用于搅拌摩擦焊的纤维丝材制备方法和设备及焊接方法技术

本发明专利技术公开了用于搅拌摩擦焊的纤维丝材制备方法和设备及焊接方法，制备方法包括以下步骤：S1、束状纤维材料经过宽展后并预浸定型胶形成单向薄层纤维带，将热塑性聚合物熔融塑化后涂覆在单向薄层纤维带上形成纤维涂覆带；S2、将纤维涂覆带轴向卷绕形成截面为圆形的单向多层纤维/聚合物预浸丝材；S3、将单向多层纤维/聚合物预浸丝材分切并保持半连状态后热熔处理并冷却得到切后再熔合的纤维丝材，本发明专利技术的纤维丝材焊接时能被均匀全方位分布在焊接部位，从而显著提高焊缝的强度，分切后的纤维可在高速旋转的搅拌头带动下呈现360度全方位的分布，焊缝处的各个角度均能得以纤维增强，避免了焊缝处力学性能因纤维增强所可能带来的各向异性。的各向异性。的各向异性。

【技术实现步骤摘要】
用于搅拌摩擦焊的纤维丝材制备方法和设备及焊接方法


[0001]本专利技术涉及焊接
，尤其是用于搅拌摩擦焊的纤维丝材制备方法和设备及焊接方法。

技术介绍

[0002]材料焊接可以显著提高制品生产的可连续性，对于较多复杂金属制品来说，合理的焊接工艺可以明显缩短制造周期，减轻制品重量，提高制品外形及结构设计的灵活性，因而，焊接成为了一种重要的制品成型的工艺方法而广为关注，应用极其广泛。其中，搅拌摩擦焊(FSW)作为一种固态焊接过程，靠旋转工具和工件材料之间的摩擦产生热量，进而导致搅拌摩擦焊工具附近区域变软、混合并最终实现工件的结合。工件经过搅拌摩擦焊后往往具有较好的力学性能。目前，该工艺主要用于轻合金及低碳钢等的连接，也少量用于聚合物的焊接。
[0003]相对其它焊接方法来说，聚合物的搅拌摩擦焊具有温度低、塑性变形剧烈、接头质量高等优点，但也具有较多的限制及不足，比如，焊接质量受工艺的影响很大，因而施焊工艺窗口窄，在实际应用中施焊最优工艺不易稳定等，其实质性的原因则在于焊缝处的强度仍然远远低于母材，导致焊件在应用过程中的失效主要发生在焊接区域。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：本专利技术的目的在于提供一种用于搅拌摩擦焊的纤维丝材制备方法和设备及焊接方法，能够显著提升焊件的力学性能。
[0005]技术方案：在第一方面，本专利技术提供的用于搅拌摩擦焊的纤维丝材制备方法，包括以下步骤：
[0006]步骤S1、束状纤维材料经过宽展后并预浸定型胶形成单向薄层纤维带，将热塑性聚合物熔融塑化后涂覆在单向薄层纤维带上形成纤维涂覆带；步骤S2、将纤维涂覆带轴向卷绕形成截面为圆形的单向多层纤维/聚合物预浸丝材；步骤S3、将单向多层纤维/聚合物预浸丝材分切并保持半连状态后热熔处理并冷却得到切后再熔合的纤维丝材。
[0007]进一步的，所述步骤S1中，所述热塑性聚合物与待焊接的母材材料相同。
[0008]进一步的，所述步骤S1中，纤维涂覆带纤维含量为40％～60％。
[0009]进一步的，所述步骤S2中，单向多层纤维/聚合物预浸丝材的截面分层线为阿基米德螺旋线。
[0010]进一步的，所述步骤S3中，切断比例占整个圆形截面的70～90％，分切长度为搅拌摩擦焊头直径的1.5～2.5倍。
[0011]进一步的，所述步骤S3中，分切后的单向多层纤维/聚合物预浸丝材在热熔处理时轴向受力挤压再熔。
[0012]在另一方面，上述方法制备得到的纤维丝材，其应用于热塑性聚合物搅拌摩擦焊焊接工艺，具体的，焊接方法包括如下步骤：
[0013]步骤1、将欲连接件的待焊部位修理平整后并将待焊部位中部去除材料；
[0014]步骤2、将所制备的纤维丝材嵌入或熔入已去除材料的待焊部位后将待焊部位压平；
[0015]步骤3、将两欲连接件的待焊部位对接后施以横向作用力，并压紧固定，经过搅拌头的高速旋转后，两件被连接。
[0016]进一步的，步骤1中待焊部位中部去除的材料与步骤2欲嵌入或熔入纤维丝材的体积量保持一致，步骤3的焊接过程中，下压量控制为压入焊丝后搅拌头轴肩端面超出焊丝上表面0.05～0.15mm，且下压量小于或等于焊件厚度与搅拌针长度之间的差值。
[0017]在另一方面，本专利技术提供一种用于搅拌摩擦焊的纤维丝材制备设备，包括：
[0018]挤出机，用于将热塑性聚合物熔融塑化后挤出；展纱辊，用于将束状纤维材料宽展后形成单向薄层纤维干带；纤维带黏合辊，用于将单向薄层纤维干带预浸定型胶形成整片的单向薄层纤维带；浸渍机头，用于将熔融塑化后的热塑性聚合物涂覆单向薄层纤维带形成纤维涂覆带；轴向卷绕器，用于对纤维涂覆带沿轴向卷绕形成单向多层纤维/聚合物预浸丝材；牵引对辊，用于将单向多层纤维/聚合物预浸丝材牵引至履带牵引机上；纵向切割器，用于对单向多层纤维/聚合物预浸丝材进行纵向分切；热熔烘箱，用于对单向多层纤维/聚合物预浸丝纵向切割后的断口再熔，再熔后冷却即得到纤维丝材。
[0019]进一步的，还包括调速对辊，其速度与牵引对辊的速度相同，且小于履带牵引机的速度。
[0020]有益效果：本专利技术能够显著提高焊缝的强度；本专利技术避免了焊缝处力学性能因纤维增强所可能带来的各向异性；本专利技术可以有效避免普通聚合物搅拌摩擦焊容易产生的焊缝孔隙或间隙存在的机率；本专利技术使用方便，丝材分切后的再熔合可显著提高使用的便利性，焊接易实施；丝材制备及焊接过程均绿色无污染。
附图说明
[0021]图1为本专利技术的纤维丝材的制备设备结构示意图；
[0022]图2为本专利技术的纤维丝材切后再熔合实物图；
[0023]图3为本专利技术的焊接实物图；
[0024]图4为本专利技术实施例1的纤维丝材在工件焊缝处的SEM表征图；
[0025]图5为本专利技术实施例2的以聚碳酸酯为原料无纤维材料焊接后的SEM表征图；
[0026]图6为本专利技术实施例1和实施例2焊接测试样片的测试前后的样品外形图；
[0027]图7为本专利技术实施例3中所连接的工件焊缝处SEM表征图。
具体实施方式
[0028]下面结合附图和具体实施例对本专利技术技术方案作进一步说明。
[0029]如图1所示的是本专利技术的用于制备搅拌摩擦焊所使用的纤维丝材的设备，该图1也同样显示了纤维丝材的制备工艺，设备主要包括挤出机1，纱架2，展纱辊4，纤维带黏合辊5，浸渍机头7，轴向卷绕器8、牵引对辊9、履带牵引机10、纵向切割器11、热熔烘箱12和调速对辊13。
[0030]挤出机1连接浸渍机头7，挤出机1一侧设置依次纱架2，展纱辊4，纤维带黏合辊5，
挤出机1的另一侧依次设置有轴向卷绕器8、牵引对辊9、热熔烘箱12和调速对辊13，此外在牵引对辊9和热熔烘箱12之间设置有履带牵引机10和纵向切割器11，纵向切割器11设置在履带牵引机10的正上方。
[0031]通过上述的设备制备纤维丝材的步骤如下：
[0032]步骤(1)，将热塑性聚合物通过挤出机1熔融塑化后进入到浸渍机头7中；
[0033]步骤(2)，将特定的纤维材料置于纱架2中，此时纤维材料为束状，纤维束3经过展纱辊4的宽展作用后形成单向薄层纤维干带；纱架2的数量可以为一个或一个之上，展纱辊4的数量与纱架2应保持一致；
[0034]步骤(3)，若干展平后的纤维干带经过纤维带黏合辊5时被预浸微量定型胶形成整片的单向薄层纤维带6，该纤维带6也进入到浸渍机头7中，纤维带6被均匀的涂上聚合物高温熔体，形成纤维涂覆带；控制纤维涂覆带的涂覆量可控制纤维含量并保证纤维在该涂覆带中的均匀分布，本实施例中，纤维含量保持在40％～60％之间；
[0035]步骤(4)，纤维涂覆带被随后的轴向卷绕器8沿轴向卷绕，形成截面为圆形的单向多层纤维/聚合物预浸丝材；
[0036]步骤(5)，丝材在牵引对辊9的作用下进入到履带牵引机10上，并被纵向切割器11分切并保持半连状态；
[0037]步骤(6)，半连状本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于搅拌摩擦焊的纤维丝材制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1、束状纤维材料经过宽展后并预浸定型胶形成单向薄层纤维带，将热塑性聚合物熔融塑化后涂覆在单向薄层纤维带上形成纤维涂覆带；步骤S2、将纤维涂覆带轴向卷绕形成截面为圆形的单向多层纤维/聚合物预浸丝材；步骤S3、将单向多层纤维/聚合物预浸丝材分切并保持半连状态后热熔处理并冷却得到切后再熔合的纤维丝材。2.根据权利要求1所述的一种用于搅拌摩擦焊的纤维丝材制备方法，其特征在于：所述步骤S1中，所述热塑性聚合物与待焊接的母材材料相同。3.根据权利要求1所述的一种用于搅拌摩擦焊的纤维丝材制备方法，其特征在于：所述步骤S1中，纤维涂覆带纤维含量为40％～60％。4.根据权利要求1所述的一种用于搅拌摩擦焊的纤维丝材制备方法，其特征在于：所述步骤S2中，单向多层纤维/聚合物预浸丝材的截面分层线为阿基米德螺旋线。5.根据权利要求1所述的一种用于搅拌摩擦焊的纤维丝材制备方法，其特征在于：所述步骤S3中，切断比例占整个圆形截面的70～90％，分切长度为搅拌摩擦焊头直径的1.5～2.5倍。6.根据权利要求1所述的一种用于搅拌摩擦焊的纤维丝材制备方法，其特征在于：所述步骤S3中，分切后的单向多层纤维/聚合物预浸丝材在热熔处理时轴向受力挤压再熔。7.根据权利要求1
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6所述的任一种用于搅拌摩擦焊的纤维丝材制备方法制备的纤维丝材的焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、将欲连接件的待焊部位修理平整后并将待焊部位中部去除材料；步...

【专利技术属性】
技术研发人员：周应国，蒋振国，杨金强，陈书锦，
申请(专利权)人：江苏科技大学，
类型：发明
国别省市：