[發明專利]一種纖維增強熱塑性復合材料與金屬激光壓焊方法

有效

• 申請號: 202110132926.6
• 申請日: 2021-02-01
• 公開（公告）號: CN112776348B
• 公開（公告）日: 2022-07-19
• 發明（設計）人: 徐潔潔;黃婷;肖榮詩
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: B29C65/16
• 分類號: B29C65/16;B29C65/44
• 代理公司: 北京高沃律師事務所 11569
• 代理人: 張德才

本發明公開一種纖維增強熱塑性復合材料與金屬激光壓焊方法，涉及熱塑性復合材料與金屬連接技術領域，包括以下步驟：在待焊接金屬的接頭表面預制凸起結構；預先設定激光隨焊壓緊工作頭的工作參數；在前滾輪壓力的作用下，待焊接區的金屬與熱塑性復合材料形成緊密貼合；激光加熱金屬材料表面，使熱塑性復合材料的熱塑性樹脂基熔融；在后滾輪的壓力裝置及超聲振動裝置的作用下，凸起結構嵌入熱塑性復合材料中，熔融樹脂基體流動擴散并填充金屬表面，實現熱塑性復合材料與金屬的激光連接。本發明可以實現航空航天、汽車等領域中纖維增強熱塑性復合材料與金屬的大型三維結構件連接，有效抑制焊接缺陷的產生，保證焊接質量，提高焊接接頭的力學性能。

技術領域

本發明涉及熱塑性復合材料與金屬連接技術領域，特別是涉及一種纖維增強熱塑性復合材料與金屬激光壓焊方法。

背景技術

纖維增強熱塑性樹脂基復合材料具有比強度高、耐腐蝕性好及抗疲勞性優異等特點，可廣泛應用于航空航天、汽車、新能源裝備等領域。傳統金屬材料因其可維修性、可回收性、低成本及成熟的成型、加工工藝等獨特優勢，依然是現代裝備不可或缺的重要結構材料。在現代裝備制造中越來越多地采用復合材料與金屬材料的異質混合結構來實現低成本和輕量化制造，因此不可避免地涉及兩者的連接問題。熱塑性復合材料與金屬異質結構常用的連接方法有：膠接、機械連接、機械及膠接混合連接等。膠接工藝中膠接劑固化時間長、效率低，且性能受環境影響較大。機械連接時復合材料制孔難度大，加工成本高、效率低。機械膠接混合連接工序復雜、成本高。上述問題使現有的連接工藝難以滿足不斷增長的異種結構的工程應用需求。激光焊接具有能量可控、可達性好、便于整形等特點，適用于多種接頭形式的連接，在熱塑性復合材料與金屬異質結構連接方面極具潛力。

熱塑性復合材料與金屬的激光連接是指激光照射加熱金屬，通過熱傳導至連接界面處使復合材料的熱塑性樹脂基熔化，熔融樹脂在外部壓力的作用下與金屬界面充分接觸，冷卻后形成連接接頭。

熱塑性復合材料與金屬連接方式大多屬于搭接連接方式。目前的激光連接方法大多通過固定裝卡設備(點陣型裝卡或線型裝卡)對異質接頭施加壓力，因而樣件的形狀和尺寸受到裝卡設備的限制。而實際工程應用中異質結構件多為大型三維結構，所以亟待一種新型的激光焊接方法，實現具有自由曲面的大型異質構件優質、可靠連接，滿足工程應用的需求。

現有的激光連接方法通過在金屬表面預制微結構，在連接過程中，復材中的熔融樹脂基體填充金屬表面微結構，使兩者形成機械錨固作用從而提升連接接頭的力學性能。這種方法主要是金屬表面的微結構(微結構尺度通常在百微米量級)同復合材料的樹脂基體相互錨固，對于復材中含有長纖維或編制纖維的情況，需要添加填充填料避免由于熔融樹脂量不足導致的未填充孔洞缺陷。激光壓焊接方法中，通過在金屬區域預制釘型凸起結構，通過優化凸起結構的尺寸，在激光焊接過程中，金屬區域預制的釘型凸起結構和復合材料在激光連接時產生類似釘扎錨固的連接結構，凸起結構不僅同熔融樹脂基體產生錨固作用，而且可以釘扎復材中的纖維增強相，從而提高連接接頭的力學性能。

目前的激光連接方法大多通過固定裝卡設備(點陣型裝卡或線型裝卡)對異質接頭施加壓力，樣件的形狀尺寸受到裝卡具的限制，因而只能進行小尺寸、平板異質構件的激光連接。而實際工程應用中異質結構件多為大型自由曲面結構。

因此，亟待開發一種纖維增強熱塑性復合材料與金屬激光壓焊方法，以解決現有技術所存在的上述問題。

發明內容

本發明的目的是提供一種纖維增強熱塑性復合材料與金屬激光壓焊方法，以解決現有技術所存在的上述問題，可以實現航空航天、汽車等領域中纖維增強熱塑性復合材料與金屬的大型三維結構件連接，有效抑制焊接缺陷的產生，保證焊接質量，提高焊接接頭的力學性能。

為實現上述目的，本發明提供了如下方案：本發明提供一種纖維增強熱塑性復合材料與金屬激光壓焊方法，包括以下步驟：

步驟1、在待焊接的金屬的接頭表面預制凸起結構；