本發(fā)明涉及金屬材料與樹(shù)脂基復(fù)合材料的連接方法，屬于材料焊接工程的
技術(shù)領(lǐng)域：
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背景技術(shù)：
：目前，中國(guó)是世界上CO2排放量最大的國(guó)家，2014年排放量超過(guò)100億噸，約為美國(guó)、歐盟與日本之和。如何降低能源消耗，減少CO2排放量，是世界性的重要課題。目前，中國(guó)的交通運(yùn)輸占總排放量的6％左右，但是隨著汽車(chē)行業(yè)的迅猛發(fā)展，排放預(yù)期將大幅提升至發(fā)達(dá)國(guó)家汽車(chē)行業(yè)排放量的20～30％的水平。對(duì)汽車(chē)而言，提升燃油效率的技術(shù)開(kāi)發(fā)非常重要，而車(chē)輛輕量化是有效途徑之一。其核心就是在保證汽車(chē)安全與性能的同時(shí)，盡可能多的利用輕量材料，如鋁合金、鎂合金和聚合物復(fù)合材料(CFRP等)，取代傳統(tǒng)的鋼鐵材料。普通家用轎車(chē)的部件如果用輕量材料取代，預(yù)計(jì)可以減重20～40％。為實(shí)現(xiàn)輕量化，需要可靠的結(jié)合技術(shù)來(lái)連接不同的材料，比如Al合金與CFRP。傳統(tǒng)上，機(jī)械締結(jié)是常用方法之一，但是前期鉆孔加工費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且締結(jié)處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。也可以使用粘結(jié)劑連接金屬與樹(shù)脂材料，但是連接質(zhì)量不高。傳統(tǒng)的熔焊技術(shù)溫度較高，導(dǎo)致異種材料接頭的性能不佳，焊件熱變形大，故不適用于這種場(chǎng)合。攪拌摩擦焊接(FSW)為固相結(jié)合技術(shù)，連接溫度較低(0.7～0.9Tm)，可以避免基體材料在高溫下發(fā)生相變、氧化等不利狀況，并且具有結(jié)合強(qiáng)度高、成本低、能耗低、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)。該技術(shù)在Al合金同材連接中被廣泛采用，目前的研究課題拓展至Al合金與異種材料之間的連接，但對(duì)于樹(shù)脂基復(fù)合材料與金屬材料的焊接，還沒(méi)有相關(guān)專利報(bào)道。與同材連接過(guò)程有所不同，在與包含樹(shù)脂材料的異材結(jié)合時(shí)，低熔點(diǎn)側(cè)材料的劣化、界面反應(yīng)層的生長(zhǎng)及界面電化學(xué)腐蝕等仍有待研究。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：技術(shù)問(wèn)題：本發(fā)明針對(duì)金屬材料和樹(shù)脂基復(fù)合材料的應(yīng)用需求和連接難題，提供一種利用攪拌摩擦焊連接金屬材料與樹(shù)脂基復(fù)合材料的方法，實(shí)現(xiàn)金屬材料和樹(shù)脂基復(fù)合材料之間直接、快速、高強(qiáng)度連接。本技術(shù)可以解決傳統(tǒng)方法存在的諸多問(wèn)題，如粘接強(qiáng)度低、鉚接帶來(lái)的前加工和應(yīng)力集中以及熔接時(shí)耗能和熱變形。技術(shù)方案：本發(fā)明的一種利用攪拌摩擦焊連接金屬材料與樹(shù)脂基復(fù)合材料的方法為：1)將金屬材料和樹(shù)脂基復(fù)合材料表面用酒精或丙酮清洗，然后將金屬材料疊放于樹(shù)脂基復(fù)合材料之上，利用夾具將二者固定于作業(yè)臺(tái)上；2)控制高速旋轉(zhuǎn)的工具攪拌頭插入金屬材料且不接觸樹(shù)脂基復(fù)合材料的表面，在工具攪拌頭產(chǎn)生的摩擦熱和工具軸肩下壓壓力共同作用下，實(shí)現(xiàn)所述的金屬材料與樹(shù)脂基復(fù)合材料之間的直接連接。其中：所述的金屬材料為Al合金或Mg合金材料，所述的樹(shù)脂基復(fù)合材料為碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂材料CFRP或玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂材料GFRP。所述的金屬材料和樹(shù)脂基復(fù)合材料的厚度范圍為0.5mm～10.0mm。所述的工具攪拌頭轉(zhuǎn)速范圍為500rpm～4000rpm，焊接速度范圍為10mm/min～1000mm/min，工具前進(jìn)時(shí)傾斜角為-5°～5°；攪拌摩擦點(diǎn)焊保持時(shí)間或攪拌摩擦焊接時(shí)攪拌頭插入合金片后停留預(yù)熱時(shí)間為1秒～10秒。所述的工具攪拌頭的直徑1.0mm～10.0mm；工具軸肩的直徑為10.0mm～30.0mm。所述的攪拌摩擦焊接過(guò)程中，金屬材料和樹(shù)脂基復(fù)合材料連接溫度為150℃～300℃，連接壓力為0.5kN～5kN。有益效果：本發(fā)明與傳統(tǒng)技術(shù)相比具有下列優(yōu)勢(shì)：一.無(wú)需添加過(guò)渡層或預(yù)加工，通過(guò)工具攪拌頭提供的摩擦熱以及工具軸肩提供的壓力，實(shí)現(xiàn)金屬材料和樹(shù)脂基復(fù)合材料的直接連接。二.攪拌摩擦焊接過(guò)程通過(guò)數(shù)控機(jī)床程序控制，自動(dòng)化程度高，連接速度快，從而提高生產(chǎn)效率；三.通過(guò)改變焊接工藝參數(shù)，可以調(diào)整連接部的溫度和壓力等關(guān)鍵因素，提高熱輸入的利用率。四.結(jié)合夾具的設(shè)計(jì)和數(shù)控機(jī)床的程序編程，可以實(shí)現(xiàn)金屬材料和樹(shù)脂基復(fù)合材料之間點(diǎn)、線、面及三維結(jié)構(gòu)的自動(dòng)化連接。五.表1本技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)比較成本能耗生產(chǎn)效率連接件強(qiáng)度FSW◎◎◎◎鉚接△○△◎粘接◎◎○△熔焊◎△◎△一、注：◎良好；○中等；△較差。附圖說(shuō)明圖1是金屬材料A和樹(shù)脂基復(fù)合材料B的攪拌摩擦焊示意圖。圖2是按照實(shí)施方案二得到的金屬材料A和樹(shù)脂基復(fù)合材料B連接件表面。具體實(shí)施方式本發(fā)明通過(guò)下述實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)現(xiàn)金屬材料和樹(shù)脂基復(fù)合材料的連接：步驟一：清洗金屬材料A和樹(shù)脂基復(fù)合材料B表面，將金屬材料A疊放于樹(shù)脂基復(fù)合材料B之上，然后利用夾具將二者固定于作業(yè)臺(tái)上。步驟二：根據(jù)所需連接材料的不同體系，選擇不同尺寸的工具攪拌頭和工具軸肩?？刂聘咚傩D(zhuǎn)的工具攪拌頭C插入金屬材料A且不接觸樹(shù)脂基復(fù)合材料B，在工具攪拌頭C產(chǎn)生的摩擦熱和工具軸肩D向下壓力共同作用下，實(shí)現(xiàn)金屬材料A與樹(shù)脂基復(fù)合材料B之間的直接連接。步驟三：設(shè)定攪拌摩擦焊接的工藝參數(shù)，工具轉(zhuǎn)速范圍為500rpm～4000rpm，焊接速度范圍為10mm/min～1000mm/min，工具前進(jìn)時(shí)前進(jìn)方向的傾斜角為-5°～5°，攪拌頭插入保持時(shí)間為1秒～10秒；通過(guò)數(shù)控機(jī)床輸入運(yùn)轉(zhuǎn)指令，自動(dòng)完成點(diǎn)、線、環(huán)等形狀的搭接焊；焊接完成后進(jìn)行充分的冷卻，即得到金屬材料/樹(shù)脂材料的連接件。下面結(jié)合實(shí)例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述：實(shí)施方案一：結(jié)合圖1說(shuō)明，本實(shí)施方案是通過(guò)以下步驟完成的：步驟一：用酒精清洗厚度為2.0mm的金屬材料A和樹(shù)脂基復(fù)合材料B，將金屬材料A疊放于樹(shù)脂基復(fù)合材料B之上，然后利用夾具將二者固定于作業(yè)臺(tái)上。步驟二：控制高速旋轉(zhuǎn)的工具攪拌頭C插入金屬材料A且不接觸樹(shù)脂基復(fù)合材料B的表面，在工具攪拌頭C產(chǎn)生的摩擦熱和工具軸肩D下壓壓力共同作用下，實(shí)現(xiàn)金屬材料A與樹(shù)脂基復(fù)合材料B之間的直接連接。其中攪拌頭直徑2.0mm，工具軸肩的直徑為20mm。步驟三：設(shè)定攪拌摩擦焊接的工藝參數(shù)，工具轉(zhuǎn)速為1000rpm，工具前進(jìn)時(shí)傾斜角為0°，攪拌頭插入保持時(shí)間為5秒；通過(guò)數(shù)控機(jī)床輸入運(yùn)轉(zhuǎn)指令，自動(dòng)完成兩種材料之間的搭接點(diǎn)焊；焊接完成后進(jìn)行充分的冷卻，即得到金屬材料/樹(shù)脂材料的連接件。實(shí)施方案二：設(shè)定工具轉(zhuǎn)速為2000rpm，焊接速度為100mm/min，工具前進(jìn)時(shí)傾斜角為2°，攪拌頭插入保持時(shí)間為5秒，其他與實(shí)施方案一相同。通過(guò)數(shù)控機(jī)床輸入運(yùn)轉(zhuǎn)指令，自動(dòng)完成兩種材料之間的線性搭接焊；焊接完成后進(jìn)行充分的冷卻，即得到金屬材料/樹(shù)脂材料的連接件。實(shí)施方案三：設(shè)定工具轉(zhuǎn)速為4000rpm，焊接速度為1000mm/min，工具前進(jìn)時(shí)傾斜角為2°，攪拌頭插入保持時(shí)間為2秒，其他與實(shí)施方案二相同。通過(guò)數(shù)控機(jī)床輸入運(yùn)轉(zhuǎn)指令，自動(dòng)完成兩種材料之間的線性搭接焊；焊接完成后進(jìn)行充分的冷卻，即得到金屬材料/樹(shù)脂材料的連接件。實(shí)施方案四：設(shè)定工具轉(zhuǎn)速為2000rpm，焊接速度為100mm/min，工具前進(jìn)時(shí)傾斜角為2°，攪拌頭插入保持時(shí)間為5秒，其他與實(shí)施方案二相同。通過(guò)數(shù)控機(jī)床輸入運(yùn)轉(zhuǎn)指令，自動(dòng)完成兩種材料之間的環(huán)狀搭接焊；焊接完成后進(jìn)行充分的冷卻，即得到金屬材料/樹(shù)脂材料的連接件。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3