CN114571056A - 一种电活化辅助超声波连接金属与碳纤维复合材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电活化辅助超声波连接金属与碳纤维复合材料的方法，属于碳纤维复合材料/金属材料复合加工制备技术领域。本发明首先通过在金属板材待复合表面施加脉冲电流，使金属与导电碳纤维接触发生微区放电，可以实现界面局部高温、活化待连接界面，促进界面的化学冶金反应。其次，利用超声波高频振动，摩擦生热促进待连接界面树脂基体塑性流动，在一定的压力作用下实现树脂与金属、碳纤维与金属的连接。
Description
技术领域
本发明属于碳纤维复合材料/金属材料复合加工制备技术领域，具体为一种电活化辅助超声波连接金属与碳纤维复合材料的方法。
背景技术
碳纤维复合材料具有质量轻、强度高等优势，然而其制作成本高、脆性大易断裂等缺点限制了其整体应用。金属具有导电性好、塑性好等优势。将碳纤维复合材料与金属材料复合连接，可优势互补、实现性能更优的复合材料，在“陆海空天”等领域的应用具有重要意义，关于碳纤维复合材料/金属材料复合加工制备的研究日渐提上日程。
目前用于碳纤维复合材料与金属材料连接的技术有铆接、粘接和焊接三种。铆接需要在母材上开孔，开孔区域容易产生应力集中，而铆接时几何参数、装配性能等设计参数也会使材料力学性能有较大的分散性。粘接是借助胶粘剂在固体表面产生粘合力，将碳纤维复合材料和金属材料连接在一起，具有成本低、质量轻等优势，但粘接固化时间较长，对环境要求较高。焊接是通过碳纤维复合材料表面的树脂与金属进行连接，依靠树脂基体传递载荷，然而随着时间的增长，界面树脂逐渐老化之后，复合材料的结合强度得不到保证。
发明内容
针对目前碳纤维复合材料与金属材料连接中树脂老化、粘合有效时间短的技术问题，本发明提供了一种电活化辅助超声波连接金属与碳纤维复合材料的方法。
本发明首先通过在金属板材待复合表面施加脉冲电流，使金属与导电碳纤维接触发生微区放电，可以实现界面局部高温、活化待连接界面，促进界面的化学冶金反应。其次，利用超声波高频振动，摩擦生热促进待连接界面树脂基体塑性流动，在一定压力作用下实现树脂与金属、碳纤维与金属的连接。
为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：
一种电活化辅助超声波连接金属与碳纤维复合材料的方法，包括以下步骤：
步骤1，对碳纤维复合材料和金属板材复合面进行表面处理；
步骤2，将经过步骤1表面处理后的金属板材平铺于绝缘垫板之上固定，再将经过步骤1表面处理后的碳纤维板材放置于金属板材之上固定；
步骤3，将脉冲电源连接的铜片电极与金属板材两端连接固定；
步骤4，对金属板材施加脉冲电流，同时监测金属板材表面温度；
步骤5，进行超声波点焊，完成金属与碳纤维复合材料的连接，得到金属-碳纤维复合板材。
进一步，所述步骤4中施加脉冲电流的电源输出频率为0～2000Hz可调。对金属板材施加脉冲电流，使金属板材待复合表面温度升高；使金属与导电碳纤维接触发生微区放电，可以实现界面局部高温、活化待连接界面，促进界面的化学冶金反应。
进一步，所述步骤5中超声波点焊的超声波振动功率为0～4000W，振动频率为30kHz。
进一步，所述步骤2中，绝缘垫板尺寸为100mm×30mm×1mm，绝缘垫板的设置是防止电流传导进入工作台，防止加工过度，保证工作台光滑平整。
进一步，所述步骤3中脉冲电源连接的铜片电极与金属板材两端连接固定是通过螺栓固定，所述螺栓下表面连接绝缘/防溃垫片。防止电流传导进入超声波焊头，防止螺栓压紧力过大破坏碳纤维板表面和铜片电极表面。
进一步，超声波点焊的焊头直径为10mm。
进一步，所述步骤3中铜片电极尺寸为25mm×15mm×1mm。
进一步，所述步骤4中通过红外热成像测温仪对金属板材表面温度进行监测。通过红外热成像测温仪对金属板材表面温度进行监测，对试验温度可控性更高。
进一步，所述步骤1中表面处理方法具体是：通过无水乙醇擦洗。
与现有技术相比本发明具有以下优点：
传统的焊接主要依靠界面高温使碳纤维复合材料表面的树脂熔融，在一定的压力下冷却凝固，与金属形成连接接头，焊接界面普遍存在树脂易老化、粘合有效时间短等问题。本发明对金属板材施加脉冲电流，不仅可实现界面高温，而且可使局部金属与导电碳纤维接触发生微区放电，活化待连接界面。同时利用超声波高频振动摩擦生热，促进待连接界面树脂基体塑性流动，在一定压力作用下实现树脂与金属、碳纤维与金属的连接。
附图说明
图1为本发明的加工制备示意图；
图2为本发明的加工制备正面示意图；
图3为本发明通电过程中碳纤维复合材料/铝合金接头区温度分布；
图4为本发明加工制备的碳纤维复合材料/铝合金界面局部EDS面扫图。
图中：1-连接电源正极的铜片电极；2-碳纤维复合材料；3-金属板材；4-绝缘垫板；5-工作台；6-超声波焊头；7-螺栓；8-绝缘/防溃垫片；9-连接电源负极的铜片电极。
具体实施方式
实施例1
一种电活化辅助超声波连接金属与碳纤维复合材料的方法，包括以下步骤：
步骤1，对碳纤维复合材料PEEK和镁合金AZ31B复合面进行表面处理；
步骤2，将经过步骤1表面处理后的金属板材平铺于绝缘垫板之上固定，再将经过步骤1表面处理后的碳纤维板材放置于金属板材之上固定；
步骤3，将脉冲电源连接的铜片电极与金属板材两端连接固定；
步骤4，对金属板材施加脉冲电流，电流80A、频率500Hz、占空比60％，同时监测金属板材表面温度；
步骤5，进行超声波点焊，焊接过程中超声波振动系统的功率为4000W，振动频率为30kHz，焊接能耗700J、焊接振幅65％、焊接压力0.2MPa，完成金属与碳纤维复合材料的连接，得到AZ31B-PEEK复合板材。
实施例2
一种电活化辅助超声波连接金属与碳纤维复合材料的方法，包括以下步骤：
步骤1，对碳纤维复合材料PEEK和铝合金5052复合面进行表面处理；
步骤2，将经过步骤1表面处理后的金属板材平铺于绝缘垫板之上固定，再将经过步骤1表面处理后的碳纤维板材放置于金属板材之上固定；
步骤3，将脉冲电源连接的铜片电极与金属板材两端连接固定；
步骤4，对金属板材施加脉冲电流，电流50A、频率600Hz、占空比50％，同时监测金属板材表面温度；
步骤5，进行超声波点焊，焊接过程中超声波振动系统的功率为4000W，振动频率为30kHz，焊接能耗1000J、焊接振幅70％、焊接压力0.2MPa，完成金属与碳纤维复合材料的连接，得到5052-PEEK复合板材。
实施例3
一种电活化辅助超声波连接金属与碳纤维复合材料的方法，包括以下步骤：
步骤1，对碳纤维复合材料PA6和不锈钢SS304复合面进行表面处理；
步骤2，将经过步骤1表面处理后的金属板材平铺于绝缘垫板之上固定，再将经过步骤1表面处理后的碳纤维板材放置于金属板材之上固定；
步骤3，将脉冲电源连接的铜片电极与金属板材两端连接固定；
步骤4，对金属板材施加脉冲电流，电流100A、频率1200Hz、占空比70％，同时监测金属板材表面温度；
步骤5，进行超声波点焊，焊接过程中超声波振动系统的功率为4000W，振动频率为30kHz，焊接能耗1800J、焊接振幅80％、焊接压力0.3MPa，完成金属与碳纤维复合材料的连接，得到SS304-PA6复合板材。
实施例4
准备材料：碳纤维复合材料、铝合金板、无水乙醇；
具体如下：碳纤维复合材料PA6板，尺寸为20mm×50mm×1mm；铝合金板5052，尺寸为20mm×90mm×1mm；无水乙醇C2H6O，用量为20mL±2mL。
一种电活化辅助超声波连接碳纤维复合材料与金属材料的方法，包括以下步骤：
步骤1.对碳纤维复合材料2和铝合金板3进行表面处理：用干净的棉纱蘸上无水乙醇擦洗碳纤维复合材料2和铝合金板3表面及侧面，以去除油污；
步骤2.将铝合金板3平铺于绝缘垫板4之上，确保铝合金板3与绝缘垫板4平整接触，将碳纤维复合材料2置放于铝合金板3之上，使用四个螺栓7将碳纤维复合材料2和铝合金板3进行压紧固定，螺栓7下表面连接绝缘/防溃垫片8；
步骤3.将与脉冲电源正负极连接的铜片电极1和铜片电极9分别置放于铝合金板3两端上表面，通过螺栓7进行固定，螺栓下表面连接绝缘/防溃垫片8；
步骤4.首先对铝合金板3施加脉冲电流，其中电流参数为：电流50A、频率1000Hz、占空比50％，红外热成像测温仪对铝合金板3表面温度监测显示最高温度为100℃。其次对碳纤维复合材料2和铝合金板3进行超声波点焊，超声波焊机的焊头6直径为10mm，焊接过程中超声波振动系统的功率为4000W，焊接模式为能耗模式，振动频率为30kHz，焊接振幅75％、焊接压力0.15MPa，焊接能耗分别为500J、1000J、1500J进行三组实验，最终获得结合良好的5052-PA6复合板材。
如图3所示，为本发明通电过程中碳纤维复合材料/铝合金接头区温度分布。通电过程中，碳纤维复合材料/铝合金板接头区域温度明显高于周围其他区域，其优势是对接头微区的碳纤维与金属接触界面、碳纤维与树脂界面以及金属与树脂界面有一定的活化作用，增大树脂的流动性，促进各界面在超声波作用下的进一步结合。
步骤5.对试验焊接能耗为1500J时获得的碳纤维复合材料/铝合金复合板材连接界面形貌进行分析和表征：用扫描电镜对获得的碳纤维复合材料/铝合金复合板材连接界面进行分析。
如图4所示，为试验焊接能耗为1500J时获得的碳纤维复合材料/铝合金界面局部EDS面扫图。
综上：实施例中不同材料的复合板均实现了不同程度的结合，实验数据如表1所示。本发明可用于碳纤维复合材料和金属材料的复合加工，碳纤维复合材料包括PEEK、PA6等，金属材料包括铝合金、镁合金、不锈钢、钛合金等。此外，固定材料的夹具、电源参数、超声波焊接参数及焊头表面尖齿尺寸都可根据待复合材料的性质及尺寸的不同进行更改。
表1实施例1-4试验参数及结果
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (7)
1.一种电活化辅助超声波连接金属与碳纤维复合材料的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1，对碳纤维复合材料和金属板材复合面进行表面处理；
步骤2，将经过步骤1表面处理后的金属板材平铺于绝缘垫板之上固定，再将经过步骤1表面处理后的碳纤维板材放置于金属板材之上固定；
步骤3，将脉冲电源连接的铜片电极与金属板材两端连接固定；
步骤4，对金属板材施加脉冲电流，同时监测金属板材表面温度；
步骤5，进行超声波点焊，完成金属与碳纤维复合材料的连接，得到金属-碳纤维复合板材。
2.根据权利要求1所述的一种电活化辅助超声波连接金属与碳纤维复合材料的方法，其特征在于：所述步骤4中施加脉冲电流的电源输出频率为0～2000Hz。
3.根据权利要求2所述的一种电活化辅助超声波连接金属与碳纤维复合材料的方法，其特征在于：所述步骤5中超声波点焊的超声波振动功率为0～4000W，振动频率为30kHz。
4.根据权利要求3所述的一种电活化辅助超声波连接金属与碳纤维复合材料的方法，其特征在于：所述步骤3中脉冲电源连接的铜片电极与金属板材两端连接固定是通过螺栓固定，所述螺栓下表面连接绝缘/防溃垫片。
5.根据权利要求4所述的一种电活化辅助超声波连接金属与碳纤维复合材料的方法，其特征在于：超声波点焊的焊头直径为10mm。
6.根据权利要求5所述的一种电活化辅助超声波连接金属与碳纤维复合材料的方法，其特征在于：所述步骤4中通过红外热成像测温仪对金属板材表面温度进行监测。
7.根据权利要求6所述的一种电活化辅助超声波连接金属与碳纤维复合材料的方法，其特征在于：所述步骤1中表面处理方法具体是：通过无水乙醇擦洗。
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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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