[发明专利]超声波焊接制备铝基智能复合材料方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备铝基智能复合材料方法，尤其涉及一种超声波焊接制备铝基智能复合材料方法。

背景技术

智能材料或结构具有自我感知、自我诊断和自我管理的能力，光纤布拉格光栅(FBG)传感器除具有一般光纤传感器尺寸小、重量轻、耐高温、耐腐蚀、能耗小、抗电磁干扰能力强、灵敏度高等优点外，还具有光谱特性好、可靠性高、宽频带、高数据速率、传输距离远，可借助光纤线路实现远程诊断，特别是具有波长编码绝对值测量和易于在线阵、面阵等拓扑结构中复用，可实现分布式和准分布式在线监测的优点，将光纤布拉格光栅(FBG)传感器埋入金属构件中，可以获得智能金属构件。当前我国大飞机项目正式启动，智能材料或结构的成功研制势必在大飞机上有用武之地。如果能通过智能材料或结构适时检测大飞机内部的温度、裂纹等参数，对提高飞机的飞行安全将有重要意义。

当前智能复合材料的发展和制造技术集中在聚合物基的智能复合材料上。尽管聚合物基智能复合材料制造成本低、重量轻、易于制造，但是它与金属相比应用的温度、强度低，并且易于降解。同时聚合物基复合材料不能回收再利用并且在埋入单元周围有很高的残余应力等。尽管聚合物基智能复合材料已经成为商业产品，但是市场上更迫切需要强度更高的金属基智能复合材料来应对更恶劣的环境或满足更高的安全需要。

光纤布拉格光栅(FBG)传感器埋入金属基体中非常困难，因为光纤布拉格光栅(FBG)传感器的热稳定性差且容易破碎，而常规制造方法由于温度梯度形成残余应力积累、易造成光纤布拉格光栅(FBG)传感器的失效断裂等，传感器难以经受高温的破坏，因而传统制造方法很难完成金属基智能复合材料的制造。本发明之所以使用超声波焊接方法来制造金属基智能复合材料，是因为超声波焊接不同于传统制造方法，其焊接速度快、能耗低、可实现多种金属材料连接、加工温度低(大约是金属熔点的25-50％)。基于以上特点可成功实现光纤布拉格光栅(FBG)的埋入而不至破坏失效。研究结果表明，超声波金属焊接制造的金属基智能复合材料强度高、耐腐蚀、耐高温，有效地抑制了光纤布拉格光栅(FBG)的交叉敏感性，起到了温度增敏作用，获得了更高分辨率和测试精度的温度传感器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超声波焊接制备铝基智能复合材料方法，该方法使埋入金属基体中的光纤光栅传感器应对更恶劣的环境或满足更高的安全需要，并且起到温度增敏作用，获得更高分辨率和测试精度的温度传感器。

本发明是这样来实现的，其特征是方法步骤为：

(1)截取铝合金箔片：使用金属剪切设备截取铝合金箔片为160mm×18mm×0.3mm规格的几何形状；

(2)光纤布拉格光栅(FBG)金属镀层预保护：采用用化学复合镀镍后电镀的方法实现对光纤布拉格光栅(FBG)金属镀层预保护；

(3)四氟乙烯软毛细管防护接头：在铝合金边缘光纤引出头处套上内径与光纤直径相同的四氟乙烯软毛细管作接头保护避免光纤接头的翘曲与损坏；

(4)调整超声波金属焊接设备参数：采用超声波焊接参数为：

工作频率：                20KHZ±0.3KHZ

最大输出功率：            4000W

焊接时间：                0.04s-0.2s

电源电压：          AC380V±10％

焊接电流：          12A

振动振幅：          35μm

焊极表面：          15mm×15mm，9mm×9mm(表面粗糙度不同)

焊接压力：          0-180Mpa；

(5)超声波焊接埋入具有传感性能的光纤布拉格光栅(FBG)：将保护好的光纤布拉格光栅(FBG)置入铝基体中，并铺平。

所述的金属镀层的厚度选择为：

1)使用酒精擦拭裸光纤布拉格光栅(FBG)增加界面结合强度，直接埋入铝基体中即对光纤布拉格光栅(FBG)不做金属镀层保护；

2)使用化学镀镍后电镀的方法保护光纤布拉格光栅(FBG)后埋入铝基体中，镀层厚度控制150-170μm为宜。