碳纤维复合材料和钢的固态连接的制作方法

本发明涉及碳纤维复合材料和钢的连接方法，属于焊接技术领域，特别是涉及一种搅拌摩擦焊的固态焊接方法。

背景技术

得益于高强度、高韧性和轻量化的优势，碳纤维材料在航空、航天、汽车、机械和建筑等领域的应用前景广泛。在航空、汽车等领域已有部分应用。但目前，生产成本高是制约碳纤维材料工业应用的主要障碍。

同时，碳纤维材料与目前大量采用的金属材料的焊接也是主要难题。金属材料大量应用的电弧焊接方法不适用于碳纤维材料。要解决碳纤维材料的规模化应用，其与金属材料的焊接难题需要解决。

钢是最常用的金属，在工程、机械、家电、炊具、医学设备、海水淡化等领域应用广泛。只有解决碳纤维与钢的焊接问题，其才能在上述领域得到广泛应用。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供碳纤维复合材料和钢的连接方法，解决了传统电弧焊的应用难题，可完成厚度规格10mm碳纤维复合材料板与钢板的焊接。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

碳纤维复合材料和钢的固态连接方法，采用搅拌摩擦搭接焊方法，搅拌头旋转速度6-11转/s，行走速度1.5-13mm/s，插入深度0.1-0.5mm，倾斜角度0.2-5°，采用圆锥形搅拌头，锥度60-80°，轴肩尺寸10-20mm，不锈钢板上面，碳纤维板在下面；

碳纤维复合材料和钢的固态连接方法，搅拌头材料为钴基碳化钨或镍基碳化钨；

碳纤维复合材料和钢的固态连接方法，搅拌头高度为碳纤维复合材料板和钢板厚度之和的0.6-0.9之间，且大于钢板厚度。

技术说明如下：

碳纤维复合材料和钢的固态连接方法，采用搅拌摩擦搭接焊方法，搅拌头旋转速度6-11转/s，行走速度1.5-13mm/s，插入深度0.1-0.5mm，倾斜角度0.2-5°，采用圆锥形搅拌头，锥度60-80°，轴肩尺寸10-20mm，钢板在上面，碳纤维复合材料板在下面；

搅拌头旋转速度和行走速度共同决定了焊接过程中的热输入量，也决定了钢和碳纤维材料能够经历的最高温度，以及停留时间。输入量过小，不能够足够软化钢板和碳纤维材料；当热输入量过大，会降低焊接接头的结合强度，不能满足结构设计要求。

搅拌头速度还决定了与不锈钢板的摩擦生热和磨损程度，这也决定了搅拌头的寿命、以及加工成本。如果速度≤6转/s，由于钢板温度较低，变形阻力大，磨损严重，降低搅拌头寿命；如果速度≥11转/s，会在上端部产生热量局部集中，导致异种材料的结合部位出现缺陷，且导致成型质量恶化、且不均匀。因此，优选旋转速度6-11转/s。

当旋转速度7-10转/s时，效果更好；

当旋转速度8-9转/s时，效果最好；

搅拌头行走速度要兼顾工具寿命、成型质量以及加工效率。当行走速度≤1.5mm/s时，一方面工具磨损严重、成型质量恶化，同时加工效率低；当行走速度≥13mm/s时，会导致热输入量不足、焊接过程中塑性变形阻力大、搅拌头磨损严重，同时成型质量也会恶化。因此，优选行走速度1.5-13mm/s。

当行走速度2-10mm/s时，效果更好；

当行走速度3-8mm/s时，效果最好；

插入深度0.1-0.5mm，倾斜角度0.2-5°。

插入深度一方面考虑了表面成型性、一方面考虑了材料在塑性变形过程中的变形阻力的影响，同时也考虑了异种材料界面处的受力状态。当插入深度≤0.1mm时，压力不够，异种材料界面处混合不够，结合质量不良；当插入深度≥0.5mm时，影响钢表面的成型质量。因此，优选插入深度0.1-0.5mm。

搅拌头倾斜角度主要是调整焊接过程中的材料的流行行为、以达到最佳的焊接质量和成型质量。当沿焊板垂直方向的倾斜角≤0.2℃时，对材料的塑性流变行为影响有限；当沿焊板垂直方向的倾斜角≥5℃时，会导致钢表面成型质量恶化，同时也会导致钢板和碳纤维板的界面处出现缺陷。因此，优选倾斜角度是0.2-5°。

当倾斜角度0.5-4°时，效果更好；

当行走速度1-3°时，效果最好；

采用圆锥形搅拌头，锥度60-80°，轴肩尺寸10-20mm，钢板在上面，碳纤维复合材料板在下面。

搅拌头形状一方面考虑了焊接过程中的塑性流变应力行为和状态、以提高焊接质量和成型性；同时也考虑了降低工具的磨损消耗、以提高搅拌头寿命。

轴肩尺寸直接决定了焊道宽度和成型质量。

钢板熔点高、软化温度高，需要放置在上面，与搅拌头直接接触，以提高焊接质量。

圆锥形搅拌头上，也可以添加一些螺纹，以增加在焊接厚规格板时的成型性能。比如，当钢板和碳纤维的厚度在5-10mm时，也应该适当增加搅拌头的高度，且在外表面可适当增加一些螺纹。

针对特定焊接对象，搅拌头材料、形状和几何尺寸共同决定了搅拌头的寿命。在钢板和碳纤维材料的异种焊接材料组合中，钴基碳化钨或镍基碳化钨材质具备较高的热稳定性、耐高温磨损性、且不与被焊接材料发生化学反应或熔化，以确保搅拌头的寿命和几何尺寸。

搅拌头高度为钢和碳纤维板厚度之和的0.6-0.9之间，且大于钢板厚度。同时，搅拌头高度3-10mm之间。

本发明的优点及有益效果：

1.本发明方法解决了碳纤维复合材料和钢异种材料间电弧焊无法焊接的难题，实现了无缺陷、成型优良的搭接焊接接头；

2.本发明方法可实现厚度规格10mm以内碳纤维复合材料和钢的异种搭接焊接难题、效率高、质量可靠。

附图说明

图1为搅拌头几何尺寸示意图，其中a为搅拌头细端直径，c为搅拌头粗端直径，b为搅拌头高度，d为搅拌头锥度。

具体实施方式

以下结合优选实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

碳纤维材料选用pa6为基体、外加15-25％的碳纤维的增强材料，厚度2-10mm，长度为200mm，宽度为60mm。

钢板选用不锈钢sus304，厚度3-10mm，长度为200mm，宽度为60mm。

开展搭接搅拌摩擦焊接，不锈钢板在上，碳纤维材料在下。

焊接参数、搅拌头材料及尺寸见表1。

焊接完成后，检查焊接质量，并开展段断裂试验以检测焊板结合强度。

实施例1-6：

焊板厚度、焊接参数、搅拌头材料和参数见表1；

实施例1-6对应的插入深度分别是0.15，0.25，0.2，0.35，0.4和0.5mm；搅拌头高度分别是5.6，12.4，4.8，8.8，4.2和9.0mm；

焊后质量检验结果见表2。

对比例1-4：

焊板厚度、焊接参数、搅拌头材料和参数见表1；

对比例1-4对应的插入深度分别是0.12，0.24，0.34和0.4mm；搅拌头高度分别是10，9.6，7和7.2mm；

焊后质量检验结果见表2。

通过上述实施例可知，本发明提供的搅拌摩擦焊接方法可完成厚度10mm内碳纤维复合材料和钢板的搭接焊接，工艺成型优良。

以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，但并不能因此理解为对本发明专利范围的限制。本领域的技术人员在本发明构思的启示下对本发明所做的任何变动均落在本发明的保护范围内。

表1实施例焊接参数

表2实施例焊接接头质量和性能