[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

说明书

本发明公开了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；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。焊前规划系统根据输入的焊接信息，规划热压机的加热温度、施加压力和焊接时间；热压焊接系统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；监测与反馈系统监测热塑性复合材料与轻质合金的界面温度和焊接件的变形程度，控制界面温度始终处于规划区间内，防止变形量超过设定值。本发明能够提供可控的热量和压力，满足不同的焊接需求，实时监测和调控焊接过程中的界面温度和变形程度，有效抑制气孔缺陷的形成，确保获得高质量的焊接接头。

技术领域

本发明属于热塑性复合材料与轻质合金焊接领域，特别涉及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。

背景技术

复合材料是一种具有比强度高、耐高温、耐腐蚀、抗疲劳等优点的工程材料，其在民用飞机上的用量是飞机先进性的重要标志。同热固性复合材料相比，热塑性复合材料凭借其高比强度、高比模量、韧性好、成型周期短、可回收、可焊接等优点，在航空航天领域受到广泛关注，并被逐步扩大应用于飞机机身结构件中。轻质合金作为航空航天制造领域最重要的主承力结构材料，不可避免地需要与热塑性复合材料构件进行连接。

针对热塑性复合材料与轻质合金之间的异质连接技术，目前工艺发展较为成熟、应用较多的主要包括机械连接、胶接和热连接技术。但机械连接技术会影响碳纤维复合材料结构的使用性能，胶接技术操作工序复杂、生产周期较长、对环境不友好。基于热塑性树脂可二次熔融成型的特性，多种热连接方法相继涌现，其中热压焊接技术以其热输入可控性、绿色环保、易于实现自动化等特点，在解决热塑性复合材料与轻质合金的连接问题上极具发展潜力。相较于其他热连接方法，热压焊接效率较高，并且能够提供相对稳定均匀的热量和压力，从而获得强度较高的焊接接头。但对于热塑性复合材料和轻质合金这两种异质材料之间的连接，由于多界面传热传质行为与聚合物复杂的热流变行为，热压焊接的施加压力与两材料之间的界面温度难以控制，从而严重影响焊接质量与连接件的稳定性，限制了热压焊接技术在热塑性复合材料与轻质合金焊接领域的发展，因此亟待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。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供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，能够提供可控的热量和压力，满足不同的焊接需求，实时控制热塑性复合材料与轻质合金焊接过程中的界面温度、变形程度处于合理范围内，有效抑制气孔缺陷的形成，从而获得高质量的焊接接头。

本发明通过下述技术方案实现：

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，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。其中，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；

所述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。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；