技术领域
[0001] 本
发明涉及金属和复合材料连接技术领域，更具体的说，涉及一种增强合金和复合材料
电阻焊接混合接头强度的方法。
背景技术
[0002] 合金和先进复合材料是高比强度和高
刚度的两种重要材料，通常作为轻量化结构件被广泛的应用于航天飞机的制造当中。所以
钛合金与先进复合材料零件的连接装配是航空工业中必不可少的技术之一。针对金属及复合材料零件间的连接和损伤修复工作，航天领域的学者已经开发了多种连接技术。机械连接和胶接是连接和修复金属和复合材料零件的常规方法。然而，机械连接也有其缺点，如钻孔引起的应
力集中大，附加的金属
紧固件会增加结构的总体
质量等。而胶接工艺的操作周期较长且连接强度较低，很难成为今后金属和复合材料的主流连接方式。目前，新兴的熔接技术，尤其是电阻焊，为钛合金与复合材料零件之间的高效连接提供了完美的解决方案。
[0003] 电阻焊是利用
焦耳热
熔化连接区内的
聚合物膜，从而实现钛合金与复合材料的连接。其焊接效率高，所需材料少，设备简单，并且可通过连续焊接工艺应用于大型结构中。因此，它被认为是一种很有前途的航空航天连接技术。将钛合金构件通过电阻焊连接到复合材料零件上，在各种飞机的装配制造中具有非常广阔的应用前景。金属-热塑性复合材料界面强度是影响复合材料接头性能的关键因素。特别是熔融聚合物在金属表面的
润湿性是电阻焊过程中的一个难点。许多方法，包括蚀刻，
阳极氧化，
喷砂，激光
变形，
等离子喷涂和
硅烷底漆已经被用来修饰金属附着体的表面。经过这些
表面处理后，可以通过增加机械互
锁、物理吸引和/或化学结合来获得较高的金属-热塑性界面强度。然而，对钛合金进行上述表面处理需要昂贵的设备和复杂的制备工艺，其中部分方法还会对环境造成污染。
发明内容
[0004] 针对
现有技术存在的问题，本发明提供一种增强合金和复合材料电阻焊接混合接头强度的方法，本发明解决技术问题的主要途径是通过燃烧蜡烛的方法使合金表面生长出带有孔隙的蜡烛
碳灰结构的涂层，进而利用金属丝网作为合金和复合材料混合电阻焊接的发热元件，以热塑性
树脂薄膜作为熔融粘结剂，焊接后获得高强度的合金和复合材料电阻焊接头。由于蜡烛碳灰涂层的特殊结构，在附着在合金表面后，同时为合金表面提供了丰富的空隙结构，并且利用蜡烛碳灰本本身的亲脂性特点，使用于焊接的热塑性薄膜能够更加牢固的贴合在合金表面，从而有效的提高钛合金与复合材料间的焊接强度。
[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种增强合金和复合材料电阻焊接混合接头强度的方法，包括如下步骤：
[0006] (1)采用燃烧蜡烛的方法，使合金待
焊接区域表面沉积蜡烛碳灰涂层；
[0007] (2)以金属丝网作为合金和热塑性复合材料混合电阻焊接的发热元件，热塑性树脂薄膜作为熔融粘结剂，在金属丝网上下表面各包覆一张热塑性树脂薄膜，然后植入合金和热塑性复合材料搭接的待焊接区域；
[0008] (3)施加0.1～0.5MPa初始压力后，通电加热，调整功率使焊接区域的最高
温度为160～400℃，焊接时间为30s～180s，焊接过程中产生的焦耳热使热塑性树脂薄膜熔融填充焊接区域的空隙并粘结合金和热塑性复合材料，室温冷却3～5min后便获得高强度的合金和复合材料电阻焊接头。
[0009] 进一步地，所述蜡烛碳灰涂层为多空隙的阵列结构，空隙直径为0.5～2μm。
[0010] 进一步地，所述步骤(1)的具体操作为：
[0011] 1.1清洗合金表面
[0012]
有机溶剂清洗合金表面30～60min，去除沉积在其上的污垢和有机污染物；
[0013] 1.2燃烧蜡烛制备碳灰涂层
[0014] 点燃蜡烛，待蜡烛火焰保持稳定后，将合金待焊接区域置于火焰上，在800～1100℃的火焰温度下保持2～20min，蜡烛烟灰逐渐沉积在合金表面。
[0015] 进一步地，通过控制合金待焊接区域与蜡芯的距离，以获得合适的火焰温度。
[0016] 进一步地，所述蜡烛为圆柱蜡、尖竹蜡、火炬蜡、飘蜡、圆头蜡、平头蜡、切片
石蜡中的一种。
[0017] 进一步地，所述金属丝网为不锈
钢网、镍铬合金丝网、
铁铬
铝合金丝网、镍
铜合金丝网中的一种。
[0018] 进一步地，所述金属丝网的丝径为0.03～0.25mm，孔径为0.03～0.7mm。
[0019] 优选，所述金属丝网的丝径为0.1mm，孔径为0.16mm。
[0020] 进一步地，所述合金为钛合金、
铝合金和镁合金中的一种。
[0021] 进一步地，所述合金为Glare层合板，所述Glare层合板由铝合金薄板和玻璃
纤维预浸料交替铺层后在
热压罐中成型而制得。
[0022] 进一步地，所述铝合金薄板为1060、2A12、2024、3003、3A21、5A02、5052、5754、6061、6063、7075中的一种或几种，厚度为0.3～0.5mm，长度为100～300mm，宽度为100～
300mm。
[0023] 进一步地，所述玻璃纤维预浸料为玻璃纤维/聚苯硫醚(GF/PPS)预浸料、玻璃纤维/聚醚酰亚胺(GF/PEI)预浸料、玻璃纤维/聚醚
酮(GF/PEK)预浸料、玻璃纤维/聚醚酮酮(GF/PEKK)预浸料、玻璃纤维/聚醚醚酮(GF/PEEK)预浸料中的一种。
[0024] 进一步地，所述热塑性复合材料为热塑性树脂基复合材料、或者表面塑化处理的热固性复合材料，表面塑化处理为采用一层热塑性树脂薄膜或一层热塑性预浸料进行表面塑化处理。
[0025] 进一步地，所述热塑性树脂基复合材料，金属丝网上的热塑性树脂薄膜，塑化处理采用的热塑性树脂薄膜、塑化处理采用的热塑性预浸料，上述材料选择一致或极性相近的热塑性树脂制备；
[0026] 所述极性相近的热塑性树脂基体材料为聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、聚酰胺(PA)、聚甲
醛(POM)、聚碳酸酯(PC)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚醚酮(PEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚醚醚酮(PEEK)、聚芳醚腈(PEN)中的任一种。
[0027] 进一步地，金属丝网上的热塑性树脂薄膜、塑化处理采用的热塑性树脂薄膜，厚度为0.1～0.5mm。
[0028] 本发明制备的基于蜡烛碳灰涂层界面增强的合金和复合材料混合焊接接头，依据热塑性树脂基体的不同，各种复合材料单搭接焊接头拉剪强度(LSS)达5～30MPa。
[0029] 本发明的原理为：
[0030] 碳微
纳米材料，如碳
纳米管、
石墨烯和碳灰，具有超高的纵横比、良好的超疏
水性和亲脂性的独特性能，特别是蜡烛碳灰作为一种独特的疏水性和亲脂性材料，可用于模板或辅助材料的表面改性，以调整材料表面的润湿性。一般来说，火焰合成是一种低成本、低消耗的方法，不需要大而昂贵的设备，同时蜡烛火焰体积可以同时提供一个富碳的化学反应环境和热量需求，从而使金属表面生长出蜡烛碳灰，该方法可以在较短的
停留时间内合成蜡烛碳灰，是一种连续生产蜡烛碳灰涂层的有效方法。对于金属与聚合物的结合，火焰生长蜡烛烟灰涂层对金属板的表面处理有利于提高聚合物对金属的润湿性，从而使整个混合接头的强度得到明显提高。本发明通过燃烧蜡烛的方法先在钛合金表面生长出一层蜡烛碳灰涂层，然后利用碳灰的亲脂性，以及蜡烛碳灰的孔隙结构，来提高电阻焊应用中树脂薄片在钛合金表面的浸润性，从而提高钛合金复合材料接头间的力学性能。
[0031] 与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0032] 1)本发明采用燃烧蜡烛的方法给合金表面沉积一层蜡烛碳灰涂层，蜡烛碳灰涂层不仅能够改善合金表面的浸润性，提高合金与树脂间的结合力，还能改善焊接区域温度的均匀性和树脂的熔融状态，提高焊接效率；同时由于碳灰的纳米结构增强效应提高了金属丝网与树脂间界面粘结强度；两种有益效果使得复合材料焊接头的力学性能得到显著提升；
[0033] 2)在金属丝网上下表面包覆热塑性树脂薄膜，提高了焊接区域树脂的含量，有利于金属丝网空隙的密实填充以及与热塑性复合材料表面树脂的快速熔融粘合；同时树脂薄膜在焦耳热的作用下快速熔融，也确保合金表面的蜡烛碳灰涂层在高温下不被氧化分解；
[0034] 3)本发明采用燃烧蜡烛的方法在合金表面生长蜡烛碳灰涂层，进而制备合金和热塑性复合材料混合焊接接头，制备过程具有简单快捷、成本低、效率高、灵活性大、适应性强、容易工业化推广等优点，在航空、航天、
汽车等复合材料连接领域有广泛的应用前景；
[0035] 4)本发明不仅能够应用于热塑性复合材料连接，还能够用于表面塑化改性的热固性复合材料连接；同时能够应用于大型具有复杂曲面复合材料结构的连接装配。
附图说明
[0036] 图1为本发明
实施例1制备的蜡烛碳灰涂层修饰的Glare层合板表面的微观形貌；
[0037] 图2为本发明实施例1制备的复合材料电阻焊接头的装置示意图：1-压力
传感器；2-电源；3-Glare层合板；4-第一PEI薄膜；5-
不锈钢网；6-第二PEI薄膜；7-GF/PEI复合材料。
具体实施方式
[0038] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0039] 实施例1
[0040] 一种增强Glare层合板和GF/PEI复合材料电阻焊接混合接头强度的方法，包括如下步骤：
[0041] (1)清洗Glare层合板表面
[0042] Glare层合板为铝合金薄板和玻璃纤维预浸料交替铺层而成的合金类复合材料，其中铝合金薄板为2024铝，厚度为0.4mm，长度200mm，宽度200mm，预浸料为GF/PEI预浸料；用丙酮清洗Glare层合板表面30min，去除沉积在其上的污垢和有机污染物；
[0043] (2)燃烧蜡烛制备碳灰涂层
[0044] 点燃平头蜡烛并燃烧一段时间，直到蜡烛火焰保持稳定，将清洗干净的Glare层合板待焊接区域置于火焰上，与蜡芯的距离为2cm，火焰温度为800℃，保持3min，蜡烛烟灰逐渐沉积在Glare层合板表面，得到表面沉积蜡烛碳灰涂层的Glare层合板
焊接件，SEM扫描得到其表面的微观形貌见图1，从图中可以看出，在Glare层合板表面沉积的蜡烛碳灰涂层的空隙直径约为1μm；
[0045] (3)制备复合材料电阻焊接头的装置如图2所示，将丝径为0.2mm、孔径为0.25mm的不锈钢网5上下表面分别用第一PEI薄膜4和第二PEI薄膜6包覆，其中薄膜厚度为0.3mm，并将其嵌入待焊接的Glare层合板3和GF/PEI复合材料7的电阻焊接混合接头搭接区域，得到搭接接头；
[0046] (4)将搭接接头置于电阻焊接装置中，通过
压力传感器1向搭接接头表面施加0.4MPa的压力，通过电源2调整功率使焊接区域最高温度达380℃，焊接时间为120s，室温冷却5min，得到Glare层合板和GF/PEI复合材料电阻焊混合接头，这种方法制备的电阻焊接头的LSS达18.3MPa。
[0047] 实施例2
[0048] 一种增强钛合金和GF/PEK复合材料电阻焊接混合接头强度的方法，包括如下步骤：
[0049] (1)清洗钛合金表面
[0050] 丙酮清洗钛合金表面60min，去除沉积在其上的污垢和有机污染物；
[0051] (2)燃烧蜡烛制备碳灰涂层
[0052] 点燃圆头蜡烛并燃烧一段时间，直到蜡烛火焰保持稳定，将清洗干净的钛合金待焊接区域置于火焰上，与蜡芯的距离为2cm，火焰温度为900℃，保持10min，蜡烛烟灰逐渐沉积在钛合金表面，得到表面沉积蜡烛碳灰涂层的钛合金焊接件；
[0053] (3)将丝径为0.1mm，孔径为0.16mm的不锈钢网裁剪成尺寸为50mm*7mm的样件作为加热元件，将不锈钢网上下表面分别用一层PEK薄膜包覆，薄膜厚度为0.3mm，并将其嵌入待焊接的钛合金和GF/PEK复合材料电阻焊接混合接头的搭接区域，得到搭接接头；
[0054] (4)将搭接接头置于电阻焊接装置中，通过压力传感器向搭接接头表面施加0.2MPa的压力，通过电源调整功率使焊接区域最高温度达360℃，焊接时间为180s，室温冷却3min，得到GF/PEK复合材料电阻焊接头，这种方法制备的钛合金和GF/PEK复合材料电阻焊接混合接头的LSS达16.2MPa。
[0055] 实施例3
[0056] 一种增强铝合金和
碳纤维/环氧(CF/EP)复合材料电阻焊接混合接头强度的方法，包括如下步骤：
[0057] (1)对CF/EP复合材料表面进行塑化处理，塑化方式为共
固化，在制备CF/EP复合材料层合板的时候，外层固化一层GF/PEI预浸料，使热固性复合材料具有热塑性，制备出表面塑化的CF/EP复合材料；
[0058] (2)清洗铝合金表面
[0059]
乙醇清洗铝合金表面40min，去除沉积在其上的污垢和有机污染物；
[0060] (3)燃烧蜡烛制备碳灰涂层
[0061] 点燃蜡烛并燃烧一段时间，蜡烛采用切片石蜡，直到蜡烛火焰保持稳定，将清洗干净的铝合金待焊接区域置于火焰之上，与蜡芯的距离为2cm，火焰温度为1100℃，保持8min，蜡烛烟灰逐渐沉积在铝合金表面，得到表面沉积蜡烛碳灰涂层的铝合金焊接件；
[0062] (4)将丝径为0.1mm，孔径为0.3mm的不锈钢网裁剪成尺寸为50mm*7mm的样件作为加热元件，将不锈钢网上下表面分别用一层PEI薄膜包覆，薄膜厚度为0.2mm，并将其嵌入铝合金和CF/EP复合材料的搭接区域，得到搭接接头；
[0063] (5)将搭接接头置于电阻焊接装置中，通过压力传感器向搭接接头表面施加0.4MPa的压力，通过电源调整功率使焊接区域最高温度达350℃，焊接时间为150s，室温冷却4min，得到铝合金和CF/EP复合材料电阻焊接混合接头，这种方法制备的铝合金和CF/EP复合材料电阻焊接混合接头的LSS达9.2MPa。
[0064] 以上技术方案阐述了本发明的技术思路，不能以此限定本发明的保护范围，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上技术方案所作的任何改动及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
