[發明專利]一種熱塑性材料與輕質合金的熱鉚連接方法

在審

• 申請號: 202011371747.X
• 申請日: 2020-11-30
• 公開（公告）號: CN112571807A
• 公開（公告）日: 2021-03-30
• 發明（設計）人: 崔旭;田琳;王道晟;趙普;蒲永偉;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: B29C65/44
• 分類號: B29C65/44;B29C65/34
• 代理公司: 沈陽東大知識產權代理有限公司 21109
• 代理人: 徐笑陽

本發明提供一種熱塑性材料與輕質合金的熱鉚連接方法，通過在輕質合金預先制孔，進而利用帶孔輕質合金，熱塑性纖維預浸料、加熱元件、熱塑性材料等通過電加熱熔融粘接工藝構筑輕質合金/熱塑性材料高效異質接頭。預制孔的引入改善了熱塑性樹脂膠層與輕質合金界面粘結強度；熱塑性纖維預浸料的引入避免了加熱元件電流和產生的熱量通過輕質合金泄漏；本發明所述方法簡單快捷，成本極低，在航空、航天、汽車等金屬、非金屬材料連接領域有廣泛的應用前景。

技術領域

本發明涉及金屬與復合材料連接技術領域，特別涉及一種熱塑性材料與輕質合金的熱鉚連接方法。

背景技術

輕質合金和熱塑性材料是工業領域最重要的兩種結構材料；就航空領域而言，飛機的絕大多數結構是采用輕質合金和熱塑性復合材料制造；因此，輕質合金和熱塑性材料復合材料之間的連接是飛行器制造過程中不可避免的重要環節。機械緊固連接和膠接技術是目前最常用的兩種異質材料連接技術。然而，機械緊固連接中，螺栓或鉚釘使結構件整體重量增加，連接孔橫截面積較小使得連接處的應力高度集中。輕質合金和復合材料的異質膠接技術能夠克服機械緊固連接存在的問題，然而膠接技術需要長時間的固化，施工周期較長，成本高、效率低；另外，膠接頭為難拆卸的結構，對施工過程精度要求高、容錯率低。

為了克服金屬/熱塑性材料機械連接和膠接工藝存在的問題，近年來興起了復合材料焊接(熔融粘接)技術，主要是將光、電、電磁、超聲等能量轉變成的熱量，對兩種或兩種以上同種或異種材料加熱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。

電阻熔融粘接技術，也稱為原位植入電阻焊技術，已發展成為金屬/熱塑性材料傳統連接的可替代連接技術；其具有工藝流程簡單，設備靈活簡便，效率高，費用低廉，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。然而，熱塑性樹脂與金屬表面的粘結強度低，熱塑性樹脂與金屬材料界面脫粘是金屬/熱塑性材料異質接頭主要的失效模式。對金屬材料表面進行磨損、噴砂、打磨、酸/堿/電化學/等離子/激光蝕刻等物理或化學粗化處理，能夠改善金屬材料表面張力、粗糙度或化學性質，有助于熱塑性樹脂與金屬表面間機械互鎖、物理吸附以及化學鍵合作用的增強，從而實現異質接頭力學性能的強化。但該種方式對接頭性能的提升有限，無法完全滿足使用性能要求。

發明內容

針對現有技術存在的問題，本發明提供一種熱塑性材料與輕質合金的熱鉚連接方法，采用在輕質合金制孔，之后與熱塑性材料進行電阻加熱，使熔融的熱塑性樹脂在壓力作用下完全填充輕質合金空洞，實現接頭的有效連接。本發明所述方法快捷高效、綠色環保、成本極低，在航空航天和交通運輸領域具有廣泛應用前景。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：一種熱塑性材料與輕質合金的熱鉚連接方法，首先在輕質合金上制孔，然后將帶孔輕質合金與熱塑性材料進行電阻加熱，熱塑性材料的樹脂基體熔融后填充輕質合金孔，從而獲得輕質合金/熱塑性材料鉚接接頭，實現熱塑性材料與輕質合金的連接。

進一步地，所述連接方法具體包括以下步驟：

步驟1.輕質合金待焊接區域打孔，熱塑性纖維預浸料上預制孔；

步驟2.以發熱元件作為植入體，熱塑性纖維預浸料作為絕緣層置于輕質合金與熱塑性材料的搭接區域，得到待加工焊件，其中熱塑性纖維預浸料與輕質合金相接觸，且二者孔心處于同一垂線上；

步驟3.向待加工焊件施加0.1～0.5MPa初始壓力，調整電流和電壓使待焊接區域的最高溫度為200～400℃，焊接的時間為60s～300s；冷卻，獲得輕質合金/熱塑性材料鉚接接頭，實現熱塑性材料與輕質合金的連接。

進一步地，搭接時輕質合金位于熱塑性材料的上方。

進一步地，所述輕質合金上孔的孔徑為1～3mm，絕緣預浸料上預制孔直徑大于輕質合金通孔直徑0.5mm。