本發(fā)明涉及異種材料的連接領(lǐng)域，具體涉及碳纖維熱塑性復(fù)合材料與金屬的連接方法。

背景技術(shù)：

熱塑性復(fù)合材料具有高的比強度和比模量，耐沖擊、耐疲勞、耐水性與耐疲勞優(yōu)良，可重復(fù)加工，成型加工效率高，成型加工成本低等顯著優(yōu)點。因而，熱塑性復(fù)合材料在航天航空、風(fēng)力發(fā)電、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。熱塑性復(fù)合材料的應(yīng)用將不可避免地產(chǎn)生與鋼、鋁合金等傳統(tǒng)金屬材料的連接問題。熱塑性復(fù)合材料的焊接不采用膠黏劑，僅靠復(fù)合材料表面的樹脂熔融并熔接形成接頭，具有工藝周期短、效率高、接頭應(yīng)力分布均勻、便于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點?，F(xiàn)階段，通?？刹捎秒娮韬浮⒏袘?yīng)焊接、激光焊接和超聲波焊接等方法實現(xiàn)熱塑性復(fù)合材料與金屬連接。

電阻焊具有焊接效率高、工藝周期短、工藝流程簡單等優(yōu)點，但是存在電極易于引入雜質(zhì)從而降低接頭性能的缺點。激光焊接具有加熱速度快、穿透能力強、成分均勻等優(yōu)點，但存在設(shè)備成本高、激光溫度較高使得熱塑性復(fù)合材料熔融區(qū)域較大等問題。感應(yīng)焊接是一種獨特的非接觸加熱工藝，具有焊接時間短、接頭強度高、適用于大型、復(fù)雜形狀制件的連接，且可獲得連續(xù)焊接接頭。但是常規(guī)感應(yīng)焊接需要在焊接面之間植入金屬電磁敏感元件或金屬粉末填充的膠膜導(dǎo)致材料成本較高，同時也會影響連接工藝與強度。

將感應(yīng)焊接應(yīng)用于熱塑性復(fù)合材料與金屬的連接時，金屬基材在交變磁場的作用下產(chǎn)生熱量，使得待焊熱塑性復(fù)合材料溫度迅速達到熔點，在壓力的作用下與金屬基材形成接頭。該技術(shù)適用于熱塑性復(fù)合材料與金屬的連接過程，避免了常規(guī)感應(yīng)焊接使用植入材料，同時具有常規(guī)感應(yīng)焊接的優(yōu)點。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為解決常規(guī)感應(yīng)焊接過程中需要植入電磁敏感材料的問題，提供一種熱塑性復(fù)合材料與金屬的連接方法，該方法采用感應(yīng)焊接實現(xiàn)熱塑性復(fù)合材料與金屬的連接。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下：一種熱塑性復(fù)合材料與金屬的連接方法，其特征在于包括如下步驟：

步驟一、將待焊金屬件與待焊熱塑性復(fù)合材料件的待焊面進行粗化處理，清洗干凈并干燥；對于易與增強纖維產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕的金屬件，如鋁合金、鎂合金與碳纖維等，應(yīng)采用陽極氧化或涂層等方法措施予以保護；

步驟二、依據(jù)裝配要求，將待焊金屬件與待焊熱塑性復(fù)合材料件以搭接、對接或角接等方式拼接(接觸)在一起并固定，然后置于焊接區(qū)域；

步驟三、將感應(yīng)加熱裝置置于焊接區(qū)域上方，根據(jù)計算公式：確定感應(yīng)電流在金屬件中趨膚深度，其中δ為趨膚深度(mm)，ρ為金屬的電阻率(Ω·cm)，μ_r為金屬的相對磁導(dǎo)率，f為電源的電流頻率(Hz)；當(dāng)金屬件位于近線圈側(cè)時，即熱塑性復(fù)合材料件與金屬件的下表面接觸，由感應(yīng)電流趨膚效應(yīng)可知感應(yīng)電流集中在金屬件的上表面，因此應(yīng)使得趨膚深度δ＞金屬件厚度t，從而感應(yīng)電流在金屬件中產(chǎn)生的熱量可傳遞到熱塑性復(fù)合材料件表面；當(dāng)熱塑性復(fù)合材料件位于近線圈側(cè)時，即熱塑性復(fù)合材料件與金屬件的上表面接觸，由感應(yīng)電流的趨膚效應(yīng)可知感應(yīng)電流集中在金屬件的上表面，因此應(yīng)使得趨膚深度δ＜金屬件的厚度t，使得感應(yīng)電流集中在金屬件表面，提高熱塑性復(fù)合材料的升溫速率；

步驟四、根據(jù)金屬件與熱塑性復(fù)合材料件的上下位置、感應(yīng)焊接效率要求設(shè)置感應(yīng)加熱裝置的電流頻率和線圈匝數(shù)，電流頻率在50Hz～100kHz之間，線圈匝數(shù)在10匝～40匝之間，利用線圈端部磁場在金屬件中產(chǎn)生的感應(yīng)電流對金屬件進行加熱，使得熱塑性復(fù)合材料中基體樹脂吸收熱量熔化；

步驟五、啟動感應(yīng)加熱裝置，以10mm/min～1000mm/min的焊接速度將感應(yīng)加熱裝置的線圈沿焊接方向移動，熔融的基體樹脂冷卻并與金屬件形成接頭，實現(xiàn)熱塑性復(fù)合材料與金屬的連續(xù)焊接。

本發(fā)明中所采用熱塑性復(fù)合材料件的材料應(yīng)為纖維增強的熱塑性樹脂復(fù)合材料，熱塑性復(fù)合材料件的材料應(yīng)為纖維增強的熱塑性樹脂復(fù)合材料，纖維增強的熱塑性樹脂復(fù)合材料由包含增強纖維、基體樹脂、輔料(輔料為增稠劑、填料、引發(fā)劑、脫模劑顏料等中的一種或多種按任意體積配比的混合)制備而成，各原料所占體積百分數(shù)為：增強纖維15％～80％、基體樹脂19.5％～80％、輔料0.5％～5％。對于短纖維(長度為0.2mm～1mm)，可采用注射成型工藝、擠出成型工藝、離心成型工藝中的一種制備得到熱塑性復(fù)合材料，纖維的體積百分數(shù)可達到15％～40％；對于長纖維(長度為5～25mm)與連續(xù)纖維，可采用預(yù)浸料模壓工藝、片狀模塑料沖壓成型、片狀模塑料真空成型、預(yù)浸紗纏繞成型、拉擠成型等中的一種制備得到熱塑性復(fù)合材料，纖維的體積百分數(shù)可達到40％～80％。

所述的增強纖維可為碳纖維、玻璃纖維、硼纖維、碳化硅纖維、kevlar纖維等中的一種。所采用的基體樹脂可為PP-聚丙烯、PA-聚酰胺、PET-聚對苯二甲酸乙二酯、PET-聚丁烯一對苯二甲酸酯、PEEK-聚醚醚酮、PPS-聚苯硫醚等熱塑性樹脂中的一種。

所述金屬件的材料可為鋼材、鋁合金、鎂合金、鈦、鎳等金屬中的一種。

不同的熱塑性復(fù)合材料件和金屬件的材料類型與幾何參數(shù)會顯著影響加熱效率，因此綜合考慮材料類型、幾何參數(shù)與焊接效率要求控制電流頻率和線圈匝數(shù)。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下主要優(yōu)點：利用感應(yīng)電流在金屬件產(chǎn)生的熱量加熱熔化熱塑性復(fù)合材料，熔融的基體樹脂充當(dāng)焊料，冷卻后即可將金屬件與熱塑性復(fù)合材料件連接在一起形成接頭。該方法具有連接速度快，設(shè)備簡單，能應(yīng)用于大型、形狀復(fù)雜的三維曲面構(gòu)件的焊接，通過移動線圈可獲得連續(xù)焊接接頭，易于實現(xiàn)自動化，同時避免了使用電磁敏感材料。

附圖說明

圖1是本發(fā)明熱塑性復(fù)合材料與金屬的感應(yīng)焊接過程示意圖(圖中標(biāo)記3為感應(yīng)焊接過程中樹脂吸收熱量后的熔融區(qū)域，標(biāo)記5為焊接方向)。

圖2是本發(fā)明熱塑性復(fù)合材料件在金屬件之上時感應(yīng)焊接過程示意圖。

圖3是本發(fā)明金屬件在熱塑性復(fù)合材料件之上時感應(yīng)焊接過程示意圖

圖中：1-金屬件，2-熱塑性復(fù)合材料件，3-感應(yīng)焊接過程中樹脂吸收熱量后的熔融區(qū)域，4-感應(yīng)加熱裝置，5-焊接方向。

具體實施方式

以下對本發(fā)明的具體實施方式進行詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解的是，所舉實例僅用于解釋本發(fā)明，不應(yīng)以此限定本發(fā)明的保護范圍。

實施例1：結(jié)合圖1與圖2說明實施方式，本實施方式是通過以下步驟實現(xiàn)的：

步驟一、采用物理或化學(xué)方法對金屬件的待焊面進行粗化處理，并將其清理干凈并干燥。對于易與碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕的金屬件，如鋁合金、鎂合金等，應(yīng)采用陽極氧化或涂層等方法措施予以保護。圖中工件1為金屬件，工件2為熱塑性復(fù)合材料件。此種工裝位置下應(yīng)優(yōu)選感應(yīng)磁場傳入金屬件的趨膚深度可小于金屬件的厚度，感應(yīng)電流集中在工件1的上表面，感應(yīng)加熱產(chǎn)生的熱量也集中在此表面。因此金屬件的升溫速度和感應(yīng)加熱的效率較高。

所述金屬件的材料可為鋼材、鋁合金、鎂合金、鈦、鎳等金屬中的一種，本示例選擇鋼材。所述熱塑性復(fù)合材料件可為短纖維、長纖維或連續(xù)纖維增強的熱塑性復(fù)合材料中的一種，本示例選擇連續(xù)纖維增強的熱塑性復(fù)合材料，具體為采用單向T700碳纖維增強的PEEK預(yù)浸料，結(jié)合預(yù)浸料模壓成型工藝制備得到試樣，其中纖維的體積百分數(shù)為50％，樹脂的體積百分數(shù)為48％，輔料的體積分數(shù)為2％。

此種工裝位置下工件1的熱源部位緊鄰工件2，因而工件2升溫速率快。但是感應(yīng)線圈與工件1的距離易受工件2厚度的限制，從而可能對工件1的加熱效率造成不利影響。

本發(fā)明中，粗化處理的目的是增加焊接過程中熔融樹脂的滲透程度，提高接頭的連接強度。具體處理方式可為采用機械打磨方法或采用化學(xué)試劑腐蝕增加待焊面的粗糙度。

步驟二、依據(jù)裝配要求，將工件1與工件2的待焊面拼接在一起，并采用夾具對其進行固定，然后置于焊接區(qū)域。

步驟三、將感應(yīng)加熱裝置置于待焊區(qū)域上方，工件2(熱塑性復(fù)合材料件)朝向感應(yīng)加熱裝置，線圈端部距離工件2表面保持在3～5mm之間。

步驟四、合理設(shè)置感應(yīng)加熱裝置4的電流頻率和線圈匝數(shù)(所述感應(yīng)加熱裝置的電流頻率為50Hz～100kHz、線圈匝數(shù)為10匝～40匝)，利用線圈端部磁場在工件1(金屬件)中引起的電磁效應(yīng)對其進行加熱。由于工件1與工件2存在間隙，因此控制工件1表面的溫度適當(dāng)高于工件2的熔點，同時低于工件1的熔融溫度。

步驟五、啟動感應(yīng)加熱裝置4，以10mm/min～1000mm/min的焊接速度將線圈沿焊接方向5移動，熔融的基體樹脂冷卻并與金屬件形成接頭，實現(xiàn)熱塑性復(fù)合材料與金屬的連續(xù)焊接。焊接速度應(yīng)根據(jù)工件2的升溫速度與基體樹脂的熔點來確定，進而可通過調(diào)節(jié)感應(yīng)加熱裝置4的電流頻率和線圈匝數(shù)增加焊接速度、提高焊接效率。

實施例2：結(jié)合圖1與圖3說明實施方式，本實施方式中工件2為熱塑性復(fù)合材料件，工件1為金屬件。此種工裝位置下應(yīng)優(yōu)選磁場傳入金屬件的趨膚深度大于金屬件的厚度，此時感應(yīng)電流分布于整個工件1內(nèi)，感應(yīng)加熱產(chǎn)生的熱量分布于金屬件。因此可保證金屬件的升溫速度和感應(yīng)加熱的效率。其他步驟與實施例1相同。

此種工裝位置下工件1緊鄰感應(yīng)線圈，感應(yīng)線圈與工件1的距離不受其他工件的影響，因而感應(yīng)磁場對工件1的加熱效率較高。但是由于感應(yīng)加熱產(chǎn)生的熱量需要貫穿工件1的整個厚度范圍，因而可能會對工件2的升溫速率造成不利影響。

實施例3：

一種熱塑性復(fù)合材料與金屬的連接方法，包括如下步驟：

步驟一、將待焊金屬件與待焊熱塑性復(fù)合材料件的待焊面進行粗化處理，清洗干凈并干燥；所述金屬件的材料可為鋼材、鋁合金、鎂合金、鈦、鎳等金屬中的一種。對于易與增強纖維產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕的金屬件，如鋁合金、鎂合金與碳纖維等，應(yīng)采用陽極氧化或涂層等方法措施予以保護；

所采用熱塑性復(fù)合材料件的材料應(yīng)為纖維增強的熱塑性樹脂復(fù)合材料，熱塑性復(fù)合材料件的材料應(yīng)為纖維增強的熱塑性樹脂復(fù)合材料，纖維增強的熱塑性樹脂復(fù)合材料由包含增強纖維、基體樹脂、輔料(輔料為增稠劑、填料、引發(fā)劑、脫模劑顏料等中的一種或多種按任意體積配比的混合)制備而成，各原料所占體積百分數(shù)為：增強纖維15％、基體樹脂80％、輔料5％。對于短纖維(長度為0.2mm～1mm)，可采用注射成型工藝、擠出成型工藝、離心成型工藝中的一種制備得到熱塑性復(fù)合材料。

所述的增強纖維可為碳纖維、玻璃纖維、硼纖維、碳化硅纖維、kevlar纖維等中的一種。所采用的基體樹脂可為PP-聚丙烯、PA-聚酰胺、PET-聚對苯二甲酸乙二酯、PET-聚丁烯一對苯二甲酸酯、PEEK-聚醚醚酮、PPS-聚苯硫醚等熱塑性樹脂中的一種。

步驟二、依據(jù)裝配要求，將待焊金屬件與待焊熱塑性復(fù)合材料件以搭接、對接或角接等方式拼接(接觸)在一起并固定，然后置于焊接區(qū)域；

步驟三、將感應(yīng)加熱裝置置于焊接區(qū)域上方，根據(jù)計算公式：確定感應(yīng)電流在金屬件中趨膚深度，其中δ為趨膚深度(mm)，ρ為金屬的電阻率(Ω·cm)，μ_r為金屬的相對磁導(dǎo)率，f為電源的電流頻率(Hz)；當(dāng)金屬件位于近線圈側(cè)時，即熱塑性復(fù)合材料件與金屬件的下表面接觸，由感應(yīng)電流趨膚效應(yīng)可知感應(yīng)電流集中在金屬件的上表面，因此應(yīng)使得趨膚深度δ＞金屬件厚度t，從而感應(yīng)電流在金屬件中產(chǎn)生的熱量可傳遞到熱塑性復(fù)合材料件表面；當(dāng)熱塑性復(fù)合材料件位于近線圈側(cè)時，即熱塑性復(fù)合材料件與金屬件的上表面接觸，由感應(yīng)電流的趨膚效應(yīng)可知感應(yīng)電流集中在金屬件的上表面，因此應(yīng)使得趨膚深度δ＜金屬件的厚度t，使得感應(yīng)電流集中在金屬件表面，提高熱塑性復(fù)合材料的升溫速率；

步驟四、根據(jù)金屬件與熱塑性復(fù)合材料件的上下位置、感應(yīng)焊接效率要求設(shè)置感應(yīng)加熱裝置的電流頻率和線圈匝數(shù)，電流頻率在50Hz～100kHz之間，線圈匝數(shù)在10匝～40匝之間，利用線圈端部磁場在金屬件中產(chǎn)生的感應(yīng)電流對金屬件進行加熱，使得熱塑性復(fù)合材料中基體樹脂吸收熱量熔化；

步驟五、啟動感應(yīng)加熱裝置，以10mm/min～1000mm/min的焊接速度將感應(yīng)加熱裝置的線圈沿焊接方向移動，熔融的基體樹脂冷卻并與金屬件形成接頭，實現(xiàn)熱塑性復(fù)合材料與金屬的連續(xù)焊接。

實施例4：

與實施例3基本相同，不同之處在于：各原料所占體積百分數(shù)為：增強纖維80％、基體樹脂19.5％、輔料0.5％；對于長纖維(長度為5～25mm)與連續(xù)纖維，可采用預(yù)浸料模壓工藝、片狀模塑料沖壓成型、片狀模塑料真空成型、預(yù)浸紗纏繞成型、拉擠成型等中的一種制備得到熱塑性復(fù)合材料。

以上所實施例僅表達了本發(fā)明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不僅局限于上述實施例，凡屬本發(fā)明思路下的技術(shù)方案均屬本發(fā)明的保護范圍。應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理前提下的修訂和改進，應(yīng)都屬于本發(fā)明的保護范圍。