一種熱固性聚合物基復(fù)合材料電阻焊接裝置及方法
【專利摘要】一種熱固性聚合物基復(fù)合材料電阻焊接裝置及方法，在熱固性聚合物基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件表面共固化一層熱塑性粘接劑得到焊接件，實(shí)現(xiàn)熱固性聚合物基復(fù)合材料的電阻焊接，焊接裝置源于一般熱塑性聚合基復(fù)合材料電阻焊接方法，同時(shí)涉進(jìn)行了改進(jìn)：首先利用加壓裝置對(duì)焊接件施加壓力，對(duì)連接在銅板線夾上的加熱電阻通入電流，同時(shí)開(kāi)啟冷卻風(fēng)扇對(duì)兩端進(jìn)行主動(dòng)冷卻，待溫控器通過(guò)K型熱電偶檢測(cè)到焊接界面溫度達(dá)到200℃后，直流穩(wěn)壓電源將會(huì)關(guān)閉，焊接界面溫度降低，冷卻形成最終的焊接接頭。本焊接方法可以有效的減小邊緣效應(yīng)，使溫度分布均勻，降低了焊接應(yīng)力，減少能源消耗。
【專利說(shuō)明】一種熱固性聚合物基復(fù)合材料電阻焊接裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種復(fù)合材料的電阻焊接方法，具體涉及一種熱固性聚合物基復(fù)合材 料電阻焊接裝置及方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 聚合物基復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、比剛度高、抗疲勞性能好、質(zhì)量輕、可設(shè)計(jì)性好、 耐化學(xué)腐蝕、介電性能好、容易整體成型等特點(diǎn)，被越來(lái)越多的用在航空航天、交通運(yùn)輸、建 筑工業(yè)、醫(yī)療器械等領(lǐng)域。其中熱固性聚合物基體以其綜合性能優(yōu)異、工藝性好、價(jià)格低等 諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛輕量化結(jié)構(gòu)件制造領(lǐng)域，特別是航空航天領(lǐng)域，以A400M、波音787飛機(jī)為 例，復(fù)合材料分別占飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量的36%和50%，其中，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)基本為環(huán)氧樹(shù)脂基 類。一般，對(duì)聚合基復(fù)合材料工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接技術(shù)有機(jī)械連接、膠接、熔融連接，由于機(jī)械 連接易產(chǎn)生應(yīng)力集中等缺陷，而膠接較長(zhǎng)的固化時(shí)間和表面預(yù)處理要求，需要耗費(fèi)大量的 時(shí)間和勞力。熔融連接技術(shù)可以克服機(jī)械連接和膠接所具有的上述缺點(diǎn)，熔融連接技術(shù)按 熱量的產(chǎn)生機(jī)理可以分為熱熔焊接（熱氣焊、熱板焊、紅外焊接、激光焊）、摩擦焊（旋轉(zhuǎn)焊、 振動(dòng)焊、超聲波焊、攪拌摩擦焊）、電磁焊（感應(yīng)焊、電阻焊、電介質(zhì)焊、微波焊），而其中最具 吸引力的加熱方法是在加熱時(shí)僅僅加熱復(fù)合材料基體焊接表面，使其受熱熔化，而不影響 基體的其它部分，同時(shí)也不會(huì)影響到纖維增強(qiáng)相。由于其纖維增強(qiáng)相的存在和多層的復(fù)合 材料結(jié)構(gòu)，靠基體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)摩擦生熱的方法，如旋轉(zhuǎn)焊接、振動(dòng)焊接等會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料增 強(qiáng)纖維的變形和移動(dòng)以及基體未焊接部分微觀結(jié)構(gòu)的破壞。在上述熔融焊接技術(shù)中，超聲 波焊、感應(yīng)焊和電阻焊接被認(rèn)為是焊接聚合物基復(fù)合材料最理想的焊接方法。
[0003] (1)超聲波焊
[0004] 超聲波焊接是聚合物基復(fù)合材料熔融連接最常用的方法之一，在許多航空、航天、 汽車零部件和醫(yī)療器械等領(lǐng)域廣泛使用。超聲波焊接是一個(gè)快速的焊接過(guò)程，焊接效率高， 焊接過(guò)程中復(fù)合材料界面阻抗所表現(xiàn)出的與熔融聚合物的某種關(guān)系也使在線監(jiān)測(cè)焊接過(guò) 程成為可能，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，批量生產(chǎn)。在超聲波焊接中，被連接件在一定壓力作用下使 焊接部位靠在一起，然后再施加垂直焊接區(qū)的高頻超聲振動(dòng)，在界面和分子間摩擦的作用 下產(chǎn)生熱量，當(dāng)溫度升高到一定值時(shí)，加壓，冷卻，凝固形成焊接接頭。在超聲波焊接中，能 量通常會(huì)集中于焊接表面的突起周圍，根據(jù)這一現(xiàn)象可以在零件的焊接部位預(yù)成型一個(gè)導(dǎo) 能筋（energy directors),振動(dòng)過(guò)程中能量集中在這些導(dǎo)能筋上，使其最先開(kāi)始烙化，然后 施加一定壓力，流動(dòng)的熔融聚合物潤(rùn)濕連接界面，同時(shí)造成聚合物分子鏈在界面的擴(kuò)散和 纏繞，最終形成焊接接頭。影響超聲波焊接過(guò)程主要因素有頻率、壓力、振幅和焊接時(shí)間，在 焊接過(guò)程中需要合理選擇這些參數(shù)以期達(dá)到所希望的焊接效果。
[0005] (2)感應(yīng)焊
[0006] 聚合物基復(fù)合材料的感應(yīng)焊接方法是一種焊接件與感應(yīng)線圈不直接接觸的焊接 方法，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)感應(yīng)線圈，可以使熱量只產(chǎn)生在希望焊接的區(qū)域，可以用來(lái)焊接具有 不規(guī)則表面的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。其原理很簡(jiǎn)單，類似于電磁爐的加熱機(jī)理，在一個(gè)導(dǎo)電線圈中通入 交變電壓，將在線圈中將產(chǎn)生交變的電流，在線圈的周圍就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與電流頻率相同的 交變磁場(chǎng)，將一個(gè)植入了鐵磁性物質(zhì)的聚合物基復(fù)合材料置于此交變磁場(chǎng)中，就會(huì)產(chǎn)生渦 電流，由焦耳定律可知就會(huì)有熱量產(chǎn)生。當(dāng)溫度超過(guò)聚合物基復(fù)合材料的熔點(diǎn)后熔化，施加 一定的壓力，冷卻，形成了焊接接頭。一個(gè)成功的熔融焊接過(guò)程需要在焊接區(qū)域形成一個(gè)均 勻的溫度分布，而對(duì)于感應(yīng)焊接來(lái)說(shuō)，影響焊接區(qū)域溫度分布的主要的因素取決于導(dǎo)電線 圈的設(shè)計(jì)和植入的鐵磁性物質(zhì)。這些鐵磁性物質(zhì)可以是鐵粒子、氧化鐵粒子、不銹鋼、石墨 等，不同的鐵磁性物質(zhì)的具有不同的生熱效率。感應(yīng)焊接中導(dǎo)電線圈的設(shè)計(jì)是一個(gè)很重要 的參數(shù)，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)線圈可以產(chǎn)生一個(gè)盡量均勻的交變磁場(chǎng)，從而可以使熱量分布更 加均勻，最終形成一個(gè)高質(zhì)量的感應(yīng)焊接接頭。
[0007] (3)電阻焊
[0008] 電阻焊是電磁焊接技術(shù)的一種，聚合基復(fù)合材料電阻焊接的焊接時(shí)間和對(duì)設(shè)備的 需求及操作簡(jiǎn)單、成本低。聚合物基復(fù)合材料的電阻焊接又叫電阻植入焊、電熔化焊，已經(jīng) 發(fā)展成為焊接聚合物基復(fù)合材料的較為有效的方法。焊接方法是將加熱電阻（碳纖維加熱 元件或金屬網(wǎng)加熱元件）放置在兩復(fù)合材料焊接表面之間，然后在加熱電阻中通入電流。 當(dāng)加熱溫度達(dá)到非晶體體聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和半晶態(tài)聚合物的熔化溫度后，復(fù)合材 料基體就開(kāi)始熔化，當(dāng)熔化達(dá)到一定程度后關(guān)閉電源，施加一適當(dāng)?shù)膲毫?，冷卻，形成最終 的接頭。在電阻焊接過(guò)程中，施加一適當(dāng)?shù)膲毫苤匾梢源龠M(jìn)層壓板焊接表面的緊密 接觸和界面間的分子融合。為了盡量提高焊接質(zhì)量，應(yīng)當(dāng)控制影響最終焊接質(zhì)量的各種參 數(shù)，如加熱元件的電阻、輸入功率、夾緊壓力等。由于焊接完成后，加熱元件仍然殘留在接頭 中，會(huì)對(duì)焊接質(zhì)量產(chǎn)生很大影響，這時(shí)就要求加熱元件和被焊件之間有很好的相容性?？梢?在加熱元件和被焊接件之間放置一層聚合物薄膜，不僅可以使加熱元件和被焊接件的導(dǎo)電 部分之間絕緣，而且可以產(chǎn)生一個(gè)樹(shù)脂富集區(qū)來(lái)促進(jìn)擴(kuò)散過(guò)程，從而提高焊接質(zhì)量。
[0009] 上述聚合物基復(fù)合材料的焊接方法可以有效的用來(lái)焊接熱塑性聚合物基復(fù)合材 料，熱固性樹(shù)脂是一類具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的交聯(lián)高分子材料，具有良好的力學(xué)性能、電性能及粘 結(jié)性能，但是，熱固性樹(shù)脂的交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)使其固化后不能二次熔融，故不能使用焊接的方 法直接連接熱固性聚合物基復(fù)合材料。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明的目的在于提供一種熱固性聚合物基復(fù)合材料的電阻焊接方法，以解決熔 融連接技術(shù)不能應(yīng)用于熱固性聚合物基復(fù)合材料的問(wèn)題，同時(shí)還可以有效的解決焊接時(shí)的 電流泄漏、邊緣效應(yīng)問(wèn)題，提高了焊接質(zhì)量。
[0011] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的熱固性聚合物基復(fù)合材料電阻焊接裝置包括殼 體、設(shè)于殼體內(nèi)的加熱電阻、用于放置加熱電阻的絕緣隔熱夾具以及用于對(duì)熱固性聚合物 基復(fù)合材料焊接件施加〇. 4?I. OMPa壓力的加壓裝置，加熱電阻的兩面各覆有一層熱塑性 塑料膜；加熱電阻通過(guò)直流穩(wěn)壓電源與溫控器相連，溫控器連接有能夠檢測(cè)焊接面溫度的 第一 K型熱電偶；加熱電阻的兩端還分別設(shè)有冷卻風(fēng)扇。
[0012] 所述的加熱電阻采用單向和/或編織的碳纖維布，熱塑性塑料膜的厚度為50? 100 μ m〇
[0013] 所述的殼體內(nèi)設(shè)有支撐臺(tái)，支撐臺(tái)上固定有U型支撐架，絕緣隔熱夾具安放在U型 支撐架上，U型支撐架的兩端分別設(shè)有用于連接加熱電阻的銅板線夾，銅板線夾與直流穩(wěn)壓 電源相連。
[0014] 所述的殼體內(nèi)設(shè)有溫度數(shù)據(jù)記錄儀，溫度數(shù)據(jù)記錄儀與用于監(jiān)控焊接面溫度分布 的第二、三、四、五K型熱電偶相連。
[0015] 所述的加壓裝置采用連接手動(dòng)液壓泵的活塞桿頭。
[0016] 一種基于熱固性聚合物基復(fù)合材料電阻焊接裝置的電阻焊接方法，在熱固性環(huán)氧 樹(shù)脂層壓板的待焊接面共固化一層與熱塑性塑料膜具有相容性的粘接劑薄膜，形成熱固性 聚合物基復(fù)合材料焊接件，然后將熱固性聚合物基復(fù)合材料焊接件放置在絕緣隔熱夾具 中，再將加熱電阻放置在熱固性聚合物基復(fù)合材料焊接件的待焊接面，利用加壓裝置對(duì)待 焊接面施加壓力，將加熱電阻的兩端連接到直流穩(wěn)壓電源上并接通直流穩(wěn)壓電源，同時(shí)打 開(kāi)冷卻風(fēng)扇，待溫控器通過(guò)第一 K型熱電偶檢測(cè)到焊接面中間的溫度達(dá)到200°C后，關(guān)閉直 流穩(wěn)壓電源，焊接面保壓冷卻成最終焊接接頭。
[0017] 所述的粘接劑薄膜厚度為50?120 μ m，直流穩(wěn)壓電源所提供的電源為10?40V。
[0018] 所述的加壓裝置采用連接手動(dòng)液壓泵的活塞桿頭；利用加壓裝置對(duì)焊接面施加壓 力時(shí),壓下手動(dòng)液壓泵,通過(guò)活塞桿頭對(duì)焊接面施加0. 4?I. OMPa的壓力。
[0019] 所述的殼體內(nèi)設(shè)有支撐臺(tái)，支撐臺(tái)上固定有U型支撐架，絕緣隔熱夾具安放在U型 支撐架上，U型支撐架的兩端分別設(shè)有用于連接加熱電阻的銅板線夾，銅板線夾與直流穩(wěn)壓 電源相連；將加熱電阻的兩端接銅板線夾上，且銅板線夾的夾緊壓力為4?20MPa。
[0020] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：
[0021] 本發(fā)明通過(guò)在熱固性環(huán)氧樹(shù)脂層壓板的表面共固化一層與熱塑性塑料膜具有相 容性的粘接劑薄膜，這樣就可以有效的用來(lái)進(jìn)行熱固性聚合物基復(fù)合材料的電阻焊接，這 樣就能解決熱固性聚合物基復(fù)合材料的電阻焊焊接問(wèn)題。同時(shí)，本發(fā)明在加熱電阻兩端布 置了冷卻風(fēng)扇，冷卻風(fēng)扇能夠在焊接件進(jìn)行焊接時(shí)進(jìn)行降溫，以降低邊緣效應(yīng)。而絕緣隔熱 夾具能夠以提供良好的絕緣和絕熱措施，以防止熱量和電流的散失，因此，本發(fā)明能夠改善 了焊接時(shí)邊緣效應(yīng)及電流泄漏的問(wèn)題，使焊接界面的溫度分布更加均勻。
[0022] 進(jìn)一步，本發(fā)明還在殼體內(nèi)設(shè)有溫度數(shù)據(jù)記錄儀，溫度數(shù)據(jù)記錄儀與用于監(jiān)控焊 接面溫度分布的第二、三、四、五K型熱電偶相連，當(dāng)?shù)诙?、三、四、五K型熱電偶檢測(cè)到溫度 均已達(dá)到200°C后，第一 K型熱電偶檢測(cè)將信號(hào)反饋給溫控器，溫控器斷開(kāi)電源，這樣就能 保證焊接面的溫度分布均勻。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0023] 圖1是本發(fā)明實(shí)施原理圖。
[0024] 圖2是焊接件的示意圖
[0025] 圖3是本焊接方法控制焊接溫度的功能模塊圖；
[0026] 其中，1、手動(dòng)液壓泵，2、殼體，3、活塞桿頭，4、壓力表，5、絕緣隔熱夾具，6、銅線夾 板，7、第一 K型熱電偶，8、溫控器，9、冷卻風(fēng)扇，10、直流穩(wěn)壓電源，11、U型支撐架，12、溫度 數(shù)據(jù)記錄儀，13、熱固性聚合物基復(fù)合材料焊接件，14、加熱電阻，15、粘接劑薄膜，16、熱固 性環(huán)氧樹(shù)脂層壓板。

【具體實(shí)施方式】
[0027] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0028] 參見(jiàn)圖1，本發(fā)明熱固性聚合物基復(fù)合材料電阻焊接裝置包括殼體2以及設(shè)于殼 體2內(nèi)的加熱電阻14、用于放置加熱電阻14的絕緣隔熱夾具5以及用于對(duì)熱固性聚合物基 復(fù)合材料焊接件13施加0. 4?I. OMPa壓力的加壓裝置，加壓裝置采用連接手動(dòng)液壓泵1 的活塞桿頭3,活塞桿頭3的頂部設(shè)有壓力表，加熱電阻14的兩面各覆有一層厚度為50? 100 μ m的熱塑性塑料膜；加熱電阻14采用單向和/或編織的碳纖維布，加熱電阻14的兩面 各覆有一層熱塑性塑料膜；殼體2內(nèi)還設(shè)有支撐臺(tái)，支撐臺(tái)上固定有U型支撐架11，絕緣隔 熱夾具5安放在U型支撐架11上，U型支撐架11的兩端分別設(shè)有用于連接加熱電阻14的 銅板線夾6,銅板線夾6與直流穩(wěn)壓電源10相連，直流穩(wěn)壓電源10與溫控器8相連。溫控 器8連接有能夠檢測(cè)焊接面溫度的第一 K型熱電偶7 ;殼體12內(nèi)設(shè)有溫度數(shù)據(jù)記錄儀12， 溫度數(shù)據(jù)記錄儀12與用于監(jiān)控焊接面溫度分布的第二、三、四、五K型熱電偶相連。
[0029] 參見(jiàn)圖1-3, 一種基于上述熱固性聚合物基復(fù)合材料電阻焊接裝置的電阻焊接方 法為：在12層碳纖維預(yù)浸料構(gòu)成的熱固性環(huán)氧樹(shù)脂層壓板16的待焊接面高溫共固化一層 與熱塑性塑料膜具有相容性的粘接劑薄膜15,形成熱固性聚合物基復(fù)合材料焊接件13,粘 接劑薄膜15的厚度為50?120 μ m，然后將熱固性聚合物基復(fù)合材料焊接件13放置在絕 緣隔熱夾具5中，再將加熱電阻14放置在熱固性聚合物基復(fù)合材料焊接件13的待焊接面， 利用活塞桿頭3對(duì)待焊接面施加0. 4?I. OMPa的壓力，將加熱電阻14的兩端連接到銅板 線夾6,且使銅板線夾6的夾緊壓力為4?20MPa，然后接通直流穩(wěn)壓電源10,直流穩(wěn)壓電 源10所提供的電源為10?40V，同時(shí)打開(kāi)冷卻風(fēng)扇9,第一、二、三、四、五K型熱電偶檢測(cè) 到焊接面中間的溫度達(dá)到200°C后（溫度數(shù)據(jù)記錄儀12在檢測(cè)焊接面溫度的過(guò)程中記錄焊 接面的溫度），關(guān)閉直流穩(wěn)壓電源10,焊接面保壓冷卻成最終焊接接頭。本焊接方法中所述 的粘接劑薄膜材料見(jiàn)表1，
[0030] 表 1
[0031]

【權(quán)利要求】
1. 一種熱固性聚合物基復(fù)合材料電阻焊接裝置，其特征在于：包括殼體（2)、設(shè)于殼體 ⑵內(nèi)的加熱電阻（14)、用于放置加熱電阻（14)的絕緣隔熱夾具（5)以及用于對(duì)熱固性聚 合物基復(fù)合材料焊接件（13)施加0. 4?1. OMPa壓力的加壓裝置，加熱電阻（14)的兩面各 覆有一層熱塑性塑料膜；加熱電阻（14)通過(guò)直流穩(wěn)壓電源（10)與溫控器（8)相連，溫控器 (8)連接有能夠檢測(cè)焊接面溫度的第一 K型熱電偶（7);加熱電阻（14)的兩端還分別設(shè)有 冷卻風(fēng)扇（9)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱固性聚合物基復(fù)合材料電阻焊接裝置，其特征在于：所述 的加熱電阻（14)采用單向和/或編織的碳纖維布，熱塑性塑料膜的厚度為50?100 μ m。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱固性聚合物基復(fù)合材料電阻焊接裝置，其特征在于：所述 的殼體（2)內(nèi)設(shè)有支撐臺(tái)，支撐臺(tái)上固定有U型支撐架（11)，絕緣隔熱夾具（5)安放在U型 支撐架（11)上，U型支撐架（11)的兩端分別設(shè)有用于連接加熱電阻（14)的銅板線夾（6)， 銅板線夾（6)與直流穩(wěn)壓電源（10)相連。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱固性聚合物基復(fù)合材料電阻焊接裝置，其特征在于：所述 的殼體（2)內(nèi)設(shè)有溫度數(shù)據(jù)記錄儀（12)，溫度數(shù)據(jù)記錄儀（12)與用于監(jiān)控焊接面溫度分布 的第二、三、四、五K型熱電偶相連。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱固性聚合物基復(fù)合材料電阻焊接裝置，其特征在于：所述 的加壓裝置采用連接手動(dòng)液壓泵（1)的活塞桿頭（3)。
6. -種基于權(quán)利要求1所述的熱固性聚合物基復(fù)合材料電阻焊接裝置的電阻焊接方 法，其特征在于：在熱固性環(huán)氧樹(shù)脂層壓板（16)的待焊接面共固化一層與熱塑性塑料膜具 有相容性的粘接劑薄膜（15)，形成熱固性聚合物基復(fù)合材料焊接件（13)，然后將熱固性聚 合物基復(fù)合材料焊接件（13)放置在絕緣隔熱夾具（5)中，再將加熱電阻（14)放置在熱固 性聚合物基復(fù)合材料焊接件（13)的待焊接面，利用加壓裝置對(duì)待焊接面施加壓力，將加熱 電阻（14)的兩端連接到直流穩(wěn)壓電源（10)上并接通直流穩(wěn)壓電源（10)，同時(shí)打開(kāi)冷卻風(fēng) 扇（9)，待溫控器（8)通過(guò)第一 K型熱電偶（7)檢測(cè)到焊接面中間的溫度達(dá)到200°C后，關(guān) 閉直流穩(wěn)壓電源（10)，焊接面保壓冷卻成最終焊接接頭。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的電阻焊接方法，其特征在于：所述的粘接劑薄膜（16)厚度為 50?120 μ m，直流穩(wěn)壓電源（10)所提供的電源為10?40V。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的電阻焊接方法，其特征在于：所述的加壓裝置采用連接手動(dòng) 液壓泵（1)的活塞桿頭（3);利用加壓裝置對(duì)焊接面施加壓力時(shí)，壓下手動(dòng)液壓泵（1)，通過(guò) 活塞桿頭（3)對(duì)焊接面施加0. 4?1. OMPa的壓力。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6或8所述的電阻焊接方法，其特征在于：所述的殼體（2)內(nèi)設(shè)有支 撐臺(tái)，支撐臺(tái)上固定有U型支撐架，絕緣隔熱夾具（5)安放在U型支撐架上，U型支撐架的兩 端分別設(shè)有用于連接加熱電阻（14)的銅板線夾（6)，銅板線夾（6)與直流穩(wěn)壓電源（10)相 連；將加熱電阻（14)的兩端接銅板線夾（6)上，且銅板線夾（6)的夾緊壓力為4?20MPa。
【文檔編號(hào)】B29C65/34GK104228059SQ201410474896
【公開(kāi)日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2014年9月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月17日
【發(fā)明者】謝磊, 劉洪波, 劉鶴峰, 段玉崗, 李滌塵 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)