[发明专利]一种基于3D打印感应元件的热塑性复合材料快速感应焊接装置和方法

说明书

本发明公开了一种基于3D打印感应元件的热塑性复合材料快速感应焊接装置和方法；该装置包括感应元件3D打印装置，感应焊接装置和控制系统。其中感应元件3D打印装置由树脂3D打印模块和增强料3D打印模块组成，主要包括运动机构、固定杆、上料器、位移传感器、喷头、加热块、温度传感器、冷风装置。该方法的主要步骤包括控制系统的设置和感应器的安装、感应元件3D打印制备以及热塑性复合材料感应焊接。本装置和方法实现了感应元件制备和感应焊接的高效协同配合，提高了热塑性复合材料感应焊接的生产效率，同时可以根据焊接件的材料、结构与尺寸针对性定制感应元件，改善了感应焊接技术的适用性与灵活性，进一步提升了接头的焊接质量。

技术领域

本发明属于热塑性复合材料连接领域，特别涉及一种基于3D打印感应元件的热塑性复合材料快速感应焊接装置和方法。

背景技术

树脂基复合材料具有密度低、比强度高、可设计性强等特点，是一种理想的轻量化材料，已经广泛应用于航空航天、国防军工、轨道交通等领域。相比于热固性复合材料，热塑性复合材料具有疲劳性能好、韧性高、冲击损伤容限高、生产效率高、可焊接加工、可回收等独特优势。

目前，热塑性复合材料构件向着尺寸大型化、结构复杂化方向发展，该类型材料的高质量、高效率连接已经成为了亟待解决的关键问题之一。传统的连接方法主要包括机械连接和胶接，但它们都存在一定的技术局限与缺点。机械连接的钻孔工序会破坏材料，易造成接头的应力集中，同时连接件会造成重量增加等问题，不符合“轻量化”的发展要求。而胶接工艺过程较为复杂，需对材料进行表面预处理，因而生产效率较低，并存在潜在的环境污染风险。针对热塑性复合材料可二次熔融加工的特点，可选择焊接技术实现构件的熔融连接。感应焊接技术作为一种非接触的高效焊接方法，具有工艺灵活、可适应性强、生产效率高、清洁绿色、便于实现自动化等优点。在热塑性复合材料感应焊接过程中，需要添加感应元件来实现连接界面的集中产热，从而获得高质量、高可靠的焊接接头。然而，感应元件与焊接材料及结构紧密相关，不同类型的热塑性复合材料以及不同焊接结构通常需要使用定制化的感应元件。目前，通常选择热压工艺将树脂和增强料制备成感应元件，该过程较为繁琐且耗时较长，制备出的感应元件适配性较差，难以满足复杂结构的焊接需求，不利于热塑性复合材料的快速感应焊接。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种基于3D打印感应元件的热塑性复合材料快速感应焊接装置和方法，可以实现热塑性复合材料复杂构件的快速感应焊接。该装置和方法不但可以根据焊接件材料、结构与尺寸高效地定制感应元件，同时将感应元件3D打印制备过程与构件感应焊接过程协同配合，极大地提高了热塑性复合材料的焊接效率和焊接效果。

本发明通过下述技术方案实现：

一种基于3D打印感应元件的热塑性复合材料快速感应焊接装置，包括：感应元件3D打印装置、感应焊接装置、控制系统；

所述感应元件3D打印装置，由树脂3D打印模块和增强料3D打印模块组成，主要包括运动机构、固定杆、上料器、位移传感器、喷头、加热块、温度传感器、冷风装置；

所述感应焊接装置，由感应器与感应电源组成，感应器放置于工作平台下方，为热塑性复合材料焊接件提供可调节的交变磁场；

所述控制系统，与感应元件3D打印装置和感应焊接装置相连接，实时控制感应元件3D打印装置和感应焊接装置，可实现多工序多工艺参数的设置与协同调控。

进一步地，所述感应元件3D打印装置的不同模块由运动机构控制运动，且装有测温装置和冷风装置，以防止感应元件和焊接件的热损伤。

进一步地，所述感应器可根据焊接件的材料、结构与尺寸更换调整。

进一步地，所述控制系统包含感应元件3D打印材料数据库、3D打印工艺规划系统与感应焊接数据库，同时3D打印及感应焊接过程的关键数据会由控制系统记录反馈，实现数据库的自动更新。