[發明專利]一種樹脂基復合材料超聲-電阻混合焊接方法

有效

• 申請號: 202010988885.6
• 申請日: 2020-09-18
• 公開（公告）號: CN112172179B
• 公開（公告）日: 2022-12-06
• 發明（設計）人: 崔旭;王道晟;蒲永偉;田琳;趙普;熊需海;孟慶實;王朔;李曉東;張辰;許鵬;賀軍;李威
• 申請（專利權）人: 沈陽航空航天大學
• 主分類號: B29C65/72
• 分類號: B29C65/72;B29C65/08;B29C65/20;B29K105/06
• 代理公司: 沈陽東大知識產權代理有限公司 21109
• 代理人: 李珉

一種樹脂基復合材料超聲?電阻混合焊接方法，屬于復合材料連接技術領域。包括以下步驟：(1)按照樹脂基復合材料焊界面內部結構搭建焊接接頭；(2)接通電源進行焊接；同時在焊接過程中施加超聲振動；(3)超聲振動結束后，在焊接區域上方施加壓力；(4)冷卻，完成樹脂基復合材料超聲?電阻混合焊接，獲得復合材料電阻焊接頭。本發明將超聲振動和電阻熱效應巧妙結合，使焊接工藝同時吸收超聲振動和電阻熱效應的優勢，焊接工藝簡單、施工高效、無需昂貴設備、綠色環保；制備的樹脂基復合材料電阻焊接頭力學強度優異，成本極低，在航空、航天、汽車等復合材料連接領域具有廣泛的應用前景。

技術領域

本發明屬于復合材料連接技術領域，具體涉及一種樹脂基復合材料超聲-電阻焊接方法。

背景技術

樹脂基復合材料是航空航天飛行器主要的結構材料之一；復合材料結構之間的連接是飛行器制造過程關鍵技術。機械緊固連接、焊接和膠接技術是兩種最常用的連接方式。然而，栓接、鉚接等機械緊固連接需要對復合材料鉆孔，影響本體力學強度，同時螺栓或鉚釘使結構件整體重量增加；焊接技術和膠接則導致復合材料結構變成了不可拆卸的整體，對施工過程精度要求高、容錯率低。另外，膠接技術需要長時間的固化，存在施工周期較長、效率低的缺點。

樹脂熔融焊接技術是一種能夠將光、電、電磁、超聲等能量轉變成的熱量使搭接區域熱塑性樹脂熔化，通過熱塑性樹脂與粘接母材間的原子、分子擴散結合或微觀機械互鎖等作用連接成一體的工藝。該技術克服了膠接技術的缺點，通過再次加熱能夠拆卸焊接結構，對損壞焊件進行更換并形成新的焊接頭，非常適合飛行器零部件裝配和修復。

電阻熔融粘接技術，也稱為原位植入電阻焊技術，主要通過在兩個焊件的搭接區域嵌入熱塑性樹脂薄膜和電阻加熱元件，通電加熱元件產生的焦耳熱使熱塑性樹脂薄膜熔融、冷卻凝固，從而實現焊件的連接。該技術具有工藝流程簡單，效率高，費用低，能連續焊接大面積區域，并且在焊接過程中不需要移動焊件等諸多優勢，是一種具有廣泛應用前景的連接技術。然而，電阻焊接植入體一般為金屬網或碳纖維織布，在焊接過程中熔融的熱塑性樹脂很難實現對植入體的完全填充和包裹，從而導致無法實現樹脂基復合材料的有效焊接。

超聲振動在焊接過程中的應用不僅能借助超聲波能量提高熔融樹脂的流動性，還能促進樹脂的填縫能力，同時超聲換能器可以代替液壓裝置在焊接過程中施加壓力，有助于熱塑性樹脂與植入體間機械互鎖、物理吸附以及化學鍵合作用的增強，從而提高樹脂電阻焊接頭力學性能。

發明內容

針對現有技術存在的不足，本發明提供一種樹脂基復合材料超聲-電阻混合焊接方法。

本發明解決技術問題的主要途徑是通過超聲振動頭在復合材料電阻焊接過程中施加超聲波，進而利用復合材料層合板、加熱元件、熱塑性薄膜等通過電加熱熔融粘接工藝構筑力學性能更強的復合材料電阻焊接頭。電阻發熱方式提供了熱塑性樹脂薄膜熔融需要的熱量；超聲波的引入改善了熔融的熱塑性樹脂膠層在植入體上的浸潤程度和填縫能力；熱塑性薄膜的引入提供了更為豐富的粘接劑，能夠密實填充接頭區域空隙并粘結相關表面。以上設計均有助于樹脂基復合材料電阻焊接頭力學性能的改善。

本發明的一種樹脂基復合材料超聲-電阻混合焊接方法，包括以下步驟：

(1)將兩層熱塑性樹脂薄膜分別置于植入體加熱元件兩側，之后將該封裝結構置于待焊接熱塑性復合材料層合板接頭區域，按照樹脂基復合材料焊界面內部結構搭建焊接接頭；

(2)接通電源使植入體加熱元件產熱進行焊接，調整電流或電壓使焊接區域的最高溫度為160～1000℃；焊接時間為10～300s；同時在焊接過程中施加超聲振動；其中，超聲振動頻率為10～100KHz，振幅為2-100μm，引入超聲時間為0.5～60s；

(3)超聲振動結束后，通過超聲波換能器在焊接區域上方施加0.1～0.5MPa壓力；

(4)冷卻，完成樹脂基復合材料超聲-電阻混合焊接，獲得復合材料電阻焊接頭。