[发明专利]一种金属板材与碳纤维复合材料的复合连接工艺

说明书

本发明公开了一种金属板材与碳纤维复合材料的复合连接工艺，包括以下步骤：在碳纤维板的连接区域加工一个圆孔，并将垫圈放置于圆孔中；将碳纤维板的圆孔周围表面和垫圈两侧端面均涂覆上胶黏剂；将电爆炸铝箔、辅助飞板、带有垫圈的碳纤维板和待连接的金属板依次叠放于下垫板上；将上垫板紧压于电爆炸铝箔上；启动电爆炸铝箔产生高速冲击力，使得辅助飞板在垫圈周围的材料产生高速塑性变形，并胀形穿过垫圈内孔高速冲击碰撞金属板形成焊接接头；对焊接接头施加辐射升温，使碳纤维板和金属板之间的胶黏剂固化。实现了金属板材与碳纤维板材之间的复合连接，形成的接头性能较好，提高了连接效率和连接质量，降低了加工成本。

技术领域

本发明涉及材料加工技术领域，具体涉及一种金属板材与碳纤维复合材料的复合连接工艺。

背景技术

近年来，轻量化是汽车、航空、航天工业的发展趋势，轻质高强度材料的运用是轻量化的重要途径，因此碳纤维复合材料在汽车、航空等先进制造领域的应用日益增加。然而碳纤维复合材料存在成本高、耐温性差等缺陷，因而综合考虑轻量化的成本和效果，多材料混用，充分发挥金属材料与碳纤维复合材料各自优势，已成为现代轻量化结构设计的明智选择。但是，金属与碳纤维复合材料由于物理属性差异较大，连接较为困难。因而解决金属/碳纤维复合材料连接难题、发展高效高可靠性的连接工艺对现代制造工程具有重要意义。

由于碳纤维复合材料(CFRP)是由高分子材料与碳纤维材料构成的复合材料，其与金属材料难于通过传统的金属焊接方法如熔化焊、钎焊、摩擦焊等进行高可靠性连接。目前金属与碳纤维采用的连接方法主要是机械连接、胶接和机械-胶接复合连接等。

上述方法用于连接金属与碳纤维板材存在一些缺陷：(1)机械连接主要采用螺栓或铆钉进行连接，制备的金属/CFRP接头一般承受纵向载荷，抗扭转强度差，在连接过程中如果导致摩擦面错动，改变结构的受力状态，可能会导致连接失稳；(2)由于存在铆钉或螺栓，增加了接头重量，大批量应用(如车身上需要多个焊点时)将使产品重量和成本大幅提升；(3)粘接主要是借助结构胶将同种或异种材料牢固的连接在一起。用这种连接方法制备的金属/CFRP接头的抗剥离强度和抗冲击强度，接头性能一般低于母材；且由于胶黏剂在连接件表面的浸润不均会导致胶黏剂层疏松或产生气泡，影响连接强度；采用超声波振动辅助胶接方法可以提高胶黏剂在CFRP和金属表面的浸润性，提升胶接接头强度，但由于接头强度仍取决于胶粘剂本身强度，接头抗拉能力提升有限。(4)采用机械-胶接复合连接工艺可以利用机械连接优势提高抗拉强度，利用胶接工艺提高抗扭强度，但仍存在机械连接接头重量大的缺点。

本发明针对汽车、航空航天领域的轻量化要求，提出一种轻量化金属板材与碳纤维焊接-胶接复合连接的方法，结合高速冲击焊与胶接连接特点，可以有效解决金属与碳纤维复合材料连接难题。通过该方法制得的接头具有连接性能好、重量轻的优点。

其原理在于，采用电爆炸高速冲击焊使夹住碳纤维板的金属板材在常温下发生焊接，从而通过碳纤维板上的预制孔对碳纤维板形成紧密铆接；同时涂覆在碳纤维板表面的胶接剂在爆炸冲击高频脉冲场下产生超高频振动流动，从而充分浸润金属板材与碳纤维板接合面，形成良好胶接；两种连接效应协同作用，形成了金属板材与碳纤维焊接-胶接复合连接接头。

其工艺特点在于，高强金属板间的冶金接头和塑性变形部分材料在CFRP预制孔内形成了一个“空心铆钉”，提高了接头的抗拉能力；同时胶黏剂使得CFRP与金属表面形成紧密连接，提高了接头的抗扭能力；接头纵向拉伸性能高于或相当于铆接或栓接接头，由于胶黏剂的存在接头能够承受更强的扭转载荷；轻量化金属板材采用电爆炸高速冲击连接，连接时无需焊接高温输入(如熔焊)，可有效避免金属板采用常规焊接(如熔焊)工艺时胶黏剂受高温提前固化与失效；并且，由于电爆炸高速冲击焊时金属板材在高频脉冲冲击力的作用下塑性变形与连接板碰撞连接，冲击板同时受到高频振动，会对金属与碳纤维板表面的胶黏剂产生超声振动效果，增强了胶接剂对连接结合面的浸润性能，提高胶接性能。因此本复合连接工艺结合了高速冲击连接、胶接、超声振动辅助胶接、铆接的优点，连接性能好，接头质量轻。

发明内容