[发明专利]一种调控复合材料与金属胶接固化残余应力的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种调控胶接复合结构残余应力的方法。

背景技术

近年来，复合材料以比强度高、比刚度大等特点，在航空航天领域得到的广泛应用。由于结构设计和工艺需求的限制，复合材料构件的发展还难以实现结构的整体性，不可避免地会出现复合材料之间以及复合材料与金属之间的连接，其中复合材料与金属之间的连接越来越受到人们的关注，这种异构结构的连接方式主要包括胶接和机械连接二种，胶接与机械连接相比具有能够减轻构件重量、提高接头的疲劳寿命、耐环境能力强和适用材料范围广等独特的优点，因而将逐步取代机械连接而被广泛应用于复合材料与金属之间的连接。在胶接固化过程中，复合材料与金属材料在各方向的弹性模量、导热系数、热膨胀系数存在很大的差异，必然会产生较大的残余应力，这对这种异构材料的力学性能有很大的影响，会降低材料的疲劳强度、抗应力腐蚀性能、尺寸的稳定性及使用寿命等。如何降低或消除材料中的这种残余应力，一直是制造工艺中迫切需要解决的一个关键技术问题。

目前，对胶接结构残余应力的处理主要分为两类：一类是前处理，从固化工艺上着手，采用较低的固化温度，延长固化持续时间，降低固化升温及冷却速率，尽量保持均匀的温度场等。虽然在低温固化体系中可以明显的降低残余应力，但固化周期太长，严重影响生产效率；设备要求高，大幅提高了生产成本；不适合高温固化体系，难以得到推广。另一类是比较传统的后处理，对制备好的试件进行热处理、加静载及机械振动等，这些方法都是使试件发生屈服变形，产生应力松弛，从而降低或消除残余应力，虽然在现代的工业得到了广泛的应用，但它们各自都存在着明显的不足，如热处理法的加热设备造价高、能耗高、辅助设备多、试件表面易氧化、较高的温度还会破坏材料的微观组织结构，影响材料的性能；机械振动法施加的强振动对胶接复合结构的疲劳寿命的影响等尚不明确，也有学者研究认为，机械振动法只能降低材料残余应力峰值，而不能降低材料内部的平均残余应力。由于这些方法的不足限制了各自的使用范围，因此，寻找新的更有效的调控残余应力的方法具有十分重要的意义。

发明内容

为了克服现有技术固化周期长、设备要求高、不适合高温固化体系或设备造价高、能耗高、辅助设备多、试件表面易氧化等不足，本发明提供一种调控复合材料与金属胶接固化残余应力的方法，通过在固化前对板件施加预应力，来提供一种可以简单、有效调控复合材料与金属胶接板件残余应力的方法，使其针对不同的搭接接头形式，均可以根据需要的残余应力水平与性质，制备出相应的胶接结构件，并且不破坏材料的微观组织结构，不影响胶接结构的力学性能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

第一步，建立残余应力力学模型

根据二元应力下复合材料和金属的应力应变关系，建立残余应力的力学模型，得到预应力与残余应力的关系。

第二步，计算施加预应力值

根据所需制备试件残余应力的水平和性质，结合选定的材料及材料属性参数，利用第一步建立出的预应力与残余应力的关系，计算出金属板横向和纵向所需要施加的预应力的大小和方向。

第三步，制备试件

按照胶粘剂工艺规定的要求对复合材料与金属分别进行表面处理，然后涂胶，将两个试件涂有胶粘剂的表面粘合到一起，晾置后将粘接好试件放入相应的固化夹具中，驱动夹头夹紧胶接件并通过压力传感器实时监测预应力，使对金属板施加预应力达到第二步的计算值，放入热压罐中进行固化，当胶粘剂完全固化后，温度降至室温时从夹具中取出试件。

第四步，测量与检验

对试件的残余应力进行测量与检验，选出满足制备要求的试件，实现对复合材料与金属胶接件的残余应力设计和调控。

本发明的有益效果是：本发明提供了一种简单、有效、适用范围广的调控复合材料与金属胶接固化残余应力的方法，第一，从胶接结构固化残余应力产生的根源着手，从本质上消除残余应力，不破坏材料的微观组织结构，不影响胶接结构的力学性能；第二，可以根据工程需要的残余应力的水平和性质，制备出相应的胶接件；第三，适用多种搭接形式，制备只需要根据具体的搭接形式制定相应的固化夹具，设备简单、成本低，无延长固化周期，不影响生产效率。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图说明

图1是本发明实现的流程图；

图2是单搭接结构预应力加载方式示意图；

图3是单搭接固化夹具示意图；

图中，1夹具底座，2摇杆，3滑块，4可卸夹头，5固定螺栓；