一种复合材料二次胶接装置及胶接方法

1.本发明涉及复合材料胶接技术领域，特别涉及一种复合材料二次胶接装置及胶接方法。


背景技术：

2.复合材料结构制造离不开各零件或部件的连接。随着航空航天技术的发展，胶接工艺技术得到日益广泛应用。复合材料较金属具有提高结构整体性的优势，但由于设计、工艺、成本及使用维护等需要或限制，分离面、口盖等结构都是无法避免的存在，需要通过连接技术来解决。在航空航天产品中采用胶接连接取代传统的铆接、螺栓连接和焊接，胶接连接是利用胶粘剂将不同的零件连接成不可拆卸的整体，可以减轻结构件质量，外形平整光滑，不会产生因制孔导致的应力集中，改善疲劳强度，兼能连接两种不同材料，并具有良好的抗化学腐蚀能力、胶接工艺简便、可缩短生产周期等特点，被广泛应用于各种异形件、结构复杂件、薄壁结构等。
3.目前复合材料加筋壁板结构多采用预浸料-热压罐工艺，包括共固化，共胶接与二次胶接，是目前复合材料加筋壁板结构整体成型工艺中最基本、最常见的技术。但是，由于热压罐具有设备价格高昂、能源消耗大、运行成本高、对模具要求高等缺点，导致热压罐工艺制造成本高。并且在热压罐工艺条件下，二次胶接使得构件进罐次数增加，导致构件的力学性能下降。
4.非热压罐工艺是一种低成本复合材料制造技术，通常采取烘箱或电热毯方式进行加热、采取真空袋抽真空的方式进行加压，以此来降低复合材料制造成本。然而，采取非热压罐工艺时，由于烘箱与电热毯加热都属于外部加热，胶层内部易产生温度梯度，使得胶层受热不均匀，固化不充分；使用真空袋施加压力较低，无法满足二次胶接固化工艺所需压力，导致胶层孔隙率过高，胶接结构件质量存在缺陷。采用传统非热压罐工艺二次胶接下得到的胶接构件的力学性能低于热压罐工艺。
5.因此，在节约制造成本的条件下，采取非热压罐工艺进行二次胶接时，如何得到胶接性能良好的胶接构件是需要解决的问题。因此亟需开发一种高性能低成本的复合材料二次胶接装置与方法。


技术实现要素：

6.本发明为了解决上述技术问题，提供了一种复合材料二次胶接装置及胶接方法。本发明提供的胶接装置在环氧树脂胶膜固化过程中可提供均匀且充分的温度场与压力场，获得固化充分、性能良好的胶接构件；同时该胶接方法可实现对不同温度，不同压力的控制，满足不同固化条件下的工艺需求。
7.本发明是通过以下技术方案得以实现的。
8.一种复合材料二次胶接装置，包括胶层加热系统、胶层加压系统、密封结构。
9.所述胶层加热系统包括温度控制器、金属网栅以及贴合在金属网栅上下表面的环
氧树脂胶膜，所述温度控制器包括直流稳压电源；所述金属网栅通过两组导线分别连接直流稳压电源正负极，组成闭合回路。
10.所述胶层加压系统包括固定支座，固定支座上设有密封滑块，密封滑块的端部与测微头的前端连接；所述测微头末端的微调旋钮连接步进电机，步进电机与plc控制器连接。
11.所述密封结构包括密封盖板和密封挡板，所述密封盖板与密封挡板分别通过螺栓与固定支座连接。
12.进一步的，所述测微头通过固定支架固定到固定支座上。
13.进一步的，所述密封挡板与金属网栅之间设有铜电极，导线的一端与铜电极连接，另一端与直流稳压电源连接。
14.进一步的，所述固定支座上设有导轨，密封滑块在导轨上滑动。
15.进一步的，所述密封挡板上设有用于引出导线的通孔。
16.进一步的，所述温度控制器还包括温度控制仪，固态继电器；固态继电器串联在连接金属网栅和直流稳压电源组成的回路中，控制电流的通断。
17.进一步的，所述胶接装置中还设有检测器，检测器连接温度传感器。
18.一种复合材料二次胶接方法，包括以下步骤：
19.s1.制备工字梁构件和复合材料平板构件，对工字梁构件和复合材料平板构件进行表面处理；
20.s2.对金属网栅进行表面处理，再将金属网栅与环氧树脂胶膜贴合，形成自加热复合胶膜；
21.s3.将自加热复合胶膜铺放在工字梁构件与复合材料平板构件胶接面之间，并在构件两端安装固定支座，在固定支座的轨道内放置密封滑块，密封滑块的端部连接测微头，测微头末端微调旋钮连接步进电机，步进电机与plc控制器连接；
22.s4.在金属网栅的两侧放置铜电极，再安装密封挡板，在工字梁构件下板的上方安装密封盖板，密封盖板和密封挡板分别通过螺栓与固定支座固定；
23.s5.在密封挡板或复合材料平板构件表面布设温度传感器，并将温度传感器与温度控制器连接；
24.s6.检测器连接温度传感器，测量并记录温度数值；
25.s7.在温度控制器中设置温度工艺曲线，开启直流稳压电源，金属网栅中有电流流过，发出热量，对环氧树脂胶层进行加热，温度传感器对胶层的温度进行测量并反馈给温度控制器，温度控制器控制电路的启闭，将胶层按规定速率加热到指定温度并保温；
26.s8.在升温阶段开启plc控制器，根据给定的位移曲线控制步进电机的转动，步进电机带动测微头移动，测微头前端平面测头推动密封滑块挤压胶层，实现对胶层的机械施压；
27.s9.待固化结束，开模并经过脱模、切割、修整得到复合材料胶接结构。
28.本技术具有以下有益效果。
29.1.本发明提供一种通过电加热环氧树脂胶膜和机械加压的方式，在二次胶接时可实现胶层内部的温度场与固化度场分布均匀，胶层受压均匀，气泡含量少，成品孔隙率低，胶接质量高，并且此胶接装置制造成本低，工艺流程耗能小；
30.2.本发明提供的装置采用金属网栅为热源对胶层进行内部加热，胶层整体受热均匀，金属网栅通过导线连接温度控制器，温度控制器对采集的温度信号进行处理，通过控制电路开断，使得金属网栅的温度曲线满足胶层固化所需的温度曲线；本技术方法可满足不同树脂固化体系的温度需求；
31.3.本发明提供的装置采用密封结构和机械加压的方式对胶层进行加压，测微头控制密封滑块移动，直接挤压胶层，减少压力传递路径，使得胶层受压充分，同时密封盖板与密封挡板可实现对胶层流动的限制与胶层厚度的控制；整体工装使流动的树脂充分浸入气泡，使树脂密实程度高，成品孔隙率低，胶接性能良好且胶层厚度可控；
32.4.本发明结合自动控制技术，使用本发明提供的装置可以对复合材料二次胶接过程中进行温度与压力的自动控制；
33.5.本发明实现了复合材料低成本二次胶接，能耗低于烘箱加热，且胶接成型过程中，温度场与压力场分布均匀，胶接质量可控；本发明可应用于飞机加筋壁板处的胶接结构中，对降低航空航天制件的制造成本有着重要意义；
34.6.本发明提出了一种非热压罐工艺条件下的复合材料二次胶接装置与方法，可在热压罐外实现对胶层的局部加热与局部加压；本发明方法设计合理，设备成本低，耗能小，能有效提高复合材料胶接构件的胶层质量；本发明方法可降低制造成本，实现低成本胶接，具有一定的工程应用参考价值。
附图说明
35.图1为本发明胶接装置的结构示意图；
36.图2为本发明胶接装置的右视图；
37.图3为图2中沿a-a线的剖视图；
38.图4为本发明固定支座和密封盖板的安装示意图；
39.图5为图4中沿b-b线的剖视图。
40.其中，1-工字梁构件；2-螺栓；3-测微头；4-步进电机；5-固定支架；6-环氧树脂胶膜；7-复合材料平板构件；8-金属网栅；9-固定支座；10-密封滑块；11-密封盖板；12-检测器；13-温度控制器；14-密封挡板；15-plc控制器。
具体实施方式
41.下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。
42.如图1-5所示，一种复合材料二次胶接装置，包括胶层加热系统、胶层加压系统和密封结构。
43.所述胶层加热系统包括温度控制器13、金属网栅8以及贴合在金属网栅8上下表面的环氧树脂胶膜6，所述温度控制器13包括直流稳压电源；所述金属网栅8通过两组导线分别连接直流稳压电源正负极，组成闭合回路；金属网栅8通电发出热量，胶层加热系统实现热量的控制与传递。
44.所述温度控制器13中还有温度过载报警系统，用于防止温度控制器失效导致所述环氧树脂胶膜温度过高，影响胶接结构件性能。
45.所述密封挡板14与金属网栅8之间设有铜电极，导线的一端与铜电极连接，另一端
与电源连接。在密封挡板14与金属网栅8之间放置一层铜电极，导线连接铜电极，通过铜电极将电流均匀的施加到金属网栅8上，最后通过脱模，即可完成铜电极与网栅的分离，有效避免了内埋导线对结构性能的影响。
46.温度控制器包括直流稳压电源，温度控制仪，固态继电器；固态继电器串联在连接金属网栅8和直流稳压电源组成的回路中，控制电流的通断。
47.温度控制仪选用福建顺昌虹润精密仪器有限公司生产的e400型号；直流稳压电源选用优利德科技(中国)股份有限公司生产的utp130型号；固态继电器选用德力西集团有限公司生产的cdg1-1dd型号。
48.所述胶层加压系统包括固定支座9，固定支座9上设有导轨，导轨内设有密封滑块10，密封滑块10可沿导轨左右移动挤压胶层；所述密封滑块10的端部与测微头3的前端连接；所述测微头3通过固定支架5固定到固定支座9上，所述测微头3末端微调旋钮连接步进电机4，步进电机4与plc控制器15连接，所述plc控制器根据输入的程序控制步进电机4的转动，达到对密封滑块10的位移自动控制。
49.测微头又名微分头，千分尺头，是一种利用螺旋副原理进行读数的测量长度工具，通过旋转末端的微调旋钮转动使得前端平面测头移动，实现对位移的控制与测量。测微头可实现前端的平面测量面0-25mm的移动，分辨率可达1μm，实现微米级别的位移调整。多用于光学仪器平台精密调节位移量，精密仪器设备的微调整及测量。
50.而本发明中利用测微头可控的微小位移，将其用于复合材料二次胶接过程中，通过测微头3控制密封滑块10移动挤压胶层的加压方式，来满足胶层固化过程中对压力的需要。在胶层固化过程中，树脂受热产生挥发物质形成气泡，须通过加压的方式以排除其中气泡。常规的固化工艺是在结构件外部包裹一层真空袋，通过对真空袋抽真空的方式，对试件施加一个大气压的压力，从而满足树脂固化时对压力的需求。而本发明的机械加压方式根据测微头的进给原理，通过plc控制器15控制测微头3前端平面测头移动，从而使两个密封滑块10在水平方向上同时挤压胶层，使胶层受压流动，压力可大于一个大气压，树脂所受压力更大，可以更充分的挤压排除气泡，固化完成后孔隙率更低，树脂更密实。
51.本发明将测微头控制位移装置用于替代非热压罐工艺下真空袋抽真空以获得压力的方法，使得胶层固化中所受压力更高更充分，胶接性能更优。
52.所述密封结构包括密封盖板11和密封挡板14，所述密封挡板14上设有多个密封性良好的圆形通孔，用于引出导线与传感器；所述密封盖板11与密封挡板14分别通过螺栓2与固定支座9连接。所述密封盖板11可限制胶层在厚度方向的位移，实现对胶层厚度的控制；所述密封挡板14可限制胶层流动。
53.本技术密封结构与胶层加压系统配合，可实现对复合材料平板构件7与工字梁构件1的定位。
54.本技术胶接装置还设有检测器12，通过温度传感器与压力传感器测量并记录胶层的温度与压力变化。压力传感器仅在实验测试阶段使用，用于得到最佳的压力数值，实际生产中不需要再安装压力传感器。本系统使用福建顺昌虹润精密仪器有限公司生产的ohr-3051f1型号的压力传感器和开普森公司生产的tt-k-36sle型号温度传感器。本技术的检测器12选用无纸记录仪，可以测量并记录传感器采集的信号，无纸记录仪购自福建顺昌虹润精密仪器有限公司，型号f800。压力传感器采用毛细管压力传感器，通过密封挡板上设置的
预留孔将毛细管一端接入胶层之间，并对其进行封装，一端连接储油腔，腔内注有硅油作为传压介质，当毛细管测压端压力变化时，压力信号将沿着毛细管传递到储油腔，并将液体压力传递给压力传感器。压力传感器连接检测器，实现对压力信号的检测。
55.本技术还提供了一种复合材料二次胶接方法，包括以下步骤：
56.s1.制备符合胶接要求的工字梁构件1和复合材料平板构件7，对工字梁构件1和复合材料平板构件7进行表面处理，以增加构件表面的粗糙程度，从而提高胶接质量；
57.s2.对金属网栅8进行表面处理，再将金属网栅8的上、下两面分别与环氧树脂胶膜6贴合，形成自加热复合胶膜；经过表面处理的金属网栅8与环氧树脂胶膜6的界面性能更好，避免了金属网栅8与环氧树脂胶膜6的界面破坏；
58.s3.将自加热复合胶膜铺放在工字梁构件1与复合材料平板构件7胶接面之间，并在构件两端安装固定支座9，在固定支座9的轨道内放置密封滑块10，密封滑块10的端部连接测微头3，测微头3末端微调旋钮连接步进电机4，步进电机4与plc控制器15连接；
59.s4.在金属网栅8的两侧放置铜电极，再安装密封挡板14，在工字梁构件1下板的上方安装密封盖板11，密封盖板11和密封挡板14分别通过螺栓2与固定支座9固定，完成胶接工装的搭建；
60.s5.在密封挡板14或复合材料平板构件7表面布设温度传感器，并将温度传感器与温度控制器13连接；
61.在前期测试工作中，在金属网栅8表面测温的同时，在密封挡板14或者复合材料平板构件7的底面布设温度传感器，测量并记录外表面的温度变化规律，并得出二者之间的温差关系，从而可以通过密封挡板14和复合材料平板构件7的温度反推出金属网栅8的温度。在后期的实际生产中，可不采集金属网栅8的温度信号，用密封挡板14或复合材料平板构件7底面的温度变化来间接控制金属网栅8的温度，一方面避免了内埋温度传感器对结构性能的影响，另一方面也保证检测结果的准确性。
62.s6.检测器12连接温度传感器，测量并记录温度数值；
63.s7.在温度控制器中设置温度工艺曲线，采用金属网栅8对环氧树脂胶层进行加热，将自加热复合胶膜从室温开始升温，按2℃/min的升温速度加热到120℃温度并保持在该温度2h。然后停止加热，自然冷却；在此过程中，温度传感器对胶层的温度进行测量并反馈给温度控制器，温度控制器控制电路的启闭，将胶层按规定速率加热到指定温度并保温；
64.s8.在升温阶段，温度达到60℃时开启plc控制器15，根据给定的位移曲线控制步进电机4的转动，步进电机4带动测微头3移动，测微头3前端平面测头推动密封滑块10挤压胶层，实现对胶层的机械施压；在降温阶段，当温度降至60℃以下卸压；在前期测试工作中，通过毛细管压力传感器检测压力信号，修正plc控制器输出的位移曲线，使得位移的加载方式可以满足胶层固化过程中的压力需求，实验结束后，毛细管内埋至胶层之中。在实际生产中，为保证结构的完整性，可直接通过给定的位移曲线保证固化中压力施加，无需压力传感器测量胶层的压力变化。plc控制器15使用西门子公司的s7-200型号，步进电机使用鸣志-nema 23标准混合式步进电机；步进电机驱动器使用鸣志sr4-plus型号。
65.s9.待固化结束，开模并经过脱模、切割、修整得到复合材料胶接结构。
66.在实际生产之前的试验阶段，需要重复步骤1-9，开展不同压力、不同升温速率、不同保温时间下的胶接实验，并记录数据，通过比较，优选出最佳的温度和压力控制参数，以
获得力学性能最优的胶接接头。
67.本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。