CN114346616A - 一种轻质合金与纤维增强复合材料异质接头及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及复合材料加工技术领域，具体涉及一种轻质合金与纤维增强复合材料异质接头及制备方法，通过对轻质合金表面进行激光蚀刻处理，在其表面形成微米级凹凸结构，有效提高异质接头的机械嵌合作用，提高异质接头的强度；同时在轻质合金与纤维增强复合材料之间设置有金属网作为过渡结构，并将金属网的一侧喷涂与纤维增强复合材料相同的材质且喷涂层与纤维增强复合材料接触，另一侧与轻质合金接触，改善异质接头润湿性低的问题，减少两种母材的实际接触面积，增大了异质接头界面处的振动；上述两种方式共同配合产生耦合作用，可以提高异质接头的强度，解决了轻质合金与纤维增强复合材料异质接头不易连接，连接后强度低、易发生早期失效等问题。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料加工技术领域，具体涉及一种轻质合金与纤维增强复合材料异质接头及制备方法。
背景技术
碳纤维增强复合材料具有密度小即1.1g/cm3-1.6g/cm3、强度高、成型过程中无需化学反应、成型周期短、可重复利用等优点，已成为继铝、钢、钛之后迅速发展的第四大航空结构材料，同时在汽车、机械、医疗、体育等行业得到了大力发展及应用。
碳纤维增强复合材料在使用过程中，不可避免的要和其他材料进行连接，尤其是各种钢材及轻质合金，其中碳纤维增强复合材料与铝合金的连接既能满足强度要求也能满足轻量化设计要求，因此碳纤维复合材料与铝合金的连接技术得到了大量研究。现有的连接技术一般可以分为胶接、机械连接如螺接和铆接以及焊接技术三大类；其中焊接技术通常只适用于基体材料为热塑性材料的复合材料，适用性较差，另外焊接后得到的铝合金与碳纤维增强复合材料异质接头强度较低，已发生早期失效，焊接效果差，影响异质接头的正常使用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种轻质合金与纤维增强复合材料异质接头及制备方法，以解决上述背景技术中存在的现有技术问题。
为解决上述的技术问题，本发明提供的技术方案为：
一方面，本发明提供了一种轻质合金与纤维增强复合材料异质接头的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，表面清洁：对异质接头中需要连接的轻质合金母材和复合材料母材分别进行表面处理；
步骤二，激光蚀刻：对轻质合金母材进行激光蚀刻，使其表面形成凹凸结构；
步骤三，过渡结构喷涂：在轻质合金母材与复合材料母材之间设置有过渡结构，对过渡结构的一侧进行喷涂，得到与复合材料母材材质相同的喷涂层；
步骤四，焊接：将处理后的轻质合金母材、过渡结构以及复合材料母材按顺序依次放置，将过渡结构喷涂层的一侧与复合材料母材接触，未喷涂的另一侧与轻质合金母材接触，使用焊接设备进行焊接，焊接完成后得到高强度异质接头。
在上述技术方案基础上，所述步骤一中的轻质合金设置为铝合金、镁合金或钛合金，所述复合材料设置为碳纤维增强复合材料；更优选的，所述轻质合金采用铝合金，所述复合材料采用碳纤维增强热塑性复合材料。
在上述技术方案基础上，包括以下步骤：
步骤一，表面处理，对异质接头中需要连接的铝合金和碳纤维增强复合材料分别使用有机溶剂进行表面清洗，去除表面的灰尘以及油污杂质；
步骤二，激光蚀刻：使用激光器以脉冲激光的方式对铝合金进行激光蚀刻，经过激光蚀刻之后的铝合金表面形成均匀的微米级凹凸结构；
步骤三，金属网喷涂：选择材质合适的金属网作为过渡结构，将金属网的一侧进行喷涂形成喷涂层，喷涂原材料采用与碳纤维增强复合材料的材质相同的粉末材料；
步骤四，焊接：将处理后的铝合金、金属网以及碳纤维增强复合材料按顺序依次放置，所述金属网上喷涂层的一侧与碳纤维增强复合材料接触，未喷涂的另一侧与铝合金接触，使用超声波焊接设备对其进行焊接，焊接完成后得到高强度的铝合金与碳纤维增强复合材料的异质接头。
在上述技术方案基础上，所述步骤一中的有机溶剂选用酒精或丙酮。
在上述技术方案基础上，所述步骤二中激光蚀刻的激光功率50W-100W，扫描速度0.5m/min-2.0m/min，扫描重复频率40Hz-100 Hz。
在上述技术方案基础上，所述步骤三中的金属网的材质采用铜、钛、镍、铂、铬中的一种。
在上述技术方案基础上，所述步骤三中的金属网的网格设置为圆形或六边形。
在上述技术方案基础上，所述金属网的丝径设置为0.05mm-0.3mm，所述圆形网格的孔径或六边形网格外接圆的直径设置为0.1mm-1.0mm。
在上述技术方案基础上，所述步骤四中在焊接时，首先调整好超声波焊接装置的位置，对按顺序堆叠的异质接头结构施加一个初始压力；然后对超声波焊接装置的焊接参数进行设置；最后进行焊接得到异质焊接接头。
另一方面，本发明还提供了一种由上述制备方法制备得到的铝合金与碳纤维增强复合材料异质接头。
在上述技术方案基础上，包括铝合金、金属网以及碳纤维增强复合材料且依次堆叠而成，所述金属网一侧设置有喷涂层且与碳纤维增强复合材料接触，另一侧与铝合金接触。
本发明提供的技术方案产生的有益效果在于：
本发明中通过以轻质合金母材为铝合金，复合材料母材为碳纤维增强复合材料为例说明其有益效果。即通过对铝合金表面进行激光蚀刻处理，在其表面形成微米级凹凸结构，可以有效提高异质接头的机械嵌合作用，提高异质接头的强度；同时在铝合金与碳纤维增强复合材料之间设置有金属网作为过渡结构，并将金属网的一侧喷涂与碳纤维增强复合材料相同的材质与碳纤维增强复合材料接触，另一侧与铝合金接触，改善异质接头润湿性低的问题，减少两种母材的实际接触面积，较小的下压力即可得到焊接所需的压强，增大了异质接头界面处的振动，较小的焊接功率下即可满足焊接所需的热量；上述两种方式共同配合可以产生耦合作用，可以有效提高铝合金与碳纤维增强复合材料异质接头的强度，有效解决了铝合金与碳纤维增强复合材料异质接头不易连接，连接后强度低、易发生早期失效的问题。
附图说明
图1是本发明中铝合金表面激光蚀刻处理后的形貌图；
图2是本发明中过渡结构金属网的立体结构示意图；
图3是本发明中过渡结构金属网主视图；
图4是本发明中异质接头焊接结构示意图；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、等指示的方位或位置关系均为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1至图4所示，一方面，本发明提供了一种轻质合金与纤维增强复合材料异质接头的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，表面清洁：对异质接头中需要连接的轻质合金母材1和复合材料母材2分别进行表面处理；
步骤二，激光蚀刻：对轻质合金母材1进行激光蚀刻，使其表面形成凹凸结构；
步骤三，过渡结构喷涂：在轻质合金母材1与复合材料母材2之间设置有过渡结构3，对过渡结构3的一侧进行喷涂，得到与复合材料母材2材质相同的喷涂层；
步骤四，焊接：将处理后的轻质合金母材1、过渡结构3以及复合材料母材2按顺序依次放置，将过渡结构3具有喷涂层的一侧与复合材料母材2接触，未喷涂的另一侧与轻质合金母材1接触，使用焊接设备4进行焊接，焊接完成后得到高强度异质接头。
在上述技术方案基础上，所述步骤一中的轻质合金设置为铝合金、镁合金或钛合金，所述复合材料设置为碳纤维增强复合材料；更优选的，所述轻质合金采用铝合金，所述复合材料采用碳纤维增强热塑性复合材料。
下述以铝合金作为轻质合金母材，以碳纤维增强复合材料作为复合材料母材为例，对轻质合金与纤维增强复合材料异质接头及其制备方法进行详细说明：
在上述技术方案基础上，包括以下步骤：
步骤一，表面处理，对异质接头中需要连接的铝合金和碳纤维增强复合材料分别使用有机溶剂进行表面清洗，去除表面的灰尘以及油污杂质；其中有机溶剂选用酒精或丙酮。
步骤二，激光蚀刻：使用激光器以脉冲激光的方式对铝合金进行激光蚀刻，经过激光蚀刻之后的铝合金表面形成均匀的微米级凹凸结构；其中所述激光蚀刻的具体条件设置为：激光功率50W-100W，扫描速度0.5m/min-2.0m/min，扫描重复频率40Hz-100 Hz。通过对铝合金表面进行激光蚀刻处理，在铝合金搭接接头表面生成微米级凹凸结构，如图1所示，提高了异质接头机械嵌合作用，从而可以有效提高接头强度。
步骤三，金属网喷涂：选择材质合适的金属网作为过渡结构，将金属网的一侧进行喷涂形成喷涂层，喷涂原材料采用与碳纤维增强复合材料的材质相同的粉末材料；在上述技术方案基础上，所述步骤三中的金属网的材质采用铜、钛、镍、铂、铬中的一种。
通过在铝合金与碳纤维增强复合材料异质接头的结合面增加微米级至亚毫米级金属网作为过渡结构，金属网一面喷涂与焊接母材相同的碳纤维增强复合材料，焊接时喷涂层与碳纤维增强复合材料接触，金属网另一面与铝合金接触；焊接时金属网结构所起的作用如下：
(1)金属网一侧为金属材质，另一侧为与碳纤维增强复合材料材质相同的喷涂层，解决了铝合金和碳纤维增强复合材料润湿性低的问题，降低焊接难度；同时选择丝径与孔径均较小尺寸的金属网结构，与激光蚀刻之后的铝合金上微米级凹凸结构具有较好的机械嵌合作用，改善异质接头焊接后强度；
(2)金属网的增设可以减小铝合金和碳纤维增强复合材料的实际接触面积，即在很小的焊接下压力时就能达到焊接所需的压强；或者在同等的焊接下压力下能获得更大的压强，在达到焊接目的的同时又能防止压强过大导致复合材料木材出现压裂、接头成型不良等缺陷；
(3)金属网的增设加快了铝合金和碳纤维增强复合材料异质接头界面处的振动，即配合超声波焊接方法，在较小的超声波功率下就能满足异质接头焊接所需的热量。
在上述技术方案基础上，所述步骤三中的金属网的网格设置为圆形或六边形，如图3和图4所示。在上述技术方案基础上，所述金属网的丝径设置为0.05mm-0.3mm，所述圆形网格的孔径或六边形网格外接圆的直径设置为0.1mm-1.0mm；金刚网的尺寸过大容易产生未焊合缺陷，尺寸过小制作工艺难度较大，焊接效果也不理想。
步骤四，焊接：将处理后的铝合金、金属网以及碳纤维增强复合材料按顺序依次放置，所述金属网上喷涂层的一侧与碳纤维增强复合材料接触，未喷涂的另一侧与铝合金接触，使用超声波焊接设备对其进行焊接，焊接完成后得到高强度的铝合金与碳纤维增强复合材料的异质接头。在上述技术方案基础上，所述步骤四中在焊接时，首先调整好超声波焊接装置的位置，对按顺序堆叠的异质接头结构施加一个初始压力，使用上述制备方法仅需要50N-200N的压力即可实现焊接效果好的异质接头；然后对超声波焊接装置的焊接参数进行设置；最后进行焊接得到异质焊接接头，焊接效果好，异质接头强度高。
另一方面，本发明还提供了一种由上述制备方法制备得到的轻质合金与纤维增强复合材料异质接头。
在上述技术方案基础上，包括轻质合金、过渡结构以及纤维增强复合材料且依次堆叠而成，所述过渡结构一侧设置有喷涂层且与纤维增强复合材料接触，另一侧与轻质合金接触。
本发明中通过以轻质合金母材为铝合金，复合材料母材为碳纤维增强复合材料为例说明其有益效果。通过对铝合金表面进行激光蚀刻处理，在其表面形成微米级凹凸结构，通过配合丝径与孔径均较小的金属网结构，可以有效提高异质接头的机械嵌合作用，提高异质接头的强度；同时在铝合金与碳纤维增强复合材料之间设置有金属网作为过渡结构，并将金属网的一侧喷涂与碳纤维增强复合材料相同的材质与碳纤维增强复合材料接触，另一侧与铝合金接触，改善异质接头润湿性低的问题，减少两种母材的实际接触面积，较小的下压力即可得到焊接所需的压强，增大了异质接头界面处的振动，较小的焊接功率下即可满足焊接所需的热量；上述两种方式共同配合可以产生耦合作用，可以有效提高铝合金与碳纤维增强复合材料异质接头的强度，有效解决了铝合金与碳纤维增强复合材料异质接头不易连接，连接后强度低、易发生早期失效的问题。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，因此应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (10)
1.一种轻质合金与纤维增强复合材料异质接头的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，表面清洁：对异质接头中需要连接的轻质合金母材和复合材料母材分别进行表面处理；
步骤二，激光蚀刻：对轻质合金母材进行激光蚀刻，使其表面形成凹凸结构；
步骤三，过渡结构喷涂：在轻质合金母材与复合材料母材之间设置有过渡结构，对过渡结构的一侧进行喷涂，得到与复合材料母材材质相同的喷涂层；
步骤四，焊接：将处理后的轻质合金母材、过渡结构以及复合材料母材按顺序依次放置，将过渡结构具有喷涂层的一侧与复合材料母材接触，未喷涂的另一侧与轻质合金母材接触，使用焊接设备进行焊接，焊接完成后得到高强度异质接头。
2.根据权利要求1所述的一种轻质合金与纤维增强复合材料异质接头的制备方法，其特征在于，所述步骤一中的轻质合金设置为铝合金、镁合金或钛合金，所述复合材料设置为碳纤维增强复合材料。
3.根据权利要求2所述的一种轻质合金与纤维增强复合材料异质接头的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，表面处理，对异质接头中需要连接的铝合金和碳纤维增强复合材料分别使用有机溶剂进行表面清洗，去除表面的灰尘以及油污杂质；
步骤二，激光蚀刻：使用激光器以脉冲激光的方式对铝合金进行激光蚀刻，经过激光蚀刻之后的铝合金表面形成均匀的微米级凹凸结构；
步骤三，金属网喷涂：选择材质合适的金属网作为过渡结构，将金属网的一侧进行喷涂形成喷涂层，喷涂原材料采用与碳纤维增强复合材料的材质相同的粉末材料；
步骤四，焊接：将处理后的铝合金、金属网以及碳纤维增强复合材料按顺序依次放置，所述金属网上喷涂层的一侧与碳纤维增强复合材料接触，未喷涂的另一侧与铝合金接触，使用超声波焊接设备对其进行焊接，焊接完成后得到高强度的铝合金与碳纤维增强复合材料的异质接头。
4.根据权利要求3所述的一种轻质合金与纤维增强复合材料异质接头的制备方法，其特征在于，所述步骤二中激光蚀刻的激光功率50W-100W，扫描速度0.5m/min-2.0m/min，扫描重复频率40Hz-100 Hz。
5.根据权利要求3所述的一种轻质合金与纤维增强复合材料异质接头的制备方法，其特征在于，所述步骤三中的金属网的材质采用铜、钛、镍、铂、铬中的一种。
6.根据权利要求3所述的一种轻质合金与纤维增强复合材料异质接头的制备方法，其特征在于，所述步骤三中的金属网的网格设置为圆形或六边形。
7.根据权利要求6所述的一种轻质合金与纤维增强复合材料异质接头的制备方法，其特征在于，所述金属网的丝径设置为0.05mm-0.3mm，所述圆形网格的孔径或六边形网格外接圆的直径设置为0.1mm-1.0mm。
8.根据权利要求3所述的一种轻质合金与纤维增强复合材料异质接头的制备方法，其特征在于，所述步骤四中在焊接时，首先调整好超声波焊接装置的位置，对按顺序堆叠的异质接头结构施加一个初始压力；然后对超声波焊接装置的焊接参数进行设置；最后进行焊接得到异质焊接接头。
9.一种轻质合金与纤维增强复合材料异质接头，其特征在于，根据权利要求1至8任一项所述的制备方法制备得到。
10.根据权利要求9所述的一种轻质合金与纤维增强复合材料异质接头，其特征在于，包括轻质合金、过渡结构以及纤维增强复合材料且依次堆叠而成，所述过渡结构一侧设置有喷涂层且与纤维增强复合材料接触，另一侧与轻质合金接触。
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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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