用于焊接连续纤维增强的热塑性复合材料构件的方法技术

本发明专利技术涉及一种用于焊接连续纤维增强的热塑性复合材料构件的方法，包括：清洁步骤(101)，其中清洁所述热塑性复合材料构件的待连接的表面(10、20)；提供步骤(102)，其中在所述待连接的表面(10、20)之间设置连接件(30)；固定步骤(103)，其中将所述连接件(30)、所述待连接的表面(10、20)相对于彼此固定；感应加热步骤(104)，其中向相对于所述待连接的表面(10、20)固定的连接件(30)施加交流电磁场以感应加热；以及终止步骤(105)，其中逐渐减弱并最终停止向所述连接件(30)施加所述交流电磁场。根据本发明专利技术，能够在连接处具有高强度的同时还能保持较高的韧性以及制造构型较为复杂的大厚度的、具有结晶性的热塑性复合材料构件。

Method for Welding Thermoplastic Composite Members Reinforced by Continuous Fiber

The invention relates to a method for welding a thermoplastic composite component reinforced by continuous fibers, comprising a cleaning step (101), in which the surfaces (10, 20) to be joined of the thermoplastic composite component are cleaned, a providing step (102) in which a connecting member (30) is arranged between the surfaces (10, 20) to be joined, a fixing step (103), in which the connecting member (30) and the said connecting member (30) are arranged. The surfaces (10, 20) to be connected are fixed relative to each other; the induction heating step (104) in which an alternating current magnetic field is applied to the connector (30) fixed relative to the surfaces (10, 20) to be connected for induction heating; and the termination step (105), in which the alternating current magnetic field is gradually weakened and eventually ceased to be applied to the connector (30). According to the present invention, a thermoplastic composite component with large thickness and crystallinity can be manufactured with high strength at the joint and high toughness at the same time.

【技术实现步骤摘要】
用于焊接连续纤维增强的热塑性复合材料构件的方法
本专利技术涉及一种用于焊接连续纤维增强的热塑性复合材料构件的方法，所述构件特别是用于由具有结晶性的连续纤维增强的热塑性复合材料构成的构件的焊接，所述焊接特别是感应焊接。
技术介绍
在飞机制造领域中，经常使用由连续纤维增强的热塑性复合材料构成的构件，其中连续纤维通常指的是连续的碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等，而热塑性复合材料通常例如为聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚醚酮酮、尼龙、聚酯树脂等。与传统的热固性复合材料相比，高性能连续纤维增强的热塑性复合材料由于具有较高的韧性、损伤容限、高使用温度和加工周期较短等优点，在应用于飞机制造领域时显示出其独有的优越性。尽管如此，由于构型所限，现有技术生产的热塑性构件的几何结构往往较为简单，因此将这些构型较为简单的组件连接起来是热塑性复合材料在制造过程中不可或缺的工序。在金属和热固性复合材料构件制造过程中，常用的连接方法是通过紧固件连接或通过胶黏剂胶接，这两种方法在热塑性复合材料中也可适用，但其并非最理想的连接方式。使用紧固件连接，容易在连接处产生应力集中，长时间使用后容易出现应力破坏而导致构件损坏，从而使得水分或其他杂质容易在连接处渗入构件的材料内部，导致构件整体强度的下降。此外，还容易因为金属紧固件的引入而出现电化学腐蚀等效应。胶黏剂胶接在使用时也存在较多的困难：首先，连接前需要对被连接表面进行复杂的表面处理，且该表面需要保存在环境受控的操作间内；其次，所使用的胶黏剂聚合物(通常为环氧树脂)的极性较强，而热塑性复合材料都是极性较弱的树脂，两者的相容性较差；再者，环氧树脂胶黏剂的固化周期较长，往往需要几个小时的时间，该固化过程还需要在热压罐中进行，因此大大增加了制造成本并且效率较低。由于热塑性复合材料构件的材料基体是可熔的，因此可以在连接处将两个界面的复合材料充分熔融，施加一定压力，冷却后即可达到相连接的效果。由于两个界面的复合材料是相同的材料，所以在重新凝固后不存在相容性问题。这种连接方法称为“热塑性复合材料的焊接”。影响具有结晶性的热塑性材料的焊接性能的因素有很多，其中关键之一是界面处重新凝固的过程。对于具有结晶性的材料基体，结晶度对材料基体强度有重要的影响，结晶度越高、单个球晶越大，强度也越大，但同时韧性也会降低，因此若要提高结晶区的强度，则要提高基体的结晶度、增大单个晶区。增加结晶区强度最常使用的方法之一是增加结晶时间。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，针对现有技术中热塑性复合材料不易采用传统的胶黏剂或紧固件等方法连接的问题，提供一种新型的用于焊接连续纤维增强的热塑性复合材料构件的方法，其能够控制冷却结晶速度，完成连接操作。根据本专利技术的方法能够在不增加构件重量、不易产生界面破坏隐患的情况下使在连接处的材料获得高结晶度以实现高强度的连接。根据本专利技术，为了实现此目的，根据本专利技术的方法包括：清洁步骤，其中清洁热塑性复合材料构件的待连接的表面；提供步骤，其中在待连接的表面之间设置连接件；固定步骤，其中将连接件、待连接的表面相对于彼此固定；感应加热步骤，其中向相对于待连接的表面固定的连接件施加交流电磁场以感应加热；以及终止步骤，其中逐渐减弱并最终停止向连接件施加交流电磁场。根据本专利技术的优选实施方式，连接件包括位于中间的网和施加在网的两侧的热塑膜，热塑膜的材料与热塑性复合材料构件的材料相同或两者化学物理性质较为类似，而网由金属或碳纤维构成，其中金属是铜、银、铁、铝中的一种或几种。根据本专利技术的优选实施方式，通过交流感应线圈向连接件施加交流电磁场，使得网被感应加热从而使得热塑膜及待连接的表面的材料熔融，其中通过交流感应线圈向连接件施加的交流电磁场是可变的，其中交流感应线圈的电压的范围为0V至380V、频率为50Hz，其中交流感应线圈的频率可以通过变频机箱来调节，施加交流电磁场的时间例如为1秒至1分钟。通过交流感应线圈感应加热的效果受感应距离，交流电频率及对应感应面积等因素影响：感应距离越小、频率越高、对应感应面积越大，感应加热的效果越高；反之越低。在根据本专利技术的方法中，可以根据需要利用写入程序的继电器来在线控制感应线圈的电压，从而可以控制连接处的升降温速度，实现程序控温的结晶过程、即较慢的结晶过程，由此容易形成大的球晶，在连接处中的材料的基体强度上升的同时还能消除应力。根据本专利技术的优选实施方式，设有多个交流感应线圈，其中多个交流感应线圈在一个平面内一字型地排列并且多个交流感应线圈的电压不同，并且其中热塑性复合材料构件平行于所述平面相对于交流感应线圈移动从而穿过由交流感应线圈施加的交流电磁场。根据本专利技术的优选实施方式，连续纤维是碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维，热塑性复合材料是具有结晶性或半结晶性的树脂，其中树脂是聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚醚酮酮、尼龙、聚丙烯、聚酯树脂。根据本专利技术的优选实施方式，热塑性复合材料构件是板状构件，热塑性复合材料的厚度为1mm至30mm。根据本专利技术的优选实施方式，在组装固定的步骤中，在连接位置施加固定的压力，其中所述压力为0.1MPa–1MPa并且保持至被连接位置降至室温。优选地，通过滚筒连续地施加固定的压力或通过制真空袋施加固定的压力。通过根据本专利技术的方法能够在连接处具有高强度的同时还能保持较高的韧性，并且根据本专利技术的方法可适合于制造构型较为复杂的大厚度的、具有结晶性的热塑性复合材料构件。此外，采用本专利提供的方法连接连续纤维增强的热塑性复合材料构件时，在连接界面处不会出现不相容现象，连接强度高且耐冲击韧性好，整个操作过程可以实现自动化生产且无需其他的加热、加压设备，成本易于控制。附图说明在附图中示出了根据本专利技术的有利的实施方案。在附图中：图1示出了根据本专利技术的用于焊接连续纤维增强的热塑性复合材料构件的方法的示意性流程图；图2示出了根据本专利技术的待连接的热塑性复合材料构件和连接件；图3示出了根据本专利技术的方法对连接处进行感应加热的一种实施方式，其中设有一个交流感应线圈；以及图4示出了根据本专利技术的方法对连接处进行感应加热的另一实施方式，其中设有五个交流感应线圈。具体实施方式下面，将参照附图详细描述根据本专利技术的用于焊接连续纤维增强的热塑性复合材料构件的方法的具体实施方式。以下所给出的仅仅是根据本专利技术的优选实施方式，本领域技术人员可以在所述优选实施方式的基础上想到能够实现本专利技术的其他方式，所述其他方式同样落入本专利技术的范围内。以下详细描述中出现的方位术语，例如“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”等是相对于附图中所示方向而言的。参照图1、图2和图3，根据本专利技术的用于焊接连续纤维增强的热塑性复合材料构件的方法包括：清洁步骤101，其中清洁热塑性复合材料构件的待连接的表面10和20；提供步骤102，其中在待连接的表面10、20之间设置连接件30；固定步骤103，其中将连接件30、待连接的表面10、20相对于彼此固定；感应加热步骤104，其中向相对于待连接的表面10、20固定的连接件30施加交流电磁场以感应加热；以及终止步骤105，其中逐渐减弱并最终停止向连接件30施加交流电磁场。在清洁步骤101中，可以使用例如乙醇、异丙醇的清洁剂来擦拭热塑性复合材料构件的待连接的表面10和20，以清除表面10和20的灰尘和油脂等，随后干燥本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于焊接连续纤维增强的热塑性复合材料构件的方法，包括：清洁步骤(101)，其中清洁所述热塑性复合材料构件的待连接的表面(10、20)；提供步骤(102)，其中在所述待连接的表面(10、20)之间设置连接件(30)；固定步骤(103)，其中将所述连接件(30)、所述待连接的表面(10、20)相对于彼此固定；感应加热步骤(104)，其中向相对于所述待连接的表面(10、20)固定的连接件(30)施加交流电磁场以感应加热；以及终止步骤(105)，其中逐渐减弱并最终停止向所述连接件(30)施加所述交流电磁场。

【技术特征摘要】
1.一种用于焊接连续纤维增强的热塑性复合材料构件的方法，包括：清洁步骤(101)，其中清洁所述热塑性复合材料构件的待连接的表面(10、20)；提供步骤(102)，其中在所述待连接的表面(10、20)之间设置连接件(30)；固定步骤(103)，其中将所述连接件(30)、所述待连接的表面(10、20)相对于彼此固定；感应加热步骤(104)，其中向相对于所述待连接的表面(10、20)固定的连接件(30)施加交流电磁场以感应加热；以及终止步骤(105)，其中逐渐减弱并最终停止向所述连接件(30)施加所述交流电磁场。2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述连接件包括位于中间的网和施加在所述网的两侧的热塑膜。3.按照权利要求2所述的方法，其特征在于，所述热塑膜的材料与所述热塑性复合材料构件的材料相同或两者化学物理性质较为类似。4.按照权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述网由金属或碳纤维构成。5.按照权利要求4所述的方法，其特征在于，所述金属是铜、银、铁、铝中的一种或几种。6.按照权利要求2或3所述的方法，其特征在于，通过交流感应线圈向所述连接件施加交流电磁场，使得所述网被感应加热从而使得所述热塑膜熔融。7.按照权利要求6所述的方法，其特征在于，通过交流感应线圈向所...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁协尧，杨洋，见雪珍，刘卫平，
申请(专利权)人：中国商用飞机有限责任公司，上海飞机制造有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31