[发明专利]一种纤维增强热塑性复合材料与金属激光压焊方法

说明书

本发明公开一种纤维增强热塑性复合材料与金属激光压焊方法，涉及热塑性复合材料与金属连接技术领域，包括以下步骤：在待焊接金属的接头表面预制凸起结构；预先设定激光随焊压紧工作头的工作参数；在前滚轮压力的作用下，待焊接区的金属与热塑性复合材料形成紧密贴合；激光加热金属材料表面，使热塑性复合材料的热塑性树脂基熔融；在后滚轮的压力装置及超声振动装置的作用下，凸起结构嵌入热塑性复合材料中，熔融树脂基体流动扩散并填充金属表面，实现热塑性复合材料与金属的激光连接。本发明可以实现航空航天、汽车等领域中纤维增强热塑性复合材料与金属的大型三维结构件连接，有效抑制焊接缺陷的产生，保证焊接质量，提高焊接接头的力学性能。

技术领域

本发明涉及热塑性复合材料与金属连接技术领域，特别是涉及一种纤维增强热塑性复合材料与金属激光压焊方法。

背景技术

纤维增强热塑性树脂基复合材料具有比强度高、耐腐蚀性好及抗疲劳性优异等特点，可广泛应用于航空航天、汽车、新能源装备等领域。传统金属材料因其可维修性、可回收性、低成本及成熟的成型、加工工艺等独特优势，依然是现代装备不可或缺的重要结构材料。在现代装备制造中越来越多地采用复合材料与金属材料的异质混合结构来实现低成本和轻量化制造，因此不可避免地涉及两者的连接问题。热塑性复合材料与金属异质结构常用的连接方法有：胶接、机械连接、机械及胶接混合连接等。胶接工艺中胶接剂固化时间长、效率低，且性能受环境影响较大。机械连接时复合材料制孔难度大，加工成本高、效率低。机械胶接混合连接工序复杂、成本高。上述问题使现有的连接工艺难以满足不断增长的异种结构的工程应用需求。激光焊接具有能量可控、可达性好、便于整形等特点，适用于多种接头形式的连接，在热塑性复合材料与金属异质结构连接方面极具潜力。

热塑性复合材料与金属的激光连接是指激光照射加热金属，通过热传导至连接界面处使复合材料的热塑性树脂基熔化，熔融树脂在外部压力的作用下与金属界面充分接触，冷却后形成连接接头。

热塑性复合材料与金属连接方式大多属于搭接连接方式。目前的激光连接方法大多通过固定装卡设备(点阵型装卡或线型装卡)对异质接头施加压力，因而样件的形状和尺寸受到装卡设备的限制。而实际工程应用中异质结构件多为大型三维结构，所以亟待一种新型的激光焊接方法，实现具有自由曲面的大型异质构件优质、可靠连接，满足工程应用的需求。

现有的激光连接方法通过在金属表面预制微结构，在连接过程中，复材中的熔融树脂基体填充金属表面微结构，使两者形成机械锚固作用从而提升连接接头的力学性能。这种方法主要是金属表面的微结构(微结构尺度通常在百微米量级)同复合材料的树脂基体相互锚固，对于复材中含有长纤维或编制纤维的情况，需要添加填充填料避免由于熔融树脂量不足导致的未填充孔洞缺陷。激光压焊接方法中，通过在金属区域预制钉型凸起结构，通过优化凸起结构的尺寸，在激光焊接过程中，金属区域预制的钉型凸起结构和复合材料在激光连接时产生类似钉扎锚固的连接结构，凸起结构不仅同熔融树脂基体产生锚固作用，而且可以钉扎复材中的纤维增强相，从而提高连接接头的力学性能。

目前的激光连接方法大多通过固定装卡设备(点阵型装卡或线型装卡)对异质接头施加压力，样件的形状尺寸受到装卡具的限制，因而只能进行小尺寸、平板异质构件的激光连接。而实际工程应用中异质结构件多为大型自由曲面结构。

因此，亟待开发一种纤维增强热塑性复合材料与金属激光压焊方法，以解决现有技术所存在的上述问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种纤维增强热塑性复合材料与金属激光压焊方法，以解决现有技术所存在的上述问题，可以实现航空航天、汽车等领域中纤维增强热塑性复合材料与金属的大型三维结构件连接，有效抑制焊接缺陷的产生，保证焊接质量，提高焊接接头的力学性能。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种纤维增强热塑性复合材料与金属激光压焊方法，包括以下步骤：

步骤1、在待焊接的金属的接头表面预制凸起结构；