一种基于内凹无针轴肩强化轻质合金热塑性复合材料连接强度的搅拌摩擦点连接工艺

1.本发明涉及轻质金属和金属复合材料摩擦固相连接技术领域，特别是涉及一种采用无针内凹轴肩搅拌头的金属和碳纤维增强热塑性高分子基复合材料摩擦搅拌点连接方法。


背景技术：

2.公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
3.结构轻量化的迫切需求促使了轻质金属和热塑性复合材料的搭接复合结构的进一步应用。采用高比强度和高比刚度的碳纤维增强热塑性高分子基复合材料(以下简称cfrp)代替传统上单一的金属结构，在满足结构机械性能需求的同时，能够显著地降低结构自重。金属和cfrp之间巨大的理化性能差异，使得如何优化连接工艺条件实现二者之间的高强度结合极具挑战性。目前，摩擦固相连接工艺凭借热输入低，工艺参数少且工艺灵活性高等技术优势，已经发展成为金属和热塑性复合材料的先进连接技术之一，备受国内外研究学者关注。其中，摩擦搅拌点连接特别适用于金属和cfrp板结构件的搭接连接。在摩擦搅拌连接过程中，高速旋转的搅拌头下压接触上侧金属板，摩擦产热使得金属板温度快速上升；同时，热量传导至上侧金属板与下侧cfrp板的搭接面处，加热并熔化cfrp中的热塑性基体；随着搅拌工具头的下压，上侧金属板产生下凹变形；受上侧金属板的压力作用和塑性变形影响，金属板下表面和cfrp上表面熔化区完成物理黏合和化学连接过程，形成搭接接头。目前，摩擦搅拌点连接使用的搅拌头多为搅拌摩擦焊接常规工具头，即轴肩和搅拌针，或者平轴肩无搅拌针的搅拌头。其中，采用前者常规搅拌头，下压量过大，穿透的搅拌针或者较大的下凹变形较大可能破坏cfrp侧纤维结构；而后者无针平轴肩搅拌头，虽然避免了搅拌针的穿透问题，但获得的金属和cfrp接头搭接面强度受限，提高热输入增加熔合面积能够一定程度地提高整体抗载荷强度，但过热导致大量熔融态树脂基外流和残存气泡缺陷使得结合区域的单位面积承载力明显下降。


技术实现要素：

4.为了解决上述问题，本发明提出了基于新型无针内凹轴肩的金属和cfrp搅拌摩擦点连接工艺，设计了一种适用于金属和cfrp搅拌摩擦点连接的无针内凹轴肩工具头，并制定相应的连接工艺，解决现有工艺采用常规和无针工具头存在的技术问题。
5.为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
6.本发明的第一个方面，提供了一种基于内凹无针轴肩强化轻质合金/热塑性复合材料连接强度的搅拌摩擦点连接工艺，包括：
7.选取模具用钢或普通合金钢材料制备圆柱型工具头，所述工具头的轴肩端面内侧
设计一定凹度的槽面，槽面与原始端面连接处采用45
°
倒角过渡形式；并将所述工具头固定在焊接设备搅拌工具头固定器中；
8.将工件进行预处理，并装夹固定，所述工件为金属待焊接板和cfrp待连接板件；
9.采用无针轴肩搅拌点连接的工艺对工件进行焊接，即得。
10.研究发现：在搅拌摩擦点连接金属和cfrp工艺中，结合区域的连接机理主要涉及熔融态粘性流动的树脂基在金属表面形成的宏观/微观机械互锁效应，物理黏附效应以及化学键合作用。三种主要连接机理的形成均与搭接界面区域的热力分布状态密切关联，因此提高结合性能的关键之一在于如何优化工艺条件创造有利的温度和压力分布条件。为实现上述目的，本发明提出了基于新型无针内凹轴肩的金属和cfrp搅拌摩擦点连接工艺，通过改变工具头和金属板之间摩擦接触面的产热分布和压力分布，进而改善金属和cfrp塑料之间的搭接面结合热力状态，实现接头性能进一步提升。
11.本发明的第二个方面，提供了上述的方法制备的轻质合金/热塑性复合材料。
12.本发明的第三个方面，提供了一种基于内凹无针轴肩强化轻质合金/热塑性复合材料连接强度的搅拌摩擦点连接工艺的无针轴肩工具头，所述工具头为圆柱型，轴肩端面内侧设计一定凹度的槽面，槽面与原始端面连接处采用45
°
倒角过渡形式。
13.本发明的有益效果在于：
14.(1)本发明工艺简单，仅需在原有工艺上采用内凹轴肩工具头，匹配合适的连接工艺参数即可完成，连接参数少且易控。内凹轴肩的设计方案，一方面在相同下压量下避免了较大的金属下凹变形，降低搭接界面减薄；一方面能够改变摩擦接触方式降低同转速下的热输入，扩展转速可调范围。在连接机理的形成过程中，内凹轴肩强制改变了金属侧塑性变形受力特征和摩擦产热的分布特征，进而促使工具头正下方的金属和cfrp搭接界面外侧区域形成环状高压分布特点，同时金属下凹变形减少，有利于促使熔融层更集中在搅拌头正下方的结合区域与金属下表面形成连接；此外，外侧环状高压对熔融层流动由外向内的拘束有利于强化界面上已经形成的机械咬合和物理黏合，进一步提升结合强度。
15.(2)本发明的操作方法简单、成本低、具有普适性，易于规模化生产。
附图说明
16.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
17.图1为本发明设计的搅拌摩擦点连接工具头示意图；
18.图2为本发明设计的金属和热塑性复合材料搅拌摩擦点连接原理图；
19.图3为焊接过程中，内凹轴肩下压过程中对搭接界面结合区域机械锚固和物理黏合的强化效应原理图；
20.图4为具体实例中，内凹轴肩强化的铝合金/cfrp搅拌摩擦点连接搭接界面结果展示。
具体实施方式
21.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通
常理解的相同含义。
22.一种基于内凹无针轴肩强化轻质合金/热塑性复合材料连接强度的搅拌摩擦点连接工艺，包括：
23.步骤一：新型无针轴肩工具头的设计
24.选取模具用钢或普通合金钢材料制备圆柱型工具头，其主体形状与常规搅拌摩擦焊工具头类似，固定端尺寸以匹配焊机轴套规格为依据；不同之处在于，轴肩端面内侧设计一定凹度的槽面，槽面与原始端面连接处采用45
°
倒角过渡形式，将其固定在焊接设备搅拌工具头固定器中；
25.步骤二：焊前准备与工件装夹固定
26.首先采用酒精擦拭干净金属待焊接表面和cfrp待连接板件表面，将两者叠放在一起形成搭接面区域，上侧为金属板，下侧为cfrp板；一并安装在钢制的支撑平台上，采用夹具固定好金属上表面，防止连接过程中产生刚性滑移；
27.步骤三：焊接参数选择及焊接启动、完成；
28.设定搅拌摩擦点连接的工艺参数如搅拌工具头旋转速度、下压量、下压速度和停留时间等；随后，开始搅拌摩擦点连接过程，工具头下压接触金属板，达到一定下压量后随即抽离或保持一定时间后再抽离。待冷却一段时间后，卸载转速，卸掉工装，完成焊接过程。
29.其中，
30.步骤一所述的无针轴肩搅拌工具头直径范围涉及10-30mm，其中轴肩端面内凹槽深度可调范围为金属板厚度的1/10-1/5，约0.1-1mm(以1-5mm金属板为参考)，直径可调范围为轴肩直径的1/2-2/3，约5-20mm；
31.步骤一所述搅拌工具头表面的粗糙度以可显现原始金属光泽为准，装夹固定在常规搅拌摩擦焊机或者点焊机工具头固定器即可，无需特别设计；
32.步骤二所述的轻质金属材料包括钛合金、铝合金、镁合金等，板厚为1-5mm；碳纤维增强热塑性复合材料包括短程或连续碳纤维增强的聚醚醚酮(peek)、聚苯硫醚(pps)或尼龙六(pa6)等，复合材料板厚为2-5mm；
33.步骤二所述的金属表面可进行预处理，方式包括但不限于表面微织构制备、硅烷耦合剂涂敷及机械打磨增加粗糙度等；其中微织构可采用飞秒、皮秒或纳秒激光加工工艺制备，织构推荐以椭圆形凹槽阵列结构组成，间距80～200μm，深度200-450μm；硅烷耦合剂涂敷推荐在100-120℃下保温40-60min完成；
34.步骤三所述的连接工艺参数如下，工具头转速为250-2000rpm，下压速度为0.05-0.2mm/s，下压量为选用工具头凹槽深度的1-2倍；完成下压后，工具头持续旋转的停留时间为0-10s；
35.在一些实施例中，工具头直径ds范围10-30mm，其中轴肩端面内凹槽深度d可调范围为金属板厚度的1/10-1/5，约0.1-1mm(以1-5mm金属板为参考)，dc直径可调范围为轴肩直径的1/2-2/3，约5-20mm；
36.下面结合具体的实施例，对本发明做进一步的详细说明，应该指出，所述具体实施例是对本发明的解释而不是限定。
37.实施例1
38.一种基于内凹轴肩强化金属和碳纤维增强复合材料搅拌摩擦点接头的工艺方法，
包括如下步骤：
39.步骤一，加工制备无针内凹搅拌工具头，如图1所示。其中，轴肩和端面凹槽的直径尺寸分别为ds和dc，凹槽深度为d。
40.步骤二，酒精清洗金属表面，采用硅烷耦合金涂敷搭接区域。装夹工件并固定搅拌工具头中心位置，如图2所示。金属处于搭接结构上层，上表面用夹具固定压紧，防止刚性滑移。
41.步骤三，设定工具头转速、下压速度和时间；向下移动工具头接触金属上表面后，通过焊机位移传感器记录工具头摩擦端面原始位置；启动焊接程序后，工具头接触金属上表面后记录下压量变化，达到设定下压时间后保持水平位置；cfrp上表面树脂基熔化形成薄薄的熔融层，与金属下表面形成致密接触(如图2所示)。
42.步骤四，工具头继续保持旋转状态，待停留时间完成后，工具头向上抽离；熔融态的树脂基冷却凝固，与金属上表面形成机械锚固、物理黏合和化学键合(如图2所示)。
43.本实施例中，所采用的金属材料为6061铝合金，厚度2mm，所述的碳纤维增强热塑性复合材料为短程非连续碳纤维增强尼龙六(cf-pa6)，厚度为3mm。
44.本实施例中，金属表面采用5％浓度的硅烷耦合剂涂敷，120℃下恒温保持50min。
45.本实施例中，轴肩直径为20mm，凹槽直径和深度为12mm和0.2mm，材质skd钢。
46.本实施例中，工具头转速1500rpm，下压速度0.1mm/s，下压时间3s，下压量0.3mm。
47.本实施例中，采用无针内凹轴肩工具头，在下压过程中，金属板塑性变形呈外侧高内侧小特征，同时内部产热降低；搭接界面压力分布呈环状分布，拘束内部熔融态树脂基向外侧的自由流动，相对增加其与金属下表面接触作用时间，有利于强化微观机械锚固效应和物理黏合，原理如图3所示。
48.本实施例中，采用直径20mm的无针平轴肩工具头做参考，在其他工艺条件保持一致的情况下，对比两种搅拌工具头的拉剪强度和界面断裂形貌，如图4所示；采用内凹轴肩工具头，铝合金侧下凹区呈环状，且断后黏附在金属表面的cfrp侧残留纤维和树脂更多，表明采用无针内凹搅拌工具头，强化了界面结合状态，接头拉剪强度结果同样证明了上述发现。
49.最后应该说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。