[发明专利]一种树脂基复合材料超声-电阻混合焊接方法

说明书

一种树脂基复合材料超声‑电阻混合焊接方法，属于复合材料连接技术领域。包括以下步骤：(1)按照树脂基复合材料焊界面内部结构搭建焊接接头；(2)接通电源进行焊接；同时在焊接过程中施加超声振动；(3)超声振动结束后，在焊接区域上方施加压力；(4)冷却，完成树脂基复合材料超声‑电阻混合焊接，获得复合材料电阻焊接头。本发明将超声振动和电阻热效应巧妙结合，使焊接工艺同时吸收超声振动和电阻热效应的优势，焊接工艺简单、施工高效、无需昂贵设备、绿色环保；制备的树脂基复合材料电阻焊接头力学强度优异，成本极低，在航空、航天、汽车等复合材料连接领域具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明属于复合材料连接技术领域，具体涉及一种树脂基复合材料超声-电阻焊接方法。

背景技术

树脂基复合材料是航空航天飞行器主要的结构材料之一；复合材料结构之间的连接是飞行器制造过程关键技术。机械紧固连接、焊接和胶接技术是两种最常用的连接方式。然而，栓接、铆接等机械紧固连接需要对复合材料钻孔，影响本体力学强度，同时螺栓或铆钉使结构件整体重量增加；焊接技术和胶接则导致复合材料结构变成了不可拆卸的整体，对施工过程精度要求高、容错率低。另外，胶接技术需要长时间的固化，存在施工周期较长、效率低的缺点。

树脂熔融焊接技术是一种能够将光、电、电磁、超声等能量转变成的热量使搭接区域热塑性树脂熔化，通过热塑性树脂与粘接母材间的原子、分子扩散结合或微观机械互锁等作用连接成一体的工艺。该技术克服了胶接技术的缺点，通过再次加热能够拆卸焊接结构，对损坏焊件进行更换并形成新的焊接头，非常适合飞行器零部件装配和修复。

电阻熔融粘接技术，也称为原位植入电阻焊技术，主要通过在两个焊件的搭接区域嵌入热塑性树脂薄膜和电阻加热元件，通电加热元件产生的焦耳热使热塑性树脂薄膜熔融、冷却凝固，从而实现焊件的连接。该技术具有工艺流程简单，效率高，费用低，能连续焊接大面积区域，并且在焊接过程中不需要移动焊件等诸多优势，是一种具有广泛应用前景的连接技术。然而，电阻焊接植入体一般为金属网或碳纤维织布，在焊接过程中熔融的热塑性树脂很难实现对植入体的完全填充和包裹，从而导致无法实现树脂基复合材料的有效焊接。

超声振动在焊接过程中的应用不仅能借助超声波能量提高熔融树脂的流动性，还能促进树脂的填缝能力，同时超声换能器可以代替液压装置在焊接过程中施加压力，有助于热塑性树脂与植入体间机械互锁、物理吸附以及化学键合作用的增强，从而提高树脂电阻焊接头力学性能。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种树脂基复合材料超声-电阻混合焊接方法。

本发明解决技术问题的主要途径是通过超声振动头在复合材料电阻焊接过程中施加超声波，进而利用复合材料层合板、加热元件、热塑性薄膜等通过电加热熔融粘接工艺构筑力学性能更强的复合材料电阻焊接头。电阻发热方式提供了热塑性树脂薄膜熔融需要的热量；超声波的引入改善了熔融的热塑性树脂胶层在植入体上的浸润程度和填缝能力；热塑性薄膜的引入提供了更为丰富的粘接剂，能够密实填充接头区域空隙并粘结相关表面。以上设计均有助于树脂基复合材料电阻焊接头力学性能的改善。

本发明的一种树脂基复合材料超声-电阻混合焊接方法，包括以下步骤：

(1)将两层热塑性树脂薄膜分别置于植入体加热元件两侧，之后将该封装结构置于待焊接热塑性复合材料层合板接头区域，按照树脂基复合材料焊界面内部结构搭建焊接接头；

(2)接通电源使植入体加热元件产热进行焊接，调整电流或电压使焊接区域的最高温度为160～1000℃；焊接时间为10～300s；同时在焊接过程中施加超声振动；其中，超声振动频率为10～100KHz，振幅为2-100μm，引入超声时间为0.5～60s；

(3)超声振动结束后，通过超声波换能器在焊接区域上方施加0.1～0.5MPa压力；

(4)冷却，完成树脂基复合材料超声-电阻混合焊接，获得复合材料电阻焊接头。