[发明专利]一种增强合金和复合材料电阻焊接混合接头强度的方法

说明书

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，从而有效的提高合金与复合材料间的焊接强度。

技术领域

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

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。

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

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。

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：

(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；

(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；

(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。

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。

进一步地，所述步骤(1)的具体操作为：

1.1清洗合金表面