[發明專利]一種金屬與熱塑性樹脂材料摩擦搭接焊方法

有效

• 申請號: 202010638471.0
• 申請日: 2020-07-06
• 公開（公告）號: CN111958979B
• 公開（公告）日: 2022-06-14
• 發明（設計）人: 徐孟嘉;劉博生;王振民
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: B29C65/06
• 分類號: B29C65/06;B29C65/78;B29C65/82;B23K26/382
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 霍健蘭;梁瑩

本發明提供了一種金屬與熱塑性樹脂材料摩擦搭接焊方法，包括前期處理工序、激光加工工序、摩擦搭接焊前裝夾工序和摩擦搭接焊工序；其中，激光加工工序是指：對金屬板材表面進行激光加工處理，使金屬板材表面產生周期性微孔；摩擦搭接焊工序是指：啟動攪拌摩擦焊設備，調整攪拌摩擦焊設備的焊具主軸使無針型焊接攪拌頭垂直于金屬板材，控制無針型焊接攪拌頭旋轉壓入金屬板材，軸肩最底端壓入金屬板材表面設定下壓深度后停止下壓并保持，之后保持設定下壓深度、以恒定進給速度進行焊接。該方法可使金屬板材與樹脂板材在焊接后不易分離，形成高強度焊接接頭，焊接成本低，焊接效率高。

技術領域

本發明涉及焊接技術領域，更具體地說，涉及一種金屬與熱塑性樹脂材料摩擦搭接焊方法。

背景技術

摩擦搭接焊是一種新型的可以直接連接包括熱塑性樹脂材料和金屬材料在內的方法。摩擦搭接焊可以采用攪拌摩擦焊設備進行，其利用攪拌頭與金屬表面摩擦產生熱能，將可以重復使用的攪拌頭壓入金屬板表面并沿金屬板與熱塑性樹脂板重疊的區域移動，在加熱連接材料的同時，對連接界面施加壓力。摩擦搭接焊的外觀與攪拌摩擦焊相似，但是攪拌摩擦焊的攪拌頭中帶有一個攪拌探針來幫助物質流動而摩擦搭接焊不包括此結構。熱量從被加熱的金屬傳遞到熱塑性樹脂板時在靠近搭接界面的樹脂材料中形成一個狹窄的熔化區域，熔化后的熱塑性樹脂在與金屬基體接觸產生的壓力下凝固，這樣實現金屬與熱塑性樹脂的連接。因此，摩擦搭接焊擁有產生高強度接頭且不會對基礎材料、焊接設備或對接頭幾何形狀的設計造成任何損害的優點，同時也具有設置參數少，對環境無污染的優點，應用前景廣闊。

熱塑性樹脂—輕質金屬復合結構越來越多地應用于汽車，航空航天和電子工業，這些結構具有較高的強度重量比，優異的耐腐蝕性，隔熱和電氣絕緣性能以及設計靈活性，因此這種結構具有很大的吸引力。粘接和機械緊固是熱塑性樹脂材料與金屬連接的傳統工藝，然而這些技術會帶來諸如環境污染，較長的加工時間，接頭強度不足，應力集中等缺點。而熱塑性樹脂材料與金屬連接的其他方法，如激光焊接，超聲波焊接，摩擦點焊接等近些年也得到了研究。但激光焊接成本較高且焊接參數復雜，超聲波和摩擦點焊接頭受到尺寸和形狀等的限制。近年來，利用摩擦搭接焊進行金屬與熱塑性樹脂的直接連接方法不斷涌現，取得了很大的突破，但其中熱塑性樹脂材料都具有極性分子結構(例如鋁合金/ABS樹脂，鋁合金/聚酰胺樹脂等)。在焊接過程中，極性熱塑性樹脂材料表面極性基團與金屬表面氧化物形成氫鍵作用，從而形成較高強度的焊接接頭。而目前針對金屬與一些具有優異性能的非極性熱塑性樹脂的摩擦搭接焊鮮有提及。

非極性熱塑性樹脂指組成樹脂的有機化學成分的官能團不產生顯著電偶極矩，因而表現出非極性特征。聚醚醚酮(PEEK)類樹脂就是典型的非極性熱塑性樹脂材料。作為一種半結晶性，非極性熱塑性樹脂，同時作為一種性能優異的特種工程材料，PEEK具有優異的耐熱性和熱穩定性，在200～250℃的蒸汽中可以長期使用。同時，它還是一種非常堅固的材料，有優異的長期耐蠕變性和耐疲勞性能。除此之外，相比于其他特種工程材料，PEEK具有機械性能優異、自潤滑性好、耐化學品腐蝕、阻燃、耐剝離性、耐磨性、抗輻射以及與人體良好的相容性等特點。作為一種新型的特種工程樹脂，PEEK在航空航天，汽車制造，電子電器，醫療和食品加工等領域具有非常廣闊的前景。而碳纖維增強PEEK復合材料在PEEK的基礎上進一步顯著的提高了力學性能，其中30％填充的碳纖維增強PEEK復合材料在室溫下，拉伸強度比普通PEEK增加了一倍，此外填充碳纖維后形成的材料在沖擊強度，彎曲強度和模量方面也得到了大幅度的提升，磨損率等也明顯低于普通PEEK樹脂，同樣具有廣闊的應用空間。但是在利用摩擦搭接焊對金屬和PEEK材料進行直接連接時并不能取得具有強度的焊接接頭，由于兩種材料性質差異較大，以及非極性樹脂官能團所表現出的化學性質，在焊接過程中，這類樹脂通常很難與金屬發生化學反應形成有效的化學鍵，因此兩種材料并不能形成有效的連接，導致PEEK等優異的樹脂材料與鋁合金等輕質金屬不能形成有效的復合結構從而不能有效的投入到應用中。

發明內容