碳纤维复合材料与铝合金板材冲压连接的方法及其装置与流程

本发明属于冲压连接领域，具体涉及一种碳纤维复合材料与铝合金板材冲压连接的方法及其装置。

背景技术：

随着汽车行业的飞速发展，汽车轻量化技术的应用大势所趋，轻量化的替代性材料是业内普遍认可最具价值的轻量化技术。铝合金已在车身上大量应用，而非金属纤维复合材料等新材料也正逐步应用于车身制造中。对于非金属纤维复合材料如果采用传统的方式将两块板料连接在一起，那么,单件连接成本就比较高。现有成熟技术如铆钉接或螺栓连接，准备工作、运输成本和零配件的加工成本较高，且拆卸不方便、孔的产生存在应力集中、密封性差。螺栓连接在振动、冲击、载荷变动和温差过大的情况下，往往会产生松动而导致机械故障。铆接对制孔的精度要求较高，工作时噪音大，结构笨重，且螺栓连接和铆接均存在腐蚀问题，影响接头质量。如果采用点焊,点焊机的投资较大,且存在应力集中、抗振动性差疲劳强度差。此外,对于多层板料相连接就更困难。而对于近年来得到推广的新型连接技术，如spr自冲铆接技术、fds流钻铆钉拧紧工艺的推广，弥补了异种材料连接的空白。针对上述两种连接方法，又因其皆须破坏被连接件表面，对材料造成不可逆伤害，使连接部位在寿命、疲劳强度、耐水、防盐雾方面表现不佳。如果采用胶接，其可靠性差、缺乏有效的质量连接方法、胶接性能受环境(湿、热、腐蚀介质)影响大、易老化不能传递大载荷。

技术实现要素：

为了克服上述方式的缺陷，本发明提供了一种碳纤维复合材料与铝合金板材冲压连接的方法及其装置，旨在利用冲压连接模具冲压连接点，以实现碳纤维复合材料与铝合金板材之间不同厚度、不同连接层数的快速、高效、低成本的连接。

为了达到上述目的，本发明所采取的技术方案是：

碳纤维复合材料与铝合金板材冲压连接的方法，其特征在于，其步骤为：

按照设计要求选定碳纤维复合材料与铝合金板材的连接位置，在此位置碳纤维复合材料与铝合金板材之间设置夹层结构，将此位置置于冲压连接装置，对碳纤维复合材料与铝合金板材分别进行加热，在温度达到各自的可塑范围时，进行冲压连接；

所述夹层结构由多层预浸料层和多层金属纳米颗粒层的层叠铺设而成；所述预浸料层以碳纤维复合材料为主；所述金属纳米颗粒层的成分为铝合金板材中的部分或全部金属；

进一步的技术方案在于，所述夹层结构铺设时，预浸料层从碳纤维复合材料向铝合金板材铺设，金属纳米颗粒层从铝合金板材向碳纤维复合材料铺设。

进一步的技术方案在于，所述预浸料层与金属纳米颗粒层交错层叠铺设。

进一步的技术方案在于，冲压连接方法中预浸料层为碳纤维预浸料层，金属纳米颗粒为纳米级铝粉。

进一步的技术方案在于，所述碳纤维预浸料层铺设时，其相邻两层纤维碳纤维预浸料层的纤维方向相互垂直。

一种用于上述所述方法的装置，其特征在于，包括相互配合且用于冲压连接的凸模、凹模，固定凹模的凹模底座，置于凹模底座上用于固定两种薄板冲压连接位置的压边圈；所述压边圈上设置供凸模进出的冲压连接孔；所述凸模内部，以及凹模底座内部分别设置加热装置。

进一步的技术方案在于，所述装置用于碳纤维复合材料与铝合金板材的冲压连接时，铝合金板材与凸模接触，碳纤维复合材料与凹模接触，夹层结构铺设于碳纤维复合材料与铝合金板材之间。

进一步的技术方案在于，所述凸模内部的加热装置为电加热棒一，所述加热棒一与凸模冲头的中轴线重合。

进一步的技术方案在于，所述凹模底座内部的加热装置为电加热棒二，所述凹模底座在凹模底部设置安装电加热棒二的安装孔，所述电加热棒二位于安装孔内。

进一步的技术方案在于，所述凸模内部，以及凹模底座内部设置的加热装置分别进行加热控制。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、可实现碳纤维复合材料与铝合金板材的连接；针对无铆连接不能连接的劣势，通过增加夹层结构，实现板材的机械互锁，解决传统无铆连接无法对非金属材料实现连接点变形强化的问题。针对夹层结构喷涂纳米金属颗粒(针对铝合金材材，喷涂的为铝粉)，利用夹层结构中预浸料固化过程中树脂的流动性，促使纳米金属颗粒在连接点处再分布，填充因板材变形产生的缝隙，同时因凹、凸模的挤压作用，促使纳米金属颗粒被树脂包裹进入铝合金板材表面微孔，增强板材连接强度，同时因纳米金属颗粒与铝合金板材属同种材料，具备较优的亲和力，在纳米金属颗粒与树脂之间构建媒介，实现接合。同时因夹层结构中预浸料预浸料层以碳纤维复合材料为主，两者具有较强的亲和力(比如碳纤维预浸料与成品碳纤维板材)，作为夹层材料，提升了连接非金属板材的性能。

2、凹、凸模具均有独立控温，可针对不同板材的成形性能进行相应温度调控，可大幅度提升板材连接性能，避免对模具整体加热引起的的高能耗和加热效率低的问题。

3、凹模可替换，凸模可匹配不同冲点，冲点圆孔可匹配调整不同尺寸间隙，可适用于不同板层厚度、不同材料叠层数的接合试验测试，高通量接合，具备省时性。

4、夹层结构能够显著增强碳纤维复合材料与铝合金板材的连接能力。夹层结构中的金属纳米颗粒层可增强树脂与铝合金板材的浸润接合能力，同时夹层结构中的预浸料其材料与碳纤维复合材料为同种材料，增强了夹层结构与碳纤维复合材料的浸润接合能力。

附图说明

图1为本发明冲压连接装置结构示意简图；

图2为本发明冲压连接装置结构冲压连接结束后示意简图；

图3为本发明夹层结构组织结构示意简图；

图中：1、电源一；2、电加热棒一；3、凸模；4、压边圈；5、铝合金板材；6、夹层结构；7、碳纤维复合材料；8、凹模；9、电加热棒二；10、电源二；11、凹模底座；12、纳米级铝粉层一；13、0°铺放的碳纤维预浸料；14、纳米级铝粉层二；15、90°铺放的碳纤维预浸料。

具体实施方式

结合上述附图针对本发明进行详细阐述。

本发明阐述了碳纤维复合材料与铝合金板材冲压连接的方法，其步骤为：

按照设计要求选定碳纤维复合材料7与铝合金板材5的连接位置，在此位置碳纤维复合材料7与铝合金板材5之间设置夹层结构6，将此位置置于冲压连接装置，对碳纤维复合材料7与铝合金板材5分别进行加热，在温度达到各自的可塑范围时，进行冲压连接；

所述夹层结构6由多层预浸料层和多层金属纳米颗粒层的层叠铺设而成；所述预浸料层以碳纤维复合材料为主；所述金属纳米颗粒层的成分为铝合金板材中的部分或全部金属；

本方法优选实施例为，所述夹层结构6铺设时，预浸料层从碳纤维复合材料7向铝合金板材5铺设，金属纳米颗粒层从铝合金板材5向碳纤维复合材料7铺设。

本方法优选实施例为，所述预浸料层与金属纳米颗粒层交错层叠铺设。

本方法优选实施例为，冲压连接方法中预浸料层为碳纤维预浸料层，金属纳米颗粒为纳米级铝粉。

本方法优选实施例为，所述碳纤维预浸料层铺设时，其相邻两层纤维碳纤维预浸料层的纤维方向相互垂直。

本发明还阐述了一种用于上述所述方法的装置，其包括相互配合且用于冲压连接的凸模3、凹模8，固定凹模8的凹模底座11，置于凹模底座11上用于固定两种薄板冲压连接位置的压边圈4；所述压边圈4上设置供凸模3进出的冲压连接孔；所述凸模3内部，以及凹模底座11内部分别设置加热装置。

本装置优选的实施方式为，所述装置用于碳纤维复合材料与铝合金板材的冲压连接时，铝合金板材与凸模接触，碳纤维复合材料与凹模接触，夹层结构铺设于碳纤维复合材料与铝合金板材之间。

本装置优选的实施方式为，所述凸模3内部的加热装置为电加热棒一2，所述加热棒一2与凸模3冲头的中轴线重合。

本装置优选的实施方式为，所述凹模底座11内部的加热装置为电加热棒二9，所述凹模底座11在凹模8底部设置安装电加热棒二9的安装孔，所述电加热棒二9位于安装孔内。

本装置优选的实施方式为，所述凸模8内部，以及凹模底座11内部设置的加热装置分别进行加热控制。

本装置优选的实施方式为，所述电加热棒一2为6*60mm功率100w模具单头电热管不锈钢220v干烧型加热棒；所述电加热棒二9为8*100mm功率200w模具单头电热管不锈钢220v干烧型加热棒；

实施例一

如图1所示的冲压连接装置的示意简图中，主要包括：凹模底座11，凹模8，凹模底座11固定不动，将凹模8固定于凹模底座中心位置，凹模底座11与凹模8上表面光滑并平齐，凹模底座11内部在凹模8下方轴线位置分布3*φ8的安装孔，3根8*100mm功率200w模具单头电热管不锈钢220v干烧型加热棒插入凹模底座11的安装孔内，加热棒二9分别与交流电源10通过三相大功率可控硅电子调压器连接。加热棒二9置于凹模底座11内，独立为凹模8进行加热，实现温度调控，可大幅度提升板材连接性能，避免对冲压连接装置整体加热引起的的高能耗和加热效率低的问题。在凹模底座11和凹模8上叠加放置连接碳纤维复合材料7、夹层结构6、铝合金板材5。压边圈4置于铝合金板材5之上，以固定位置和压住两种可塑性薄板，压边圈4中心轴线与凹模8轴线重合。压边圈4冲压连接孔中心上层布置凸模冲头，凸模3中心轴线与压边圈4冲压连接孔轴线重合，凸模3内置6*60mm功率100w模具单头电热管不锈钢220v干烧型加热棒2，加热棒一2通过三相大功率可控硅电子调压器与交流电源1相连接。

根据图1所示，在进行冲压连接开始前，将碳纤维复合板7放置在凹模底座11与凹模8上表面，碳纤维复合材料7上方叠加夹层结构6，夹层结构6的构成为6层碳纤维预浸料纤维方向0°/90°交叠铺放和2层均匀喷涂的纳米级铝粉组成，铺层结构为自上而下依次为[纳米级铝粉/0°/纳米级铝粉/90°/0°/90°/0°/90°]，夹层架构6上方放置铝合金板材5。为防止冲压连接过程中因材料变形造成板材位移，在铝合金板材5上方冲压连接位置处放置压边圈4，压边圈4可固定连接件不动，压边圈4冲压连接孔中心轴线与凹模8轴线重合。将凸模3中心轴线与凹模8轴线重合。分别启动电加热棒一2与电加热棒二9，根据板材成型温度不同，独立对凸模3和凹模底座11与凹模8加热，使凹、凸模8、3形成温度差。凹模升温用于软化碳纤维板材同时使碳纤维预浸料中树脂软化，凸模冲头升温用于促进碳纤维预浸料中树脂固化和铝合金板材成形。达到指定温度后，切断电源并保持温度。

0°铺放的碳纤维预浸料13与90°铺放的碳纤维预浸料15的纤维方向相互垂直。

根据图2所示，开始连接过程，凸模3向下移动，当接触铝合金板材5时，凸模3继续向下移动，此时凸模冲头开始挤压板材，在冲压力的作用下，铝合金板材5发生塑性变形，随着力的传导，使夹层结构6和碳纤维板材7发生变形。因凹模8型腔和凸模冲头3的挤压，以及前期加热对夹层结构6中碳纤维预浸料的软化，在巨大的冲压力作用下，夹层结构6中碳纤维预浸料中树脂产生流动，由于模具单面侧向间隙远小于连接板件的总厚度,在冲压力的作用下,凸模3侧材料受挤压并挤压凹模8侧材料一起向下流动,底部材料受挤压变薄向外侧流动,最后材料流向凹模环形槽。软化后的碳纤维预浸料在冲压力作用下发生再排布，可填充变形后铝合金板材5和碳纤维板材7之间的缝隙。树脂的流动带动纳米级铝粉(或纳米级铝合金粉)填充到铝合金板材5的断裂氧化膜缝隙内与板材形成相互勾连，同时，纳米级铝粉包裹树脂增加了树脂进入铝合金板材缝隙的可能。此外，纳米级铝粉与铝合金板材为同性物质，就有较强的亲和力，对于夹层结构与铝合金板材的结合变得更为紧密。碳纤维预浸料在加热过程中发生固化反应，使变形过程更加稳定，其次，夹层结构6中碳纤维预浸料与碳纤维板材7为同性材料，提升了夹层结构6与碳纤维板材7之间的连接能力。以上变形与固化使板件间材料在塑性流动的过程中产生相互镶嵌,凸模3侧材料嵌进凹模8侧材料中,从而达到了相互连接。保持凸模3与凹模底座11位置不动，保压一段时间后，凸模3向上移动，移除压边圈4，将铝合金板材5、夹层结构6和碳纤维板材7取出，成形结束。

其中，6*60mm功率100w模具单头电热管不锈钢220v干烧型上模加热棒、8*100mm功率200w模具单头电热管不锈钢220v干烧型下模加热棒分别通过三相大功率可控硅电子调压器与交流电源相连接，上下模独立控温，可针对不同材料板材厚度、夹层结构厚度、连接件材料差异、材料成形情况做出不同温度的调节。凸模3可根据材料厚度和连接成形质量进行相应冲压速度、冲压力的调节。压边圈4能够根据不同板材成形厚度，与材料成形过程中的压边力做出相应调节；凹模8能够根据不同板材成形特点，针对连接点的不同成形情况，做出相应调整。