本發(fā)明涉及熱塑性復(fù)合材料與輕質(zhì)合金異種材料連接，涉及一種熱塑性復(fù)合材料與輕質(zhì)合金的流鉆熱熔螺接工藝，特別涉及采用流鉆熱熔螺接工藝實(shí)現(xiàn)熱塑性復(fù)合材料與輕質(zhì)合金材料的復(fù)合增強(qiáng)連接的方法。

背景技術(shù)：

1、復(fù)合材料和輕質(zhì)合金是航空航天工業(yè)輕量化制造的關(guān)鍵材料，復(fù)合材料/輕合金異質(zhì)結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到結(jié)構(gòu)性能要求和輕量化設(shè)計(jì)的雙重技術(shù)指標(biāo)。此外，異種材料的應(yīng)用也推動(dòng)了材料科學(xué)和工藝技術(shù)的發(fā)展，為航空航天領(lǐng)域提供更先進(jìn)、可靠的解決方案。

2、現(xiàn)階段復(fù)合材料與輕合金的連接方式主要有三種：機(jī)械連接、膠接和熔焊連接。機(jī)械連接通常需要引入緊固件，并在零件上預(yù)制孔洞，導(dǎo)致連接處存在應(yīng)力集中；膠接工藝雖然相對(duì)成熟，但其工藝周期較長，接頭抗沖擊、疲勞、耐濕熱等性能存在的不足；熔焊連接由于金屬和非金屬材料的熔點(diǎn)差異、熱膨脹系數(shù)差異等客觀因素，難以形成高質(zhì)量的連接界面，而且焊接結(jié)構(gòu)易在服役階段發(fā)生失效。

3、復(fù)合材料和金屬材料具有不同的物理和化學(xué)性質(zhì)，如熱膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率等，這種不匹配性導(dǎo)致連接界面的熱應(yīng)力和熱應(yīng)變?cè)黾印４送?，由于?fù)合材料的結(jié)構(gòu)復(fù)雜且不均勻，連接接觸面積有限，難以實(shí)現(xiàn)牢固的連接。

4、因此，開發(fā)一種連接界面的強(qiáng)度高且穩(wěn)定性好的復(fù)合材料與輕質(zhì)合金的連接方法極具現(xiàn)實(shí)意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、由于現(xiàn)有技術(shù)存在上述缺陷，本發(fā)明提供了一種連接界面的強(qiáng)度高且穩(wěn)定性好的復(fù)合材料與輕質(zhì)合金的連接方法，具體為一種熱塑性復(fù)合材料與輕質(zhì)合金的流鉆熱熔螺接工藝，利用流鉆螺釘?shù)男D(zhuǎn)摩擦獲得固相熔接效應(yīng)，同時(shí)保留傳統(tǒng)流鉆自攻螺接的螺紋連接特性，實(shí)現(xiàn)熱塑性復(fù)合材料與輕質(zhì)合金機(jī)械連接+熔接的復(fù)合增強(qiáng)連接形式，提高連接的強(qiáng)度和板材連接密封性，確保連接的穩(wěn)定性和持久性，其克服現(xiàn)有復(fù)合材料和金屬材料連接方法連接界面的強(qiáng)度較差且穩(wěn)定性較差的問題。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案：

3、一種熱塑性復(fù)合材料與輕質(zhì)合金的流鉆熱熔螺接工藝，將熱塑性復(fù)合材料板和輕質(zhì)合金板以熱塑性復(fù)合材料板在上、輕質(zhì)合金板在下的形式搭接后固定，以流鉆自攻螺釘作為連接介質(zhì)利用流鉆設(shè)備進(jìn)行流鉆熱熔螺接，流鉆鉆孔階段的旋轉(zhuǎn)速度為6000~8000r/min，下壓力為0.4~0.8kn，流鉆鉆孔階段工藝時(shí)間為5~20s。

4、通過調(diào)整流鉆鉆孔階段的工藝參數(shù)，增加流鉆鉆孔階段工藝時(shí)間，增加產(chǎn)熱量，同時(shí)從開始一直持續(xù)到連接過程結(jié)束一直施加螺釘轉(zhuǎn)速及下壓力以持續(xù)產(chǎn)熱，螺釘?shù)男D(zhuǎn)及進(jìn)給運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)了熔融態(tài)的熱塑性復(fù)合材料的流動(dòng)性，增強(qiáng)了螺紋成型質(zhì)量及疊層界面連接質(zhì)量。旋轉(zhuǎn)速度、下壓力和流鉆時(shí)間對(duì)接頭連接質(zhì)量具有關(guān)鍵影響，旋轉(zhuǎn)速度過慢會(huì)導(dǎo)致摩擦熱量不足，熔合區(qū)成形不完整，連接強(qiáng)度不足；而旋轉(zhuǎn)速度過快則可能引起材料過熱、螺紋成型質(zhì)量下降甚至接頭強(qiáng)度降低；下壓力過大容易導(dǎo)致材料擠出變形或損傷，過小則無法形成穩(wěn)定連接，導(dǎo)致接頭松散或失?。涣縻@時(shí)間過長會(huì)導(dǎo)致材料局部過熱，熔合區(qū)不均勻；時(shí)間過短則可能因材料未充分軟化流動(dòng)而影響連接質(zhì)量。因此，需優(yōu)化旋轉(zhuǎn)速度、下壓力和流鉆時(shí)間的協(xié)同調(diào)控，以確保螺紋成型質(zhì)量及界面連接強(qiáng)度。

5、本發(fā)明的熱塑性復(fù)合材料與輕質(zhì)合金的流鉆熱熔螺接工藝，相比于現(xiàn)有的熱熔自攻螺接工藝，其主要是通過流鉆產(chǎn)生的熱量熔化熱塑性復(fù)合材料，使得其作為熔接介質(zhì)，而后在流鉆自攻螺釘、熱塑性復(fù)合材料板及輕質(zhì)合金板之間固化，形成熱塑性復(fù)合材料板與輕質(zhì)合金板通過固態(tài)熔接配合機(jī)械螺紋連接固定的形式，提到了熱塑性復(fù)合材料板與輕質(zhì)合金板的結(jié)合牢度，熔接的熱塑性復(fù)合材料能夠?qū)α縻@自攻螺釘穿孔位置進(jìn)行密封，相比于傳統(tǒng)工藝，其大大提升了密封性，保證了接頭完整性，為異種材料連接的優(yōu)質(zhì)高強(qiáng)性能提升、耐高周疲勞和密封性的增強(qiáng)提供技術(shù)支撐，滿足航空航天、軍工設(shè)備對(duì)高性能連接的需求，極具應(yīng)用前景。

6、作為優(yōu)選的技術(shù)方案：

7、如上所述的一種熱塑性復(fù)合材料與輕質(zhì)合金的流鉆熱熔螺接工藝，所述熱塑性復(fù)合材料板的厚度為1~3mm；所述輕質(zhì)合金板的厚度為1~3mm。熱塑性復(fù)合材料板過厚可能導(dǎo)致螺桿無法穿透且熔合區(qū)不完全成形，而過薄則容易在高溫高壓下變形或損壞，影響接頭強(qiáng)度和穩(wěn)定性；輕質(zhì)合金板過厚會(huì)增加加工難度和能耗，導(dǎo)致螺紋成型不完整，而過薄則容易變形或被螺桿穿透，破壞接頭的密封性和強(qiáng)度。

8、如上所述的一種熱塑性復(fù)合材料與輕質(zhì)合金的流鉆熱熔螺接工藝，在搭接熱塑性復(fù)合材料板和輕質(zhì)合金板前，對(duì)熱塑性復(fù)合材料板和輕質(zhì)合金板的表面進(jìn)行清潔，去除油污、灰塵等，確保良好的接觸。

9、如上所述的一種熱塑性復(fù)合材料與輕質(zhì)合金的流鉆熱熔螺接工藝，所述固定是指利用卡具將搭接后的熱塑性復(fù)合材料板和輕質(zhì)合金板固定的。

10、如上所述的一種熱塑性復(fù)合材料與輕質(zhì)合金的流鉆熱熔螺接工藝，所述流鉆熱熔螺接后待接頭冷卻即實(shí)現(xiàn)了熱塑性復(fù)合材料板與輕質(zhì)合金板的流鉆熱熔螺接。

11、如上所述的一種熱塑性復(fù)合材料與輕質(zhì)合金的流鉆熱熔螺接工藝，所述接頭冷卻的時(shí)間不短于1min。

12、如上所述的一種熱塑性復(fù)合材料與輕質(zhì)合金的流鉆熱熔螺接工藝，所述熱塑性復(fù)合材料的基體材料為聚苯硫醚（pps），以增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料與輕質(zhì)合金材料的連接質(zhì)量及疊層界面材料結(jié)合能力。

13、如上所述的一種熱塑性復(fù)合材料與輕質(zhì)合金的流鉆熱熔螺接工藝，所述熱塑性復(fù)合材料為碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料或玻璃纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料。當(dāng)然可根據(jù)材料的不同性質(zhì)及厚度選取具體的工藝參數(shù)值以滿足實(shí)際需要。

14、以上技術(shù)方案僅為本發(fā)明的一種可行的技術(shù)方案而已，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅限于此，本領(lǐng)域技術(shù)人員可根據(jù)實(shí)際需求合理調(diào)整具體設(shè)計(jì)。

15、上述發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)或者有益效果：

16、（1）本發(fā)明的熱塑性復(fù)合材料與輕質(zhì)合金的流鉆熱熔螺接工藝，能夠?qū)崿F(xiàn)熱塑性復(fù)合材料與輕質(zhì)合金材料的連接，尤其可以實(shí)現(xiàn)熱塑性復(fù)合材料在上輕質(zhì)合金在下的搭接式穩(wěn)定連接；

17、（2）本發(fā)明的熱塑性復(fù)合材料與輕質(zhì)合金的流鉆熱熔螺接工藝，可以提高異種材料連接的強(qiáng)度和可靠性，流鉆熱熔螺接方式通過鉆孔和自攻螺紋的組合，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合材料和金屬材料機(jī)械連接+固態(tài)熔接的復(fù)合連接形式，板材之間形成緊密的連接，減少松動(dòng)和脫落的風(fēng)險(xiǎn)，密封性好且連接強(qiáng)度高；

18、（3）本發(fā)明的熱塑性復(fù)合材料與輕質(zhì)合金的流鉆熱熔螺接工藝，無需預(yù)制孔，不需要額外的連接部件和復(fù)雜的工藝，能夠簡(jiǎn)化制造流程，減少工時(shí)和成本，具有簡(jiǎn)單、快速和經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用前景好。

技術(shù)特征：

1.一種熱塑性復(fù)合材料與輕質(zhì)合金的流鉆熱熔螺接工藝，其特征在于，將熱塑性復(fù)合材料板和輕質(zhì)合金板以熱塑性復(fù)合材料板在上、輕質(zhì)合金板在下的形式搭接后固定，以流鉆自攻螺釘作為連接介質(zhì)利用流鉆設(shè)備進(jìn)行流鉆熱熔螺接，流鉆鉆孔階段的旋轉(zhuǎn)速度為6000~8000r/min，下壓力為0.4~0.8kn，流鉆鉆孔階段工藝時(shí)間為5~20s。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種熱塑性復(fù)合材料與輕質(zhì)合金的流鉆熱熔螺接工藝，其特征在于，所述熱塑性復(fù)合材料板的厚度為1~3mm；所述輕質(zhì)合金板的厚度為1~3mm。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種熱塑性復(fù)合材料與輕質(zhì)合金的流鉆熱熔螺接工藝，其特征在于，在搭接熱塑性復(fù)合材料板和輕質(zhì)合金板前，對(duì)熱塑性復(fù)合材料板和輕質(zhì)合金板的表面進(jìn)行清潔。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種熱塑性復(fù)合材料與輕質(zhì)合金的流鉆熱熔螺接工藝，其特征在于，所述固定是指利用卡具將搭接后的熱塑性復(fù)合材料板和輕質(zhì)合金板固定的。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種熱塑性復(fù)合材料與輕質(zhì)合金的流鉆熱熔螺接工藝，其特征在于，所述流鉆熱熔螺接后待接頭冷卻即實(shí)現(xiàn)了熱塑性復(fù)合材料板與輕質(zhì)合金板的流鉆熱熔螺接。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種熱塑性復(fù)合材料與輕質(zhì)合金的流鉆熱熔螺接工藝，其特征在于，所述接頭冷卻的時(shí)間不短于1min。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種熱塑性復(fù)合材料與輕質(zhì)合金的流鉆熱熔螺接工藝，其特征在于，所述熱塑性復(fù)合材料的基體材料為聚苯硫醚。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種熱塑性復(fù)合材料與輕質(zhì)合金的流鉆熱熔螺接工藝，其特征在于，所述熱塑性復(fù)合材料為碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料或玻璃纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種熱塑性復(fù)合材料與輕質(zhì)合金的流鉆熱熔螺接工藝，具體為：將熱塑性復(fù)合材料板和輕質(zhì)合金板以熱塑性復(fù)合材料板在上、輕質(zhì)合金板在下的形式搭接后固定，以流鉆自攻螺釘作為連接介質(zhì)利用流鉆設(shè)備進(jìn)行流鉆熱熔螺接，流鉆鉆孔階段的旋轉(zhuǎn)速度為6000~8000r/min，下壓力為0.4~0.8kN，流鉆鉆孔階段工藝時(shí)間為5~20s。本發(fā)明的熱塑性復(fù)合材料與輕質(zhì)合金的流鉆熱熔螺接工藝，其依托流鉆自攻螺釘在連接過程中的熱力效應(yīng)增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料與輕合金的材料流動(dòng)在材料疊層界面處形成熔融層效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料/輕質(zhì)合金的機(jī)械連接+熔接的增強(qiáng)復(fù)合連接效應(yīng)，適用性高、操作簡(jiǎn)單、密封性好且連接牢度好，應(yīng)用前景好。

技術(shù)研發(fā)人員：劉海江,葛星
受保護(hù)的技術(shù)使用者：同濟(jì)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/28