多层结构及其制造方法、焊枪和焊接机与流程

本发明涉及纤维复合材料领域，具体涉及一种多层结构及其制造方法、焊枪和焊接机。

背景技术：

现有的深窄孔结构形式大致包括两种形式，第一种为拼接而成的箱型结构，第二种为长直的整体内空管型结构，例如钻杆就为第二种结构。对于第一种箱型结构，需要在箱型结构内部焊接内部构件时，可以通过从工艺顺序上调整来解决内部构件的焊接问题，例如，先焊接内部构件，然后再将盖板采用单面焊双面成型工艺来实现最终焊接。但是，对于第二种整体内空管型结构，例如钻杆，为管径大小不一的钢管，要在内部焊接较长的内键板时，目前一般采用以下两种焊接方法：第一是人手工焊接，对于大管径管体内内键板的焊接，人手工还能勉强焊接，但是焊接质量和焊接稳定性难以保证，如果是小管径管体内内键板的焊接，人工焊接难度更大，质量更难以保证；第二是截取小段管体，采用机器人两端焊接，但是会增加一道管体环焊缝的拼接工序，且管件整体性破坏。

对于小管径深窄孔结构内部实施焊接的难度大的主要问题是，焊枪枪管的长度足够，可以从深窄孔结构的一端伸入到深窄孔内部实施焊接，但是实施焊接的过程中，由于枪管伸入到深窄孔结构内部的一端悬空，焊接过程中受到外界力，甚至是焊接时电弧的反作用力，都会引起焊枪持续振动，导致焊接质量难以保障。

技术实现要素：

本发明提供了一种具有较好阻尼特性的多层结构及其制造方法，以及具有所述多层结构的焊枪和具有所述焊枪的焊接机。

为了实现上述目的，本发明一方面提供一种多层结构，包括长条形的基体，所述基体外周面上设置有纤维复合层，所述纤维复合层包括胶体基材和位于所述胶体基材中的纤维丝，所述纤维复合层中含有40-60重量％的胶体基材。

优选地，所述纤维复合层中，所述纤维丝的延伸方向相对于所述基体的延伸方向成角度α，所述角度α为15°-55°。

优选地，所述纤维复合层的厚度为1mm-2.5mm。

优选地，所述纤维丝在所述胶体基材中均匀分布；并且/或者，所述基体沿直线延伸。

优选地，所述纤维复合层外周面上设置有绝缘层。

本发明的第二方面，提供了一种焊枪，该焊枪包括枪管，所述枪管设置为根据本发明的多层结构。

优选地，所述基体为铜管。

本发明的第三方面，提供了一种焊接机，所述焊接机包括所述焊枪。

本发明的第四方面，提供了一种多层结构的制造方法，所述多层结构包括长条形的基体，所述基体外周面上设置有纤维复合层，所述制造方法包括：

缠绕处理：将所述基体固定于缠绕机上，使所述基体沿直线延伸，使所述缠绕机驱动所述基体绕轴线转动；将纤维丝浸入胶液中，以获得浸胶纤维丝；将所述浸胶纤维丝缠绕到所述基体的外周面上，以形成覆盖于所述基体外周面上的浸胶纤维丝层；

固化处理：使所述浸胶纤维丝层固化，以形成纤维复合层，所述纤维复合层包括胶体基材和位于所述胶体基材中的纤维丝；

其中，在所述缠绕步骤中控制所述胶液的黏度和所述纤维丝在所述胶液中停留的时间，以使得所述纤维复合层中含有40-60重量％的胶体基材。

优选地，所述缠绕处理中，在将所述浸胶纤维丝缠绕到所述基体的外周面上时，使所述浸胶纤维丝以相对于所述基体的延伸方向成角度α地缠绕在所述基体上，所述角度α为15°-55°。

优选地，在缠绕处理中，在将所述浸胶纤维丝缠绕到所述基体的外周面上时，包括浸胶纤维丝单层形成步骤：将所述浸胶纤维丝绕所述基体的轴线成螺旋状地铺设一层，以形成浸胶纤维丝单层；重复所述浸胶纤维丝单层形成步骤，以形成顺次重叠的多个所述浸胶纤维丝单层，形成浸胶纤维丝层，从而使得所述纤维复合层的厚度为1mm-2.5mm。

优选地，所述固化处理包括：将外周面覆盖有浸胶纤维丝层的所述基体放入固化炉中旋转固化。

优选地，所述制造方法包括在所述固化处理后的绝缘处理，所述绝缘处理包括：将外周面上形成有所述纤维复合层的基体套入绝缘套中，所述绝缘套为热缩管套，以在所述纤维复合层外周面上形成绝缘层。

对于本发明的多层结构，通过将纤维复合层2的含胶量(除纤维丝意外的胶体基材的重量百分比)控制在40-60重量％的范围内，可以使得长条形的多层结构具有优异的力学和阻尼特性。当应用于焊枪枪管，获得本发明的焊枪和焊接机，即使焊枪枪管具有较长的长度，其稳定性仍然较优越，枪管抵抗外界冲击的性能较好，由此，在焊接过程中焊枪枪管的稳定性较好，有利于保障焊接质量，当应用于深窄孔结构内部焊接操作时，需要使用长度较长的焊枪枪管，而枪管长度越长，这种具有多层结构的枪管的优势就越显著。

附图说明

图1是根据本发明的一种实施方式的多层结构的垂直于延伸方向所截取的横截面的示意图。

附图标记说明

1基体2纤维复合层3绝缘层

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。

在本发明中，需要理解的是，术语“背离”、“朝向”等指示的方位或位置关系与实际使用的方位或位置关系相对应；“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外。这些都仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本发明。

本发明的第一方面提供了一种多层结构，包括长条形的基体1，所述基体1外周面上设置有纤维复合层2，所述纤维复合层2包括胶体基材和位于所述胶体基材中的纤维丝，所述纤维复合层2中含有40-60重量％的胶体基材。

对于本发明的多层结构，通过将纤维复合层2的含胶量(除纤维丝意外的胶体基材的重量百分比)控制在40-60重量％的范围内，可以使得长条形的多层结构具有优异的力学和阻尼特性。

其中，所述基体1可以为直线型，也可以是可弯曲的；其材质可以选择为金属或非金属材质，例如，可以是铜、铁、不锈钢、铝中的任意一者；所述基体1可以具有圆形、正方形或者任意适合形状的横截面(垂直于延伸方向的截面)，可以是沿延伸方向具有恒定或者变化的横截面，并且可以是中空的，例如为管状。

其中，纤维丝可以是碳纤维丝、玻璃纤维丝、玄武岩纤维、芳纶纤维中的任意一者或者多者的组合。胶体基材可以包括环氧树脂及其固定剂、酚醛树脂、聚丙烯树脂、乙烯基树脂中的任意一者或者多者的组合。

在本申请的技术方案中，纤维复合层2属于强阻尼材料(例如碳纤维复合材料的最小损耗因子在1以上)，在例如金属等阻尼值较小的基体1外设置纤维复合层2，可以提高阻尼。进一步地，本申请的发明人发现，当将纤维复合层2的含胶率(纤维复合层2中除纤维丝外的胶体基材的重量占整个纤维复合层2重量的百分比)控制在40％～60％之间时，可以使得多层结构具有更优异的力学和阻尼特性。

对于所述多层结构，随着纤维复合层2含胶率的增加，多层结构整体的结构力学性能先提高后降低，最后趋于稳定；随着含胶率的增加，纤维复合层2与基体1的结合性能提高，多层结构整体力学性能先提高，但是随着纤维复合层2含胶率的进一步增加，整体力学性能在提高到一定程度后会下降，多层结构最终强度趋于纯树脂与基体1的复合强度。并且，随着纤维复合层2含胶率的增加，整个多层结构的阻尼也是先提高后降低，在随着纤维复合层2含胶率的增加多层结构阻尼也提高的阶段中，多层结构的阻尼主要受纤维丝和胶体基材自身粘性阻尼以及界面接触处粘性阻尼的影响，随着纤维复合层2含胶率增大，纤维丝和胶体基材自身粘性阻尼以及界面接触处粘性阻尼均增大，整个多层结构的阻尼增大；当纤维复合层2含胶率进一步增大，因结构损伤产生的摩擦阻尼和局部应力集中产生的非线性粘性阻尼会随着纤维复合层2中纤维含量的降低而急剧下降，而纤维丝和胶体基材自身粘性阻尼以及界面接触处粘性阻尼则由于含胶率的饱和，其值已经趋于稳定，所以多层结构整体的阻尼开始下降，最终趋于稳定。当将纤维复合层2的含胶率控制40％～60％(重量百分比)之间时，可以使得多层结构兼具优异的力学和阻尼特性。

当将电焊机的焊枪枪管设置为具有本发明的多层结构时，焊枪枪管相当于悬臂梁结构，而具有上述多层机构的枪管由于力学和阻尼特性较好，具有更好地稳定性，即使焊枪的枪管具有较长长度的情况下，抗振动能力也较好，不易受到外界力影响产生振动，当用于深窄孔结构内部焊接操作时，有利于保障焊接稳定性和焊接质量。

进一步优选地，对于所述多层结构，所述纤维复合层2中，所述纤维丝的延伸方向相对于所述基体1的延伸方向成角度α，所述角度α为15°-55°。换言之，在纤维复合层2中，纤维丝是以相对于基体1的延伸方向成角度α地绕基体1轴线缠绕的，缠绕的角度α会影响纤维丝与基体1接触面的接触阻尼和结构摩擦损伤产生的摩擦阻尼，当角度α为15°-55°范围内时，纤维复合层2的损耗因子较大，使得所述多层结构具有较好的阻尼。

另外，所述纤维复合层2的厚度为1mm-2.5mm，随着纤维复合层2厚度的增大，整个多层结构的阻尼增大，但是纤维复合层2增厚会带来成本增大和导致多层结构笨重的问题，当纤维复合层2的厚度控制在上述范围内时，能够在获得较好阻尼效果的同时，不会过多增大多层结构2的成本和笨重问题。

理想状态下，所述纤维丝在所述胶体基材中均匀分布，以使得多层结构的各个部分都获得较好的力学和阻尼特性；并且/或者，所述基体1沿直线延伸，基体1为长直形，例如长直管状。

另外，根据需要，所述纤维复合层2外周面上还可以设置有绝缘层3。所述绝缘层3可以选择聚烯烃绝缘层、pvc绝缘层、pet绝缘层中的一者或是多者的组合。

本发明的第二方面，提供了一种焊枪，该焊枪包括枪管，所述枪管设置为根据本发明的多层结构。并且，对于焊枪而言，大多情况下，所述基体1为铜管，也即使说，焊枪的枪管包括铜管，铜管外周面上覆盖有纤维复合层2，并且纤维复合层2的外周面上还可以选择性地覆盖有绝缘层3，当纤维复合层2由绝缘性纤维和胶体形成时，纤维复合层2本身具有绝缘效果，则可以省略绝缘层3。所述枪管可以是长直型枪管，其长度可以大于等于1500mm，当长度较长时，其相较于普通铜管枪管的抗冲击稳定性优势更为明显。

本发明的第三方面还提供了一种焊接机，所述焊接机包括根据本发明的焊枪。

使用本发明的焊枪和焊接机，即使焊枪枪管具有较长的长度，其稳定性仍然较优越，枪管抵抗外界冲击的性能较好，由此，在焊接过程中焊枪枪管的稳定性较好，有利于保障焊接质量，当应用于深窄孔结构内部焊接操作时，需要使用长度较长的焊枪枪管，而枪管长度越长，这种具有多层结构的枪管的优势就越显著。具体地，在所述枪管中，基体1铜管保证焊枪的正常功能，纤维复合层2增加枪管抗振动的能力，降低焊枪因外力而产生的频振，控制其在焊接允许范围内，例如，如果所述纤维丝为碳纤维丝，则其为强阻尼材料，最小损耗因子在1以上，阻尼值远高于铜(其最小损耗因子0.002)，复合由纤维复合层2后可以显著提升焊枪的阻尼，焊枪在焊接过程中抵抗外界冲击的能力更强。并且，可以理解的是，所述枪管可以配套应用于不同类型的焊枪，继而配套用于不同类型的焊接机。

本发明的第四方面，还提供了一种多层结构的制造方法，所述多层结构包括长条形的基体1，所述基体1外周面上设置有纤维复合层2，其特征在于，所述制造方法包括：

缠绕处理：将所述基体1固定于缠绕机上，使所述基体1沿直线延伸，使所述缠绕机驱动所述基体1绕轴线转动；将纤维丝浸入胶液中，以获得浸胶纤维丝；将所述浸胶纤维丝缠绕到所述基体1的外周面上，以形成覆盖于所述基体1外周面上的浸胶纤维丝层；

固化处理：使所述浸胶纤维丝层固化，以形成纤维复合层2，所述纤维复合层2包括胶体基材和位于所述胶体基材中的纤维丝；

其中，在所述缠绕步骤中控制所述胶液的黏度和所述纤维丝在所述胶液中停留的时间，以使得所述纤维复合层2中含有40-60重量％的胶体基材。

在本发明的多层结构的制造方法中，通过将纤维复合层2的含胶量(除纤维丝意外的胶体基材的重量百分比)控制在40-60重量％的范围内，可以使得长条形的多层结构具有优异的力学和阻尼特性。

其中，所述基体1可以为直线型，也可以是可弯曲的；其材质可以选择为金属或非金属材质，例如，可以是铜、铁、不锈钢、铝中的任意一者；所述基体1可以具有圆形、正方形或者任意适合形状的横截面(垂直于延伸方向的截面)，可以是沿延伸方向具有恒定或者变化的横截面，并且可以是中空的，例如为管状。其中，纤维丝可以是碳纤维丝、玻璃纤维丝、玄武岩纤维、芳纶纤维等中的任意一者或者多者的组合。胶液可以包括环氧树脂及其固定剂、聚丙烯树脂、酚醛树脂等中的任意一者或者多者的组合。在所述缠绕步骤中，可以根据所使用胶液的黏度来相应调整所述纤维丝在所述胶液中停留的时间，以使得最终形成的所述纤维复合层2中含有40-60重量％的胶体基材。

并且，所述缠绕处理中，在将所述浸胶纤维丝缠绕到所述基体1的外周面上时，使所述浸胶纤维丝以相对于所述基体1的延伸方向成角度α地缠绕在所述基体1上，所述角度α为15°-55°，可以理解的是，在缠绕时，浸胶纤维丝的缠绕角度α可以是不变的，也可以是变化的，只要变化范围在15°-55°之间即可。

缠绕机的转速可以是可调节的，在缠绕处理时，基体1可以调整为绕轴线匀速旋转。

另外，在缠绕处理中，在将所述浸胶纤维丝缠绕到所述基体1的外周面上时，包括浸胶纤维丝单层形成步骤：将所述浸胶纤维丝绕所述基体1的轴线成螺旋状地铺设一层，以形成浸胶纤维丝单层；重复所述浸胶纤维丝单层形成步骤，以形成顺次重叠的多个所述浸胶纤维丝单层，形成浸胶纤维丝层，从而使得所述纤维复合层2的厚度为1mm-2.5mm。换言之，浸胶纤维丝层包括多个重叠在一起的浸胶纤维丝单层，在制造过程中，是沿着基体1来回铺设多层浸胶纤维丝单层而最终形成浸胶纤维丝层的，并且固化后获得的纤维复合层2的厚度为1mm-2.5mm。

并且，所述固化处理包括：在缠绕处理后，将外周面覆盖有浸胶纤维丝层的所述基体1放入固化炉中旋转固化。

另外，根据需要，所述制造方法包括在所述固化处理后的绝缘处理，所述绝缘处理包括：将外周面上形成有所述纤维复合层2的基体1套入绝缘套中，所述绝缘套为热缩管套，以在所述纤维复合层2外周面上形成绝缘层3。

例如，所述绝缘层3可以选择聚烯烃绝缘层、pvc绝缘层、pet绝缘层中的一者或是多者的组合。并且，绝缘层3也可以不通过热缩管套形成，例如，可以通过涂敷绝缘涂层等工艺形成绝缘层3。当所述多层结构为焊枪枪管时，所述绝缘层3可以实现绝缘保护，避免在焊接过程中，电弧引起纤维复合层2燃烧。

实施例与对比例：

以下通过实施例与对比例对本发明进行详细描述。

在实施例1-4和对比例1和2中均采用以下步骤制造焊枪枪管：

缠绕处理：将焊枪枪管基体(铜管)固定于缠绕机上，使焊枪枪管基体沿直线延伸，使所述缠绕机驱动焊枪枪管基体绕轴线转动；将碳纤维丝浸入胶液中，以获得浸胶纤维丝；将浸胶纤维丝缠绕到焊枪枪管基体的外周面上，以形成覆盖于焊枪枪管基体外周面上的浸胶纤维丝层；

固化处理：将缠绕有浸胶纤维丝层的焊枪枪管基体放置于固化炉在80℃温度下，使所述浸胶纤维丝层固化，以形成位于焊枪枪管基体外周面上的纤维复合层；

其中，在所述缠绕步骤中控制所述胶液的黏度和所述纤维丝在所述胶液中停留的时间，以使得所述纤维复合层中含有的胶体基材的重量百分比不同，实施例1-4和对比例1和2中所述纤维复合层中含有的胶体基材的重量百分比(用p表示)如下表1中所示，

并且，在所述缠绕步骤中，在将浸胶纤维丝缠绕到焊枪枪管基体的外周面上时，包括浸胶纤维丝单层形成步骤：将浸胶纤维丝绕焊枪枪管基体的轴线成螺旋状地铺设一层，以形成浸胶纤维丝单层；重复所述浸胶纤维丝单层形成步骤，以形成顺次重叠的多个所述浸胶纤维丝单层，形成浸胶纤维丝层，从而使得所述纤维复合层具有一定厚度，实施例1-4和对比例1和2中所述纤维复合层的厚度(用t表示)如下表1中所示；

其中，在将所述浸胶纤维丝缠绕到焊枪枪管基体的外周面上时，使所述浸胶纤维丝以相对于焊枪枪管基体的延伸方向成角度α地缠绕在焊枪枪管基体上，实施例1-4和对比例1和2中角度α的取值如下表1中所示；

其中，所述碳纤维原料为东丽公司牌号为t300型丝束；所述胶液包括环氧树脂及其固化剂，且环氧树脂及其固化剂的质量配比为5：1；所述焊枪枪管基体的长度为1500mm，在实施例1-4和对比例1和2中所使用的焊枪枪管基材的尺寸完全相同。

在实施例1-4和对比例1和2中，待焊枪枪管制造完成后，将焊枪枪管一端固定至检测基架上，一端悬空，再将振幅传感器固定至所述焊枪枪管的悬臂端，进行振幅测量；在实施例1-4和对比例1和2中，对焊枪枪管的同一对应位置施加大小相同的脉冲f0*t，测量焊枪枪管在受到脉冲作用下的最大振幅(用a表示)、振幅衰减为0.1a时所需时间(用t表示)，结果分别如表1所示。

在实施例1-4和对比例1和2中，再将各个焊枪枪管安装到匹配的焊枪上(实施例1-4和对比例1和2中所使用的焊枪相同)，利用所述焊枪进行小管径深窄孔结构内部件焊接，具体地为机锁杆三节杆內键板焊接(焊缝长度800mm)(实施例1-4和对比例1和2中机锁杆三节杆及其内键板尺寸和材质都相同)，通过焊后焊缝外观质量(未焊满、焊偏、漏焊等)和焊接结构随机截面取样焊缝根部融合情况(根部未融合)进行焊缝质量评价,焊缝质量参考标准gb/t19418中b级焊缝质量要求进行评价。

表1

通过表1的结果可以看出，采用本发明控制多层结构复合层含胶率在40～60wt％，缠绕角度在15°～55°时，其多层结构具有较好力学和阻尼特性，也就是说所形成的焊枪枪管的力学和阻尼特性优越，使用过程中稳定性较优越，枪管抵抗外界冲击的性能较好，由此，在焊接过程中焊枪枪管稳定性有利于保障焊接质量，当应用于深窄孔结构内部焊接操作时，所焊获得焊缝质量明显优于其它对比例。

在本说明书的描述中，参考术语“一种实施方式“”、“一些实施方式”、“例如”或“示例”等的描述意指结合该实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施方式或示例以及不同实施方式或示例的特征进行结合和组合。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型。包括各个具体技术特征以任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。