[发明专利]一种用于热塑复合材料的多线圈感应焊接装置及方法

说明书

本发明公开了一种用于热塑复合材料的多线圈感应焊接装置及方法：包括控制中心，监测与反馈系统，感应焊接系统，线圈位置调节系统，线圈姿态调节系统。其中，控制中心用来根据输入和监测信息给出命令，监测反馈系统用于实时测量连接件表面温度场分布并反馈给控制中心；线圈位置调节系统用于实时调节多线圈空间分布；线圈姿态调节系统用于实时控制多线圈位姿状态。本发明可以实现实时热场监测下目标交变耦合磁场在数量、强度、空间位置及自身姿态的自适应动态调控，获得焊接过程较大范围内温度场的均匀分布；显著抑制接头界面缺陷，减小焊接构件变形，提升焊接过程稳定性和连接接头质量，大大提高焊接效率；本发明可以实现大尺寸复杂曲面的热塑复合材料件的高质高效焊接。

领域：

本发明属于激光连接领域，特别涉及一种用于热塑复合材料的多线圈感应焊接装置及方法。

背景技术：

热塑复合材料具有可焊性、可修复、比强度高、冲击韧性好和耐腐蚀性能佳等优越性质，在先进航空航天飞行器制造领域有广泛的应用前景。相比于传统的热固复合材料，热塑复合材料具有成形周期短，可修复和可回收等重要优势，已经成为飞行器制造领域的重要发展方向。热塑复合材料的高效高质连接是实现飞行器轻量化、高性能和高可靠的重要保障。目前，热塑复合材料的连接技术主要有电阻焊接、感应焊接和搅拌摩擦连接。感应焊接是指利用交变电流产生的交变磁场，在热塑复合材料件中间的感应元件内部产生感应电流，进而产热熔化树脂基体，在压力的作用下最终实现复合材料构件的紧密连接。感应焊接技术是一种极为适合连接热塑复合材料的方法，具有效率高，精度高，易于实现自动化和非接触等优点，在飞行器复合材料构件制造领域有广阔的应用前景。此外，由于热塑性复合材料的热塑基体对温度具有敏感性，并且其熔点和热分解温度相对较低，过高的温度易导致基体树脂发生分解，在连接接头内部产生缺陷继而影响接头性能。由此，控制感应焊接过程的温度处于目标调控状态是实现热塑复合材料高质量感应焊接构件的重要保障。

受到实际工艺过程中感应元件形状及磁热效应的限制，感应焊接过程产生的极不均匀的交变磁场导致了目标焊接面上热量不均匀分布。同时，热塑复合材料的热分解温度低，过高的温度会降低接头性能，由此使得常规热塑复合材料感应焊接产热区域难以扩大，往往只局限于小区域定点焊接。当下，先进飞行器结构的飞速发展对大尺寸复杂曲面热塑复合材料构件的制造提出了迫切需求。然而现有热塑复合材料感应焊接设备产热不均匀，可焊接区域小，难以适应热塑复合材料制造设计尺寸日益增大的发展趋势。此外，对于应用愈来愈广泛的复杂曲面热塑复合材料构件，现有感应焊接设备无法实现焊接。由此，现有感应焊接设备和方法产热区域小、产热极不均匀且不能适应复杂曲面的连接，其局限性极大程度上限制了热塑复合材料在飞行器制造领域的发展，尤其对于大尺寸复杂曲面的热塑复合材料构件，现有感应焊接设备无法实现连接。

发明内容：

针对现有技术存在的需求及问题，本发明提供一种用于热塑复合材料的多线圈感应焊接装置，可依据输入的温度阈值、构件形状尺寸、感应焊接参数及温度场分布特征，结合实时测量温度分布特征，自适应动态调节多个盘式感应线圈在空间位置分布特征及自身姿态上的分布特征，同时动态调整感应焊接电流。实现目标交变耦合磁场在数量、强度、空间分布及耦合形式上的高度柔性化自适应调节。本发明首先扩大了感应焊接产热区域，大大提高了感应焊接效率；其次，实现了较大尺寸范围内温度场的均匀化实时调控，使得焊接界面树脂充分熔化并不发生热分解，降低连接界面未熔合和气孔缺陷，减小焊后构件变形，并显著提升焊接过程稳定性及焊接接头质量。此外，该方法和装置通过调整线圈位置和姿态，对复杂曲面热塑复合材料构件的连接有极好的适应性。最终实现较大尺寸复杂曲面的热塑复合材料件的高质高效感应焊接，这些都是传统感应焊接设备所难以实现的。

本发明通过下述技术方案实现：一种用于热塑复合材料的多线圈感应焊接装置，包括控制中心，监测与反馈系统，感应焊接系统，线圈位置调节系统，线圈姿态调节系统；