CN114211758A - 一种热塑复合材料与轻质合金激光辅助啮合连接的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种热塑复合材料与轻质合金激光辅助啮合连接的方法；包括步骤：在复材及轻质合金单侧表面加工出相互对应的特征图案；表面清理；将两者组装，实现机械啮合；电阻加热轻质合金板实现预热；在加压的情况下，使用摆动激光扫描轻质合金板表面；扫描结束后保压一段时间，最终获得热塑复合材料与轻质合金紧密连接件。本发明可以实现复材与轻质合金的高强度地紧密连接，本发明可以形成较大尺度的铆合结构，并且铆合结构强度极高，显著增强连接结合力，同时为具有复杂流变行为树脂在连接过程中流动提供稳定的环境，极大抑制连接界面缺陷从而提升接头强度和稳定性，解决了热塑复合材料与轻质合金传统连接时接头强度低，耐热性差，气孔缺陷多的问题。

Description

一种热塑复合材料与轻质合金激光辅助啮合连接的方法
领域：
本发明属于异种材料连接领域，特别涉及一种热塑复合材料与轻质合金激光辅助啮合连接的方法。
背景技术：
目前，热塑复合材料与轻质合金的连接在航空航天领域有非常广泛的应用前景。传统连接方法主要有机械连接与胶接。采用机械连接热塑复合材料与轻质合金，制孔时破坏热塑复材内部的碳纤维，降低接头强度并且会在孔周围产生明显的应力集中现象；采用胶接方法连接热塑复合材料与轻质合金，接头强度较低，耐热性差，工艺过程复杂，制造周期长，对环境不友好。因此，使用传统连接手段难以获得较高连接强度的热塑复合材料与轻质合金连接接头。
激光连接作为一种效率高、精度高、非接触、无污染的新兴连接工艺，在热塑复合材料与轻质合金连接领域有很深的应用潜力，然而热塑复合材料与轻质合金激光连接接头强度较低，耐热性较差，这极大地限制了激光连接在热塑复合材料与轻质合金的连接领域的实际应用。
目前，在轻质合金表面加工出微结构已经成为了一种能显著提高热塑复合材料与激光连接接头的有效方法，但是，这种连接形式依赖与热塑复合材料表面的树脂填入至沟槽内部产生铆合效应，首先，热塑复合材料树脂很薄，这会限制所产生铆合结构的尺寸，从而难以产生很强的铆合力，其次，树脂所形成的铆合结构，其强度基本由树脂基体的强度决定，强度较低，最后，由于树脂本身复杂流变机理的作用，树脂在热过程中的流动极其难以控制，在连接界面处极易产生气孔裂纹等缺陷，从而极大削弱连接接头性能。
发明内容：
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种用于激光辅助热塑复合材料与轻质合金啮合连接的方法，该方法可以有效地增强热塑复材与轻质合金界面处机械及化学连接，实现热塑复材与轻质合金的高强度紧密连接，解决了热塑复合材料与轻质合金传统连接时接头强度低，耐热性差，气孔缺陷多的问题，在轻质合金与复材单侧表面加工出的特征图案可以相互啮合，不受热塑复合材料表面树脂厚度的影响，形成较大尺度的铆合结构。并且相比于树脂形成的铆合结构，金属和复合材料相啮合所形成的铆合结构强度极高，显著增强连接结合力，同时使得具有复杂流变行为树脂在连接过程中稳定流动，极大抑制连接界面缺陷从而提升接头强度和稳定性。
本发明通过下述步骤实现：
步骤一：在轻质合金单侧表面加工出特征图案，随后在热塑复材单侧表面加工处对应的特征图案，且不损害热塑复材内部的纤维，在轻质合金与热塑复材单侧表面加工出的特征图案可以相互啮合。加工出的特征图案有直线形、斜线形、交叉形、点阵形；加工出特征图案的尺寸宽度为1～1.5mm，高度为0.2～0.5mm，此高度范围内可以避免损伤复材内部的纤维结构，相邻特征图案间距为1～2mm，加工出表面特征图案在厚度方向上的截面形状有一定倾角，以此实现更加紧密的机械啮合，啮合倾角在80～120°。
步骤二：对复材及轻质合金表面进行清理，使用丙酮清洗复材及轻质合金表面，去除加工表面特征图案时留在表面上的残屑，避免在界面处形成气孔等缺陷。
步骤三：组装复材与轻质合金，使得界面处完全啮合，在组装时加载一定的压力(钛合金：5～10Mpa，铝合金：2～6Mpa)，排除残留在啮合部位的空气，避免在界面处产生气孔等缺陷；
步骤四：电阻加热轻质合金板到一定温度并保温一段时间(铝合金加热至100℃保温30分钟，对于钛合金加热至200℃保温30分钟)，预热轻质合金板可以加快界面处分子运动，使得复材与轻质合金连接更加紧密；
步骤五：在轻质合金表面施加一定压力(铝合金：0.2～0.4Mpa，钛合金：0.3～0.6Mpa)的情况下，使用摆动激光扫描轻质合金板表面，所使用摆动激光功率为1500～2000W，激光摆动扫描速度为10～15mm/s，摆动方式为螺旋摆动，摆动宽度为0.5～1mm，摆动频率为200Hz，离焦量为18mm，光斑直径为0.3mm；激光扫描的路径与加工出的特征图案相平行，以此实现界面结合区域的分子尺度的结合。
步骤六：扫描结束后保压一段时间，压力渐进加载在轻质合金表面(铝合金：压力为0.1～0.3Mpa，保压时间40min；钛合金：压力为0.2～0.5Mpa，保压时间40min)，最终得到热塑复合材料与轻质合金的紧密连接件。
本发明对于现有技术，至少具备如下优点及效果：
本发明与传统胶接相比，极大增强了界面处的机械啮合效应，使连接件的强度得到显著提升；
本发明与传统机械连接相比，避免了制孔时复材内部的碳纤维被破坏，抑制了机械连接界面处的应力集中现象，提高了界面结合强度；
本发明解决了热塑复合材料与轻质合金传统连接时接头强度低，耐热性差，气孔缺陷多的问题；
本发明不受热塑复合材料表面树脂厚度的影响，可以形成较大尺度的铆合结构，极大增强连接结合力，同时为具有复杂流变行为树脂在连接过程中流动提供稳定的环境，极大抑制连接界面缺陷从而提升接头强度和稳定性。
本发明构造相对简单，技术手段简便易行，相对于现有技术具有突出的实质性进步。
附图说明：
图1是在轻质合金与复材表面所加工出特征图案(直线形和斜线形)的示意图：1-轻质合金板；2-热塑复合材料板。
图2是在轻质合金与复材表面所加工出特征图案(交叉形和点阵形)的示意图：1-轻质合金板；2-热塑复合材料板。
图3是表面特征图案厚度方向上的截面形状示意图：1-轻质合金板；2-热塑复合材料板。
图4为预热后激光摆动加热轻质合金板扫描路径示意图：1-轻质合金板；2-热塑复合材料板；3-激光头。
图5是激光辅助热塑复合材料与轻质合金啮合连接的步骤流程图。
具体实施方法：
下面结合具体实施例对本发明进一步具体详细描述。
应用于激光辅助热塑复合材料与轻质合金啮合连接的方法，可通过如下步骤实现，实施例：
步骤一：选择TC4作为轻质合金板1，尺寸为2×20×50mm3，选择T300碳纤维增强的PEEK树脂(CFRTP)作为热塑复合材料2，尺寸为2×20×50mm3，在TC4钛合金单侧表面加工出直线形特征图案，特征图案厚度方向上的截面形状深度为0.4mm，宽度为0.8mm，啮合角度为90°，相邻特征图案间距为1.5mm；随后在CFRTP单侧表面加工相对应的特征图案，特征图案厚度方向上的截面形状深度为0.4mm，此高度可以不损伤复材内部的碳纤维结构，宽度为1.5mm，啮合角度为90°，相邻特征图案间距为0.8mm；CFRTP表面加工出的特征图案与TC4钛合金表面加工出的特征图案可以完全啮合；
步骤二：对CFRTP及TC4钛合金表面进行清理，使用丙酮清洗复材及轻质合金表面，去除加工表面特征图案时留在表面上的残屑，避免在界面处形成气孔等缺陷；
步骤三：组装CFRTP与TC4钛合金，使得界面处完全啮合，在组装时在TC4钛合金表面加载8Mpa的压力，排除残留在啮合部位的空气，避免在界面处产生气孔等缺陷；
步骤四：电阻加热TC4至200℃保温30分钟，实现对连接前的预热，加快CFRTP与TC4钛合金界面处分子运动，使得CFRTP与轻质合金连接更加紧密；
步骤五：在TC4钛合金表面施加0.5Mpa的压力，激光头3扫描TC4钛合金表面，激光功率为2000W，扫描速度为15mm/s，摆动方式为螺旋摆动，摆动宽度为0.8mm，摆动频率为200Hz，离焦量为18mm，光斑直径为0.3mm；激光扫描的路径与加工出的特征图案相平行，如图4所示，激光扫描结束后，可以实现热塑复合材料与轻质合金界面区域分子尺度的紧密结合。
步骤六：扫描结束后保压一段时间，压力渐进加载在TC4钛合金表面，起始压力为0.3Mpa，峰值压力为0.5Mpa，保压时间为40min，加压方式为线性渐进加载，加压结束后，最终得到CFRTP与TC4钛合金的紧密连接件。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种热塑复合材料与轻质合金激光辅助啮合连接的方法，包括以下步骤：在轻质合金单侧表面加工出特征图案，随后在复材单侧表面加工出对应的特征图案，在此过程中不损害复材内部的纤维；对复材及轻质合金表面进行清理；组装热塑复合材料与轻质合金，使得两者单侧表面加工出的特征图案相互啮合，实现机械啮合；使用电阻预热轻质合金板；在加压的情况下，使用摆动激光扫描轻质合金板表面，实现分子层面的紧密连接；扫描结束后保压一段时间，最终获得热塑复合材料与轻质合金紧密连接件；在轻质合金与复材单侧表面加工出的特征图案可以相互啮合，不受热塑复合材料表面树脂厚度的影响，形成较大尺度的铆合结构，极大增强连接结合力，同时使得具有复杂流变行为树脂在连接过程中稳定流动，极大抑制连接界面缺陷从而提升接头强度和稳定性。加工出的特征图案包括但不限于直线形、斜线形、交叉形、点阵形；加工出特征图案的尺寸宽度为1～1.5mm，高度为0.2～0.5mm，此高度范围内可以避免损伤复材内部的纤维结构，相邻特征图案间距为1～2mm，加工出的表面特征图案在厚度方向上的截面形状有一定倾角，以此实现不同外界载荷下更加紧密的机械啮合，啮合倾角在80～120°。
2.根据权利要求1所述一种热塑复合材料与轻质合金激光辅助啮合连接的方法，其特征在于：电阻加热轻质合金板，加热轻质合金板到一定温度并保温一段时间，预热轻质合金板可以加快界面处分子运动，使得复材与轻质合金连接更加紧密。
3.根据权利要求1所述一种热塑复合材料与轻质合金激光辅助啮合连接的方法，其特征在于：所使用摆动激光功率为1500W～2000W，激光摆动扫描速度为10～15mm/s，摆动方式为螺旋摆动，摆动宽度为0.5～1mm，摆动频率为200Hz，离焦量为18mm，光斑直径为0.3mm；激光扫描的路径与加工出的特征图案相平行，以此实现界面结合区域的分子尺度的结合。
4.根据权利要求1所述一种热塑复合材料与轻质合金激光辅助啮合连接的方法，其特征在于：扫描结束后保压一段时间，压力渐进加载在轻质合金表面(铝合金：压力为0.1Mpa～0.3Mpa，保压时间40min；钛合金：压力为0.2Mpa～0.5Mpa，保压时间40min)。
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