CN114161720A - 一种诱导热塑性复合材料与铝合金化学键合的连接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种诱导热塑性复合材料与铝合金化学键合的连接方法，其步骤如下：(1)铝合金表面经磷酸阳极氧化处理使得表面形成3～5微米的氧化膜，氧化时间18min～22min，直流电压9.5V～10.5V；(2)铝合金置于热塑性树脂上方施加压力使两者接触面贴合，铝合金上方预留出连接热源施加位置；(3)从铝合金一侧施加激光热源，施加热源前，铝合金上表面需进行表面清理，去除热源施加面的氧化膜、油污等；(4)热源施加与界面化学键合反应同步进行：铝合金激光焊焊缝熔池深度小于铝合金壁厚0.5mm～1mm，施加热源过程中铝合金表面磷酸阳极氧化膜与热塑性树脂发生元素扩散，并形成化学键，达到连接的效果。
Description
技术领域
本发明涉及热塑性复合材料(或热塑性树脂)与金属的连接领域，具体涉及一种诱导热塑性复合材料与铝合金化学键合的连接方法。
背景技术
热塑性复合材料因具有良好的韧性、抗冲击性能高、高比强度、比模量、耐蚀性优良，并且具有可修复性，随着其成型技术的成熟，成本逐渐降低。由复合材料与金属构成的复合结构，其结合了复合材料轻质高强的特点与金属结构可加工成形性能好、服役环境要求低等优势，而在航天领域被广泛应用。目前针对热塑复合材料与金属的连接，主要采用机械连接或胶结方法。机械连接会导致结构的不完整性，甚至应力集中的产生。胶结的方法涉及到胶黏剂的老化问题，连接效率较低。CN1210696379提出了热塑复合材料与铝合金激光-胶结复合连接方法，其本质为胶结方法。目前对于热塑复合材料与铝合金的连接，缺乏有效的连接手段，存在接头强度低的问题。其主要问题在于：金属与塑料的化学键迥异，大多数金属元素与塑料中的分子键不能成键，目前结合机理主要表现为机械咬合、氢键和范德华力，因此结合强度较低。
本发明提出的诱导热塑性复合材料(或热塑性树脂)与铝合金连接方法，主要解决这类异质接头可靠连接以及结合强度低的问题。通过热源作用于铝合金一侧，热量通过热传导的方式传递至与热塑复合材料(或热塑性树脂)的界面，使界面处热塑性树脂达到熔融状态从而润湿铝合金表面。铝合金表面预处理的磷酸阳极氧化膜与熔融树脂发生元素扩散和化学键合，形成过渡层，从而实现铝合金与热塑复合材料(或热塑性树脂)的可靠连接。由于化学键的存在，大幅提升了热塑复合材料-铝合金接头的结合强度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种诱导热塑性复合材料与铝合金化学键合的连接方法，解决热塑性复合材料(热塑性树脂)-铝合金异种材料可靠性连接问题。
为了达到上述的目的，本发明提供一种诱导热塑性复合材料与铝合金化学键合的连接方法，包括步骤如下：
步骤一、铝合金表面经磷酸阳极氧化处理使得表面形成3～5微米的氧化膜，氧化时间18min～22min，直流电压9.5V～10.5V；
步骤二、铝合金置于热塑性材料上方施加压力使两者接触面贴合，铝合金上方预留出连接热源施加位置；
步骤三、从铝合金一侧施加热源，施加热源前，铝合金上表面需进行表面清理，去除热源施加面的氧化膜、油污等；
步骤四、热源施加与界面化学键合反应同步进行：铝合金焊缝熔池深度小于铝合金壁厚0.5mm～1mm，施加热源过程中铝合金表面磷酸阳极氧化膜与热塑性材料发生元素扩散，并形成化学键，达到连接的效果。
上述一种诱导热塑性复合材料与铝合金化学键合的连接方法，其中，所述步骤二中，热塑性材料包括：热塑性复合材料、热塑性树脂。
上述一种诱导热塑性复合材料与铝合金化学键合的连接方法，其中，所述步骤三中，热源为激光热源、摩擦焊热源。
上述一种诱导热塑性复合材料与铝合金化学键合的连接方法，其中，所述步骤三中，热源为点热源或连续移动热源；根据工件承载情况确定，当承载力较大时，选择连续移动热源或多个点热源在平面二维叠加以获得更大的连接界面，从而提高承载力。
上述一种诱导热塑性复合材料与铝合金化学键合的连接方法，其中，所述激光热源，在铝合金一侧形成熔池，激光光束呈圆形摆动，摆动频率为 50Hz～300Hz，摆动幅值为0.5mm～1.5mm，减少铝合金焊缝中的气孔，改善铝合金激光焊缝成形。
与现有技术相比，本发明的技术有益效果是：
本发明的诱导热塑性复合材料与铝合金化学键合的连接方法，激光作用于铝合金一侧形成熔池，继而传导至铝合金与热塑性复合材料的界面，使得界面处热塑性树脂达到熔融温度，在压力作用下与铝合金紧密贴合，在高温条件下，磷酸阳极氧化膜与熔融的热塑性树脂发生元素扩散，形成化学键合。
本发明的诱导热塑性复合材料与铝合金化学键合的连接方法，铝合金一侧形成熔池，熔池底部距离与树脂的界面0.5mm～1mm，界面温度在380℃左右，树脂达到熔融状态具有流动性，消除树脂与铝合金界面的间隙，为元素扩散提供条件。
本发明的诱导热塑性复合材料与铝合金化学键合的连接方法，无需添加粘结剂，连接流程简单，并且激光的柔性好，可适应三维复杂结构的连接。
本发明的诱导热塑性复合材料与铝合金化学键合的连接方法，由于Al本身不能与热塑性树脂发生化学键合，而磷酸阳极氧化铝可与树脂发生化学键合，因此生成一定厚度的元素过渡层，为连接热塑性复合材料(或树脂)提供了连接的可能性，并且大幅增加了连接强度。通过试验研究，采用本发明的方法，单道焊接长度30mm的Cf/PEEK与铝合金连接抗拉剪切力达到4479N，失效于塑料一侧，说明接头的连接抗剪切力＞4479N。而不使用磷酸阳极氧化处理的铝合金与Cf/PEEK的抗拉剪切力维3025N，失效于连接界面。可见采用本发明的方法，可大幅提升连接强度。
附图说明
本发明的一种诱导热塑性复合材料与铝合金化学键合的连接方法由以下的实施例及附图给出。
图1为热塑复合材料-铝合金激光连接示意图。
图2为热塑复合材料-铝合金激光连接圆形焊缝排布示意图。
图3为热塑复合材料-铝合金激光连接多条并排焊缝排布示意图。
图4为本发明较佳实施例中PEEK-铝合金连接接头宏观金相。
图5为本发明较佳实施例中Cf/PEEK-铝合金连接接头宏观金相。
图6为本发明较佳实施例中PEEK-铝合金连接接头扫描电镜照片。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的一种诱导热塑性复合材料与铝合金化学键合的连接方法作进一步的详细描述。
本发明的诱导热塑性复合材料与铝合金化学键合的连接方法，为热塑性复合材料与铝合金的连接提供了可行方法，使两者间形成化学连接，不仅连接强度高于胶结强度，而且连接过程快捷便利，适应三维复杂结构。
以下将结合图1～图6对本发明的诱导热塑性复合材料与铝合金化学键合的连接方法作进一步的详细描述。
图1为热塑复合材料(或树脂)-铝合金激光连接示意图，所使用的铝合金预先进行了表面磷酸阳极氧化，形成3～5微米的氧化膜，氧化时间18min～22min，直流电压9.5V～10.5V；然后将铝合金置于热塑性复合材料(或树脂)上方，采用工装压紧固定；铝合金上方预留激光照射的区域，并打磨该区域的氧化膜。
根据承载需要进行焊缝轨迹的排布，可按照剪切强度40MPa计算所需要的连接总面积。以承载力为8KN计算，连接总面积应＞200mm2。可以如图3所示设置多条焊缝并排。若单条焊缝长度30mm，焊缝宽度约5mm，那么应该并排2 条焊缝进行连接以增大连接面积。
同样，可以设计圆形轨迹焊缝，如图4所示。连接面积为一个圆环，那么连接圆环外径r应满足式(1)要求。
πr3-π(r-5)2＞200 式(1)
通过计算，圆环外径r＞8.87，焊接轨迹(焊缝中心线)r'＞6.37mm。
当然，焊缝轨迹不限于图3和图4的形式，只要满足剪切力满足使用要求即可。
采用本发明，进行聚醚醚酮(PEEK)和铝合金的激光连接，接头的宏观金相如图5所示。也实现了Cf/PEEK与铝合金的激光连接，接头宏观金相如图6 所示。通过扫描电镜检测界面处形成了过渡层，C元素向铝合金氧化膜层扩散，证实了化学键的存在。
依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (5)
1.一种诱导热塑性复合材料与铝合金化学键合的连接方法，其特征在于，包括步骤如下：
步骤一、铝合金表面经磷酸阳极氧化处理使得表面形成3～5微米的氧化膜，氧化时间18min～22min，直流电压9.5V～10.5V；
步骤二、铝合金置于热塑性材料上方施加压力使两者接触面贴合，铝合金上方预留出连接热源施加位置；
步骤三、从铝合金一侧施加热源，施加热源前，铝合金上表面需进行表面清理，去除热源施加面的氧化膜、油污；
步骤四、热源施加与界面化学键合反应同步进行：铝合金焊缝熔池深度小于铝合金壁厚0.5mm～1mm，施加热源过程中铝合金表面磷酸阳极氧化膜与热塑性材料发生元素扩散，并形成化学键，达到连接的效果。
2.如权利要求1所述的一种诱导热塑性复合材料与铝合金化学键合的连接方法，其特征在于，所述步骤二中，热塑性材料包括：热塑性复合材料、热塑性树脂。
3.如权利要求1所述的一种诱导热塑性复合材料与铝合金化学键合的连接方法，其特征在于，所述步骤三中，热源为激光热源、摩擦焊热源。
4.如权利要求3所述的一种诱导热塑性复合材料与铝合金化学键合的连接方法，其特征在于，所述步骤三中，热源为点热源或连续移动热源；根据工件承载情况确定，当承载力较大时，选择连续移动热源或多个点热源在平面二维叠加以获得更大的连接界面。
5.如权利要求3所述的一种诱导热塑性复合材料与铝合金化学键合的连接方法，其特征在于，所述激光热源，在铝合金一侧形成熔池，激光光束呈圆形摆动，摆动频率为50Hz～300Hz，摆动幅值为0.5mm～1.5mm。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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