一种热固性聚合物基复合材料电阻焊接装置及方法
【专利摘要】一种热固性聚合物基复合材料电阻焊接装置及方法，在热固性聚合物基复合材料结构件表面共固化一层热塑性粘接剂得到焊接件，实现热固性聚合物基复合材料的电阻焊接，焊接装置源于一般热塑性聚合基复合材料电阻焊接方法，同时涉进行了改进：首先利用加压装置对焊接件施加压力，对连接在铜板线夹上的加热电阻通入电流，同时开启冷却风扇对两端进行主动冷却，待温控器通过K型热电偶检测到焊接界面温度达到200℃后，直流稳压电源将会关闭，焊接界面温度降低，冷却形成最终的焊接接头。本焊接方法可以有效的减小边缘效应，使温度分布均匀，降低了焊接应力，减少能源消耗。
【专利说明】一种热固性聚合物基复合材料电阻焊接装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种复合材料的电阻焊接方法，具体涉及一种热固性聚合物基复合材 料电阻焊接装置及方法。
【背景技术】
[0002] 聚合物基复合材料具有比强度高、比刚度高、抗疲劳性能好、质量轻、可设计性好、 耐化学腐蚀、介电性能好、容易整体成型等特点，被越来越多的用在航空航天、交通运输、建 筑工业、医疗器械等领域。其中热固性聚合物基体以其综合性能优异、工艺性好、价格低等 诸多优点，被广泛轻量化结构件制造领域，特别是航空航天领域，以A400M、波音787飞机为 例，复合材料分别占飞机结构重量的36%和50%，其中，复合材料结构基本为环氧树脂基 类。一般，对聚合基复合材料工程结构进行连接技术有机械连接、胶接、熔融连接，由于机械 连接易产生应力集中等缺陷，而胶接较长的固化时间和表面预处理要求，需要耗费大量的 时间和劳力。熔融连接技术可以克服机械连接和胶接所具有的上述缺点，熔融连接技术按 热量的产生机理可以分为热熔焊接（热气焊、热板焊、红外焊接、激光焊）、摩擦焊（旋转焊、 振动焊、超声波焊、搅拌摩擦焊）、电磁焊（感应焊、电阻焊、电介质焊、微波焊），而其中最具 吸引力的加热方法是在加热时仅仅加热复合材料基体焊接表面，使其受热熔化，而不影响 基体的其它部分，同时也不会影响到纤维增强相。由于其纤维增强相的存在和多层的复合 材料结构，靠基体的相对运动摩擦生热的方法，如旋转焊接、振动焊接等会导致复合材料增 强纤维的变形和移动以及基体未焊接部分微观结构的破坏。在上述熔融焊接技术中，超声 波焊、感应焊和电阻焊接被认为是焊接聚合物基复合材料最理想的焊接方法。
[0003] (1)超声波焊
[0004] 超声波焊接是聚合物基复合材料熔融连接最常用的方法之一，在许多航空、航天、 汽车零部件和医疗器械等领域广泛使用。超声波焊接是一个快速的焊接过程，焊接效率高， 焊接过程中复合材料界面阻抗所表现出的与熔融聚合物的某种关系也使在线监测焊接过 程成为可能，容易实现自动化，批量生产。在超声波焊接中，被连接件在一定压力作用下使 焊接部位靠在一起，然后再施加垂直焊接区的高频超声振动，在界面和分子间摩擦的作用 下产生热量，当温度升高到一定值时，加压，冷却，凝固形成焊接接头。在超声波焊接中，能 量通常会集中于焊接表面的突起周围，根据这一现象可以在零件的焊接部位预成型一个导 能筋（energy directors),振动过程中能量集中在这些导能筋上，使其最先开始烙化，然后 施加一定压力，流动的熔融聚合物润湿连接界面，同时造成聚合物分子链在界面的扩散和 缠绕，最终形成焊接接头。影响超声波焊接过程主要因素有频率、压力、振幅和焊接时间，在 焊接过程中需要合理选择这些参数以期达到所希望的焊接效果。
[0005] (2)感应焊
[0006] 聚合物基复合材料的感应焊接方法是一种焊接件与感应线圈不直接接触的焊接 方法，通过合理的设计感应线圈，可以使热量只产生在希望焊接的区域，可以用来焊接具有 不规则表面的复杂结构。其原理很简单，类似于电磁炉的加热机理，在一个导电线圈中通入 交变电压，将在线圈中将产生交变的电流，在线圈的周围就会产生一个与电流频率相同的 交变磁场，将一个植入了铁磁性物质的聚合物基复合材料置于此交变磁场中，就会产生涡 电流，由焦耳定律可知就会有热量产生。当温度超过聚合物基复合材料的熔点后熔化，施加 一定的压力，冷却，形成了焊接接头。一个成功的熔融焊接过程需要在焊接区域形成一个均 匀的温度分布，而对于感应焊接来说，影响焊接区域温度分布的主要的因素取决于导电线 圈的设计和植入的铁磁性物质。这些铁磁性物质可以是铁粒子、氧化铁粒子、不锈钢、石墨 等，不同的铁磁性物质的具有不同的生热效率。感应焊接中导电线圈的设计是一个很重要 的参数，通过合理的设计线圈可以产生一个尽量均匀的交变磁场，从而可以使热量分布更 加均匀，最终形成一个高质量的感应焊接接头。
[0007] (3)电阻焊
[0008] 电阻焊是电磁焊接技术的一种，聚合基复合材料电阻焊接的焊接时间和对设备的 需求及操作简单、成本低。聚合物基复合材料的电阻焊接又叫电阻植入焊、电熔化焊，已经 发展成为焊接聚合物基复合材料的较为有效的方法。焊接方法是将加热电阻（碳纤维加热 元件或金属网加热元件）放置在两复合材料焊接表面之间，然后在加热电阻中通入电流。 当加热温度达到非晶体体聚合物的玻璃化转变温度和半晶态聚合物的熔化温度后，复合材 料基体就开始熔化，当熔化达到一定程度后关闭电源，施加一适当的压力，冷却，形成最终 的接头。在电阻焊接过程中，施加一适当的压力很重要，它可以促进层压板焊接表面的紧密 接触和界面间的分子融合。为了尽量提高焊接质量，应当控制影响最终焊接质量的各种参 数，如加热元件的电阻、输入功率、夹紧压力等。由于焊接完成后，加热元件仍然残留在接头 中，会对焊接质量产生很大影响，这时就要求加热元件和被焊件之间有很好的相容性。可以 在加热元件和被焊接件之间放置一层聚合物薄膜，不仅可以使加热元件和被焊接件的导电 部分之间绝缘，而且可以产生一个树脂富集区来促进扩散过程，从而提高焊接质量。
[0009] 上述聚合物基复合材料的焊接方法可以有效的用来焊接热塑性聚合物基复合材 料，热固性树脂是一类具有网状结构的交联高分子材料，具有良好的力学性能、电性能及粘 结性能，但是，热固性树脂的交联网状结构使其固化后不能二次熔融，故不能使用焊接的方 法直接连接热固性聚合物基复合材料。
【发明内容】
[0010] 本发明的目的在于提供一种热固性聚合物基复合材料的电阻焊接方法，以解决熔 融连接技术不能应用于热固性聚合物基复合材料的问题，同时还可以有效的解决焊接时的 电流泄漏、边缘效应问题，提高了焊接质量。
[0011] 为了达到上述目的，本发明采用的热固性聚合物基复合材料电阻焊接装置包括壳 体、设于壳体内的加热电阻、用于放置加热电阻的绝缘隔热夹具以及用于对热固性聚合物 基复合材料焊接件施加〇. 4?I. OMPa压力的加压装置，加热电阻的两面各覆有一层热塑性 塑料膜；加热电阻通过直流稳压电源与温控器相连，温控器连接有能够检测焊接面温度的 第一 K型热电偶；加热电阻的两端还分别设有冷却风扇。
[0012] 所述的加热电阻采用单向和/或编织的碳纤维布，热塑性塑料膜的厚度为50? 100 μ m〇
[0013] 所述的壳体内设有支撑台，支撑台上固定有U型支撑架，绝缘隔热夹具安放在U型 支撑架上，U型支撑架的两端分别设有用于连接加热电阻的铜板线夹，铜板线夹与直流稳压 电源相连。
[0014] 所述的壳体内设有温度数据记录仪，温度数据记录仪与用于监控焊接面温度分布 的第二、三、四、五K型热电偶相连。
[0015] 所述的加压装置采用连接手动液压泵的活塞杆头。
[0016] 一种基于热固性聚合物基复合材料电阻焊接装置的电阻焊接方法，在热固性环氧 树脂层压板的待焊接面共固化一层与热塑性塑料膜具有相容性的粘接剂薄膜，形成热固性 聚合物基复合材料焊接件，然后将热固性聚合物基复合材料焊接件放置在绝缘隔热夹具 中，再将加热电阻放置在热固性聚合物基复合材料焊接件的待焊接面，利用加压装置对待 焊接面施加压力，将加热电阻的两端连接到直流稳压电源上并接通直流稳压电源，同时打 开冷却风扇，待温控器通过第一 K型热电偶检测到焊接面中间的温度达到200°C后，关闭直 流稳压电源，焊接面保压冷却成最终焊接接头。
[0017] 所述的粘接剂薄膜厚度为50?120 μ m，直流稳压电源所提供的电源为10?40V。
[0018] 所述的加压装置采用连接手动液压泵的活塞杆头；利用加压装置对焊接面施加压 力时,压下手动液压泵,通过活塞杆头对焊接面施加0. 4?I. OMPa的压力。
[0019] 所述的壳体内设有支撑台，支撑台上固定有U型支撑架，绝缘隔热夹具安放在U型 支撑架上，U型支撑架的两端分别设有用于连接加热电阻的铜板线夹，铜板线夹与直流稳压 电源相连；将加热电阻的两端接铜板线夹上，且铜板线夹的夹紧压力为4?20MPa。
[0020] 与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
[0021] 本发明通过在热固性环氧树脂层压板的表面共固化一层与热塑性塑料膜具有相 容性的粘接剂薄膜，这样就可以有效的用来进行热固性聚合物基复合材料的电阻焊接，这 样就能解决热固性聚合物基复合材料的电阻焊焊接问题。同时，本发明在加热电阻两端布 置了冷却风扇，冷却风扇能够在焊接件进行焊接时进行降温，以降低边缘效应。而绝缘隔热 夹具能够以提供良好的绝缘和绝热措施，以防止热量和电流的散失，因此，本发明能够改善 了焊接时边缘效应及电流泄漏的问题，使焊接界面的温度分布更加均匀。
[0022] 进一步，本发明还在壳体内设有温度数据记录仪，温度数据记录仪与用于监控焊 接面温度分布的第二、三、四、五K型热电偶相连，当第二、三、四、五K型热电偶检测到温度 均已达到200°C后，第一 K型热电偶检测将信号反馈给温控器，温控器断开电源，这样就能 保证焊接面的温度分布均匀。
【专利附图】
【附图说明】
[0023] 图1是本发明实施原理图。
[0024] 图2是焊接件的示意图
[0025] 图3是本焊接方法控制焊接温度的功能模块图；
[0026] 其中，1、手动液压泵，2、壳体，3、活塞杆头，4、压力表，5、绝缘隔热夹具，6、铜线夹 板，7、第一 K型热电偶，8、温控器，9、冷却风扇，10、直流稳压电源，11、U型支撑架，12、温度 数据记录仪，13、热固性聚合物基复合材料焊接件，14、加热电阻，15、粘接剂薄膜，16、热固 性环氧树脂层压板。
【具体实施方式】
[0027] 下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
[0028] 参见图1，本发明热固性聚合物基复合材料电阻焊接装置包括壳体2以及设于壳 体2内的加热电阻14、用于放置加热电阻14的绝缘隔热夹具5以及用于对热固性聚合物基 复合材料焊接件13施加0. 4?I. OMPa压力的加压装置，加压装置采用连接手动液压泵1 的活塞杆头3,活塞杆头3的顶部设有压力表，加热电阻14的两面各覆有一层厚度为50? 100 μ m的热塑性塑料膜；加热电阻14采用单向和/或编织的碳纤维布，加热电阻14的两面 各覆有一层热塑性塑料膜；壳体2内还设有支撑台，支撑台上固定有U型支撑架11，绝缘隔 热夹具5安放在U型支撑架11上，U型支撑架11的两端分别设有用于连接加热电阻14的 铜板线夹6,铜板线夹6与直流稳压电源10相连，直流稳压电源10与温控器8相连。温控 器8连接有能够检测焊接面温度的第一 K型热电偶7 ;壳体12内设有温度数据记录仪12， 温度数据记录仪12与用于监控焊接面温度分布的第二、三、四、五K型热电偶相连。
[0029] 参见图1-3, 一种基于上述热固性聚合物基复合材料电阻焊接装置的电阻焊接方 法为：在12层碳纤维预浸料构成的热固性环氧树脂层压板16的待焊接面高温共固化一层 与热塑性塑料膜具有相容性的粘接剂薄膜15,形成热固性聚合物基复合材料焊接件13,粘 接剂薄膜15的厚度为50?120 μ m，然后将热固性聚合物基复合材料焊接件13放置在绝 缘隔热夹具5中，再将加热电阻14放置在热固性聚合物基复合材料焊接件13的待焊接面， 利用活塞杆头3对待焊接面施加0. 4?I. OMPa的压力，将加热电阻14的两端连接到铜板 线夹6,且使铜板线夹6的夹紧压力为4?20MPa，然后接通直流稳压电源10,直流稳压电 源10所提供的电源为10?40V，同时打开冷却风扇9,第一、二、三、四、五K型热电偶检测 到焊接面中间的温度达到200°C后（温度数据记录仪12在检测焊接面温度的过程中记录焊 接面的温度），关闭直流稳压电源10,焊接面保压冷却成最终焊接接头。本焊接方法中所述 的粘接剂薄膜材料见表1，
[0030] 表 1
[0031]
【权利要求】
1. 一种热固性聚合物基复合材料电阻焊接装置，其特征在于：包括壳体（2)、设于壳体 ⑵内的加热电阻（14)、用于放置加热电阻（14)的绝缘隔热夹具（5)以及用于对热固性聚 合物基复合材料焊接件（13)施加0. 4?1. OMPa压力的加压装置，加热电阻（14)的两面各 覆有一层热塑性塑料膜；加热电阻（14)通过直流稳压电源（10)与温控器（8)相连，温控器 (8)连接有能够检测焊接面温度的第一 K型热电偶（7);加热电阻（14)的两端还分别设有 冷却风扇（9)。
2. 根据权利要求1所述的热固性聚合物基复合材料电阻焊接装置，其特征在于：所述 的加热电阻（14)采用单向和/或编织的碳纤维布，热塑性塑料膜的厚度为50?100 μ m。
3. 根据权利要求1所述的热固性聚合物基复合材料电阻焊接装置，其特征在于：所述 的壳体（2)内设有支撑台，支撑台上固定有U型支撑架（11)，绝缘隔热夹具（5)安放在U型 支撑架（11)上，U型支撑架（11)的两端分别设有用于连接加热电阻（14)的铜板线夹（6)， 铜板线夹（6)与直流稳压电源（10)相连。
4. 根据权利要求1所述的热固性聚合物基复合材料电阻焊接装置，其特征在于：所述 的壳体（2)内设有温度数据记录仪（12)，温度数据记录仪（12)与用于监控焊接面温度分布 的第二、三、四、五K型热电偶相连。
5. 根据权利要求1所述的热固性聚合物基复合材料电阻焊接装置，其特征在于：所述 的加压装置采用连接手动液压泵（1)的活塞杆头（3)。
6. -种基于权利要求1所述的热固性聚合物基复合材料电阻焊接装置的电阻焊接方 法，其特征在于：在热固性环氧树脂层压板（16)的待焊接面共固化一层与热塑性塑料膜具 有相容性的粘接剂薄膜（15)，形成热固性聚合物基复合材料焊接件（13)，然后将热固性聚 合物基复合材料焊接件（13)放置在绝缘隔热夹具（5)中，再将加热电阻（14)放置在热固 性聚合物基复合材料焊接件（13)的待焊接面，利用加压装置对待焊接面施加压力，将加热 电阻（14)的两端连接到直流稳压电源（10)上并接通直流稳压电源（10)，同时打开冷却风 扇（9)，待温控器（8)通过第一 K型热电偶（7)检测到焊接面中间的温度达到200°C后，关 闭直流稳压电源（10)，焊接面保压冷却成最终焊接接头。
7. 根据权利要求6所述的电阻焊接方法，其特征在于：所述的粘接剂薄膜（16)厚度为 50?120 μ m，直流稳压电源（10)所提供的电源为10?40V。
8. 根据权利要求6所述的电阻焊接方法，其特征在于：所述的加压装置采用连接手动 液压泵（1)的活塞杆头（3);利用加压装置对焊接面施加压力时，压下手动液压泵（1)，通过 活塞杆头（3)对焊接面施加0. 4?1. OMPa的压力。
9. 根据权利要求6或8所述的电阻焊接方法，其特征在于：所述的壳体（2)内设有支 撑台，支撑台上固定有U型支撑架，绝缘隔热夹具（5)安放在U型支撑架上，U型支撑架的两 端分别设有用于连接加热电阻（14)的铜板线夹（6)，铜板线夹（6)与直流稳压电源（10)相 连；将加热电阻（14)的两端接铜板线夹（6)上，且铜板线夹（6)的夹紧压力为4?20MPa。
【文档编号】B29C65/34GK104228059SQ201410474896
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月17日 优先权日:2014年9月17日
【发明者】谢磊, 刘洪波, 刘鹤峰, 段玉岗, 李涤尘 申请人:西安交通大学