[发明专利]一种金属与热塑性材料的超声波焊接方法

说明书

本申请提供一种金属与热塑性材料的超声波焊接方法，包括对金属工件的第一表面进行预处理，得到预处理区域；将所述金属工件与热塑性工件搭接，所述金属工件的预处理区域与所述热塑性工件接触；将搭接后的所述金属工件与热塑性工件固定于第一超声波焊机与第二超声波焊机之间；其中，所述第一超声波焊机的焊头与所述金属工件远离所述预处理区域的表面接触，所述第二超声波焊机的焊头与所述热塑性工件远离所述金属工件的表面接触；同时启动所述第一超声波焊机与第二超声波焊机进行超声波焊接，至达到焊接终止条件，停止超声波焊接。本方法可以提高焊接效率和接头强度，提高可焊工件的厚度上限，增强超声波焊接的适用性。

技术领域

本申请涉及材料连接技术领域，尤其涉及一种金属与热塑性材料的超声波焊接方法。

背景技术

近年来，随着全球能源危机的日益严峻，倡导节能减排已成为许多行业领域的首要任务，而实现轻量化对减少能源消耗和节能减排有着重要的意义。对于航空、轨道交通以及汽车等行业，结构轻量化可以有效地降低油耗及减少尾气排放，因此在进行产品设计时考虑采用轻质材料代替传统金属可以减少能源消耗，这对节约能源具有重要的实际意义。在轻量化材料中，碳纤维增强热塑性复合材料(Carbon Fiber ReinforcedThermoplastic,CFRTP，简称热塑性材料)因其低密度、高比强度、良好的耐腐蚀性、可回收、可焊接等优点，正成为新一代轻量化材料。在制造过程中采用CFRTP来替代金属构件可以在保证强度的同时减少重量，从而实现轻量化，但是在产品的装配过程中涉及大量CFRTP与金属(如铝合金、钛合金、高强钢)的连接。由于CFRTP与金属的物理、化学性能差异巨大，如何获得鲁棒、高强度的CFRTP/金属异质接头已成为制约CFRTP大规模应用的技术瓶颈。

目前，CFRTP与金属的连接大多是通过机械连接和胶接的方式。机械连接是通过在金属和CFRTP薄板上预制孔，通过这些孔用铆钉或其他紧固件将金属和CFRTP薄板连接。这种方法不仅会在钻孔区域产生应力集中，而且增加的零部件还会增加接头的重量，并且这种连接方式不太适合厚度比较厚的金属或CFRTP板。虽然胶接可以避免预制孔，但额外的表面处理技术、较长的固化时间和环境敏感性会降低其适应性。

因此，找到一种新的连接方式用于连接金属与热塑性材料是亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本申请的目的在于提出一种金属与热塑性材料的超声波焊接方法。

基于上述目的，本申请提供了一种金属与热塑性材料的超声波焊接方法，包括：

对金属工件的第一表面进行预处理，得到预处理区域，所述预处理区域至少覆盖所述金属工件的待焊区域；

将所述金属工件与热塑性工件搭接，所述金属工件的预处理区域与所述热塑性工件接触；

将搭接后的所述金属工件与热塑性工件固定于第一超声波焊机与第二超声波焊机之间；其中，所述第一超声波焊机的焊头与所述金属工件远离所述预处理区域的表面接触，所述第二超声波焊机的焊头与所述热塑性工件远离所述金属工件的表面接触；

同时启动所述第一超声波焊机与第二超声波焊机进行超声波焊接，至达到焊接终止条件，停止超声波焊接。

进一步地，所述金属工件厚度小于或等于4mm，所述热塑性工件的厚度小于或等于6mm。

进一步地，所述第一超声波焊机的第一焊头面积与所述第二超声波焊机的第二焊头面积的面积差异率n小于或等于20％，n＝(S1-S2)/S2，其中，S1为第一焊头面积和第二焊头面积中面积较大的数值，S2为第一焊头面积和第二焊头面积中面积较小的数值。

进一步地，所述第一超声波焊机与第二超声波焊机进行超声波焊接的焊接压力相同。

进一步地，所述第一超声波焊机与第二超声波焊机同轴设置。