面向难变形材料的机械-固相复合连接方法研究

轻量化是汽车节能减排的重要手段，综合考虑减重效果和材料成本，多材料混用成为汽车车身制造技术发展的必然趋势。然而，异种材料的混用使得连接工艺面临巨大挑战。本项目针对异种难变形材料自冲铆接无法形成可靠接头，以及搅拌摩擦点焊接头强度低等问题，以自冲铆接机械连接为基础，引入搅拌摩擦点焊固相连接机制，提出一种机械-固相复合连接新方法，通过铆钉高速旋转产生摩擦热软化金属，解决难变形材料机械连接时变形困难及固相连接强度低等问题，实现难变形异种材料可靠连接。项目通过建立考虑大变形、材料失效的接头形成过程热力耦合模型，研究了关键工艺参数对接头内摩擦热演化和分布的影响规律，揭示了热力耦合条件下铆钉与难变形材料的相互作用机理；通过建立机械-固相复合连接试验原型系统，揭示了摩擦热累积和演化对接头固相连接行为控制机理，并提出了提升接头机械连接与固相连接性能的工艺优化方法；通过接头拉剪实验，揭示了机械-固相复合对接头力学性能控制规律，并应用于铝合金/镁合金的连接，使铝合金/镁合金的自冲摩擦铆焊接头与自冲铆接接头相比拉剪强度提升近1倍。项目研究成果为自冲摩擦铆焊技术在轻量化车身中的应用奠定了重要的理论和应用基础。 截至2016年底，本项目相关内容共发表SCI论文11篇，国内外会议论文5篇，其中邀请报告2次，申请国家发明专利2项，并研制自冲摩擦铆焊试验机1台。研究成果在汽车用异种材料连接领域产生了较好的学术影响，也引起了企业的高度关注，具有较强的产业化前景。 2100433B

异种材料混用是汽车车身轻量化重要手段，传统电阻点焊工艺在异种材料连接时无法使用。目前异种材料连接主要采用自冲铆接和摩擦点焊，但对难变形材料，采用自冲铆接难以形成可靠接头，采用摩擦点焊则无法保证接头强度。项目提出一种机械-固相复合连接新方法，以自冲铆接机械连接为基础，引入摩擦点焊固相连接机制，通过铆钉高速旋转产生摩擦热软化金属，解决难变形材料机械连接时变形困难问题，实现难变形材料机械连接；通过摩擦热精确控制，实现铆钉与相邻材料的固相可靠连接，解决传统摩擦点焊残留工艺孔和搅拌针磨损问题。项目建立接头形成过程热力耦合模型，研究热力耦合条件下铆钉与难变形材料的匹配规律和变形机理；建立复合连接试验原型系统，探索摩擦热累积对接头固相连接控制机理；通过接头拉剪过程有限元仿真，揭示机械-固相复合对接头力学性能控制规律，形成难变形材料的机械-固相复合连接工艺，并应用于铝合金/镁合金、铝合金/高强钢的连接。

陶瓷基复合材料的连接方法专利目的

《陶瓷基复合材料的连接方法》为了克服专利背景中相关技术粘结降低连接件的可靠性；不适合大型复杂薄壁件的连接以及陶瓷基复合材料螺栓连接加工成本高；对陶瓷基复合材料的结构强度损伤较大；螺栓改变陶瓷基复合材料构件的表面形状等缺点，该发明提供一种复合材料的连接方法，这种类似金属铆接的陶瓷基复合材料连接方法，将粘结和紧固有机结合，充分发挥各自的优点。

陶瓷基复合材料的连接方法技术方案

《陶瓷基复合材料的连接方法》解决其技术问题所釆用的技术方案是：一种陶瓷基复合材料的连接方法，采用下述方法步骤：

（1）用碳纤维编制三维预制体，用平板石墨模具对碳纤维三维预制体进行定型，经过沉积热解炭界面层和碳化硅基体，完成三维C/SiC复合材料制备，用三维C/SiC复合材料加工铆钉；

（2）将需要连接的构件A与构件B组合配钻加工铆钉孔，铆钉孔为沿构件A与构件B的连接面对称向外的锥孔，锥度为10~20度；

（3）将铆钉用紧配合的方法与构件AB组装在一起；

（4）釆用化学气相渗透的方法在铆钉孔与铆钉之间沉积碳化硅；

（5）对铆接部位进行加工和修整，除掉铆钉的多余部分，使铆钉与构件A与构件B的外表面平齐；

（6）釆用化学气相沉积的方法在构件A与构件B的外表面制备碳化硅涂层，对铆接部位进行覆盖和保护。

所述的陶瓷基复合材料铆钉为沿纤维轴向夹角0~45度方向加工而成，铆钉的直径为Φ2~6毫米。

陶瓷基复合材料的连接方法改善效果

截至2004年7月27日，与相关技术相比，《陶瓷基复合材料的连接方法》的有益效果是：由于釆用了粘结和紧固相结合的陶瓷基复合材料连接方法，连接强度和可靠性高，使用温度不受影响；将陶瓷基复合材料的制造过程与连接过程融为一体，不需要增加新的连接设备与连接工艺，同时陶瓷基复合材料铆钉的加工成本远比陶瓷基复合材料螺栓低。因此，该发明工艺简单，连接成本低；用化学气相沉积的方法制备表面涂层，将铆接部位覆盖，使构件表面光滑过渡。因此，该发明对连接件的结构强度影响小且不改变构件表面形状；连接过程全部使用陶瓷基复合材料制造设备，在制造设备许可的范围内铆接的尺寸不受限制。因此，该发明对连接件的尺寸和形状限制小，适用于大型复杂薄壁构件的连接。

2021年6月24日，《陶瓷基复合材料的连接方法》获得第二十二届中国专利银奖。

《陶瓷基复合材料的连接方法》涉及一种复合材料的连接方法，特别是碳基和碳化硅陶瓷基复合材料的连接方法，主要适用于大型复杂薄壁和尺寸精度要求高的陶瓷基复合材料构件的连接。