一种高强度合金异质搭接接头及其低热输入制备方法技术

本发明专利技术涉及异种材料连接技术领域，具体涉及一种高强度合金异质搭接接头及其低热输入制备方法，解决了异质搭接接头不易连接，复合材料导热系数低对热敏感的问题，制备过程中需要的热输入功率较低，并且得到的异质接头的强度较高，整体性能较好。尤其适用于较薄的工件即厚度小于2mm，解决了较大焊接功率容易损伤较薄工件的问题，同时可以保证在焊接功率较小的输入情况下仍然能保证搭接接头的焊接强度。通过在异质搭接接头中添加混合粉末层，一方面提高了搭接接头处的导热系数，改善了搭接接头处的温度场，提高了异质接头机械嵌合作用；另一方面促进了铝合金基体与热塑性复合材料基体的反应，使得搭接接头处更易形成Al

【技术实现步骤摘要】
一种高强度合金异质搭接接头及其低热输入制备方法


[0001]本专利技术涉及异种材料连接
，具体涉及一种高强度合金异质搭接接头及其低热输入制备方法。

技术介绍

[0002]碳纤维增强复合材料具有密度小(1.1g/cm3‑
1.6g/cm3)、强度高、成型过程中无需化学反应、成型周期短、可重复利用等优点，已成为继铝、钢、钛之后迅速发展的第四大航空结构材料，同时在汽车、机械、医疗、体育等行业得到了大力发展及应用。碳纤维增强复合材料在使用过程中，不可避免的要和其他材料进行连接，尤其是各种钢材及轻质合金，其中碳纤维增强复合材料与铝合金的连接既能满足强度要求也能满足轻量化设计要求，因此碳纤维复合材料
‑
铝合金连接技术得到了大量研究。现有的连接技术可大致分为胶接、机械连接以及焊接技术三大类，但也存在一些问题：
[0003]胶接对材料的损伤较小，但是搭接接头连接性能较差，较难满足实际使用需求。机械连接需要打孔影响搭接接头的力学性能，也会使得整体结构重量增加，不符合轻量化要求。焊接技术应用在异材连接时，由于碳纤维增强复合材料导热系数低(<1W/mK)且对热敏感(如PA66熔化温度为260～290℃，超过300℃则开始汽化)，因此焊接时若热输入过低，则复合材料熔化不足导致接头强度较低，如图1(a)所示；若提高热输入则复合材料基体产生损伤，接头极易在复合材料处产生断裂，如图1(b)所示；此外，尤其在对较薄工件进行焊接时，热输入过高还会导致接头受热变形、内应力过大等一系列问题。因此，如何在低热输入条件下仍然能实现铝合金与碳纤维增强复合材料的高强度连接成为现有技术中亟待解决的问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种低热输入高强度合金异质搭接接头及其制备方法，以解决上述
技术介绍
中存在的现有技术问题。
[0005]为解决上述的技术问题，本专利技术提供的技术方案为：
[0006]一方面，本专利技术提供了一种高强度合金异质搭接接头的热输入制备方法，包括以下步骤：
[0007]步骤一：预处理；使用有机溶剂清洗合金基体以及碳纤维增强复合材料基体的表面，去除表面的灰尘、油污杂质；
[0008]步骤二：微织构化；使用激光器以脉冲激光的形式扫描合金基体，在合金基体与碳纤维增强复合材料基体的搭接位置表面形成微结构；
[0009]步骤三：混合粉末层；将合金基体粉末与碳纤维增强复合材料基体粉末以一定的配比混合均匀得到混合粉末，将混合粉末均匀地平铺在合金基体与碳纤维增强复合材料基体的搭接位置，形成混合粉末层；
[0010]步骤四：焊接；将碳纤维增强复合材料基体、混合粉末层以及预处理后的合金基体
依次放置在焊接工装上，通过调节焊接工装给搭接接头施加初始压力，然后调节焊接参数对搭接接头进行焊接，焊接完成后得到异质搭接接头。
[0011]在上述技术方案基础上，所述步骤二中微织构呈点状或网状分布，脉冲激光扫描的激光功率为50W
‑
100W，扫描速度为0.5m/min
‑
2m/min，扫描重复频率为40Hz
‑
100Hz。
[0012]在上述技术方案基础上，所述步骤三中混合粉末层的厚度设置为为0.1mm
‑
0.5mm。
[0013]在上述技术方案基础上，所述步骤三中混合粉末层中合金基体粉末与碳纤维增强复合材料基体粉末之间的体积比为3:7
‑
7:3且粉末直径均小于100μm。
[0014]在上述技术方案基础上，还包括在焊接步骤前，对合金基体进行打孔，然后孔内安装有铆钉，通过铆接的方式实现异质搭接接头的连接固定。
[0015]在上述技术方案基础上，还包括在焊接步骤前，所述混合粉末层内固定设置有多个均匀分布的微米
‑
毫米级铆钉。
[0016]在上述技术方案基础上，所述合金基体采用铝合金，所述碳纤维增强复合材料基体采用热塑性树脂基材料。
[0017]在上述技术方案基础上，所述步骤四中焊接采用摩擦焊接、激光焊接或激光摆动焊接中的一种。
[0018]在上述技术方案基础上，所述步骤四中的焊接功率小于500W。。
[0019]另一方面，本专利技术还提供了一种高强度合金异质搭接接头，采用上述低热输入制备方法制备得到，所述异质搭接接头的剪切力达到6
‑
8KN。
[0020]本专利技术提供的技术方案产生的有益效果在于：
[0021]1、本专利技术提供了一种铝合金作为基材以及热塑性复合材料作为另一种基材的两种异质材料的搭接接头的制备方法，解决了异质搭接接头不易连接，复合材料导热系数低对热敏感的问题，制备过程中需要的热输入功率较低，并且得到的异质接头的强度较高，整体性能较好。尤其适用于较薄的工件即厚度小于2mm，解决了较大焊接功率容易损伤较薄工件的问题，同时可以保证在焊接功率较小的输入情况下仍然能保证搭接接头的焊接强度。
[0022]2、本专利技术中通过混合粉末层的添加，一方面提高了搭接接头处的导热系数，改善了搭接接头处的温度场，防止碳纤维增强复合材料过热损伤或热输入不足导致连接接头强度低的问题，实现在低热输入条件下铝合金与碳纤维增强复合材料高强度异质接头的制备；另一方面，混合粉末层的熔化改善了在低热输入条件下复合材料熔化不足导致的微结构填充不足、接头处存在气孔的问题，提高了异质接头机械嵌合作用。此外混合粉末层的添加，促进了铝合金基体与热塑性复合材料基体的反应，使得搭接接头处更易形成Al
‑
O
‑
C键，从而实现了在低热输入条件下铝合金与碳纤维增强复合材料异质接头强度的提高。
附图说明
[0023]图1是现有技术中低热输入以及高热输入下复合材料基体的表面示意图，其中图1(a)为低热输入条件下接头处复合材料熔化不足，图1(b)为高热输入条件下接头处复合材料热损伤断裂；
[0024]图2是本专利技术的焊接结构示意图；
[0025]图3是图2的内部剖面视图；
[0026]图4是本专利技术中实施例一异质搭接接头焊接前结构示意图；
[0027]图5是本专利技术中实施例二异质搭接接头焊接前结构示意图；
[0028]图6是本专利技术中实施例三异质搭接接头焊接前结构示意图；
[0029]图7是本专利技术中实施例一、实施例四与对比例的异质搭接接头拉伸后铝合金侧粘连复合材料的示意图，其中图(a)为实施例一，图(b)为实施例四，图(c)为对比例；
具体实施方式
[0030]下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明：
[0031]在本专利技术中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高强度合金异质搭接接头的低热输入制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：预处理；使用有机溶剂清洗合金基体以及碳纤维增强复合材料基体的表面，去除表面的灰尘、油污杂质；步骤二：微织构化；使用激光器以脉冲激光的形式扫描合金基体，在合金基体与碳纤维增强复合材料基体的搭接位置表面形成微结构；步骤三：混合粉末层；将合金基体粉末与碳纤维增强复合材料基体粉末以一定的配比混合均匀得到混合粉末，将混合粉末均匀地平铺在合金基体与碳纤维增强复合材料基体的搭接位置，形成混合粉末层；步骤四：焊接；将碳纤维增强复合材料基体、混合粉末层以及预处理后的合金基体依次放置在焊接工装上，通过调节焊接工装给搭接接头施加初始压力，然后调节焊接参数对搭接接头进行焊接，焊接完成后得到异质搭接接头。2.根据权利要求1所述的一种高强度合金异质搭接接头的低热输入制备方法，其特征在于，所述步骤二中微织构呈点状或网状分布，脉冲激光扫描的激光功率为50W
‑
100W，扫描速度为0.5m/min
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2m/min，扫描重复频率为40Hz
‑
100Hz。3.根据权利要求1所述的一种高强度合金异质搭接接头的低热输入制备方法，其特征在于，所述步骤三中混合粉末层的厚度设置为为0.1mm
‑
0.5mm。4.根据权利要求1所述的一种高强度...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁建英，李康宁，徐良，展旭和，杨海锋，谷世伟，
申请(专利权)人：哈焊国创青岛焊接工程创新中心有限公司，
类型：发明
国别省市：