CN119175890A - 一种焊接-脱焊可逆的复合材料连接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种焊接‑脱焊可逆的复合材料连接方法，包括以下步骤：步骤S1，将热熔胶膜材预制在热固性树脂基复合材料预浸料表面，在固化过程中，将热熔胶膜材嵌固在热固性复合材料表面；步骤S2，选取热熔胶膜预制表面的热固性复合材料进行贴合，然后采用热连接方法进行焊接，得到热固性复合材料的共固化焊接连接；步骤S3，对于多孔织物增强的热固性树脂基复合材料，将热熔胶膜预制在多孔织物的上下两个表面并压合，在多孔织物的表面嵌固一层热塑性热熔胶膜；步骤S4，将嵌固了热熔胶膜的织物放置在多层预制体的外层，通过热固性树脂的流动浸渍，制备表面为热熔胶膜的热固性复合材料制件，制得多孔织物增强的热固性复合材料焊接连接结构。

Description

一种焊接-脱焊可逆的复合材料连接方法

技术领域

本发明涉及复合材料制造技术领域，尤其涉及一种焊接-脱焊可逆的复合材料连接方法。

背景技术

目前，航空航天用高价值复合材料的回收再利用正在成为复合材料领域下一步开发应用所面临的技术新难题，其中，连接装配而成的复合材料结构的解离是一项尚未解决的关键技术；当然，螺钉或铆接的机械连接不算在内。

现行的热固性复合材料连接主要通过共固化胶接和二次胶接来实现，它们都不可解离(非破坏分解)；热塑性复合材料虽然可以焊接，但焊接之后也不可在焊接位置解离。由于上述复合材料的连接均不存在“脱粘”或“脱焊”的可能性和可行性，因此这些复合材料结构的回收再利用只能依靠机械破碎或者热分解，这不符合“循环经济”、“可持续发展”发展原则，究其关键，就是现行的热固性复合材料连接方法不是双向可逆的。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种焊接-脱焊可逆的复合材料连接方法，通过热固性复合材料表面嵌固热塑性塑料膜的方法，实现热固性复合材料的焊接连接与脱焊解离双向可逆。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种焊接-脱焊可逆的复合材料连接方法，包括以下步骤：

步骤S1，将热熔胶膜材预制在未固化的连续纤维增强的高性能热固性树脂基复合材料预浸料表面，在热固性预浸料固化的过程中，将热熔胶膜材嵌固在热固性复合材料表面；

步骤S2，选取两片具有热熔胶膜预制表面的热固性复合材料，进行贴合，然后采用加热、超声焊等连接方法进行焊接，得到热固性复合材料的共固化焊接连接接头。

作为上述技术方案的进一步改进为：

上述技术方案中优选地，所述热熔胶膜材选用了EVA、PO、TPU、PES、PVB、PA中的一种。

上述技术方案中优选地，所述预浸料为中温固化热固性预浸料或者高温固化热固性预浸料，如环氧预浸料、双马预浸料等。

上述技术方案中优选地，所述热熔胶膜与热固性复合材料固化温度的温差在0-30度之间。

上述技术方案中优选地，在热固性预浸料表面散放四针状氧化锌晶须，面积覆盖率10％-50％。

本发明还提供一种焊接-脱焊可逆的复合材料连接方法，对于多孔织物增强的热固性树脂基复合材料，具体包括以下步骤：

步骤A1，对于多孔织物增强的热固性树脂基复合材料，将热熔胶膜预制在多孔织物的上下两个表面并压合，让热熔胶流动进入多孔织物，在多孔织物的表面形成一层嵌固的热塑性热熔胶膜；

步骤A2，将步骤A1嵌固了热熔胶膜的织物放置在多层预制体的外层，通过热固性树脂的流动、浸渍、固化，制备得到表面为热塑性热熔胶膜的热固性复合材料制件，制得多孔织物增强的热固性复合材料焊接连接结构。

本发明提供的焊接-脱焊可逆的复合材料连接方法，与现有技术相比有以下优点：

本发明的焊接-脱焊可逆的复合材料连接方法，通过再热固性复合材料表面嵌固热塑性塑料膜的方法，实现热固性复合材料的焊接连接与脱焊解离双向可逆，为便捷的实现热固性复合材料拆解、回收、修补提供了技术指导和工艺制造方法。

附图说明

图1是本发明表面嵌固有热熔胶膜的热固性预浸料及“面对面”焊接的示意图。

图2是本发明在多孔织物增强体上下表面复合热塑性塑料膜的示意图。

图3是本发明焊接复合材料的焊接位置在加热和外力作用下脱焊示意图。

图4(a)是本发明典型航空复合材料T型筋壁板示意图。

图4(b)是本发明典型航空复合材料中帽型材壁板示意图。

图4(c)是本发明典型航空复合材料Z型筋壁板示意图。

图5(a)是嵌固了热熔胶膜多层预制体织物示意图。

图5(b)是多层预制体织物焊接示意图。

图5(c)是焊接完成的热固性复合材料示意图。

图6是本发明四针状氧化锌晶须的示意图。

图7是本发明四针状氧化锌晶须沉积在预浸料织物表面示意图。

具体实施方式

以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

本发明焊接-脱焊可逆的复合材料连接方法，以热熔胶膜与热固性复合材料为例进行说明，包括以下步骤：

步骤S1，选择固化温度相同或相近的热熔胶膜与热固性复合材料，固化温度相似指的是温差在0-30度之间。将热熔胶膜材预制在未固化的连续纤维增强的高性能热固性树脂基复合材料预浸料表面，在热固性预浸料固化的过程中，将该热熔胶膜材嵌固在热固性复合材料表面；即在热固性复合材料表面预制了热熔胶膜材，为下一步的热塑性-热塑性塑料的焊接打下基础。

热熔胶膜材选用了EVA(110℃-130℃)、PO(130℃-160℃)、TPU(120℃-150℃)、PES(140℃-160℃)、PVB(150℃-170℃)、PA(150℃-180℃)等热熔胶膜。对应了中温固化环氧预浸料和高温固化环氧预浸料。

如图6和图7所示，本实施例中，为提高粘结效果，在热固性预浸料表面散放四针状氧化锌晶须，面积覆盖率10％-50％，利用氧化锌晶须特殊的几何结构在层间部位形成刚性的机械“锚接”结构，通过物理而非化学的增强方式，大幅度提高热固性预浸料与热塑性表面膜之间的粘合力，以增加“粗糙度”和机械“铆接”点。

另外，可利用“狼牙棒”形式的扎针装置，在热固性预浸料表面扎孔，为热塑性表面膜热熔机械性地镶嵌进热固性预浸料创造基础。

或者，将泡沫镍等低密度、具有三维空间构型的“粒子”撒放在热固性预浸料表面，其作用类似于氧化锌晶须。具体地，将泡沫镍膜机械粉粹成小颗粒，粒径可调，粒径约在10-50微米之间，撒放的面覆盖率也是10％到50％。

步骤S2，选取两片具有热熔胶膜预制表面的热固性复合材料，“面对面”进行贴合，如图1所示，然后采用热连接方法进行焊接，比如加热模压、感应加热、超声波加热等工艺方法，即可得到热固性复合材料的共固化焊接连接。

由于氧化锌，泡沫镍等在微波作用下会发热，发热可以加热热塑性粘接层，使热固性材料中间的热塑性材料熔融，进而实现热固性材料脱开，解离。因此优选采用微波焊接，也便于脱焊。

本发明焊接-脱焊可逆的复合材料连接方法，以多孔织物增强的热固性树脂基复合材料为例，进行说明，包括以下步骤：

步骤A1，对于多孔织物增强的热固性树脂基复合材料，例如植物纤维布增强的复合材料，可将热熔胶膜预制在多孔织物的上下两个表面并压合，温度与热熔胶膜熔融温度相近，让热熔胶流动“浸透”该多孔织物，从而在多孔织物的表面嵌固上一层热塑性热熔胶膜，甚至可以形成多层。

步骤A2，将步骤A1嵌固了热熔胶膜的织物放置在多层预制体的最外层，通过热固性树脂的流动浸渍，制备获得表面为热熔胶膜的热固性复合材料制件。选取两片具有热熔胶膜预制表面的热固性复合材料制件，“面对面”进行贴合，如图1所示，然后采用热连接方法进行焊接，比如加热模压、感应加热、超声波加热等工艺方法，即可制得多孔织物增强的热固性复合材料焊接连接结构。

本发明焊接复合材料结构制造过程、使用维护维修更换过程、或使用后回收再利用之时，通过简单的加热并适当施加外力，即可将依靠热熔胶膜焊接的两部分脱焊解离。

在脱焊后，如需要，还可以在该复合材料的热熔胶膜位置适当填补“新鲜”的热熔胶焊接膜，从而可以按照步骤再次进行焊接。

实施例1

首先，将环氧树脂预浸料(YHP-170)在模具上铺贴成形为T型、C型、Z型或帽型材(Π)等，如图4的(a)、(b)、(c)。然后，将热熔胶膜(聚乙烯醇缩丁醛PVB膜)预固定在蒙皮和筋条将要焊接的位置，接着，将两者均固化。固化后，将两者按照连接结构设计放置于模具中，然后通过共固化手段，将两者焊接成为一体。

在一些实例中，可以在PVB热熔胶膜表面预铺一层揭离膜，保证PVB膜的干净而不被污染，跟着预制件一起固化。焊接前，务必将预铺的揭离膜去除，然后再开始焊接操作。

在一些实例中，可以采用热塑性塑料常规的焊接技术如感应焊接、超声波焊接、甚至电阻焊接等手段实施筋条与蒙皮的局部焊接连接。

在一些实例中，被焊接的两个复合材料部件不一定都在固化完成后再焊接连接，而是可以“干-湿”共固化焊接，例如航空工业常见的“干”筋条与“湿”蒙皮的焊接，或反之。此时，需要将“干”、“湿”两个部件在合适的模具里面对面贴合，然后采用热固性复合材料常规的共固化方法进行焊接连接，例如热压罐成型或模压成型等。

在这些焊接结构件使用到期后，或准备回收时，即可以将其脱焊分离。这时，将焊接部位加热至该PVB热熔胶膜软化以上的温度，并施加合适的分离力，即可实施焊接结构的脱焊分离，参见图3。

在一些实例中，筋条的装配可能需要反复定位和修正，这时，也是通过将焊接部位加热至该热熔胶膜的软化或熔融温度，并施加法向或分离力，即可实施焊接结构的分离，然后，根据需要，实施最终焊接。

对于脱焊分离的复合材料部件，如果需要继续使用(旧部件重复使用，回收再利用)，则可以对脱焊部位适当清洁，再铺贴上一层同种类、同样的热熔胶薄膜，然后按照上述的工艺流程，再次进行焊接连接，从而发挥复合材料部件的深度利用价值。这种情况下，被焊接连接的两个部件通常是一新一旧，也可以是两个旧的。

实施例2

选择聚乙烯醇缩丁醛(Polyvinyl Butyral，PVB)作为热熔胶膜材，首先将其贴敷在任意高温环氧预浸料表面，环氧预浸料层数和厚度没有限制，PVB膜厚30-300μm不等，视需要，可以再贴敷一层揭离膜保护也可以不贴，然后按照高温环氧预浸料的固化制度(例如180℃左右)共固化，得到表面负载了PVB塑料膜的预制件(参见图1)。

如图1，将两个贴敷有PVB膜的预制件(无揭离膜)面对面贴合，进行感应焊接。在一个实例中，感应焊接工作频率600kHz，电压为220V，功率1-2kW之间，线圈进给速度2mm/s。根据PVB膜厚的不同，PVB焊缝的厚度有所不同，对于一个实测250μm膜厚的试样，其PVB焊缝厚度约200-400μm左右；对于一个75μm的PVB膜，其焊缝厚度约130-180μm左右。随后，测试焊接接头(20×20mm单面搭接)剪切-拉伸接头强度(参见图1)，对于一个250mm焊接膜厚的试样，焊接接头强度22MPa；膜厚75mm的试样，接头强度13MPa。

在一些实例中，采用了超声波焊接技术。根据PVB膜厚的不同，PVB超声波焊缝的厚度也有所不同，对于一个实测250μm膜厚的试样，其PVB焊缝厚度约100-200μm之间；对于一个75μm的PVB膜，其焊缝厚度约120-180μm之间。然后进行超声波焊接。对于一个75μm厚的PVB膜，在待焊件之间放置了一个250μm厚的平面能量导向器，以确保在焊接界面优先产生热量；对一个250μm厚的PVB膜试样，则没有放置能量导向器。75μm和250μm的PVB焊接样品的平均焊接振动时间分别约为300毫秒和250毫秒。随后，测试了焊接接头剪切-拉伸接头强度，对于一个250mm焊接膜厚的试样(20×20mm单面搭接)，焊接接头强度29MPa；而膜厚75mm的试样(25宽×12.5mm单面搭接)，接头强度25MPa。

在一些实例中，采用了更简单的模压焊接连接，此时，只要将两个待焊接预制件放置于合适的模具中，按照约180℃/2bar/1hr的工艺条件进行共固化焊接，不需要真空袋，即可得到环氧树脂/PVB焊层/环氧树脂的复合材料焊接连接接头，焊接接头(20mm×20mm)强度约20MPa。

脱焊分离与再连接。PVB热熔胶膜的玻璃化温度介于60℃-85℃之间，熔化范围约150℃-170℃，具有良好的柔顺性，又有很高的拉伸强度、抗冲击强度和粘结强度，因此上述接头的焊接强度均很高。脱焊时，只需将接头置于一个合适的温度，例如高于150℃，同时施加外力，即可实现脱焊分离。温度越高，脱焊力越小。脱焊后，如需要，可重复上述步骤，即可再次焊接此接头。

实施例3

一种多孔织物增强热固性树脂基复合材料的焊接-脱焊双向可逆技术

如图5所示，在一种多孔织物上选择将需要焊接的位置上下预置入热塑性胶膜，特别是纤维增强塑料膜，例如聚乙烯/玻璃纤维膜，也可以是热熔胶膜等，以一个合适的工艺条件压合(如图)，然后，真空导入合适的热固性树脂，如乙烯基树脂、环氧树脂等，再固化，得到表面及内部(层数可选)嵌固有热塑性材料的预制件。

本实施例中，选用的多孔织物为粗苎麻布，真空导入树脂为市售的室温下固化EPOLAM 2040树脂及配套的固化剂；聚乙烯/玻璃纤维膜自制，厚度0.8μm，玻璃纤维体积分数30％。然后，在需要焊接的部位，放置一片同样的热塑性膜或热熔胶膜，在该塑料膜或胶膜合适的温度下模压压合，将两者焊接连接在一起。本实施例中，无论预制聚乙烯塑料膜，还是焊接过程，工艺条件均为130℃/1MPa/30s-4min可选。经剪切拉伸测试(搭接长度30mm×15mm，焊接强度约1.5MPa-2MPa。

脱焊分离与重复连接，将该焊接接头在80℃预热1min，稍施加外力，接头即解离脱焊。重复上述操作，又可以重复焊接该接头，从而实现双向可逆连接。

上述实施案例只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (6)

1.一种焊接-脱焊可逆的复合材料连接方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1，将热熔胶膜材预制在未固化的连续纤维增强的高性能热固性树脂基复合材料预浸料表面，在热固性预浸料固化的过程中，将热熔胶膜材嵌固在热固性复合材料表面；

步骤S2，选取两片具有热熔胶膜预制表面的热固性复合材料，进行贴合，然后采用加热、超声焊等连接方法进行焊接，得到热固性复合材料的共固化焊接连接接头。

2.根据权利要求1所述的焊接-脱焊可逆的复合材料连接方法，其特征在于，所述热熔胶膜材选用了EVA、PO、TPU、PES、PVB、PA中的一种。

3.根据权利要求1所述的焊接-脱焊可逆的复合材料连接方法，其特征在于，所述预浸料为中温固化热固性预浸料或者高温固化热固性预浸料。

4.根据权利要求1所述的焊接-脱焊可逆的复合材料连接方法，其特征在于，所述热熔胶膜与热固性复合材料固化温度的温差在0-30度之间。

5.根据权利要求1所述的焊接-脱焊可逆的复合材料连接方法，其特征在于，在热固性预浸料表面散放四针状氧化锌晶须，面积覆盖率10％-50％。

6.一种焊接-脱焊可逆的复合材料连接方法，其特征在于，对于多孔织物增强的热固性树脂基复合材料，具体包括以下步骤：

步骤A1，对于多孔织物增强的热固性树脂基复合材料，将热熔胶膜预制在多孔织物的上下两个表面并压合，让热熔胶流动进入多孔织物，在多孔织物的表面形成一层嵌固的热塑性热熔胶膜；

步骤A2，将步骤A1嵌固了热熔胶膜的织物放置在多层预制体的外层，通过热固性树脂的流动、浸渍、固化，制备得到表面为热塑性热熔胶膜的热固性复合材料制件，制得多孔织物增强的热固性复合材料焊接连接结构。