CN114919197B - 一种碳纤维/聚芳醚酮复合材料层板的电阻焊接系统与焊接方法 - Google Patents

一种碳纤维/聚芳醚酮复合材料层板的电阻焊接系统与焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种碳纤维/聚芳醚酮复合材料层板的电阻焊接系统与焊接方法，该系统包括加热系统、冷却系统、压力系统、监测系统、工装。其中，加热系统为焊接面提供树脂熔融所需热量；冷却系统用以防止焊接区端部过热；压力系统包括微机控制电子万能试验机和压块，用以将力传递至焊接区域。焊接时，复合材料层板和加热元件固定于工装中指定位置，压力系统作用于待焊接区，冷却气路固定于气路限位，氮化铝陶瓷散热片置于加热元件与层板之间。树脂产生熔融流动，加热元件与层板表面紧密的粘接在一起，最终得到质量合格的焊接接头。

Description

一种碳纤维/聚芳醚酮复合材料层板的电阻焊接系统与焊接方法
技术领域
本发明涉及热塑性复合材料焊接技术领域，更具体地说，是指一种用于碳纤维/聚芳醚酮复合材料层板的电阻焊接系统及其焊接方法。
背景技术
由于飞行器制件的结构复杂性和制件尺寸的局限性，制备热塑性复合材料结构件时需要运用到材料连接技术。材料连接方式直接影响了制件的力学性能、制造成本以及整体重量。传统的材料连接方式，如机械连接易产生应力集中、不利于轻量化，而胶接对待胶接表面质量要求高、连接强度低，热塑性复合材料的电阻焊接技术作为一种重要的焊接类型，具有快速、连接强度高、增重小、可重复焊接、工艺简单等优点。电阻焊接的原理是在焊接区粘合表面之间放置导电的加热元件，对加热元件通以电流，加热元件会遵循焦耳定律而产生热量，当加热元件产生的能量超过热损耗时，焊接区温度上升，当焊接区的温度升高到聚合物的玻璃化温度或熔点时，聚合物分子具有一定的运动能力，在一定的压力下焊接表面之间紧密接触，两个粘合表面的聚合物分子相互扩散，停止通电后冷却，焊接区域硬化形成焊接接头，加热元件留在接头中。
在焊接过程中，为了保证焊接质量，对功率密度、焊接压强、加热元件类型的选择和优化非常重要。碳纤维/聚芳醚酮(如碳纤维/聚醚醚酮、碳纤维/聚醚酮酮)复合材料层板属于力学性能最高等级的热塑性复合材料，在航空航天结构上已有重要应用。由于聚芳醚酮的熔点较高，因此其焊接质量较难控制，在电阻焊接的过程中易产生层板中的纤维滑移和加热不均匀等问题。因此，亟需建立一套电阻焊接装置及方法，对该类热塑性复合材料制件进行高效、高质量地焊接，促进电阻焊接技术在大型结构中的应用。
为此，本发明的目的是提供一种碳纤维/聚芳醚酮复合材料层板的电阻焊接系统，可以监测焊接过程中的温度变化及位移变化，建立以金属网和聚醚醚酮树脂膜为原料的加热元件制备方法，并制备出碳纤维/聚芳醚酮焊接件。
发明内容
为实现本发明的上述目的，具体的技术方案如下。
一种碳纤维/聚芳醚酮复合材料层板的电阻焊接系统，所述系统包括加热系统、冷却系统、压力系统、监测系统、工装。其中所述加热系统包括电源、电极和加热元件，冷却系统包括空气压缩机、调压阀、三通气路接头、排气管、气体喷嘴和氮化铝陶瓷散热片，压力系统包括微机控制电子万能试验机和压块，监测系统包括由热电偶组成的温度监测系统和微机控制电子万能试验机组成的位移监测系统，工装包括限位装置。
进一步，所述加热系统包括电源、电极和加热元件，所述电极上通有两个第一螺孔和一个第二螺孔，所述第一螺孔通过螺栓固定的形式夹持于加热元件端部，所述第二螺孔与所述电源阴阳极连接。电极夹持端与两个第一螺孔处紧固力一致从而避免所述加热元件在夹持端接触电阻过大，从而导致局部温度过高，同时所述加热元件被加持宽度与所述电极宽度一致。所述电源通过良金属导体电极给所述加热元件两端输入电流。
可选的，电源的输出范围为0～20V，0～100A，可以实现恒流输出，恒压输出两种模式。在焊接过程中，为了保证焊接功率，优选恒流输出模式。
进一步，所述冷却系统包括空气压缩机、调压阀、三通气路接头、排气管、气体喷嘴和氮化铝陶瓷散热片。所述三通气路接头包括一个总气路排气管，两个支气路排气管，空气压缩机产生的压缩气体分别经过所述调压阀从所述两个支气路排气管通过扇形气体喷嘴喷出，作用于焊接面的边缘处，以缓解焊接过程中产生的端部过热现象。所述两个排气管分别置于所述工装的上方及侧面，分别冷却所述上层板边缘及下层板边缘。所述氮化铝陶瓷散热片置于加热元件与层板之间。
可选的，所述空气压缩机产生压缩气体，所述调压阀可将气压在0MPa～0.7MPa间进行调节，使气体稳压输出，优选了0.1～0.2MPa作为冷却气压。所述三通路接头的总气路和支气路排气管直径范围为5～10mm，优选直径为8mm的总气路和直径6mm的支气路。所述气体喷嘴喷口直径范围为1～5mm，扇形喷口角度范围为30°～140°，优选最佳喷口直径2mm，最佳扇形喷口角度范围110°。
进一步，所述压力系统包括微机控制电子万能试验机和压块，万能试验机通过压盘将力作用于压块上，压块与焊接区处直接接触，将力传递至焊接区域。所述压块底面与焊接区域面积相同。
进一步，所述检测系统包括由热电偶组成的温度监测系统和微机控制电子万能试验机组成的位移监测系统。焊接界面埋入热电偶，可以监测埋入点的温度实时变化。所述温度监测系统中的所述热电偶为K型热电偶，能够获得焊接升温速率、界面温度差等信息。根据这些信息对工艺参数进行调整，使焊接时间处于合适范围，尽可能缩小界面温差。通过所述微机控制电子万能试验机可以实现位移的实时监测，得到位移-时间曲线，当所述曲线出现极点时，即位移不再上升时，即认为到达焊接终止点。结束焊接体系开始冷却，当所述曲线基本不再变化时，控制微机控制万能试验机进行卸压，卸压时的位移为所述层板焊接后的变形量。
进一步，所述工装包括电极限位、层板限位、气路限位和保温绝缘底板。
所述电极限位包括所述卡槽和挡片，所述电极的阳极和阴极分别放置于碳纤维/聚芳醚酮复合材料层板上方和下方的两个卡槽中，所述卡槽尺寸与所述电极相同，所述挡片分别插入两个卡槽顶部。
所述层板限位包括所述支撑架，限位块和固定螺栓。所述支撑架分别固定于层板两侧，支撑架顶部通有两个第三螺孔，所述固定螺栓通过第三螺孔紧固限位块，限位块压实置于下方的层板。所述其中一个支撑架底部打第一通孔，所述第一通孔直径大于所述排气管直径。
所述压块置于层板待焊接区正上方，所述压块与层板接触面积与待焊接区面积相同。
所述气路限位包括侧气路限位和上气路限位，所述的侧气路限位为所述第一通孔，所述上气路限位为气路卡箍，所述两根排气管分别插入所述侧气路和上气路限位。
所述电极限位、层板限位、气路限位和保温绝缘底板材质的导热系数范围为0.1～0.34W/(m·K)、耐热温度范围为400～600℃、压缩强度范围为100～200MPa。优选了有机硅云母作为所述各限位装置和保温绝缘底板的材质。
更具体的，本发明建立了一种碳纤维/聚芳醚酮复合材料层板的步进式电阻焊接方法，包括如下步骤：
(1)制备焊接所需的所述加热元件。
(2)将所述层板、加热元件、氮化铝陶瓷散热片放置于工装的指定位置。
(3)将装配好的体系放置于所述微机控制电子万能试验机的压盘上，通过压盘对压块进而对体系施加压力。所述力学试验机采用恒力控制模式，对搭接区域施加预设的恒定压力。
(4)开启所述空气压缩机，使压缩空气按照预设压强喷向所述加热元件两端，启动所述力学试验机。待力值及位移稳定后，启动所述电源开关，调节电流恒流输出旋钮，使电流和功率密度在目标值恒定输出。
(5)在焊接过程中，观察电脑上显示的位移-时间曲线，待位移停止增长时断开所述电源。待体系冷却至室温，卸掉压力，完成一个待焊接区的焊接。
(6)进行下次焊接时，将所述焊接层板顺着滑轨向前推动，所述电极通过所述夹持螺栓夹持下一焊区的所述加热元件两端，重复上述步骤，实现对层板的步进式焊接。
可选的，步骤(3)中的微机控制电子万能试验机的压力值设置参考焊接试件的树脂挤出量和机械性能而确定，范围为0.5MPa～1.5MPa。优选微机控制电子万能试验机的压力值设置为1MPa(根据压块面积设置为2kN)。
可选的，步骤(4)中所述的压缩空气气压参考焊接界面温差而确定，范围为0.1～0.2MPa。优选所述压缩空气气压为0.1MPa。所述的电源的电流和功率密度设定值参考升温速率和焊接界面温差而确定，范围为电流37～47A，功率密度51～82kW/m2。优选所述电源的电流和功率密度设定值为42A，66kW/m2。
可选的，步骤(5)中所述的焊接时长根据所述位移-时间曲线的拐点而确定，优选了焊接时长为222s。
本发明一种采用碳纤维/聚芳醚酮复合材料层板的步进式电阻焊接优点在于：(1)可实现热塑性复合材料焊接工艺过程的温度监测及实时控制；(2)焊接过程界面温差小，树脂熔融均匀性好，焊接强度高；(3)焊接效率高，能量消耗少；(4)根据以上焊接方法，可实现大型制件的连续焊接；(5)焊接可靠性和重复性高，操作简单。
更具体的，本发明建立了一种电阻焊接所需加热元件制备的方法，包括如下步骤：
(1)将平纹金属网和聚醚醚酮树脂膜裁剪为所需尺寸。
(2)将所述平纹金属网和聚醚醚酮树脂膜完全浸没至装有丙酮的烧杯中，放入超声清洗仪中清洗。
(3)将清洗完毕的所述平纹金属网和聚醚醚酮树脂膜放入工业烘箱中进行烘干。
(4)将烘干完毕的所述平纹金属网和聚醚醚酮树脂膜按照2层聚醚醚酮树脂膜、平纹金属网、2层聚醚醚酮树脂膜的排列方式铺放，再置于铺有超高温隔离膜和聚四氟乙烯脱模布的模具中，放入真空热压机中进行模压，在加热加压下产生变形实现所述平纹金属网和聚醚醚酮树脂膜的紧密贴合，制备出所述加热元件。
可选地，步骤(1)中的所述平纹金属网的目数范围为100～200目，丝径范围为40～80μm。所述聚醚醚酮树脂膜厚度范围为20～80μm。根据发热功率优选了200目，40μm丝径的平纹金属网，60μm的聚醚醚酮树脂膜作为制备所述加热元件的原材料。
可选地，步骤(4)中的所述真空热压机温度设定值参考所述聚醚醚酮树脂膜的熔融温度而确定。所述真空热压机压力设定值所述加热元件成型后所述平纹金属网与所述聚醚醚酮树脂膜的结合紧密程度而确定。优选所述真空热压机温度设定值为340℃，所述压力设定值为6.5MPa。
本发明一种电阻焊接用加热元件的优点在于：(1)可根据待焊接复合材料层板选择加热元件中树脂膜类型；(2)制备工艺简洁高效；
(3)该加热元件无孔隙，金属/树脂界面粘接良好；(4)依据以上原材料类型和工艺制备出的加热元件，加热效率高，加热元件与层板界面粘接强度高。
附图说明
为了解释本发明，将在下文中参考附图描述其示例性实施方式，附图中：
图1是一种采用碳纤维/聚芳醚酮复合材料层板的电阻焊接系统示意图；
图2是焊接组件和工装的组成及结构示意图；
图3是电源电极的组成示意图；
其中，图中的标号说明如下：
1   加热系统                 2    监测系统  3   冷却系统
4   工装                     5    电源      6   巡检仪
7   微机控制电子万能试验机   8    空气压缩机
9   调压阀                   10   三通气路接头
11  排气管                   12   气体喷嘴  13  电极
14  压块                     15   卡槽      16  挡片
17  支撑架                   18   限位块    19  第三螺孔
20  第一通孔                 21   气路卡箍  22  保温绝缘底板
23  上层板                   24   下层板    25  第一螺孔
26  第二螺孔
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。
本发明是一种采用碳纤维/聚芳醚酮复合材料层板的电阻焊接系统。如图1所示，该电阻焊接系统由加热系统1、监测系统2、冷却系统3、工装4和压力系统组成。具体地，加热系统1包括直流电源5、电极13和加热元件，为焊接面提供树脂熔融所需热量。冷却系统包括空气压缩机8、调压阀9、三通气路接头10、排气管11、气体喷嘴12和氮化铝陶瓷散热片，用以防止焊接区端部过热。压力系统包括微机控制电子万能试验机7和压块14，将力作用于压块，压块将力传递至焊接区域。监测系统包括巡检仪6和万能试验机7的位移传感器。工装包括电极限位、层板限位、气路限位和保温绝缘底板，起限位和固定作用。
工装4的组成及结构如图2所示，工装包括电极限位中的卡槽15和挡片16，层板限位中的支撑架17、限位块18和用于紧固固定螺栓的第三螺孔19，压块14、气路限位中侧气路限位-第一通孔20和上气路限位-气路卡箍21，有机硅云母底板22，以及两块待焊接的层板23。
电极13的组成及结构如图3所示，电极包括上下两部分，螺栓通过两个第一螺孔25实现对中间的加热元件的夹持。第二螺孔26连接电源。
利用该发明能对碳纤维/聚芳醚酮复合材料层板进行电阻焊接，具体操作如下：
加热元件的制备
将平纹金属网和聚醚醚酮树脂膜裁剪为所需尺寸，再将所述平纹金属网和聚醚醚酮树脂膜完全浸没至装有丙酮的烧杯中，放入超声清洗仪中清洗。清洗完毕后将所述平纹金属网和聚醚醚酮树脂膜放入工业烘箱中进行烘干。最后将烘干完毕的所述平纹金属网和聚醚醚酮树脂膜置于铺有超高温隔离膜和聚四氟乙烯脱模布的模具中，放入真空热压机中进行模压，在加热加压下产生变形实现所述平纹金属网和聚醚醚酮树脂膜的紧密贴合，制备出所述加热元件。
工装的装配
待焊接层板分为上层板23和下层板24两块层板。首先分别在上层板23和下层板24距离端部25.4mm距离的位置粘贴氮化铝陶瓷散热片并用聚酰亚胺胶带固定，再将粘有氮化铝陶瓷散热片的下层板24放置于保温绝缘底板22上。将电源连接至电极13上的第二螺孔26，并通过在电极13上的两个第一螺孔25中插入紧固螺栓分别夹持所制备的加热元件两端，将夹持着加热元件的电极分别放入电极限位卡槽15，插入挡片16固定，两个卡槽分别位于下层板23上方和有保温绝缘底板22上方。再将粘有氮化铝陶瓷散热片的上层板23放置于加热元件上方，上层板23另一端与支撑架17搭接，此时上下层板、加热元件重合区域(25.4mm*25.4mm)即为待焊接区域。使用螺栓通过支撑架顶部的两个第三螺孔19将限位块17压实，将上层板23和下层板24分别固定。将两只排气管11分别插入气路卡箍23及第一通孔22，实现对上层板和下层板端部的冷却。
焊接实验
将装配好的体系放置于所述微机控制电子万能试验机7的压盘上，通过压盘对压块进而对体系施加压力。所述力学试验机采用恒力控制模式，对搭接区域施加预设的恒定压力。开启所述空气压缩机8，使压缩空气喷向所述加热元件两端，启动所述微机控制电子万能试验机7。待力值及位移稳定后，启动所述电源5开关，调节电流恒流输出旋钮，使电流在目标值恒定输出。在焊接过程中，观察微机控制电子万能试验机7的电脑上显示的位移-时间曲线，待位移停止增长时断开所述电源5。待体系冷却至室温，卸掉压力，完成一个待焊接区的焊接。进行下次焊接时，将所述焊接层板顺着滑轨向前推动，所述电极通过所述夹持螺栓夹持下一焊区的所述加热元件两端，重复上述步骤，实现对层板的步进式焊接。
焊接质量检测
将上述实验获得的焊接试件进行无损检测及拉剪实验，确认粘接性能合格。
实施例：
本实施例提供了一种两块尺寸为101.6mm×52.8mm的碳纤维/聚醚醚酮复合材料板(聚醚醚酮属于聚芳醚酮的一种)的电阻焊接方法。按照所述加热元件制备方法进行制备，获得尺寸为120mm×53mm，树脂/金属网粘接良好的加热元件。层板在焊接前用180目的砂纸打磨表面，打磨完毕后，用丙酮清洁表面，用来除去脱模剂污染的表面，同时增加表面粗糙度。使用前，用烘箱在100℃下干燥处理1h。将下层板、加热元件、上层板按顺序放置于工装制定位置。上下层板形成宽25.4mm的搭接区。
将装配好的体系放置于所述微机控制电子万能试验机的压盘上，力学试验机采用恒力控制模式，对搭接区域施加2kN恒定压力。开启空气压缩机，调节调压阀使气体喷嘴气压保持在0.1MPa，使压缩空气喷向所述加热元件两端，待所述力学试验机力值及位移稳定后，启动所述电源开关，调节电流恒流输出旋钮，使电流维持在42A恒定输出。在焊接过程中，观察电脑上显示的位移-时间曲线，待位移停止增长时(222s时刻)断开所述电源。待体系冷却至室温，卸掉压力，完成一个待焊接区的焊接。焊接完成后，对焊接试样进行拉剪强度测试其焊接质量。在综合平均拉剪强度及其离散性、焊接总变形量这三个因素下，在此条件下制备的焊接件，其平均拉剪强度达35.1MPa，CV＝2.1，总变形量<0.1mm，焊接质量优异。
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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种碳纤维/聚芳醚酮复合材料层板的电阻焊接系统，其特征在于，所述系统包括加热系统、冷却系统、压力系统、监测系统和工装，其中所述加热系统包括加热元件，为焊接面提供树脂熔融所需热量；冷却系统用以防止焊接区端部过热；压力系统包括微机控制电子万能试验机和压块，将力作用于压块，将力传递至焊接区域；监测系统包括温度监测系统和位移监测系统，用来监测温度和位移变化；焊接界面埋入热电偶，可以监测埋入点的温度实时变化；所述温度监测系统中的热电偶为K型热电偶，能够获得焊接升温速率、界面温度差信息；根据这些信息对工艺参数进行调整，使焊接时间处于合适范围，尽可能缩小界面温差；通过微机控制电子万能试验机可以实现位移的实时监测，得到位移-时间曲线，当所述曲线出现极点时，即位移不再上升时，即认为到达焊接终止点；结束焊接体系开始冷却，当曲线基本不再变化时，控制微机控制万能试验机进行卸压，卸压时的位移为层板焊接后的变形量；所述冷却系统包括空气压缩机、调压阀、三通气路接头、排气管、气体喷嘴和氮化铝陶瓷散热片，所述三通气路接头包括一个总气路排气管，两个支气路排气管，空气压缩机产生的压缩气体分别经过所述调压阀从所述两个支气路排气管通过扇形气体喷嘴喷出，作用于焊接面的边缘处，以缓解焊接过程中产生的端部过热现象，所述两个支气路排气管分别置于所述工装的上方及侧面，氮化铝陶瓷散热片粘贴于层板上，位于加热元件与层板之间，所述气体喷嘴喷口直径范围为1～5mm，扇形喷口角度范围为30°～140°。
2.根据权利要求1所述的碳纤维/聚芳醚酮复合材料层板的电阻焊接系统，其特征在于，所述加热系统中的电极上通有两个第一螺孔和一个第二螺孔，所述第一螺孔通过螺栓固定的形式夹持于加热元件端部，所述第二螺孔与电源阴阳极连接，所述电源通过电极给所述加热元件两端提供电压发热。
3.根据权利要求1所述的碳纤维/聚芳醚酮复合材料层板的电阻焊接系统，其特征在于，所述压块置于层板待焊接区正上方，所述压块与层板接触面积与待焊接区面积相同。
4.根据权利要求1所述的碳纤维/聚芳醚酮复合材料层板的电阻焊接系统，其特征在于，所述工装包括电极限位、层板限位、气路限位和保温绝缘底板。
5.根据权利要求4所述的碳纤维/聚芳醚酮复合材料层板的电阻焊接系统，其特征在于，所述电极限位包括卡槽和挡片，所述电极的阳极和阴极分别放置于层板上方和下方的两个卡槽，所述卡槽尺寸与所述电极相同，所述挡片分别插入两个卡槽顶部。
6.根据权利要求4所述的碳纤维/聚芳醚酮复合材料层板的电阻焊接系统，其特征在于，所述层板限位包括支撑架、限位块和固定螺栓，所述支撑架分别固定于层板两侧，支撑架顶部通有两个第三螺孔，所述固定螺栓通过第三螺孔紧固限位块，限位块压实置于下方的层板，所述其中一个支撑架底部设有第一通孔，所述第一通孔直径大于所述排气管直径。
7.根据权利要求4所述的碳纤维/聚芳醚酮复合材料层板的电阻焊接系统，其特征在于，所述气路限位包括侧气路限位和上气路限位，所述侧气路限位为第一通孔，所述上气路限位为气路卡箍，两根排气管分别插入所述侧气路限位和上气路限位。
8.根据权利要求4所述的碳纤维/聚芳醚酮复合材料层板的电阻焊接系统，其特征在于，所述电极限位、层板限位、气路限位和保温绝缘底板材质的导热系数范围为0.1～0.34W/(m·K)、耐热温度范围为400～600℃、压缩强度范围为100～200MPa。
9.一种采用权利要求1-8任一项所述的电阻焊接系统的步进式电阻焊接方法，包括如下步骤：
(1)制备焊接所需的所述加热元件；
(2)将所述碳纤维/聚芳醚酮复合材料层板，加热元件，氮化铝陶瓷散热片放置于工装的指定位置；
(3)将装配好的体系放置于微机控制电子万能试验机的压盘上，通过压盘对压块进而对体系施加压力；
(4)开启空气压缩机，使压缩空气喷向所述加热元件两端，启动微机控制电子万能试验机，待力值及位移稳定后，启动电源，调节电流恒流输出旋钮，使电流在目标值恒定输出；
(5)在焊接过程中，观察电脑上显示的位移-时间曲线，待位移停止增长时断开所述电源；待体系冷却至室温，卸掉压力，完成一个待焊接区的焊接。
10.根据权利要求9所述的焊接方法，其特征在于，所述加热元件由如下制备方法制成：
(1)将平纹金属网和聚醚醚酮树脂膜裁剪为所需尺寸；
(2)将所述平纹金属网和聚醚醚酮树脂膜用丙酮清洗；
(3)将清洗完毕的所述平纹金属网和聚醚醚酮树脂膜烘干；
(4)将烘干完毕的所述平纹金属网和聚醚醚酮树脂膜按照2层聚醚醚酮树脂膜、平纹金属网、2层聚醚醚酮树脂膜的顺序依次铺放，再置于铺有超高温隔离膜和聚四氟乙烯脱模布的模具中，放入真空热压机中进行模压，在加热加压下产生变形实现所述平纹金属网和聚醚醚酮树脂膜的紧密贴合，制备出所述加热元件。
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