热塑性纤维增强复合材料超声焊搭接接头及其设计方法
阅读说明：本技术 热塑性纤维增强复合材料超声焊搭接接头及其设计方法 (Ultrasonic welding lap joint of thermoplastic fiber reinforced composite material and design method thereof ) 是由 姚福林 景冲 陈钦方 褚泽南 李亮玉 刘海华 陈宝阔 张振华 于 2021-07-19 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种热塑性纤维增强复合材料超声焊搭接接头及其设计方法,属于纤维增强热塑性复合材料焊接技术领域,包括搭接接头本体,搭接接头本体的接缝呈“∽”形曲面,本发明基于三次样条插值曲线理论对纤维增强热塑性复合材料板的搭接接头进行设计,并将搭接接头的接缝制作成曲面形式,达到改善焊接质量、提升焊接强度的效果。本发明的搭接曲面是由若干节点通过三次样条插值生成的“∽”形接缝曲线进一步延展得来,“∽”形接缝曲线有两个极值点,通过这一设计能够有效改善接头焊点分布不均的问题,可实现热塑性纤维增强复合材料中厚板的焊接,且“∽”形搭接的熔融行为在焊件纵向多层中均有发生,能增大焊接熔深,有效改善接头区域的应力集中。(The invention discloses an ultrasonic welding overlap joint of a thermoplastic fiber reinforced composite material and a design method thereof, belonging to the technical field of welding of the fiber reinforced thermoplastic composite material. The lap joint curved surface is further extended by a S-shaped seam curve generated by a plurality of nodes through cubic spline interpolation, the S-shaped seam curve has two extreme points, the problem of uneven distribution of joint welding points can be effectively solved through the design, the welding of a thermoplastic fiber reinforced composite medium plate can be realized, the S-shaped lap joint melting behavior occurs in multiple layers of the longitudinal direction of a welding piece, the welding penetration can be increased, and the stress concentration of a joint area can be effectively improved.)
技术领域
本发明属于纤维增强热塑性复合材料焊接技术领域，主要是涉及一种热塑性纤维增强复合材料超声焊搭接接头及其设计方法。
背景技术
纤维增强热塑性复合材料正成为新一代轻量化材料，由于其优越的综合力学性能(高比强度、高比模量、抗疲劳性好、低热膨胀系数等)，较低的生产成本(可注塑、挤压或模压)和装配成本(可焊接)，以及可回收再利用，受到了越来越广泛的关注。有效的连接技术是实现纤维增强热塑性复合材料大规模工业应用的关键性技术之一。
由于纤维增强热塑性复合材料的热塑性基体具有很高的粘度，限制了其构件的成型加工尺寸，因此需要高效的连接技术来实现纤维增强复合材料板材的拼接。目前已有的连接技术中，胶接需要进行表面处理，额外烘烤，对操作环境也有要求；铆接会产生应力集中，容易电化学腐蚀，还会产生额外的重量；焊接有电阻焊，感应焊和超声波焊，而超声波焊接由于清洁高效，操作灵活，被认为是最适合焊接热塑性材料的方法。
超声波焊接纤维增强热塑性复合材料的过程中，传统接头多采用平面搭接、阶梯式搭接等形式，由于超声波焊接高频振动所产生的能量在接头区域纵向传播，使得传统阶梯式搭接形式接头区域的熔融行为集中发生在水平方向的接触面上，接头纵向接触部位存在熔融不完全现象，在受到载荷作用时易出现应力集中等缺陷，从而导致阶梯式接头力学性能及稳定性受到影响；其次接头部位焊点分布不均，不能形成理想焊缝，对接头性能同样会产生影响。
现有的解决方案需要在接头平面注塑导能筋，加速升热以改善焊点分布不均的问题，增加了焊接成本。此外，现有的超声波焊接工艺及方法大多针对厚度4mm左右的纤维增强热塑性复合材料薄板的焊接，而对于热塑性复合材料中厚板构件的焊接工艺及接头设计方法少有相关文献报道。
发明内容
针对目前复合材料超声波焊接过程中，接头区域焊点分布不均且难以实现中厚板构件焊接的问题，本发明提供一种工艺简单，焊接效果好，适用性强，能够有效改善接头焊点分布不均，并可实现热塑性纤维增强复合材料中厚板焊接的热塑性纤维增强复合材料超声焊搭接接头及其设计方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种热塑性纤维增强复合材料超声焊搭接接头，包括搭接接头本体，所述搭接接头本体的接缝呈“∽”形曲面。
所述“∽”形曲面的接缝曲线有两个极值点。
一种热塑性纤维增强复合材料超声焊搭接接头的设计方法，其特征在于：其步骤包括：
步骤(1)确定搭接长度：根据两个热塑性纤维增强复合材料待焊件的材料属性及厚度尺寸，确定合适的搭接区域长度；
步骤(2)选取曲线节点：考虑热塑性纤维增强复合材料待焊件的厚度、能量传输效率和焊接后的接头强度，选取“∽”形接缝曲线所需的若干个节点；
步骤(3)计算接头曲线：采用三次样条曲线对步骤(2)所选取的若干个节点进行插值计算；
步骤(4)构建接头曲面：利用步骤(3)得到的三次样条曲线延展构建接头曲面模型；
步骤(5)形成搭接接头：将两个热塑性纤维增强复合材料待焊件的接头曲面对接，最终形成“∽”形曲面搭接接头。
优选地，所述两个热塑性纤维增强复合材料待焊件均为碳纤维增强PEEK板。
在步骤(1)中，确定搭接区域长度时还需确定焊接设备的额定功率。
在步骤(2)中，以接头区域的外侧端面下部顶点为原点建立直角坐标系，由搭接区域长度确定端部节点坐标，将焊头放置于搭接区域中线的上方，由焊头左右两侧边缘和中心位置确定内部节点横坐标；由搭接区域厚度确定内部节点纵坐标。
在步骤(3)中，将所述节点利用三次样条插值得到接缝曲线方程S(x)。
优选地，热塑性纤维增强复合材料待焊件厚度为8～15mm。当焊件厚度小于8mm时，焊件会出现过度熔融、变形坍塌甚至被击穿等现象；当焊件厚度大于15mm时，会焊接不牢，焊接强度达不到要求。
优选地，搭接区域长度为20～30mm。超声波焊接的面积大小决定了焊接能量的分散程度，当搭接长度大于30mm时，能量会过于分散，会出现接头熔融不完全、不均匀现象，当搭接长度小于20mm时会增加接头曲线的加工难度。
优选地，焊头直径为14～20mm。焊头大小由焊接面积也即本发明中的搭接长度决定，由搭接长度范围20～30mm选定焊头直径范围为14～20mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明“∽”形搭接的熔融行为在焊件纵向多层中均有发生，能增大焊接熔深，且碳纤维良好的导热作用可使母材的热塑性基体融化更快、更均匀，层中碳纤维在焊接时也会发生缠结、交织，能有效提高接头强度。由于“∽”形搭接接触面积更大，摩擦产热更多，接缝过渡更加平滑，能有效改善接头区域的应力集中。此外，“∽”形搭接工艺简单，焊点分布均匀，适用性强，在相同能量输入条件下可增大待焊接构件的厚度，使相同能量输入条件下复合材料中厚板的可焊性得到提高。
附图说明
下面通过参考附图并结合实例具体地描述本发明，本发明的优点和实现方式将会更加明显，其中附图所示内容仅用于对本发明的解释说明，而不构成对本发明的任何意义上的限制，在附图中：
图1为本发明相同厚度板搭接示意图
图2为本发明不同厚度板搭接示意图
图3为本发明相同板厚时的三次样条插值曲线
图4为本发明不同板厚时的三次样条插值曲线
图5为本发明下板示意图
图6为本发明上板示意图
图中：
1、上板 2、下板 3、超声波焊头
具体实施方式
下面结合实施例及其附图进一步叙述本发明：
本发明所选用的多功能超声波焊接机额定功率为2.6KW，额定频率为20KHz。
实施例1：如图1、图3、图5和图6所示，
本实施例设计的热塑性纤维增强复合材料超声焊搭接接头，接头区域内上板1与下板2之间采用多段式曲面搭接形成搭接接头本体，搭接接头本体的接缝呈“∽”形曲面。
上板1和下板2的材料均为尺寸100mm×30mm×10mm的碳纤维增强PEEK板，焊接时，超声波焊头3以一定压力施加在接头正上方，如图1所示。“∽”形曲面是由若干节点的三次样条插值生成的“∽”形接缝曲线进一步延展得来，“∽”形接缝曲线有两个极值点。
本实施例热塑性纤维增强复合材料超声焊搭接接头的设计方法，步骤如下：
步骤(1)确定搭接区域长度：当上板1和下板2厚度相同且厚度均为10mm时，考虑到所选焊接设备的功率以及接头曲线加工难度，选取搭接区域长度为25mm，再由搭接区域长度选取超声波焊头3直径为15mm；
步骤(2)选取曲线节点：首先以上板1中接头区域的外侧端面下部顶点为原点建立图3所示的直角坐标系，由搭接区域长度确定节点A(0，10)和E(25，0)；因超声波焊头3底部覆盖下的焊件区域为焊接过程中熔融行为发生的主要区域，故将超声波焊头3放置于搭接区域中线的上方，如图3所示，由超声波焊头3左右两侧边缘确定节点B、D的横坐标，超声波焊头3中心确定节点C的横坐标。为保证焊接过程中能量传输稳定、焊点分布均匀，且搭接区域上下焊件厚度相近，取B、C、D三节点的纵坐标为5，故有节点B(5，5)，节点C(12.5，5)节点D(20，5)；
步骤(3)计算接头曲线：将步骤(2)中选取的五个节点利用三次样条插值得到接缝曲线方程S(x)；
步骤(4)构建接头曲面：利用步骤(3)计算得到的接头曲线方程S(x)进行水平方向延展并构建接头曲面的三维模型；
步骤(5)形成搭接接头：将上板1和下板2的接头曲面的对接，最终形成“∽”形曲面搭接接头。
生成本实施例中“∽”形曲面接头，其关键在于设计并计算出相应的接头曲线(参见图3)，因此本发明为得出曲线方程S(x)进行了详细的计算。
设给定y＝f(x)节点(xi,f(xi)),(i＝0,1,…n)且S(xi)＝f(xi)，令S(x)＝Sj(x),x∈[xj,xj+1]，其中Sj(x)是三次插值样条函数，所以Sj”(x)在[xj,xj+1]上是一次函数，由拉格朗日插值可知：
hj＝xj+1-xj,S”(xj)＝Mj,(j＝0,1,…n)
对上式积分可得：
再积分得：
由条件S(xj)＝yj,S(xj+1)＝yj+1，确定积分常数c1,c2。
将c1,c2代入公式(1)可得三次样条插值函数得表达式：
式(2)中，x∈[xj,xj+1]
为了确定M0,…,Mn,要用导数连续条件S'(xj+0)＝S'(xj-0),对S(x)求导可得：
同理可得：
将S'(xj+0)、S'(xj-0)分别代入公式(3)(4)并令二者相等可得：
令
故公式(6)代入公式(5)可得：
μjMj-1+2Mj+λjMj+1＝dj,j＝1,…,n-1
即为：
对于上述实施例1，所取5个节点：
x0＝0,x1＝5,x2＝12.5,x3＝20,x4＝25
y＝f(x),f(x0)＝10,f(x1)＝5,f(x2)＝5,f(x3)＝5,f(x4)＝0
给定边界条件：
S”(x0)＝M0＝f0”,S”(xn)＝Mn＝fn”
故方程(7)可写为：
对于本例只需满足f0”＞0(起始段曲线为凹函数)，fn”＜0(末尾段曲线为凸函数)即可，特别地，由于本例所取五个节点关于点C中心对称，当f0”＝-fn”时，所求曲线也会关于节点C中心对称，本例取M0＝f0”＝0.3,Mn＝fn”＝-0.4。
根据公式(6)有：
λ1＝0.6,λ2＝0.5,λ3＝0.4
μ1＝0.4,μ2＝0.5,μ3＝0.6
d1＝0.48,d2＝0,d3＝-0.48
将上述数据代入式(8)可得：
解得：M1＝0.1818,M2＝-0.0059,M3＝-0.1582
根据公式(2)可得三次样条插值曲线表达式：
实施例2：如图2、图4至图6所示，
本实施例设计的热塑性纤维增强复合材料超声焊搭接接头，接头区域内上板1与下板2之间采用多段式曲面搭接形成搭接接头本体，搭接接头本体的接缝呈“∽”形曲面。
上板1和下板2的材料均为碳纤维增强PEEK板，其中，上板1的尺寸规格为100mm×30mm×12mm，下板2的尺寸规格为100mm×30mm×10mm。焊接时，超声波焊头3以一定压力施加在接头正上方，如图2所示。“∽”形曲面是由对若干节点的三次样条插值生成的“∽”形接缝曲线进一步延展得来，“∽”形接缝曲线有两个极值点。
本实施例热塑性纤维增强复合材料超声焊搭接接头的设计方法，步骤如下：
步骤(1)确定搭接区域长度：对于厚度为12mm的上板1和厚度为10mm的下板2，考虑到所选焊接设备的功率以及接头曲线加工难度，选取搭接区域长度为25mm，再由搭接区域长度选取超声波焊头3直径为15mm；
步骤(2)选取曲线节点：首先以上板1中接头区域的外侧端面下部顶点为原点建立图4所示的直角坐标系，由搭接区域长度确定节点A(0，10)和D(25，0)；因超声波焊头3覆盖下的焊件区域为焊接过程中熔融行为发生的主要区域，故将超声波焊头3放置于搭接区域中线的上方，如图4所示，由超声波焊头3左右两侧边缘确定节点B、C的横坐标，再取B、C两节点的纵坐标为6，使搭接区域上下焊件厚度相近，以保证焊接过程中能量传输稳定、焊点分布均匀，故有节点B(5，6)，节点C(20，6)。
步骤(3)计算接头曲线：将步骤(2)中选取的四个节点利用三次样条插值得到接缝曲线方程S(x)；
步骤(4)构建接头曲面：利用步骤(3)计算得到的接头曲线方程S(x)进行水平方向延展并构建接头曲面的三维模型；
步骤(5)形成搭接接头：将上板1和下板2的接头曲面的对接，最终形成“∽”形曲面搭接接头。
生成本实施例中“∽”形曲面接头，其关键在于设计出相应的接头曲线(参见图4)。
针对上述实施例所取4个节点：
x0＝0,x1＝5,x2＝20,x3＝25
y＝f(x),f(x0)＝10,f(x1)＝6,f(x2)＝6,f(x3)＝0
给定边界条件：
S”(x0)＝M0＝f0”,S”(xn)＝Mn＝fn”
对于本例只需满足f0”＞0(起始段曲线为凹函数)，fn”＜0(末尾段曲线为凸函数)即可，本例取M0＝f0”＝0.4,Mn＝fn”＝-0.5。
根据公式(6)有：
λ1＝0.75,λ2＝0.25
μ1＝0.25,μ2＝0.75
d1＝0.24,d2＝-0.36
将上述数据代入式(8)可得：
解得：M1＝0.1327,M2＝-0.1673
根据公式(2)可得三次样条插值曲线表达式：
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：一种电子价签自动超声波压接设备