專利名稱：熱塑性樹脂基復(fù)合材料超聲波振動(dòng)輔助電阻植入焊接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及熱塑性樹脂基復(fù)合材料焊接方法的改進(jìn)。
背景技術(shù)：
高性能熱塑性復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、高損傷容限、低吸濕和優(yōu)異的耐環(huán)境性能等特點(diǎn)，其應(yīng)用于航空、航天承力和非承力結(jié)構(gòu)件，對(duì)提高減重效率，改善飛行器性能有深遠(yuǎn)的意義。英國ICI公司、德國BASF公司、美國杜邦公司、氰胺公司等開發(fā)的聚醚醚酮(PEEK)、聚酰亞胺(PI)、聚醚酰亞胺(PEI)等高性能熱塑性樹脂基體，已經(jīng)被應(yīng)用于制備先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)及民用機(jī)零件。然而，較差的焊接性成為該種材料應(yīng)用的嚴(yán)重障礙。熱塑性樹脂基復(fù)合材料的公認(rèn)較為實(shí)用的焊接方法，包括體加熱(共凝固、熱熔化的粘結(jié)劑、雙樹脂結(jié)合)，摩擦加熱(旋轉(zhuǎn)焊、振動(dòng)焊、超聲波焊)，電磁加熱(感應(yīng)焊、微波焊、電介焊、電阻焊)和雙步驟技術(shù)(熱板焊、熱氣焊、輻射焊)。研究發(fā)現(xiàn)，以上各種焊接方法仍然存在著一定的問題。共凝固是一種理想的連接方法，因?yàn)樽罱K的結(jié)構(gòu)沒有增加多余的重量，融合線也沒有引入異種物質(zhì)，基本上不需要表面預(yù)處理，而且接頭強(qiáng)度理論上和母材板的強(qiáng)度一樣。并且可以在焊接融合區(qū)插入熱熔化的熱塑性粘結(jié)薄膜，用以改善不匹配件間的填充性。經(jīng)證明，插入非晶態(tài)中間層可以減少強(qiáng)度的分散，從而增加了工藝窗口。雙樹脂粘接或非晶態(tài)粘接，需要在熱粘接之前將非晶態(tài)的熱塑性薄膜模鑄到以半晶態(tài)的熱塑性為基體母材板上比如將PEI薄膜涂敷到APC-2板材上。在焊接的過程中，溫度應(yīng)該在PEI的玻璃轉(zhuǎn)換溫度(Tg＝215℃)以上以使PEI熔化，但要低于半晶態(tài)的PEEK的熔化溫度(Tm＝334℃)，以防止連接構(gòu)件的高溫老化。然而，整個(gè)件都要加熱到熔化溫度，這樣通常就意味著要設(shè)計(jì)使用復(fù)雜的工裝夾具以便在整個(gè)工件保持一定的壓力，防止熔化。這樣，生產(chǎn)時(shí)間長，生產(chǎn)成本過高，靈活性很差。在兩階段技術(shù)中，加熱工具需要在加熱和壓焊兩個(gè)階段間從襯底表面移出。由于焊接的加熱過程是在一個(gè)單獨(dú)的步驟內(nèi)進(jìn)行的，因而這種方法限制了焊接件的尺寸。加熱的時(shí)間長度是標(biāo)準(zhǔn)的，因?yàn)檫@決定于聚合物的低熱傳導(dǎo)率。在加熱步驟和壓焊步驟中間，表面的溫度開始下降，而經(jīng)歷溫度峰值的區(qū)域位于板材表面的下面。用來使接頭凝固的壓力在更高溫度的內(nèi)層區(qū)域會(huì)引起翹曲和流變。旋轉(zhuǎn)焊和振動(dòng)焊已經(jīng)廣泛用于塑料工業(yè)，但是卻不太適合于熱塑性復(fù)合材料的焊接，因?yàn)楹附蛹南鄬?duì)運(yùn)動(dòng)可能會(huì)引起微結(jié)構(gòu)的惡化，例如纖維的斷裂。微波焊和電介焊可以用于熱塑性塑料的連接，但是由于是整體加熱，以及多層復(fù)合材料能很好的屏蔽微波，使得該方法非常不適合于熱塑性復(fù)合材料的焊接，尤其是當(dāng)復(fù)合材料是用碳纖維增強(qiáng)的時(shí)候。目前公認(rèn)的三種最適合的焊接方法是超聲波焊接、感應(yīng)焊接和電阻焊接。在這些技術(shù)中，只要求焊接面達(dá)到熔化溫度，這樣減小了對(duì)結(jié)構(gòu)其他部分的影響。通過連續(xù)或掃描的方法可以焊接大尺寸的結(jié)構(gòu)，而且也有在線監(jiān)視焊接凝固過程的可能性。但是這三種方法在焊接熱塑性復(fù)合材料時(shí)，仍然存在著各種問題。(1)超聲波焊接超聲波焊接是熱塑性塑料最為常用的焊接方法，其應(yīng)用方面如軟盤、醫(yī)療器械、電池外殼和許多汽車零件的焊接等。在超聲波焊接過程中，被連接件在壓力的作用下緊緊的貼在一起，然后超聲波垂直地加到兩連接件相互接觸區(qū)。高頻率變化的應(yīng)力在材料內(nèi)部產(chǎn)生熱量，如果組件設(shè)計(jì)的正確，就可以使熱量通過波的遲滯和摩擦有選擇的產(chǎn)生在接觸界面上。焊接過程可以在距離焊頭小到幾分之一毫米大到幾厘米的范圍內(nèi)完成，距離越遠(yuǎn)控制過程越靈敏。在焊接過程中，振動(dòng)能通常集中在表面的突起處耗散成熱量。人為制作的三角形突起，設(shè)計(jì)在連接件上用以引導(dǎo)熔化。在設(shè)計(jì)組件的早期階段應(yīng)該考慮使其能滿足超聲波焊接的需要。使用連接層可以避免在超聲波焊接過程中使用導(dǎo)能筋。連接層是一種由基體物質(zhì)制作的中間層，通過降低熔化溫度來促使擇優(yōu)熔化。通過采用順序或掃描或兩者同時(shí)使用的方法就可以進(jìn)行大尺寸的焊接。不使用導(dǎo)能筋或也不使用連接層會(huì)使焊接過程變得困難重重。對(duì)于用連續(xù)纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料，使用超聲波進(jìn)行焊接的主要障礙是難以在復(fù)合材料薄板件上制作導(dǎo)能筋，以及為了獲得好的連接而需要的較大變形可能會(huì)使界面處的纖維破裂。(2)感應(yīng)焊接通常聚合物既不導(dǎo)電也沒有很高的導(dǎo)磁率，射頻場被加到用鐵粒子、微米級(jí)的氧化鐵粒子、不銹鋼、陶瓷、鐵素體或石墨等填充的熱塑性材料的帶條上。也可以使用特制的金屬網(wǎng)，這種金屬網(wǎng)有雙重作用，一是產(chǎn)生熱量，二是為兩個(gè)相容的熱塑性材料提供機(jī)械互鎖的地方。針對(duì)不同的形狀尺寸的接頭，需對(duì)感應(yīng)器進(jìn)行優(yōu)化。同時(shí)用于感應(yīng)加熱的線圈設(shè)計(jì)是一項(xiàng)重要的工藝。由一個(gè)感應(yīng)線圈產(chǎn)生的磁場是不均勻的，因而會(huì)產(chǎn)生不均勻的加熱。通過優(yōu)化金屬網(wǎng)感應(yīng)器的形狀重新導(dǎo)向電流的流動(dòng)方向可以改善溫度場的不勻性。通常，感應(yīng)焊適于焊接細(xì)長形狀的工件，這是因?yàn)榫€圈的幾何形狀導(dǎo)致了合理的感應(yīng)場。(3)電阻植入焊接電阻植入焊接技術(shù)設(shè)備簡單，方便高效，靈活性大。但是將電阻植入焊應(yīng)用于熱塑性復(fù)合材料焊接時(shí)存在以下幾個(gè)問題，一個(gè)問題是雖然電阻植入焊可以同時(shí)對(duì)焊接面進(jìn)行加熱，但是對(duì)表面內(nèi)層樹脂加熱是通過熱傳導(dǎo)進(jìn)行的，由于復(fù)合材料中的碳纖維良好的導(dǎo)熱性，使熱量很快的傳到整個(gè)復(fù)合材料體上，從而導(dǎo)致復(fù)合材料發(fā)生基體結(jié)構(gòu)的破壞。另一個(gè)問題是由于空氣導(dǎo)熱性差，會(huì)造成所謂的“邊緣熱效應(yīng)”，即焊接界面邊緣處的溫度在較長的焊接時(shí)間時(shí)會(huì)大大高于焊接界面內(nèi)部的溫度，從而導(dǎo)致焊接界面熔化的不均勻，產(chǎn)生比較嚴(yán)重的內(nèi)應(yīng)力。盡管使用脈沖電阻植入焊縮短了加熱時(shí)間，減小了由于熱傳導(dǎo)而導(dǎo)致的過熱問題，然而當(dāng)能量輸入增加時(shí)，脈沖電阻植入焊會(huì)進(jìn)一步增加焊接界面溫度的不均勻性，使工藝窗口變得狹窄。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種熱塑性樹脂基復(fù)合材料超聲波振動(dòng)輔助電阻植入焊接方法，它具有縮短電阻植入焊接所需的時(shí)間，減小邊緣熱效應(yīng)，改善半結(jié)晶性熱塑性材料及其復(fù)合材料的焊接性能，超聲振動(dòng)促進(jìn)擴(kuò)散纏接，消除殘余應(yīng)力，提高焊接時(shí)溫度場的集中程度的特點(diǎn)。本發(fā)明的方法是首先將熱塑性樹脂基復(fù)合材料的搭接接頭3放置到夾具1中，再將加熱體2放置到被焊熱塑性樹脂基復(fù)合材料的搭接接頭3中間，將超聲波焊頭4以0.05～0.15Mpa的壓力壓在搭接接頭3上，將加熱體2的兩端連接到電極5上，接通電源6，待焊接界面溫度為200～220℃時(shí)啟動(dòng)超聲波發(fā)生控制器7，使超聲波焊頭4進(jìn)行振動(dòng)，電阻焊的通電時(shí)間為6～10秒，超聲波振動(dòng)時(shí)間為3～5秒，加熱體2停止通電1～2秒鐘后，停止超聲波振動(dòng)，保壓3秒鐘后，等被焊接頭冷卻到固態(tài)時(shí)即可。本發(fā)明的焊接過程在大氣環(huán)境下進(jìn)行，環(huán)境溫度以室溫為宜，對(duì)于吸濕性較大的材料相對(duì)濕度應(yīng)控制在65±5％。本發(fā)明綜合了電阻焊接加熱面積大和超聲波焊接加熱速度快的優(yōu)點(diǎn)，不僅縮短了單純電阻焊接時(shí)的焊接時(shí)間，降低了焊接界面的殘余內(nèi)應(yīng)力，而且，減小了“邊緣熱效應(yīng)”，提高了焊接接頭的力學(xué)性能，使接頭強(qiáng)度大于80％復(fù)合材料基體材料強(qiáng)度。焊接界面接觸均勻、一致，有效連接面積≥90％。


圖1是本發(fā)明的焊接原理示意圖。
具體實(shí)施例方式
一(見圖1)本實(shí)施方式的方法是首先將熱塑性樹脂基復(fù)合材料的搭接接頭3放置到夾具1中，再將加熱體2放置到被焊材料的搭接接頭3中間，將超聲波焊頭4以0.05～0.15Mpa的壓力壓在搭接接頭3上，將加熱體2的兩端連接到電極5上，接通電源6，待焊接界面溫度為200～220℃時(shí)啟動(dòng)超聲波發(fā)生控制器7，使超聲波焊頭4進(jìn)行振動(dòng)，電阻焊的通電時(shí)間為6～10秒，超聲波振動(dòng)時(shí)間為3～5秒，加熱體2停止通電1～2秒鐘后，停止超聲波振動(dòng)，保壓3秒鐘后，等被焊接頭冷卻到固態(tài)時(shí)即可。本實(shí)施方式中所述的加熱體2是掛有樹脂的不銹鋼金屬網(wǎng)或碳纖維預(yù)浸料。所述超聲波振動(dòng)的振幅為40～60μm。所述電阻焊的電流為10～15安培。所述熱塑性樹脂基復(fù)合材料的搭接接頭3是由碳纖維增強(qiáng)制成的，此時(shí)搭接接頭3內(nèi)采用碳纖維預(yù)浸料的加熱體2。
具體實(shí)施方式
二本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同點(diǎn)在于，加熱體2采用不掛樹脂的不銹鋼金屬網(wǎng)，焊接時(shí)，在不銹鋼金屬網(wǎng)的上下表面各加入一層母材基體材料制成的薄膜，薄膜的厚度為20～50μm。其它工藝過程及工藝條件與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一、二的不同點(diǎn)在于，在焊接前將焊件的待焊接表面用細(xì)砂紙打磨，并用丙酮清洗，細(xì)砂紙的粒度為400～600目。其它工藝過程及工藝條件與具體實(shí)施方式
一、二相同。
權(quán)利要求
1.熱塑性樹脂基復(fù)合材料超聲波振動(dòng)輔助電阻植入焊接方法，其特征在于首先將熱塑性樹脂基復(fù)合材料的搭接接頭(3)放置到夾具(1)中，再將加熱體(2)放置到被焊熱塑性樹脂基復(fù)合材料的搭接接頭(3)中間，將超聲波焊頭(4)以0.05～0.15Mpa的壓力壓在搭接接頭(3)上，將加熱體(2)的兩端連接到電極(5)上，接通電源(6)，待焊接界面溫度為200～220℃時(shí)啟動(dòng)超聲波發(fā)生控制器(7)，使超聲波焊頭(4)進(jìn)行振動(dòng)，電阻焊的通電時(shí)間為6～10秒，超聲波振動(dòng)時(shí)間為3～5秒，加熱體(2)停止通電1～2秒鐘后，停止超聲波振動(dòng)，保壓3秒鐘后，等被焊接頭冷卻到固態(tài)時(shí)即可。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱塑性樹脂基復(fù)合材料超聲波振動(dòng)輔助電阻植入焊接方法，其特征在于所述的加熱體(2)是掛有樹脂的不銹鋼金屬網(wǎng)或碳纖維預(yù)浸料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱塑性樹脂基復(fù)合材料超聲波振動(dòng)輔助電阻植入焊接方法，其特征在于所述超聲波振動(dòng)的振幅為40～60μm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱塑性樹脂基復(fù)合材料超聲波振動(dòng)輔助電阻植入焊接方法，其特征在于所述電阻焊的電流為10～15安培。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱塑性樹脂基復(fù)合材料超聲波振動(dòng)輔助電阻植入焊接方法，其特征在于熱塑性樹脂基復(fù)合材料的搭接接頭(3)是由碳纖維增強(qiáng)制成的，此時(shí)搭接接頭(3)內(nèi)采用碳纖維預(yù)浸料的加熱體(2)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱塑性樹脂基復(fù)合材料超聲波振動(dòng)輔助電阻植入焊接方法，其特征在于采用不掛樹脂的不銹鋼金屬網(wǎng)，焊接時(shí)，在不銹鋼金屬網(wǎng)的上下表面各加入一層母材基體材料制成的薄膜。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的熱塑性樹脂基復(fù)合材料超聲波振動(dòng)輔助電阻植入焊接方法，其特征在于薄膜的厚度為20～50μm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱塑性樹脂基復(fù)合材料超聲波振動(dòng)輔助電阻植入焊接方法，其特征在于在焊接前將焊件的待焊接表面用細(xì)砂紙打磨，并用丙酮清洗。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的熱塑性樹脂基復(fù)合材料超聲波振動(dòng)輔助電阻植入焊接方法，其特征在于細(xì)砂紙的粒度為400～600目。
全文摘要
熱塑性樹脂基復(fù)合材料超聲波振動(dòng)輔助電阻植入焊接方法，它涉及熱塑性樹脂基復(fù)合材料焊接方法的改進(jìn)。本發(fā)明首先將熱塑性樹脂基復(fù)合材料的搭接接頭(3)放置到夾具(1)中，再將加熱體(2)放置到被焊熱塑性樹脂基復(fù)合材料的搭接接頭(3)中間，將超聲波焊頭(4)以0.05～0.15MPa的壓力壓在搭接接頭(3)上，將加熱體(2)的兩端連接到電極(5)上，待焊接界面溫度為200～220℃時(shí)啟動(dòng)超聲波發(fā)生控制器(7)使超聲波焊頭(4)進(jìn)行振動(dòng)。本發(fā)明綜合了電阻焊接加熱面積大和超聲波焊接加熱速率快的優(yōu)點(diǎn)，不僅縮短了單純電阻焊接時(shí)的焊接時(shí)間，降低了焊接界面的殘余內(nèi)應(yīng)力，而且，減小了“邊緣熱效應(yīng)”，提高了焊接接頭的力學(xué)性能，接頭強(qiáng)度大于80％復(fù)合材料基體材料強(qiáng)度。
文檔編號(hào)B29C65/08GK1557628SQ200410013549
公開日2004年12月29日 申請(qǐng)日期2004年2月11日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月11日
發(fā)明者閆久春, 王曉林, 楊士勤 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)