一种金属与热塑性材料的超声波焊接方法技术

本申请提供一种金属与热塑性材料的超声波焊接方法，包括对金属工件的第一表面进行预处理，得到预处理区域；将所述金属工件与热塑性工件搭接，所述金属工件的预处理区域与所述热塑性工件接触；将搭接后的所述金属工件与热塑性工件固定于第一超声波焊机与第二超声波焊机之间；其中，所述第一超声波焊机的焊头与所述金属工件远离所述预处理区域的表面接触，所述第二超声波焊机的焊头与所述热塑性工件远离所述金属工件的表面接触；同时启动所述第一超声波焊机与第二超声波焊机进行超声波焊接，至达到焊接终止条件，停止超声波焊接。本方法可以提高焊接效率和接头强度，提高可焊工件的厚度上限，增强超声波焊接的适用性。增强超声波焊接的适用性。增强超声波焊接的适用性。

【技术实现步骤摘要】
一种金属与热塑性材料的超声波焊接方法


[0001]本申请涉及材料连接
，尤其涉及一种金属与热塑性材料的超声波焊接方法。

技术介绍

[0002]近年来，随着全球能源危机的日益严峻，倡导节能减排已成为许多行业领域的首要任务，而实现轻量化对减少能源消耗和节能减排有着重要的意义。对于航空、轨道交通以及汽车等行业，结构轻量化可以有效地降低油耗及减少尾气排放，因此在进行产品设计时考虑采用轻质材料代替传统金属可以减少能源消耗，这对节约能源具有重要的实际意义。在轻量化材料中，碳纤维增强热塑性复合材料(Carbon Fiber Reinforced Thermoplastic,CFRTP，简称热塑性材料)因其低密度、高比强度、良好的耐腐蚀性、可回收、可焊接等优点，正成为新一代轻量化材料。在制造过程中采用CFRTP来替代金属构件可以在保证强度的同时减少重量，从而实现轻量化，但是在产品的装配过程中涉及大量CFRTP与金属(如铝合金、钛合金、高强钢)的连接。由于CFRTP与金属的物理、化学性能差异巨大，如何获得鲁棒、高强度的CFRTP/金属异质接头已成为制约CFRTP大规模应用的技术瓶颈。
[0003]目前，CFRTP与金属的连接大多是通过机械连接和胶接的方式。机械连接是通过在金属和CFRTP薄板上预制孔，通过这些孔用铆钉或其他紧固件将金属和CFRTP薄板连接。这种方法不仅会在钻孔区域产生应力集中，而且增加的零部件还会增加接头的重量，并且这种连接方式不太适合厚度比较厚的金属或CFRTP板。虽然胶接可以避免预制孔，但额外的表面处理技术、较长的固化时间和环境敏感性会降低其适应性。
[0004]因此，找到一种新的连接方式用于连接金属与热塑性材料是亟需解决的问题。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本申请的目的在于提出一种金属与热塑性材料的超声波焊接方法。
[0006]基于上述目的，本申请提供了一种金属与热塑性材料的超声波焊接方法，包括：
[0007]对金属工件的第一表面进行预处理，得到预处理区域，所述预处理区域至少覆盖所述金属工件的待焊区域；
[0008]将所述金属工件与热塑性工件搭接，所述金属工件的预处理区域与所述热塑性工件接触；
[0009]将搭接后的所述金属工件与热塑性工件固定于第一超声波焊机与第二超声波焊机之间；其中，所述第一超声波焊机的焊头与所述金属工件远离所述预处理区域的表面接触，所述第二超声波焊机的焊头与所述热塑性工件远离所述金属工件的表面接触；
[0010]同时启动所述第一超声波焊机与第二超声波焊机进行超声波焊接，至达到焊接终止条件，停止超声波焊接。
[0011]进一步地，所述金属工件厚度小于或等于4mm，所述热塑性工件的厚度小于或等于6mm。
[0012]进一步地，所述第一超声波焊机的第一焊头面积与所述第二超声波焊机的第二焊头面积的面积差异率n小于或等于20％，n＝(S1
‑
S2)/S2，其中，S1为第一焊头面积和第二焊头面积中面积较大的数值，S2为第一焊头面积和第二焊头面积中面积较小的数值。
[0013]进一步地，所述第一超声波焊机与第二超声波焊机进行超声波焊接的焊接压力相同。
[0014]进一步地，所述第一超声波焊机与第二超声波焊机同轴设置。
[0015]进一步地，所述第一超声波焊机的第一焊头的焊接面为锯齿状表面，和/或，所述第二超声波焊机的第二焊头的焊接面为平面。
[0016]进一步地，所述热塑性工件由热塑性材料制成，所述热塑性材料可以为热塑性树脂或纤维增强热塑性复合材料。
[0017]进一步地，所述热塑性树脂为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯、聚醚醚酮、聚苯醚、聚砜、橡胶中的一种或多种。
[0018]进一步地，所述纤维增强热塑性复合材料为以所述热塑性树脂为基体的纤维增强热塑性复合材料，其中纤维为玻璃纤维、碳纤维、石墨纤维、硼纤维、陶瓷纤维、聚乙烯纤维、聚酰胺纤维、聚酯纤维、PBO纤维、天然纤维中的一种或多种。
[0019]进一步地，所述预处理包括但不限于砂纸打磨、喷砂、喷涂、酸洗、碱洗、阳极氧化、微弧氧化、激光毛化、电解加工。
[0020]从上面所述可以看出，本申请提供的金属与热塑性材料的超声波焊接方法，第二超声波焊机的焊头与所述热塑性工件背离所述金属工件的表面接触，使用第二超声焊机焊接时通过热塑性工件的粘弹性产热，第一超声波焊机的焊头与所述金属工件背离所述预处理区域的表面接触，使用第一超声波焊机焊接时通过金属工件与热塑性工件的界面摩擦产热。同时使用第一超声波焊机和第二超声波焊机进行超声波焊接，使得热塑性工件粘弹性产生的热和界面摩擦产生的热同时作用在金属工件和热塑性工件之间，可以加快待焊区域的材料的熔化速度，提高焊接效率和接头强度，提高待焊工件的厚度上限，增强超声波焊接的适用性，同时金属工件和热塑性工件彼此接触的界面上直接产生热量，无需热传导，进而使得两个工件可以快速形成稳定的接头，焊接质量好。
附图说明
[0021]为了更清楚地说明本申请或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0022]图1为本申请实施例的超声波焊接方法具体实施时的结构示意图。
[0023]图中：1、第二超声波焊机；2、热塑性工件；3、预处理区域；4、金属工件；5、第一超声波焊机。
具体实施方式
[0024]为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本申请进一步详细说明。
[0025]需要说明的是，除非另外定义，本申请实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
[0026]近年来，随着全球能源危机的日益严峻，倡导节能减排已成为许多行业领域的首要任务，而实现轻量化对减少能源消耗和节能减排有着重要的意义。尤其是在汽车行业，汽车整配重量每减少100kg，百公里油耗可降低0.3～0.6L。对于轨道交通，目前轨道高速列车车体设计体系中，车身材料以金属/金属连接结构为主，若采用碳纤维增强热塑复合材料替换部分金属材料，满足使用强度要求的同时可实现车身进一步减重7％～10％。
[002本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种金属与热塑性材料的超声波焊接方法，其特征在于，包括：对金属工件的第一表面进行预处理，得到预处理区域，所述预处理区域至少覆盖所述金属工件的待焊区域；将所述金属工件与热塑性工件搭接，所述金属工件的预处理区域与所述热塑性工件接触；将搭接后的所述金属工件与热塑性工件固定于第一超声波焊机与第二超声波焊机之间；其中，所述第一超声波焊机的焊头与所述金属工件远离所述预处理区域的表面接触，所述第二超声波焊机的焊头与所述热塑性工件远离所述金属工件的表面接触；同时启动所述第一超声波焊机与第二超声波焊机进行超声波焊接，至达到焊接终止条件，停止超声波焊接。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属工件厚度小于或等于4mm，所述热塑性工件的厚度小于或等于6mm。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一超声波焊机的第一焊头面积与所述第二超声波焊机的第二焊头面积的面积差异率n小于或等于20％，n＝(S1
‑
S2)/S2，其中，S1为第一焊头面积和第二焊头面积中面积较大的数值，S2为第一焊头面积和第二焊头面积中面积较小的数值。4.根据权利要求1所述的方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：李洋，刘泽光，李一昂，王天政，杨越，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：