【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种复合材料构件与合金材料构件的焊接方法，尤其涉及一种结合金属销钉结构的合金-复合材料感应焊接方法。
技术介绍
1、碳纤维增强聚合物(cfrp)自20世纪60年代问世以来，以其高比强度、良好的断裂韧性和出色的耐腐蚀性能等特点，在航空和航天领域得到广泛应用。随着复合材料技术的发展，其在航空结构中的应用已逐渐从襟副翼、方向舵、扰流板和起落架舱门等次承力结构发展到机身、机翼、尾翼和后承压框等主承力结构，而且其在航空结构中的用量也逐步增加，例如，波音787和空客380的复合材料用量已经达到了50％以上。根据基体特性，碳纤维增强复合材料可以分为热固性复合材料和热塑性复合材料。高性能热塑性复合材料是由高强度纤维、芳纶纤维和碳纤维等增强体以及耐高温热塑性树脂基组成的复合材料。相较于热固性复合材料，高性能热塑性复合材料表现出更出色的耐高温性能、刚度和强度，其聚合物具有线形分子链的结构，使得材料保持良好的韧性。因此，该材料不仅具有较高的韧性，优秀的抗蠕变能力，以及卓越的损伤容限和抗冲击性能。同时，由于热塑性聚合物分子链不包含产生链间化学反应的基团，它在加热过程中仅经历物理变化，即变软加热和变硬冷却。因此，热塑性复合材料的成型周期较短，生产效率较高，具有潜力显著降低制造和使用成本。在诸如航空和汽车领域等许多应用中，全复合材料结构在经济上并不现实，因此复合材料-金属异质连接仍然在获得高性能连接结构方面发挥着重要作用。相较于传统的机械连接和胶接技术，热塑性复合材料焊接能够提供更轻巧的连接结构，同时也能缩短成型时间。常见的热塑性复合材料焊接
2、然而，感应焊接技术仍存在焊接质量控制困难和连接结构的力学性能较低等问题，这在很大程度上限制了其在高强度结构中的应用。近年来，为了获得高质量的复合材料-金属异质连接结构，许多学者提出了针对连接界面提出多种改进工艺。jana gebauer等人[1]提出利用皮秒脉冲激光在铝合金表面形成机械互锁特征，随后对金属-复合材料混合连接结构形貌、成型精度和拉伸剪切性能进行了分析。结果表明，连续的激光表面处理增强了混连接头的有效连接表面并形成了机械互锁，从而显著提高了混连接头的拉伸剪切强度。但文献中提到的连接强度依然较低，很难在主承力的复合材料构件中使用。
3、申请公布日为的2023年3月17日，公布号为cn115805708a的中国专利文献中公开了一种结合机械锁合的合金-复材感应焊接接头制备方法，主要步骤为：首先在复合材料板材和合金板材上分别加工凹、凸结构，凹凸结构的尺寸保持一致，以便能够嵌合在一起，然后将加工后复合材料板材和合金板材放置在高频感应焊机的工作台上，并在板材之间的焊接区域内添加树脂薄膜，然后开始感应焊接工艺，等待冷却之后便获得了含有机械锁合的合金-复合材料感应焊接接头。该技术方案主要是在焊接区引入机械互锁特征来实现铝合金与热塑性复合材料间的感应焊接，虽然焊接界面内的凹凸槽互锁特征可以极大地提升焊接接头的力学性能，但由于在连接界面加工的凹凸槽是基于数控加工中心铣削而成，这会破坏金属和复材结构并减弱它们的材料力学性能，上述缺陷不利于进一步改善焊接接头连接强度。因此有必要提出一种简单易行的方式来提高合金-复合材料感应焊接接头的连接强度。
4、[参考文献]
5、[1]gebauer j,fischer m,lasagni a f,et al.laser structured surfacesfor metal-plastic hybrid joined by injection molding[j].journal of laserapplications,2018,30(3).
技术实现思路
1、针对上述现有技术，本专利技术提供一种焊接接头连接强度高，连接效率高的结合金属销钉结构的合金-复合材料感应焊接方法。被焊接板材包括合金板和热塑性复合板，所述合金板的材料为导电导磁的金属材料，所述热塑性复合板的材料是有增强体的热塑性树脂基复合材料；在合金板焊接一侧的表面上采用选区激光融化增材方法加工出一组位于焊接区域内的销钉，所述销钉的尾部设计为锥形尖角结构的钉尖；将热塑性复合板和带销钉的合金板进行表面清洗处理后，采用高频感应焊接设备进行焊接。
2、进一步讲，本专利技术所述的合金-复合材料感应焊接方法，其中：
3、所述热塑性复合板的厚度为h；所述焊接区域为l*b矩形，其中，l为焊缝长度，b为沿焊缝走向的长度；所述销钉的长度为h，h＝(0.2～0.8)h，所述销钉的直径为d，d＝(1/3～1/2)h，所述钉尖为α＝60°锥角，该组销钉的布局按照矩形阵列排放，该组销钉中，销钉的中心距为a，最外围销钉的轴心位置与所述焊接区域边界之间的距离为b，b＝(2～3)a。
4、采用的高频感应焊接设备包括测力计、上压头、下压头、感应线圈、绝缘陶瓷限位片和焊接支撑，首先，制备一个木质工作台，所述木质工作台设有凹槽，所述凹槽的形状与焊接后的合金板和热塑性复合板的形状相吻合，所述凹槽的深度小于所述热塑性复合板的厚度；安放木质工作台并使凹槽的底面与所述焊接支撑的表面在用一平面内；并准备多个压力弹簧，所述压力弹簧的自由长度等于所述热塑性复合板的厚度与所述销钉的长度之和；并包括以下步骤：
5、步骤一、放置被焊接板材，包括：
6、步骤1-1)对合金板和热塑性复合板进行清洁去污处理后，将所述热塑性复合板嵌装在所述木质工作台的凹槽内；将多个压力弹簧放置在凹槽内远离所述热塑性复合板的位置处；
7、步骤1-2)将带销钉的合金板按照钉销朝下、焊接区域对齐地放置在所述热塑性复合板和所述压力弹簧上，且所有销钉的钉尖紧贴所述复热塑性复合板表面；此时，所述合金板的板面为水平方向，且所述合金板的外轮廓与所述凹槽的内壁对正；
8、步骤1-3)将绝缘陶瓷限位片放置在所述合金板的顶面上，随后将下压头放置在所述绝缘陶瓷限位片上表面；
9、步骤1-4)调整所述测力计，使用恒定的预紧力f0将所述上压头压在所述下压头上，使所述销钉的顶尖与所述复热塑性复合板接触稳定；
10、步骤1-5)将所述感应线圈放置在所述绝缘陶瓷限位片上表面，输入感应电流开启焊接过程；
11、步骤二、焊接，包括：
12、2-1)加热阶段：调整焊接设备的输入电流和电流频率，启动焊接设备进行焊接，使所述合金板和其带有的销钉达到温度a，温度b＞温度a≥温度c，其中，温度c是所述热塑性复合材料板的熔融温度，温度b是所述热塑性复合材料板的降解温度；所述合金板和其带有的销钉达到温度a时的时间为预设的加热时间；与此同时，调整所述测力计施加连接力f,使与所述测力计连接的上压头将连接力f传递至下压头，使所述合金板下面的销钉持续下压；当达到预设的加热时间时，进入保温阶段；
13、2-2)保温本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种结合金属销钉结构的合金-复合材料感应焊接方法，被焊接板材包括合金板和热塑性复合板，其特征在于，
2.根据权利要求1所述的结合金属销钉结构的合金-复合材料感应焊接方法，其特征在于，所述热塑性复合板的厚度为H；所述焊接区域为L*B矩形，其中，L为焊缝长度，B为沿焊缝走向的长度；所述销钉的长度为h，h＝(0.2～0.8)H，所述销钉的直径为d，d＝(1/3～1/2)h，所述钉尖为α＝60°锥角，该组销钉的布局按照矩形阵列排放，该组销钉中，销钉的中心距为a，最外围销钉的轴心位置与所述焊接区域边界之间的距离为b，b＝(2～3)a。
3.根据权利要求1所述的结合金属销钉结构的合金-复合材料感应焊接方法，采用的高频感应焊接设备包括测力计(3)、上压头(4)、下压头(5)、感应线圈(6)、绝缘陶瓷限位片(9)和焊接支撑(12)，其特征在于，制备一个木质工作台(7)，所述木质工作台(7)设有凹槽(11)，所述凹槽(11)的形状与焊接后的合金板和热塑性复合板的形状相吻合，所述凹槽(11)的深度小于所述热塑性复合板的厚度；安放木质工作台(7)并使凹槽(11)的底面与所述
4.根据权利要求3所述的结合金属销钉结构的合金-复合材料感应焊接方法，其特征在于：所述预紧力F0为30N-100N，所述连接力F为200N-300N，固结力FW为300N-400N。
5.根据权利要求3所述的结合金属销钉结构的合金-复合材料感应焊接方法，其特征在于：所述感应线圈(6)中心轴线与上所述焊接区域的垂直中心线对齐，同时，所述上压头(4)的中心轴线与所述下压头(5)垂直中心线对齐。
6.根据权利要求3所述的结合金属销钉结构的合金-复合材料感应焊接方法，其特征在于：所述加热阶段和保温阶段中，输入电流为200A-600A，电流频率为65-100kHZ；两个阶段的电流频率保持不变。
7.根据权利要求3所述的结合金属销钉结构的合金-复合材料感应焊接方法，其特征在于：所述绝缘陶瓷限位片(9)的材料为氧化皓陶瓷或是氧化铝陶瓷。
8.根据权利要求1所述的结合金属销钉结构的合金-复合材料感应焊接方法，其特征在于：所述的导电导磁的金属材料为不锈钢合金或是镍合金；所述增强体的形状是长纤维、短纤维或是颗粒，所述增强体的材质为碳、玻璃或是金属材料，所述热塑性树脂基是聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚乙烯亚胺或是聚酰胺。
...【技术特征摘要】
1.一种结合金属销钉结构的合金-复合材料感应焊接方法，被焊接板材包括合金板和热塑性复合板，其特征在于，
2.根据权利要求1所述的结合金属销钉结构的合金-复合材料感应焊接方法，其特征在于，所述热塑性复合板的厚度为h；所述焊接区域为l*b矩形，其中，l为焊缝长度，b为沿焊缝走向的长度；所述销钉的长度为h，h＝(0.2～0.8)h，所述销钉的直径为d，d＝(1/3～1/2)h，所述钉尖为α＝60°锥角，该组销钉的布局按照矩形阵列排放，该组销钉中，销钉的中心距为a，最外围销钉的轴心位置与所述焊接区域边界之间的距离为b，b＝(2～3)a。
3.根据权利要求1所述的结合金属销钉结构的合金-复合材料感应焊接方法，采用的高频感应焊接设备包括测力计(3)、上压头(4)、下压头(5)、感应线圈(6)、绝缘陶瓷限位片(9)和焊接支撑(12)，其特征在于，制备一个木质工作台(7)，所述木质工作台(7)设有凹槽(11)，所述凹槽(11)的形状与焊接后的合金板和热塑性复合板的形状相吻合，所述凹槽(11)的深度小于所述热塑性复合板的厚度；安放木质工作台(7)并使凹槽(11)的底面与所述焊接支撑(12)的表面在用一平面内；并准备多个压力弹簧(8)，所述压力弹簧(8)的自由长度等于所述热塑性复合板的厚...
【专利技术属性】
技术研发人员：秦旭达，于天，李皓，李士鹏，刘海涛，傅国宇，赵庆，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：
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