碳纤维复合材料和铝合金材料无铆冲压振动连接方法及其模具

摘要

本发明提供一种碳纤维复合材料和铝合金材料无铆冲压振动连接方法，将碳纤维复合板、夹层结构、铝合金板材组成的连接件置于下模与凹模上表面，压边圈固定连接件，利用下模加热棒、上模加热棒分别独立对凹模和上模进行升温加热，对连接件进行局部控温。开启超声波高频振动器，上模冲头向下移动挤压连接件，在冲压力和超声波震荡作用下铝合金板材与碳纤维复合板发生塑性变形。同时由于上模与凹模的挤压和超声波的震荡作用，使得夹层结构内树脂与碳纤维再排布，铝粉与树脂包覆嵌入板材内。树脂发生固化反应，最终使铝合金板材、夹层结构、碳纤维复合板互相勾连嵌入，实现铝合金板材、碳纤维复合板材相互连接。

说明书

技术领域

本发明属于材料连接技术领域，具体涉及一种碳纤维复合材料和铝合金材料无铆冲压振动连接方法及其模具。

背景技术

随着汽车行业的飞速发展，汽车轻量化技术的应用大势所趋，轻量化的替代性材料是业内普遍认可最具价值的轻量化技术。铝合金已在车身上大量应用，而非金属纤维复合材料等新材料也正逐步应用于车身制造中。对于非金属纤维复合材料如果采用传统的方式将两块板料连接在一起，那么,单件连接成本就比较高。现有成熟技术如铆钉接或螺栓连接，准备工作、运输成本和零配件的加工成本较高，且拆卸不方便、孔的产生存在应力集中、密封性差。螺栓连接在振动、冲击、载荷变动和温差过大的情况下，往往会产生松动而导致机械故障。铆接对制孔的精度要求较高，工作时噪音大，结构笨重，且螺栓连接和铆接均存在腐蚀问题，影响接头质量。如果采用点焊,点焊机的投资较大,且存在应力集中、抗振动性差疲劳强度差。此外,对于多层板料相连接就更困难,也不能连接具有镀层的板件、铝、铜及不锈钢板件。而对喷漆板件,不同材质板件、厚度差异相当大的板件以及中间有夹层的板件更是无能为力。而对于近年来得到推广的新型连接技术，如SPR自冲铆接技术、FDS流钻铆钉拧紧工艺的推广，弥补了异种材料连接的空白。针对上述两种连接方法，又因其皆须破坏被连接件表面，对材料造成不可逆伤害，使连接部位在寿命、疲劳强度、耐水、防盐雾方面表现不佳。如果采用胶接，其可靠性差、缺乏有效的质量连接方法、胶接性能受环境(湿、热、腐蚀介质)影响大、易老化不能传递大载荷。

冲压连接工艺最先在德国问世。20世纪70年代末，德国TOX(托克斯)冲压技术有限公司研究开发出了TOX连接技术。冲压连接技术可以更好的弥补上述连接方式所存在的缺陷，是一种可塑性薄板的不可拆卸式冲压点连接技术。但传统冲压连接技术普遍应用在钢、铝(铝合金)以及其他带有涂层的有色金属等金属板材连接领域，在金属与复合材料、复合材料与复合材料间的应用还无相对完整和成熟的冲压连接技术的公开理论体系,且将传统的冲压连接方法用于异种复合材料连接，对于各向异性的复合材料而言不能充分发挥其作用，连接方法难以实现。

发明内容

本发明的目的是提供一种碳纤维复合材料和铝合金材料无铆冲压振动连接方法，利用碳纤维复合材料和铝合金材料无铆冲压振动连接模具形成冲压连接点，可实现金属板材和非金属板材、非金属板材和非金属板材之间不同厚度、不同连接层数的快速、高效、低成本的连接。

本发明的技术方案如下：

一种碳纤维复合材料和铝合金材料无铆冲压振动连接方法，其具体包括以下步骤：

S1、连接前，进行连接件材料的预铺放：

连接件包括铺放于底层的碳纤维复合板、铺放于顶层的铝合金板材和中间层的夹层结构，所述夹层结构包括碳纤维预浸料铺层和纳米级铝粉层，自上而下依次为：纳米级铝粉层、0°铺放的碳纤维预浸料铺层、纳米级铝粉层、90°铺放的碳纤维预浸料铺层、0°铺放的碳纤维预浸料铺层、90°铺放的碳纤维预浸料铺层、0°铺放的碳纤维预浸料铺层和90°铺放的碳纤维预浸料铺层；

模具的凹模固定于下模的中部，连接件放置于凹模和下模的上表面，压边圈压住连接件，所述压边圈的中部为上模冲头；

S2、预加热并保温：

将下模加热棒与交流电源接通，对下模和连接件进行加热，当加热温度达到连接件的夹层结构的碳纤维预浸料铺层的固化温度且能最大程度软化碳纤维复合板时，切断交流电源，并保温；

将上模加热棒与交流电源接通，对上模进行加热，当加热温度达到连接件的碳纤维复合板的失效温度前且能最大程度软化铝合金板材时，切断交流电源，保温；

S3、连接过程：

开启下模下方的超声波高频振动器，上模向下移动，上模冲头、压边圈和凹模的中轴线重合，上模冲头接触顶层的铝合金板材后继续向下移动，上模挤压所述连接件，所述连接件在所述凹模内变形，铝合金板材嵌入夹层结构中，夹层结构受压嵌入碳纤维复合板中，夹层结构的碳纤维预浸铺层受热软化，在固化温度下发生固化反应，使连接件的碳纤维复合板、铝合金板材和夹层结构发生机械互锁，成形完全后，上模向上移动离开连接件表面，去除压边圈，取出连接件，连接过程终止。

优选地，所述上模加热棒为6x60mm功率100W模具单头电热管不锈钢220V干烧型加热棒，所述下模加热棒为8x100mm功率200W模具单头电热管不锈钢220V干烧型加热棒，所述上模加热棒和下模加热棒分别通过三相大功率可控硅电子调压器与交流电源连接。

优选地，所述上模的下表面、下模的上表面和凹模的上表面均光滑。

优选地，所述下模能替换。

优选地，上模和下模独立控温，能调节为不同的温度。

一种实现上述的碳纤维复合材料和铝合金材料无铆冲压振动连接方法的模具，其包括超声波高频振动器、下模、下模加热棒、凹模、上模、上模加热棒和压边圈，所述超声波高频振动器固定于所述下模的下方，所述凹模固定于所述下模的中部，所述下模加热棒插入所述下模的加热孔中，所述下模加热棒与交流电源连接，所述下模和凹模的上表面放置连接件，所述连接件上方为压边圈，所述压边圈的中部为上模的冲头，所述上模的冲头内部设有上模加热棒，所述上模加热棒与所述交流电源连接，所述上模加热棒、上模冲头和压边圈的中轴线重合。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明的无铆冲压振动连接方法可实现异种材料连接，针对无铆连接不能连接非金属材料的缺陷，通过增加中间的夹层结构，即连接层，实现板材的机械互锁，解决传统无铆连接无法对非金属材料实现连接点变形强化的问题。针对夹层结构喷涂纳米级铝粉，通过超声波高频振动器的振荡作用，利用夹层结构中碳纤维预浸料固化过程中树脂的流动性，促使铝粉在连接点处再分布，填充因板材变形产生的缝隙，同时因上模和下模的挤压作用，促使铝粉被树脂包裹进入铝合金表面微孔，增强板材连接强度，同时因铝粉与铝合金板材属同种材料，具备较优的亲和力，在铝合金与树脂之间构建媒介，实现接合。同时因夹层结构中碳纤维预浸料与碳纤维复合板属同种材料，具有较强的亲和力，作为夹层材料，提升了连接非金属板材的性能。

2、超声波高频振动器能够显著提升夹层结构在连接铝合金板材与碳纤维复合板的能力。通过超声波高频振动能够使夹层结构中的铝粉充分与连接过程中被软化的树脂相混合。树脂在铝粉的包覆下更易进入铝合金表面，也增强了纳米级铝粉与铝合金板的结合性能。振荡使铝粉更加充分地嵌入因材料变形产生的缝隙，可在凹坑薄壁与底部形成强化。高频振动可使碳纤维丝束在碳纤维预浸料中的树脂软化固化时实现再分布，实现碳纤维丝束与铝合金板材和成品碳纤维复合板材变形同步，使其在固化结束后保证成形效果。

3、上模和下模均独立控温，可针对不同板材的成形性能进行相应温度调控，可大幅度提升板材连接性能，避免对模具整体加热引起的高能耗和加热效率低的问题。

4、下模可替换，下模可匹配不同冲点，冲点圆孔可匹配调整不同尺寸间隙，可适用于不同板层厚度、不同材料叠层数的连接，高通量接合，具备省时性。

5、夹层结构能够显著增强碳纤维复合材料与铝合金板材的连接能力。夹层结构中的纳米级铝粉可增强树脂与铝合金板材的浸润接合能力，同时夹层结构中的碳纤维预浸料其材料与碳纤维复合板材为同种材料，增强了夹层结构与碳纤维复合板材的浸润接合能力。

6、本发明能实现非金属材料与金属材料的无铆连接，具有连接强度高、连接件密封性好、避免破坏连接件、表面成形状况良好的特点。

附图说明

图1为本发明碳纤维复合材料和铝合金材料无铆冲压振动连接模具的结构示意图；

图2为本发明无铆冲压振动连接结束后的示意图；

图3为本发明夹层结构的组织结构示意简图；

图4为铝粉与铝合金表面连接情况；

图5为铝粉与碳纤维表面连接情况。

图中：1、交流电源；2、上模加热棒；3、上模；4、压边圈；5、铝合金板材；6、夹层结构；7、碳纤维复合板；8、凹模；9、下模加热棒；10、交流电源；11、下模；12、超声波高频振动器；13、纳米级铝粉层；14、0°铺放的碳纤维预浸料铺层；15、纳米级铝粉层；16、90°铺放的碳纤维预浸料铺层。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本发明的示例性实施例、特征和性能方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

如图1所示，本发明提供一种碳纤维复合材料和铝合金材料无铆冲压振动连接模具，其包括超声波高频振动器12、下模11、下模加热棒9、凹模8、上模3、上模加热棒3和压边圈4，超声波高频振动器12固定于下模11的下方，凹模8固定于下模11的上部中央，下模加热棒9插入下模的加热孔中，下模加热棒9与交流电源10连接，下模和11和凹模8的上表面光滑，下模11和凹模8的上表面放置连接件，连接件上方为压边圈4，压边圈4的中部为上模3的冲头，上模3的冲头内部设有上模加热棒2，上模加热棒2与交流电源1连接，上模加热棒1、上模冲头和压边圈4的中轴线重合。

上模加热棒2为6x60mm功率100W模具单头电热管不锈钢220V干烧型加热棒，下模加热棒9为8x100mm功率200W模具单头电热管不锈钢220V干烧型加热棒，上模加热棒2通过三相大功率可控硅电子调压器与交流电源1连接，下模加热棒9通过三相大功率可控硅电子调压器与交流电源10连接。下模11内部轴线位置分布3xφ8的加热孔，3根8x100mm功率200W模具单头电热管不锈钢220V干烧型加热棒插入下模11的加热孔内，下模加热棒9分别与交流电源10通过三相大功率可控硅电子调压器连接。下模加热棒9置于下模内，独立为凹模8进行加热，实现温度调控，可大幅度提升板材连接性能，避免对模具整体加热引起的的高能耗和加热效率低的问题。在下模11和凹模8上叠加放置碳纤维复合板7、夹层结构6、铝合金板材5组成的连接件。压边圈4置于铝合金板材之上，以固定连接件位置和压住连接件，压边圈4中心轴线与凹模8轴线重合。压边圈中心上层布置上模冲头，上模3中心轴线与压边圈4轴线重合，上模加热棒2通过三相大功率可控硅电子调压器与交流电源1相连接。

一种碳纤维复合材料和铝合金材料无铆冲压振动连接方法，其具体包括以下步骤：

S1、连接前，进行连接件材料的预铺放：

如图3所示，连接件包括铺放于底层的碳纤维复合板、铺放于顶层的铝合金板材和中间层的夹层结构，夹层结构包括碳纤维预浸料铺层和纳米级铝粉层，6层碳纤维预浸料铺层的结构为在水平面上0°/90°/0°/90°/0°/90°，自上而下依次为：纳米级铝粉层、0°铺放的碳纤维预浸料铺层、纳米级铝粉层、90°铺放的碳纤维预浸料铺层、0°铺放的碳纤维预浸料铺层、90°铺放的碳纤维预浸料铺层、0°铺放的碳纤维预浸料铺层和90°铺放的碳纤维预浸料铺层；

碳纤维预浸料铺层的铺设方式为水平面的非对称正交铺层[0°n/90°n],其为双稳态复合材料结构，具有双稳态特性的同时可使其夹层结构呈现稳定而规则的两种不同稳定状态，保证材料在冲压连接过程中，可以与金属材料变形保持同步，并使变形结束后的结合点保持稳定，既可避免层数过少导致的树脂含量较低进而影响夹层结构连接性能，又可减小因夹层结构过厚导致的连接结构不稳定。同时可满足连接点在正交方向承受较大应力时可保持稳定状态。

如图1所示，凹模固定于下模的中部，连接件放置于下模和凹模的上表面，为防止冲压连接过程中因材料变形造成板材位移，在铝合金板材5上方连接点处放置压边圈4，压边圈4压住连接件，可固定连接件不动，压边圈4的中心轴线与凹模8的轴线重合，压边圈的中部为上模冲头，上模的中心轴线与凹模8的轴线重合；

S2、预加热并保温：

将下模加热棒9与交流电源10接通，对下模11和连接件进行加热，当加热温度达到连接件的夹层结构的碳纤维预浸料铺层的固化温度且能最大程度软化碳纤维复合板时，切断交流电源，并保温；

将上模加热棒2与交流电源1接通，对上模进行加热，当加热温度达到连接件的碳纤维复合板的失效温度前且能最大程度软化铝合金板材时，切断交流电源，保温；

上模加热棒2和下模加热棒9分别启动，根据板材成形温度的不同，独立对上模3、下模11和凹模8加热，使上模3和下模11形成温度差。下模升温用于软化碳纤维复合板，同时使碳纤维预浸料中的树脂软化，上模冲头升温用于促进碳纤维预浸料中树脂固化和铝合金板材成形。达到指定温度后，切断电源并保持温度。

S3、连接过程：

如图2所示，开启下模下方的超声波高频振动器12，上模3向下移动，上模冲头、压边圈和凹模的中轴线重合，上模冲头接触顶层的铝合金板材5后继续向下移动，上模挤压连接件，由于压边圈4和下模8的存在，限制了连接件铝合金板材5、夹层结构6和碳纤维复合板7的向外流动。故铝合金板材5、夹层结构6和碳纤维复合板7的变形只能发生在凹模8内，使得铝合金板材5逐渐嵌入夹层结构6中，夹层结构6受压变形逐渐嵌入碳纤维复合板7中，夹层结构的碳纤维预浸铺层受热软化，在固化温度下发生固化反应，使连接件的碳纤维复合板、铝合金板材和夹层结构发生机械互锁，因上模3下表面和下模底座11及凹模8的上表面均光滑，故连接件其余部位均保持平整。成形完全后，上模向上移动离开连接件表面，去除压边圈，取出连接件，连接过程终止。

在连接成形过程中，上模冲头挤压连接件，在冲压力的作用下，铝合金板材5发生塑性变形，随着力的传导，使夹层结构6和碳纤维复合板7发生变形，软化后的碳纤维预浸料在高频振荡和冲压力作用下发生再排布，可填充变形后铝合金板材5和碳纤维复合板7之间的缝隙。在超声波高频振动器12的作用下使纳米级铝粉与软化的树脂混合均匀，形成包覆。树脂流动与纳米级铝粉填充到铝合金板材5的断裂氧化膜缝隙内与板材形成相互勾连。此外，铝粉与铝合金板材为同性物质，就有较强的亲和力，对于夹层结构与铝合金板材的结合变得更为紧密。碳纤维预浸料在加热过程中发生固化反应，使变形过程更加稳定，其次，夹层结构6中碳纤维预浸料与碳纤维复合板7为同性材料，提升了夹层结构6与碳纤维复合板7之间的连接能力。以上变形与固化使板件间材料在塑性流动的过程中产生相互镶嵌,上模3侧材料嵌进凹模8侧材料中,高频振动使碳纤维预浸料中的碳纤维丝束实现再分布，从而达到了相互连接。

优选地，上模和下模独立控温，可针对不同材料板材厚度、夹层结构厚度、连接件材料差异、材料成形情况做出不同温度的调节。在本实施例中，下模的加热温度为120℃，可实现对碳纤维复合板最大程度软化，且保证碳纤维预浸料在其固化温度区间内；上模的加热温度为190℃，此温度为碳纤维复合板失效前的极限温度，且能最大程度软化铝合金板材，当温度大于此温度后，碳纤维板材质量分数锐减，板材性能下降明显。

上模可根据材料厚度和连接成形质量进行相应冲压速度、冲压力的调节。压边圈能够根据不同板材成形厚度，与材料成形过程中的压边力做出相应调节，凹模能够根据不同板型成形特点，针对连接点的不同成形情况，做出相应调整。下模能替换，可匹配不同冲点，冲点圆孔可匹配调整不同尺寸间隙，可适用于不同板层厚度、不同材料叠层数的接合试验测试，高通量接合。

如图4所示，为铝粉与铝合金表面连接情况，如图5所示，为铝粉与碳纤维表面连接情况，从图中可以看出铝粉可以裹挟树脂实现连接，同时铝粉与铝合金的紧密结合可以增大表面，提升连接度，铝粉可以实现对碳纤维最大程度的包裹，同时提升连接过程中与树脂的接触表面。

综上，本发明的夹层结构能够显著增强碳纤维复合材料与铝合金板材的连接能力。通过超声波高频振动器的震荡作用，促使夹层结构中的纳米级铝粉与树脂充分混合，可增强树脂与铝合金板材的浸润接合能力，同时夹层结构中的碳纤维预浸料其材料与碳纤维复合板材为同种材料，增强了夹层结构与碳纤维复合板材的浸润接合能力。超声波高频振动器能够促使软化后的树脂内部碳纤维与铝粉的再分布。同时，震荡使得铝粉能够与树脂形成更加优良的包覆，增强夹层结构强度，大幅提升夹层结构与碳纤维复合板材和铝合金板材的接合能力。

根据实际需要，当进行其他异种材料的连接成形时，夹层结构的组成成分进行适应性修改。

以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的相关技术人员应当理解：可以对本发明进行修改或者同等替换，但不脱离本发明精神和范围的任何修改和局部替换均应涵盖在本发明的权利要求范围内。