一种金属与复合材料缝合连接方法技术

本发明专利技术关于一种金属与复合材料缝合连接方法，属于异种材料连接领域。该连接方法包括以下步骤：首先，对金属部件预与复合材料进行连接的部位加工出整齐排列的通透槽孔；第二，对金属部件预与复合材料连接重合的接触区域进行表面的粗糙改性；第三，用预浸有树脂的纤维或干纤维塞入槽孔，将复合材料预成型体与金属部件重叠放置，并用夹具夹持固定；第四，用缝针牵引缝线穿过金属槽孔和复合材料预成型体，依次穿过相邻的槽孔进行缝合。最后，将夹具卸下，再将连接件放入成型模具中一体固化成型。本发明专利技术的缝合连接方法由于引入了Z向缝合线，可以大大的提高金属与复合材料之间的连接强度，不但连接部件重量轻，而且不会引起应力集中。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及异种材料连接领域，具体涉及一种树脂基复合材料部件与金属材料部件采用缝合技术进行连接的方法。
技术介绍
目前，金属与复合材料连接方法主要有两种，分别为胶接法，机械连接法。胶接，是指利用胶粘剂在连接面上产生的机械结合力、物理吸附力和化学键合力而使两个胶接件连接起来的工艺方法。胶接法连接的部位应力分布连续，重量轻，且工艺方法简单，但粘结强度较低，一般适用于传递载荷较小的部位。机械连接适用于传递较高载荷或强调可靠性的部位。机械连接法是指利用紧固件将零件连接起来的过程和方法。常用的机械紧固件主要有螺栓、螺钉和铆钉。机械连接方法虽然紧固，但一方面增加了制件的重量，另一方面需要在金属与复合材料部件上打孔，容易导致应力集中。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术拟解决的技术问题是，提出了一种金属与复合材料的缝合连接的方法，该连接方法与现有的胶接及机械连接方法不同，它是利用缝合线穿越复合材料预成型体厚度方向及含有槽孔的金属部件，将金属部件与复合材料部件缝合捆绑在一起，最后通过一体固化成型得到连接件方法。本专利技术方法与胶接技术相比，由于引入了Z向缝合线可以提高金属与复合材料层间抗剪能力，从而大大的提高了金属与复合材料之间的连接强度。与传统的机械连接相比，不但减轻了连接部件的重量，而且避免了应力集中的现象。本专利技术拟解决所述连接方法技术问题的技术方案是，设计一种金属与复合材料的缝合连接方法，该连接方法包括以下步骤：首先，对金属部件预与复合材料进行连接的部位加工出整齐排列的通透槽孔，槽孔为细长条状，槽孔的宽度设计为小于或等于缝合针距的50％，槽孔的长度设计为等于或大于缝合首末两行缝线的距离(即行数减一后再乘以行距)，槽孔的数量设计为每行缝合的针数，槽孔的中心间距设计为预缝合的针距。第二，对金属部件预与复合材料连接重合的接触区域进行表面的粗糙改性。第三，用预浸有树脂的纤维或干纤维塞入槽孔，使槽孔内纤维体积含量高于30％。将复合材料预成型体(叠层好的织物原材料或预浸料)与金属部件重叠放置，并用夹具将金属部件与复合材料预成型体夹持固定，使不发生相对移动。夹具在金属部件与复合材料部件重合的位置具有与金属部件槽孔方向相交的整齐排列的槽孔，槽孔为细长型，槽孔的长度方向设计为预缝合的方向，槽孔的长度设计为大于或等于缝合的首末两针的距离(即针数减一后再乘以针距)，槽孔的宽度设计为小于或等于预缝合行距的50％，槽孔的数量设计为缝合的行数，槽孔的中心间距设计为预缝合的行距。第四，用缝针牵引缝线穿过金属槽孔和复合材料预成型体，并沿着夹具的槽孔方向进行缝合，依次穿过相邻的槽孔，缝合针眼在夹具槽孔与金属槽孔相交的孔位。按照设计行数进行缝合，从而将金属部件与复合材料预成型体缝合捆绑在一起。最后，将夹具卸下，将金属与复合材料缝合连接件放入成型模具中一体固化，固化后脱模取出制件。缝合线纱在连接件的厚度方向的细度应控制在800tex以内，可以是芳纶、玻璃纤维或碳纤维等高性能纤维。纱线细度要适中，若纱线太细，不能较大的提高连接强度，如果纱线太粗会导致复合材料较大的富树脂区从而降低复合材料的面内强度。金属部件槽孔的中心距由预缝合的针距决定，等于一个针距。金属部件槽孔的长度等于或大于预缝合首末两行缝线的距离，即行数减一后再乘以行距。金属部件的槽孔的宽度设计为小于或等于针距的一半，若宽度太窄，缝针不能顺利的穿过。若宽度太宽，就会损失两槽孔之间的距离，导致减少金属与复合材料粘结的面积，从而降低了连接强度；另外，如槽孔太宽，金属部件在加工时易产生变形。金属部件槽孔两端拐角处应倒角，可以防止槽孔应力集中。对金属部件表面进行粗糙改性的技术为现有技术。夹具的材料应该具有较薄的厚度，从而缩短缝合针及缝合线的动程，夹具的材料应刚度较大、不易变形，可以是不锈钢、铝合金、电木、尼龙等。夹具的两个槽孔的中心距由缝合的行距决定，等于一个行距。夹具槽孔的宽度不能太宽，应宽于缝针的直径，否则不利于缝针的穿过；且宽度小于缝合行距的的一半，否则，槽宽太大，在加工及使用过程中易引起夹具的变形。夹具的紧固及定位方式为现有技术。本专利技术所述缝合的工艺方法为现有技术，可以采用机器缝合技术，也可采用手工的缝合技术。之所以对夹具金属部件与复合材料部件连接重合的部位挖取若干数目的槽孔，而不是在夹具上全部掏空，是因为：一方面，夹具的槽孔形成的栏栅结构可以阻挡金属槽孔内部填入的预浸纤维或干纤维从槽孔中移出；另外一方面，夹具槽孔长度方向可以引导每一行的缝合方向，金属部件槽孔与夹具槽孔相交形成的孔位刚好为缝针应当刺入的位置，对于手工缝合的方式，可以起到引导作用，从而较为准确的控制针距和行距。本专利技术方法虽然在金属部件上打孔，但在复合材料固化前，采用预浸纤维或干纤维对槽孔进行填充，复合材料固化的过程中，树脂具有流动性，在成型压力的作用下，树脂流入金属部件的槽孔内，与填入的纤维形成复合材料，固化后，会与金属部件槽孔的侧壁粘结，可以有效的传递载荷，不会产生应力集中的现象。本专利技术方法巧妙地运用了夹具槽孔形成的栏栅结构，不但可以防止填入的预浸纤维或干纤维在缝针及缝线对填充物的摩擦力的作用下被顶出，同时，形成了与金属槽孔相交的孔位，可以作为缝针刺入位置的标识，对缝合起到引导作用，不但适合机器缝合，也可适用于手工的缝合方式。本专利技术连接方法一方面金属材料部件与复合材料部件接触的部位在一体成型的过程中产生了粘结的作用，另一方面Z向缝线能提高连接件的抗剪能力，具有方法简单，易实现，连接性能好等优点。附图说明图1是本专利技术实施例铝板和复合材料板连接相对位置的示意图。图2是本专利技术实施例铝板上槽孔位置示意图。图3是本专利技术实施例卡具结构示意图。图4是本专利技术实施例下侧面板外表面对应金属孔槽中心线位置的刻度线示意图。图5是本专利技术实施例向铝板孔槽内填入预浸料小块示意图。图6是本专利技术实施例缝合过程中缝线状态示意图图7是本专利技术实施例缝合连接后铝板与复合材料板正面效果示意图。图8是本专利技术实施例缝合连接后铝板与复合材料板背面效果示意图。图9是本专利技术实施例成型模具结构示意图。具体实施方式下面结合实施例及其附图进一步叙述本专利技术：下面给出采用本专利技术所述的连接方法，连接长150mm、宽100mm、厚4mm的铝板100和相同尺寸的复合材料板200的连接过程，其中，复合材料板200原材料为叠层的碳纤维增强环氧树脂预浸料。连接重叠区域长度为35mm，铝板100和复合材料板200相对位置如图1所示。重叠区域预通过缝合的方法进行连接。预沿两部件的宽度方向进行缝合，缝合行数为4，每行10针，针距为10m，行距为8mm，具体缝合连接步骤如下：首先，在铝板预与复合材料板重合的区域300通过机加工的方式进行开槽加工，加工出通透镂空槽孔110共10个，如图2所示，槽间距为10mm，槽宽为2mm，槽长为24mm。槽孔两端倒半径为1mm的圆弧角。第二，将铝板预与复合材料板重叠接触的域面300采用机械打磨的方式进行表面的粗糙处理。下面的步骤中，应用到一铝合金卡具400，其采用厚度8mm的铝板加工而成，卡具400结构如图3所示，它由上下两个面板401和402组成，上侧面板401的型腔410用于嵌入铝板100，下侧面板402的型腔420用于嵌入复合材料板200。卡具上侧面板401本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种金属与复合材料缝合连接方法，该连接方法包括以下步骤：首先，对金属部件预与复合材料进行连接的部位加工出整齐排列的通透槽孔，槽孔为细长条状，槽孔的宽度设计为小于或等于缝合针距的50％，槽孔的长度设计为等于或大于缝合首末两行缝线的距离(即行数减一后再乘以行距)，槽孔的数量设计为每行缝合的针数，槽孔的中心间距设计为预缝合的针距；第二，对金属部件预与复合材料连接重合的接触区域进行表面的粗糙改性；第三，用预浸有树脂的纤维或干纤维塞入槽孔，将复合材料预成型体(叠层好的织物原材料或预浸料)与金属部件重叠放置，并用夹具将金属部件与复合材料预成型体夹持固定，使不发生相对移动；第四，用缝针牵引缝线穿过金属槽孔和复合材料预成型体，依次穿过相邻的槽孔，并按设计行数进行缝合，从而将金属部件与复合材料预成型体缝合捆绑在一起。最后，将夹具卸下，将金属与复合材料缝合连接件放入成型模具中一体固化，固化后脱模取出制件。

【技术特征摘要】
1.一种金属与复合材料缝合连接方法，该连接方法包括以下步骤：首先，对金属部件预与复合材料进行连接的部位加工出整齐排列的通透槽孔，槽孔为细长条状，槽孔的宽度设计为小于或等于缝合针距的50％，槽孔的长度设计为等于或大于缝合首末两行缝线的距离(即行数减一后再乘以行距)，槽孔的数量设计为每行缝合的针数，槽孔的中心间距设计为预缝合的针距；第二，对金属部件预与复合材料连接重合的接触区域进行表面的粗糙改性；第三，用预浸有树脂的纤维或干纤维塞入槽孔，将复合材料预成型体(叠层好的织物原材料或预浸料)与金属部件重叠放置，并用夹具将金属部件与复合材料预成型体夹持固定，使不发生相对移动；第四，用缝针牵引缝线穿过金属槽孔和复合材料预成型体，依次穿过相邻的槽孔，并按设计行数进行缝合，从而将金属部件与复合材料预成型体缝合捆绑在一起。最后...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晓旭，王怡扬，陈云生，
申请(专利权)人：天津工业大学，
类型：发明
国别省市：天津;12