[發明專利]一種金屬與熱塑性材料的超聲波焊接方法

在審

• 申請號: 202310037403.2
• 申請日: 2023-01-10
• 公開（公告）號: CN115972588A
• 公開（公告）日: 2023-04-18
• 發明（設計）人: 李洋;劉澤光;李一昂;王天政;楊越
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: B29C65/08
• 分類號: B29C65/08;B29C65/00
• 代理公司: 北京風雅頌專利代理有限公司 11403
• 代理人: 陳莉

本申請提供一種金屬與熱塑性材料的超聲波焊接方法，包括對金屬工件的第一表面進行預處理，得到預處理區域；將所述金屬工件與熱塑性工件搭接，所述金屬工件的預處理區域與所述熱塑性工件接觸；將搭接后的所述金屬工件與熱塑性工件固定于第一超聲波焊機與第二超聲波焊機之間；其中，所述第一超聲波焊機的焊頭與所述金屬工件遠離所述預處理區域的表面接觸，所述第二超聲波焊機的焊頭與所述熱塑性工件遠離所述金屬工件的表面接觸；同時啟動所述第一超聲波焊機與第二超聲波焊機進行超聲波焊接，至達到焊接終止條件，停止超聲波焊接。本方法可以提高焊接效率和接頭強度，提高可焊工件的厚度上限，增強超聲波焊接的適用性。

技術領域

本申請涉及材料連接技術領域，尤其涉及一種金屬與熱塑性材料的超聲波焊接方法。

背景技術

近年來，隨著全球能源危機的日益嚴峻，倡導節能減排已成為許多行業領域的首要任務，而實現輕量化對減少能源消耗和節能減排有著重要的意義。對于航空、軌道交通以及汽車等行業，結構輕量化可以有效地降低油耗及減少尾氣排放，因此在進行產品設計時考慮采用輕質材料代替傳統金屬可以減少能源消耗，這對節約能源具有重要的實際意義。在輕量化材料中，碳纖維增強熱塑性復合材料(Carbon?Fiber?ReinforcedThermoplastic,CFRTP，簡稱熱塑性材料)因其低密度、高比強度、良好的耐腐蝕性、可回收、可焊接等優點，正成為新一代輕量化材料。在制造過程中采用CFRTP來替代金屬構件可以在保證強度的同時減少重量，從而實現輕量化，但是在產品的裝配過程中涉及大量CFRTP與金屬(如鋁合金、鈦合金、高強鋼)的連接。由于CFRTP與金屬的物理、化學性能差異巨大，如何獲得魯棒、高強度的CFRTP/金屬異質接頭已成為制約CFRTP大規模應用的技術瓶頸。

目前，CFRTP與金屬的連接大多是通過機械連接和膠接的方式。機械連接是通過在金屬和CFRTP薄板上預制孔，通過這些孔用鉚釘或其他緊固件將金屬和CFRTP薄板連接。這種方法不僅會在鉆孔區域產生應力集中，而且增加的零部件還會增加接頭的重量，并且這種連接方式不太適合厚度比較厚的金屬或CFRTP板。雖然膠接可以避免預制孔，但額外的表面處理技術、較長的固化時間和環境敏感性會降低其適應性。

因此，找到一種新的連接方式用于連接金屬與熱塑性材料是亟需解決的問題。

發明內容

有鑒于此，本申請的目的在于提出一種金屬與熱塑性材料的超聲波焊接方法。

基于上述目的，本申請提供了一種金屬與熱塑性材料的超聲波焊接方法，包括：

對金屬工件的第一表面進行預處理，得到預處理區域，所述預處理區域至少覆蓋所述金屬工件的待焊區域；

將所述金屬工件與熱塑性工件搭接，所述金屬工件的預處理區域與所述熱塑性工件接觸；

將搭接后的所述金屬工件與熱塑性工件固定于第一超聲波焊機與第二超聲波焊機之間；其中，所述第一超聲波焊機的焊頭與所述金屬工件遠離所述預處理區域的表面接觸，所述第二超聲波焊機的焊頭與所述熱塑性工件遠離所述金屬工件的表面接觸；

同時啟動所述第一超聲波焊機與第二超聲波焊機進行超聲波焊接，至達到焊接終止條件，停止超聲波焊接。

進一步地，所述金屬工件厚度小于或等于4mm，所述熱塑性工件的厚度小于或等于6mm。

進一步地，所述第一超聲波焊機的第一焊頭面積與所述第二超聲波焊機的第二焊頭面積的面積差異率n小于或等于20％，n＝(S1-S2)/S2，其中，S1為第一焊頭面積和第二焊頭面積中面積較大的數值，S2為第一焊頭面積和第二焊頭面積中面積較小的數值。

進一步地，所述第一超聲波焊機與第二超聲波焊機進行超聲波焊接的焊接壓力相同。

進一步地，所述第一超聲波焊機與第二超聲波焊機同軸設置。