CN117656547A - 一种金属-复合材料的连接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电化学加工技术领域,具体涉及一种金属‑复合材料的连接方法。其包括步骤:加工出带有倾角的金属针群的一体化金属针桥;将一体化金属针桥的金属针群放置在复材纤维板的编织缝隙位置,并铺敷预浸料,待预浸料固化后,复材纤维板与一体化金属针桥连接在一起。该金属‑复合材料的连接方法的目的是解决飞机机身开口处复合材料与金属的连接强度不够的问题。

Description

一种金属-复合材料的连接方法
技术领域
本发明涉及电化学加工技术领域,具体涉及一种金属-复合材料的连接方法。
背景技术
在新一代飞机的设计制造中,复合材料因其高比强度、高比刚度、易成形,长寿命的特点,得到广泛应用。在空客A350XWB中,复合材料占全机总重量52%以上,包含飞机机身、机翼、雷达罩和大型整流罩等结构。
复合材料因其性能优越广泛使用,但是也存在局限限制其发展。飞机上使用复材在其服役过程中,受环境影响易出现如界面脱粘、脱胶、起皱、冲击损伤和结构裂纹等失效形式;尤其机身为满足通风,检修,管线通过等,在复合材料层合板结构上设置开口是非常普遍并且不可避免的,这种开口会导致复材应力集中,载荷分布情况更为复杂,更容易引起复合材料分层、裂纹。例如,波音B787的机身复合材料开口采用Ti6Al4V进行补强,通过复合材料与钛合金的连接提高开口处强度,进而提高机身安全性,延长飞机服役时限。因此,此类复合材料机身开口处,通常采用钛合金进行补强,也就不可避免地要与金属相连接。这就给复合材料构件的使用和安装带来大量的连接技术问题,如果连接不好,这些连接件就会成为整体结构的薄弱环节。有数据表明,在复合材料结构件中有一半以上的破坏位置都发生在连接部位。
目前,复合材料与金属的连接主要有机械连接、胶结和焊接三种方式。机械连接包含螺纹连接和铆钉连接,螺纹连接具有操作简单、技术已相对成熟、能够传递较大载荷,但是存在增加连接件致增加总质量,攻丝和打孔会产生薄弱环节等问题;复材与金属材料的铆接具有结构稳定,能承受较大载荷冲击的优势,但是存在预打铆钉孔经济性和应力集中问题。
在复材与金属连接接头中,Comeld技术可以极大减少铆接的应力集中,提高金属与复材连接表面积,提高连接强度,但是受限于电子束毛化凸起的高度和强度,垂直面力强强度不足,限制其应用发展。Z-pin增强技术,可以提高复合材料层合板的层间性能,但是预先打孔降低金属连接头和复合材料面内力学性能。同时,连接金属接头表面制孔,插入细针会降低复材与金属的连接加工效率。
因此,发明人提供了一种金属-复合材料的连接方法。
发明内容
(1)要解决的技术问题
本发明实施例提供了一种金属-复合材料的连接方法,解决了飞机机身开口处复合材料与金属的连接强度不够的技术问题。
(2)技术方案
本发明提供了一种金属-复合材料的连接方法,包括以下步骤:
加工出带有倾角的金属针群的一体化金属针桥;
将所述一体化金属针桥的金属针群放置在复材纤维板的编织缝隙位置,并铺敷预浸料,待所述预浸料固化后,所述复材纤维板与所述一体化金属针桥连接在一起。
进一步地,所述加工出带有倾角的金属针群的一体化金属针桥,具体包括如下步骤:
根据待加工的针群结构,设计底片,同时在金属基体的表面涂覆感光保护膜;
通过曝光显影的方式,将所述底片的图案映刻在所述金属基体的表面;
通过电化学加工方式,将多余的金属材料去除,得到所述一体化金属针桥。
进一步地,所述金属针群的高度为0.5-2mm。
进一步地,所述金属针群在所述金属基体的表面的水平调整角度为360°。
进一步地,所述金属针群在所述金属基体的表面的垂直调整角度为180°。
进一步地,所述根据待加工的针群结构,设计底片,同时在金属基体的表面涂覆感光保护膜之前,还包括:清洗所述金属基体的表面。
进一步地,所述通过电化学加工方式,将多余的金属材料去除,得到所述一体化金属针桥,具体包括如下步骤:
将带有保护膜的金属基体,接加工电源的阳极,扫描加工电极接电源的阴极;
导通电解质溶液,以预设加工电压、预设电极扫描速度电解加工所述金属针群至设定高度。
进一步地,所述电解质溶液为8%的Kbr溶液。
进一步地,电解加工结束后,将所述一体化金属针桥放置在温度为95℃、浓度10%NaOH溶液浸泡至少8小时。
进一步地,所述金属针群包括多个阵列式分布的针状凸起。
(3)有益效果
综上,本发明通过一体化倾角针桥优化结构代替金属连接板和细针实现复材与金属连接强度更高,一体化多向倾角针桥密集群柱能提高结合力、更能适应多变的孔口形式,带方向钢针增加复材纤维板与柱状面力方向强度,进而提高了复材基体与金属连接头结合力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种金属-复合材料的连接方法的流程示意图;
图2是本发明实施例提供的一种一体化金属针桥的结构示意图;
图3是本发明实施例提供的一种一体化金属针桥的金属针群倾角的结构示意图;
图4是本发明实施例提供的一种一体化金属针桥的结构俯视图;
图5是本发明实施例提供的一种金属连接板与复材纤维板连接后的整体结构示意图。
图中:
1-复材纤维板;2-一体化金属针桥;201-金属基板;202-针状凸起;α-倾斜角度。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理,但不能用来限制本发明的范围,即本发明不限于所描述的实施例。
需要说明的是,在不冲突的情况下,本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“上”、“下”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,或者是本发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系,或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系,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设备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。
图1是本发明实施例提供的一种金属-复合材料的连接方法的流程示意图,如图1所示,该方法可以包括以下步骤:
S100、加工出带有倾角的金属针群的一体化金属针桥;
S200、将一体化金属针桥的金属针群放置在复材纤维板的编织缝隙位置,并铺敷预浸料,待预浸料固化后,复材纤维板与一体化金属针桥连接在一起。
在上述实施方式中,采用一体化倾角针桥优化结构代替金属连接板和细针实现复材与金属连接强度更高,一体化针桥不仅能实现Z-pin层间复材增强。
作为一种可选的实施方式,步骤S100中,加工出带有倾角的金属针群的一体化金属针桥,具体包括如下步骤:
S101、根据待加工的针群结构,设计底片,同时在金属基体的表面涂覆感光保护膜;
S102、通过曝光显影的方式,将底片的图案映刻在金属基体的表面;
S103、通过电化学加工方式,将多余的金属材料去除,得到一体化金属针桥。
具体地,金属针群(可以是钢钉)是板材料经过离子去除电化学加工至所需加工状态,具有基体材料一样的力学性能,极大改善了复材纤维与金属基体的连接强度。一体化金属针桥的电化学加工具有加工效率高,适应性强特点。一体化针桥的针群加工可以采用照相电解加工,根据所加工的群柱结构,制备保护膜,选择性去除金属,一次实现金属连接头加工;通过在金属基板预开槽配合不同角度的电解液流向实现群柱与金属基体表面不同角度。
作为一种可选的实施方式,金属针群的高度为0.5-2mm。具体地,该一体化金属针桥2的结构如图2所示,金属针桥的针状凸起202的高度在0.5mm至2mm范围均可加工,金属基板201的原材料经过离子去除电化学加工至所需加工状态,针状凸起202的尺寸精度可控,且具有基体材料一样的力学性能,极大改善了复材纤维与金属基体的连接强度。根据需求,针状凸起202的高度可控制1.5mm。
作为一种可选的实施方式,如图3所示,金属针群在金属基体的表面的水平调整角度为360°,金属针群在金属基体的表面的垂直调整角度为180°。其中,一体化针桥群柱朝向角度可以空间多角度调整满足复材纤维布置和基体固化需求,主要体现在两个方面:一方面,在复材面力方向(XOY面),针状凸起202的倾斜角度α可以进行360°调整,更能适应各种形状的窗口补强;另一方面,针状凸起202在复材Z力垂直方向角度可变(XOZ面),也即针状凸起202与金属基体201的表面呈一定倾角,提高复材纤维板1与一体化金属针桥2在垂直方向的力学性能。
针状凸起202的倾斜角度可以在金属基板202的预开槽配合不同角度的电解液流向实现针状凸起202与金属基体202表面的不同角度。
作为一种可选的实施方式,在步骤S101,根据待加工的针群结构,设计底片,同时在金属基体的表面涂覆感光保护膜之前,还包括:清洗金属基体的表面。具体地,在电解加工结束后,将一体化金属针桥2放置在温度为95℃、浓度为10%NaOH的溶液中浸泡8小时以上,针桥避免无多余物残留。
作为一种可选的实施方式,步骤S103中,通过电化学加工方式,将多余的金属材料去除,得到一体化金属针桥,具体包括如下步骤:
S1031、将带有保护膜的金属基体,接加工电源的阳极,扫描加工电极接电源的阴极;
S1032、导通电解质溶液,以预设加工电压、预设电极扫描速度电解加工金属针群至设定高度。
作为一种可选的实施方式,如图4所示,金属针群包括多个阵列式分布的针状凸起。阵列式分布的针状凸起202能够使得一体化金属针桥2与复材纤维板1之间的连接更加稳定。
实施例1
碳纤维增强复材(CFRP)与TC4一体化针桥连接为例,如图5所示,复材-金属接头的尺寸规格为320mm×100mm×10mm。
(1)一体化多向倾角针桥设计
针桥接头外轮廓尺寸100mm×200mm×10mm,勾住复材的凸台与板面呈角度67°,角度朝向多样,凸台下尺寸7mm×3.5mm,上尺寸3.5mm×1.5mm,凸台的高度1.5mm。
(2)一体化多向倾角针桥照相电解加工
2-1)工件清洗
工件表面清洗,不允许有污物残留。
2-2)制备保护膜
根据针桥的结构制备底片。工件表面涂覆感光膜,将底片覆盖在带有感光膜工件表面,曝光显影,将底片图案负载工件表面。烘干感光膜,得到带有图案的保护膜。
2-3)板材预开沟槽
在带有角度的群柱前,采用铣刀预开0.5mm宽,深度1.5mm槽,使得电解加工侧向材料去除,深入到群柱侧面。
2-4)一体化针桥的电解加工
将带有保护膜的工件,接加工电源的阳极,扫描加工电极接电源的阴极。电解加工时,通导8%的Kbr溶液,加工电压25V,加工间隙0.5mm,电极匀速扫描速度10mm/min,电解加工群柱高度至1.5mm。
2-5)一体化针桥的清洗
电解加工结束后一体化针桥,放置温度为95℃,浓度10%NaOH溶液浸泡8h以上,针桥避免无多余物残留。
(3)碳纤维增强复材(CFRP)与TC4固化连接
将一体化金属接头放置在复材纤维线编织缝隙位置,复材纤维编织时避开金属连接头钢针,钢针需要与纤维勾住。铺敷预浸料,待预浸料固化后,复材与金属连接头连接在一起。
需要明确的是,本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述,各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且,为了简明起见,这里省略对已知方法技术的详细描述。
以上仅为本申请的实施例而已,并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说,本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种金属-复合材料的连接方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
加工出带有倾角的金属针群的一体化金属针桥;
将所述一体化金属针桥的金属针群放置在复材纤维板的编织缝隙位置,并铺敷预浸料,待所述预浸料固化后,所述复材纤维板与所述一体化金属针桥连接在一起。
2.根据权利要求1所述的金属-复合材料的连接方法,其特征在于,所述加工出带有倾角的金属针群的一体化金属针桥,具体包括如下步骤:
根据待加工的针群结构,设计底片,同时在金属基体的表面涂覆感光保护膜;
通过曝光显影的方式,将所述底片的图案映刻在所述金属基体的表面;
通过电化学加工方式,将多余的金属材料去除,得到所述一体化金属针桥。
3.根据权利要求1所述的金属-复合材料的连接方法,其特征在于,所述金属针群的高度为0.5-2mm。
4.根据权利要求2所述的金属-复合材料的连接方法,其特征在于,所述金属针群在所述金属基体的表面的水平调整角度为360°。
5.根据权利要求2所述的金属-复合材料的连接方法,其特征在于,所述金属针群在所述金属基体的表面的垂直调整角度为180°。
6.根据权利要求2所述的金属-复合材料的连接方法,其特征在于,所述根据待加工的针群结构,设计底片,同时在金属基体的表面涂覆感光保护膜之前,还包括:清洗所述金属基体的表面。
7.根据权利要求2所述的金属-复合材料的连接方法,其特征在于,所述通过电化学加工方式,将多余的金属材料去除,得到所述一体化金属针桥,具体包括如下步骤:
将带有保护膜的金属基体,接加工电源的阳极,扫描加工电极接电源的阴极;
导通电解质溶液,以预设加工电压、预设电极扫描速度电解加工所述金属针群至设定高度。
8.根据权利要求7所述的金属-复合材料的连接方法,其特征在于,所述电解质溶液为8%的Kbr溶液。
9.根据权利要求7所述的金属-复合材料的连接方法,其特征在于,电解加工结束后,将所述一体化金属针桥放置在温度为95℃、浓度10%NaOH溶液浸泡至少8小时。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的金属-复合材料的连接方法,其特征在于,所述金属针群包括多个阵列式分布的针状凸起。
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