CN114179368A - 一种提高异种树脂或异种树脂基复合材料焊接接头界面连接强度的方法 - Google Patents
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Abstract
一种提高异种树脂或异种树脂基复合材料焊接接头界面连接强度的方法，它涉及焊接领域，本发明是要提高异种树脂或异种树脂基复合材料焊接接头中的机械互锁连接，同时提高减少低熔点树脂的熔化和流出，实现提高接头质量的效果。本发明选择焊接材料和加热元件，以所焊接的两种树脂或者所焊接两种树脂基复合材料的树脂制作复合膜层，装夹试件，实施焊接。本发明可以在接头界面构造机械互锁结构，提高难相容树脂接头界面的扩散连接，抑制低熔点树脂或者树脂基复合材料中的低熔点树脂基体树脂在焊接过程过度熔化和流出，实现接头成形和性能的双重提升，具有良好的实际应用前景。本发明应用于异种树脂焊接领域。
Description
技术领域
本发明涉及焊接领域，具体涉及一种提高异种树脂或异种树脂基复合材料焊接接头界面连接强度的方法。
背景技术
特种工程树脂具有绝缘、耐腐蚀、高耐候等特性，以聚苯硫醚(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)等特种树脂为基体并以玻璃纤维或碳纤维为增强纤维组成的纤维增强树脂基复合材料具有极高的比强度，因而树脂以及纤维增强树脂基复合材料在航空航天领域有着重要应用。PPS和PEEK等热塑性树脂具有受热后可熔化，并且冷却凝固后仍能保持其原有物理化学特性，因此具备可焊性，目前焊接已成为树脂以及树脂基复合材料连接的重要手段。不同树脂之间具有不同特性，随着树脂以及树脂基复合材料应用范围的不断扩大，对异种树脂或异种树脂基复合材料连接的需求逐渐浮现。电阻焊和感应焊是树脂及树脂基复合材料焊接中重要的焊接方法，其原理是通过电流(电阻焊)或电磁感应(感应焊)使植入到焊接界面处的加热元件产生焦耳热以熔化树脂，随后在一定压力下使界面处树脂融合，最后在保压状态下冷却形成连接。对于异种树脂或异种树脂基复合材料的焊接，主要面临两个困难。一是焊接接头的连接界面比较平整，几乎不存在机械互锁结构，无法形成有效机械连接，因此接头的连接主要依靠界面处分子链之间的相互扩散和缠结，但大多数异种树脂之间相容性不高，导致界面处扩散连接薄弱，接头强度不高。二是异种树脂之间熔点的差距，焊接起始阶段，界面处的加热元件同时对两种材料进行加热，异种树脂或树脂基复合材料中熔点较低者会首先熔化，并在焊接压力下沿接头边缘流出，导致树脂接头变形较大或者树脂基复合材料接头树脂缺失。
发明内容
本发明目的是通过在焊接界面处增加一层复合膜层，以提高异种树脂或异种树脂基复合材料焊接接头中的机械互锁连接，同时提高减少低熔点树脂的熔化和流出，实现提高接头质量的效果。
本发明的一种提高异种树脂或异种树脂基复合材料焊接接头界面连接强度的方法，它是按照以下步骤进行的：
步骤一、焊接材料
选取热塑性树脂作为异种树脂，或者选取纤维增强热塑性树脂基复合材料作为异种树脂基复合材料；
步骤二、复合膜层制作
选取与异种树脂或异种树脂基复合材料材质相同的树脂，将所选取的两种树脂排列形成复合膜层；
步骤三、试件装夹
按照试件中相对较高熔点树脂或树脂基复合材料、加热元件、复合膜层、待焊接材料中相对低熔点树脂的顺序进行装夹，复合膜层中树脂的长度方向与接头受载荷方向垂直；
步骤四、实施焊接
采用界面植入加热元件的电阻焊或感应焊进行焊接，焊接完成后保持原有焊接压力冷却至室温，即完成所述的提高异种树脂或异种树脂基复合材料焊接接头界面连接强度的方法。
本发明的两种树脂交替排列形成复合膜层，所述的两种树脂可以为长条形或者梯形，排列方式可以为交替排列，也可以相互之间排列成整体呈网格状的形状复合膜层(如图1)。
进一步地，所述的采用界面植入加热元件的电阻焊或感应焊进行焊接，具体为：向步骤三完成装夹的试件采用加压装置施加0.1MPa-2MPa的焊接压力，用接线块接通加热元件连接，打开电源以10kW/m2-130kW/m2的热输入进行焊接，焊接时长5s-300s。
进一步地，所述的热塑性树脂为PPS或PEEK。
进一步地，所述的纤维增强热塑性树脂基复合材料为玻璃纤维增强PPS、碳纤维增强PPS、玻璃纤维增强PEEK或碳纤维增强PEEK。
进一步地，所述的加热元件为不锈钢、铜、钛或铝材质的金属网或由树脂和碳纳米管、树脂和金属颗粒组成的复合加热元件。
进一步地，步骤二中若两种树脂或树脂基复合材料不相容，则复合膜层加入与相对较高熔点树脂的熔点差距不超过20℃，并且能与两种树脂均具有良好互容性的第三种树脂代替复合膜层中的低熔点树脂。
进一步地，步骤二中若两种树脂或树脂基复合材料熔点不同，则复合膜层的最外层为相对较高熔点的树脂。
进一步地，步骤三中对于异种树脂或异种树脂基复合材料，加热元件两侧均铺设复合膜层。
进一步地，复合膜层尺寸与树脂搭接面尺寸相同。
进一步地，组成复合膜层的树脂薄膜厚度为0.05mm-0.8mm，且高熔点树脂薄膜的厚度不低于低熔点树脂薄膜。
本发明的机理：
异种树脂或异种树脂基复合材料的焊接主要面临两个困难。一是异种树脂界面处结合薄弱，二是低熔点树脂过度熔化导致的接头变形大和接头界面处树脂缺失。本发明在接头中加入由两种树脂间隔排列组成的复合膜层以应对以上两个问题。对于异种树脂，复合膜层中所用的两种树脂分别与所焊接的异种树脂相同；对于异种树脂基复合材料，复合膜层中所用的两种树脂分别与所焊接的异种树脂基复合材料的树脂基体相同。两种树脂膜层交替排列，并且保证最外列树脂为熔点较高者。
该复合膜层可在三个方面提升接头质量。第一，该复合膜层置于加热元件与较低熔点树脂或者树脂基复合材料之间，可阻隔加热元件直接与低熔点树脂或树脂基复合材料接触，延缓低熔点树脂或树脂基复合材料侧的升温，减小低熔点侧的焊接峰值温度，从而减少低熔点树脂的过早、过多熔化。第二，复合膜层最外列为高熔点树脂，焊接时复合膜层最外列的高熔点树脂晚于内部的低熔点树脂熔化，可以阻止复合膜层中提早熔化的低熔点树脂沿边缘流出。第三，焊接完成后，复合膜层在纵向上和母材形成良好融合，复合膜层内部的两种树脂在横向上形成融合，最终在接头中形成如图成如图5中所示的咬合结构，该结构提高了接头的机械互锁，树脂间融合面积变大。以上三个效益使在提高接头成形质量的同时，增强了接头连接强度，在成形和性能上都得到提升。
本发明包含以下有益效果：
本发明首先使用与被焊接的异种树脂或异种树脂基复合材料的树脂基体材质相同的两种树脂薄膜，将树脂薄膜裁截成长条形、梯形，两种长条树脂薄膜间隔排列组成复合树脂膜。然后，将复合树脂膜置于加热元件与熔点较低的树脂或树脂基复合材料之间，长条形树脂薄膜的长度方向与接头受载荷方向垂直。最终，按照较高熔点树脂或树脂基复合材料、加热元件、复合树脂膜、较低熔点树脂或树脂基复合材料的顺序进行搭接，用电阻焊或感应焊进行焊接。本发明具有操作过程简单、焊接成本低、适用材料广泛的特点。本发明可以在接头界面构造机械互锁结构，提高难相容树脂接头界面的扩散连接，抑制低熔点树脂或者树脂基复合材料中的低熔点树脂基体在焊接过程过度熔化和流出，实现接头成形和性能的双重提升，具有良好的实际应用前景。
1.操作简单。只需在焊接前在加热元件和待焊材料之间加入复合膜层即可，复合膜层制作简单，各类树脂薄膜一般均可购买，易于获得。
2.适应广泛。在焊接材料上，适用于PPS、PEEK、PEI、PA6、PA66等热塑性树脂以及以这些树脂为基体的纤维增强树脂基复合材料的异种材料之间的连接。在焊接工艺上，可用于电阻焊和感应焊等焊接方法。
3.复合膜层可在焊后接头中产生咬合结构，从而形成机械互锁连接，并增加了界面结合长度，大幅提高接头连接强度。
4.对于熔点差异大的异种树脂间或异种树脂基复合材料间的焊接，可减少低熔点树脂的过度熔化，减小接头变形，提高接头焊接质量。
5.对于不相容的异种树脂或异种树脂基复合材料的焊接，可在复合膜层中加入第三种能与被焊接的两种树脂或树脂基复合材料的树脂基体均能相容的树脂膜层，该膜层在焊接过程中分别与不相容的两种母材融合，发挥“桥梁”作用，从而实现不相容树脂或树脂基复合材料的高强度连接，提高接头界面的结合强度。
附图说明
图1为复合膜层结构示意图；其中，a为两种长条形交替排列的复合膜层，b为两种长条形相互排列成网格状的复合膜层，c为两种梯形交替排列的复合膜层；
其中，1-低温树脂膜，2-高温树脂膜；
图2为复合膜层放置位置示意图；
图3为带有复合膜层的接头示意图；
图4为电阻焊接原理示意图；
图5为复合膜层在界面处产生的机械咬合结构示意图；
图6为接头界面电镜图；其中，a图为未采用复合膜层的接头界面图，b为采用复合膜层的接头界面图；
图7为感应焊接原理示意图；
其中，1-第一种焊接材料，2-加热元件，3-复合膜层，4-第二种焊接材料，5-加热装置，6-接线快，7-电源，8-垫板。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将详细叙述本发明所揭示内容的精神，任何所属技术领域技术人员在了解本发明内容的实施例后，当可由本发明内容所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本发明内容的精神与范围。
本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
实施例1：
本实施例的一种提高异种树脂或异种树脂基复合材料焊接接头界面连接强度的方法，具体按照以下步骤进行：
(1)焊接材料为异种树脂，分别为熔点为295℃的PPS和熔点为334℃的PEEK，两种树脂的尺寸均为120mm×30mm×3mm，搭接面积为30mm×30mm。
(2)复合膜层由尺寸为0.2mm×2mm×30mm的PEEK和PPS膜组成，其中PPS膜7个和PEEK膜为8个，两种膜交替排列组成面积为30mm×30mm的复合膜，并且复合膜最外列为PEEK膜。
(3)选择加热元件，所用加热元件为200目不锈钢金属网。
(4)焊接前使用无水乙醇擦拭待焊接的试板和复合膜，去除表面杂质。
(5)使用图4中的电阻焊设备进行焊接。按照PEEK试板、不锈钢网加热元件、复合膜、PPS试板的顺序从下到上进行搭接组装，将组装好的接头置于垫板上，加压装置施加0.5MPa焊接压力，用接线块接通加热元件后，打开电源以70kW/m2的热输入进行焊接，焊接时长30s。
(6)达到焊接时长后切断电源，保持原有焊接压力冷却至室温，焊接完成。
接头界面处的成形如图6a所示，接头界面处PEEK和PPS充分融合，复合膜中的PEEK和PPS在横向上形成互锁结构，接头剪切强度达28MPa。
作为对比，在采用本实施例相同的方法下进行了无复合膜层进行焊接试验，接头界面形貌如图6b所示，界面平直并无机械互锁结构，接头剪切强度为23MPa，明显低于本发明使用复合膜层后接头的强度，可以证明本实施的方案能显著提高接头强度。
实施例2：
本实施例的一种提高异种树脂或异种树脂基复合材料焊接接头界面连接强度的方法，具体按照以下步骤进行：
(1)焊接材料为连续碳纤维增强的PEEK复合材料(Cf/PEEK)和连续碳纤维增强的PPS复合材料(Cf/PPS)，纤维质量分数分别为45％和52％。两种复合材料的尺寸均为120mm×30mm×1.8mm，搭接面积为30mm×30mm。
(2)复合膜层由尺寸为0.15mm×2mm×30mm的PEEK和PPS膜组成，其中PPS膜7个和PEEK膜为8个，两种膜交替排列组成面积为30mm×30mm的复合膜，并且复合膜最外列为PEEK膜。
(3)选择加热元件，所用加热元件为250目不锈钢金属网。
(4)焊接前使用无水乙醇擦拭待焊接试板和复合膜，去除表面杂质。
(5)使用图4中的电阻焊设备进行焊接。按照Cf/PEEK、复合膜、不锈钢网加热元件、复合膜、Cf/PPS的顺序从下到上进行搭接组装，将组装好的接头置于垫板上，加压装置施加0.4MPa焊接压力，用接线块接通加热元件后，打开电源以55kW/m2的热输入进行焊接，焊接时长25s。
(6)达到焊接时长后切断电源，保持原有焊接压力冷却至室温，焊接完成。
实施例3：
本实施例的一种提高异种树脂或异种树脂基复合材料焊接接头界面连接强度的方法，具体按照以下步骤进行：
(1)-(4)：实施步骤与实施案例1中相同，得到图3中带有复合膜层的接头，用图7中所示的感应焊装置进行焊接。
(5)将带有复合膜层的接头置于垫板1上，压板2置于接头上，然后压力装置3施加压强1.2MPa，打开电源5，焊接功率为1.8kW，感应线圈4通电后发射电磁场，焊接时长120s。
(6)达到焊接时长后切断电源，保持原有焊接压力冷却至室温，焊接完成。
Claims (10)
1.一种提高异种树脂或异种树脂基复合材料焊接接头界面连接强度的方法，其特征在于它是按照以下步骤进行的：
步骤一、焊接材料
选取热塑性树脂作为异种树脂，或者选取纤维增强热塑性树脂基复合材料作为异种树脂基复合材料；
步骤二、复合膜层制作
选取与异种树脂或异种树脂基复合材料材质相同的树脂，将所选取的两种树脂排列形成复合膜层；
步骤三、试件装夹
按照试件中相对较高熔点树脂或树脂基复合材料(1)、加热元件(2)、复合膜层(3)、待焊接材料中相对低熔点树脂(4)的顺序进行装夹，复合膜层中树脂的长度方向与接头受载荷方向垂直；
步骤四、实施焊接
采用界面植入加热元件的电阻焊或感应焊进行焊接，焊接完成后保持原有焊接压力冷却至室温，即完成所述的提高异种树脂或异种树脂基复合材料焊接接头界面连接强度的方法。
2.根据权利要求1所述的一种提高异种树脂或异种树脂基复合材料焊接接头界面连接强度的方法，其特征在于，所述的采用界面植入加热元件的电阻焊或感应焊进行焊接，具体为：向步骤三完成装夹的试件采用加压装置(5)施加0.1MPa-2MPa的焊接压力，用接线块(6)接通加热元件(2)连接，打开电源(7)以10kW/m2-130kW/m2的热输入进行焊接，焊接时长5s-300s。
3.根据权利要求1所述的一种提高异种树脂或异种树脂基复合材料焊接接头界面连接强度的方法，其特征在于，所述的热塑性树脂为PPS、PEEK、PEI、PA6或PA66。
4.根据权利要求1所述的一种提高异种树脂或异种树脂基复合材料焊接接头界面连接强度的方法，其特征在于，所述的纤维增强热塑性树脂基复合材料为玻璃纤维增强PPS、碳纤维增强PPS、玻璃纤维增强PEEK或碳纤维增强PEEK。
5.根据权利要求1所述的一种提高异种树脂或异种树脂基复合材料焊接接头界面连接强度的方法，其特征在于，所述的加热元件为不锈钢、铜、钛或铝材质的金属网或由树脂和碳纳米管、树脂和金属颗粒组成的复合加热元件。
6.根据权利要求1所述的一种提高异种树脂或异种树脂基复合材料焊接接头界面连接强度的方法，其特征在于，步骤二中若两种树脂或树脂基复合材料不相容，则复合膜层加入与相对较高熔点树脂的熔点差距不超过20℃，并且能与两种树脂均具有良好互容性的第三种树脂替代复合膜层中的低熔点树脂。
7.根据权利要求1所述的一种提高异种树脂或异种树脂基复合材料焊接接头界面连接强度的方法，其特征在于，步骤二中若两种树脂或树脂基复合材料熔点不同，则复合膜层的最外层为相对较高熔点的树脂。
8.根据权利要求1所述的一种提高异种树脂或异种树脂基复合材料焊接接头界面连接强度的方法，其特征在于，步骤三中对于异种树脂或异种树脂基复合材料，加热元件(2)两侧均铺设复合膜层(3)。
9.根据权利要求1所述的一种提高异种树脂或异种树脂基复合材料焊接接头界面连接强度的方法，其特征在于，复合膜层尺寸与树脂搭接面尺寸相同。
10.根据权利要求1所述的一种提高异种树脂或异种树脂基复合材料焊接接头界面连接强度的方法，其特征在于，组成复合膜层的树脂薄膜厚度为0.05mm-0.8mm，且高熔点树脂薄膜的厚度不低于低熔点树脂薄膜。
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2021
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