一种超声辅助感应焊接热塑性树脂基复合材料的方法技术

本发明专利技术涉及一种超声辅助感应焊接热塑性树脂基复合材料的方法，属于树脂基复合材料领域。本发明专利技术公开了一种利用超声振动头辅助感应焊在连接热塑性树脂基复合材料过程实现树脂填充分填充，实现高强度连接的方法。本发明专利技术中，利用电磁热实现树脂基复合材料的焊接，同时利用超声头对复合材料待焊接头上方施加压力及超声振动。本发明专利技术的目的是克服树脂基复合材料感应焊接过程中接头界面树脂填充不充分的缺陷，实现树脂基复合材料的高强度连接。本发明专利技术方法简单快捷，成本极低，在航空、航天、汽车等树脂基复合材料材料连接领域有广泛的应用前景。景。景。

【技术实现步骤摘要】
一种超声辅助感应焊接热塑性树脂基复合材料的方法


[0001]本专利技术属于树脂基复合材料领域，具体涉及一种超声辅助感应焊接热塑性树脂基复合材料的方法。

技术介绍

[0002]树脂基复合材料是航空航天飞行器主要的结构材料之一，复合材料结构之间的连接是飞行器制造过程关键技术。机械紧固连接、焊接和胶接技术是两种最常用的连接方式。然而，栓接、铆接等机械紧固连接需要对复合材料钻孔，影响本体力学强度，同时螺栓或铆钉使结构件整体重量增加；焊接技术和胶接则导致复合材料结构变成了不可拆卸的整体，对施工过程精度要求高、容错率低。另外，胶接技术需要长时间的固化，存在施工周期较长、效率低的缺点。
[0003]树脂熔融焊接技术是一种能够将光、电、电磁、超声等能量转变成的热量使搭接区域热塑性树脂熔化，通过热塑性树脂与粘接母材间的原子、分子扩散结合或微观机械互锁等作用连接成一体的工艺。该技术克服了胶接技术的缺点，通过再次加热能够拆卸焊接结构，对损坏焊件进行更换并形成新的焊接头，非常适合飞行器零部件装配和修复。
[0004]感应焊接技术，主要是通过在两个焊接元件的搭接区域嵌入热塑性树脂薄膜和感应加热元件，通过通电使加热元件产生磁场，形成涡流，产生焦耳热，使热塑性树脂薄膜熔融、冷却凝固，从而实现焊件的连接。植入感应焊接技术主要是通过将加热元件植入到搭接区域的热塑性树脂薄膜内来提升薄膜的性能，该技术的工艺流程简单易操作，效率高，费用低，同时还可以连续焊接大面积的区域，并且在焊接过程中焊件不需要移动等诸多优势，是一种具有广泛应用前景的连接技术。然而，感应焊接嵌入的一般为金属网或金属线圈，在焊接过程中熔融的热塑性树脂很难实现完全的填充，从而导致无法实现树脂基复合材料的有效焊接。

技术实现思路

[0005]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供一种超声辅助感应焊接热塑性树脂基复合材料的方法，本专利技术解决技术问题的主要途径是通过超声换能器在热塑性树脂基复合材料感应焊接过程中施加超声波，进而利用热塑性树脂基复合材料层合板、金属植入体加热元件、热塑性树脂薄膜通过电加热熔融粘接工艺构筑力学性能更强的树脂基复合材料感应焊接接头。感应发热方式提供了热塑性树脂薄膜熔融需要的热量；超声换能器施加的超声波提升了熔融的热塑性树脂薄膜在金属植入体加热元件上的浸润程度和填充接头区域空隙能力；热塑性树脂薄膜的引入提供了更为丰富的粘接剂，能够密实填充接头区域空隙并粘结相关表面；所述的接头区域空隙是指植入体加热元件的边缘空隙以及热塑性树脂薄膜层与层之间空隙；同时，超声换能器可以代替传统液压装置在焊接过程中施加压力，有助于热塑性树脂薄膜与金属植入体加热元件之间机械互锁、物理吸附以及化学键作用的增强。上述设计均有助于改善热塑性树脂基复合材料感应焊接接头的力学性能。本专利技术的树脂基复
合材料感应焊接接头力学强度优异，实施过程简单快捷、成本低，在航空、航天、汽车等复合材料连接领域具有广泛的应用前景。
[0006]本专利技术解决的技术问题所采用的技术方法是：一种超声辅助感应焊接热塑性树脂基复合材料的方法，包括如下步骤：
[0007]步骤1.构建热塑性复合材料层合板：以热塑性树脂基复合材料为基体，碳纤维或玻璃纤维等作为增强材料，制成预浸料，经模压成型工艺，制成热塑性复合材料层合板。
[0008]所述的模压成型工艺具体为：将预浸料放置在模具中，然后放置在模压机内进行模压成型，模压成型工艺参数：在室温下以2
‑
5℃/min升温至300
‑
500℃，然后在0.5
‑
2MPa压力下维持80
‑
100min，最后打开模压机箱门自然冷却降温，降温过程维持压力在1
‑
1.5MPa.)，制成热塑性复合材料层合板。
[0009]步骤2.构建热塑性树脂基复合材料感应焊接接头结构：将两层热塑性树脂薄膜分别置于金属植入体加热元件两侧，将该结构封装之后置于待焊接热塑性复合材料层合板接头区域；所述的封装是指将热塑性树脂薄膜平铺放置在金属植入体加热元件两侧进行组合。
[0010]步骤3.超声辅助热塑性树脂基复合材料的感应焊接：接通电源，调整电流和电压使金属植入体加热元件加热至待焊温度，记录焊接时间；焊接过程中同时施加超声振动，超声振动结束后，通过超声换能器在焊接区域上方施加压力；冷却之后，获得热塑性树脂基复合材料感应焊接接头。
[0011]所述的步骤2中热塑性树脂基复合材料包括不限于聚碳酸酯(PC)、聚丙烯腈
‑
丁二烯
‑
苯乙烯(ABS)、尼龙(PA)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚醚酮(PEK)、聚醚醚酮(PEKK)、聚醚醚酮(PEEK)、聚芳醚腈(PEN)、含酞侧基聚醚酮(PEK
‑
C)，含酞侧基聚醚砜(PEK
‑
S)，含杂萘联苯结构聚芳醚砜酮(PPESK)中的一种。
[0012]所述的步骤2中热塑性树脂薄膜应选用与焊接母材一致或极性相近的热塑性树脂，包括但不限于聚碳酸酯(PC)、聚丙烯腈
‑
丁二烯
‑
苯乙烯(ABS)、尼龙(PA)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚醚酮(PEK)、聚醚醚酮(PEKK)、聚醚醚酮(PEEK)、聚芳醚腈(PEN)、含酞侧基聚醚酮(PEK
‑
C)，含酞侧基聚醚砜(PEK
‑
S)，含杂萘联苯结构聚芳醚砜酮(PPESK)中的一种，且薄膜厚度为0.1～0.3mm。
[0013]其中所述的热塑性树脂基复合材料的增强材料为无机颗粒、晶须、短纤维或连续纤维中的一种或几种。所述的短纤维或连续纤维为碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、PBO纤维、玄武岩纤维中的一种或几种。
[0014]所述的步骤3中待焊温度为160～500℃，焊接时间为10～300s。
[0015]所述的步骤3中超声振动频率为10～100千赫兹，振幅为2
‑
100μm，引入超声振动时间为0.5～60s。
[0016]所述的步骤3中超声振动过程结束后，超声换能器在焊接区域上方施加的压力为0.1～0.5MPa。
[0017]所述的步骤3中金属植入体加热元件包含不锈钢网、镍铬合金丝网、铁铬铝合金丝网、镍铜合金丝网、碳纤维织布、碳纤维束中的一种。
[0018]本专利技术的一种超声辅助感应焊接热塑性树脂基复合材料及方法，其主要优点为：
[0019]1)本专利技术采用超声辅助感应焊接工艺制备热塑性树脂基复合材料焊接接头，将超
声振动和感应热效应巧妙结合，使焊接工艺同时吸收超声振动和感应热效应的优势，焊接工艺简单、施工高效(仅需要几分钟)、无需昂贵设备、绿色环保等优点；另外金属植入体加热元件保留在接头内部，采用二次通电的方式能够进行焊接接头的拆卸修复和二次焊接。
[0020]2)外加的超声波能量促进热塑性树脂基复合材料表面与热塑性树脂薄膜的结合，并且在超声作用下熔融的热塑性树脂薄膜均匀本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超声辅助感应焊接热塑性树脂基复合材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤(1)：构建热塑性复合材料层合板：以热塑性树脂基复合材料为基体，碳纤维或玻璃纤维等作为增强材料，制成预浸料，经模压成型工艺，制成热塑性复合材料层合板；步骤(2)：构建热塑性树脂基复合材料感应焊接接头结构：将两层热塑性树脂薄膜分别置于金属植入体加热元件两侧，将该结构封装之后置于待焊接热塑性复合材料层合板接头区域；步骤(3)：超声辅助热塑性树脂基复合材料的感应焊接：接通电源，调整电流和电压，对金属植入体加热元件进行加热，记录焊接时间；焊接过程中同时施加超声振动；超声振动结束后，通过超声换能器在焊接区域上方施加压力；冷却之后，获得热塑性树脂基复合材料感应焊接接头。2.根据权利要求1所述的一种超声辅助感应焊接热塑性树脂基复合材料的方法，其特征在于，所述步骤(1)中的模压成型工艺具体为将预浸料放置在模具中，然后放置在模压机内进行模压成型；所述模压成型工艺具体为：在室温下以2
‑
5℃/min的升温速率升温至300
‑
500℃，然后在0.5
‑
2MPa压力下维持80
‑
100min，最后打开模压机箱门自然冷却降温，降温过程维持压力在1
‑
1.5MPa，制成热塑性复合材料层合板。3.根据权利要求1所述的一种超声辅助感应焊接热塑性树脂基复合材料的方法，其特征在于，所述步骤(1)中的增强材料为无机颗粒、晶须、短纤维或连续纤维中的一种或几种；所述的短纤维或连续纤维为碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、PBO纤维、玄武岩纤维中的一种或几种。4.根据权利要求1所述的一种超声辅助感应焊接热塑性树脂基复合材料的方法，其特征在于，所述步骤(1)中热塑性树脂基复合材料包括聚碳酸酯(PC)，聚丙烯腈
‑
丁二烯
‑
苯乙烯(ABS)，尼龙(PA)，聚苯硫醚(PPS)，聚醚酰亚胺(PEI)，聚醚酮(PEK)，聚醚醚酮(PEKK)，聚醚醚酮(PEE...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔旭，王崇，赵普，蒲永伟，熊需海，孟庆实，王朔，李晓东，张辰，许鹏，贺军，李威，
申请(专利权)人：沈阳航空航天大学，
类型：发明
国别省市：