一种用于热塑性复合材料与轻质合金搭接结构的热压焊接设备及方法技术

本发明专利技术公开了一种用于热塑性复合材料与轻质合金搭接结构的热压焊接设备及方法；包括控制系统、六轴机器人、焊前规划系统、热压焊接系统、监测与反馈系统、热压焊接工作台。焊前规划系统根据输入的焊接信息，规划热压机的加热温度、施加压力和焊接时间；热压焊接系统对热塑性复合材料与轻质合金搭接结构在热压焊接时间内的加热温度与施加压力进行控制；监测与反馈系统监测热塑性复合材料与轻质合金的界面温度和焊接件的变形程度，控制界面温度始终处于规划区间内，防止变形量超过设定值。本发明专利技术能够提供可控的热量和压力，满足不同的焊接需求，实时监测和调控焊接过程中的界面温度和变形程度，有效抑制气孔缺陷的形成，确保获得高质量的焊接接头。高质量的焊接接头。高质量的焊接接头。

【技术实现步骤摘要】
一种用于热塑性复合材料与轻质合金搭接结构的热压焊接设备及方法


[0001]本专利技术属于热塑性复合材料与轻质合金焊接领域，特别涉及一种用于热塑性复合材料与轻质合金搭接结构的热压焊接设备及方法。

技术介绍

[0002]复合材料是一种具有比强度高、耐高温、耐腐蚀、抗疲劳等优点的工程材料，其在民用飞机上的用量是飞机先进性的重要标志。同热固性复合材料相比，热塑性复合材料凭借其高比强度、高比模量、韧性好、成型周期短、可回收、可焊接等优点，在航空航天领域受到广泛关注，并被逐步扩大应用于飞机机身结构件中。轻质合金作为航空航天制造领域最重要的主承力结构材料，不可避免地需要与热塑性复合材料构件进行连接。
[0003]针对热塑性复合材料与轻质合金之间的异质连接技术，目前工艺发展较为成熟、应用较多的主要包括机械连接、胶接和热连接技术。但机械连接技术会影响碳纤维复合材料结构的使用性能，胶接技术操作工序复杂、生产周期较长、对环境不友好。基于热塑性树脂可二次熔融成型的特性，多种热连接方法相继涌现，其中热压焊接技术以其热输入可控性、绿色环保、易于实现自动化等特点，在解决热塑性复合材料与轻质合金的连接问题上极具发展潜力。相较于其他热连接方法，热压焊接效率较高，并且能够提供相对稳定均匀的热量和压力，从而获得强度较高的焊接接头。但对于热塑性复合材料和轻质合金这两种异质材料之间的连接，由于多界面传热传质行为与聚合物复杂的热流变行为，热压焊接的施加压力与两材料之间的界面温度难以控制，从而严重影响焊接质量与连接件的稳定性，限制了热压焊接技术在热塑性复合材料与轻质合金焊接领域的发展，因此亟待一种用于热塑性复合材料与轻质合金搭接结构的热压焊接设备。

技术实现思路

[0004]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供一种用于热塑性复合材料与轻质合金搭接结构的热压焊接设备及方法，能够提供可控的热量和压力，满足不同的焊接需求，实时控制热塑性复合材料与轻质合金焊接过程中的界面温度、变形程度处于合理范围内，有效抑制气孔缺陷的形成，从而获得高质量的焊接接头。
[0005]本专利技术通过下述技术方案实现：
[0006]一种用于热塑性复合材料与轻质合金搭接结构的热压焊接设备，包括控制系统、六轴机器人、焊前规划系统、热压焊接系统、监测与反馈系统、热压焊接工作台；
[0007]所述控制系统连接六轴机器人、焊前规划系统、热压焊接系统、监测与反馈系统，包括：计算机、伺服电机、步进电机、变压器。其中，计算机控制冷却液瓶输出冷却液，计算机控制伺服电机驱动六轴机器人，步进电机依据计算机的命令控制热压机，伺服电机、步进电机、变压器集成于同一电机控制柜中；
[0008]所述焊前规划系统用于对输入的焊接信息进行分析，基于热压焊接试验的累积数
据与有限元仿真的温度分布情况，根据设定的界面温度区间和变形量上限值，规划热压机的加热温度、施加压力和焊接时间，最后将规划后的焊接工艺参数传输给计算机。需要输入的焊接信息包括焊接件尺寸、搭接区域尺寸、金属材料类型、碳纤维增强类型、树脂基体类型等，界面温度区间设定下限为树脂基体的熔化温度，设定上限为树脂基体的热分解温度，确保热塑性复合材料与轻质合金接触界面处树脂熔化，而不发生热分解反应产生气泡；
[0009]所述热压焊接系统用于对热塑性复合材料与轻质合金搭接结构在热压焊接时间内的加热温度与施加压力进行控制，包括：热压机、冷却液瓶。其中，热压机包括调压装置、升降柱、冷却管、热压压头、温度传感器、压力传感器，调压装置由步进电机进行驱动，并且内置压力传感器，通过控制升降柱的升降来调整施加压力，冷却管铺设在热压压头上，输入冷却液后可对热压压头进行冷却降温，温度传感器固定在热压压头上，测量热压压头的实际加热温度，压力传感器分别固定在热压压头两侧，测量端与热压压头底端在同一水平面上，测量热压机的实际施加压力，并确保焊接件受压平均，该热压机的加热温度与施加压力独立调控、互不影响，热压压头采用钛合金压头，能够确保温度平均分布，且升温快速、使用寿命长。热压机采用脉冲热压机，运用变压器产生低电压的大电流，通过热压压头令其可迅速发热升至规划的加热温度，也可通过改变电流的脉冲比例调控热压压头的升温速率，热量以热传导的方式从轻质合金上表面传递至轻质合金与热塑性复合材料的界面结合区域，热塑性复合材料的表层树脂吸收热量熔化，在热压机的压力作用下熔融树脂填充界面间隙，与轻质合金表面充分接触并形成界面结合力，从而实现热塑性复合材料与轻质合金搭接结构的焊接；
[0010]所述热压焊接系统中，根据热压机不同的加热加压方式，分为三种工作模式：第一种为脉冲式，热压压头的升温与冷却管使热压压头进行降温相互配合，调压装置控制升降柱的上升与下降，使加热温度与施加压力按同一变化趋势进行有规律的脉冲式变化，该模式可有效控制焊接件的变形程度，针对热膨胀系数大、容易发生热变形的材料焊接，第二种为渐进式，加热温度与施加压力从初始值开始按某一速率逐渐增加，该模式省时省电，适合快速焊接，第三种为恒温恒压式，加热温度快速升至规划温度后再进行焊接，此时施加压力也快速达到某一固定值，而后加热温度与施加压力基本保持不变，该模式的焊接稳定性高；
[0011]所述监测与反馈系统用于监测热塑性复合材料与轻质合金的界面温度，以及焊接件的变形程度，并将测量信息实时传输给计算机，计算机根据信息做出相应的反馈，包括：红外测温仪、激光位移传感器、滑块底座、导轨。其中，红外测温仪测量热塑性复合材料与轻质合金的界面温度，保证仅界面温度高于树脂基体的熔化温度且低于树脂基体的热分解温度，而界面处以外的树脂不发生熔化，激光位移传感器能够精确测量焊接件水平方向上的位移，确保焊接件的变形程度不超过设定的上限值，测量所得温度和位移信息实时传输到计算机中，计算机根据信息调整加热温度和施加压力，红外测温仪和激光位移传感器置于滑块底座上，滑块底座可在导轨上进行滑动，三组红外测温仪、激光位移传感器和滑块底座分布在焊接工作台的不同边界处进行多方位监测；
[0012]所述热塑性复合材料与轻质合金搭接结构的热压焊接选用的材料是碳纤维增强热塑性复合材料(CFRTP)，碳纤维可为短纤维或连续碳纤维，树脂基体可为聚酰胺、聚苯硫醚、醚酰亚胺、聚醚醚酮、聚醚酮酮等，轻质合金搭接区域表面可采用激光刻蚀沟槽，界面熔融树脂填入沟槽中，产生一定的锚固效应，从而提高接头强度。
[0013]一种用于热塑性复合材料与轻质合金搭接结构的热压焊接设备的运行方法，包括如下步骤：
[0014]步骤一：对热塑性复合材料板和轻质合金进行打磨、清洗和烘干；
[0015]步骤二：将热塑性复合材料板和垫片放置于焊接工作台上，再将轻质合金放置于热塑性复合材料板和垫片上，形成搭接结构，最后进行基本的装夹固定；
[0016]步骤三：选择焊接工作模式，并在计算机中输入焊接信息，设定界面温度区间和变形量上限值，进行焊前工艺参数规划；
[0017]步骤四：对滑块底座的位置以及红外测温仪、激光位移传感器的高度和角度进行调整；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于热塑性复合材料与轻质合金搭接结构的热压焊接设备，其特征在于：包括控制系统、六轴机器人、焊前规划系统、热压焊接系统、监测与反馈系统、热压焊接工作台；所述控制系统连接六轴机器人、焊前规划系统、热压焊接系统、监测与反馈系统，包括：计算机、伺服电机、步进电机、变压器；焊前规划系统用于对输入的焊接信息进行分析，基于热压焊接试验的累积数据与有限元仿真的温度分布情况，根据设定的界面温度区间和变形量上限值，规划热压机的加热温度、施加压力和焊接时间，最后将规划后的焊接工艺参数传输给计算机；热压焊接系统用于对热塑性复合材料与轻质合金搭接结构在热压焊接时间内的加热温度与施加压力进行控制，包括：热压机、冷却液瓶；监测与反馈系统用于监测热塑性复合材料与轻质合金的界面温度，以及焊接件的变形程度，并将测量信息实时传输给计算机，计算机根据信息做出相应的反馈，包括：红外测温仪、激光位移传感器、滑块底座、导轨。2.根据权利要求1所述的一种用于热塑性复合材料与轻质合金搭接结构的热压焊接设备，其特征在于：所述热塑性复合材料与轻质合金搭接结构的热压焊接选用的材料是碳纤维增强热塑性复合材料(CFRTP)，碳纤维可为短纤维或连续碳纤维，树脂基体可为聚酰胺、聚苯硫醚、醚酰亚胺、聚醚醚酮、聚醚酮酮等，轻质合金搭接区域表面可采用激光刻蚀沟槽，界面熔融树脂填入沟槽中，产生一定的锚固效应，从而提高接头强度。3.根据权利要求1所述一种用于热塑性复合材料与轻质合金搭接结构的热压焊接设备，其特征在于：所述控制系统中，计算机控制冷却液瓶输出冷却液，计算机控制伺服电机驱动六轴机器人，步进电机依据计算机的命令控制热压机，伺服电机、步进电机、变压器集成于同一电机控制柜中。4.根据权利要求1所述一种用于热塑性复合材料与轻质合金搭接结构的热压焊接设备，其特征在于：所述焊前规划系统中，需要输入的焊接信息包括焊接件尺寸、搭接区域尺寸、金属材料类型、碳纤维增强类型、树脂基体类型等，界面温度区间设定下限为树脂基体的熔化温度，设定上限为树脂基体的热分解温度，确保热塑性复合材料与轻质合金接触界面处树脂熔化，而不发生热分解反应产生气泡。5.根据权利要求1所述一种用于热塑性复合材料与轻质合金搭接结构的热压焊接设备，其特征在于：所述热压焊接系统中，热压机包括调压装置、升降柱、冷却管、热压压头、温度传感器、压力传感器，调压装置由步进电机进行驱动，并且内置压力传感器，通过控制升降柱的升降来调整施加压力，冷却管铺设在热压压头上，输入冷却液后可对热压压头进行冷却降温，温度传感器固定在热压压头上，测量热压压头的实际加热温度，压力传感器分别固定在热压压头两侧，测量端与热压压头底端在同一水平面上，测量热压机的实际施加压力，并确保焊接件受压平均，该热压机的加热温度与施加压力独立调控、互不影响，热压压头采用钛合金压头，能够确保温度平均分布，且升温快速、使用寿命长。6.根据权利要求1所述一种用于热塑性复合材料与轻质合金搭接结构的热压焊接设备，其特征在于：所述热压焊接系统中，热压机采用脉冲热压机，运用变压器产生低电压的大电流，通过热压压头令其可迅速发热升至规划的加热温度，也可通过改变电流的脉冲比例调控热压压头的升温速率，热量以热传导的方式从轻质合金上表面传递至轻质合金与热塑性复合材料的界面结合区域，热塑性复合材料的表层树脂吸收热量熔化，在热压...

【专利技术属性】
技术研发人员：占小红，陈蔚雯，卜珩倡，高景民，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：