一种利用丝材强化及焊接连接金属与热塑性树脂基复合材料的方法

本发明属于金属与树脂复合材料，具体涉及一种利用丝材强化及焊接连接金属与热塑性树脂基复合材料的方法。

背景技术：

1、在航空航天、轨道交通、车辆制造等领域，金属材料如钛合金、镁合金、铝合金等具有强度高、韧性好、耐腐蚀等优势。碳纤维增强树脂基复合材料（简称cfrp，又称之为热塑性树脂基复合材料）具有比强度高、耐蚀性好、吸能抗冲击性强、且易于回收等特点。金属/cfrp复合结构能够充分发挥两种材料的性能优势，同时满足轻量化的技术要求，进一步提升结构件整体性能。

2、传统金属/cfrp连接工艺包括胶接和机械连接，但胶接存在固化时间长、工艺复杂等问题，机械连接因为需要引入铆钉、螺栓等结构件，容易引起结构增重，且连接处容易引起应力集中。近年来，虽然已出现了采用激光焊、电阻焊、搅拌摩擦焊等热连接方法实现金属与cfrp板材的连接，但接头强度有限，难以满足工业应用需求。

3、现有技术中，文献cn2016108089101公开了利用搅拌摩擦焊连接金属材料与树脂基复合材料的方法，其采用了轴肩/搅拌针一体式的搅拌摩擦焊具，以及金属板在上、树脂基复合材料在下的形式进行焊接，搅拌针扎入金属板材内部而不进入gfrp材料中，初步实现了对金属与gfrp的连接。但其界面位置存在树脂材料因热、压作用而挤出的现象，界面连接强度有限。文献cn2019102250377公开了一种适用于金属与聚合物之间的搅拌摩擦焊接方法，其采用静轴肩并配合辅助热源以提高fslw的接头质量，但该方案只适用与frp板材在上、金属材料在下的装夹形式，且需要外接辅助热源装置，且界面连接强度仍然欠佳，且难以实时、有效控制接头质量。

4、更重要的是，由于很多金属/cfrp连接接头都会应用在工况恶劣（尤其是高温、高频振动环境）的场合服役，现有的连接方式虽然在连接强度方面能够满足部分要求，但其抗震性欠佳能仍然属于当前面临的技术瓶颈。

技术实现思路

1、至少为了解决现有金属/cfrp连接接头连接强度和抗震性欠佳的问题，本发明提供了一种利用丝材强化及焊接连接金属与热塑性树脂基复合材料的方法。

2、本发明采用了如下技术方案。

3、一种利用丝材强化及焊接连接金属与热塑性树脂基复合材料的方法，采用了丝材编织的界面强化结构固定连接金属材料与热塑性树脂基复合材料，通过焊接实现界面强化结构其中一侧与金属材料的冶金结合，通过焊接还实现界面强化结构另一侧与热塑性树脂基复合材料熔融连接。熔融连接是热塑性树脂基复合材料的连接界面熔化后重新融合并固化连接。

4、为了进一步提高连接接头连接强度和抗震性，初始状态下的界面强化结构包括金属体和热塑复材体（即热塑性树脂基复合体），金属体与热塑复材体上均设置有间隔布置的若干通孔，采用丝材反复穿过通孔后将金属体和热塑复材体编织缠绕固定在一起。

5、进一步地，前述方法的步骤包括：

6、步骤1，对金属体进行预处理，使金属体表面覆盖有化学处理层或呈微织构；

7、步骤2，将步骤1中的金属体其中一侧正对热塑复材体，并将二者重叠、固定，得复合结构件，然后在复合结构件上制备同时贯穿金属体和热塑复材体的通孔，然后顺着通孔的加工轨迹或预设编织路径在复合结构件正面和背面加工出沟槽；再采用丝束将金属体和热塑复材体编织缠绕固定在一起，此时，丝束的所有拐弯部位均位于沟槽内，得界面强化结构；本方案中，加工出的沟槽需要满足“纤维丝束或金属丝束嵌入沟槽内但不露出复合结构件正面和背面”这一要求，这样的结构能够尽可能确保缠绕的丝束在搅拌摩擦焊接过程中不被搅断；

8、步骤3，在金属板材与热塑复合板材的搭接面均加工出凹槽，金属板材上的凹槽用于嵌装界面强化结构的金属体，热塑复合板材上的凹槽用于嵌装界面强化结构的热塑复材体；

9、步骤4，将金属板材、热塑复合板材和界面强化结构组装在一起并装夹；

10、步骤5，采用焊接设备将界面强化结构的金属体与金属板材焊接在一起，此过程中，界面强化结构与热塑复合板材熔融连接在一起；

11、步骤6，将焊接部位在室温条件下冷却固化形成接头。

12、作为优选方案，金属板材为铝合金、镁合金或钛合金，热塑复合板材为pps、pa、peek等工程用热塑性树脂基复合板。

13、作为优选方案，丝材采用直径为0.05mm-2mm的纤维丝束（如碳纤维丝束、玻璃纤维丝束）或金属丝（如铝丝、铜丝），金属体和热塑复材体的宽度均为2mm-20mm。

14、作为优选方案，金属板材上的凹槽厚度等于金属体厚度，热塑复合板材上的凹槽厚度等于热塑复材体厚度。

15、作为优选方案，焊接设备采用点焊设备或搅拌摩擦焊接设备；采用搅拌摩擦焊接设备时，搅拌摩擦焊接设备的搅拌针伸入金属体内部的长度小于金属体厚度。

16、为了更进一步提高连接接头连接强度和抗震性，焊接过程中，仅有热塑复材体表层发生熔化，热塑复材体内部始终具有非熔化部分，且非熔化部分长度基本等于热塑复合板材上的凹槽长度，非熔化部分宽度基本等于热塑复合板材上的凹槽宽度。作为更优选方案，热塑复材体表层发生熔化的厚度为0.2~0.5mm。

17、作为更优选方案，搅拌摩擦焊接过程中，搅拌针转速为500rpm~2000rpm，工具头的轴肩下压量为0.2mm~0.4mm；步骤6中，冷却固化降温梯度为10℃/min，空气湿度为20~30%。

18、为了更进一步提高连接接头连接强度和抗震性，搅拌摩擦结束后，界面强化结构上的通孔内填充有树脂枝体。

19、有益效果：本发明中，采用了丝材编织的界面强化结构固定连接金属材料与热塑性树脂基复合材料，形成了由丝材编织、丝材内置于界面强化结构内，以及树脂枝体与金属互嵌连接界面强化结构的复合结构，且金属/树脂基复合材料界面均存在表面处理层，不仅实现了金属板材（金属材料）与热塑复合板材（热塑性树脂基复合材料）部分的牢固结合，显著提高了接接头连接强度和抗震性，而且能够实现金属板材与热塑复合板材的一次焊接成形，方便快捷，更适用于工程应用。

技术特征：

1.一种利用丝材强化及焊接连接金属与热塑性树脂基复合材料的方法，其特征在于：采用了丝材编织的界面强化结构固定连接金属材料与热塑性树脂基复合材料，通过焊接实现界面强化结构其中一侧与金属材料的冶金结合，通过焊接还实现界面强化结构另一侧与热塑性树脂基复合材料熔融连接。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：初始状态下的界面强化结构包括金属体和热塑复材体，金属体与热塑复材体上均设置有间隔布置的若干通孔，采用丝材反复穿过通孔后将金属体和热塑复材体编织缠绕固定在一起。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤包括：

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：金属板材为铝合金、镁合金或钛合金，热塑复合板材为pps、pa、peek等工程用热塑性树脂基复合板。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：丝材采用直径为0.05mm-2mm的纤维丝束或金属丝，金属体和热塑复材体的宽度均为2mm-20mm。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：金属板材上的凹槽厚度等于金属体厚度，热塑复合板材上的凹槽厚度等于热塑复材体厚度。

7.根据权利要求4-6任一项所述的方法，其特征在于：焊接设备采用点焊设备或搅拌摩擦焊接设备；采用搅拌摩擦焊接设备时，搅拌摩擦焊接设备的搅拌针伸入金属体内部的长度小于金属体厚度。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：焊接过程中，仅有热塑复材体表层发生熔化，热塑复材体内部始终具有非熔化部分，且非熔化部分长度基本等于热塑复合板材上的凹槽长度，非熔化部分宽度基本等于热塑复合板材上的凹槽宽度。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：焊接过程中，搅拌针转速为500rpm~2000rpm，工具头的轴肩下压量为0.2mm~0.4mm；步骤6中，冷却固化降温梯度为10℃/min，空气湿度为20~30%。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：搅拌摩擦焊接结束后，界面强化结构上的通孔填充有树脂枝体。

技术总结本发明提供了一种利用丝材强化及焊接连接金属与热塑性树脂基复合材料的方法，采用了丝材编织的界面强化结构固定连接金属材料与热塑性树脂基复合材料，通过焊接实现界面强化结构其中一侧与金属材料的冶金结合，通过焊接还实现界面强化结构另一侧与热塑性树脂基复合材料熔融连接。本发明不仅实现了金属板材（金属材料）与热塑复合板材（热塑性树脂基复合材料）部分的牢固结合，显著提高了接接头连接强度和抗震性，而且能够实现金属板材与热塑复合板材的一次焊接成形，方便快捷，更适用于工程应用。技术研发人员：周利,刘煜纯,王新波,芦治荣,郭梦洁,刘文颖受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学（威海）技术研发日：技术公布日：2024/7/4