一种碳纤维/聚芳醚酮复合材料层板的电阻焊接系统与焊接方法技术方案

本发明专利技术公开了一种碳纤维/聚芳醚酮复合材料层板的电阻焊接系统与焊接方法，该系统包括加热系统、冷却系统、压力系统、监测系统、工装。其中，加热系统为焊接面提供树脂熔融所需热量；冷却系统用以防止焊接区端部过热；压力系统包括微机控制电子万能试验机和压块，用以将力传递至焊接区域。焊接时，复合材料层板和加热元件固定于工装中指定位置，压力系统作用于待焊接区，冷却气路固定于气路限位，氮化铝陶瓷散热片置于加热元件与层板之间。树脂产生熔融流动，加热元件与层板表面紧密的粘接在一起，最终得到质量合格的焊接接头。最终得到质量合格的焊接接头。最终得到质量合格的焊接接头。

【技术实现步骤摘要】
一种碳纤维/聚芳醚酮复合材料层板的电阻焊接系统与焊接方法


[0001]本专利技术涉及热塑性复合材料焊接
，更具体地说，是指一种用于碳纤维/聚芳醚酮复合材料层板的电阻焊接系统及其焊接方法。

技术介绍

[0002]由于飞行器制件的结构复杂性和制件尺寸的局限性，制备热塑性复合材料结构件时需要运用到材料连接技术。材料连接方式直接影响了制件的力学性能、制造成本以及整体重量。传统的材料连接方式，如机械连接易产生应力集中、不利于轻量化，而胶接对待胶接表面质量要求高、连接强度低，热塑性复合材料的电阻焊接技术作为一种重要的焊接类型，具有快速、连接强度高、增重小、可重复焊接、工艺简单等优点。电阻焊接的原理是在焊接区粘合表面之间放置导电的加热元件，对加热元件通以电流，加热元件会遵循焦耳定律而产生热量，当加热元件产生的能量超过热损耗时，焊接区温度上升，当焊接区的温度升高到聚合物的玻璃化温度或熔点时，聚合物分子具有一定的运动能力，在一定的压力下焊接表面之间紧密接触，两个粘合表面的聚合物分子相互扩散，停止通电后冷却，焊接区域硬化形成焊接接头，加热元件留在接头中。
[0003]在焊接过程中，为了保证焊接质量，对功率密度、焊接压强、加热元件类型的选择和优化非常重要。碳纤维/聚芳醚酮(如碳纤维/聚醚醚酮、碳纤维/聚醚酮酮)复合材料层板属于力学性能最高等级的热塑性复合材料，在航空航天结构上已有重要应用。由于聚芳醚酮的熔点较高，因此其焊接质量较难控制，在电阻焊接的过程中易产生层板中的纤维滑移和加热不均匀等问题。因此，亟需建立一套电阻焊接装置及方法，对该类热塑性复合材料制件进行高效、高质量地焊接，促进电阻焊接技术在大型结构中的应用。
[0004]为此，本专利技术的目的是提供一种碳纤维/聚芳醚酮复合材料层板的电阻焊接系统，可以监测焊接过程中的温度变化及位移变化，建立以金属网和聚醚醚酮树脂膜为原料的加热元件制备方法，并制备出碳纤维/聚芳醚酮焊接件。

技术实现思路

[0005]为实现本专利技术的上述目的，具体的技术方案如下。
[0006]一种碳纤维/聚芳醚酮复合材料层板的电阻焊接系统，所述系统包括加热系统、冷却系统、压力系统、监测系统、工装。其中所述加热系统包括电源、电极和加热元件，冷却系统包括空气压缩机、调压阀、三通气路接头、排气管、气体喷嘴和氮化铝陶瓷散热片，压力系统包括微机控制电子万能试验机和压块，监测系统包括由热电偶组成的温度监测系统和微机控制电子万能试验机组成的位移监测系统，工装包括限位装置。
[0007]进一步，所述加热系统包括电源、电极和加热元件，所述电极上通有两个第一螺孔和一个第二螺孔，所述第一螺孔通过螺栓固定的形式夹持于加热元件端部，所述第二螺孔与所述电源阴阳极连接。电极夹持端与两个第一螺孔处紧固力一致从而避免所述加热元件
在夹持端接触电阻过大，从而导致局部温度过高，同时所述加热元件被加持宽度与所述电极宽度一致。所述电源通过良金属导体电极给所述加热元件两端输入电流。
[0008]可选的，电源的输出范围为0～20V，0～100A，可以实现恒流输出，恒压输出两种模式。在焊接过程中，为了保证焊接功率，优选恒流输出模式。
[0009]进一步，所述冷却系统包括空气压缩机、调压阀、三通气路接头、排气管、气体喷嘴和氮化铝陶瓷散热片。所述三通气路接头包括一个总气路排气管，两个支气路排气管，空气压缩机产生的压缩气体分别经过所述调压阀从所述两个支气路排气管通过扇形气体喷嘴喷出，作用于焊接面的边缘处，以缓解焊接过程中产生的端部过热现象。所述两个排气管分别置于所述工装的上方及侧面，分别冷却所述上层板边缘及下层板边缘。所述氮化铝陶瓷散热片置于加热元件与层板之间。
[0010]可选的，所述空气压缩机产生压缩气体，所述调压阀可将气压在0MPa～0.7MPa间进行调节，使气体稳压输出，优选了0.1～0.2MPa作为冷却气压。所述三通路接头的总气路和支气路排气管直径范围为5～10mm，优选直径为8mm的总气路和直径6mm的支气路。所述气体喷嘴喷口直径范围为1～5mm，扇形喷口角度范围为30
°
～140
°
，优选最佳喷口直径2mm，最佳扇形喷口角度范围110
°
。
[0011]进一步，所述压力系统包括微机控制电子万能试验机和压块，万能试验机通过压盘将力作用于压块上，压块与焊接区处直接接触，将力传递至焊接区域。所述压块底面与焊接区域面积相同。
[0012]进一步，所述检测系统包括由热电偶组成的温度监测系统和微机控制电子万能试验机组成的位移监测系统。焊接界面埋入热电偶，可以监测埋入点的温度实时变化。所述温度监测系统中的所述热电偶为K型热电偶，能够获得焊接升温速率、界面温度差等信息。根据这些信息对工艺参数进行调整，使焊接时间处于合适范围，尽可能缩小界面温差。通过所述微机控制电子万能试验机可以实现位移的实时监测，得到位移
‑
时间曲线，当所述曲线出现极点时，即位移不再上升时，即认为到达焊接终止点。结束焊接体系开始冷却，当所述曲线基本不再变化时，控制微机控制万能试验机进行卸压，卸压时的位移为所述层板焊接后的变形量。
[0013]进一步，所述工装包括电极限位、层板限位、气路限位和保温绝缘底板。
[0014]所述电极限位包括所述卡槽和挡片，所述电极的阳极和阴极分别放置于碳纤维/聚芳醚酮复合材料层板上方和下方的两个卡槽中，所述卡槽尺寸与所述电极相同，所述挡片分别插入两个卡槽顶部。
[0015]所述层板限位包括所述支撑架，限位块和固定螺栓。所述支撑架分别固定于层板两侧，支撑架顶部通有两个第三螺孔，所述固定螺栓通过第三螺孔紧固限位块，限位块压实置于下方的层板。所述其中一个支撑架底部打第一通孔，所述第一通孔直径大于所述排气管直径。
[0016]所述压块置于层板待焊接区正上方，所述压块与层板接触面积与待焊接区面积相同。
[0017]所述气路限位包括侧气路限位和上气路限位，所述的侧气路限位为所述第一通孔，所述上气路限位为气路卡箍，所述两根排气管分别插入所述侧气路和上气路限位。
[0018]所述电极限位、层板限位、气路限位和保温绝缘底板材质的导热系数范围为0.1～
0.34W/(m
·
K)、耐热温度范围为400～600℃、压缩强度范围为100～200MPa。优选了有机硅云母作为所述各限位装置和保温绝缘底板的材质。
[0019]更具体的，本专利技术建立了一种碳纤维/聚芳醚酮复合材料层板的步进式电阻焊接方法，包括如下步骤：
[0020](1)制备焊接所需的所述加热元件。
[0021](2)将所述层板、加热元件、氮化铝陶瓷散热片放置于工装的指定位置。
[0022](3)将装配好的体系放置于所述微机控制电子万能试验机的压盘上，通过压盘对压块进而对体系施加压力。所述力学试验机采用恒力控制模式，对搭接区域施加预设的恒定压力。
[0023](4)开启所述空气压缩机，使压缩空气按照预设压强本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳纤维/聚芳醚酮复合材料层板的电阻焊接系统，其特征在于，所述系统包括加热系统、冷却系统、压力系统、监测系统和工装，其中所述加热系统包括加热元件，为焊接面提供树脂熔融所需热量；冷却系统用以防止焊接区端部过热；压力系统包括微机控制电子万能试验机和压块，将力作用于压块，将力传递至焊接区域；监测系统包括温度监测系统和位移监测系统，用来监测温度和位移变化。2.根据权利要求1所述的碳纤维/聚芳醚酮复合材料层板的电阻焊接系统，其特征在于，所述加热系统中的电极上通有两个第一螺孔和一个第二螺孔，所述第一螺孔通过螺栓固定的形式夹持于加热元件端部，所述第二螺孔与电源阴阳极连接，所述电源通过电极给所述加热元件两端提供电压发热。3.根据权利要求1所述的碳纤维/聚芳醚酮复合材料层板的电阻焊接系统，其特征在于，所述冷却系统中三通气路接头包括一个总气路排气管，两个支气路排气管，空气压缩机产生的压缩气体分别从所述两个支气路排气管通过扇形气体喷嘴喷出，所述两个支气路排气管分别置于所述工装的上方及侧面，作用于焊接面的边缘处，氮化铝陶瓷散热片粘贴于层板上，位于加热元件与层板之间。4.根据权利要求1所述的碳纤维/聚芳醚酮复合材料层板的电阻焊接系统，其特征在于，所述压块置于层板待焊接区正上方，所述压块与层板接触面积与待焊接区面积相同。5.根据权利要求1所述的碳纤维/聚芳醚酮复合材料层板的电阻焊接系统，其特征在于，所述工装包括电极限位、层板限位、气路限位和保温绝缘底板。6.根据权利要求5所述的碳纤维/聚芳醚酮复合材料层板的电阻焊接系统，其特征在于，所述电极限位包括所述卡槽和挡片，所述电极的阳极和阴极分别放置于层板上方和下方的两个卡槽，所述卡槽尺寸与所述电极相同，所述挡片分别插入两个卡槽顶部。7.根据权利要求5所述的碳纤维/聚芳醚酮复合材料层板的电阻焊接系统，其特征在于，所述层板限位包括支撑架、限位块和固定螺栓，所述支撑架分别固定于层板两侧，支撑架顶部通有两个第三螺孔，所述固定螺栓通过第三螺孔紧固限位块，限位块压实置于下方的层板，所述其中一个支撑架底部设有...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾轶卓，郭瑞琪，李敏，王绍凯，张佐光，杨雨坤，
申请(专利权)人：承德宽航新材料有限公司，
类型：发明
国别省市：