CN108838543B - 一种金属材料与树脂基复合材料焊铆复合连接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种金属材料与树脂基复合材料焊铆复合连接方法，本发明主要在金属板材和树脂基复合材料板材上均预制备通孔，将铆钉分别穿过树脂基复合材料板材和金属板材上的通孔，利用高能束焊接热源，在低热输入条件下实现铆钉钉腿与金属板材之间的高性能焊接。使得铆钉、焊接接头、金属材料及树脂基复合材料之间形成了一种全新的焊铆结构，并且焊接过程中可有效降低焊接热输入对树脂基复合材料的热损伤，进而提高连接结构的综合力学性能。
Description
技术领域
本发明属于材料工程技术领域，尤其涉及一种金属材料与树脂基复合材料焊铆复合连接方法。
背景技术
近年来随着轻质材料特别是树脂基复合材料的快速发展，对其连接技术的需求不断提升，树脂基复合材料的广泛应用势必会有不可避免的需求，实现其与金属材料之间的高性能连接。但是受到金属材料与树脂基复合材料之间物理性质差异大及不相容、不反应的影响，目前树脂基复合材料板材与金属板材之间的连接主要采用胶接和铆接技术进行连接。胶接技术受到使用时间和服役温度的限制，会逐渐发生老化、硬化及失效现象，因而在承力结构件连接过程中较少使用。铆接则受到使用载荷的作用而随着使用时间增加呈现逐渐降低两种材料之间的紧固结合强度问题。特别是近年来随着轻金属材料性能不断提升及碳纤维增强树脂基复合材料的快速发展，包括上述两种材料在内的多材料部件往往具有复杂连接结构并应用于苛刻的运行环境，对连接结构的力学性能及服役时间均提出了极高要求，现有单一的焊接、胶接及铆接技术则难以完全满足金属与树脂基复合材料连接的复杂结构及可靠高性能服役需求。
针对上述金属与复合材料的连接问题，国内外学者将焊接、铆接及胶接有机结合而衍生出系列复合连接技术。例如宝马i3及i8纯电动汽车的铝合金构件与碳纤维增强树脂基复合材料乘员仓的连接中就使用了将螺柱焊、螺丝紧固、快速胶接等方法相结合形成的ONSERT+adhesive复合连接方法。该方法可以实现铝合金与复合材料的良好连接，但制造成本相对较高，且使用了具有专利技术的OELD胶粘剂及快速凝固技术，形成了专利技术壁垒。
德国学者G.Meschut提出了电阻单元点焊技术[1-2]，该复合连接技术通过电阻点焊方法实现下层板材与铆钉之间的冶金连接，通过铆钉、焊接接头及上层板材之间形成机械铆接，焊接与铆接的融合有效提高了接头的连接性能，在铝/钢异种金属电阻单元点焊中，避免了上下两层金属板材之间的直接冶金结合，有效改善了异种金属焊接形成硬脆金属间化合物的问题。国内天津大学的罗震等人[3]采用电阻单元点焊技术实现了铝合金与高强钢之间的高性能连接，获得了较为理想的连接性能。
在实现异种金属良好连接的基础上，德国研究学者进一步深入探索，希望采用电阻单元点焊方法实现高强钢与碳纤维增强树脂基复合材料之间的连接，电阻单元点焊通过焊接与铆接的复合作用有效提高了金属材料与碳纤维增强树脂基复合材料的连接接头性能，但是焊接中发现电阻点焊过程中铆钉受热作用明显，导致热影响区的碳纤维增强树脂基复合材料发生局部碳化或分层，降低了碳纤维增强树脂基复合材料的力学性能，对连接接头的长期可靠安全服役带来影响。
因此，如何解决焊接过程中碳纤维增强树脂基复合材料热影响区受热降解或碳化问题成为困扰金属与树脂基复合材料焊铆复合连接技术深入应用的关键。
参考文献：
[1]G.Meschut,O.Hahn,V.Janzen,T.Olfermann.Innovative joiningtechnologies for multi-material structure.Weld world 2014；58:65-75.
[2]G.Meschut,V.Janzen,T.Olfermann,Innovative and highly productivejoining technologies for multi-material lightweight car body structures,Journal of Materials Engineering and Performance,2014,23:1515-1523.
[3]Ling Zhanxiang,Li Yang,Luo Zhen,Feng Yueqiao,WangZhengmin.Resistence Element Welding of 6061Al Alloy to Uncoated 22MnMoB BoronSteel.Mat Manuf Process 2016；31:2174-80.
发明内容
根据上述提出的现有复合铆焊技术在控制树脂基复合材料热损伤方面存在的技术问题，而提供一种金属材料与树脂基复合材料的新型焊铆复合连接方法。本发明主要在金属板材和树脂基复合材料板材上均预制备通孔，铆钉分别穿过树脂基复合材料板材和金属板材，利用激光-电弧复合焊接热源，在低热输入条件下实现铆钉钉腿与金属板材之间的高性能焊接。使得铆钉、焊接接头、金属材料及树脂基复合材料之间形成了一种全新的焊铆结构，并且焊接过程中可有效降低焊接热输入对树脂基复合材料的热损伤，进而提高连接结构的综合力学性能。
本发明采用的技术手段如下：
一种金属材料与树脂基复合材料焊铆复合连接方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：选择与被连接金属材料具有相同成分或具有良好焊接性的金属材料来制备铆钉，其中，所述铆钉的结构和尺寸依据被连接结构及其性能要求进行设计；
S2：根据步骤S1中选用的所述铆钉的结构尺寸，在金属板材与树脂基复合材料板材上预制与其相匹配的通孔；
S3：将所述铆钉与钻孔后的金属板材与树脂基复合材料板材进行装配，装配时，将树脂基复合材料与金属板材搭接在一起，所述铆钉的钉头与树脂基复合材料直接接触，所述铆钉的钉腿先穿过树脂基复合材料板材，然后再穿过金属板材，所述铆钉的钉腿底面与金属板材的上表面保持在一个平面；
S4：采用高能束焊接热源对所述铆钉的钉腿与金属板材的通孔之间结合部位进行焊接加工，完成金属材料与树脂基复合材料之间的连接。
进一步地，在步骤S1中，所述铆钉的钉腿的总长度L1为树脂基复合材料厚度L2和金属板材厚度L3之和；所述铆钉的钉腿直径D1为L1的1.8～2倍；所述铆钉的钉头直径D2比所述钉腿直径D1增加2.0-4.0mm，所述铆钉的钉头厚度H为1.0-3.0mm。
进一步地，在进行物理和化学性质相差极大的金属板材和树脂基复合材料板材的连接时，通常选用两段钉腿同轴但直径不相等的阶梯型铆钉，所述铆钉的第二级阶梯直径D11比第一级阶梯直径D12增加2-6mm。
进一步地，在步骤S2中，金属板材与树脂基复合材料板材上预制通孔时，采用具有较高的表面加工精度的钻孔设备对其进行加工，且所加工通孔的直径D3应小于所述铆钉的钉腿直径D10.1～0.2mm，在装配时，所述铆钉和金属板材与树脂基复合材料板材之间为过盈配合。
进一步地，在步骤S3中，装配时，选用压入工具将所述铆钉压入通孔中，形成过盈配合，压入板材顺序为先进入树脂基复合材料板材，再进入金属板材，压入极限为铆钉头紧密贴合树脂基复合材料板，铆钉腿底面与金属板材平齐或高出0～0.2mm的高度，用以提高接头的表面成型。
进一步地，在步骤S4中，在焊接过程中，高能束焊接热源直接作用于所述铆钉的钉腿与金属板材的结合部，焊接热源输入的选择依据是能够实现金属材料与铆钉的冶金结合同时确保树脂基复合材料获得最低的热损伤。
进一步地，在步骤S4中，在焊接过程中，根据被加工试件尺寸和形状特征，对于大型部件采用热源绕着铆钉中心点旋转，对于小型部件采用被连接板材旋转，热源不动的方法进行焊接加工，焊接速度为热源绕着铆钉中心旋转或被连接板材旋转时的线速度，其调节范围为0.4～5m/min。
进一步地，金属板材与树脂基复合材料板材的厚度为1～10mm。
进一步地，所述高能束焊接热源包括激光-电弧复合焊接热源、激光束焊接热源、电子束焊接热源或等离子弧焊接热源。
进一步地，所述铆钉的钉头和树脂基复合材料之间设有用于连接结构件密封和防腐的涂覆胶层。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明提供的复合焊铆方法兼具焊接和铆接的优点，可以获得金属材料和树脂基复合材料的高性能连接接头。焊接热源仅直接作用于熔点较高的金属材料，形成高性能焊接接头，并有效避免高温热源直接作用于树脂基复合材料，从而可以减少焊接热源对复合材料的热损伤；同时，利用金属铆钉焊后形成的铆接结构进一步加强金属板材和树脂基复合材料板材的接头连接性能，解决了焊接热源对树脂基复合材料热影响区的降解和汽化问题，这也是本发明方法能够实现金属材料与树脂基复合材料高性能连接的优势所在。
基于上述理由本发明可在材料连接等领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明金属板材与树脂基复合材料板材激光-电弧复合焊铆方法的流程示意图，其中，a)预制通孔；b)预装配；c)焊接加工。
图2为本发明采用的阶梯型铆钉的结构示意图。
图中：1、铝合金板材/镁合金板材/高强钢板材；2、树脂基复合材料板材；3、铝制铆钉/镁制铆钉/高强钢制铆钉；4、高能束焊接热源。
L1、铆钉的钉腿总长度；L2、树脂基复合材料厚度；L3、金属板材厚度；D1、铆钉的钉腿直径；D2、铆钉的钉头直径；D11、第二级阶梯直径；D12、第一级阶梯直径；H、铆钉的钉头厚度。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种金属材料与树脂基复合材料焊铆复合连接方法，包括如下步骤：
S1：选择与被连接金属材料具有相同成分或具有良好焊接性的金属材料来制备铆钉，其中，所述铆钉的结构和尺寸依据被连接结构及其性能要求进行设计，如图2所示，具体如下：所述铆钉的钉腿的总长度L1为树脂基复合材料厚度L2和金属板材厚度L3之和；所述铆钉的钉腿直径D1为L1的1.8～2倍；所述铆钉的钉头直径D2比所述钉腿直径D1增加2.0-4.0mm，所述铆钉的钉头厚度H为1.0-3.0mm，根据金属板材及树脂基复合材料板材的厚度具体确定。
另外，在进行物理和化学性质相差极大的金属板材和树脂基复合材料板材的连接时，通常选用两段钉腿同轴但直径不相等的阶梯型铆钉，所述铆钉的第二级阶梯直径D11比第一级阶梯直径D12增加2-6mm。
S2：根据步骤S1中选用的所述铆钉的结构尺寸，在金属板材与树脂基复合材料板材上预制与其相匹配的通孔；金属板材与树脂基复合材料板材的厚度为1～10mm，只要焊接热源可以焊透且适用于相应钻孔设备的金属板材与树脂基复合材料板材的厚度，均满足此连接方法的使用要求。
金属板材与树脂基复合材料板材上预制通孔时，采用具有较高的表面加工精度的钻孔设备对其进行加工，如数控钻床、微孔精密数控钻孔机等，且所加工通孔的直径D3应小于所述铆钉的钉腿直径D10.1～0.2mm，在装配时，所述铆钉和金属板材与树脂基复合材料板材之间为过盈配合。
S3：将所述铆钉与钻孔后的金属板材与树脂基复合材料板材进行装配，装配时，将树脂基复合材料与金属板材搭接在一起，选用压入工具将所述铆钉压入通孔中，所述铆钉的钉头与树脂基复合材料直接接触，压入板材顺序为所述铆钉的钉腿先穿过树脂基复合材料板材，然后再穿过金属板材，形成过盈配合，压入极限为铆钉头紧密贴合树脂基复合材料板；所述铆钉的钉腿底面与金属板材的上表面保持在一个平面，即铆钉腿底面与金属板材平齐或高出0～0.2mm的高度，用以提高接头的表面成型。
所述铆钉的钉头和树脂基复合材料之间设有用于连接结构件密封和防腐等方面需求的涂覆胶层。
S4：采用高能束焊接热源对所述铆钉的钉腿与金属板材的通孔之间结合部位进行焊接加工，完成金属材料与树脂基复合材料之间的连接，其中，所述高能束焊接热源包括激光-电弧复合焊接热源、激光束焊接热源、电子束焊接热源或等离子弧焊接热源。
在焊接过程中，高能束焊接热源直接作用于所述铆钉的钉腿与金属板材的结合部，其中，激光功率范围为200～5000W，离焦量的调节范围为-2～2mm，电弧电流为40～100A。
在焊接过程中，根据被加工试件尺寸和形状特征，对于大型部件采用热源绕着铆钉中心点旋转，对于小型部件采用被连接板材旋转，热源不动的方法进行焊接加工，焊接速度为热源绕着铆钉中心旋转或被连接板材旋转时的线速度，其调节范围为0.4～5m/min。
实施例1铝合金2.0mm板材与2.0mmPEEK树脂基复合材料焊接实例
采用YDZK-1616微孔精密数控钻孔机在铝合金板材1和树脂基复合材料板材2表面钻取直径为4mm的通孔，此时选择铝制铆钉3钉腿直径为4.1mm，铝制铆钉3长度4.0mm，铝制铆钉3的钉头直径为7.0mm，铝制铆钉3的钉头厚度H为1.0mm。在钻孔后将铝制铆钉3穿过复合材料后再穿过铝合金板材1，进行装配；然后采用旋转焊接试件，焊接热源不同的方式进行旋转焊接，焊接过程中保持高能束焊接热源4(即激光-电弧复合焊接热源)的角度与试件旋转之间的角度一致。脉冲激光平均功率600W，激光离焦量+1.0mm，焊接线速度1000mm/min，焊接交流电弧电流90A，焊后实现铝合金板材1与铝制铆钉3之间的良好冶金结合，铝制铆钉3与铝合金板材1之间形成的焊接接头形成了树脂基复合材料板材2与铝合金板材1之间的铆接结合，接头断裂载荷达到2500N。
实施例2镁合金3.0mm板材与3.0mmPEEK树脂基复合材料焊接实例
采用qd-3p4p数控钻床在镁合金板材1和树脂基复合材料板材2表面钻取直径为6.0mm的通孔，此时选择镁制铆钉3钉腿直径为6.1mm，镁制铆钉3长度6.0mm，镁制铆钉3的钉头直径为8.0mm，在钻孔后将镁制铆钉3穿过树脂基复合材料板材2后再穿过镁合金板材1，进行装配，然后采用旋转焊接试件，焊接热源不同的方式进行旋转焊接，焊接过程中保持激光-电弧复合热源角度与试件旋转之间的角度一致。脉冲激光平均功率300W，离焦量+1.0mm，焊接线速度900mm/min，焊接交流电弧电流70A，焊后实现镁合金板材1与镁制铆钉3之间的良好冶金结合，镁制铆钉3与镁合金板材1之间形成的焊接接头形成了树脂基复合材料板材2与镁合金板材1之间的铆接结合，接头断裂载荷达到1500N。
实施例3高强钢1.5mm板材与3.0mmPEEK树脂基复合材料焊接实例
与实施例1、实施例2不同，高强钢板材1与树脂基复合材料板材2的连接选用阶梯型高强钢制铆钉3(如图2所示)。采用DNC-430D高刚性金属快速移动数控打孔机分别在高强钢板材1表面钻取直径为6.0mm的通孔和树脂基复合材料板材2表面钻取直径为8mm的通孔，此时选择高强钢制铆钉3的钉腿第一阶梯直径为6.1mm，长度1.5mm，第二阶梯直径8.1mm，长度3.0mm，高强钢制铆钉3的钉头直径为10.0mm，在钻孔后将高强钢制铆钉3穿过树脂基复合材料板材2后再穿过高强钢板材1，进行装配，然后采用旋转焊接试件，焊接热源不动的方式进行旋转焊接，焊接过程中保持激光热源角度与试件旋转之间的角度一致。脉冲激光平均功率500W，离焦量-1.0mm，焊接线速度500mm/min，焊接交流电弧电流50A，焊后实现高强钢板材1与高强钢制铆钉3之间的良好冶金结合，高强钢制铆钉3与高强钢板材1之间形成的焊接接头形成了树脂基复合材料板材2与高强钢板材1之间的铆接结合，接头断裂载荷达到1450N。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (8)
1.一种金属材料与树脂基复合材料焊铆复合连接方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：选择与被连接金属材料具有相同成分或具有良好焊接性的金属材料来制备铆钉，其中，所述铆钉的结构和尺寸依据被连接结构及其性能要求进行设计；所述铆钉的钉腿的总长度L1为树脂基复合材料厚度L2和金属板材厚度L3之和；所述铆钉的钉腿直径D1为L1的1.8～2倍；所述铆钉的钉头直径D2比所述钉腿直径D1增加2.0-4.0mm，所述铆钉的钉头厚度H为1.0-3.0mm；
在进行物理和化学性质相差极大的金属板材和树脂基复合材料板材的连接时，选用两段钉腿同轴但直径不相等的阶梯型铆钉，所述铆钉的第二级阶梯直径D11比第一级阶梯直径D12增加2-6mm；
S2：根据步骤S1中选用的所述铆钉的结构尺寸，在金属板材与树脂基复合材料板材上预制与其相匹配的通孔；
S3：将所述铆钉与钻孔后的金属板材与树脂基复合材料板材进行装配，装配时，将树脂基复合材料与金属板材搭接在一起，所述铆钉的钉头与树脂基复合材料直接接触，所述铆钉的钉腿先穿过树脂基复合材料板材，然后再穿过金属板材，所述铆钉的钉腿底面与金属板材的上表面保持在一个平面；
S4：采用高能束焊接热源对所述铆钉的钉腿与金属板材的通孔之间结合部位进行焊接加工，完成金属材料与树脂基复合材料之间的连接。
2.根据权利要求1所述的金属材料与树脂基复合材料焊铆复合连接方法，其特征在于，在步骤S2中，金属板材与树脂基复合材料板材上预制通孔时，采用具有较高的表面加工精度的钻孔设备对其进行加工，且所加工通孔的直径D3应比所述铆钉的钉腿直径D1小0.1～0.2mm，在装配时，所述铆钉和金属板材与树脂基复合材料板材之间为过盈配合。
3.根据权利要求1所述的金属材料与树脂基复合材料焊铆复合连接方法，其特征在于，在步骤S3中，装配时，选用压入工具将所述铆钉压入通孔中，形成过盈配合，压入板材顺序为先进入树脂基复合材料板材，再进入金属板材，压入极限为铆钉头紧密贴合树脂基复合材料板，铆钉腿底面与金属板材平齐或高出0～0.2mm的高度，用以提高接头的表面成型。
4.根据权利要求1所述的金属材料与树脂基复合材料焊铆复合连接方法，其特征在于，在步骤S4中，在焊接过程中，高能束焊接热源直接作用于所述铆钉的钉腿与金属板材的结合部，焊接热源输入的选择依据是能够实现金属材料与铆钉的冶金结合同时确保树脂基复合材料获得最低的热损伤。
5.根据权利要求4所述的金属材料与树脂基复合材料焊铆复合连接方法，其特征在于，在步骤S4中，在焊接过程中，根据被加工试件尺寸和形状特征，对于大型部件采用热源绕着铆钉中心点旋转，对于小型部件采用被连接板材旋转，热源不动的方法进行焊接加工，焊接速度为热源绕着铆钉中心旋转或被连接板材旋转时的线速度，其调节范围为0.4～5m/min。
6.根据权利要求1所述的金属材料与树脂基复合材料焊铆复合连接方法，其特征在于，金属板材与树脂基复合材料板材的厚度为1～10mm。
7.根据权利要求1所述的金属材料与树脂基复合材料焊铆复合连接方法，其特征在于，所述高能束焊接热源包括激光-电弧复合焊接热源、激光束焊接热源、电子束焊接热源或等离子弧焊接热源。
8.根据权利要求1所述的金属材料与树脂基复合材料焊铆复合连接方法，其特征在于，所述铆钉的钉头和树脂基复合材料之间设有用于连接结构件密封和防腐的涂覆胶层。
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