[发明专利]一种碳纤维/聚芳醚酮复合材料层板的感应焊接系统与焊接方法

说明书

本发明公开了一种碳纤维/聚芳醚酮复合材料层板的感应焊接系统与焊接方法，该系统包括加热系统、冷却系统、压力系统、测温系统和工装。其中，加热系统为焊接面提供树脂熔融所需热量；冷却系统用以防止焊接区端部过热；压力系统包括超高温真空袋和真空泵，以真空压力的形式将力传递至焊接区域进行压实；工装包括限位装置和二维水平仪，保证焊接区域的位置准确性和均匀性。焊接时，复合材料层板和感应元件固定于工装中指定位置，压力系统作用于待焊接区，冷却气路固定于气路限位，氮化铝陶瓷散热片粘贴于层板端部。在温度和压力的作用下，树脂产生熔融流动，感应元件与层板表面紧密的粘接在一起，最终得到质量合格的焊接接头。

技术领域

本发明涉及热塑性复合材料焊接技术领域，更具体地说，是指一种用于碳纤维/聚芳醚酮复合材料层板的感应焊接系统及其焊接方法。

背景技术

由于飞行器制件的结构复杂性和制件尺寸的局限性，制备热塑性复合材料结构件时需要运用到材料连接技术。材料连接方式直接影响了制件的力学性能、制造成本以及整体重量。传统的材料连接方式，如机械连接易产生应力集中、不利于轻量化，而胶接对待胶接表面质量要求高、连接强度低，热塑性复合材料的感应焊接技术作为一种重要的焊接类型，具有快速、连接强度高、增重小、可重复焊接、工艺简单等优点。感应焊接的原理基于感应加热，在焊接区粘合表面之间放置导电的感应元件，当施加高频交变电流时，感应线圈会激发磁场，感应元件在磁场中会产生涡流，因磁滞效应而产生热量。当感应元件产生的能量超过热损耗时，焊接区温度上升，当焊接区的温度升高到聚合物的玻璃化温度或熔点时，聚合物分子具有一定的运动能力，在一定的压力下焊接表面之间紧密接触，两个粘合表面的聚合物分子相互扩散，停止施加高频交变电流后冷却，焊接区域硬化形成焊接接头，感应元件留在接头中。

在焊接过程中，为了保证焊接质量，对功率密度、焊接压强、感应元件类型的选择和优化非常重要。碳纤维/聚芳醚酮(如碳纤维/聚醚醚酮、碳纤维/聚醚酮酮)复合材料层板属于力学性能最高等级的热塑性复合材料，在航空航天结构上已有重要应用。由于聚芳醚酮的熔点较高，因此其焊接质量较难控制，在感应焊接的过程中易产生层板中的纤维滑移和加热不均匀等问题。因此，亟需建立一套感应焊接装置及方法，对该类热塑性复合材料制件进行高效、高质量地焊接，促进感应焊接技术在大型结构中的应用。

为此，本发明的目的是提供一种碳纤维/聚芳醚酮复合材料层板的感应焊接系统，可以实现焊接过程感应线圈与待焊接层板的非接触，进而为焊接复杂表面的结构制件提供了可能。同时建立以金属网、铜箔和聚醚醚酮树脂膜为原料的感应元件制备方法，并制备出碳纤维/聚芳醚酮焊接件。

发明内容

为实现本发明的上述目的，具体的技术方案如下。

一种碳纤维/聚芳醚酮复合材料层板的感应焊接系统，所述系统包括加热系统、冷却系统、测温系统、工装。其中所述加热系统包括高频感应加热电源、工业冷水机、感应线圈和感应元件，冷却系统包括气冷装置中的空气压缩机、调压阀、三通气路接头、排气管、气体喷嘴和氮化铝陶瓷散热片，压力系统包括超高温真空袋和真空泵，测温系统包括巡检仪和红外热成像仪，工装包括限位装置和二维水平仪。

进一步，所述加热系统包括高频感应加热电源、工业冷水机、感应线圈和感应元件，所述工业冷水机与高频感应加热电源相连接，为高频感应加热电源提供冷却循环水，高频感应加热电源上通有两个第一螺孔，感应线圈通过所述两个第一螺孔与高频感应加热电源连接，冷却循环水在所述工业冷水机、高频感应加热电源和感应线圈中循环，为整个加热系统冷却。感应元件与感应线圈保持一定的耦合距离，感应线圈在高频感应加热电源通电后产生高频交变磁场，使感应元件产生感应电流，感应元件因涡流效应产生热量，使树脂温度达到熔点，在压力的配合下实现焊接。

可选的，所述感应线圈的匝数为2～6匝，直径为2～5mm，长度为25～60mm，优选了4匝的螺旋线圈，直径为2.5mm，长度为44mm的紫铜管感应线圈。

可选的，高频感应加热电源采用恒流输出模式，输出频率范围为100～500kHz，优选了225kHz作为电源输出频率。