[发明专利]一种超声辅助感应焊接热塑性树脂基复合材料的方法

说明书

本发明涉及一种超声辅助感应焊接热塑性树脂基复合材料的方法，属于树脂基复合材料领域。本发明公开了一种利用超声振动头辅助感应焊在连接热塑性树脂基复合材料过程实现树脂填充分填充，实现高强度连接的方法。本发明中，利用电磁热实现树脂基复合材料的焊接，同时利用超声头对复合材料待焊接头上方施加压力及超声振动。本发明的目的是克服树脂基复合材料感应焊接过程中接头界面树脂填充不充分的缺陷，实现树脂基复合材料的高强度连接。本发明方法简单快捷，成本极低，在航空、航天、汽车等树脂基复合材料材料连接领域有广泛的应用前景。

技术领域

本发明属于树脂基复合材料领域，具体涉及一种超声辅助感应焊接热塑性树脂基复合材料的方法。

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。

感应焊接技术，主要是通过在两个焊接元件的搭接区域嵌入热塑性树脂薄膜和感应加热元件，通过通电使加热元件产生磁场，形成涡流，产生焦耳热，使热塑性树脂薄膜熔融、冷却凝固，从而实现焊件的连接。植入感应焊接技术主要是通过将加热元件植入到搭接区域的热塑性树脂薄膜内来提升薄膜的性能，该技术的工艺流程简单易操作，效率高，费用低，同时还可以连续焊接大面积的区域，并且在焊接过程中焊件不需要移动等诸多优势，是一种具有广泛应用前景的连接技术。然而，感应焊接嵌入的一般为金属网或金属线圈，在焊接过程中熔融的热塑性树脂很难实现完全的填充，从而导致无法实现树脂基复合材料的有效焊接。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种超声辅助感应焊接热塑性树脂基复合材料的方法，本发明解决技术问题的主要途径是通过超声换能器在热塑性树脂基复合材料感应焊接过程中施加超声波，进而利用热塑性树脂基复合材料层合板、金属植入体加热元件、热塑性树脂薄膜通过电加热熔融粘接工艺构筑力学性能更强的树脂基复合材料感应焊接接头。感应发热方式提供了热塑性树脂薄膜熔融需要的热量；超声换能器施加的超声波提升了熔融的热塑性树脂薄膜在金属植入体加热元件上的浸润程度和填充接头区域空隙能力；热塑性树脂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；所述的接头区域空隙是指植入体加热元件的边缘空隙以及热塑性树脂薄膜层与层之间空隙；同时，超声换能器可以代替传统液压装置在焊接过程中施加压力，有助于热塑性树脂薄膜与金属植入体加热元件之间机械互锁、物理吸附以及化学键作用的增强。上述设计均有助于改善热塑性树脂基复合材料感应焊接接头的力学性能。本发明的树脂基复合材料感应焊接接头力学强度优异，实施过程简单快捷、成本低，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。

本发明解决的技术问题所采用的技术方法是：一种超声辅助感应焊接热塑性树脂基复合材料的方法，包括如下步骤：

步骤1.构建热塑性复合材料层合板：以热塑性树脂基复合材料为基体，碳纤维或玻璃纤维等作为增强材料，制成预浸料，经模压成型工艺，制成热塑性复合材料层合板。

所述的模压成型工艺具体为：将预浸料放置在模具中，然后放置在模压机内进行模压成型，模压成型工艺参数：在室温下以2-5℃/min升温至300-500℃，然后在0.5-2MPa压力下维持80-100min，最后打开模压机箱门自然冷却降温，降温过程维持压力在1-1.5MPa.)，制成热塑性复合材料层合板。