熱塑復合材料的焊接方法及其中所用到的摻雜樹脂的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及復合材料連接固定技術(shù)領(lǐng)域，特別是設(shè)及一種熱塑復合材料的焊接方 法及其中所用到的滲雜樹脂。
【背景技術(shù)】
[0002] 碳纖維熱塑復合材料(CFRTP)具有比強度高、耐腐蝕、抗疲勞、耐熱性好等特點，在 汽車輕量化、無人機制造、航空航天、國防軍工上有著良好的應用前景。
[0003] 但是，由于受到成型模具的限制，大型復雜CFRTP構(gòu)件一般通過多個零部件連接而 成，而連接頭部位又往往是整個結(jié)構(gòu)件中最薄弱的部分，接頭的質(zhì)量將直接決定著CFRTP構(gòu) 件的疲勞強度和使用壽命。實現(xiàn)CFRTP材料高質(zhì)量的連接是其工程化應用的關(guān)鍵。
[0004] 當前CFRTP最常用的連接方法有機械連接、膠結(jié)、焊接等。其中：焊接利用了CFRTP 基體材料熱塑性樹脂二次烙融的特點，通過加熱烙融連接界面，使樹脂分子擴散完成連接。 該方法連接界面與基體材料有良好的相容性，連接強度和環(huán)境適應性優(yōu)于膠結(jié)方法，連接 件的應力分布比機械連接更均勻，不會產(chǎn)生應力集中，而且焊接工藝時間短，便于實現(xiàn)自動 化。而作為一種非接觸式的焊接方式，激光焊接具有焊接速度快、焊接強度高、振動應力小、 適合焊接復雜結(jié)構(gòu)件等優(yōu)勢，在CFRTP的焊接上具有良好的應用前景。
[0005] 目前實現(xiàn)CFRTP激光焊接的主要有兩種方法，一種是激光穿透焊接技術(shù)，另外一種 是激光直接連接技術(shù)。激光穿透焊接技術(shù)要求焊接工件至少有一個是對激光透明的，激光 直接連接技術(shù)又只能實現(xiàn)金屬與CFRTP (樹脂)之間的連接，而對于CFRTP或不透明樹脂之間 的焊接，上述兩種方法在原理上均難W實現(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 基于此，有必要針對上述問題，提供一種熱塑復合材料的焊接方法及其中所用到 的滲雜樹脂，利用該滲雜樹脂填充，能夠?qū)崿F(xiàn)碳纖維熱塑復合材料的激光焊接，解決了激光 穿透焊接技術(shù)和激光直接連接技術(shù)無法實現(xiàn)CFRTP構(gòu)件之間焊接的問題。
[0007] -種滲雜樹脂，包括基體材料和滲雜材料，所述基體材料為透明的熱塑性樹脂，所 述滲雜材料為能夠吸收光能轉(zhuǎn)換為熱能的有色顆粒，所述滲雜材料在所述滲雜樹脂中的體 積百分比為0.01 %-1 %。
[000引上述滲雜樹脂，將能夠吸收光能轉(zhuǎn)換為熱能的有色顆粒滲雜進透明的熱塑性樹脂 中，利用透明的熱塑性樹脂能夠?qū)⒓す馐谄鋬?nèi)傳輸?shù)奶攸c，配合有色顆粒能夠?qū)⑺?光能轉(zhuǎn)換為熱能W及熱塑性樹脂二次烙融的性質(zhì)，在滲雜樹脂內(nèi)形成一條熱源帶，對該滲 雜樹脂及與該滲雜樹脂相接觸的其它樹脂進行加熱，并使其融化。
[0009]因此，該滲雜樹脂可用做熱塑復合材料(特別適用于碳纖維熱塑復合材料)焊接的 填充樹脂，在焊接時，于待焊接的碳纖維熱塑復合材料之間填充一層上述滲雜樹脂，并W激 光照射該滲雜樹脂，激光束在此滲雜樹脂內(nèi)部傳輸，被該滲雜樹脂吸收形成一條熱源帶，對 該填充用的滲雜樹脂和碳纖維熱塑復合材料的基體樹脂進行加熱，并使其融化，烙融態(tài)的 樹脂材料在外部壓力作用下流動、擴散、凝固，即可形成焊接。
[0010] 為了使該滲雜樹脂能夠形成較好的熱源帶，實現(xiàn)用于焊接的目的，本發(fā)明人對滲 雜材料的滲雜量進行了大量深入的研究。研究發(fā)現(xiàn)，如滲雜量太大，會極大的影響光束在滲 雜樹脂內(nèi)傳輸深度，無法形成沿深度方向上通透的焊接，但如滲雜量太小，又會減弱光束的 光能轉(zhuǎn)換為熱能的效率，無法形成有效的熱源帶，起到加熱滲雜樹脂和碳纖維熱塑復合材 料基體樹脂的作用。因此，為了滿足特定厚度CFRTP的焊接，保證既能充分融化填充樹脂又 能形成通透的焊接接頭，需要兼顧單位長度樹脂的激光吸收率和激光穿透深度，選擇合適 的滲雜比例。
[0011] 而將滲雜材料在滲雜樹脂中的體積百分比限定為0.01%-1%，同時兼顧到光束的 傳輸及發(fā)熱效率，能夠形成有效的熱源帶，起到焊接的作用。優(yōu)選的，將滲雜材料在滲雜樹 脂中的體積百分比限定為〇.〇5%-〇.2%，具有更佳的焊接效果。
[0012] 在其中一個實施例中，所述熱塑性樹脂選自：聚甲基丙締酸甲醋、聚酷胺、聚乙締、 聚氯乙締、聚苯乙締、聚甲醒、聚碳酸醋、聚苯酸、聚諷、和橡膠中的至少一種;所述有色顆粒 選自：碳黑、石墨、和有顏色的金屬氧化物中的至少一種。其中，有顏色的金屬氧化物為氧化 銅錫、氧化銅等有顏色的金屬氧化物即可。選用上述原料，能夠提高該滲雜樹脂在焊接中的 效果。
[001引在其中一個實施例中，所述有色顆粒的粒徑為1皿-50皿。優(yōu)選扣m-10皿粒徑的有 色顆粒。選用上述粒徑范圍的有色顆粒，既不影響光束在滲雜樹脂內(nèi)的傳輸，又具有較好的 發(fā)熱效率。
[0014] 本發(fā)明還公開了上述的滲雜樹脂的制備方法，將所述基體材料溶解于有機溶劑 中，加入所述滲雜材料，混合均勻，涂布制成薄膜，固化，即得。
[0015] W上述方法制備得到所述滲雜樹脂，具有操作簡便易行的優(yōu)點。
[0016] 本發(fā)明還公開了一種熱塑復合材料的焊接方法，包括W下步驟：
[0017] 備料:將上述的滲雜樹脂固定于待焊接的熱塑復合材料構(gòu)件的焊接面之間；
[0018] 焊接：W激光照射所述滲雜樹脂，使激光在所述滲雜樹脂內(nèi)傳輸并被吸收，至所述 滲雜樹脂烙融，對所述待焊接的熱塑復合材料構(gòu)件施加壓力，使該烙融的滲雜樹脂流動，與 所述待焊接的熱塑復合材料構(gòu)件融合，冷卻凝固后即完成焊接。
[0019] 上述熱塑復合材料的焊接方法，W有色顆粒滲雜透明熱塑性樹脂的滲雜樹脂作為 填充樹脂，在焊接時，于待焊接的熱塑復合材料(特別適用于碳纖維熱塑復合材料)之間填 充一層上述滲雜樹脂，并W激光照射該滲雜樹脂，激光束在此滲雜樹脂內(nèi)部傳輸，被該滲雜 樹脂吸收形成一條熱源帶，對該填充用的滲雜樹脂和碳纖維熱塑復合材料的基體樹脂進行 加熱，并使其融化，烙融態(tài)的樹脂材料在外部壓力作用下流動、擴散、凝固，即可形成焊接。
[0020] 在其中一個實施例中，該焊接方法還包括前處理步驟，所述前處理步驟為：W有機 溶劑清洗所述滲雜樹脂和待焊接的熱塑復合材料構(gòu)件的焊接面，去除污跡。通過上述前處 理步驟對滲雜樹脂和待焊接的熱塑復合材料構(gòu)件的焊接面進行表面處理，能夠提高焊接牢 固性。
[0021] 在其中一個實施例中，所述滲雜樹脂的厚度為0.05mm-l. 0mm。由于填充樹脂在 CFRTP焊接過程中起到"粘結(jié)劑"的作用，適當?shù)暮穸葘τ贑FRTP的焊接質(zhì)量至關(guān)重要。過厚 的填充樹脂會導致大量的烙融樹脂從焊縫處溢出，影響到焊縫外觀，而且需要更高的激光 能量，造成能源浪費；過薄的填充樹脂，會導致CFRTP之間烙融樹脂量不夠，影響到焊接強 度。而將焊接填充用的滲雜樹脂厚度限定在上述范圍內(nèi)，既保證了焊接強度，又具有較好的 焊縫外觀。
[0022] 在其中一個實施例中，所述備料步驟中，通過施加壓力將所述滲雜樹脂固定于待 焊接的熱塑復合材料構(gòu)件焊接面之間；
[0023] 所述焊接步驟中，對所述待焊接的熱塑復合材料構(gòu)件施加壓力的壓強為0.1 Mpa-IMpa O
[0024] 通過施加壓力將滲雜樹脂的位置固定，配合焊接時對待焊接的熱塑復合材料構(gòu)件 需要施加壓力的需求，具有操作簡便、連貫的優(yōu)點。
[0025] 在其中一個實施例中，所述焊接步驟中，將激光束W平行于所述待焊接的熱塑復 合材料構(gòu)件焊接面的方向入射至所述滲雜樹脂。W上述方式入射滲雜樹脂，能夠形成高效 熱源帶，利于焊接的實現(xiàn)。
[0026] 在其中一個實施例中，所述焊接步驟中，所述激光為光束徑向最大尺寸與所述滲 雜樹脂的厚度相匹配的能量均勻的平頂光束或高斯光束。采用上述條件，能夠提高焊接效 果和效率。
[0027] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有W下有益效果：
[0028] 本發(fā)明的一種滲雜樹脂，可用做熱塑復合材料，特別是碳纖維熱塑復合材料焊接 的填充樹脂，能夠?qū)崿F(xiàn)碳纖維熱塑復合材料的激光焊接，解決了激光穿透焊接技術(shù)和激光 直接連接技術(shù)無法實現(xiàn)CFRTP構(gòu)件之間焊接的問題。
[0029] 本發(fā)明的一種熱塑復合材料的焊接方法，W有色顆粒滲雜透明熱塑性樹脂的滲雜 樹脂作為填充樹脂，在焊接時，于待焊接的熱塑復合材料之間填充一層上述滲雜樹脂，并W 激光照射該滲雜樹脂，激光束在此滲雜樹脂內(nèi)部傳輸，利用透明的熱塑性樹脂能夠?qū)⒓す?束在其內(nèi)傳輸?shù)奶攸c，配合有色顆粒能夠?qū)⑺展饽苻D(zhuǎn)換為熱能的性質(zhì)，被該滲雜樹脂 吸收形成一條熱源帶，對該填充用的滲雜樹脂和碳纖維熱塑復合材料的基體樹脂進行加 熱，并使其融化，烙融態(tài)的樹脂材料在外部壓力作用下流動、擴散、凝固，即可形成焊接。實 現(xiàn)了熱塑復合材料的激光焊接，解決了激光穿透焊接技術(shù)和激光直接連接技術(shù)無法實現(xiàn) C