CN113561497B - 一种表面编织的金属材料与frp复合材料一体化连接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种表面编织的金属材料与FRP复合材料一体化连接方法，其解决了金属与纤维增强材料连接时，界面结合强度低，抗拉载荷小的技术问题。其采用金属网‑纤维网‑金属板材相互交错重叠的形式，并通过滚压和电阻焊的方式，将金属网结点焊接于金属板材上，形成金属网与纤维网相互交织的结构，再过加热和滚压的方式将FRP板材与金属板材实现紧密结合。本发明可广泛应用于焊接技术领域。

Description

一种表面编织的金属材料与FRP复合材料一体化连接方法
技术领域
本发明属于焊接技术领域，更具体地说，是涉及一种表面编织的金属材料与FRP复合材料一体化连接方法。
背景技术
随着材料工业的进步与连接技术的发展，结构轻量化概念逐渐得到了普及，采用轻质轻量化的材料替代传统铝、钢等金属材料是实现结构轻量化的一种重要方法。其中，聚合物及其纤维增强材料(FRP)具有密度小、比强度高、耐腐蚀、耐热性好等优异性能，在航空航天、轨道交通、车辆工程等领域具有广泛的应用背景。采用金属/FRP复合结构有利于兼顾金属材料优异的韧性以及FRP轻质高强的优势，在满足结构承载要求的基础上实现“结构轻量化”的目标。但由于金属材料与FRP复合材料性质的差异，使得二者之间难以形成稳定、高强度的分子键合，目前工业中主要采用胶结、机械连接等方法对金属材料与FRP进行连接，如：铆接、螺栓连接等。但二者均存在一定的问题，如：胶接的固化时间长，胶层易受环境温湿度影响；铆接和螺栓连接等方法需对FRP板材预制孔洞，一方面破坏FRP复合材料内部纤维的连续性，另一方面在一定载荷下螺栓连接处容易产生应力集中，继而间接影响接头的使用寿命。目前也有学者提出使用焊接技术对金属材料和FRP复合材料进行连接，包括电阻焊、激光焊、搅拌摩擦焊等，其原理在于使金属与FRP材料界面处形成宏观、微观机械互锁结构，或采用表面处理的方法实现界面的化学键合。但对界面强度提高有限，需采取其他方法提高界面连接强度。
Gianluca Buffa等人采用摩擦自铆接的方法对聚丙烯和AA6082-T6铝合金进行了连接，在铝合金板材焊缝两侧预制孔洞结构。在焊接过程中，热塑性树脂材料受热流动，进入铝合金孔洞结构中，从而形成铆接结构，提升二者的结合强度。该方法的本质是使得铝合金与热塑性树脂材料之间形成宏观互锁结构，当承受拉伸载荷时，树脂铆钉处容易形成应力集中，造成接头的失效。
中国专利CN111559137A，一种硅烷表面改性的纤维增强金属复合板制备工艺，采用阳极氧化和硅烷偶联剂处理的方式使界面产生微观互锁结构及化学键合，从而提升接头界面的连接强度，但此方法对界面提升效果有限，且对偶联剂及金属材料的种类有要求。
中国专利：CN111231375A公开了一种CFRP/铝合金复合结构的热成形共固化一体化的成形方法，该方法通过对铝合金进行表面处理使之粗糙化，并在处理后的表面铺设预浸料，经过后续的加热、保温、时效、空冷的步骤，制备得到CFRP/铝合金复合结构，该方法通过增加界面微观互锁结构及固化成型，但所需制备时间较长，生产效率仍需提升。
因此，如何使金属材料及FRP板材之间形成机械互锁及化学键合，使金属/FRP板材界面具有较高的结合强度，又避免对树脂侧内部纤维造成损伤，同时又能够提高生产效率，成为了本发明准备突破的技术瓶颈。
发明内容
本发明就是为了解决上述背景技术的不足，提供了一种金属网、纤维网重叠，通过加热和滚压的方式，实现界面金属、纤维交织结构的金属材料与FRP复合材料一体化连接方法。
为此，本发明提供了一种表面编织的金属材料与FRP复合材料一体化连接方法，具体的步骤如下：
(1)材料准备：准备金属板材、金属网、纤维网和FRP板材，并使用夹具对金属板材进行装夹固定；
(2)铺设纤维网和金属网：在金属板材上平铺一层纤维网，纤维网上铺设一层金属网，纤维网和金属网的网格方向均为正十字向，所放置后的金属网的网格位置与纤维网的网格位置不重合；
(3)一次滚压和电阻焊：使用金属滚筒对步骤(2)中铺设的金属网进行一次滚压，将金属滚筒及金属板材分别连接至单相工频交流电阻焊机电流输出端，进行通电焊接，使金属网结点经滚压后透过纤维网的网格间隙焊接至金属板材表面；
(4)加热和二次滚压：将FRP板材铺设于焊接金属网和纤维网的金属板材上，对金属板材一侧进行均匀加热，然后使用金属滚筒对FRP板材进行二次滚压，使FRP板材与金属板材紧密结合，得到复合构件；
(5)冷却：将步骤(4)制备的复合构件放置于空气中冷却至室温。
优选的，步骤(1)中，金属网材质与金属板材的金属材料相同，金属材料为铝合金、低碳钢或不锈钢；纤维网材质与FRP板材中纤维材料相同，纤维材料为碳纤维或玻璃纤维。
优选的，步骤(1)中，需要对纤维网做表面处理，使得纤维网表面和FRP树脂基体之间能够形成化学键。
优选的，步骤(2)中，金属网的网格大小与纤维网的网格大小相同。
优选的，步骤(2)中，铺设在金属板材表面的金属网格结点位于纤维网格空位中心位置。
优选的，步骤(4)中，铺设FRP板材前，需要对焊接有金属网的金属板材进行表面处理，使得金属网与金属板材表面形成微观粗糙的结构以增强金属与FRP树脂基体之间的微观机械互锁，或使金属网与金属板材表面能够与FRP树脂基体之间形成化学键以增强结合强度。
优选的，步骤(3)和步骤(4)中，金属滚筒表面具有沿轴向排列的环状结构，两个环状结构间距与金属网格每一小格边长相同。
优选的，金属滚筒表面硬度为40HV～60HV。
优选的，步骤(4)中，金属板材的加热温度控制在FRP树脂基体粘流态温度至热变性温度之间。
优选的，步骤(5)中，空气湿度为20％～30％。
本发明的有益效果为：
(1)本发明的表面编织的金属材料与FRP复合材料一体化连接方法中，首先，通过对纤维网的表面处理，使得纤维网与FRP树脂基体之间能够形成化学键，增强了纤维网和FRP板材之间的结合强度；其次，通过对金属网和金属板材的表面处理，使得金属网与金属板材表面形成微观粗糙的结构以增强金属与FRP树脂基体之间的微观机械互锁，或使金属网与金属板材表面能够与FRP树脂基体之间形成化学键以增强结合强度；最后，再通过金属网和纤维网的重叠交织结构，为界面进一步提供较高的结合力。通过三层结合，使得金属板材与FRP板材界面具有较高的结合强度的同时，又避免对FRP树脂基体内部纤维造成损伤，同时又提高了生产效率。
(2)本发明的表面编织的金属材料与FRP复合材料一体化连接方法中，通过滚压和电阻焊的方式，一方面，将金属网结点透过纤维网焊接至金属板材表面，形成金属网及纤维网相互交错重叠的结构，简化了编织过程，另一方面，金属网与金属板材之间由焊点相连接，同种金属材料之间具有较高的结合强度。再通过加热和滚压的方式，同时利用了FRP树脂基体受热流动以及金属材料高导热率的特征，使界面FRP材料软化，实现金属材料与FRP复合材料之间的紧密结合。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的铝合金网和碳纤维网叠放顺序的示意图；
图2为本发明的铝合金网和碳纤维网叠放位置及网格大小的结构示意图；
图3为本发明的滚压过程及滚压后连接效果图；
图4为本发明的压合过程示意图；
图中符号说明：
1.铝合金网；2.碳纤维网；3.铝合金板；4.焊点；5.金属滚筒；6.碳纤维增强PA66板。
具体实施方式
为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请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申请，并不用于限定本申请。
本发明提供了一种表面编织的金属材料与FRP复合材料一体化连接方法，需要准备金属板材、金属网、纤维网和FRP板材，金属网材质与金属板材的金属材料相同，金属材料为铝合金、低碳钢或不锈钢；纤维网材质与FRP板材中纤维材料相同，纤维材料为碳纤维或玻璃纤维。
首先，需要对纤维网进行表面预处理，使得纤维网表面与FRP树脂基体之间能够形成化学键。如经过气相氧化后的碳纤维网表面积增加，并生成酸性官能团，可促进纤维与树脂基体间的连接。
其中，碳纤维网的具体处理方法包括但不限于气相氧化法、液相氧化法、电化学法、等离子法和催化氧化法，玻璃纤维的表面处理方法包括但不限于热化学处理法、前处理法、后处理法、迁移法。
其次，采用金属网-纤维网-金属板材相互交错重叠的形式，金属网与纤维网交错重叠，金属网与纤维网网格边长为4～5mm，布置方向均采用正十字方向，使得放置后的金属网的结点位置位于纤维网网格的空隙位置。
然后采用具有沿轴向排列环状结构的金属滚筒，使用金属滚筒对金属网进行压滚，两环状结构间距与金属网格每一小格边长相同，以使得金属滚筒凸起位置将金属网的结点透过纤维网网格空隙压至金属板材表面。在金属滚筒与金属板材之间通有电流，在通电的条件下，金属网与金属板材相接触的位置接触面积小，电阻大，产生电阻热，从而形成焊点，将金属网结点焊接至金属板材表面。同时将纤维网压在金属板材与金属网之间，形成纤维网与金属网相互编织的结构。
然后，需要对焊接金属网的金属板材进行表面处理，使得金属网与金属板材表面形成微观粗糙的结构以增强金属与树脂材料之间的微观机械互锁，或使金属网与金属板材表面能够与FRP树脂基体之间形成化学键以增强结合强度。表面处理方法包括但不限于硅烷偶联剂处理法、阳极氧化法和等离子处理法。
接着，将FRP板材下压至金属网表面，同时在金属板材另一侧安装有感应加热设备，利用感应加热设备对金属板材进行加热，并将金属板材温度控制在FRP树脂基体粘流态温度至热变性温度之间，利用金属材料良好的导热性能，使界面位置树脂基体受热流动，填满金属网与纤维网之间的空隙。同时，使用金属滚筒对FRP板材按同方向进行2-3次滚压，使FRP板材充分填充界面间隙并排出界面气泡，使金属板材与FRP板材紧密结合，得到复合构件。
最后，将复合构件放入空气中冷却，控制空气的湿度为20％～30％，以避免部分FRP树脂基体在高温下吸湿，冷却使界面树脂材料固化。
一种表面编织的铝合金材料与碳纤维增强复合材料一体化连接方法，具体步骤为：
步骤一：准备铝合金板3、铝合金网1、碳纤维网2和碳纤维增强PA66板6，将碳纤维网2在420℃空气氛围中加热氧化处理7小时，并对铝合金板3和铝合金网1进行抛光处理，然后使用夹具对铝合金板3进行装夹固定。
步骤二：如图1所示，在铝合金板3上平铺一层氧化过的碳纤维网2，在碳纤维网2上铺设一层铝合金网1，碳纤维网和铝合金网的网格方向均为正十字向，且铝合金网的网格大小与碳纤维网的网格大小相同，铺设在铝合金板3表面的铝合金网格结点位于碳纤维网格空位中心位置，如图2所示。
步骤三：采用表面具有沿轴向排列的环状结构的金属滚筒5对铝合金网1进行压焊，其中金属滚筒5的两环状结构间距与铝合金网格每一小格边长相同，且金属滚筒5表面硬度为40HV～60HV。
将金属滚筒5及铝合金板3分别连接至单相工频交流电阻焊机电流输出端，在380V交流电流下进行通电焊接，电流大小为32kA，电流频率为50Hz，然后，使用金属滚筒5对步骤二中铺设的铝合金网1进行一次滚压，使铝合金网1结点经滚压后透过碳纤维网2网格间隙焊接至铝合金板3表面，如图3所示。
步骤四：将已抛光后的铝合金板3及铝合金网1表面采用NaOH碱洗后，使用硅烷偶联剂进行表面处理，再将铝合金网1和铝合金板3放在干燥箱中固化烘干。
步骤五：将碳纤维增强PA66板6铺设于步骤四处理后的铝合金网1上，铝合金板3一侧安装有感应加热设备，通过感应加热设备对铝合金板3进行均匀加热，使碳纤维增强PA66板6与铝合金板3界面的温度达到PA66黏流态温度260℃附近。
步骤六：使用金属滚筒5对碳纤维增强PA66板6进行二次滚压，使碳纤维增强PA66板6与铝合金板3紧密结合，得到复合构件，如图4所示。
步骤七：将复合构件板材放置于20～30％的空气湿度中冷却至室温。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种表面编织的金属材料与FRP复合材料一体化连接方法，其特征是，步骤如下：
(1)材料准备：准备金属板材、金属网、纤维网和FRP板材，并使用夹具对金属板材进行装夹固定；
(2)铺设纤维网和金属网：在所述金属板材上平铺一层纤维网，所述纤维网上铺设一层金属网，所述纤维网和所述金属网的网格方向均为正十字向，所放置后的金属网的网格位置与所述纤维网的网格位置不重合；
(3)一次滚压和电阻焊：使用金属滚筒对所述步骤(2)中铺设的金属网进行一次滚压，将金属滚筒及金属板材分别连接至单相工频交流电阻焊机电流输出端，进行通电焊接，使金属网结点经滚压后透过纤维网的网格间隙焊接至金属板材表面；
(4)加热和二次滚压：将FRP板材铺设于焊接金属网和纤维网的金属板材上，对金属板材一侧进行均匀加热，然后使用金属滚筒对FRP板材进行二次滚压，使FRP板材与金属板材紧密结合，得到复合构件；
(5)冷却：将所述步骤(4)制备的复合构件放置于空气中冷却至室温。
2.根据权利要求1所述的表面编织的金属材料与FRP复合材料一体化连接方法，其特征在于，步骤(1)中，所述金属网材质与金属板材的金属材料相同，所述金属材料为铝合金、低碳钢或不锈钢；所述纤维网材质与FRP板材中纤维材料相同，所述纤维材料为碳纤维或玻璃纤维。
3.根据权利要求1所述的表面编织的金属材料与FRP复合材料一体化连接方法，其特征在于，步骤(1)中，需要对纤维网做表面处理，使得纤维网表面和FRP树脂基体之间能够形成化学键。
4.根据权利要求1所述的表面编织的金属材料与FRP复合材料一体化连接方法，其特征在于，步骤(2)中，所述金属网的网格大小与所述纤维网的网格大小相同。
5.根据权利要求1所述的表面编织的金属材料与FRP复合材料一体化连接方法，其特征在于，步骤(2)中，铺设在所述金属板材表面的金属网格结点位于纤维网格空位中心位置。
6.根据权利要求1所述的表面编织的金属材料与FRP复合材料一体化连接方法，其特征在于，步骤(4)中，铺设FRP板材前，需要对焊接金属网的金属板材进行表面处理，使得金属网与金属板材表面形成微观粗糙的结构以增强金属与FRP树脂基体之间的微观机械互锁，或使金属网与金属板材表面能够与FRP树脂基体之间形成化学键以增强结合强度。
7.根据权利要求1所述的表面编织的金属材料与FRP复合材料一体化连接方法，其特征在于，步骤(3)和步骤(4)中，所述金属滚筒表面具有沿轴向排列的环状结构，两个环状结构间距与金属网格每一小格边长相同。
8.根据权利要求7所述的表面编织的金属材料与FRP复合材料一体化连接方法，其特征在于，所述金属滚筒表面硬度为40HV～60HV。
9.根据权利要求1所述的表面编织的金属材料与FRP复合材料一体化连接方法，其特征在于，步骤(4)中，金属板材的加热温度控制在FRP树脂基体粘流态温度至热变性温度之间。
10.根据权利要求1所述的表面编织的金属材料与FRP复合材料一体化连接方法，其特征在于，步骤(5)中，所述空气湿度为20％～30％。
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