CN113997574B - 一种纤维增强热塑性树脂复合薄板超声波焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种纤维增强热塑性树脂复合薄板超声波焊接方法，在第一纤维增强热塑性树脂复合薄板的待焊区域压制出多组折线型的树脂凸起筋，在第二纤维增强热塑性树脂复合薄板的待焊区域叠放一片金属薄网后搭接在第一纤维增强热塑性树脂复合薄板包含树脂凸起筋的待焊区域，并固定，将超声波焊头在第一纤维增强热塑性树脂复合薄板和第二纤维增强热塑性树脂复合薄板的搭接区域正上方施加垂直工件的焊接压力及位移，载荷，并辅助于电磁脉冲，焊接瞬间完成，该种纤维增强热塑性树脂复合薄板超声波焊接方法，使得接头界面树脂流动性好，结合牢靠，接头界面强度较高。

Description

一种纤维增强热塑性树脂复合薄板超声波焊接方法

技术领域

本发明涉及复合焊接技术领域，具体为一种纤维增强热塑性树脂复合薄板超声波焊接方法。

背景技术

纤维增强热塑性树脂复合材料具有较高的强度和刚度，以及较好的耐热性、耐腐蚀性被广泛应用于航空航天等领域。目前使用最多、应用最广的连接树脂基复合材料的方法是胶接、机械紧固等连接方法。对胶接而言，胶粘剂固化时间较长，胶接接头质量易受环境的影响。机械紧固包括螺栓连接、铆钉连接等方法，但螺栓、铆钉增加了结构质量，不符合结构轻质轻量化的目标。此外，由于需要钻孔导致应力集中，降低了材料的连接强度。

为了优化连接质量，国内外学者一方面继续深入研究胶接、机械紧固等方法，出现了电磁铆接、冷碾铆钉连接、自冲铆接等前沿工艺技术。另一方面致力于开发具有巨大应用潜力的热塑性焊接技术，焊接技术能有效避免胶接及机械紧固等方法的缺点。在保证焊接强度的同时，兼具效率高、成本低、可靠性好等优势。

超声波焊接技术近年来发展迅速，将其应用于热塑性树脂基复合材料的焊接时，该技术的优势更加明显，相对于胶接、电阻焊，其不需添加任何辅助材料即可连接材料，实现了结构的一致性。相对于机械紧固，超声波焊接不需开孔、紧固，实现了结构的整体性。

但纤维增强热塑性树脂复合薄板材料由于厚度较薄，采用超声波焊接过程中常发生碳纤维断裂、超声波能量传递不均匀导致接头树脂流动不均匀、界面结合不牢等焊接缺陷，导致复合薄板连接接头界面强度较低，在使用过程中发生过早失效。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施方式的一些方面以及简要介绍一些较佳实施方式。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述和/或现有纤维增强热塑性树脂复合薄板中存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明的目的是提供一种纤维增强热塑性树脂复合薄板超声波焊接方法，使得接头界面树脂流动性好，结合牢靠，接头界面强度较高。

为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：

一种纤维增强热塑性树脂复合薄板超声波焊接方法，其包括：

S1、在第一纤维增强热塑性树脂复合薄板的待焊区域压制出多组折线型的树脂凸起筋；

S2、在第二纤维增强热塑性树脂复合薄板的待焊区域叠放一片金属薄网后搭接在第一纤维增强热塑性树脂复合薄板包含树脂凸起筋的待焊区域，并固定；

S3、将超声波焊头在第一纤维增强热塑性树脂复合薄板和第二纤维增强热塑性树脂复合薄板的搭接区域正上方施加垂直工件的焊接压力及位移载荷，并辅助于电磁脉冲，焊接瞬间完成。

作为本发明所述的一种纤维增强热塑性树脂复合薄板超声波焊接方法的一种优选方案，其中，所述树脂凸起筋采用加热后的金属模具压制。

作为本发明所述的一种纤维增强热塑性树脂复合薄板超声波焊接方法的一种优选方案，其中，所述第一纤维增强热塑性树脂复合薄板和第二纤维增强热塑性树脂复合薄板的厚度为0.2-0.4mm，且中间为纤维层，纤维层的两侧为热塑性树脂层。

作为本发明所述的一种纤维增强热塑性树脂复合薄板超声波焊接方法的一种优选方案，其中，所述纤维层中的纤维为玻璃纤维、碳纤维、陶瓷纤维、石墨纤维、聚酯纤维、芳纶和天然纤维中的任意一种；

热塑性树脂层中的热塑性树脂层为聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯醚、聚酰胺和聚甲醛的任意一种。

作为本发明所述的一种纤维增强热塑性树脂复合薄板超声波焊接方法的一种优选方案，其中，树脂凸起筋的形状为折线形。

作为本发明所述的一种纤维增强热塑性树脂复合薄板超声波焊接方法的一种优选方案，其中，树脂凸起筋的折线角度为60°-100°，单节长度在4-6mm；制备的多组折线型树脂凸起筋折线之间间距为2-4mm，凸起高度在0.1-0.15mm，且横截面为等边三角形。

作为本发明所述的一种纤维增强热塑性树脂复合薄板超声波焊接方法的一种优选方案，其中，所述超声波焊头的焊接压力0.1-0.2MPa，焊接能量为100-200J，焊接振幅为25-55μm，施加的是正弦位移载荷。

作为本发明所述的一种纤维增强热塑性树脂复合薄板超声波焊接方法的一种优选方案，其中，所述超声波焊头中具有感应线圈，施焊过程中添加持续10-15μs电磁脉冲。

作为本发明所述的一种纤维增强热塑性树脂复合薄板超声波焊接方法的一种优选方案，其中，所述超声波焊头的焊接时间为0.5-1s。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：本发明采用超声波电磁脉冲复合焊接纤维增强热塑性树脂复合薄板，焊接界面的材料受到特定压力和高频剪切力的作用，焊接界面温度迅速升高，使得焊接界面材料熔合。由于树脂凸起筋的存在，并以高压电磁力辅助，使得机械能能有效均匀的传递到焊接界面，焊接接头结合牢固，致密可靠，接头强度较高。同时本发的连接技术简单高效，大大提高了纤维增强热塑性树脂复合薄板的连接效率与质量，且该技术不受树脂材料与纤维增强材料限制，具有较广的应用范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将结合附图和详细实施方式对本发明进行详细说明，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，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它的附图。其中：

图1为本发明一种纤维增强热塑性树脂复合薄板超声波焊接方法的焊接示意图；

图2为本发明的纤维增强热塑性树脂复合薄板截面纤维组织的纵截面示意图；

图3为本发明的纤维增强热塑性树脂复合薄板截面纤维组织的横截面示意图；

图4为本发明的纤维增强热塑性树脂复合薄板待焊区域折线型树脂凸起筋示意图；

图5为本发明图4中的纤维增强热塑性树脂复合薄板待焊区域折线型树脂凸起筋的A-A截面示意图。

实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施方式时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。

本发明提供提供一种纤维增强热塑性树脂复合薄板超声波焊接方法，使得接头界面树脂流动性好，结合牢靠，接头界面强度较高。

实施例

请参阅图1-图5，一种纤维增强热塑性树脂复合薄板超声波焊接方法，步骤如下：

S1、取两块厚度为0.25mm的第一纤维增强热塑性树脂复合薄板100和第二纤维增强热塑性树脂复合薄板200，采用铜质金属模具加热150℃后在第一纤维增强热塑性树脂复合薄板100的待焊区域压制出符合要求的折线型的树脂凸起筋101，折线角度为60°，单节长度为4mm，折线间距为2mm，截面为等边三角形，高度为0.1mm。

S2、将第二纤维增强热塑性树脂复合薄板200的待焊区域叠放一张金属薄网300后覆盖在树脂凸起筋101上，形成搭接。第一纤维增强热塑性树脂复合薄板100和第二纤维增强热塑性树脂复合薄板200的中间为纤维层，纤维层的两侧为热塑性树脂层。

S3、将超声波焊头400在第一纤维增强热塑性树脂复合薄板100和第二纤维增强热塑性树脂复合薄板200的搭接区域正上方施加垂直工件的焊接压力及位移载荷，并辅助于电磁脉冲，所用参数为焊接压力0.1MPa，焊接能量150J，焊接振幅45μm，电磁脉冲持续时间为10μs。

本发明实施例1中的碳纤维增强聚丙烯复合薄板超声波焊接接头剪切强度可达19MPa，如采用平面焊接或采用其他形式的树脂凸起进行常规超声波焊接时，其接头剪切强度均不高于12MPa。可见，本发明的方法与现有方法相比具有明显优势。

实施例

请参阅图1-图5，一种纤维增强热塑性树脂复合薄板超声波焊接方法，步骤如下：

S1、取两块厚度为0.4mm的第一纤维增强热塑性树脂复合薄板100和第二纤维增强热塑性树脂复合薄板200，采用铜质金属模具加热120℃后在第一纤维增强热塑性树脂复合薄板100的待焊区域压制出符合要求的折线型的树脂凸起筋101，折线角度为100°，单节长度为6mm，折线间距为3mm，截面为等边三角形，高度为0.15mm。

S2、将第二纤维增强热塑性树脂复合薄板200的待焊区域叠放一张金属薄网300后覆盖在树脂凸起筋101上，形成搭接。第一纤维增强热塑性树脂复合薄板100和第二纤维增强热塑性树脂复合薄板200的中间为纤维层，纤维层的两侧为热塑性树脂层。

S3、将超声波焊头400在第一纤维增强热塑性树脂复合薄板100和第二纤维增强热塑性树脂复合薄板200的搭接区域正上方施加垂直工件的焊接压力及位移载荷，并辅助于电磁脉冲，所用参数为焊接压力0.15MPa，焊接能量100J，焊接振幅35μm，电磁脉冲持续时间为15μs。

本发明实施例2中的玻璃纤维增强聚氯乙烯复合薄板超声波焊接接头剪切强度可达75MPa，如采用平面焊接或采用其他形式的树脂凸起进行常规超声波焊接时，其接头剪切强度均不高于50MPa。可见，本发明的方法与现有方法相比具有明显优势。

实施例

请参阅图1-图5，一种纤维增强热塑性树脂复合薄板超声波焊接方法，步骤如下：

S1、取两块厚度为0.3mm的第一纤维增强热塑性树脂复合薄板100和第二纤维增强热塑性树脂复合薄板200，采用铜质金属模具加热200℃后在第一纤维增强热塑性树脂复合薄板100的待焊区域压制出符合要求的折线型的树脂凸起筋101，折线角度为75°，单节长度为4.5mm，折线间距为4mm，截面为等边三角形，高度为0.15mm。

S2、将第二纤维增强热塑性树脂复合薄板200的待焊区域叠放一张金属薄网300后覆盖在树脂凸起筋101上，形成搭接。第一纤维增强热塑性树脂复合薄板100和第二纤维增强热塑性树脂复合薄板200的中间为纤维层，纤维层的两侧为热塑性树脂层。

S3、将超声波焊头400在第一纤维增强热塑性树脂复合薄板100和第二纤维增强热塑性树脂复合薄板200的搭接区域正上方施加垂直工件的焊接压力及位移载荷，并辅助于电磁脉冲，所用参数为焊接压力0.2MPa，焊接能量200J，焊接振幅55μm，电磁脉冲持续时间为10μs。

本发明实施例3中的玻璃纤维增强聚苯醚复合薄板超声波焊接接头剪切强度可达70MPa，如采用平面焊接或采用其他形式的树脂凸起进行常规超声波焊接时，其接头剪切强度均不高于55MPa。可见，本发明的方法与现有方法相比具有明显优势。

虽然在上文中已经参考实施方式对本发明进行了描述，然而在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，本发明所披露的实施方式中的各项特征均可通过任意方式相互结合起来使用，在本说明书中未对这些组合的情况进行穷举性的描述仅仅是出于省略篇幅和节约资源的考虑。因此，本发明并不局限于文中公开的特定实施方式，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (3)

1.一种纤维增强热塑性树脂复合薄板超声波焊接方法，其特征在于，包括：

S1、在第一纤维增强热塑性树脂复合薄板（100）的待焊区域压制出多组折线型的树脂凸起筋（101）；

S2、在第二纤维增强热塑性树脂复合薄板（200）的待焊区域叠放一片金属薄网（300）后搭接在第一纤维增强热塑性树脂复合薄板（100）包含树脂凸起筋（101）的待焊区域，并固定；

S3、将超声波焊头（400）在第一纤维增强热塑性树脂复合薄板（100）和第二纤维增强热塑性树脂复合薄板（200）的搭接区域正上方施加垂直工件的焊接压力及位移载荷，并辅助于电磁脉冲，焊接瞬间完成；

其中，所述第一纤维增强热塑性树脂复合薄板（100）和第二纤维增强热塑性树脂复合薄板（200）的厚度为0.2-0.4mm，且中间为纤维层，纤维层的两侧为热塑性树脂层；

树脂凸起筋（101）的折线角度为60°-100°，单节长度在4-6mm；制备的多组折线型树脂凸起筋折线之间间距为2-4mm，凸起高度在0.1-0.15mm，且横截面为等边三角形；

所述超声波焊头（400）的焊接压力0.1-0.2MPa，焊接能量为100-200J，焊接振幅为25-55μm，施加的是正弦位移载荷；

所述超声波焊头（400）中具有感应线圈，施焊过程中添加持续10-15μs电磁脉冲，所述超声波焊头（400）的焊接时间为0.5-1s。

2.根据权利要求1所述的一种纤维增强热塑性树脂复合薄板超声波焊接方法，其特征在于，所述树脂凸起筋（101）采用加热后的金属模具压制。

3.根据权利要求1所述的一种纤维增强热塑性树脂复合薄板超声波焊接方法，其特征在于，所述纤维层中的纤维为玻璃纤维、碳纤维、陶瓷纤维、石墨纤维、聚酯纤维、芳纶和天然纤维中的任意一种；

热塑性树脂层中的热塑性树脂层为聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯醚、聚酰胺和聚甲醛的任意一种。