【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及金属材料与碳纤热塑复合材料的连接领域，特别是一种金属和碳纤热塑复合材料的连接结构、固定加载台、焊接设备及焊接工艺。
技术介绍
1、碳纤热塑复合材料是一种碳纤维增强的高分子复合材料，其高的比强度、优异的耐候性和低密度，使之成为交通载具节能提效的最优候选材料之一，在交通运输、海空航天等领域展现出极具吸引力的应用前景。虽然碳纤热塑复合材料展现出优异的性能和广阔的应用前景，但是其完全取代现有的金属结构仍然存在诸多问题。通过部分零部件的替代是推动碳纤热塑复合材料应用，并改善现有运载工具能效比的重要手段。目前碳纤热塑复合材料已经在最新的大型客机上大比例应用，显著降低了飞行能耗。然而，如何实现碳纤热塑复合材料与现有运载工具金属构件的连接仍然是一个大问题。
2、目前，常用的连接方式是铆接，其随时可以实现碳纤热塑复合材料和金属构件的连接，但是密集的铆接孔会破坏碳纤维的连续性，导致失效沿铆接孔向外扩展，降低碳纤维的承载能力。胶粘工艺虽然不会破坏碳纤热塑复合材料的结构连续性，但是胶粘层的结合力较低，且容易老化，难以应对高载荷条件下的应用。相对而言，激光连接展现出更具应用前景的效果，其不需破坏碳纤热塑复合材料的结构连续性，又能实现界面的致密性连接。但是，金属和碳纤热塑复合材料巨大的材质结构和物理化学性能差异，导致连接界面难以形成分子或原子键合，从而无法获得高的连接强度。
3、而且，单一的搭接连接头容易在受力的过程中产生剪切效应，极易导致连接界面的失效。因此，优化金属和碳纤热塑复合材料的连接头结构和开发更加合理的辅助
4、虽然现有技术公开了一些金属和碳纤热塑复合材料的激光焊接方法，但是没有解决接头失效模式，也没有获得强度的成倍提高，而且相关的压力加载不够均匀，部件定位不精准，无法实现金属和碳纤热塑复合材料高质量、高效率的加工。
5、综上，现有的技术存在金属和碳纤热塑复合材料的连接强度不足，容易出现连接失效、稳定性及可靠性不足等技术缺陷，所述种种缺陷严重限制了本领域的进一步发展及推广应用。
6、有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种新的技术方案以解决现存的技术问题。
技术实现思路
1、为了克服现有技术的不足，本专利技术提供一种金属和碳纤热塑复合材料的连接结构、固定加载台、焊接设备及焊接工艺，有效解决了现有金属和碳纤热塑复合材料连接技术存在的连接强度不足，容易出现连接失效、稳定性及可靠性不足等技术缺陷。
2、本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：
3、一种金属和碳纤热塑复合材料的连接结构，包括金属连接强化结构、金属板及碳纤热塑复合材料板，其中，所述金属连接强化结构为z形结构，所述z形结构在所述金属连接强化结构上形成定位阶梯、第一焊接面及第二焊接面，所述金属板上具有金属板焊接面，所述金属板焊接面具有第一区域及第二区域，所述碳纤热塑复合材料板定位在所述金属连接强化结构的定位阶梯处并位于所述金属连接强化结构与所述金属板之间，所述金属连接强化结构的第一焊接面与所述金属板的金属板焊接面上的第一区域焊接连接，所述金属连接强化结构的第二焊接面与所述碳纤维热塑复合材料板的第一面焊接连接，所述金属板的金属板焊接面上的第二区域与所述碳纤维热塑复合材料板的第二面焊接连接。
4、作为上述技术方案的进一步改进，所述金属连接强化结构的第二焊接面及所述金属板的金属板焊接面上的第二区域上均设置有微槽织构。
5、作为上述技术方案的进一步改进，所述第二焊接面及所述金属板焊接面上的第二区域上的微槽织构的间距为30-80μm，宽度为10-50μm，深度为15-150μm。
6、作为上述技术方案的进一步改进，所述金属连接强化结构及金属板为铝合金或镁合金，其厚度2-8mm。
7、作为上述技术方案的进一步改进，所述碳纤热塑复合材料板为连续碳纤维增强的聚酰胺、聚芳醚酮、聚酰亚胺中的一种，碳纤热塑复合材料板的厚度范围2-8mm。
8、作为上述技术方案的进一步改进，所述金属连接强化结构上的定位阶梯的阶梯高度与所述碳纤热塑复合材料板的厚度相同。
9、作为上述技术方案的进一步改进，通过激光焊接的方式实现所述金属连接强化结构、金属板及碳纤热塑复合材料板之间的相互焊接连接。
10、作为上述技术方案的进一步改进，所述金属连接强化结构的第二焊接面与所述碳纤热塑复合材料板)的第一面之间及所述金属板焊接面的第二区域与所述碳纤热塑复合材料板的第二面之间设置有高分子膜
11、本专利技术还提供了：
12、一种金属和碳纤热塑复合材料的固定加载台，所述固定加载台用于实现所述的金属和碳纤热塑复合材料的连接结构的固定加载，其包括上固定加载台及下固定加载台，其中，所述上固定加载台用于固定所述金属连接强化结构，所述下固定加载台用于固定所述金属板，所述上固定加载台上开设有上加载台第一焊接腔及上加载台第二焊接腔，所述下固定加载台上开设有下加载台第一焊接腔，所述上加载台第一焊接腔用于进行所述金属连接强化结构的第一焊接面与所述金属板焊接面上的第一区域的焊接工作，所述上加载台第二焊接腔用于进行所述金属连接强化结构的第二焊接面与所述碳纤热塑复合材料板的第一面的焊接工作，通过所述下加载台第一焊接腔用于进行所述金属焊接面的第二区域与所述碳纤热塑复合材料板的第二面的焊接工作。
13、作为上述技术方案的进一步改进，所述上固定加载台内部设置有上保护气体输送管路，所述上保护气体输送管路与外部保护气体输送源连接并与所述上加载台第一焊接腔及上加载台第二焊接腔连通；
14、所述下固定加载台内部设置有下保护气体输送管路，所述下保护气体输送管路与外部保护气体输送源连接并与所述下加载台第一焊接腔连通。
15、作为上述技术方案的进一步改进，所述上固定加载台具有加载面且所述上固定加载台的加载面为形状适配所述金属连接强化结构的异型表面，所述下固定加载台具有加载面且所述下固定加载台的加载面为形状适配所述金属板的异型表面。
16、作为上述技术方案的进一步改进，所述上固定加载台的加载面上具有上定位凹位，所述上定位凹位在上固定加载台上形成有上加载台卡位凸台，所述上定位凹位及上加载台卡位凸台用于定位金属连接强化结构，所述下固定加载台的加载面上具有下定位凹位，所述下定位凹位在所述下固定加载台上形成有下加载台卡位凸台，所述下定位凹位及下加载台卡位凸台用于定位金属板。
17、本专利技术还提供了：
18、一种金属和碳纤热塑复合材料的焊接设备，包括所述的金属和碳纤热塑复合材料的固定加载台，还包括配合使用的激光焊接设备及荷载施加机构，所述金属和碳纤热塑复合材料的固定加载台用于实现所述的金属和碳纤热塑复合材料的连接结构的固定加载工作，所述激光焊接设备用于实现所述金属连接强化结构、金属板及碳纤热塑复合材料板的相互焊接连接，所述荷载施加机构用于在所述上固定加载台与本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种金属和碳纤热塑复合材料的连接结构，其特征在于：包括金属连接强化结构(1)、金属板(2)及碳纤热塑复合材料板(3)，其中，所述金属连接强化结构(1)为Z形结构，所述Z形结构在所述金属连接强化结构(1)上形成定位阶梯(13)、第一焊接面(11)及第二焊接面(12)，所述金属板(2)上具有金属板焊接面(21)，所述金属板焊接面(21)具有第一区域及第二区域，所述碳纤热塑复合材料板(3)定位在所述金属连接强化结构(1)的定位阶梯(13)处并位于所述金属连接强化结构(1)与所述金属板(2)之间，所述金属连接强化结构(1)的第一焊接面(11)与所述金属板(2)的金属板焊接面(21)上的第一区域焊接连接，所述金属连接强化结构(1)的第二焊接面(12)与所述碳纤维热塑复合材料板(3)的第一面焊接连接，所述金属板(2)的金属板焊接面(21)上的第二区域与所述碳纤维热塑复合材料板(3)的第二面焊接连接。
2.根据权利要求1所述的一种金属和碳纤热塑复合材料的连接结构，其特征在于：所述金属连接强化结构(1)的第二焊接面(12)及所述金属板(2)的金属板焊接面(21)上的第二区域上均设
3.根据权利要求1-2任一项所述的一种金属和碳纤热塑复合材料的连接结构，其特征在于：所述金属连接强化结构(1)的第二焊接面(12)与所述碳纤热塑复合材料板(3)的第一面之间及所述金属板焊接面(21)的第二区域与所述碳纤热塑复合材料板(3)的第二面之间设置有高分子膜(5)。
4.一种金属和碳纤热塑复合材料的固定加载台，其特征在于：所述固定加载台用于实现权利要求1-3任一项所述的金属和碳纤热塑复合材料的连接结构的固定加载，其包括上固定加载台(61)及下固定加载台(62)，其中，所述上固定加载台(61)用于固定所述金属连接强化结构(1)，所述下固定加载台(62)用于固定所述金属板(2)，所述上固定加载台(61)上开设有上加载台第一焊接腔(611)及上加载台第二焊接腔(612)，所述下固定加载台(62)上开设有下加载台第一焊接腔(621)，所述上加载台第一焊接腔(611)用于进行所述金属连接强化结构(1)的第一焊接面(11)与所述金属板焊接面(21)上的第一区域的焊接工作，所述上加载台第二焊接腔(612)用于进行所述金属连接强化结构(1)的第二焊接面(12)与所述碳纤热塑复合材料板(3)的第一面的焊接工作，通过所述下加载台第一焊接腔(621)用于进行所述金属焊接面(21)的第二区域与所述碳纤热塑复合材料板(3)的第二面的焊接工作。
5.根据权利要求4所述的一种金属和碳纤热塑复合材料的固定加载台，其特征在于：所述上固定加载台(61)内部设置有上保护气体输送管路，所述上保护气体输送管路与外部保护气体输送源连接并与所述上加载台第一焊接腔(611)及上加载台第二焊接腔(612)连通；
6.根据权利要求4所述的一种金属和碳纤热塑复合材料的固定加载台，其特征在于：所述上固定加载台(61)具有加载面且所述上固定加载台(61)的加载面为形状适配所述金属连接强化结构(1)的异型表面，所述下固定加载台(62)具有加载面且所述下固定加载台(62)的加载面为形状适配所述金属板(2)的异型表面；
7.一种金属和碳纤热塑复合材料的焊接设备，其特征在于：包括权利要求4-6任一项所述的金属和碳纤热塑复合材料的固定加载台，还包括配合使用的激光焊接设备及荷载施加机构，所述金属和碳纤热塑复合材料的固定加载台用于实现权利要求1-3任一项所述的金属和碳纤热塑复合材料的连接结构的固定加载工作，所述激光焊接设备用于实现所述金属连接强化结构(1)、金属板(2)及碳纤热塑复合材料板(3)的相互焊接连接，所述荷载施加机构用于在所述上固定加载台(61)与所述下固定加载台(62)之间施加预设荷载。
8.根据权利要求7所述的一种金属和碳纤热塑复合材料的焊接设备，其特征在于：还包括配套的机械手，所述机械手用于实现所述上固定加载台(61)、下固定加载台(62)及所述激光焊接设备的自动运转；
9.一种金属和碳纤热塑复合材料的焊接工艺，其特征在于：采用权利要求7-8任一项所述的金属和碳纤热塑复合材料的焊接设备完成焊接工作，包括以下的步骤：
10.据权利要求9所述的一种金属和碳纤热塑复合材料的焊接工艺，其特征在于：所述载施加机构对所述上固定加载台(61)及所述下固定加载台(62)施加的荷载压力是可调的，荷载压力的调节范围为1000N-5000N；
...【技术特征摘要】
1.一种金属和碳纤热塑复合材料的连接结构，其特征在于：包括金属连接强化结构(1)、金属板(2)及碳纤热塑复合材料板(3)，其中，所述金属连接强化结构(1)为z形结构，所述z形结构在所述金属连接强化结构(1)上形成定位阶梯(13)、第一焊接面(11)及第二焊接面(12)，所述金属板(2)上具有金属板焊接面(21)，所述金属板焊接面(21)具有第一区域及第二区域，所述碳纤热塑复合材料板(3)定位在所述金属连接强化结构(1)的定位阶梯(13)处并位于所述金属连接强化结构(1)与所述金属板(2)之间，所述金属连接强化结构(1)的第一焊接面(11)与所述金属板(2)的金属板焊接面(21)上的第一区域焊接连接，所述金属连接强化结构(1)的第二焊接面(12)与所述碳纤维热塑复合材料板(3)的第一面焊接连接，所述金属板(2)的金属板焊接面(21)上的第二区域与所述碳纤维热塑复合材料板(3)的第二面焊接连接。
2.根据权利要求1所述的一种金属和碳纤热塑复合材料的连接结构，其特征在于：所述金属连接强化结构(1)的第二焊接面(12)及所述金属板(2)的金属板焊接面(21)上的第二区域上均设置有微槽织构(4)；
3.根据权利要求1-2任一项所述的一种金属和碳纤热塑复合材料的连接结构，其特征在于：所述金属连接强化结构(1)的第二焊接面(12)与所述碳纤热塑复合材料板(3)的第一面之间及所述金属板焊接面(21)的第二区域与所述碳纤热塑复合材料板(3)的第二面之间设置有高分子膜(5)。
4.一种金属和碳纤热塑复合材料的固定加载台，其特征在于：所述固定加载台用于实现权利要求1-3任一项所述的金属和碳纤热塑复合材料的连接结构的固定加载，其包括上固定加载台(61)及下固定加载台(62)，其中，所述上固定加载台(61)用于固定所述金属连接强化结构(1)，所述下固定加载台(62)用于固定所述金属板(2)，所述上固定加载台(61)上开设有上加载台第一焊接腔(611)及上加载台第二焊接腔(612)，所述下固定加载台(62)上开设有下加载台第一焊接腔(621)，所述上加载台第一焊接腔(611)用于进行所述金属连接强化结构(1)的第一焊接面(11)与所述金属板焊接面(21)上的第一区域的焊接工作...
【专利技术属性】
技术研发人员：盛立远，焦俊科，温敏，肖忆楠，
申请(专利权)人：深港产学研基地北京大学香港科技大学深圳研修院，
类型：发明
国别省市：
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