[發明專利]一種熱塑性復合材料與輕質合金超聲輔助激光連接工藝

有效

• 申請號: 202010404865.X
• 申請日: 2020-05-13
• 公開（公告）號: CN113664374B
• 公開（公告）日: 2022-08-23
• 發明（設計）人: 占小紅;楊紅艷;王磊磊
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: B23K26/346
• 分類號: B23K26/346;B23K26/60;B23K26/70
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本發明公開一種熱塑性復合材料與輕質合金超聲輔助激光連接工藝，所述輕質合金表面加工出均勻分布的倒三角形狀凹槽，熱塑性復合材料與輕質合金連接界面填充熱塑性樹脂粉末，所述超聲輔助焊接中采用“熱塑性復材?樹脂粉末?輕質合金”搭接方式，輕質合金置于下層，所述激光焊接將輕質合金置于上層，所述熱塑性復合材料與輕質合金超聲輔助激光連接工藝包括如下步驟：1)清潔處理，輕質合金表面凹槽加工處理；2)界面處鋪置粉末后固定，進行超聲波第一次焊接；3)翻轉連接件重新固定后進行激光第二次焊接。本發明能夠有效改善熱塑性復合材料與輕質合金連接界面熔合質量，提高拉剪強度和疲勞性能。

技術領域

本發明有關超聲輔助激光連接工藝，具體而言涉及一種超熱塑性復合材料與輕質合金超聲輔助激光連接工藝，屬于異種材料連接領域。

背景技術

熱塑性復合材料作為重要的輕量化制造材料，因其高比強度、耐腐蝕、抗疲勞、耐高溫等特性在航空航天制造、汽車等領域具有廣闊的應用前景。輕質合金材料既能滿足輕量化設計理念，又能滿足核心部件的機械性能，在航空飛行器等領域中也具有重要地位。因此，在實際生產應用中常常需要實現熱塑性復合材料與輕質合金之間的連接，直接利用激光焊接對熱塑性復合材料與輕質合金進行連接，存在界面熔合形貌較差、熔合缺陷較多和連接強度低等問題。超聲焊接是利用高頻振動使界面材料接觸，并在摩擦和超聲軟化的共同作用下，進一步產生塑性流動和擴散使連接面積增大，最終形成可靠連接。激光焊接是一種利用高能量密度的激光束作為熱源的高效的、精密的焊接方法，通過控制激光脈沖的寬度、能量、峰值功率和重復頻率等參數，來獲得成型良好，性能穩定的焊接接頭。本發明一種熱塑性復合材料與輕質合金超聲輔助激光連接工藝，利用超聲輔助焊接使界面處填充的樹脂粉末融化，熱塑性復合材料與輕質合金通過熔融樹脂形成初步連接，然后通過激光焊接在熱塑性復合材料與輕質合金搭接接頭處形成穩定的異種材料連接接頭，有效改善了熱塑性復合材料與輕質合金連接界面的熔合質量，提高了熱塑性復合材料與輕質合金連接接頭的拉剪強度和疲勞性能。

發明內容

為了解決熱塑性復合材料與輕質合金的連接問題，獲得較高強度的連接接頭，本發明提供一種熱塑性復合材料與輕質合金超聲輔助激光連接工藝，能夠有效改善熱塑性復合材料與輕質合金連接界面的熔合質量，提高熱塑性復合材料與輕質合金連接結構的拉剪強度和疲勞性能。

本發明采用如下技術方案：一種熱塑性復合材料與輕質合金超聲輔助激光連接工藝包括如下步驟：(1)首先對熱塑性復合材料和輕質合金進行清潔處理，對輕質合金表面進行凹槽加工處理；(2)在熱塑性復合材料與輕質合金連接界面處鋪設樹脂粉末后，將待連接件按“熱塑性復合材料-樹脂粉末-輕質合金”順序搭接后固定在超聲輔助焊接底座上，進行超聲波第一次焊接；(3)將已初步連接的塑性復合材料與輕質合金搭接件翻轉方向，使輕質合金置于上方，重新固定在激光焊接底座上，進行激光第二次焊接。所述熱塑性復合材料厚度適用于2～8mm，輕質合金厚度適用于2～4mm，輕質合金表面加工出均勻分布的倒三角形狀凹槽，凹槽寬度為0.5mm，深度為0.35mm，凹槽分布密度范圍為30％～50％。所述熱塑性復合材料與輕質合金連接界面填充熱塑性樹脂粉末，填充樹脂類型為熱塑性復合材料基體樹脂，樹脂粉末填充厚度為0.1mm～0.3mm并填滿輕質合金凹槽。所述超聲波第一次焊接中采用“熱塑性復合材料-樹脂粉末-輕質合金”搭接方式，輕質合金置于下層，超聲波第一次焊接功率為300～600W，超聲波頻率為10～30kHz，工具頭對待連接件施加縱向壓力，壓力值為0.1～0.2MPa，焊接時間為10～15s。所述激光第二次焊接將輕質合金置于上層，焊接功率為1000～2000W，焊接路徑為直線型，激光運動方式為前進圓擺動，擺幅為2mm。所述焊接前清潔處理包括對輕質合金進行酸洗或堿洗去除表面氧化膜，對熱塑性復合材料利用丙酮進行超聲清洗。

本發明具有如下有益效果：本發明一種熱塑性復合材料與輕質合金超聲輔助激光連接工藝創新實現了超聲焊接與激光焊接結合連接熱塑性復合材料與輕質合金，有效改善了熱塑性復合材料與輕質合金連接界面熔合質量，提高了熱塑性復合材料與輕質合金連接接頭的拉剪強度和疲勞性能。

附圖說明