[发明专利]针对钛合金/超高分子量聚乙烯搭接摩擦点焊的方法与装置有效

专利信息
申请号: 201910223323.X 申请日: 2019-03-22
公开(公告)号: CN109834383B 公开(公告)日: 2020-11-10
发明(设计)人: 蒋沐阳;陈科;单爱党;张善勇;杨驰 申请(专利权)人: 上海交通大学;上海交通大学医学院附属第九人民医院
主分类号: B23K20/12 分类号: B23K20/12
代理公司: 上海科盛知识产权代理有限公司 31225 代理人: 蒋亮珠
地址: 200030 *** 国省代码: 上海;31
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摘要:
搜索关键词: 针对 钛合金 超高 分子量 聚乙烯 摩擦 点焊 方法 装置
【说明书】:

本发明涉及针对钛合金/超高分子量聚乙烯搭接摩擦点焊的方法与装置,包括以下步骤:(1)使钛合金与超高分子量聚乙烯搭接接触,使用装夹装置固定于工作台上;(2)预先加热搭接区域,使超高分子量聚乙烯块体材料软化;(3)通过旋转工具下压金属表面,使旋转工具与金属表面摩擦生热,控制旋转工具转速为500转/分~4000转/分之间,下压速度为0.5mm/min~6mm/min之间,并控制连接过程的界面处最高温度为230℃~400℃,使钛合金与超高分子量聚乙烯连接。装置由旋转工具、装夹工具、工作台主体、热电偶与测温装置、压力传感器组成,与现有技术相比,本发明设计简易轻便,有效可靠,能够满足钛合金/超高分子量聚乙烯之间较高强度与连接质量的接头制备。

技术领域

本发明涉及异种材料的焊接,尤其是涉及一种针对钛合金/超高分子量聚乙烯搭接摩擦点焊的方法与装置。

背景技术

金属与高分子的复合联用在汽车工业、航空航天、生物医药等领域都有较大的需求。但较大的力学、热学、化学性质的差异使金属/高分子连接具有较高的难度。粘接、机械连接与新型焊接工艺是常见的金属/高分子材料的连接工艺。

机械连接虽然成本较低、拆装方便,但接头容易发生应力集中、连接松弛、残余应力较大等问题,同时,铆钉的使用也会增加整体结构的重量与成本。粘接能在不破坏材料表面结构的条件下实现连接,适用于金属/高分子连接面积大的情况,然而其存在高温、潮湿、酸蚀等较极端环境下的使用寿命短、连接前后需要进行工艺复杂且耗时长的表面处理与固化工艺、接头强度波动大这些主要问题。目前主要应用的新型焊接工艺包括激光焊接、超声波焊接、感应焊接与搅拌摩擦焊接。这几种焊接方式的连接原理都是加热金属/高分子连接界面后使高分子熔融并与金属表面形成宏观咬合与微观键合,实现高强度连接。然而,激光焊接界面温度过高(~1000℃),容易使高分子过热降解产生气泡,影响接头连接强度;超声波焊仅适用于薄板焊接,无法连接较厚构件;感应焊对金属/高分子构建形貌与尺寸有严格限制。相对其他焊接方式,搅拌摩擦焊具有热输入量平缓、工艺灵活的优点,对构建形状与尺寸均没有较大限制。

此外,目前的金属/高分子连接研究多使用带极性基团的高分子(主要为羧基与氨基),极性基团与金属表面容易成键形成高强度连接。而非极性高分子(聚乙烯、聚醚醚酮等)与金属之间的连接难以得到高强度连接,研究较少。

公布号为CN103391828A的专利公开了一种金属构件与塑料构件的连接方法,其使用旋转工具在金属表面通过摩擦能加热连接金属/高分子材料。该方法使用带搅拌针的旋转工具,限制旋转工具轴线相对金属构件表面的法线倾斜角θ满足0°θ≤5°,且旋转工具直径D需为金属构件厚度t的5至20倍之间,具有局限性。其使用阳极氧化等方法处理金属表面,工艺具有一定复杂性。

申请人于2016年公布的专利(公布号CN105619779A)公开了一种钛合金与超高分子量聚乙烯的连接方法和接头及其应用。在该方法中,使钛合金与超高分子量聚乙烯接触并使用旋转工具下压钛合金表面产生热量,传导至钛合金/超高分子量聚乙烯界面处,实现材料间的连接。同时,在该方法中可以使用三维打印技术处理钛合金使其具有粗糙表面,促进其与超高分子量聚乙烯的连接。该方法的确实现了钛合金与超高分子量的连接,但是效果并不好,主要原因在于连接过程的界面温度较低,仅高于超高分子量聚乙烯的熔融温度(136℃)。虽然超高分子量聚乙烯在此温度下呈现出熔融状态,但是其熔融流动能力极差,无法实现与钛合金的有效连接。同时,没有有效地控制连接过程的温度与下压力,成品率太低。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种改进的、有效的、连接质量控制精确的、工艺简便的、提供连接温度与下压力实时监测的针对钛合金/超高分子量聚乙烯搭接摩擦点焊的方法与装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:针对钛合金/超高分子量聚乙烯搭接摩擦点焊的方法,其特征在于,包括以下步骤:

(1)使钛合金与超高分子量聚乙烯搭接接触,使用装夹装置固定于工作台上;

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