适用于点焊的CFRP-金属零件的复合材料RTM制造工艺

2019-12-17 09:46 142 0 来自: 汽车轻量化在线
简介
德国wbk生产科学研究所(wbk Institute of Production Science)正在开发一种使用树脂传递模塑的制造工艺,该工艺能够以纤维相容的方式将可焊接传力元件嵌入纤维复合材料组件中。这使得可以使用传统的点焊轻松地将其 ...

德国wbk生产科学研究所(wbk Institute of Production Science)正在开发一种使用树脂传递模塑的制造工艺,该工艺能够以纤维相容的方式将可焊接传力元件嵌入纤维复合材料组件中。这使得可以使用传统的点焊轻松地将其连接到钢制部件上,并为多材料设计的车身应用开辟新的可能性。

纤维增强塑料(FRP)在车身工程中的应用

纤维增强塑料(FRP)使用量的不断增加旨在实现对强度和刚度有很高要求但重量轻的承重结构,例如轻型汽车车身设计。根据当前部件要求,通过FRP和金属部件的目标组合,可以实现经济合理的实施。近期的典型案例(例如奥迪A8或宝马7系)展示了多材料设计也可以成为大规模生产的一项有趣的选择。

对于大多数采用树脂传递模塑(RTM)工艺制造的CFRP构件,连接技术具有特别重要的意义。由于具备自动化程度高、每个连接点的成本极低的特点,电阻点焊成为结构工程的首选连接技术。然而,在实际应用中,为了充分连接FRP部件和金属部件,必须采用进一步的连接工艺。进一步的连接工艺通常会产生额外的开发和安装成本,进而对使用FRP-金属组件的混合结构的成本产生负面影响。

可焊接嵌入件

可焊嵌入件功能实现的关键是与连接件和焊接电极的可靠接触,如图1所示。这只能通过适用于工具顶部和底部的工具概念来实现,这样可以在组件生产过程中使焊接区域定心、避免接触纤维和基体以对其进行密封。本文提出了RTM工艺中可焊嵌入件的不同底部和顶部模具概念,并在实验样品生产的基础上进行了比较,并评估其是否适合大规模批量生产。以下介绍了RTM工具底部和顶部焊接区域的定心和密封的不同概念。

可焊接插件为使用电阻点焊连接FRP组件和金属零件提供了可能性。 这些嵌件已经可以在使用RTM工艺的零件制造过程中结合到复合材料零件中。由于纤维局部偏转而不被切穿,因此可以在连接区域实现最佳的机械性能。纤维的挠曲发生在纤维半成品的预成型过程中。 可以将纤维预成型件和嵌件一起放入两件式模具中。 在闭合上部和下部工具侧之后,开始用树脂硬化剂混合物浸透预型件。混合物在规定的温度、时间和压力下硬化之后,可以将组件移开并重新开始该过程。

为了实现可焊接嵌件的功能,至关重要的是与待连接件和焊接电极的可靠接触,见图1。这只能通过对工具的顶部和底部使用合适的工具概念来实现。在本研究中,提出了在RTM工艺过程中对嵌入件进行过嵌入的不同的底部和顶部概念,并在实验样品生产的基础上进行了比较,并评估其是否适合大规模批量生产。


「前沿」适用于点焊的CFRP-金属零件的复合材料RTM制造工艺

底部模具概念

在RTM工艺中进行零件生产时,首先将可焊接嵌件和预成型件放入底部模具,并在密封装置和嵌件之间建立接触。同时,要进行对中定心,以避免随后的加工方式使嵌件滑动。图2展示了四个选定的底部模具概念(BCs)。在每种情况下,对嵌入件有效焊接区域的密封面均用颜色标记。


「前沿」适用于点焊的CFRP-金属零件的复合材料RTM制造工艺

BC1的特点是有一个密封印章(sealing stamp),旨在确保焊接表面的密封和嵌件的对中。由图2(BC1)所示,橡胶制成的密封垫安装在工具的圆柱形凹槽中,并伸出工具的底部。通过将嵌入件插入密封模中,在下部焊接区域和模之间建立了接触,最终密封水平表面。在本例中,密封模和嵌件的接触面积大小为8 mm。

BC2有一个类似于UK1的密封印章,用于密封嵌入件焊接区域,但位置较低,直径较大,为10 mm。如图2(BC2)所示。

BC3通过一个从工具底部伸出的金属销实现嵌入件的对中。销的形状匹配嵌入件的背面。由NBR(丁腈橡胶)制成的O型圈,其线厚为1.6mm,外径为12.2mm,固定在销钉颈部周围的圆周槽中。选择O形圈的直径时应确保嵌入件背面的倾斜区域能密封。通过这种配置,在RTM过程中会稍微挤压O形圈,从而产生图2(BC3)所示的倾斜密封面。

BC4遵循与BC3相同的基本原理,但是使用了外径为13 mm的密封环。这会将密封表面移到嵌入件背面的水平区域,图2(BC4)。

顶部模具概念

为了确保密封和定心对中,选择了两个不同的顶部模具概念(TC1、TC2)。图3用开半模和闭半模示意了这两个概念。


「前沿」适用于点焊的CFRP-金属零件的复合材料RTM制造工艺

TC1在工具顶部使用一个可垂直移动的活塞作为中心元件。当工具打开时,活塞通过弹簧保持在下部位置。当模具关闭时,适合于嵌入件形状的活塞底部首先与嵌入件接触并确保其精确居中。当半模具进一步关闭时,顶部的O形圈会阻止预成型纤维进入焊接区域。在工具完全关闭的情况下,弹簧被压紧,活塞处于其上部位置。带有水平密封表面的压紧O形圈可在组件浸透过程中提供密封,见图3(TC1)。在硬化并打开半模后,压紧的活塞返回其初始位置,该过程可以重新开始。

TC2实现了类似于TC1的水平密封表面,该表面由O形圈形成。根据这一概念,在完全关闭半模之前,由金属尖端(图3(TC2))中的磁体压紧O形圈。该过程可以在上游的预成型步骤中使用,以引导单个纤维层围绕嵌件的焊接表面。关闭模具时,部件被浸透。硬化后,半模打开,完成的组件以及尖端均可卸下。

可焊接CFRP-金属混合组件的生产

本研究中提出的工具概念已经可以在技术上实现。并且在RTM工艺过程中,针对每个概念研究人员制作了示例,以比较这些概念的功能。排除上半部模具和下半部模具之间的相互影响。

对于每个样品,在初始预成型步骤中,将八层Toray Industries的双轴CBX200碳纤维织物对称堆叠。用直径为13.5 mm的金属心轴和20°的尖角进行开孔以保持焊接区域畅通。将嵌件放置在尺寸为150×150×2mm3的样品中央,在随后的浸透预成型件和嵌件的步骤中,选择了Sika Deutschland的树脂硬化剂系统CR170 / CH 150-3,渗透压力为9.0 bar,模具温度为70°C。在90分钟的固化时间后将成分除去。

评定

使用两个评估标准来评估各个概念。 一方面,检查是否可以保证焊接表面未被污染,因为这是FRP-金属接头可焊接性的前提。 另一方面,评估了这些概念的自动化潜力。

Ø 焊接表面

只有在组件制造后嵌入件的焊接区域保持无基体和纤维残留物的情况下,才能确保制造的混合组件的可焊接性。焊接表面的污染见图4。


「前沿」适用于点焊的CFRP-金属零件的复合材料RTM制造工艺


Ø 自动化潜力

简单的自动化对于大规模生产中使用的工具解决方案是至关重要。工具概念的自动化潜力取决于密封件更换的难易程度和频率,以及故障是否会导致相应的损坏。评估还包括管理的松散性,及是否需要额外的组件。总之,对每个概念的自动化潜力进行了评估,其中0%表示自动化程度很差,而100%表示易于自动化。


表1总结了可焊接性和自动化程度的评估结果。带有O形圈的系统因使用寿命更长而被归类为可自动化程度更高的系统。从比较中可以得出结论,BC4和TC1代表了最有希望应用的概念。


「前沿」适用于点焊的CFRP-金属零件的复合材料RTM制造工艺


应用案例



研究人员测试了概念BC4和TC1。 RTM组件的几何形状基于BMW 7系列的后车顶横梁(上图)。 将彼此间隔50毫米的三个可焊接嵌入件嵌入纤维复合材料中。原始的零件是通过铆钉-胶合接头连接到金属-金属中间件,然后通过点焊将其连接到钢的其余部分。 可焊接插件的使用使车顶横梁能够直接连接到钢制车身上,省去了金属中间件、铆钉-胶接连接过程。


研究人员与Rayce EURL(ARaymond的技术中心)合作,开发了负载优化的嵌件,图5(左)。根据AWS D8.1M:2013 [1,2],可传递的焊头拉力和剪切拉力高于焊接点要求。为了实现功能,为顶部模具选择了与新的嵌件几何形状相匹配的外径为13.5 mm的密封圈。通过将内径增加到19 mm,将底部模具中O形圈的位置移到插入件的纯水平区域。图5(右)显示了模具中的安装情况。


「前沿」适用于点焊的CFRP-金属零件的复合材料RTM制造工艺


为了进一步进行测试,制造了12个样件,因此,嵌入了36个可焊接嵌件。图6展示了移除嵌件后靠近嵌件的区域。对于所有嵌件,均未检测到影响样品可焊性的纤维或基质残留物。此外,未观察到几个紧密间隔的嵌件的负面影响,因此可以认为车身构造中典型的50mm焊接点距离与可焊接嵌件兼容。


「前沿」适用于点焊的CFRP-金属零件的复合材料RTM制造工艺


总结

在多种材料设计的背景下,可焊接嵌件技术可以经济地实现FRP与金属的连接。实践证明,该生产技术能够集成到大规模生产的实际应用中,这一点在实际测试中已得到证明。未来的研究方向集中在以下2个方面:一方面是与纤维复合材料焊接工艺的设计有关,从而使无损伤焊接成为可能。另一方面,精确地了解局部纤维的取向也越来越重要,因为这对于实际的连接区域建模是必不可少的。

注:

[1] Ruffing, T.; Baron, S.: Inserts for in-situ integration of assembly interfaces into composite materials. ARaymond Center of Expertise, Saint-Louis, France. Conference Joining in Car Body Engineering 2019, Detroit, 2019.

[2] American Welding Society: Specification for auto-motive weld quality--resistance spot welding of steel. Miami, FL: American Welding Society, 2013.


作者:SVEN ROTH, M. SC., MORITZ WARNCK, M. SC., SVEN COUTANDIN, M. SC., PROF. DR.-ING. JüRGEN FLEISCHER 。汽车轻量化产业链翻译整理。



鲜花

握手

雷人

路过

鸡蛋

相关阅读

此篇文章已有0人参与评论

请发表评论

精彩阅读

广告位

关注汽车轻量化最新动态

官方微信

汽车材料网

全国服务热线:

0551-63857995

地址:安徽省合肥市庐阳区四里河鼎鑫中心

邮编:230001 Email:service@qichecailiao.com

Powered by 汽车轻量化在线  皖ICP备10204426号-2

小黑屋-手机版- 汽车轻量化在线 |网站地图