CN115958817A - 一种超声辅助感应焊接热塑性树脂基复合材料的方法 - Google Patents

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王崇
赵普
蒲永伟
熊需海
孟庆实
王朔
李晓东
张辰
许�鹏
贺军
李威
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Abstract

本发明涉及一种超声辅助感应焊接热塑性树脂基复合材料的方法，属于树脂基复合材料领域。本发明公开了一种利用超声振动头辅助感应焊在连接热塑性树脂基复合材料过程实现树脂填充分填充，实现高强度连接的方法。本发明中，利用电磁热实现树脂基复合材料的焊接，同时利用超声头对复合材料待焊接头上方施加压力及超声振动。本发明的目的是克服树脂基复合材料感应焊接过程中接头界面树脂填充不充分的缺陷，实现树脂基复合材料的高强度连接。本发明方法简单快捷，成本极低，在航空、航天、汽车等树脂基复合材料材料连接领域有广泛的应用前景。

Description

一种超声辅助感应焊接热塑性树脂基复合材料的方法
技术领域
本发明属于树脂基复合材料领域，具体涉及一种超声辅助感应焊接热塑性树脂基复合材料的方法。
背景技术
树脂基复合材料是航空航天飞行器主要的结构材料之一，复合材料结构之间的连接是飞行器制造过程关键技术。机械紧固连接、焊接和胶接技术是两种最常用的连接方式。然而，栓接、铆接等机械紧固连接需要对复合材料钻孔，影响本体力学强度，同时螺栓或铆钉使结构件整体重量增加；焊接技术和胶接则导致复合材料结构变成了不可拆卸的整体，对施工过程精度要求高、容错率低。另外，胶接技术需要长时间的固化，存在施工周期较长、效率低的缺点。
树脂熔融焊接技术是一种能够将光、电、电磁、超声等能量转变成的热量使搭接区域热塑性树脂熔化，通过热塑性树脂与粘接母材间的原子、分子扩散结合或微观机械互锁等作用连接成一体的工艺。该技术克服了胶接技术的缺点，通过再次加热能够拆卸焊接结构，对损坏焊件进行更换并形成新的焊接头，非常适合飞行器零部件装配和修复。
感应焊接技术，主要是通过在两个焊接元件的搭接区域嵌入热塑性树脂薄膜和感应加热元件，通过通电使加热元件产生磁场，形成涡流，产生焦耳热，使热塑性树脂薄膜熔融、冷却凝固，从而实现焊件的连接。植入感应焊接技术主要是通过将加热元件植入到搭接区域的热塑性树脂薄膜内来提升薄膜的性能，该技术的工艺流程简单易操作，效率高，费用低，同时还可以连续焊接大面积的区域，并且在焊接过程中焊件不需要移动等诸多优势，是一种具有广泛应用前景的连接技术。然而，感应焊接嵌入的一般为金属网或金属线圈，在焊接过程中熔融的热塑性树脂很难实现完全的填充，从而导致无法实现树脂基复合材料的有效焊接。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种超声辅助感应焊接热塑性树脂基复合材料的方法，本发明解决技术问题的主要途径是通过超声换能器在热塑性树脂基复合材料感应焊接过程中施加超声波，进而利用热塑性树脂基复合材料层合板、金属植入体加热元件、热塑性树脂薄膜通过电加热熔融粘接工艺构筑力学性能更强的树脂基复合材料感应焊接接头。感应发热方式提供了热塑性树脂薄膜熔融需要的热量；超声换能器施加的超声波提升了熔融的热塑性树脂薄膜在金属植入体加热元件上的浸润程度和填充接头区域空隙能力；热塑性树脂薄膜的引入提供了更为丰富的粘接剂，能够密实填充接头区域空隙并粘结相关表面；所述的接头区域空隙是指植入体加热元件的边缘空隙以及热塑性树脂薄膜层与层之间空隙；同时，超声换能器可以代替传统液压装置在焊接过程中施加压力，有助于热塑性树脂薄膜与金属植入体加热元件之间机械互锁、物理吸附以及化学键作用的增强。上述设计均有助于改善热塑性树脂基复合材料感应焊接接头的力学性能。本发明的树脂基复合材料感应焊接接头力学强度优异，实施过程简单快捷、成本低，在航空、航天、汽车等复合材料连接领域具有广泛的应用前景。
本发明解决的技术问题所采用的技术方法是：一种超声辅助感应焊接热塑性树脂基复合材料的方法，包括如下步骤：
步骤1.构建热塑性复合材料层合板：以热塑性树脂基复合材料为基体，碳纤维或玻璃纤维等作为增强材料，制成预浸料，经模压成型工艺，制成热塑性复合材料层合板。
所述的模压成型工艺具体为：将预浸料放置在模具中，然后放置在模压机内进行模压成型，模压成型工艺参数：在室温下以2-5℃/min升温至300-500℃，然后在0.5-2MPa压力下维持80-100min，最后打开模压机箱门自然冷却降温，降温过程维持压力在1-1.5MPa.)，制成热塑性复合材料层合板。
步骤2.构建热塑性树脂基复合材料感应焊接接头结构：将两层热塑性树脂薄膜分别置于金属植入体加热元件两侧，将该结构封装之后置于待焊接热塑性复合材料层合板接头区域；所述的封装是指将热塑性树脂薄膜平铺放置在金属植入体加热元件两侧进行组合。
步骤3.超声辅助热塑性树脂基复合材料的感应焊接：接通电源，调整电流和电压使金属植入体加热元件加热至待焊温度，记录焊接时间；焊接过程中同时施加超声振动，超声振动结束后，通过超声换能器在焊接区域上方施加压力；冷却之后，获得热塑性树脂基复合材料感应焊接接头。
所述的步骤2中热塑性树脂基复合材料包括不限于聚碳酸酯(PC)、聚丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、尼龙(PA)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚醚酮(PEK)、聚醚醚酮(PEKK)、聚醚醚酮(PEEK)、聚芳醚腈(PEN)、含酞侧基聚醚酮(PEK-C)，含酞侧基聚醚砜(PEK-S)，含杂萘联苯结构聚芳醚砜酮(PPESK)中的一种。
所述的步骤2中热塑性树脂薄膜应选用与焊接母材一致或极性相近的热塑性树脂，包括但不限于聚碳酸酯(PC)、聚丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、尼龙(PA)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚醚酮(PEK)、聚醚醚酮(PEKK)、聚醚醚酮(PEEK)、聚芳醚腈(PEN)、含酞侧基聚醚酮(PEK-C)，含酞侧基聚醚砜(PEK-S)，含杂萘联苯结构聚芳醚砜酮(PPESK)中的一种，且薄膜厚度为0.1～0.3mm。
其中所述的热塑性树脂基复合材料的增强材料为无机颗粒、晶须、短纤维或连续纤维中的一种或几种。所述的短纤维或连续纤维为碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、PBO纤维、玄武岩纤维中的一种或几种。
所述的步骤3中待焊温度为160～500℃，焊接时间为10～300s。
所述的步骤3中超声振动频率为10～100千赫兹，振幅为2-100μm，引入超声振动时间为0.5～60s。
所述的步骤3中超声振动过程结束后，超声换能器在焊接区域上方施加的压力为0.1～0.5MPa。
所述的步骤3中金属植入体加热元件包含不锈钢网、镍铬合金丝网、铁铬铝合金丝网、镍铜合金丝网、碳纤维织布、碳纤维束中的一种。
本发明的一种超声辅助感应焊接热塑性树脂基复合材料及方法，其主要优点为：
1)本发明采用超声辅助感应焊接工艺制备热塑性树脂基复合材料焊接接头，将超声振动和感应热效应巧妙结合，使焊接工艺同时吸收超声振动和感应热效应的优势，焊接工艺简单、施工高效(仅需要几分钟)、无需昂贵设备、绿色环保等优点；另外金属植入体加热元件保留在接头内部，采用二次通电的方式能够进行焊接接头的拆卸修复和二次焊接。
2)外加的超声波能量促进热塑性树脂基复合材料表面与热塑性树脂薄膜的结合，并且在超声作用下熔融的热塑性树脂薄膜均匀分布于整个焊接空隙，避免了树脂团聚现象的发生；施加的压力可以最终控制焊缝的厚度，并可避免疏松、多孔的现象产生。所述的焊缝为焊接后金属植入体加热元件和热塑性树脂薄膜的厚度。
3)施加的超声振动可以借助超声波能量促使熔融的热塑性树脂薄膜更大范围地浸润和包裹金属植入体加热元件，从而提升了金属植入体加热元件表面和热塑性树脂薄膜的界面强度以及热塑性树脂基复合材料焊接接头的力学强度，依据热塑性树脂基复合材料种类及热塑性树脂薄膜种类的不同，各种复合材料感应焊接头拉剪强度(LSS)达5～45MPa。该工艺实施过程便捷、成本低、绿色环保、灵活性大、适应性强、易于工业化推广。
附图说明
图1为本发明实施例1中热塑性树脂基复合材料超声辅助感应焊接工艺示意图；
附图标记：1、超声换能器，2、感应加热线圈，3、热塑性复合材料层合板，4、金属植入体加热元件，5、热塑性树脂薄膜。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创新特征、达成效果易于了解，下面结合具体的实施方式，进一步阐述本发明。
实施例1
以PEI热塑性树脂为基体，玻璃纤维(GF)作为增强材料，制成预浸料，经模压成型工艺，即将预浸料放置在模具中，然后放置在模压机内在室温下以4℃/min升温至400℃，然后在0.5MPa压力下维持30min，在升温到500℃，2MPa压力下维持60min，最后打开模压机箱门自然冷却降温，降温过程维持压力在1.5MPa进行模压成型，制成玻璃纤维(GF)增强PEI热塑性树脂基复合材料。将PEI薄膜、不锈钢网加热元件按顺序放置在玻璃纤维(GF)增强PEI热塑性树脂基复合材料的搭接待焊区域，得到待加工焊接件。向待加工焊接件放置于焊接装置中，接通电源，调整电压或电流使焊接区域的最大温度达400℃，焊接时间为90s；在焊接过程中通过超声换能器施加振动频率为10K赫兹，振幅为2μm的超声能量，引入超声时间为10s；超声结束后利用超声换能器对焊接头施加0.3MPa的压力，冷却，得到GF/PEI热塑性树脂基复合材料高效异质接头，示意图如图1所示，接头剪切强度可达到37.4MPa。
实施例2
以PEI热塑性树脂为基体，碳纤维(CF)作为增强材料，制成预浸料，经模压成型工艺，即将预浸料放置在模具中，然后放置在模压机内在室温下以3℃/min升温至300℃，然后在0.5MPa压力下维持30min，在升温到360℃，2MPa压力下维持60min，最后打开模压机箱门自然冷却降温，降温过程维持压力在1MPa，进行模压成型，制成玻璃纤维(CF)增强PEI热塑性树脂基复合材料。将PEI薄膜、不锈钢网加热元件按顺序放置在碳纤维(CF)增强PEI热塑性树脂基复合材料的搭接待焊区域，得到待加工焊接件。向待加工焊接件放置于焊接装置中，接通电源，调整电压或电流使焊接区域的最大温度达400℃，焊接时间为150s；在焊接过程中通过超声换能器施加振动频率为10K赫兹，振幅为2μm的超声能量，引入超声时间为10s；超声结束后利用超声换能器对焊接头施加0.3MPa的压力，冷却，得到CF/PEI热塑性树脂基复合材料高效异质接头，接头剪切强度可达到33.5MPa。
实施例3
以PSS热塑性树脂为基体，玻璃纤维(GF)作为增强材料，制成预浸料，经模压成型工艺，即将预浸料放置在模具中，然后放置在模压机内在室温下以5℃/min升温至500℃，然后在1.5MPa压力下维持90min，最后打开模压机箱门自然冷却降温，降温过程维持压力在1MPa，进行模压成型，制成玻璃纤维(GF)增强PSS热塑性树脂基复合材料。将PPS薄膜、不锈钢网加热元件按顺序放置在玻璃纤维(GF)增强PSS热塑性树脂基复合材料的搭接待焊区域，得到待加工焊接件。向待加工焊接件放置于焊接装置中，接通电源，调整电压或电流使焊接区域的最大温度达250℃，焊接时间为90s；在焊接过程中通过超声换能器施加振动频率为10K赫兹，振幅为2μm的超声能量，引入超声时间为10s；超声结束后利用超声换能器对焊接头施加0.3MPa的压力，冷却，得到GF/PPS热塑性树脂基复合材料高效异质接头，接头剪切强度可达到28.7MPa。
实施例4
以PEI热塑性树脂为基体，玻璃纤维(GF)作为增强材料，制成预浸料，经模压成型工艺，即将预浸料放置在模具中，然后放置在模压机内在室温下以4℃/min升温至400℃，然后在0.5MPa压力下维持40min，在升温到500℃，2MPa压力下维持50min，最后打开模压机箱门自然冷却降温，降温过程维持压力在1.5MPa，进行模压成型，制成玻璃纤维(GF)增强PEI热塑性树脂基复合材料。将PEI薄膜、碳纤维织布加热元件按顺序放置在玻璃纤维(GF)增强PEI热塑性树脂基复合材料的搭接待焊区域，得到待加工焊接件。向待加工焊接件放置于焊接装置中，接通电源，调整电压或电流使焊接区域的最大温度达400℃，焊接时间为90s；在焊接过程中通过超声换能器施加振动频率为10K赫兹，振幅为2μm的超声能量，引入超声时间为10s；超声结束后利用超声换能器对焊接头施加0.3MPa的压力，冷却，得到GF/PEI热塑性树脂基复合材料高效异质接头，接头剪切强度可达到35.1MPa。
实施例5
以PEI热塑性树脂为基体，玻璃纤维(GF)作为增强材料，制成预浸料，经模压成型工艺，即将预浸料放置在模具中，然后放置在模压机内在室温下以4℃/min升温至500℃，然后在2MPa压力下维持100min，最后打开模压机箱门自然冷却降温，降温过程维持压力在1.5MPa，进行模压成型，制成玻璃纤维(GF)增强PEI热塑性树脂基复合材料。将PEI薄膜、不锈钢网加热元件按顺序放置在玻璃纤维(GF)增强PEI热塑性树脂基复合材料的搭接待焊区域，得到待加工焊接件。向待加工焊接件放置于焊接装置中，接通电源，调整电压或电流使焊接区域的最大温度达400℃，焊接时间为90s；在焊接过程中通过超声换能器施加振动频率为50K赫兹，振幅为5μm的超声能量，引入超声时间为50s；超声结束后利用超声换能器对焊接头施加0.3MPa的压力，冷却，得到GF/PEI热塑性树脂基复合材料高效异质接头，接头剪切强度可达到28.2MPa。
实施例6
以PEI热塑性树脂为基体，玻璃纤维(GF)作为增强材料，制成预浸料，经模压成型工艺，即将预浸料放置在模具中，然后放置在模压机内在室温下以5℃/min升温至400℃，然后在1MPa压力下维持90min，最后打开模压机箱门自然冷却降温，降温过程维持压力在1MPa，进行模压成型，制成玻璃纤维(GF)增强PEI热塑性树脂基复合材料。将PEI薄膜、不锈钢网加热元件按顺序放置在玻璃纤维(GF)增强PEI热塑性树脂基复合材料的搭接待焊区域，得到待加工焊接件。向待加工焊接件放置于焊接装置中，接通电源，调整电压或电流使焊接区域的最大温度达400℃，焊接时间为90s；在焊接过程中通过超声换能器施加振动频率为50K赫兹，振幅为5μm的超声能量，引入超声时间为50s；超声结束后利用超声换能器对焊接头施加2MPa的压力，冷却，得到GF/PEI热塑性树脂基复合材料高效异质接头，接头剪切强度可达到23.3MPa。

Claims (10)

1.一种超声辅助感应焊接热塑性树脂基复合材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(1)：构建热塑性复合材料层合板：以热塑性树脂基复合材料为基体，碳纤维或玻璃纤维等作为增强材料，制成预浸料，经模压成型工艺，制成热塑性复合材料层合板；
步骤(2)：构建热塑性树脂基复合材料感应焊接接头结构：将两层热塑性树脂薄膜分别置于金属植入体加热元件两侧，将该结构封装之后置于待焊接热塑性复合材料层合板接头区域；
步骤(3)：超声辅助热塑性树脂基复合材料的感应焊接：接通电源，调整电流和电压，对金属植入体加热元件进行加热，记录焊接时间；焊接过程中同时施加超声振动；超声振动结束后，通过超声换能器在焊接区域上方施加压力；冷却之后，获得热塑性树脂基复合材料感应焊接接头。
2.根据权利要求1所述的一种超声辅助感应焊接热塑性树脂基复合材料的方法，其特征在于，所述步骤(1)中的模压成型工艺具体为将预浸料放置在模具中，然后放置在模压机内进行模压成型；
所述模压成型工艺具体为：在室温下以2-5℃/min的升温速率升温至300-500℃，然后在0.5-2MPa压力下维持80-100min，最后打开模压机箱门自然冷却降温，降温过程维持压力在1-1.5MPa，制成热塑性复合材料层合板。
3.根据权利要求1所述的一种超声辅助感应焊接热塑性树脂基复合材料的方法，其特征在于，所述步骤(1)中的增强材料为无机颗粒、晶须、短纤维或连续纤维中的一种或几种；所述的短纤维或连续纤维为碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、PBO纤维、玄武岩纤维中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的一种超声辅助感应焊接热塑性树脂基复合材料的方法，其特征在于，所述步骤(1)中热塑性树脂基复合材料包括聚碳酸酯(PC)，聚丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)，尼龙(PA)，聚苯硫醚(PPS)，聚醚酰亚胺(PEI)，聚醚酮(PEK)，聚醚醚酮(PEKK)，聚醚醚酮(PEEK)，聚芳醚腈(PEN)，含酞侧基聚醚酮(PEK-C)，含酞侧基聚醚砜(PEK-S)，含杂萘联苯结构聚芳醚砜酮(PPESK)中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种超声辅助感应焊接热塑性树脂基复合材料的方法，其特征在于，所述步骤(2)中的封装是指将热塑性树脂薄膜平铺放置在金属植入体加热元件两侧进行组合。
6.根据权利要求1所述的一种超声辅助感应焊接热塑性树脂基复合材料的方法，其特征在于，所述步骤(2)中热塑性树脂薄膜选用与热塑性树脂基复合材料一致或极性相近的热塑性树脂，包括聚碳酸酯(PC)，聚丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)，尼龙(PA)，聚苯硫醚(PPS)，聚醚酰亚胺(PEI)，聚醚酮(PEK)，聚醚醚酮(PEKK)，聚醚醚酮(PEEK)，聚芳醚腈(PEN)，含酞侧基聚醚酮(PEK-C)，含酞侧基聚醚砜(PEK-S)，含杂萘联苯结构聚芳醚砜酮(PPESK)中的一种；所述热塑性树脂薄膜的薄膜厚度为0.1～0.3mm。
7.根据权利要求1所述的一种超声辅助感应焊接热塑性树脂基复合材料的方法，其特征在于，所述步骤(3)中焊接温度为160～500℃，所述焊接时间为10～300s。
8.根据权利要求1所述的一种超声辅助感应焊接热塑性树脂基复合材料的方法，其特征在于，所述步骤(3)中超声振动频率为10～100千赫兹，超声振幅为2-100μm，引入超声振动时间为0.5～60s。
9.根据权利要求1所述的一种超声辅助感应焊接热塑性树脂基复合材料的方法，其特征在于，所述步骤(3)中超声振动过程结束后，超声换能器在焊接区域上方施加的压力为0.1～0.5MPa。
10.根据权利要求1所述的一种超声辅助感应焊接热塑性树脂基复合材料的方法，其特征在于，所述步骤(3)中金属植入体加热元件包含不锈钢网、镍铬合金丝网、铁铬铝合金丝网、镍铜合金丝网、碳纤维织布、碳纤维束中的一种。
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