与固定板，使用螺钉紧固，紧固后的支撑板与固定板放置在辐射加热箱中，固定位置；

步骤3，将整个装置盖上隔热盖板，设置加工温度为170℃，打开温度控制开关，等待辐射加热箱中的环境温度升高到预设温度170℃，并保持10分钟在1℃上下浮动；

步骤4，将尺寸为80mm×80m×10mm的泡沫镍置于支撑板上，固定板限制该泡沫镍不发生位置移动；

步骤5，将尺寸为80mm×80m×3mm的聚乳酸板材置于泡沫镍上呈十字交叉叠放；

步骤6，在聚乳酸板材上盖上压板，将整个装置盖上隔热盖板，等待辐射加热箱中的环境温度达到170℃，并保持10分钟在1℃上下浮动；

步骤7，取掉隔热盖板，调取工具头加工轨迹，启动数控机床；

步骤8，工具头以100r/min的速度旋转，按照预设轨迹逐层下压高分子板材，水平方向环绕进给，进给速率为1000mm/min，竖直方向逐层下压，聚乳酸板料达到橡胶态，轻易地被工具头压入泡沫镍的孔洞中；

步骤9，工具头走完全部加工路径后，完成两种材料的连接，如图4所示。

实施例2

热辐射柔性化连接聚乳酸板材和泡沫镍异种材料，具体步骤如下：

步骤1，使用CAD软件绘制连接区域所需工具头的增量下压运动轨迹，设计两种材料的连接区域为直径3cm的圆形形状，工具头单次下压深度为0.5mm，共计下压深度为1mm；

步骤2，连接支撑板与固定板，使用螺钉紧固，紧固后的支撑板与固定板放置在辐射加热箱中，固定位置；

步骤3，将整个装置盖上隔热盖板，设置加工温度为180℃，打开温度控制开关，等待辐射加热箱中的环境温度升高到预设温度180℃，并保持10分钟在1℃上下浮动；

步骤4，将尺寸为80mm×80m×10mm的泡沫镍置于支撑板上，固定板限制泡沫镍不发生位置移动；

步骤5，将尺寸为80mm×80m×3mm的聚乳酸板材置于泡沫镍上，呈十字交叉叠放；

步骤6，在聚乳酸板材上盖上压板，将整个装置盖上隔热盖板，等待辐射加热箱中的环境温度达到180℃，并保持10分钟在1℃上下浮动；

步骤7，取掉隔热盖板，调取工具头加工轨迹，启动数控机床；

步骤8，工具头以100r/min的速度旋转，按照预设轨迹逐层下压高分子板材，水平方向环绕进给，进给速率为1000mm/min，竖直方向逐层下压，聚乳酸板料达到橡胶态，轻易地被工具头压入泡沫镍的孔洞中；

步骤9，工具头走完全部加工路径后，完成两种材料的连接。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种热辐射柔性化连接高分子板材与泡沫金属异种材料的方法，其特征在于，采用热辐射柔性化连接高分子板材与泡沫金属异种材料的加工装置进行加工，所述方法步骤如下：

S1：向辐射加热箱内放置高分子板材和泡沫金属基材，通过所述辐射加热箱对环境升温至高分子板材的玻璃化转变温度，保温直至箱体内温度稳定；

S2：将所述高分子板材与泡沫金属基材十字交叉固定连接，且连接处均匀受热；

S3：工具头按照预设的加工轨迹路径水平方向环绕进给和竖直方向逐层下压，从与所述高分子板材接触的水平面开始按预设轨迹运动，逐层下压使其与所述泡沫金属基材的部分表面紧密连接，所述高分子板材以铆接形式渗入到所述泡沫金属基材的孔洞内；

所述热辐射柔性化连接高分子板材与泡沫金属异种材料的加工装置包括工具头、隔热盖板和辐射加热箱，所述辐射加热箱内侧壁设有隔热板和底部设有辐射加热源，所述隔热盖板置于所述辐射加热箱上方且可灵活移动；

自上而下依次还包括压板、高分子板材、泡沫金属基材、固定板和支撑板，所述固定板一端置于所述隔热板上、一端经连接螺钉固定于所述支撑板上，所述泡沫金属基材被夹紧固定于所述高分子板材、固定板和支撑板形成的空白区域内；

所述压板置于所述高分子板材上方外周，所述工具头与所述高分子板材和所述泡沫金属基材十字交叉位置连接形成的加工区域接触；

所述高分子板材处于橡胶态时，由所述工具头按照预定轨迹下压至目标连接状态；

所述高分子板材为聚乳酸板材，所述泡沫金属基材为泡沫镍。

2.根据权利要求1所述的热辐射柔性化连接高分子板材与泡沫金属异种材料的方法，其特征在于，所述加工轨迹路径自由设定。

3.根据权利要求1所述的热辐射柔性化连接高分子板材与泡沫金属异种材料的方法，其特征在于，所述高分子板材和所述泡沫金属基材的连接区域形状灵活加工，连接深度控制在0.5-1.5mm。

4.根据权利要求1至3任一项所述的热辐射柔性化连接高分子板材与泡沫金属异种材料的方法，其特征在于，步骤如下：

步骤1，用CAD软件绘制所述高分子板材和所述泡沫金属基材连接区域的加工轨迹，得到所述工具头下压的加工轨迹路径；

步骤2，经所述连接螺钉紧固连接所述支撑板和固定板后，整体放置于所述辐射加热箱中固定位置，盖上所述隔热盖板；

步骤3，设置加工温度，打开温度控制开关，等待所述辐射加热箱中的环境温度达到预设温度，并保持10分钟在1℃上下浮动；

步骤4，将所述泡沫金属基材置于所述支撑板上，通过所述固定板限制其不发生位置移动；

步骤5，将所述高分子板材置于所述泡沫金属基材上十字交叉叠放；

步骤6，在所述高分子板材盖上所述压板后，整体装置盖上所述隔热盖板，待辐射加热箱中的环境温度达到预设温度，并保持10分钟在1℃上下浮动；

步骤7，取掉所述隔热盖板，调取所述工具头的加工轨迹路径，启动数控机床；

步骤8，所述工具头按上述加工轨迹路径下压所述高分子板材，水平方向环绕进给，竖直方向逐层下压，直至所述高分子板材铆接渗入所述泡沫金属基材的孔洞中完成连接。

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