CN109571976A - 用于焊接连续纤维增强的热塑性复合材料构件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于焊接连续纤维增强的热塑性复合材料构件的方法，包括：清洁步骤(101)，其中清洁所述热塑性复合材料构件的待连接的表面(10、20)；提供步骤(102)，其中在所述待连接的表面(10、20)之间设置连接件(30)；固定步骤(103)，其中将所述连接件(30)、所述待连接的表面(10、20)相对于彼此固定；感应加热步骤(104)，其中向相对于所述待连接的表面(10、20)固定的连接件(30)施加交流电磁场以感应加热；以及终止步骤(105)，其中逐渐减弱并最终停止向所述连接件(30)施加所述交流电磁场。根据本发明，能够在连接处具有高强度的同时还能保持较高的韧性以及制造构型较为复杂的大厚度的、具有结晶性的热塑性复合材料构件。

Description

用于焊接连续纤维增强的热塑性复合材料构件的方法

技术领域

本发明涉及一种用于焊接连续纤维增强的热塑性复合材料构件的方法，所述构件特别是用于由具有结晶性的连续纤维增强的热塑性复合材料构成的构件的焊接，所述焊接特别是感应焊接。

背景技术

在飞机制造领域中，经常使用由连续纤维增强的热塑性复合材料构成的构件，其中连续纤维通常指的是连续的碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等，而热塑性复合材料通常例如为聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚醚酮酮、尼龙、聚酯树脂等。与传统的热固性复合材料相比，高性能连续纤维增强的热塑性复合材料由于具有较高的韧性、损伤容限、高使用温度和加工周期较短等优点，在应用于飞机制造领域时显示出其独有的优越性。尽管如此，由于构型所限，现有技术生产的热塑性构件的几何结构往往较为简单，因此将这些构型较为简单的组件连接起来是热塑性复合材料在制造过程中不可或缺的工序。

在金属和热固性复合材料构件制造过程中，常用的连接方法是通过紧固件连接或通过胶黏剂胶接，这两种方法在热塑性复合材料中也可适用，但其并非最理想的连接方式。使用紧固件连接，容易在连接处产生应力集中，长时间使用后容易出现应力破坏而导致构件损坏，从而使得水分或其他杂质容易在连接处渗入构件的材料内部，导致构件整体强度的下降。此外，还容易因为金属紧固件的引入而出现电化学腐蚀等效应。胶黏剂胶接在使用时也存在较多的困难：首先，连接前需要对被连接表面进行复杂的表面处理，且该表面需要保存在环境受控的操作间内；其次，所使用的胶黏剂聚合物(通常为环氧树脂)的极性较强，而热塑性复合材料都是极性较弱的树脂，两者的相容性较差；再者，环氧树脂胶黏剂的固化周期较长，往往需要几个小时的时间，该固化过程还需要在热压罐中进行，因此大大增加了制造成本并且效率较低。

由于热塑性复合材料构件的材料基体是可熔的，因此可以在连接处将两个界面的复合材料充分熔融，施加一定压力，冷却后即可达到相连接的效果。由于两个界面的复合材料是相同的材料，所以在重新凝固后不存在相容性问题。这种连接方法称为“热塑性复合材料的焊接”。

影响具有结晶性的热塑性材料的焊接性能的因素有很多，其中关键之一是界面处重新凝固的过程。对于具有结晶性的材料基体，结晶度对材料基体强度有重要的影响，结晶度越高、单个球晶越大，强度也越大，但同时韧性也会降低，因此若要提高结晶区的强度，则要提高基体的结晶度、增大单个晶区。增加结晶区强度最常使用的方法之一是增加结晶时间。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有技术中热塑性复合材料不易采用传统的胶黏剂或紧固件等方法连接的问题，提供一种新型的用于焊接连续纤维增强的热塑性复合材料构件的方法，其能够控制冷却结晶速度，完成连接操作。根据本发明的方法能够在不增加构件重量、不易产生界面破坏隐患的情况下使在连接处的材料获得高结晶度以实现高强度的连接。

根据本发明，为了实现此目的，根据本发明的方法包括：清洁步骤，其中清洁热塑性复合材料构件的待连接的表面；提供步骤，其中在待连接的表面之间设置连接件；固定步骤，其中将连接件、待连接的表面相对于彼此固定；感应加热步骤，其中向相对于待连接的表面固定的连接件施加交流电磁场以感应加热；以及终止步骤，其中逐渐减弱并最终停止向连接件施加交流电磁场。

根据本发明的优选实施方式，连接件包括位于中间的网和施加在网的两侧的热塑膜，热塑膜的材料与热塑性复合材料构件的材料相同或两者化学物理性质较为类似，而网由金属或碳纤维构成，其中金属是铜、银、铁、铝中的一种或几种。

根据本发明的优选实施方式，通过交流感应线圈向连接件施加交流电磁场，使得网被感应加热从而使得热塑膜及待连接的表面的材料熔融，其中通过交流感应线圈向连接件施加的交流电磁场是可变的，其中交流感应线圈的电压的范围为0V至380V、频率为50Hz，其中交流感应线圈的频率可以通过变频机箱来调节，施加交流电磁场的时间例如为1秒至1分钟。通过交流感应线圈感应加热的效果受感应距离，交流电频率及对应感应面积等因素影响：感应距离越小、频率越高、对应感应面积越大，感应加热的效果越高；反之越低。在根据本发明的方法中，可以根据需要利用写入程序的继电器来在线控制感应线圈的电压，从而可以控制连接处的升降温速度，实现程序控温的结晶过程、即较慢的结晶过程，由此容易形成大的球晶，在连接处中的材料的基体强度上升的同时还能消除应力。

根据本发明的优选实施方式，设有多个交流感应线圈，其中多个交流感应线圈在一个平面内一字型地排列并且多个交流感应线圈的电压不同，并且其中热塑性复合材料构件平行于所述平面相对于交流感应线圈移动从而穿过由交流感应线圈施加的交流电磁场。

根据本发明的优选实施方式，连续纤维是碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维，热塑性复合材料是具有结晶性或半结晶性的树脂，其中树脂是聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚醚酮酮、尼龙、聚丙烯、聚酯树脂。

根据本发明的优选实施方式，热塑性复合材料构件是板状构件，热塑性复合材料的厚度为1mm至30mm。

根据本发明的优选实施方式，在组装固定的步骤中，在连接位置施加固定的压力，其中所述压力为0.1MPa–1MPa并且保持至被连接位置降至室温。优选地，通过滚筒连续地施加固定的压力或通过制真空袋施加固定的压力。

通过根据本发明的方法能够在连接处具有高强度的同时还能保持较高的韧性，并且根据本发明的方法可适合于制造构型较为复杂的大厚度的、具有结晶性的热塑性复合材料构件。此外，采用本专利提供的方法连接连续纤维增强的热塑性复合材料构件时，在连接界面处不会出现不相容现象，连接强度高且耐冲击韧性好，整个操作过程可以实现自动化生产且无需其他的加热、加压设备，成本易于控制。

附图说明

在附图中示出了根据本发明的有利的实施方案。在附图中：

图1示出了根据本发明的用于焊接连续纤维增强的热塑性复合材料构件的方法的示意性流程图；

图2示出了根据本发明的待连接的热塑性复合材料构件和连接件；

图3示出了根据本发明的方法对连接处进行感应加热的一种实施方式，其中设有一个交流感应线圈；以及

图4示出了根据本发明的方法对连接处进行感应加热的另一实施方式，其中设有五个交流感应线圈。

具体实施方式

下面，将参照附图详细描述根据本发明的用于焊接连续纤维增强的热塑性复合材料构件的方法的具体实施方式。以下所给出的仅仅是根据本发明的优选实施方式，本领域技术人员可以在所述优选实施方式的基础上想到能够实现本发明的其他方式，所述其他方式同样落入本发明的范围内。

以下详细描述中出现的方位术语，例如“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”等是相对于附图中所示方向而言的。

参照图1、图2和图3，根据本发明的用于焊接连续纤维增强的热塑性复合材料构件的方法包括：清洁步骤101，其中清洁热塑性复合材料构件的待连接的表面10和20；提供步骤102，其中在待连接的表面10、20之间设置连接件30；固定步骤103，其中将连接件30、待连接的表面10、20相对于彼此固定；感应加热步骤104，其中向相对于待连接的表面10、20固定的连接件30施加交流电磁场以感应加热；以及终止步骤105，其中逐渐减弱并最终停止向连接件30施加交流电磁场。

在清洁步骤101中，可以使用例如乙醇、异丙醇的清洁剂来擦拭热塑性复合材料构件的待连接的表面10和20，以清除表面10和20的灰尘和油脂等，随后干燥表面。热塑性复合材料构件可以是板状构件、例如层压板，并且具有1mm至30mm的厚度。

在提供步骤102中，所提供的连接件30可以包括位于中间的网和施加在所述网的两侧的热塑膜，其中热塑膜的材料与所述热塑性复合材料构件的材料相同或两者化学物理性质较为类似、并且可以受热熔融。特别地，连续纤维加强的热塑性复合材料是具有结晶性或半结晶性的树脂，例如聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚醚酮酮、尼龙、聚丙烯、聚酯树脂，其中连续纤维是碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维。而连接件30的网由金属或碳纤维构成，其中金属是铜、银、铁、铝中的一种或几种。

在固定步骤103中，为了将连接件30和待连接的表面10、20相对于彼此固定，例如可以通过滚筒在组装好的连接件30和待连接的表面10、20的两侧连续地施加固定的压力，或通过制真空袋在其两侧施加固定的压力，该压力例如为0.1MPa至1MPa。参照图2，其示出了根据本发明的待连接的热塑性复合材料构件和连接件的一个实施例，其中使用尺寸为2500mm×500mm×3mm的连续碳纤维增强的聚苯硫醚层压板作为待连接的构件，在其待连接的表面10铺贴由金属铜网和其两侧的聚苯硫醚构成的连接件30，其尺寸可以与待连接的构件的尺寸相关地设定，在连接件30上再设置相同的连续碳纤维增强的聚苯硫醚层压板，此后例如基于上述组件制成真空袋(未示出了)并抽真空以实现对上述组件施加固定的压力。

在感应加热步骤104中，通过外加交流电磁场使连接件30被感应加热，例如在连接件30中的金属网或碳纤维织物上生成涡流电流以加热金属网或碳纤维织物，进而熔融连接件30的热塑膜及待连接的表面10、20的材料。在该感应加热步骤104中，通过交流感应线圈40(直径例如为80mm)向连接件30施加的交流电磁场是可变的，在感应加热的初始阶段，交流感应线圈40的电压较高以快速将热塑膜及待连接的表面10、20的材料熔融，随后逐步降低感应线圈40的电压，直至为零，其中交流感应线圈40的电压的范围例如为0V至380V、其频率为50Hz，施加交流电磁场的时间与待连接的表面有关，例如可以为1秒至1分钟。

图4示出了在感应加热步骤104中另一优选的实施方式，其中设有多个交流感应线圈40，其中所述多个交流感应线圈40在一个平面内一字型地排列并且多个交流感应线圈40的电压不同，例如在图4中从左到右分别为380V、300V、240V、180V、120V，其中热塑性复合材料构件平行于交流感应线圈40的平面相对于交流感应线圈40从左向右移动沿箭头A的方向穿过由交流感应线圈40施加的交流电磁场，其中这种相对移动可以为热塑性复合材料构件固定不动而交流感应线圈40移动，或相反，相对移动的速度例如为5mm/s。

在终止步骤105中，对于图3所示的单个交流感应线圈40的实施方式，逐渐降低交流感应线圈40的电压，直至为零，此时应保持外加压力不变，待熔融处温度降至室温时，可撤除外加的固定压力，得到连接好的连续纤维增强的热塑性复合材料构件。对于图4所示的多个交流感应线圈40的实施方式，随着热塑性复合材料构件从左向右的移动其承受的电磁场由于交流感应线圈40的电压逐渐下降而逐渐减弱并最终消失，此后继续保持固定压力一段时间、例如10分钟，随后撤除外加的固定压力，得到连接好的连续纤维增强的热塑性复合材料构件。

通过以上内容，本领域技术人员容易认识到可将本发明所公开的技术特征的替代技术特征作为可行的替代实施方式，并且可将本发明所公开的实施方式进行组合以产生新的实施方式，它们同样落入所附权利要求书的范围内。

Claims (15)

1.一种用于焊接连续纤维增强的热塑性复合材料构件的方法，包括：

清洁步骤(101)，其中清洁所述热塑性复合材料构件的待连接的表面(10、20)；

提供步骤(102)，其中在所述待连接的表面(10、20)之间设置连接件(30)；

固定步骤(103)，其中将所述连接件(30)、所述待连接的表面(10、20)相对于彼此固定；

感应加热步骤(104)，其中向相对于所述待连接的表面(10、20)固定的连接件(30)施加交流电磁场以感应加热；以及

终止步骤(105)，其中逐渐减弱并最终停止向所述连接件(30)施加所述交流电磁场。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述连接件包括位于中间的网和施加在所述网的两侧的热塑膜。

3.按照权利要求2所述的方法，其特征在于，所述热塑膜的材料与所述热塑性复合材料构件的材料相同或两者化学物理性质较为类似。

4.按照权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述网由金属或碳纤维构成。

5.按照权利要求4所述的方法，其特征在于，所述金属是铜、银、铁、铝中的一种或几种。

6.按照权利要求2或3所述的方法，其特征在于，通过交流感应线圈向所述连接件施加交流电磁场，使得所述网被感应加热从而使得所述热塑膜熔融。

7.按照权利要求6所述的方法，其特征在于，通过交流感应线圈向所述连接件施加的交流电磁场是可变的，其中交流感应线圈的电压的范围为0V至380V、频率为50Hz。

8.按照权利要求6所述的方法，其特征在于，设有多个交流感应线圈，其中所述多个交流感应线圈在一个平面内一字型地排列并且所述多个交流感应线圈的电压不同，并且其中所述热塑性复合材料构件平行于所述平面相对于所述交流感应线圈移动从而穿过由所述交流感应线圈施加的交流电磁场。

9.按照前述权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述连续纤维是碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维。

10.按照前述权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述热塑性复合材料是具有结晶性或半结晶性的树脂。

11.按照权利要求10所述的方法，其特征在于，所述树脂是聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚醚酮酮、尼龙、聚丙烯、聚酯树脂。

12.按照前述权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述热塑性复合材料构件是板状构件。

13.按照前述权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述热塑性复合材料的厚度为1mm至30mm。

14.按照前述权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，在所述固定步骤中，在连接位置施加固定的压力。

15.按照权利要求14所述的方法，其特征在于，通过滚筒连续地施加固定的压力或通过制真空袋施加固定的压力。