一种电活化辅助超声波连接金属与碳纤维复合材料的方法技术

本发明专利技术公开了一种电活化辅助超声波连接金属与碳纤维复合材料的方法，属于碳纤维复合材料/金属材料复合加工制备技术领域。本发明专利技术首先通过在金属板材待复合表面施加脉冲电流，使金属与导电碳纤维接触发生微区放电，可以实现界面局部高温、活化待连接界面，促进界面的化学冶金反应。其次，利用超声波高频振动，摩擦生热促进待连接界面树脂基体塑性流动，在一定的压力作用下实现树脂与金属、碳纤维与金属的连接。连接。连接。

【技术实现步骤摘要】
一种电活化辅助超声波连接金属与碳纤维复合材料的方法


[0001]本专利技术属于碳纤维复合材料/金属材料复合加工制备
，具体为一种电活化辅助超声波连接金属与碳纤维复合材料的方法。

技术介绍

[0002]碳纤维复合材料具有质量轻、强度高等优势，然而其制作成本高、脆性大易断裂等缺点限制了其整体应用。金属具有导电性好、塑性好等优势。将碳纤维复合材料与金属材料复合连接，可优势互补、实现性能更优的复合材料，在“陆海空天”等领域的应用具有重要意义，关于碳纤维复合材料/金属材料复合加工制备的研究日渐提上日程。
[0003]目前用于碳纤维复合材料与金属材料连接的技术有铆接、粘接和焊接三种。铆接需要在母材上开孔，开孔区域容易产生应力集中，而铆接时几何参数、装配性能等设计参数也会使材料力学性能有较大的分散性。粘接是借助胶粘剂在固体表面产生粘合力，将碳纤维复合材料和金属材料连接在一起，具有成本低、质量轻等优势，但粘接固化时间较长，对环境要求较高。焊接是通过碳纤维复合材料表面的树脂与金属进行连接，依靠树脂基体传递载荷，然而随着时间的增长，界面树脂逐渐老化之后，复合材料的结合强度得不到保证。

技术实现思路

[0004]针对目前碳纤维复合材料与金属材料连接中树脂老化、粘合有效时间短的技术问题，本专利技术提供了一种电活化辅助超声波连接金属与碳纤维复合材料的方法。
[0005]本专利技术首先通过在金属板材待复合表面施加脉冲电流，使金属与导电碳纤维接触发生微区放电，可以实现界面局部高温、活化待连接界面，促进界面的化学冶金反应。其次，利用超声波高频振动，摩擦生热促进待连接界面树脂基体塑性流动，在一定压力作用下实现树脂与金属、碳纤维与金属的连接。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术采用了下列技术方案：
[0007]一种电活化辅助超声波连接金属与碳纤维复合材料的方法，包括以下步骤：
[0008]步骤1，对碳纤维复合材料和金属板材复合面进行表面处理；
[0009]步骤2，将经过步骤1表面处理后的金属板材平铺于绝缘垫板之上固定，再将经过步骤1表面处理后的碳纤维板材放置于金属板材之上固定；
[0010]步骤3，将脉冲电源连接的铜片电极与金属板材两端连接固定；
[0011]步骤4，对金属板材施加脉冲电流，同时监测金属板材表面温度；
[0012]步骤5，进行超声波点焊，完成金属与碳纤维复合材料的连接，得到金属
‑
碳纤维复合板材。
[0013]进一步，所述步骤4中施加脉冲电流的电源输出频率为0～2000Hz可调。对金属板材施加脉冲电流，使金属板材待复合表面温度升高；使金属与导电碳纤维接触发生微区放电，可以实现界面局部高温、活化待连接界面，促进界面的化学冶金反应。
[0014]进一步，所述步骤5中超声波点焊的超声波振动功率为0～4000W，振动频率为
30kHz。
[0015]进一步，所述步骤2中，绝缘垫板尺寸为100mm
×
30mm
×
1mm，绝缘垫板的设置是防止电流传导进入工作台，防止加工过度，保证工作台光滑平整。
[0016]进一步，所述步骤3中脉冲电源连接的铜片电极与金属板材两端连接固定是通过螺栓固定，所述螺栓下表面连接绝缘/防溃垫片。防止电流传导进入超声波焊头，防止螺栓压紧力过大破坏碳纤维板表面和铜片电极表面。
[0017]进一步，超声波点焊的焊头直径为10mm。
[0018]进一步，所述步骤3中铜片电极尺寸为25mm
×
15mm
×
1mm。
[0019]进一步，所述步骤4中通过红外热成像测温仪对金属板材表面温度进行监测。通过红外热成像测温仪对金属板材表面温度进行监测，对试验温度可控性更高。
[0020]进一步，所述步骤1中表面处理方法具体是：通过无水乙醇擦洗。
[0021]与现有技术相比本专利技术具有以下优点：
[0022]传统的焊接主要依靠界面高温使碳纤维复合材料表面的树脂熔融，在一定的压力下冷却凝固，与金属形成连接接头，焊接界面普遍存在树脂易老化、粘合有效时间短等问题。本专利技术对金属板材施加脉冲电流，不仅可实现界面高温，而且可使局部金属与导电碳纤维接触发生微区放电，活化待连接界面。同时利用超声波高频振动摩擦生热，促进待连接界面树脂基体塑性流动，在一定压力作用下实现树脂与金属、碳纤维与金属的连接。
附图说明
[0023]图1为本专利技术的加工制备示意图；
[0024]图2为本专利技术的加工制备正面示意图；
[0025]图3为本专利技术通电过程中碳纤维复合材料/铝合金接头区温度分布；
[0026]图4为本专利技术加工制备的碳纤维复合材料/铝合金界面局部EDS面扫图。
[0027]图中：1
‑
连接电源正极的铜片电极；2
‑
碳纤维复合材料；3
‑
金属板材；4
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绝缘垫板；5
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工作台；6
‑
超声波焊头；7
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螺栓；8
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绝缘/防溃垫片；9
‑
连接电源负极的铜片电极。
具体实施方式
[0028]实施例1
[0029]一种电活化辅助超声波连接金属与碳纤维复合材料的方法，包括以下步骤：
[0030]步骤1，对碳纤维复合材料PEEK和镁合金AZ31B复合面进行表面处理；
[0031]步骤2，将经过步骤1表面处理后的金属板材平铺于绝缘垫板之上固定，再将经过步骤1表面处理后的碳纤维板材放置于金属板材之上固定；
[0032]步骤3，将脉冲电源连接的铜片电极与金属板材两端连接固定；
[0033]步骤4，对金属板材施加脉冲电流，电流80A、频率500Hz、占空比60％，同时监测金属板材表面温度；
[0034]步骤5，进行超声波点焊，焊接过程中超声波振动系统的功率为4000W，振动频率为30kHz，焊接能耗700J、焊接振幅65％、焊接压力0.2MPa，完成金属与碳纤维复合材料的连接，得到AZ31B
‑
PEEK复合板材。
[0035]实施例2
[0036]一种电活化辅助超声波连接金属与碳纤维复合材料的方法，包括以下步骤：
[0037]步骤1，对碳纤维复合材料PEEK和铝合金5052复合面进行表面处理；
[0038]步骤2，将经过步骤1表面处理后的金属板材平铺于绝缘垫板之上固定，再将经过步骤1表面处理后的碳纤维板材放置于金属板材之上固定；
[0039]步骤3，将脉冲电源连接的铜片电极与金属板材两端连接固定；
[0040]步骤4，对金属板材施加脉冲电流，电流50A、频率600Hz、占空比50％，同时监测金属板材表面温度；
[0041]步骤5，进行超声波点焊，焊接过程中超声波振动系统的功率为4000W，振动频率为30kHz，焊接能耗1000J、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电活化辅助超声波连接金属与碳纤维复合材料的方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1，对碳纤维复合材料和金属板材复合面进行表面处理；步骤2，将经过步骤1表面处理后的金属板材平铺于绝缘垫板之上固定，再将经过步骤1表面处理后的碳纤维板材放置于金属板材之上固定；步骤3，将脉冲电源连接的铜片电极与金属板材两端连接固定；步骤4，对金属板材施加脉冲电流，同时监测金属板材表面温度；步骤5，进行超声波点焊，完成金属与碳纤维复合材料的连接，得到金属
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碳纤维复合板材。2.根据权利要求1所述的一种电活化辅助超声波连接金属与碳纤维复合材料的方法，其特征在于：所述步骤4中施加脉冲电流的电源输出频率为0～2000Hz。3.根据权利要求2所述的一种电活化辅助超声波连接金属与碳纤维复合材料的方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：张婷婷，王艳，王涛，梁建国，许振波，朱凯航，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：