[发明专利]一种界面夹杂增强的热塑性复合材料超声波焊接方法

说明书

本发明公开了一种界面夹杂增强的热塑性复合材料超声波焊接方法，采用碳纳米管、石墨烯、SiC颗粒或高强度金属网钉在第一纤维增强热塑性复合材料板的待焊接区域上制备界面夹杂区；将第二纤维增强热塑性复合材料板待焊接区域搭接在第一纤维增强热塑性复合材料板的界面夹杂区上，并固定在砧座上；用超声波焊头在第二纤维增强热塑性复合材料板待焊接区域正上方施加垂直于工件交界面的焊接压力和正弦位移载荷，焊接完毕后使用超声波焊头对焊接接头保压并冷却后卸载，完成焊接。本发明极大地提升焊接接头的抗拉/剥离强度。

技术领域

本发明属于热塑性复合材料超声波连接技术领域，具体涉及一种界面夹杂增强的热塑性复合材料超声波焊接方法。

背景技术

超声波点焊接头的刚度和剪切强度几乎与机械紧固接头相当或更高，但由于超声焊接的热塑性复合材料制品存在抗拉/剥离强度较低的问题，导致在工程领域，超声波焊接很少用于连接碳纤维增强热塑性塑料结构。

焊接接头的界面强度直接决定了纤维增强热塑性复合材料超声焊接接头的强度，而纤维表面过度平滑，化学惰性和低表面能，焊接界面处的纤维与树脂间的抗剥离强度低，同时树脂基体的强度低，在承受载荷时由于焊接接头界面树脂基体的剪切破坏和纤维与树脂基体的剥离破坏而容易发生过早失效。

为了发挥超声波焊接热塑性复合材料的快速、高效和接头美观等突出优势，必须从提高焊接界面处树脂基体强度和纤维与树脂基体之间抗剥离强度两方面对焊接界面进行增强，从而提高焊接接头连接强度，制造出符合实际工业生产的高强度超声波焊接接头。

在树脂基体中混入碳纳米管、石墨烯或SiC颗粒，不仅可以显著提高树脂基体的强度，同时纤维增强树脂基复合材料中的碳纳米管、石墨烯或SiC颗粒可附着在碳纤维表面形成“倒刺”微结构，从而提高复合材料中纤维与树脂基体之间抗剥离强度。因而可以在焊接界面处夹杂碳纳米管、石墨烯或SiC颗粒，使其在超声波振动作用下混入焊接界面的树脂基体和纤维之间，从而提高焊接界面处树脂基体强度和纤维与树脂基体之间抗剥离强度，极大提升焊接接头的抗拉/剥离强度。

或者可以直接在焊接界面夹杂放置高强度金属网钉，高强度金属网钉在超声振动作用下，直接嵌入焊接接头纤维中形成钉扎效应，从而实现焊接接头的载荷通过高强度金属网钉在纤维间有效传递，亦可极大提升焊接接头的抗拉/剥离强度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种界面夹杂增强的热塑性复合材料超声波焊接方法，实现焊接接头的载荷通过高强度金属网钉在纤维间有效传递，亦可极大提升焊接接头的抗拉/剥离强度。

本发明采用以下技术方案：

一种界面夹杂增强的热塑性复合材料超声波焊接方法，包括以下步骤：

S1、采用碳纳米管、石墨烯、SiC颗粒或高强度金属网钉在第一纤维增强热塑性复合材料板的待焊接区域上制备界面夹杂区；

S2、将第二纤维增强热塑性复合材料板待焊接区域搭接在步骤S1制备的第一纤维增强热塑性复合材料板的界面夹杂区上，并固定在砧座上；

S3、用超声波焊头在步骤S2制备的第二纤维增强热塑性复合材料板待焊接区域正上方施加垂直与工件交界面的焊接压力和正弦位移载荷，焊接完毕后使用超声波焊头对焊接接头保压并冷却后卸载，完成焊接。

具体的，步骤S1具体为：

S101、将碳纳米管或石墨烯加入乙醇溶液中进行超声波搅拌，配成碳纳米管/石墨烯悬浊液，再将碳纳米管/石墨烯悬浊液均匀涂抹在第一纤维增强热塑性复合材料板待焊接区域上，并进行烘干处理；

S102、将S101制成的碳纳米管或石墨烯悬浊液均匀涂抹在第一纤维增强热塑性复合材料板的待焊接区域上，并进行烘干处理，得到碳纳米管或石墨烯界面夹杂区。