热塑复合材料的焊接方法技术

本发明专利技术涉及一种碳纤维热塑复合材料的焊接方法及其中所用到的掺杂树脂，属于复合材料连接固定技术领域。该掺杂树脂包括基体材料和掺杂材料，所述基体材料为透明的热塑性树脂，所述掺杂材料为能够吸收光能转换为热能的有色颗粒，所述掺杂材料在所述掺杂树脂中的体积百分比为0.01％‑1％。该掺杂树脂可用做碳纤维热塑复合材料焊接的填充树脂，在焊接时，于待焊接的碳纤维热塑复合材料之间填充一层上述掺杂树脂，并以激光照射该掺杂树脂，激光束在此掺杂树脂内部传输，被该掺杂树脂吸收形成一条热源带，对该填充用的掺杂树脂和碳纤维热塑复合材料的基体树脂进行加热，并使其融化，熔融态的树脂材料在外部压力作用下流动、扩散、凝固，即可形成焊接。

【技术实现步骤摘要】
热塑复合材料的焊接方法相关申请本专利技术是2016年4月20日申请的，申请号为201610254547.3，名称为“热塑复合材料的焊接方法及其中所用到的掺杂树脂”的专利申请的分案申请。
本专利技术涉及复合材料连接固定
，特别是涉及一种热塑复合材料的焊接方法。
技术介绍
碳纤维热塑复合材料(CFRTP)具有比强度高、耐腐蚀、抗疲劳、耐热性好等特点，在汽车轻量化、无人机制造、航空航天、国防军工上有着良好的应用前景。但是，由于受到成型模具的限制，大型复杂CFRTP构件一般通过多个零部件连接而成，而连接头部位又往往是整个结构件中最薄弱的部分，接头的质量将直接决定着CFRTP构件的疲劳强度和使用寿命。实现CFRTP材料高质量的连接是其工程化应用的关键。当前CFRTP最常用的连接方法有机械连接、胶结、焊接等。其中：焊接利用了CFRTP基体材料热塑性树脂二次熔融的特点，通过加热熔融连接界面，使树脂分子扩散完成连接。该方法连接界面与基体材料有良好的相容性，连接强度和环境适应性优于胶结方法，连接件的应力分布比机械连接更均匀，不会产生应力集中，而且焊接工艺时间短，便于实现自动化。而作为一种非接触式的焊接方式，激光焊接具有焊接速度快、焊接强度高、振动应力小、适合焊接复杂结构件等优势，在CFRTP的焊接上具有良好的应用前景。目前实现CFRTP激光焊接的主要有两种方法，一种是激光穿透焊接技术，另外一种是激光直接连接技术。激光穿透焊接技术要求焊接工件至少有一个是对激光透明的，激光直接连接技术又只能实现金属与CFRTP(树脂)之间的连接，而对于CFRTP或不透明树脂之间的焊接，上述两种方法在原理上均难以实现。
技术实现思路
基于此，有必要针对上述问题，提供一种热塑复合材料的焊接方法及其中所用到的掺杂树脂，利用该掺杂树脂填充，能够实现碳纤维热塑复合材料的激光焊接，解决了激光穿透焊接技术和激光直接连接技术无法实现CFRTP构件之间焊接的问题。一种掺杂树脂，包括基体材料和掺杂材料，所述基体材料为透明的热塑性树脂，所述掺杂材料为能够吸收光能转换为热能的有色颗粒，所述掺杂材料在所述掺杂树脂中的体积百分比为0.01％-1％。上述掺杂树脂，将能够吸收光能转换为热能的有色颗粒掺杂进透明的热塑性树脂中，利用透明的热塑性树脂能够将激光束在其内传输的特点，配合有色颗粒能够将所吸收光能转换为热能以及热塑性树脂二次熔融的性质，在掺杂树脂内形成一条热源带，对该掺杂树脂及与该掺杂树脂相接触的其它树脂进行加热，并使其融化。因此，该掺杂树脂可用做热塑复合材料(特别适用于碳纤维热塑复合材料)焊接的填充树脂，在焊接时，于待焊接的碳纤维热塑复合材料之间填充一层上述掺杂树脂，并以激光照射该掺杂树脂，激光束在此掺杂树脂内部传输，被该掺杂树脂吸收形成一条热源带，对该填充用的掺杂树脂和碳纤维热塑复合材料的基体树脂进行加热，并使其融化，熔融态的树脂材料在外部压力作用下流动、扩散、凝固，即可形成焊接。为了使该掺杂树脂能够形成较好的热源带，实现用于焊接的目的，本专利技术人对掺杂材料的掺杂量进行了大量深入的研究。研究发现，如掺杂量太大，会极大的影响光束在掺杂树脂内传输深度，无法形成沿深度方向上通透的焊接，但如掺杂量太小，又会减弱光束的光能转换为热能的效率，无法形成有效的热源带，起到加热掺杂树脂和碳纤维热塑复合材料基体树脂的作用。因此，为了满足特定厚度CFRTP的焊接，保证既能充分融化填充树脂又能形成通透的焊接接头，需要兼顾单位长度树脂的激光吸收率和激光穿透深度，选择合适的掺杂比例。而将掺杂材料在掺杂树脂中的体积百分比限定为0.01％-1％，同时兼顾到光束的传输及发热效率，能够形成有效的热源带，起到焊接的作用。优选的，将掺杂材料在掺杂树脂中的体积百分比限定为0.05％-0.2％，具有更佳的焊接效果。在其中一个实施例中，所述热塑性树脂选自：聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰胺、聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚甲醛、聚碳酸酯、聚苯醚、聚砜、和橡胶中的至少一种；所述有色颗粒选自：碳黑、石墨、和有颜色的金属氧化物中的至少一种。其中，有颜色的金属氧化物为氧化铟锡、氧化铜等有颜色的金属氧化物即可。选用上述原料，能够提高该掺杂树脂在焊接中的效果。在其中一个实施例中，所述有色颗粒的粒径为1μm-50μm。优选5μm-10μm粒径的有色颗粒。选用上述粒径范围的有色颗粒，既不影响光束在掺杂树脂内的传输，又具有较好的发热效率。本专利技术还公开了上述的掺杂树脂的制备方法，将所述基体材料溶解于有机溶剂中，加入所述掺杂材料，混合均匀，涂布制成薄膜，固化，即得。以上述方法制备得到所述掺杂树脂，具有操作简便易行的优点。本专利技术还公开了一种热塑复合材料的焊接方法，包括以下步骤：备料：将上述的掺杂树脂固定于待焊接的热塑复合材料构件的焊接面之间；焊接：以激光照射所述掺杂树脂，使激光在所述掺杂树脂内传输并被吸收，至所述掺杂树脂熔融，对所述待焊接的热塑复合材料构件施加压力，使该熔融的掺杂树脂流动，与所述待焊接的热塑复合材料构件融合，冷却凝固后即完成焊接。上述热塑复合材料的焊接方法，以有色颗粒掺杂透明热塑性树脂的掺杂树脂作为填充树脂，在焊接时，于待焊接的热塑复合材料(特别适用于碳纤维热塑复合材料)之间填充一层上述掺杂树脂，并以激光照射该掺杂树脂，激光束在此掺杂树脂内部传输，被该掺杂树脂吸收形成一条热源带，对该填充用的掺杂树脂和碳纤维热塑复合材料的基体树脂进行加热，并使其融化，熔融态的树脂材料在外部压力作用下流动、扩散、凝固，即可形成焊接。在其中一个实施例中，该焊接方法还包括前处理步骤，所述前处理步骤为：以有机溶剂清洗所述掺杂树脂和待焊接的热塑复合材料构件的焊接面，去除污迹。通过上述前处理步骤对掺杂树脂和待焊接的热塑复合材料构件的焊接面进行表面处理，能够提高焊接牢固性。在其中一个实施例中，所述掺杂树脂的厚度为0.05mm-1.0mm。由于填充树脂在CFRTP焊接过程中起到“粘结剂”的作用，适当的厚度对于CFRTP的焊接质量至关重要。过厚的填充树脂会导致大量的熔融树脂从焊缝处溢出，影响到焊缝外观，而且需要更高的激光能量，造成能源浪费；过薄的填充树脂，会导致CFRTP之间熔融树脂量不够，影响到焊接强度。而将焊接填充用的掺杂树脂厚度限定在上述范围内，既保证了焊接强度，又具有较好的焊缝外观。在其中一个实施例中，所述备料步骤中，通过施加压力将所述掺杂树脂固定于待焊接的热塑复合材料构件焊接面之间；所述焊接步骤中，对所述待焊接的热塑复合材料构件施加压力的压强为0.1Mpa-1Mpa。通过施加压力将掺杂树脂的位置固定，配合焊接时对待焊接的热塑复合材料构件需要施加压力的需求，具有操作简便、连贯的优点。在其中一个实施例中，所述焊接步骤中，将激光束以平行于所述待焊接的热塑复合材料构件焊接面的方向入射至所述掺杂树脂。以上述方式入射掺杂树脂，能够形成高效热源带，利于焊接的实现。在其中一个实施例中，所述焊接步骤中，所述激光为光束径向最大尺寸与所述掺杂树脂的厚度相匹配的能量均匀的平顶光束或高斯光束。采用上述条件，能够提高焊接效果和效率。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术的一种掺杂树脂，可用做热塑复合材料，特别是碳纤维热塑复合材料焊接的填充树脂，能够实现碳纤维热塑复合本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种热塑复合材料的焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：备料：将掺杂树脂固定于待焊接的热塑复合材料构件的焊接面之间；焊接：以激光照射所述掺杂树脂，使激光在所述掺杂树脂内传输并被吸收，至所述掺杂树脂熔融，对所述待焊接的热塑复合材料构件施加压力，使该熔融的掺杂树脂流动，与所述待焊接的热塑复合材料构件融合，冷却凝固后即完成焊接。

【技术特征摘要】
1.一种热塑复合材料的焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：备料：将掺杂树脂固定于待焊接的热塑复合材料构件的焊接面之间；焊接：以激光照射所述掺杂树脂，使激光在所述掺杂树脂内传输并被吸收，至所述掺杂树脂熔融，对所述待焊接的热塑复合材料构件施加压力，使该熔融的掺杂树脂流动，与所述待焊接的热塑复合材料构件融合，冷却凝固后即完成焊接。2.根据权利要求1所述的热塑复合材料的焊接方法，其特征在于，还包括前处理步骤，所述前处理步骤为：以有机溶剂清洗所述掺杂树脂和待焊接的热塑复合材料构件的焊接面，去除污迹。3.根据权利要求1所述的热塑复合材料的焊接方法，其特征在于，所述掺杂树脂的厚度为0.05mm-1.0mm。4.根据权利要求1所述的热塑复合材料的焊接方法，其特征在于，所述备料步骤中，通过施加压力将所述掺杂树脂固定于待焊接的热塑复合材料构件焊接面之间。5.根据权利要求4所述的热塑复合材料的焊接方法，在所述焊接步骤中，对所述待...

【专利技术属性】
技术研发人员：焦俊科，王强，王飞亚，昝少平，张文武，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：浙江,33