CN112895474A - 一种纤维增强热塑性复合材料与金属的连接方法 - Google Patents

一种纤维增强热塑性复合材料与金属的连接方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及材料连接工艺技术领域，尤其涉及一种纤维增强热塑性复合材料与金属的连接方法。该连接方法，通过在工件一和工件二的连接界面之间设置中间层，超声波作用在工件一远离中间层的一侧，激光束作用在工件二远离中间层的一侧。通过中间层的设置，能够吸收激光束热传导的能量，避免热量直接作用到工件一上导致材料基体热破坏；当超声波作用在工件一上时，中间层可以提高连接界面处的声能密度，使产热速度增加，减少焊接时间；激光束和超声波能够集中传递并集中至中间层，在压力作用下中间层会先升温熔化并向两侧流动展开，由于中间层中含有短纤维，短纤维残留在焊缝中，能够减少连接界面处的应力集中，提高焊接强度。

Description

一种纤维增强热塑性复合材料与金属的连接方法
技术领域
本发明涉及材料连接工艺技术领域，尤其涉及一种纤维增强热塑性复合材料与金属的连接方法。
背景技术
纤维增强热塑性复合材料(Fiber Reinforced Thermo Plastics，简称FRTP)，具有可设计性强，强度刚度高，结构尺寸稳定性好，耐腐蚀，抗疲劳断裂性能好，特殊的电磁性能以及便于大面积整体成形等独特的优点，在航空航天、国防军事等领域的应用日益增多。
对于FRTP试样超声波焊接，需要很高的能量使其FRTP表面树脂熔化，然后互相润湿。但是由于FRTP表面不是绝对的平整，从而需要熔融和软化的树脂通过流动和变形来补偿因平行度而导致的缝隙问题。一方面，高纤维含量的复合材料表面的树脂含量较少，并且FRTP表面树脂的分布也不是均匀的，所以需要更多的焊接时间，更多的能量才能使焊缝中溶液层厚度保持不变，出现稳态熔化。而更多的能量输入会对基体产生影响，在界面处出现热影响区和缺陷(裂纹、气孔)，降低接头性能。另一方面，由于两者属于异种材料，接头一侧含有纤维，使两者的热物理性能差别很大，界面存在很大应力，产生应力集中。
采用激光连接，激光束照射到金属侧热量通过热传导作用到金属与纤维增强热塑性复合材料的界面处，会对基体材料造成一定程度的热损伤，并且激光束能量产生的熔池存在的时间较短并且尺寸小，FRTP树脂不能形成充分的流动，在界面处会残留很多小气孔缺陷。
因此，亟待需要一种纤维增强热塑性复合材料与金属的连接方法以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种纤维增强热塑性复合材料与金属的连接方法，以解决现有技术中存在的连接界面处容易产生应力集中和缺陷以及接头连接强度低等问题。
为实现上述目的，提供以下技术方案：
一种纤维增强热塑性复合材料与金属的连接方法，包括如下步骤：
S01、在由纤维增强热塑性复合材料制成的工件一和由金属制成的工件二的连接界面之间设置由短纤维热塑性复合材料制成的中间层；
S02、超声波作用在所述工件一远离所述中间层的一侧，激光束作用在所述工件二远离所述中间层的一侧；
S03、所述超声波和所述激光束同时进行焊接。
作为纤维增强热塑性复合材料与金属的连接方法的优选方案，在步骤S01中，所述中间层的厚度为0.1mm～0.5mm。
作为纤维增强热塑性复合材料与金属的连接方法的优选方案，在步骤S01之前，还包括：利用砂纸对所述工件一和所述工件二的连接界面的表面依次进行磨平，清洗，风干。
作为纤维增强热塑性复合材料与金属的连接方法的优选方案，在步骤S03中，根据所述超声波的焊接时间，设定所述激光束从所述工件一和所述工件二的连接界面的一端移动到另一端的移动速度。
作为纤维增强热塑性复合材料与金属的连接方法的优选方案，在步骤S01中，利用夹具对所述工件一和所述工件二进行固定。
作为纤维增强热塑性复合材料与金属的连接方法的优选方案，在步骤S01中，所述工件一由纤维铺层方式为单向铺层的纤维增强热塑性复合材料制成；或所述工件一由纤维铺层方式为多向铺层的纤维增强热塑性复合材料制成。
作为纤维增强热塑性复合材料与金属的连接方法的优选方案，在步骤S01中，所述工件二由有色金属制成。
作为纤维增强热塑性复合材料与金属的连接方法的优选方案，所述工件二的材质为铝合金或钛合金。
作为纤维增强热塑性复合材料与金属的连接方法的优选方案，所述激光束的功率为50W～100W。
作为纤维增强热塑性复合材料与金属的连接方法的优选方案，所述激光束为线形激光束。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供的纤维增强热塑性复合材料与金属的连接方法，通过在工件一和工件二的连接界面之间设置中间层，超声波作用在工件一远离中间层的一侧，激光束作用在工件二远离中间层的一侧。在焊接过程中，中间层的设置，一方面可以吸收激光束热传导的能量，避免热量直接作用到纤维增强热塑性复合材料制成的工件一上，避免对工件一的材料基体造成热破坏，并且当超声波作用在由纤维增强热塑性复合材料制成的工件一上时，中间层可以提高连接界面处的声能密度，使产热速度增加，减少焊接时间；另一方面，在工件一和工件二结合过程中，激光束和超声波能够集中传递并集中至中间层，在压力作用下中间层会先升温熔化并向两侧流动展开。由于中间层中含有短纤维，短纤维残留在焊缝中，能够提高焊接接头纤维含量，减少连接界面处的应力集中，提高焊接强度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的纤维增强热塑性复合材料与金属的连接方法的示意图；
图2为本发明实施例提供的纤维增强热塑性复合材料与金属的连接方法的界面结合的示意图。
附图标记：
100-工件一；
200-工件二；
300-中间层；
400-超声波焊头；
500-激光束。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或是本产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1-图2所示，本实施例提供了一种纤维增强热塑性复合材料与金属的连接方法，包括如下步骤：
S01、在由纤维增强热塑性复合材料制成的工件一100和由金属制成的工件二200的连接界面之间设置由短纤维热塑性复合材料制成的中间层300；
S02、超声波作用在工件一100远离中间层300的一侧，激光束作用在工件二200远离中间层300的一侧；
S03、超声波和激光束同时进行焊接。
本实施例提供的纤维增强热塑性复合材料与金属的连接方法，在焊接过程中，中间层300的设置，一方面可以吸收激光束热传导的能量，避免热量直接作用到纤维增强热塑性复合材料制成的工件一100上，避免对工件一100的材料基体造成热破坏，并且当超声波作用在由纤维增强热塑性复合材料制成的工件一100上时，中间层300可以提高连接界面处的声能密度，使产热速度增加，减少焊接时间；另一方面，在工件一100和工件二200结合过程中，激光束和超声波能够集中传递并集中至中间层300，在压力作用下中间层300会先升温熔化并向两侧流动展开。由于中间层300中含有短纤维，短纤维残留在焊缝中，能够提高焊接接头纤维含量，减少连接界面处的应力集中，提高焊接强度。
如图1所示，超声波焊头400设置在工件一100的上方，超声波焊头400产生的超声波作用在由纤维增强热塑性复合材料制成的工件一100上；激光束500设置在工件二200的下方，激光束500产生的激光束作用在由金属制成的工件二200上；中间层300设置在工件一100和工件二200的连接界面处，以提高连接界面的焊接强度，减少裂纹、气孔等缺陷。
优选地，在步骤S01之前，还包括：利用砂纸对工件一100和工件二200的连接界面的表面依次进行磨平、清洗、风干。具体地，采用细砂纸进行磨平，利用酒精进行清洗，自然风干后待用，以提高工件一100和工件二200的焊接强度。
当然，在其他实施例中，还可以是对工件一100和工件二200的整体进行砂纸磨平，并用酒精清洗，自然风干后待用。
优选地，在步骤S01中，利用夹具对工件一100和工件二200进行固定，以防止工件一100和工件二200在超声波和激光束的作用下发生振动，影响焊接强度。
优选地，在步骤S03中，根据超声波的焊接时间，设定激光束从工件一100和工件二200的连接界面的一端移动到另一端的移动速度，以确保超声波的作用时间和激光束的作用时间相同。
进一步地，在步骤S01中，中间层300的厚度为0.1mm～0.5mm。
优选地，在步骤S01中，工件一100由纤维铺层方式为单向铺层的纤维增强热塑性复合材料制成，即单向层压板，由单向无编织的纤维预浸料铺层片沿着同一方向叠合、压制而成的。
可选地，工件一100由纤维铺层方式为多向铺层的纤维增强热塑性复合材料制成，即多向层压板，由单向无编织的纤维预浸料铺层片沿着相同的方向角，且沿每个方向的铺层数相等的铺设方式叠合压制而成。
单向铺层和多向铺层在结构上具有很高的稳定性。在超声波焊接过程中，工件一100和工件二200的焊接接头界面处主要受垂直方向的压力。对于无导能筋的工件，在界面处树脂虽然受热熔化，并且产生流动，但是碳纤维原有的分布状态并没有发生明显改变，依然是原来的单向或者多向层状分布。
可选地，在步骤S01中，工件二200由有色金属制成。有色金属具有优良性能、耐腐蚀、高强度的优点。
示例性地，工件二200的材质为铝合金或钛合金。
在本实施例中，工件一100的尺寸为60mm×20mm×2mm，工件二200的尺寸为60mm×20mm×2mm，工件一100和工件二200的连接界面的长度为10mm。
优选地，中间层300的厚度为0.1mm～0.5mm，以保证工件一100和工件二200的焊接强度，并减少裂纹、气孔等焊接缺陷。
进一步地，激光束的功率为50W～100W，能够保证减少焊接时间的同时提高焊接强度。
优选地，激光束为线形激光束，以对工件一100和工件二200的连接界面进行激光焊接。
焊接过程为：线形激光束从工件一100和工件二200的连接界面的一端开始移动，运动到另一端后关闭激光束500，通过热传导使中间层300中的热塑性树脂融化。另一侧，超声波焊头400与工件二200接触，施压并开始振动，高频振动摩擦发热使聚合物材料升温至其熔点。在两者的共同作用下，熔化的树脂流入结合面，并向两侧流动展开。由于超声波的加入，可以使工件一100的FRTP基体和中间层300界面处树脂处于熔融的时间更长，熔化的树脂能够更充分的铺展，填补界面处的缝隙，同时也抑制了气孔的产生。接着中间层300稳态熔化，形成薄的熔化层，界面处发生分子间扩散，最后随着焊缝冷却和凝固形成可靠的连接。
本实施例提供的纤维增强热塑性复合材料与金属的连接方法，通过超声波辅助激光连接技术实现高纤维含量的复合材料与金属自动化、低成本、可靠的连接；在连接界面处设计加入中间层300，解决界面应力集中、接头热影响区、气孔等缺陷的产生问题，并且有效的提高接头的整体强度。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所说的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种纤维增强热塑性复合材料与金属的连接方法，其特征在于，包括如下步骤：
S01、在由纤维增强热塑性复合材料制成的工件一(100)和由金属制成的工件二(200)的连接界面之间设置由短纤维热塑性复合材料制成的中间层(300)；
S02、超声波作用在所述工件一(100)远离所述中间层(300)的一侧，激光束作用在所述工件二(200)远离所述中间层(300)的一侧；
S03、所述超声波和所述激光束同时进行焊接。
2.根据权利要求1所述的纤维增强热塑性复合材料与金属的连接方法，其特征在于，在步骤S01中，所述中间层(300)的厚度为0.1mm～0.5mm。
3.根据权利要求1所述的纤维增强热塑性复合材料与金属的连接方法，其特征在于，在步骤S01之前，还包括：利用砂纸对所述工件一(100)和所述工件二(200)的连接界面的表面依次进行磨平，清洗，风干。
4.根据权利要求1所述的纤维增强热塑性复合材料与金属的连接方法，其特征在于，在步骤S03中，根据所述超声波的焊接时间，设定所述激光束从所述工件一(100)和所述工件二(200)的连接界面的一端移动到另一端的移动速度。
5.根据权利要求1-4任一项所述的纤维增强热塑性复合材料与金属的连接方法，其特征在于，在步骤S01中，利用夹具对所述工件一(100)和所述工件二(200)进行固定。
6.根据权利要求1-4任一项所述的纤维增强热塑性复合材料与金属的连接方法，其特征在于，在步骤S01中，所述工件一(100)由纤维铺层方式为单向铺层的纤维增强热塑性复合材料制成；或所述工件一(100)由纤维铺层方式为多向铺层的纤维增强热塑性复合材料制成。
7.根据权利要求1-4任一项所述的纤维增强热塑性复合材料与金属的连接方法，其特征在于，在步骤S01中，所述工件二(200)由有色金属制成。
8.根据权利要求7所述的纤维增强热塑性复合材料与金属的连接方法，其特征在于，所述工件二(200)的材质为铝合金或钛合金。
9.根据权利要求1-4任一项所述的纤维增强热塑性复合材料与金属的连接方法，其特征在于，所述激光束的功率为50W～100W。
10.根据权利要求9所述的纤维增强热塑性复合材料与金属的连接方法，其特征在于，所述激光束为线形激光束。
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