专利名称：一种调控复合材料与金属胶接固化残余应力的方法
技术领域：
本发明涉及一种调控胶接复合结构残余应力的方法。
背景技术：
近年来，复合材料以比强度高、比刚度大等特点，在航空航天领域得到的广泛应用。由于结构设计和工艺需求的限制，复合材料构件的发展还难以实现结构的整体性，不可避免地会出现复合材料之间以及复合材料与金属之间的连接，其中复合材料与金属之间的连接越来越受到人们的关注，这种异构结构的连接方式主要包括胶接和机械连接二种，胶接与机械连接相比具有能够减轻构件重量、提高接头的疲劳寿命、耐环境能力强和适用材料范围广等独特的优点，因而将逐步取代机械连接而被广泛应用于复合材料与金属之间的连接。在胶接固化过程中，复合材料与金属材料在各方向的弹性模量、导热系数、热膨胀系数存在很大的差异，必然会产生较大的残余应力，这对这种异构材料的力学性能有很大的影响，会降低材料的疲劳强度、抗应力腐蚀性能、尺寸的稳定性及使用寿命等。如何降低或消除材料中的这种残余应力，一直是制造工艺中迫切需要解决的一个关键技术问题。目前，对胶接结构残余应力的处理主要分为两类一类是前处理，从固化工艺上着手，采用较低的固化温度，延长固化持续时间，降低固化升温及冷却速率，尽量保持均勻的温度场等。虽然在低温固化体系中可以明显的降低残余应力，但固化周期太长，严重影响生产效率；设备要求高，大幅提高了生产成本；不适合高温固化体系，难以得到推广。另一类是比较传统的后处理，对制备好的试件进行热处理、加静载及机械振动等，这些方法都是使试件发生屈服变形，产生应力松弛，从而降低或消除残余应力，虽然在现代的工业得到了广泛的应用，但它们各自都存在着明显的不足，如热处理法的加热设备造价高、能耗高、辅助设备多、试件表面易氧化、较高的温度还会破坏材料的微观组织结构，影响材料的性能； 机械振动法施加的强振动对胶接复合结构的疲劳寿命的影响等尚不明确，也有学者研究认为，机械振动法只能降低材料残余应力峰值，而不能降低材料内部的平均残余应力。由于这些方法的不足限制了各自的使用范围，因此，寻找新的更有效的调控残余应力的方法具有十分重要的意义。
发明内容
为了克服现有技术固化周期长、设备要求高、不适合高温固化体系或设备造价高、 能耗高、辅助设备多、试件表面易氧化等不足，本发明提供一种调控复合材料与金属胶接固化残余应力的方法，通过在固化前对板件施加预应力，来提供一种可以简单、有效调控复合材料与金属胶接板件残余应力的方法，使其针对不同的搭接接头形式，均可以根据需要的残余应力水平与性质，制备出相应的胶接结构件，并且不破坏材料的微观组织结构，不影响胶接结构的力学性能。本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤第一步，建立残余应力力学模型
根据二元应力下复合材料和金属的应力应变关系，建立残余应力的力学模型，得到预应力与残余应力的关系。第二步，计算施加预应力值根据所需制备试件残余应 力的水平和性质，结合选定的材料及材料属性参数，利用第一步建立出的预应力与残余应力的关系，计算出金属板横向和纵向所需要施加的预应力的大小和方向。第三步，制备试件按照胶粘剂工艺规定的要求对复合材料与金属分别进行表面处理，然后涂胶，将两个试件涂有胶粘剂的表面粘合到一起，晾置后将粘接好试件放入相应的固化夹具中，驱动夹头夹紧胶接件并通过压力传感器实时监测预应力，使对金属板施加预应力达到第二步的计算值，放入热压罐中进行固化，当胶粘剂完全固化后，温度降至室温时从夹具中取出试件。第四步，测量与检验对试件的残余应力进行测量与检验，选出满足制备要求的试件，实现对复合材料与金属胶接件的残余应力设计和调控。本发明的有益效果是本发明提供了一种简单、有效、适用范围广的调控复合材料与金属胶接固化残余应力的方法，第一，从胶接结构固化残余应力产生的根源着手，从本质上消除残余应力，不破坏材料的微观组织结构，不影响胶接结构的力学性能；第二，可以根据工程需要的残余应力的水平和性质，制备出相应的胶接件；第三，适用多种搭接形式，制备只需要根据具体的搭接形式制定相应的固化夹具，设备简单、成本低，无延长固化周期， 不影响生产效率。下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明实现的流程图；图2是单搭接结构预应力加载方式示意图；图3是单搭接固化夹具示意图；图中，1夹具底座，2摇杆，3滑块，4可卸夹头，5固定螺栓；图4是实例1残余应力测量结果的分布；图5是实例2残余应力测量结果的分布；图6是实例3残余应力测量结果的分布。
具体实施例方式本发明解决技术问题的方案是在固化前对热膨胀系数较大的金属板件施加一定的预应力。由于复合材料与金属材料的热膨胀系数差异较大，在固化降温时，收缩量的不同，会产生较大的残余应力。本发明根据上述残余应力形成的原因，在固化前对金属板件横向和纵向施加一定预应力来抵消热膨胀系数差异对残余应力的影响，通过改变施加预应力的大小和方向，来实现对复合材料与金属胶接结构的残余应力的设计和调控。具体包括以下步骤
第一步，建立残余应力力学模型复合材料与金属胶接复合结构的残余应力主要形成在固化降温阶段，为了简化模型忽略了其他阶段形成的残余应力。根据具体的搭接接头形式，分析残余应力形成的过程， 并作一些假设，如①复合材料为均勻的各向异性体，②板件的残余应力为平面应力；③不存在残余应力矩；④在固化降温过程中，无应力松弛，复合材料板与金属板变形一致。结合横向和纵向加载的预应力，最后，再根据二元应力下复合材料和金属的应力应变关系，建立残余应力的力学模型，得到预应力与残余应力的关系。第二步，计算施加预应力值根据所需制备试件残余应力的水平和性质，结合选定的材料及材料属性参数，利用第一步建立出的预应力与残余应力的关系，计算出金属板横向和纵向所需要施加的预应力的大小和方向。第三步，制备试件按照胶粘剂工艺规定的要求对复合材料与金属分别进行表面处理，然后涂胶，将两个试件涂有胶粘剂的表面粘合到一起，晾置一段时间(这个取决于选定的胶粘剂)后，将粘接好试件放入相应的固化夹具中，如图2所示为单搭接固化夹具，在实际应用中可以根据胶接接头的形式需要跟换不同形式的夹头，操作时，通过摇杆驱动χ和y方向的夹头夹紧胶接件并通过压力传感器实时监测预应力，使对金属板施加预应力达到第二步的计算值， 放入热压罐中进行固化，当胶粘剂完全固化后，温度降至室温时从夹具中取出试件。第四步，测量与检验由于第一步在建立残余应力力学模型推导预应力与残余应力关系时作了一些近似处理和简化假设，因此，利用力学模型计算出的预应力制备出来的试件，其残余应力大小可能和实际值存在着一定误差。为了确定制备出胶接件满足要求，必须对试件的残余应力进行测量与检验，最后，选出满足制备要求的试件，实现对复合材料与金属胶接件的残余应力设计和调控。实施实例1.制备Al板为拉残余应力且低于IOMPa的CFRP/A1胶接件(单搭接)Al板采用综合性能较好的20M_T351(LY12)硬铝合金，CFRP (Carbon FiberReinforced Plastic)采用碳纤维增强的环氧树脂复合材料，纤维的体积分数为 50%，各材料属性见表4所示。固化温度Tbmding和室内温度1；。 分别定为85°C和25°C，温差 Δ T — Tbonding-Troom — 60 C。其制备过程包括以下步骤①根据单搭接结构残余应力形成的过程，按照图2所示加载预应力，建立残余应力力学模型；②根据要求A1板残余应力水平< lOMI^a和性质为拉应力，将上述参数代入单搭接结构残余应力学模型中计算，得到需要施加的预应力大小为98.51< ox0<117.91MPa, 98. 51 < σ y0 < 117. 9 IMPa ；③取5组材料，按照选定胶粘剂工艺规定的要求分别进行表面处理和涂胶，然后放入图3的单搭接固化夹具中，通过压力传感器的控制摇杆夹紧试件并使5组试件的在χ 和1方向的预应力均分别达到100MPa，104MPa, 108MPa, 112MPa，116MPa，放入热压罐中，设定固化工艺参数进行固化，待固化结束后取出试件；
④对制备出的5组试件Al板χ方向和y方向的残余应力分别进行测量，结果见表 1所示，结合制备要求进行检验，图4为测量结果的分布情况，根据图4结果，可以直观得到 5组试件Al板的残余应力均为拉应力且小于lOMPa，达到制备设计的要求。表IAl板的残余应力测量结果
权利要求
1. 一种调控复合材料与金属胶接固化残余应力的方法，其特征在于包括以下步骤 第一步，根据二元应力下复合材料和金属的应力应变关系，建立残余应力的力学模型， 得到预应力与残余应力的关系；第二步，根据所需制备试件残余应力的水平和性质，结合选定的材料及材料属性参数， 利用第一步建立出的预应力与残余应力的关系，计算出金属板横向和纵向所需要施加的预应力的大小和方向；第三步，按照胶粘剂工艺规定的要求对复合材料与金属分别进行表面处理，然后涂胶， 将两个试件涂有胶粘剂的表面粘合到一起，晾置后将粘接好试件放入相应的固化夹具中， 驱动夹头夹紧胶接件并通过压力传感器实时监测预应力，使对金属板施加预应力达到第二步的计算值，放入热压罐中进行固化，当胶粘剂完全固化后，温度降至室温时从夹具中取出试件；第四步，对试件的残余应力进行测量与检验，选出满足制备要求的试件，实现对复合材料与金属胶接件的残余应力设计和调控。
全文摘要
本发明公开了一种调控复合材料与金属胶接固化残余应力的方法，首先建立残余应力的力学模型，得到预应力与残余应力的关系；然后计算出金属板横向和纵向所需要施加的预应力的大小和方向；对复合材料与金属分别进行表面处理，将两个试件涂有胶粘剂的表面粘合到一起后放入相应的固化夹具中，驱动夹头夹紧胶接件并监测预应力，使对金属板施加预应力达到第二步的计算值，放入热压罐中进行固化；最后对试件的残余应力进行测量与检验，选出满足制备要求的试件。本发明不破坏材料的微观组织结构，不影响胶接结构的力学性能；可以根据工程需要的残余应力的水平和性质制备出相应的胶接件；设备简单、成本低，无延长固化周期，不影响生产效率。
文档编号B29C65/52GK102310563SQ201110072250
公开日2012年1月11日 申请日期2011年3月24日 优先权日2011年3月24日
发明者张开富, 李原, 杨兆军, 马艳艳 申请人:西北工业大学