一种基于超声波焊接的热塑性复合材料蜂窝夹层结构面芯界面连接方法

本发明属于复合材料蜂窝夹层结构及连接，尤其涉及一种基于超声波焊接的热塑性复合材料蜂窝夹层结构面芯界面连接方法。

背景技术：

1、蜂窝夹层结构是一种由蜂窝芯层和上、下两层面板组成的夹层复合材料。其中，上下面板承受结构的面内载荷，与之相连接的蜂窝芯起支撑和抵抗面外压缩与剪切载荷的作用，在提高结构整体抗弯刚度和抗变形能力的同时，使其兼具隔热、隔声、吸波等多功能特性。目前，铝蜂窝/铝面板、铝蜂窝/纤维增强环氧面板、纸蜂窝/纤维增强环氧面板等蜂窝夹层结构已经在航空航天、轨道交通与汽车工业等领域得到广泛应用。然而，随着飞行器、高速列车以及新能源汽车等各类装备的服役要求不断提高，铝蜂窝等金属蜂窝比强度比刚度低、热膨胀显著，纸蜂窝湿热老化与耐候稳定性不足，环氧等热固性复合材料夹层结构可回收性较差等问题逐渐暴露，对发展兼具轻量化、高强度、高刚度与可回收特性的蜂窝夹层结构提出了新的需求。

2、热塑性复合材料兼具优异的力学性能、较高的损伤容限以及可回收特性。采用连续碳纤维、玻璃纤维增强热塑性复合材料制备得到的新型全热塑性复合材料蜂窝，其比刚度相比于铝蜂窝提高了约2-3倍，比强度提高了约4-5倍。此外，全热塑性复合材料蜂窝夹层结构面芯复合过程中，通过采用同种树脂基体可以规避异质界面的连接问题，进一步提高蜂窝面芯连接强度。

3、现有技术中，蜂窝芯与面板的连接形式主要为钎焊或胶接。前者主要应用于金属蜂窝芯与金属面板间的复合，不适用于复合材料蜂窝与面板的连接；后者依靠热固性结构胶膜的流动及固化，促进蜂窝壁与面板间形成胶留实现面芯粘接。对于热塑性的蜂窝、面板以及胶膜来说，在受热达到树脂熔点温度附近时会迅速软化，留给面芯热压复合时的工艺窗口期较窄。过量的热输入极易引发蜂窝芯软化压溃、面板内部分层，影响夹层结构的尺寸精度并导致内部缺陷，增大制备过程的能源消耗。此外，由于热塑性树脂本身的粘度较高，较窄的工艺窗口还会使得面芯连接较难形成胶留现象，连接形式仅为线面接触，降低了有效粘接面积，最终限制了面芯结合强度的进一步提升。

4、对比文件202211732666.7《一种连续纤维增强热塑性复合材料蜂窝夹层结构、制备装置及制备方法》根据热塑性树脂材料首次提出可依托超声焊接并配合能量导向结构制备夹层结构，提出了采用与蜂窝芯中瓦楞板焊接时相同的等腰直角三角形导能结构焊接面板与芯材，最终希望制备得到夹层结构。然而实际操作过程中发现，布满能量导向结构的面板在与芯材连接时会导致能量沿导能结构快速传递，树脂爬壁后无法有效形成胶留；2mm以下薄壁蜂窝还会在压力作用下发生屈曲，使得连接处的熔融不充分，频繁导致焊接缺陷；90度顶角的等腰直角三角形导能结构无法满足所有树脂体系的连接需求。

技术实现思路

1、本发明要解决背景技术中提及的技术问题，提供了一种基于超声波焊接的热塑性复合材料蜂窝夹层结构面芯界面连接方法，以改善热塑性复合材料蜂窝与热塑性复合材料面板间的界面结合强度。

2、为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

3、一种基于超声波焊接的热塑性复合材料蜂窝夹层结构面芯界面连接方法，包括以下步骤：

4、s1、将纤维增强热塑性复合材料板材及热塑性蜂窝芯材料切割至目标尺寸，得到纤维增强热塑性复合材料面板和热塑性蜂窝芯，清理纤维增强热塑性复合材料面板和热塑性蜂窝芯表面；

5、s2、根据热塑性蜂窝芯的特性，确定纤维增强热塑性复合材料面板表面的异型能量导向结构的特征参数；

6、s3、根据异型能量导向结构的特征参数设计金属倒模，金属倒模在纤维增强热塑性复合材料面板的一侧面模压出异型能量导向结构；

7、s4、将热塑性蜂窝芯与纤维增强热塑性复合材料面板固定于超声波焊机内，热塑性蜂窝芯一侧面与纤维增强热塑性复合材料面板具有异型能量导向结构的侧面贴合，设置焊接工艺参数并启动焊接程序，完成热塑性蜂窝芯一侧面与纤维增强热塑性复合材料面板的焊接；再将热塑性蜂窝芯另一侧面与另一个纤维增强热塑性复合材料面板具有异型能量导向结构的侧面贴合，固定于超声波焊机内，设置焊接工艺参数并启动焊接程序，完成热塑性蜂窝芯两侧面与纤维增强热塑性复合材料面板的焊接，得到热塑性复合材料蜂窝夹层结构。

8、为优化技术方案，本发明进一步改进为：

9、s1中纤维增强热塑性复合材料面板为平面面板或曲面面板；纤维增强热塑性复合材料面板的增强体材料为碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维中的一种或至少两种的组合；增强体的结构形式为短切纤维、单向连续纤维或连续纤维织物；纤维增强热塑性复合材料面板的树脂基体为聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚碳酸酯、聚醚酰亚胺、聚苯硫醚、聚醚酮酮、聚醚醚酮中的一种或至少两种的混合物；热塑性蜂窝芯中蜂窝形状为六边形、四边形或圆形；蜂窝压缩强度高于1mpa；蜂窝壁厚为0.5mm-4mm；蜂窝边长为3mm-10mm；蜂窝材料为热塑性树脂或纤维增强的热塑性复合材料，树脂基体的种类与纤维增强热塑性复合材料面板的树脂基体种类一致。

10、异型能量导向结构构型为槽式能量导向结构或阵列式能量导向结构，针对壁厚＜2mm的平面蜂窝芯，采用槽式能量导向结构；针对壁厚≥2mm的平面蜂窝芯或曲面蜂窝芯，采用阵列式能量导向结构；所述的槽式能量导向结构由构型与热塑性蜂窝芯蜂窝形状相适应的第一导向条组成，所述的第一导向条由两个平行设置的条单元组成，条单元延伸方向与第一导向条延伸方向一致，所述的条单元之间形成槽脊，所述的热塑性蜂窝芯与槽式能量导向结构接触时，热塑性蜂窝芯的蜂窝位于槽脊中，所述的阵列式能量导向结构由构型与热塑性蜂窝芯蜂窝形状相适应的第二导向条组成，所述的第二导向条由多个阵列单元组成，每个阵列单元均形成有凸起的单元脊，所述的单元脊延伸方向与第二导向条延伸方向不同，所述的热塑性蜂窝芯与阵列式能量导向结构接触时，热塑性蜂窝芯的蜂窝与单元脊接触。

11、第一导向条和阵列单元截面形状为三角形或半圆形，热塑性蜂窝芯所用热塑性复合材料熔点＜250℃时，采用截面形状为半圆形的第一导向条或阵列单元，热塑性蜂窝芯所用热塑性复合材料熔点≥250℃时，采用截面形状为三角形的第一导向条或阵列单元。

12、s2中热塑性蜂窝芯的特性包括蜂窝芯壁厚、边长、面外曲率和热变形温度。

13、s2中槽式能量导向结构的特征参数包槽宽度、槽壁宽度、槽脊高度、槽深度、半圆形能量导向结构半径和三角形能量导向结构顶角α，阵列式能量导向结构的特征参数包括阵列单元宽度、阵列单元深度、阵列单元高度、半圆形能量导向结构半径、三角形能量导向结构顶角α。

14、三角形能量导向结构顶角α根据热塑性蜂窝芯所用热塑性复合材料熔点确定，熔点为250～300℃，顶角α为120～100°；熔点为300～350℃，顶角α为100～80°；熔点为350～400℃，顶角α为80～60°

15、s3中，用于熔融并构筑异型能量导向结构的树脂粉末的粒径为热塑性蜂窝芯蜂窝壁厚的1/13～1/15，模压设定温度为所选树脂粉末熔点的105％～110％，保温保压时间为5-25min，冷却速率为10～60℃/min。

16、s4中焊接工艺参数包括，焊接功率为800～2000w，焊接压力为0.1～0.6mpa，振动时间为0.6～1.5s，保压时间为0.8～3.0s，振幅为15～25μm。

17、超声波焊机包括焊接底模和超声波焊头，所述的热塑性蜂窝芯与纤维增强热塑性复合材料面板置于焊接底模和超声波焊头之间进行焊接，超声波焊头具有与热塑性蜂窝芯与纤维增强热塑性复合材料面板待焊接一侧一致的曲率；焊接底模具有与热塑性蜂窝芯与纤维增强热塑性复合材料面板非焊接侧一致的曲率。

18、本发明针对现有的铝蜂窝、纸蜂窝等蜂窝夹层结构的面芯连接技术在应用于热塑性复合材料蜂窝与热塑性复合材料面板连接过程中存在的连接强度低，面芯有效接触面积小等问题，提出了面向满足航空航天、轨道交通及汽车工业各类应用需求的热塑性复合材料蜂窝夹层结构面芯界面连接与增强方法。通过超声焊接与特殊的能量引导，在t型接头引入稳定、高效、低能耗的局部热源，解决了传统面芯热熔粘接时的温度窗口窄、工艺性差、界面剥离强度低等问题。较现有技术，本发明具有以下具体优势：

19、(1)基于高分子材料的结构相似相容原理，规避了热塑性树脂与热固性树脂间因极性差异导致的不相容与异相界面粘接问题，提升了蜂窝芯与面板的粘接强度；

20、(2)通过特殊的面板表面结构设计，使得超声波能量沿蜂窝薄壁束集，实现蜂窝壁t型连接接头的胶留效应，增大蜂窝芯与面板有效接触面积，提升了面芯连接界面断裂韧性；

21、(3)较现有超声连接工艺，围绕薄/厚壁蜂窝以及曲面蜂窝结构首次提出了其在面芯连接过程中的能量导向结构设计方案，针对2mm以下的薄壁蜂窝，通过槽式结构固定焊接区防止因焊接压力导致的局部屈曲；针对2mm以上的厚壁蜂窝，缩减导向结构尺寸并对其分布进行了优化设计以降低因导向结构引起的能量快速传导流失；针对不同熔融温度范围的材料，详细地设计了其能量导向结构尺寸、形状、角度、高度、深度、阵列密度以及包括功率、压力、时间、振幅在内的各项焊接工艺参数，解决了满铺能量导向时引发的能量快速耗散问题。

22、(4)相比于采用热固性结构胶膜的面芯粘接方法，本方法无需长时间的固化工艺，连接效率提升的同时降低了连接过程中的能源损耗；蜂窝、面板及界面的胶层采用了同种热塑性树脂，使得结构更具可回收性。此项技术在工程领域的应用还将有效降低蜂窝夹层结构生产过程中的碳排放并提高资源利用率。