一种纤维增强热塑性树脂基复合材料的电阻植入焊接装置

1.本发明涉及焊接技术领域，特别是涉及一种纤维增强热塑性树脂基复合材料的电阻植入焊接装置。


背景技术：

2.在航空航天领域，飞行器逐渐朝着大尺寸、高承载、长寿命、低质量的趋势发展，随着这些需求日益突出，此时迫切需要轻质高强的材料出现，纤维增强热塑性树脂基复合材料已成为满足该需求的核心材料之一，但是该材料的延展性差、可加工性差，难以通过铸造、锻造、减材制造等传统工艺直接加工为复杂零件，因此发展纤维增强热塑性树脂基复合材料的连接技术已成为现阶段和未来先进飞行器制造技术研究的迫切需要。
3.焊接纤维增强热塑性树脂基复合材料时根据不同的热生成原理可以分为三大类，分别是热焊接、摩擦焊接及电磁焊接。主要是热焊接类的激光透射焊接；摩擦焊接类的超声焊接；电磁焊接类的感应焊接和电阻焊接。在这些焊接工艺中，电阻植入焊所需的工艺流程短、设备简单、价格便宜、不需要表面处理、接头的拉剪强度高与模压成型类似、成型时间短、焊接过程不需要移动工件、易于批量生产等，被视为最有前途的焊接工艺之一。
4.然而现有的电阻植入焊接装置进行纤维增强热塑性树脂基复合材料的焊接时，由于加热体与纤维增强热塑性树脂基复合材料的电气接触问题，容易造成电流沿着纤维传播，进而导致复合材料出现电流横向贯穿，引起连接界面热量分布不均匀的问题；同时，因为导热介质传导热量的差异性，空气的导热能力小于纤维增强热塑性树脂基复合材料的导热能力，容易导致在较长的焊接时间下接头边缘处的温度会略高于接头中央处的温度，从而导致焊接界面因熔化的不均匀产生缺陷；其次因为纤维增强热塑性树脂基复合材料与加热体不相容的问题而造成接头处存在严重的应力集中和缺陷；最后很难满足飞机制造领域对接头厚度可控的追求。


技术实现要素：

5.为解决以上技术问题，本发明提供一种纤维增强热塑性树脂基复合材料的电阻植入焊接装置，减少了因电流沿纤维传播引起热塑性树脂熔融不均匀而造成连接界面出现的缺陷和因加热体的相容性引起的接头处应力集中程度，改善了因传热介质的差异造成的边缘热效应，并实现了搭接接头的厚度可控。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
7.本发明提供一种纤维增强热塑性树脂基复合材料的电阻植入焊接装置，包括底部支撑板、焊接台板、中间板、顶部压板、连接压紧机构、压力传感器、压力监控器、供电机构、焊接定位机构、加热体和两个电极，所述底部支撑板、所述压力传感器、所述焊接台板、所述焊接定位机构、所述中间板和所述顶部压板由下至上层依次设置，所述底部支撑板、所述焊接台板、所述中间板和所述顶部压板通过所述连接压紧机构进行连接，所述焊接定位机构中用于放置待焊接试样，所述加热体用于设置于待焊接试样的搭接接头之间，所述加热体
包括高导电性金属网格和设置于所述高导电性金属网格的空隙和表面的热塑性树脂，所述高导电性金属网格的两端由所述搭接接头伸出且均设置有一个所述电极，两个所述电极均与所述供电机构连接，所述压力传感器与所述压力监控器连接，所述连接压紧机构能够调节焊接时的压力和搭接接头的厚度，所述中间板、所述焊接台板和所述焊接定位机构的表面均喷涂有绝缘隔热材料。
8.优选地，所述连接压紧机构包括多个连接压紧组件，所述连接压紧组件包括螺栓和螺母，各所述螺栓均依次穿过所述底部支撑板、所述焊接台板、所述中间板和所述顶部压板，且各所述螺栓的上端均安装有一个所述螺母。
9.优选地，所述焊接定位机构包括第一定位块、定位板和第二定位块，所述第一定位块和所述第二定位块对称设置于所述焊接台板的上表面，所述第一定位块朝向所述第二定位块的一侧设置有第一定位槽，所述第二定位块朝向所述第一定位块的一侧设置有第二定位槽，所述定位板设置于所述焊接台板的上表面且位于所述第一定位槽中。
10.优选地，所述加热体为采用静电纺丝工艺将热塑性树脂纤维附着于所述高导电性金属网格的空隙和表面制作而成。
11.优选地，所述高导电性金属网格采用喷砂法、磨蚀法、等离子处理法、蚀刻法、硅烷偶联剂处理法、激光处理法或阳极氧化处理法进行表面处理。
12.优选地，所述高导电性金属网格为高导电性铜网格或高导电性铝网格。
13.优选地，所述电极靠近所述待焊接试样的内侧面喷涂有玻璃纤维绝缘隔热材料。
14.优选地，所述电极为铜电极。
15.优选地，所述供电机构包括电源、两个导线和两个导电夹头，各所述电极均通过一个所述导电夹头和一个所述导线与所述电源连接。
16.优选地，所述螺栓和所述螺母采用h7/g6间隙配合，所述螺栓和所述螺母均采用单线螺纹。
17.本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
18.本发明的纤维增强热塑性树脂基复合材料的电阻植入焊接装置，加热体包括高导电性金属网格和设置于高导电性金属网格的空隙和表面的热塑性树脂，高导电性金属网格的使用保证了加热体具有足够大的电流，进一步缩短了加热时间，进而减少了沿着增强纤维传播的电流以及该电流对待焊接试样的作用时间，从而减少了电流横向贯穿对焊接的不利影响，并且随着加热时间的缩短，减少了因传热介质的差异而造成的边缘热效应，减少了因电流沿纤维传播引起热塑性树脂熔化不均匀而造成连接界面出现的缺陷。通过在高导电性金属网格的空隙和表面设置热塑性树脂，解决了加热体与纤维增强热塑性树脂基复合材料的不相容而造成严重的应力集中问题，并且为连接界面提供了更多的熔融树脂，解决了树脂不易从高导电性金属网格的间隙穿过而造成连接界面熔融树脂不足的问题，进而减少了连接界面因熔融树脂不足而形成的间隙与气孔，提升了焊接效果。
附图说明
19.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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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的前提下，还可以根据这些附图获
得其他的附图。
20.图1为本发明提供的纤维增强热塑性树脂基复合材料的电阻植入焊接装置的整体结构示意图；
21.图2为本发明提供的纤维增强热塑性树脂基复合材料的电阻植入焊接装置的爆炸图；
22.图3为本发明提供的纤维增强热塑性树脂基复合材料的电阻植入焊接装置的去除中间板和顶部压板后的立体结构示意图；
23.图4为本发明提供的纤维增强热塑性树脂基复合材料的电阻植入焊接装置中焊接定位机构的结构示意图。
24.附图标记说明：100、纤维增强热塑性树脂基复合材料的电阻植入焊接装置；1、底部支撑板；2、焊接台板；3、中间板；4、顶部压板；5、螺栓；6、螺母；7、压力传感器；8、压力监控器；9、电源；10、加热体；11、电极；12、第一定位块；13、第二定位块；14、定位板；15、待焊接试样。
具体实施方式
25.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，所描述的实施例仅仅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。
26.本发明的目的是提供一种纤维增强热塑性树脂基复合材料的电阻植入焊接装置，减少了因电流沿纤维传播引起热塑性树脂熔融不均匀而造成连接界面出现的缺陷和因加热体的相容性引起的接头处应力集中程度，改善了因传热介质的差异造成的边缘热效应，并实现了搭接接头的厚度可控。
27.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
28.如图1-图4所示，本实施例提供一种纤维增强热塑性树脂基复合材料的电阻植入焊接装置100，包括底部支撑板1、焊接台板2、中间板3、顶部压板4、连接压紧机构、压力传感器7、压力监控器8、供电机构、焊接定位机构、加热体10和两个电极11，底部支撑板1、压力传感器7、焊接台板2、焊接定位机构、中间板3和顶部压板4由下至上层依次设置，底部支撑板1、焊接台板2、中间板3和顶部压板4通过连接压紧机构进行连接，焊接定位机构中用于放置待焊接试样15，待焊接试样15采用纤维增强热塑性树脂基复合材料，具体地，本实施例中的待焊接试样15采用碳纤维增强热塑性树脂基复合材料，其树脂基体为热塑性树脂基复合材料里面综合性能最好的peek树脂基体，其增强纤维为含碳量高于95％的高性能碳纤维。待焊接试样15接头形式采用单搭接接头的形式，加热体10用于设置于待焊接试样15的搭接接头之间，加热体10包括高导电性金属网格和设置于高导电性金属网格的空隙和表面的热塑性树脂，高导电性金属网格的两端由搭接接头伸出且均设置有一个电极11，两个电极11均与供电机构连接，供电机构可以为不同厚度的待焊接试样15提供电阻热，压力传感器7与压力监控器8连接，压力监控器8与供电机构连接，连接压紧机构能够调节焊接时的压力和搭接接头的厚度。中间板3、焊接台板2和焊接定位机构的表面均喷涂有绝缘隔热材料，进而避
免电流的随意流动引起安全问题及热量对整个装置产生影响。
29.本实施例中连接压紧机构不仅可以实现焊接时的压力控制，而且还可以控制搭接接头的厚度，这对一些需要严格控制接头厚度的场所，提供了极大便利。喷涂有绝缘隔热材料的中间板3、焊接台板2和焊接定位机构的使用不仅可以减少因热变形而引起焊接前后压力的不一致和接头产热对整体结构产生的热变形，而且绝缘性避免了电流沿纤维随意传播引起的安全性问题和热量不均匀问题。本实施例中的纤维增强热塑性树脂基复合材料的电阻植入焊接装置100结构简单、安全可靠且接头厚度可控，适用于各种类型的纤维增强热塑性树脂基复合材料的连接，避免了接头产热对整体设备的影响。
30.本实施例中高导电性金属网格的使用保证了加热体10的导电性远强于纤维增强热塑性树脂基复合材料中的纤维，保证了加热体10具有足够大的电流、更小的电阻，进一步缩短了加热时间，进而减少了沿着增强纤维传播的电流以及该电流对待焊接件的作用时间，从而减少了电流横向贯穿对焊接的不利影响，并且随着加热时间的缩短，减少了因传热介质的差异而造成的边缘热效应，减少了因电流沿纤维传播引起热塑性树脂熔化不均匀而造成连接界面出现的缺陷。通过在高导电性金属网格的空隙和表面设置热塑性树脂，解决了加热体10与纤维增强热塑性树脂基复合材料的不相容而造成严重的应力集中问题，并且为连接界面提供了更多的熔融树脂，解决了树脂不易从高导电性金属网格的间隙穿过而造成连接界面熔融树脂不足的问题，进而减少了连接界面因熔融树脂不足而形成的间隙与气孔，提升了焊接效果。
31.连接压紧机构包括多个连接压紧组件，连接压紧组件包括螺栓5和螺母6，各螺栓5均依次穿过底部支撑板1、焊接台板2、中间板3和顶部压板4，且各螺栓5的上端均安装有一个螺母6。底部支撑板1、焊接台板2、中间板3和顶部压板4上均设置有供螺栓5穿过的通孔。
32.本实施例中的连接压紧机构包括四个连接压紧组件，四个螺栓5分别布置在底部支撑板1的四角，底部支撑板1与焊接台板2通过四个螺栓5连接。为了保证结构的稳定性及焊接过程中压力分布的均匀性，尽可能保证四个螺栓5处于同一水平位置，底部支撑板1与焊接台板2的大小一致，且通孔的位置及加工精度一致。
33.顶部压板4放置在中间板3上方，大小均与焊接台板2保持一致，并且尽可能保证完全水平。螺母6位于顶部压板4的上方，螺母6与螺栓5能够实现小间隙配合。通过控制四个螺母6拧紧或放松的圈数来控制压力的大小。为了保证焊接台板2压力分布的均匀性，四组螺栓5、螺母6连接的配合精度应保持一致。装置中绝缘隔热材料的使用可以减少接头产热引起整个装置的热变形，有利于避免螺栓5的热变形。
34.压力传感器7位于底部支撑板1的上方，为了保证所测压力的准确性，压力传感器7的位置需要精确限定，要使得整个焊缝均位于压力传感器7上方。压力监控器8与压力传感器7相连，在焊接过程中进行压力监控。具体地，压力传感器7和压力监控器8可以实现焊接压力动态调节，范围为0-200n区间内。
35.本实施例中四个螺母6采用同一规格，且螺母6和顶部压板4上均设置有记号，保证螺母6每次安装的位置确定，以及能明确知道螺母6拧紧或者放松的圈数。以便于不论是加压还是减压过程中，能控制四个螺母6转动的圈数始终一致，来确保顶部压板4与焊接台板2始终平行。
36.本实施例中的螺母6为六角螺母，并且考虑到在焊接过程中调压时需要频繁使用，
容易造成螺栓5和螺母6的疲劳和磨损，导致压力调节不精确且难以实现自锁，因此不能采用普通螺母，需要采用抗拉强度和屈服强度更高的高强度螺母，本实施例中使用性能等级为9的高强度螺母。考虑到螺栓5相比于螺母6更易失效，因此采用的螺栓5的性能等级为9.8级。
37.本实施例中螺栓5和螺母6采用h7/g6间隙配合，螺栓5和螺母6均采用单线螺纹。螺栓5和螺母6的配合精度为十分精密的基孔制小间隙配合h7/g6，高精度小间隙配合且顶部压板4与螺母6上存在重合标记来保证每个螺母6拧动的圈数，可以精确控制连接界面的厚度，同时便于实现焊接界面压力的高精度调节，且螺纹为单线制，更有利于实现压力的高精度调节。采用间隙配合后，解决了螺栓5与螺母6拧紧困难的问题。高性能等级螺栓与螺母的使用解决了因调压，频繁拧紧或放松而引起的磨损造成的调压不准确的问题。本实施例中高性能等级、高精度配合的螺母6与螺栓5不仅提高了调压装置的寿命，也提高了压力调节的精确性。本实施例中单线制且高配合精度螺栓连接的应用，实现了搭接接头厚度的严格控制以及焊接压力的精确调节，满足了飞机制造领域对接头厚度可控的追求。
38.焊接定位机构用于在焊接过程中对待焊接试样15进行定位，具体地，如图4所示，焊接定位机构包括第一定位块12、定位板14和第二定位块13，第一定位块12和第二定位块13对称设置于焊接台板2的上表面，第一定位块12朝向第二定位块13的一侧设置有第一定位槽，第二定位块13朝向第一定位块12的一侧设置有第二定位槽，定位板14设置于焊接台板2的上表面且位于第一定位槽中。待焊接试样15包括两个块状试样，第一个块状试样放置于焊接台板2上且位于第二定位槽中，第二个块状试样放置于定位板14上，且第二个块状试样的一端位于第一个块状试样一端的上方，进而形成搭接接头。本实施例中块状试样的长度为50-80mm，宽度为20-30mm，高度为1-3mm。
39.本实施例中的加热体为采用静电纺丝工艺将热塑性树脂纤维附着于高导电性金属网格的空隙和表面制作而成。
40.具体地，将待焊接试样15的树脂基体或类似的基体材料，在强电场中加工为纤维细丝，并附着到高导电性金属网格的空隙和表面，使得高导电性金属网格的空隙和表面附着有热塑性树脂，能够有效地解决连接过程中加热体10与待焊接试样15不相容的问题，并且连接界面有充足的熔融树脂，避免了因熔融树脂不易流过高导电性金属网格而引起的连接界面出现间隙与气孔的问题，同时产生的富树脂区能够防止电阻植入焊接过程中的电流泄露。
41.本实施例中对高导电性金属网格进行物理或化学处理，具体地，高导电性金属网格采用喷砂法、磨蚀法、等离子处理法、蚀刻法、硅烷偶联剂处理法、激光处理法或阳极氧化处理法进行表面处理。于本具体实施例中，对高导电性金属网格进行阳极氧化处理，在外加电流的作用下，在金属表面生成了一层具有更高粗糙度、更低接触角、更好润湿性的金属表面，以便于后面树脂纤维在金属网格表面的依附，即提高了金属表面的粗糙度，为界面提供了额外的机械嵌合，提高了界面的连接强度。
42.于本具体实施例中，高导电性金属网格为高导电性铜网格或高导电性铝网格，使得高导电性金属网格的导电性远大于碳纤维，用来减少电流沿着纤维横向横穿对待焊接试样15产生的不利影响。
43.具体地，电极11靠近所述待焊接试样15的内侧面喷涂有玻璃纤维绝缘隔热材料。
焊接过程中热塑性树脂加热后会熔化变形，可能会使得树脂基体中的纤维接触到电极11，通过在电极11的内侧面设置绝缘层，避免纤维与电极11直接接触，即二者之间存在绝缘层，进而避免电流沿着纤维横向贯穿而引起焊接平面热量分布不均匀和电极11温度升高而造成接触电阻增大。
44.于本具体实施例中，电极11为铜电极，采用铜电极是为了保证电极材料具有良好的导电性。
45.具体地，供电机构包括电源9、两个导线和两个导电夹头，各电极11均通过一个导电夹头和一个导线与电源9连接，为焊接过程提供热量供应，压力监控器8与电源9连接。
46.于本具体实施例中，中间板3、焊接台板2和焊接定位机构的表面喷涂的绝缘隔热材料为聚四氟乙烯，中间板3、焊接台板2和焊接定位机构均采用钢板制成。
47.具体使用过程为：首先将待焊接试样15和加热体10装入焊接定位机构内，然后通过导电夹头夹在高导电性金属网格两端的电极11，进而使得电极11连接电源9。将焊接台板2、压力传感器7、螺栓5、底部支撑板1、中间板3、顶部压板4和螺母6进行组装。最后将压力传感器7与压力监控器8相连。焊接过程中采用定圈数电动扳手调节螺母6，压力传感器7可以实时反馈焊接压力，根据压力监控器8得到的实时焊接压力再进行调压，然后打开电源9调节电压与电流，完成焊接。
48.本实施例中通过连接压紧机构的四个螺母6的拧紧和放松能够对连接界面进行压力实时调节。在焊接过程中压力传感器7反馈连接界面的压力至压力监控器8，根据压力监控器8上所显示的压力，以及所需的搭接接头厚度可以采用定圈数电动扳手进行控制。通过电极11，电源9的电流传播到高导电性金属网格上，为连接界面的焊接提供热量。在电阻热和压力的共同作用下，纤维增强热塑性树脂基复合材料被加热至熔融状态并通过冷却形成接头。
49.本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：
1.一种纤维增强热塑性树脂基复合材料的电阻植入焊接装置，其特征在于，包括底部支撑板、焊接台板、中间板、顶部压板、连接压紧机构、压力传感器、压力监控器、供电机构、焊接定位机构、加热体和两个电极，所述底部支撑板、所述压力传感器、所述焊接台板、所述焊接定位机构、所述中间板和所述顶部压板由下至上层依次设置，所述底部支撑板、所述焊接台板、所述中间板和所述顶部压板通过所述连接压紧机构进行连接，所述焊接定位机构中用于放置待焊接试样，所述加热体用于设置于待焊接试样的搭接接头之间，所述加热体包括高导电性金属网格和设置于所述高导电性金属网格的空隙和表面的热塑性树脂，所述高导电性金属网格的两端由所述搭接接头伸出且均设置有一个所述电极，两个所述电极均与所述供电机构连接，所述压力传感器与所述压力监控器连接，所述连接压紧机构能够调节焊接时的压力和搭接接头的厚度，所述中间板、所述焊接台板和所述焊接定位机构的表面均喷涂有绝缘隔热材料。2.根据权利要求1所述的纤维增强热塑性树脂基复合材料的电阻植入焊接装置，其特征在于，所述连接压紧机构包括多个连接压紧组件，所述连接压紧组件包括螺栓和螺母，各所述螺栓均依次穿过所述底部支撑板、所述焊接台板、所述中间板和所述顶部压板，且各所述螺栓的上端均安装有一个所述螺母。3.根据权利要求1所述的纤维增强热塑性树脂基复合材料的电阻植入焊接装置，其特征在于，所述焊接定位机构包括第一定位块、定位板和第二定位块，所述第一定位块和所述第二定位块对称设置于所述焊接台板的上表面，所述第一定位块朝向所述第二定位块的一侧设置有第一定位槽，所述第二定位块朝向所述第一定位块的一侧设置有第二定位槽，所述定位板设置于所述焊接台板的上表面且位于所述第一定位槽中。4.根据权利要求1所述的纤维增强热塑性树脂基复合材料的电阻植入焊接装置，其特征在于，所述加热体为采用静电纺丝工艺将热塑性树脂纤维附着于所述高导电性金属网格的空隙和表面制作而成。5.根据权利要求1所述的纤维增强热塑性树脂基复合材料的电阻植入焊接装置，其特征在于，所述高导电性金属网格采用喷砂法、磨蚀法、等离子处理法、蚀刻法、硅烷偶联剂处理法、激光处理法或阳极氧化处理法进行表面处理。6.根据权利要求1所述的纤维增强热塑性树脂基复合材料的电阻植入焊接装置，其特征在于，所述高导电性金属网格为高导电性铜网格或高导电性铝网格。7.根据权利要求1所述的纤维增强热塑性树脂基复合材料的电阻植入焊接装置，其特征在于，所述电极靠近所述待焊接试样的内侧面喷涂有玻璃纤维绝缘隔热材料。8.根据权利要求1所述的纤维增强热塑性树脂基复合材料的电阻植入焊接装置，其特征在于，所述电极为铜电极。9.根据权利要求1所述的纤维增强热塑性树脂基复合材料的电阻植入焊接装置，其特征在于，所述供电机构包括电源、两个导线和两个导电夹头，各所述电极均通过一个所述导电夹头和一个所述导线与所述电源连接。10.根据权利要求2所述的纤维增强热塑性树脂基复合材料的电阻植入焊接装置，其特征在于，所述螺栓和所述螺母采用h7/g6间隙配合，所述螺栓和所述螺母均采用单线螺纹。

技术总结
本发明公开一种纤维增强热塑性树脂基复合材料的电阻植入焊接装置，涉及焊接技术领域，底部支撑板、焊接台板、中间板和顶部压板通过连接压紧机构进行连接，焊接定位机构中用于放置待焊接试样，加热体用于设置于待焊接试样的搭接接头之间，加热体包括高导电性金属网格和设置于高导电性金属网格的空隙和表面的热塑性树脂，高导电性金属网格的两端由搭接接头伸出且均设置有一个电极，中间板、焊接台板和焊接定位机构的表面均喷涂有绝缘隔热材料。该装置减少了因电流沿纤维传播引起热塑性树脂熔融不均匀而造成连接界面出现的缺陷和因加热体的相容性引起的接头处应力集中程度，改善了因传热介质的差异造成的边缘热效应，并实现了搭接接头的厚度可控。了搭接接头的厚度可控。了搭接接头的厚度可控。


技术研发人员：解妙霞 张龙 向程雨 任鑫涛 黄千朗 吕宗阳 辛琪珂 姚飞龙 韩俊宏 张林杰
受保护的技术使用者：西安建筑科技大学
技术研发日：2023.07.11
技术公布日：2023/10/6