[发明专利]碳纤维复合材料和铝合金材料无铆冲压振动连接方法及其模具

权利要求书

1.一种碳纤维复合材料和铝合金材料无铆冲压振动连接方法，其特征在于：其具体包括以下步骤：

S1、连接前，进行连接件材料的预铺放：

连接件包括铺放于底层的碳纤维复合板、铺放于顶层的铝合金板材和中间层的夹层结构，所述夹层结构包括6层碳纤维预浸料铺层和纳米级铝粉层，自上而下依次为：纳米级铝粉层、0°铺放的碳纤维预浸料铺层、纳米级铝粉层、90°铺放的碳纤维预浸料铺层、0°铺放的碳纤维预浸料铺层、90°铺放的碳纤维预浸料铺层、0°铺放的碳纤维预浸料铺层和90°铺放的碳纤维预浸料铺层；

碳纤维预浸料铺层的铺设方式为水平面的非对称正交铺层,其为双稳态复合材料结构，具有双稳态特性的同时能使其夹层结构呈现稳定而规则的两种不同稳定状态，保证材料在冲压连接过程中，与金属材料变形保持同步，并使变形结束后的结合点保持稳定，既避免层数过少导致的树脂含量较低进而影响夹层结构连接性能，又减小因夹层结构过厚导致的连接结构不稳定，同时满足连接点在正交方向承受较大应力时可保持稳定状态；

模具的凹模固定于下模的中部，连接件放置于凹模和下模的上表面，压边圈压住连接件，所述压边圈的中部为上模冲头；

S2、预加热并保温：

将下模加热棒与交流电源接通，对下模和连接件进行加热，当加热温度达到连接件的夹层结构的碳纤维预浸料铺层的固化温度且能最大程度软化碳纤维复合板时，切断交流电源，并保温；

将上模加热棒与交流电源接通，对上模进行加热，当加热温度达到连接件的碳纤维复合板的失效温度前且能最大程度软化铝合金板材时，切断交流电源，保温；

S3、连接过程：

开启下模下方的超声波高频振动器，上模向下移动，上模冲头、压边圈和凹模的中轴线重合，上模冲头接触顶层的铝合金板材后继续向下移动，上模挤压所述连接件，所述连接件在所述凹模内变形，铝合金板材嵌入夹层结构中，夹层结构受压嵌入碳纤维复合板中，夹层结构的碳纤维预浸铺层受热软化，在固化温度下发生固化反应，使连接件的碳纤维复合板、铝合金板材和夹层结构发生机械互锁，成形完全后，上模向上移动离开连接件表面，去除压边圈，取出连接件，连接过程终止；

所述无铆冲压振动连接方法实现异种材料连接，通过增加中间的夹层结构，即连接层，实现板材的机械互锁；针对夹层结构喷涂纳米级铝粉，通过超声波高频振动器的振荡作用，利用夹层结构中碳纤维预浸料固化过程中树脂的流动性，促使铝粉在连接点处再分布，填充因板材变形产生的缝隙，同时因上模和下模的挤压作用，促使铝粉被树脂包裹进入铝合金表面微孔，增强板材连接强度，同时因铝粉与铝合金板材属同种材料，在铝合金与树脂之间构建媒介，实现接合。

2.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料和铝合金材料无铆冲压振动连接方法，其特征在于：所述上模加热棒为6x60mm功率100W模具单头电热管不锈钢220V干烧型加热棒，所述下模加热棒为8x100mm功率200W模具单头电热管不锈钢220V干烧型加热棒，所述上模加热棒和下模加热棒分别通过三相大功率可控硅电子调压器与交流电源连接。

3.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料和铝合金材料无铆冲压振动连接方法，其特征在于：所述上模的下表面、下模的上表面和凹模的上表面均光滑。

4.根据权利要求3所述的碳纤维复合材料和铝合金材料无铆冲压振动连接方法，其特征在于：所述下模能替换。

5.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料和铝合金材料无铆冲压振动连接方法，其特征在于：上模和下模独立控温，能调节为不同的温度。

6.一种实现权利要求1-5任一所述的碳纤维复合材料和铝合金材料无铆冲压振动连接方法的模具，其特征在于：其包括超声波高频振动器、下模、下模加热棒、凹模、上模、上模加热棒和压边圈，所述超声波高频振动器固定于所述下模的下方，所述凹模固定于所述下模的中部，所述下模加热棒插入所述下模的加热孔中，所述下模加热棒与交流电源连接，所述下模和凹模的上表面放置连接件，所述连接件上方为压边圈，所述压边圈的中部为上模的冲头，所述上模的冲头内部设有上模加热棒，所述上模加热棒与所述交流电源连接，所述上模加热棒、上模冲头和压边圈的中轴线重合。