熱塑復合材料的焊接方法及其中所用到的摻雜樹脂的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及復合材料連接固定技術領域，特別是設及一種熱塑復合材料的焊接方 法及其中所用到的滲雜樹脂。
【背景技術】
[0002] 碳纖維熱塑復合材料(CFRTP)具有比強度高、耐腐蝕、抗疲勞、耐熱性好等特點，在 汽車輕量化、無人機制造、航空航天、國防軍工上有著良好的應用前景。
[0003] 但是，由于受到成型模具的限制，大型復雜CFRTP構件一般通過多個零部件連接而 成，而連接頭部位又往往是整個結構件中最薄弱的部分，接頭的質量將直接決定著CFRTP構 件的疲勞強度和使用壽命。實現CFRTP材料高質量的連接是其工程化應用的關鍵。
[0004] 當前CFRTP最常用的連接方法有機械連接、膠結、焊接等。其中：焊接利用了CFRTP 基體材料熱塑性樹脂二次烙融的特點，通過加熱烙融連接界面，使樹脂分子擴散完成連接。 該方法連接界面與基體材料有良好的相容性，連接強度和環境適應性優于膠結方法，連接 件的應力分布比機械連接更均勻，不會產生應力集中，而且焊接工藝時間短，便于實現自動 化。而作為一種非接觸式的焊接方式，激光焊接具有焊接速度快、焊接強度高、振動應力小、 適合焊接復雜結構件等優勢，在CFRTP的焊接上具有良好的應用前景。
[0005] 目前實現CFRTP激光焊接的主要有兩種方法，一種是激光穿透焊接技術，另外一種 是激光直接連接技術。激光穿透焊接技術要求焊接工件至少有一個是對激光透明的，激光 直接連接技術又只能實現金屬與CFRTP (樹脂)之間的連接，而對于CFRTP或不透明樹脂之間 的焊接，上述兩種方法在原理上均難W實現。
【發明內容】
[0006] 基于此，有必要針對上述問題，提供一種熱塑復合材料的焊接方法及其中所用到 的滲雜樹脂，利用該滲雜樹脂填充，能夠實現碳纖維熱塑復合材料的激光焊接，解決了激光 穿透焊接技術和激光直接連接技術無法實現CFRTP構件之間焊接的問題。
[0007] -種滲雜樹脂，包括基體材料和滲雜材料，所述基體材料為透明的熱塑性樹脂，所 述滲雜材料為能夠吸收光能轉換為熱能的有色顆粒，所述滲雜材料在所述滲雜樹脂中的體 積百分比為0.01 %-1 %。
[000引上述滲雜樹脂，將能夠吸收光能轉換為熱能的有色顆粒滲雜進透明的熱塑性樹脂 中，利用透明的熱塑性樹脂能夠將激光束在其內傳輸的特點，配合有色顆粒能夠將所吸收 光能轉換為熱能W及熱塑性樹脂二次烙融的性質，在滲雜樹脂內形成一條熱源帶，對該滲 雜樹脂及與該滲雜樹脂相接觸的其它樹脂進行加熱，并使其融化。
[0009]因此，該滲雜樹脂可用做熱塑復合材料(特別適用于碳纖維熱塑復合材料)焊接的 填充樹脂，在焊接時，于待焊接的碳纖維熱塑復合材料之間填充一層上述滲雜樹脂，并W激 光照射該滲雜樹脂，激光束在此滲雜樹脂內部傳輸，被該滲雜樹脂吸收形成一條熱源帶，對 該填充用的滲雜樹脂和碳纖維熱塑復合材料的基體樹脂進行加熱，并使其融化，烙融態的 樹脂材料在外部壓力作用下流動、擴散、凝固，即可形成焊接。
[0010] 為了使該滲雜樹脂能夠形成較好的熱源帶，實現用于焊接的目的，本發明人對滲 雜材料的滲雜量進行了大量深入的研究。研究發現，如滲雜量太大，會極大的影響光束在滲 雜樹脂內傳輸深度，無法形成沿深度方向上通透的焊接，但如滲雜量太小，又會減弱光束的 光能轉換為熱能的效率，無法形成有效的熱源帶，起到加熱滲雜樹脂和碳纖維熱塑復合材 料基體樹脂的作用。因此，為了滿足特定厚度CFRTP的焊接，保證既能充分融化填充樹脂又 能形成通透的焊接接頭，需要兼顧單位長度樹脂的激光吸收率和激光穿透深度，選擇合適 的滲雜比例。
[0011] 而將滲雜材料在滲雜樹脂中的體積百分比限定為0.01%-1%，同時兼顧到光束的 傳輸及發熱效率，能夠形成有效的熱源帶，起到焊接的作用。優選的，將滲雜材料在滲雜樹 脂中的體積百分比限定為〇.〇5%-〇.2%，具有更佳的焊接效果。
[0012] 在其中一個實施例中，所述熱塑性樹脂選自：聚甲基丙締酸甲醋、聚酷胺、聚乙締、 聚氯乙締、聚苯乙締、聚甲醒、聚碳酸醋、聚苯酸、聚諷、和橡膠中的至少一種;所述有色顆粒 選自：碳黑、石墨、和有顏色的金屬氧化物中的至少一種。其中，有顏色的金屬氧化物為氧化 銅錫、氧化銅等有顏色的金屬氧化物即可。選用上述原料，能夠提高該滲雜樹脂在焊接中的 效果。
[001引在其中一個實施例中，所述有色顆粒的粒徑為1皿-50皿。優選扣m-10皿粒徑的有 色顆粒。選用上述粒徑范圍的有色顆粒，既不影響光束在滲雜樹脂內的傳輸，又具有較好的 發熱效率。
[0014] 本發明還公開了上述的滲雜樹脂的制備方法，將所述基體材料溶解于有機溶劑 中，加入所述滲雜材料，混合均勻，涂布制成薄膜，固化，即得。
[0015] W上述方法制備得到所述滲雜樹脂，具有操作簡便易行的優點。
[0016] 本發明還公開了一種熱塑復合材料的焊接方法，包括W下步驟：
[0017] 備料:將上述的滲雜樹脂固定于待焊接的熱塑復合材料構件的焊接面之間；
[0018] 焊接：W激光照射所述滲雜樹脂，使激光在所述滲雜樹脂內傳輸并被吸收，至所述 滲雜樹脂烙融，對所述待焊接的熱塑復合材料構件施加壓力，使該烙融的滲雜樹脂流動，與 所述待焊接的熱塑復合材料構件融合，冷卻凝固后即完成焊接。
[0019] 上述熱塑復合材料的焊接方法，W有色顆粒滲雜透明熱塑性樹脂的滲雜樹脂作為 填充樹脂，在焊接時，于待焊接的熱塑復合材料(特別適用于碳纖維熱塑復合材料)之間填 充一層上述滲雜樹脂，并W激光照射該滲雜樹脂，激光束在此滲雜樹脂內部傳輸，被該滲雜 樹脂吸收形成一條熱源帶，對該填充用的滲雜樹脂和碳纖維熱塑復合材料的基體樹脂進行 加熱，并使其融化，烙融態的樹脂材料在外部壓力作用下流動、擴散、凝固，即可形成焊接。
[0020] 在其中一個實施例中，該焊接方法還包括前處理步驟，所述前處理步驟為：W有機 溶劑清洗所述滲雜樹脂和待焊接的熱塑復合材料構件的焊接面，去除污跡。通過上述前處 理步驟對滲雜樹脂和待焊接的熱塑復合材料構件的焊接面進行表面處理，能夠提高焊接牢 固性。
[0021] 在其中一個實施例中，所述滲雜樹脂的厚度為0.05mm-l. 0mm。由于填充樹脂在 CFRTP焊接過程中起到"粘結劑"的作用，適當的厚度對于CFRTP的焊接質量至關重要。過厚 的填充樹脂會導致大量的烙融樹脂從焊縫處溢出，影響到焊縫外觀，而且需要更高的激光 能量，造成能源浪費；過薄的填充樹脂，會導致CFRTP之間烙融樹脂量不夠，影響到焊接強 度。而將焊接填充用的滲雜樹脂厚度限定在上述范圍內，既保證了焊接強度，又具有較好的 焊縫外觀。
[0022] 在其中一個實施例中，所述備料步驟中，通過施加壓力將所述滲雜樹脂固定于待 焊接的熱塑復合材料構件焊接面之間；
[0023] 所述焊接步驟中，對所述待焊接的熱塑復合材料構件施加壓力的壓強為0.1 Mpa-IMpa O
[0024] 通過施加壓力將滲雜樹脂的位置固定，配合焊接時對待焊接的熱塑復合材料構件 需要施加壓力的需求，具有操作簡便、連貫的優點。
[0025] 在其中一個實施例中，所述焊接步驟中，將激光束W平行于所述待焊接的熱塑復 合材料構件焊接面的方向入射至所述滲雜樹脂。W上述方式入射滲雜樹脂，能夠形成高效 熱源帶，利于焊接的實現。
[0026] 在其中一個實施例中，所述焊接步驟中，所述激光為光束徑向最大尺寸與所述滲 雜樹脂的厚度相匹配的能量均勻的平頂光束或高斯光束。采用上述條件，能夠提高焊接效 果和效率。
[0027] 與現有技術相比，本發明具有W下有益效果：
[0028] 本發明的一種滲雜樹脂，可用做熱塑復合材料，特別是碳纖維熱塑復合材料焊接 的填充樹脂，能夠實現碳纖維熱塑復合材料的激光焊接，解決了激光穿透焊接技術和激光 直接連接技術無法實現CFRTP構件之間焊接的問題。
[0029] 本發明的一種熱塑復合材料的焊接方法，W有色顆粒滲雜透明熱塑性樹脂的滲雜 樹脂作為填充樹脂，在焊接時，于待焊接的熱塑復合材料之間填充一層上述滲雜樹脂，并W 激光照射該滲雜樹脂，激光束在此滲雜樹脂內部傳輸，利用透明的熱塑性樹脂能夠將激光 束在其內傳輸的特點，配合有色顆粒能夠將所吸收光能轉換為熱能的性質，被該滲雜樹脂 吸收形成一條熱源帶，對該填充用的滲雜樹脂和碳纖維熱塑復合材料的基體樹脂進行加 熱，并使其融化，烙融態的樹脂材料在外部壓力作用下流動、擴散、凝固，即可形成焊接。實 現了熱塑復合材料的激光焊接，解決了激光穿透焊接技術和激光直接連接技術無法實現 C