[发明专利]一种用于热塑性复合材料与轻质合金搭接结构的热压焊接设备及方法

权利要求书

1.一种用于热塑性复合材料与轻质合金搭接结构的热压焊接设备，其特征在于：包括控制系统、六轴机器人、焊前规划系统、热压焊接系统、监测与反馈系统、热压焊接工作台；

所述控制系统连接六轴机器人、焊前规划系统、热压焊接系统、监测与反馈系统，包括：计算机、伺服电机、步进电机、变压器；

焊前规划系统用于对输入的焊接信息进行分析，基于热压焊接试验的累积数据与有限元仿真的温度分布情况，根据设定的界面温度区间和变形量上限值，规划热压机的加热温度、施加压力和焊接时间，最后将规划后的焊接工艺参数传输给计算机；

热压焊接系统用于对热塑性复合材料与轻质合金搭接结构在热压焊接时间内的加热温度与施加压力进行控制，包括：热压机、冷却液瓶；

监测与反馈系统用于监测热塑性复合材料与轻质合金的界面温度，以及焊接件的变形程度，并将测量信息实时传输给计算机，计算机根据信息做出相应的反馈，包括：红外测温仪、激光位移传感器、滑块底座、导轨。

2.根据权利要求1所述的一种用于热塑性复合材料与轻质合金搭接结构的热压焊接设备，其特征在于：所述热塑性复合材料与轻质合金搭接结构的热压焊接选用的材料是碳纤维增强热塑性复合材料(CFRTP)，碳纤维可为短纤维或连续碳纤维，树脂基体可为聚酰胺、聚苯硫醚、醚酰亚胺、聚醚醚酮、聚醚酮酮等，轻质合金搭接区域表面可采用激光刻蚀沟槽，界面熔融树脂填入沟槽中，产生一定的锚固效应，从而提高接头强度。

3.根据权利要求1所述一种用于热塑性复合材料与轻质合金搭接结构的热压焊接设备，其特征在于：所述控制系统中，计算机控制冷却液瓶输出冷却液，计算机控制伺服电机驱动六轴机器人，步进电机依据计算机的命令控制热压机，伺服电机、步进电机、变压器集成于同一电机控制柜中。

4.根据权利要求1所述一种用于热塑性复合材料与轻质合金搭接结构的热压焊接设备，其特征在于：所述焊前规划系统中，需要输入的焊接信息包括焊接件尺寸、搭接区域尺寸、金属材料类型、碳纤维增强类型、树脂基体类型等，界面温度区间设定下限为树脂基体的熔化温度，设定上限为树脂基体的热分解温度，确保热塑性复合材料与轻质合金接触界面处树脂熔化，而不发生热分解反应产生气泡。

5.根据权利要求1所述一种用于热塑性复合材料与轻质合金搭接结构的热压焊接设备，其特征在于：所述热压焊接系统中，热压机包括调压装置、升降柱、冷却管、热压压头、温度传感器、压力传感器，调压装置由步进电机进行驱动，并且内置压力传感器，通过控制升降柱的升降来调整施加压力，冷却管铺设在热压压头上，输入冷却液后可对热压压头进行冷却降温，温度传感器固定在热压压头上，测量热压压头的实际加热温度，压力传感器分别固定在热压压头两侧，测量端与热压压头底端在同一水平面上，测量热压机的实际施加压力，并确保焊接件受压平均，该热压机的加热温度与施加压力独立调控、互不影响，热压压头采用钛合金压头，能够确保温度平均分布，且升温快速、使用寿命长。

6.根据权利要求1所述一种用于热塑性复合材料与轻质合金搭接结构的热压焊接设备，其特征在于：所述热压焊接系统中，热压机采用脉冲热压机，运用变压器产生低电压的大电流，通过热压压头令其可迅速发热升至规划的加热温度，也可通过改变电流的脉冲比例调控热压压头的升温速率，热量以热传导的方式从轻质合金上表面传递至轻质合金与热塑性复合材料的界面结合区域，热塑性复合材料的表层树脂吸收热量熔化，在热压机的压力作用下熔融树脂填充界面间隙，与轻质合金表面充分接触并形成界面结合力，从而实现热塑性复合材料与轻质合金搭接结构的焊接。