【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及异质材料连接，具体涉及一种碳纤维热塑性复合材料与金属的焊接方法。
技术介绍
1、对于航空航天、军工、轨道交通、船舶、汽车及风电等领域，采用轻量化结构是实现节能减排的最有效方案，因此采用轻质材料替代传统金属势在必行。在轻质材料中，碳纤维热塑性复合材料(cfrtp)因具有比强度高、耐腐蚀、可回收等优点，备受推崇。
2、在轻质结构的制造中，不可避免会涉及cfrtp与金属(合金钢、钛合金、铝合金、镁合金等)的连接工艺，特别是生产形状复杂或尺寸较大的构件时。然而，金属与cfrtp属异质材料，物理和化学性质存在很大差异，导致其连接结构很难获得足够的强度，这已成为限制cfrtp广泛走向工程应用的技术难题。
3、目前适用于金属与cfrtp的连接方式有机械连接(螺接和铆接)、粘接和焊接。机械连接具有应力集中、电偶腐蚀及非轻量化等缺点，且不太适用于厚板的连接。粘接虽然可克服机械连接的缺点，但严重依赖于粘接剂的性能及固化工艺，且需对粘接面进行严格预处理，其工艺要求较苛刻且效率较低。焊接效率高，但对异质材料的可焊性较差，导致连接强度不足，此外，焊接难以避免连接界面中金属与碳纤维丝束的接触，从而存在电偶腐蚀现象，现有技术中，焊接时会在金属表面加工微结构以增加与热塑性材料的接触面积，虽然此种方法能在一定程度上提高焊接可靠性以及接头强度，但是此种焊接头无法满足高强度需求，容易在微结构处产生气泡，影响接头可靠性，而且无法避免电偶腐蚀现象。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在
2、本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下：
3、一种碳纤维热塑性复合材料与金属的焊接方法，包括以下步骤：
4、s1：对金属基板的待连接区域进行微结构加工，形成烧蚀坑矩阵与多沟槽的复合微结构；
5、s2：在金属基板的待连接区域覆盖与碳纤维热塑性复合材料基板的基体树脂同质的熔化状态下的热塑性树脂，在热塑性树脂表面散布微玻璃珠，并对热塑性树脂进行固化；
6、s3：将碳纤维热塑性复合材料基板与金属基板进行超声焊接。
7、本专利技术的金属基板的待连接区域在焊接前加工烧蚀坑矩阵与多沟槽的复合微结构，之后在金属基板的待连接区覆盖热塑性树脂，热塑性树脂能够浸入到微结构中，避免气泡的产生，确保接头的可靠性，同时热塑性树脂能够与微结构有效结合，确保热塑性树脂与金属基板之间具有很好的连接强度，热塑性树脂表面的微玻璃珠能够使热塑性树脂具有一定的厚度，避免碳纤维与金属直接接触形成通路，从而能够避免电偶腐蚀，最后将碳纤维热塑性复合材料基板与金属基板进行超声焊接，即将碳纤维热塑性复合材料基板与金属基板之间的焊接转换为碳纤维热塑性复合材料基板与其基体树脂同质的热塑性树脂之间的焊接，从而降低碳纤维热塑性复合材料与金属超声焊接的工艺难度，可以避免异质材料超声焊接时因比热容、热膨胀系数等热力学参数不匹配，而造成的局部应力集中及气孔等焊接缺陷。
8、进一步地，上述步骤s1中：首先使用脉冲激光扫描在金属基板的待连接区域上，加工成烧蚀坑矩阵微结构，然后使用脉冲激光扫描在烧蚀坑矩阵微结构表面上，加工成多沟槽微结构，形成烧蚀坑矩阵与多沟槽的复合微结构。
9、进一步地，在加工烧蚀坑矩阵微结构时满足：30％≤烧蚀坑重叠率λ≤60％，
10、
11、其中，w1为加工烧蚀坑矩阵微结构20时的激光扫描间距，d为烧蚀坑矩阵微结构20中单个烧蚀坑的直径，v为激光扫描的速度，f为激光脉冲频率。
12、本专利技术采用30％≤烧蚀坑重叠率λ≤60％，一方面可使烧蚀坑具有足够的重叠度，使金属基板待连接区域完全被激光加工，从而能去除含有污染物的原始表层；另一方面可避免因烧蚀坑重叠度过大，而导致基板表面存在过多的熔融残留物。
13、进一步地，在加工多沟槽微结构时，采用激光扫描使多沟槽微结构中沟槽的截面呈颈缩状，且满足：0≤沟槽间距h≤150μm，
14、h＝w2-g，
15、其中，w2为加工多沟槽微结构30时的激光扫描间距，g为多沟槽微结构30中单个沟槽的宽度。
16、本专利技术颈缩状微结构能够与热塑性树脂之间形成“燕尾榫”锚固，从而使热塑性树脂牢固地附着在金属基板的表面。
17、有效将热塑性树脂固定在金属基板上，从而能提高接头的连接强度。
18、进一步地，上述脉冲激光采用纳秒或皮秒激光。
19、进一步地，上述步骤s2包括以下子步骤：
20、s21：将金属基板的待连接区域浸没在熔化的热塑性树脂中并搅拌，待金属基板的待连接区域的微结构被热塑性树脂完全填充后取出金属基板；
21、s22：取出后的金属基板保持待连接区域的表面水平且在上，并刮去除待连接区域的表面外的其他表面的热塑性树脂；
22、s23：使用阵列式针孔吸盘在热塑性树脂层表面均匀散布微玻璃珠，并对热塑性树脂进行室温自然冷却固化。
23、本专利技术将金属基板的待连接区域浸没在熔化的热塑性树脂中搅拌，可利用流体压力和搅拌冲击力使熔化的热塑性树脂快速充分浸入复合微结构内，避免气孔的产生。使用阵列式针孔吸盘可快速均匀地吸取散布的微玻璃珠，使微玻璃珠能够均匀分布在熔化的热塑性树脂层表面，从而提高后续焊接区域的均匀性。
24、进一步地，上述阵列式针孔吸盘的吸附孔直径k<微玻璃珠的直径r<阵列式针孔吸盘的吸附口m。
25、进一步地，上述步骤s3中焊接的具体过程为：保持金属基板在上，碳纤维热塑性复合材料基板在下，将二者的待连接区域进行叠加放置在超声焊接装置的底座治具上并进行焊接。
26、进一步地，上述碳纤维热塑性复合材料基板的基体树脂为聚醚醚酮、聚醚酮酮、聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯醚、聚酰胺、聚苯硫醚、聚醚酰亚胺、尼龙、聚碳酸酯、热塑性聚酰亚胺中的一种或多种。
27、进一步地，上述金属基板和碳纤维热塑性复合材料基板的厚度均≤6mm；微玻璃珠的直径r为0.15-0.5mm；超声焊接头的端面为方形或矩形。
28、本专利技术具有以下有益效果：
29、本专利技术将热塑性树脂与金属基板直接连接，热塑性树脂与碳纤维热塑性复合材料基板焊接，即将碳纤维热塑性复合材料基板与金属基板之间的焊接转换为碳纤维热塑性复合材料基板与其基体树脂同质的热塑性树脂之间的焊接，从而降低碳纤维热塑性复合材料与金属超声焊接的工艺难度，可以避免异质材料超声焊接时因比热容、热膨胀系数等热力学参数不匹配，而造成的局部应力集中及气孔等焊接缺陷，焊接后接头强度高，可靠性好，能够避免气泡的产生，而且能够避免电偶腐蚀。
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1.一种碳纤维热塑性复合材料与金属的焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的碳纤维热塑性复合材料与金属的焊接方法，其特征在于，步骤S1中：首先使用脉冲激光扫描在金属基板的待连接区域上，加工成烧蚀坑矩阵微结构，然后使用脉冲激光扫描在烧蚀坑矩阵微结构表面上，加工多沟槽微结构，形成烧蚀坑矩阵与多沟槽的复合微结构。
3.根据权利要求2所述的碳纤维热塑性复合材料与金属的焊接方法，其特征在于，在加工烧蚀坑矩阵微结构时满足：30％≤烧蚀坑重叠率λ≤60％，
4.根据权利要求2所述的碳纤维热塑性复合材料与金属的焊接方法，其特征在于，在加工多沟槽微结构时，采用激光扫描使多沟槽微结构中沟槽的截面呈颈缩状，且满足：0≤沟槽间距H≤150μm，
5.根据权利要求2所述的碳纤维热塑性复合材料与金属的焊接方法，其特征在于，所述脉冲激光采用纳秒或皮秒激光。
6.根据权利要求1所述的碳纤维热塑性复合材料与金属的焊接方法，其特征在于，步骤S2包括以下子步骤：
7.根据权利要求6所述的碳纤维热塑性复合材料与金属的焊接方法，
8.根据权利要求1所述的碳纤维热塑性复合材料与金属的焊接方法，其特征在于，步骤S3中焊接的具体过程为：保持金属基板在上，碳纤维热塑性复合材料基板在下，将二者的待连接区域进行叠加放置在超声焊接装置的底座治具上并进行焊接。
9.根据权利要求1至8任一项所述的碳纤维热塑性复合材料与金属的焊接方法，其特征在于，所述碳纤维热塑性复合材料基板的基体树脂为聚醚醚酮、聚醚酮酮、聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯醚、聚酰胺、聚苯硫醚、聚醚酰亚胺、尼龙、聚碳酸酯、热塑性聚酰亚胺中的一种或多种。
10.根据权利要求9所述的碳纤维热塑性复合材料与金属的焊接方法，其特征在于，所述金属基板和碳纤维热塑性复合材料基板的厚度均≤6mm；所述微玻璃珠的直径R为0.15-0.5mm；所述超声焊接头的端面为方形或矩形。
...【技术特征摘要】
1.一种碳纤维热塑性复合材料与金属的焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的碳纤维热塑性复合材料与金属的焊接方法，其特征在于，步骤s1中：首先使用脉冲激光扫描在金属基板的待连接区域上，加工成烧蚀坑矩阵微结构，然后使用脉冲激光扫描在烧蚀坑矩阵微结构表面上，加工多沟槽微结构，形成烧蚀坑矩阵与多沟槽的复合微结构。
3.根据权利要求2所述的碳纤维热塑性复合材料与金属的焊接方法，其特征在于，在加工烧蚀坑矩阵微结构时满足：30％≤烧蚀坑重叠率λ≤60％，
4.根据权利要求2所述的碳纤维热塑性复合材料与金属的焊接方法，其特征在于，在加工多沟槽微结构时，采用激光扫描使多沟槽微结构中沟槽的截面呈颈缩状，且满足：0≤沟槽间距h≤150μm，
5.根据权利要求2所述的碳纤维热塑性复合材料与金属的焊接方法，其特征在于，所述脉冲激光采用纳秒或皮秒激光。
6.根据权利要求1所述的碳纤维热塑性复合材料与金属的焊接方法，其特征在于，步骤s2包括以下...
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