碳纤维增强聚苯硫醚复合材料感应焊接技术研究
发布时间：2021-02-09 17:44
热塑性复合材料基于其对民用航空飞行器的轻量化、高性能化和环保化发挥着极其重要的作用,被认为是一种很有发展前途的新型先进航空材料,其结构高效可靠的连接是其进一步广泛应用的重要保障。针对碳纤维增强聚苯硫醚复合材料层合板,探讨感应焊接工艺参数对焊接接头性能的影响规律,获取最佳焊接工艺参数,确定焊接质量控制窗口,对经不同湿热处理焊接试样的性能演化进行系统研究。首先,通过DOE实验设计对CF/PPS层合板感应焊接工艺参数进行优化计算分析,得出在焊接功率为2.0kW、焊接压力为1.5MPa、焊接时间为3.0min条件下,焊接接头剪切性能最佳,最佳焊接工艺参数焊接接头的单搭接剪切强度约为13.25MPa;此外焊接接头剪切强度随着焊接工艺参数的增加,均呈现先增大后减小的变化趋势,在最佳焊接工艺参数下,焊接接头结合紧密,呈现出高剪切强度,而在过低或过高焊接工艺参数下,焊接接头结合较差,剪切强度较低。然后,对CF/PPS层合板感应焊接接头的失效断口进行分析,结果表明:高剪切强度焊接接头断口处不锈钢网被撕裂,被焊接层合板焊接界面纤维出现拔出断裂,PPS树脂有显著的塑性形变,其主要失效形式为层间失效;低剪切强...
【文章来源】：中国民航大学天津市
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
激光透射焊接原理图
中国民航大学硕士学位论文4收，并取得了一定成果。雷剑波[22]等人对激光透射焊接工艺进行了研究，结果显示，透明板材和其他颜色板材在焊接时，需要添加吸光剂，在采用黑色热塑性树脂膜为吸光剂的条件下，焊接效果较好，可获得优异的力学性能。激光透射焊接优点主要在于可实现精确的非接触式传热以及可控的能量积累；焊接过程中不存在部件波动，可焊接较敏感性航空器元件。然而被焊件的光学特性很大程度上限制了它们的焊接强度，为了提高材料的激光透射焊接性能，改变下部被焊件的吸光率是一个重要发展方向。（2）超声波焊接超声波焊接是一种利用高频率（20到120kHz之间）和小振幅的机械波来使被焊接部件界面产热的焊接方法，由于焊接界面存在能量导向器，机械波能择优使被焊部件的焊接表面产生表面摩擦和分子震动，温度升高加热熔化被焊件并在压力下融为一体，冷却后完成焊接，如图1-2所示。图1-2超声波焊接原理图近年来，关于纤维增强热塑性复合材料超声波焊接的研究主要集中在不同工艺条件下接头性能的演变规律，从而进一步优化焊接工艺。WangTao[23]等人通过超声波焊接研究了焊接时间和能量导向器对碳纤维增强聚醚醚酮（CF/PEEK）复合材料接头的影响机理，结果表明，在一定范围随着焊接时间的增加会提高被焊件焊缝的能量吸收，使焊接接头的强度达到最佳值；该研究还指出，通过使用能量导向器，在较短焊接时间内就可获得具有良好结合的焊接接头，接头的搭接剪切强度可达28MPa。刘忠侠[24]研究了碳纤维加强尼龙66复合材料的超声波焊接技术，研究表明适当的焊接压力可以使焊接能量和界面处的熔体更好的转移与流动，并提高焊接强度。超声波焊接工艺最突出的特点是效率高；可应用于各种复合材料的接头，如
中国民航大学硕士学位论文5CF/TPC-CF/TSC，以及CF/TPC或CF/TSC-金属接头[25]；此外，超声焊接对材料的介电性能无特殊要求，易于实现自动化。这种技术的主要缺点是超声波能量导向器制作困难，且在高频振动下上表面的纤维可能会发生断裂。（3）电阻焊接电阻焊接是热塑性复合材料最成熟的焊接技术之一，TaylorN.S早在上世纪九十年代末就提出了该工艺的可行性理论[26]。电阻焊接是基于焦耳效应，当电流流过加热元件时，材料中的电阻损耗会使电能转化为热能，电阻器消耗的能量（Q）与电阻（R），电流（I）和时间（t）成比例，如下方程1.1所示：2QIRt（1.1）当达到一定温度时，停止加热，并使被焊部件在施压下冷却以形成焊接接头，其原理如图1-3所示。图1-3电阻焊接原理图热塑性树脂基复合材料对温度的敏感性极高，Hou[27]等人发现加热元件的类型将直接影响焊缝的温度分布以及接头强度。从现有文献中发现，最常用的加热元件有不锈钢网和碳纤维。HubertP[28]等人采用三种不同的不锈钢网作为碳纤维增强聚醚酮酮（CF/PEKK）复合材料电阻焊接中的加热元件，目的是确定不锈钢网尺寸对热塑性复合材料电阻焊接的影响；这项研究的结果发现，当选用不锈钢的线径为0.041mm，孔径为0.089mm时，焊接接头具有优异的力学性能，其搭接剪切强度最佳可达52MPa。由于碳纤维与其增强的复合材料具有较好的相容性，因此也被选用为加热材料。目前，已有研究两种类型的碳纤维加热元件：单向和织物。Ageorges[29]证明了单向碳纤维加热元件横向与纵向的传热具有差异，而织物加热元件的温度分布均匀性比单向加热元件要好，织
【参考文献】：
期刊论文
[1]湿热环境对7781/CYCOM 7701玻璃纤维/环氧复合材料典型力学性能的影响[J]. 管清宇,李卫平. 复合材料学报. 2018(12)
[2]湿热环境对复合材料单向板拉伸性能的影响[J]. 冯振宇,解江,迟琪琳,牟浩蕾,巩天琛. 高分子材料科学与工程. 2018(11)
[3]基于DOE的空气压缩机供气压力参数优化[J]. 阮红倩,雷啸,袁玉通,杨小雨,金跃峰. 现代工业经济和信息化. 2018(13)
[4]国产大飞机C919面临的机遇和挑战[J]. 陆叶. 管理观察. 2018(21)
[5]纤维增强树脂基复合材料连接技术研究现状与展望[J]. 高佳佳,楚珑晟. 玻璃钢/复合材料. 2018(02)
[6]基于响应曲面法的环境因素对生活污水三维荧光光谱的影响[J]. 孙梅香,吴曼,刘会应,刘文,冯志江,张业中,戴捷. 环境工程学报. 2016(10)
[7]热塑性树脂基复合材料在民机上的应用研究[J]. 李明. 科技视界. 2016(26)
[8]热塑性复合材料研究及其在航空领域中的应用[J]. 郭云竹. 纤维复合材料. 2016(03)
[9]湿热老化对玻璃纤维/环氧树脂复合材料性能的影响[J]. 高坤,史汉桥,孙宝岗,王振河,杨智勇,邢亚娟,杨毅. 复合材料学报. 2016(06)
[10]湿热环境对树脂基复合材料性能影响的分析[J]. 刘淑峰,程小全,包建文. 高分子材料科学与工程. 2014(09)
博士论文
[1]热塑性聚芳醚酮类树脂基复合材料的制备及连接技术研究[D]. 秦明.浙江大学 2004
硕士论文
[1]湿热环境对CFRP层板性能影响及机理研究[D]. 巩天琛.中国民航大学 2017
本文编号：3025999
【文章来源】：中国民航大学天津市
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
激光透射焊接原理图
中国民航大学硕士学位论文4收，并取得了一定成果。雷剑波[22]等人对激光透射焊接工艺进行了研究，结果显示，透明板材和其他颜色板材在焊接时，需要添加吸光剂，在采用黑色热塑性树脂膜为吸光剂的条件下，焊接效果较好，可获得优异的力学性能。激光透射焊接优点主要在于可实现精确的非接触式传热以及可控的能量积累；焊接过程中不存在部件波动，可焊接较敏感性航空器元件。然而被焊件的光学特性很大程度上限制了它们的焊接强度，为了提高材料的激光透射焊接性能，改变下部被焊件的吸光率是一个重要发展方向。（2）超声波焊接超声波焊接是一种利用高频率（20到120kHz之间）和小振幅的机械波来使被焊接部件界面产热的焊接方法，由于焊接界面存在能量导向器，机械波能择优使被焊部件的焊接表面产生表面摩擦和分子震动，温度升高加热熔化被焊件并在压力下融为一体，冷却后完成焊接，如图1-2所示。图1-2超声波焊接原理图近年来，关于纤维增强热塑性复合材料超声波焊接的研究主要集中在不同工艺条件下接头性能的演变规律，从而进一步优化焊接工艺。WangTao[23]等人通过超声波焊接研究了焊接时间和能量导向器对碳纤维增强聚醚醚酮（CF/PEEK）复合材料接头的影响机理，结果表明，在一定范围随着焊接时间的增加会提高被焊件焊缝的能量吸收，使焊接接头的强度达到最佳值；该研究还指出，通过使用能量导向器，在较短焊接时间内就可获得具有良好结合的焊接接头，接头的搭接剪切强度可达28MPa。刘忠侠[24]研究了碳纤维加强尼龙66复合材料的超声波焊接技术，研究表明适当的焊接压力可以使焊接能量和界面处的熔体更好的转移与流动，并提高焊接强度。超声波焊接工艺最突出的特点是效率高；可应用于各种复合材料的接头，如
中国民航大学硕士学位论文5CF/TPC-CF/TSC，以及CF/TPC或CF/TSC-金属接头[25]；此外，超声焊接对材料的介电性能无特殊要求，易于实现自动化。这种技术的主要缺点是超声波能量导向器制作困难，且在高频振动下上表面的纤维可能会发生断裂。（3）电阻焊接电阻焊接是热塑性复合材料最成熟的焊接技术之一，TaylorN.S早在上世纪九十年代末就提出了该工艺的可行性理论[26]。电阻焊接是基于焦耳效应，当电流流过加热元件时，材料中的电阻损耗会使电能转化为热能，电阻器消耗的能量（Q）与电阻（R），电流（I）和时间（t）成比例，如下方程1.1所示：2QIRt（1.1）当达到一定温度时，停止加热，并使被焊部件在施压下冷却以形成焊接接头，其原理如图1-3所示。图1-3电阻焊接原理图热塑性树脂基复合材料对温度的敏感性极高，Hou[27]等人发现加热元件的类型将直接影响焊缝的温度分布以及接头强度。从现有文献中发现，最常用的加热元件有不锈钢网和碳纤维。HubertP[28]等人采用三种不同的不锈钢网作为碳纤维增强聚醚酮酮（CF/PEKK）复合材料电阻焊接中的加热元件，目的是确定不锈钢网尺寸对热塑性复合材料电阻焊接的影响；这项研究的结果发现，当选用不锈钢的线径为0.041mm，孔径为0.089mm时，焊接接头具有优异的力学性能，其搭接剪切强度最佳可达52MPa。由于碳纤维与其增强的复合材料具有较好的相容性，因此也被选用为加热材料。目前，已有研究两种类型的碳纤维加热元件：单向和织物。Ageorges[29]证明了单向碳纤维加热元件横向与纵向的传热具有差异，而织物加热元件的温度分布均匀性比单向加热元件要好，织
【参考文献】：
期刊论文
[1]湿热环境对7781/CYCOM 7701玻璃纤维/环氧复合材料典型力学性能的影响[J]. 管清宇,李卫平. 复合材料学报. 2018(12)
[2]湿热环境对复合材料单向板拉伸性能的影响[J]. 冯振宇,解江,迟琪琳,牟浩蕾,巩天琛. 高分子材料科学与工程. 2018(11)
[3]基于DOE的空气压缩机供气压力参数优化[J]. 阮红倩,雷啸,袁玉通,杨小雨,金跃峰. 现代工业经济和信息化. 2018(13)
[4]国产大飞机C919面临的机遇和挑战[J]. 陆叶. 管理观察. 2018(21)
[5]纤维增强树脂基复合材料连接技术研究现状与展望[J]. 高佳佳,楚珑晟. 玻璃钢/复合材料. 2018(02)
[6]基于响应曲面法的环境因素对生活污水三维荧光光谱的影响[J]. 孙梅香,吴曼,刘会应,刘文,冯志江,张业中,戴捷. 环境工程学报. 2016(10)
[7]热塑性树脂基复合材料在民机上的应用研究[J]. 李明. 科技视界. 2016(26)
[8]热塑性复合材料研究及其在航空领域中的应用[J]. 郭云竹. 纤维复合材料. 2016(03)
[9]湿热老化对玻璃纤维/环氧树脂复合材料性能的影响[J]. 高坤,史汉桥,孙宝岗,王振河,杨智勇,邢亚娟,杨毅. 复合材料学报. 2016(06)
[10]湿热环境对树脂基复合材料性能影响的分析[J]. 刘淑峰,程小全,包建文. 高分子材料科学与工程. 2014(09)
博士论文
[1]热塑性聚芳醚酮类树脂基复合材料的制备及连接技术研究[D]. 秦明.浙江大学 2004
硕士论文
[1]湿热环境对CFRP层板性能影响及机理研究[D]. 巩天琛.中国民航大学 2017
本文编号：3025999
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/cailiaohuaxuelunwen/3025999.html
