用于超声波振动强化碳纤维板和金属板胶接的夹具技术领域
本发明涉及夹具结构技术领域，尤其涉及一种用于超声波振动强化碳纤维板和金
属板胶接的夹具。
背景技术
复合材料与金属构件之间的连接装配，通常有三种方法：机械连接、胶接和混合连
接。复合材料的机械连接指通过螺栓螺钉、销钉和铆钉等将不同的结构件连接成整体的一
种连接方法。复合材料的胶接是指通过胶粘剂将几种不同的零部件连成一个不可分割的整
体。复合材料的混合连接是通过胶接与机械连接相结合的方式，将两个或多个不同的构件
连接装配在一起，要求从工艺技术上严格保证两者同时承受载荷以及变形一致。
胶接连接的优点是：（1）不需要预钻孔；（2）机械强度较高，抗疲劳性、绝缘性及密
封性较好；（3）可以提高连接效率、减少零部件数量、减轻结构整体重量；（4）适用于异质异
形、壁薄、结构复杂的零构件，不易产生变形；（5）胶接表面光滑、工艺简单、节约时间与能
源，经济效益较好；（6）对金属有防腐保护作用。胶接是一种比较常见、实用效果好的连接装
配方法，广泛应用在复合材料零部件的连接装配中，有时能够解决关键性的生产工艺技术。
而平面搭接是常见且应用广泛的复合材料/金属胶接形式。
超声波振动辅助成型成为近年来材料加工成型研究的活跃方向。目前国内外开展
的研究工作表明了超声波振动在液相中产生的空化和声流效应可以实现诱导填缝和固/液
界面增润等作用。发明专利《超声波振动辅助碳纤维板悬架横臂胶连接工艺及装置》（授权
公告号：CN 104479569B）将超声波振动应用到赛车碳纤维板复合材料悬架横臂（管状碳纤
维板复合材料的胶接研究）胶接工艺中，可以很好地改善碳纤维悬架在胶连接时出现粘接
强度波动性大、差异性（不同试件）显著的问题，重复试验的数据结果验证了本发明的粘接
工艺可改善碳纤维悬架粘接强度差异性（不同横臂粘接强度的方差）达54%左右。
无论是在实际生产工艺，还是在科学研究实验中，碳纤维复合材料的胶接工艺对
胶接件的定位、胶层厚度等尺寸参数的要求都很高，而这些需要通过高精度夹具来实现。为
了满足夹具的制造精度，生产中要求使用专用的高精度设备，如数控磨床、三坐标测量仪、
数控镗床等来生产夹具的各部件，然后采用机械连接的方式将各部件进行连接。但是，生产
高精度夹具部件的这些设备的价格昂贵，且大多数企业不具备这种生产条件。高精度的夹
具生产设备造成夹具的价格很高。另外，夹具的各部件采用机械连接方法，当部件上的螺栓
孔等连接结构一旦机加工完成，则不能进行调整。如果机械连接之后，夹具不能满足胶接所
需的尺寸，则需要重新加工部件以及各部件间的螺栓孔等连接结构，使得夹具制造的成平
率相对较低。因此，高精度碳纤维复合材料胶接夹具制约着碳纤维产品的实际应用以及科
研实验。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种用于超声波振动强化碳纤维板和金属板胶接的
夹具，旨在降低夹具的生产成本。
为实现上述目的，本发明提供一种用于超声波振动强化碳纤维板和金属板胶接的
夹具，包括底板以及位于所述底板上的第一限位块、第二限位块和垫块，其中，
所述第一限位块和第二限位块分别胶接于所述底板的两端，所述第一限位块和第二限
位块上分别开设有用于容纳碳纤维板和金属板的凹槽，所述垫块容纳于所述第二限位块的
凹槽内且与底板胶接。
优选地，所述用于超声波振动强化碳纤维板和金属板胶接的夹具还包括位于所述
垫块与底板之间用于补偿垫块加工高度误差的金属丝。
优选地，所述金属丝设置有多根。
优选地，所述用于超声波振动强化碳纤维板和金属板胶接的夹具还包括位于所述
底板上方且铺设于碳纤维板底部的薄膜。
优选地，所述第一限位块和第二限位块的宽度均与底板的宽度相同。
优选地，所述第一限位块和第二限位块上凹槽长度均为其长度的三分之一至五分
之一。
优选地，所述第二限位块的最小厚度为碳纤维板的厚度、碳纤维板和金属板之间
胶层厚度以及金属板三者厚度之和。
优选地，所述第一限位块的厚度小于或者等于碳纤维板的厚度。
本发明提出的用于超声波振动强化碳纤维板和金属板胶接的夹具具有以下有益
效果：
（1）为满足超声波振动强化碳纤维板与金属板胶接所需夹具的尺寸要求与精度，将机
械加工与胶接工艺（这里指夹具的各部件，即限位块、垫块、底板间的连接）相结合，实现了
胶接所需夹具的高精度要求，极大地降低了机械加工的精度与费用；
（2）在胶接工艺中，胶层厚度对胶接强度的影响很大，因此，保证胶层的厚度显得至关
重要。而完全依靠机械加工来保证0.01mm精度的胶层厚度，价格是非常昂贵的。本夹具在胶
接垫块时，铺已知直径、精度高且单价格低的金属丝，降低了机械加工夹具部件的精度要
求；
（3）本发明在碳纤维板底部铺一层厚度已知的薄膜，避免了因胶水在固化前从胶接缝
隙中流出从而将碳纤维/金属板胶接样件与底板粘接在一起，同时，可以通过调整薄膜的厚
度、垫块的机加工厚度、铺在垫块与底板之间的金属丝的直径，保证胶层厚度的精度要求以
及满足不同胶层厚度的胶接要求；
（4）本夹具其结构简单、容易实现。
附图说明
图1为本发明用于超声波振动强化碳纤维板和金属板胶接的夹具优选实施例的结
构示意图。
图中，1-第二限位块，2-金属板；3-垫块，4-底板，5-第一限位块，6-碳纤维板，7-超
声波振动工具头。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、
“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所
示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装
置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限
制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
参照图1，本优选实施例中，一种用于超声强化碳纤维板和金属板胶接的夹具，包
括底板4以及位于底板4上的第一限位块5、第二限位块1和垫块3，其中，
第一限位块5和第二限位块1分别胶接于底板4的两端，第一限位块5和第二限位块1上
分别开设有用于容纳碳纤维板6和金属板2的凹槽，垫块3容纳于第二限位块1的凹槽内且与
底板4胶接。
第一限位块5、第二限位块1、垫块3和底板4均采用金属材料，可以优先采用铝等轻
金属。超声波振动工具头7在碳纤维板6上施加超声波振动。底板4的长度为碳纤维板6、金属
板2、第一限位块5和第二限位块1的长度之和减去胶接区域（碳纤维板6和金属板2）的长度。
第一限位块5上凹槽的宽度与碳纤维板6的宽度相同，第二限位块1上凹槽的宽度与金属板2
的宽度相同。
第一限位块5、第二限位块1和垫块3均胶接于底板4，通过胶接工艺连接的好处是：
（1）相对于机械连接，夹具的部件间采用胶接可以省去在部件上钻螺纹孔等夹具制造工序。
另外，由于进行胶连接的碳纤维板6或者金属板2厚度一般只有几毫米，相对很薄，所以其夹
具的厚度一般不是很大，在夹具上钻螺纹孔等很不方便；（2）相对于机械连接，胶接各组件
组成碳纤维胶接的夹具所需的成本很低，非常便宜；（3）采用胶接工艺连接各部件，可以方
便调整各部件间的位置，从而大大降低了夹具在制造时的精度。例如，为了保证碳纤维板6
与金属板2胶接区域长度方向（碳纤维板6长度方向）的尺寸，必须要保证第一限位块5的凹
槽与第二限位块1的凹槽之间的距离为碳纤维板6的长度与金属板2的长度和再减去胶接区
域的长度，如果夹具采用机械连接，那么在机加工过程中必须要保证夹具部件的螺栓孔等
连接结构的相对位置（例如相互连接的不同部件上孔的同轴度凳）、加工精度等要求，这将
大大增加夹具的制造时间，也对制造夹具的设备等提出了要求。如果夹具采用胶接，那么夹
具的各个部件可以在保证相对低的精度下独立、快速加工，然后在部件连接时，调整部件间
的相对位置，进行胶接固定。例如，在机加工的第一限位块5的凹槽比设计的尺寸小了Xmm，
那么在胶连接夹具部件时，可以将第二限位块1在底板4上胶接时的位置相对原先设计的连
接位置移动Xmm即可。（4）采用胶连接的夹具便于调整部件间的相对高度，可以降低夹具部
件在厚度方面的要求。例如，根据ASTM D5868-01的标准，碳纤维板6与金属板2间胶层的厚
度需要保证在0.76mm，如果通过机械加工得到0.76mm厚度的垫块3，那么保证0.01mm厚度的
加工精度对加工设备要求是很高的。而通过胶连接垫块3与底板4等部件时，可以通过调整
垫块3胶接到底板4上的胶层厚度来弥补垫块3的制造误差。如果实际加工的垫块3厚度使得
碳纤维板6与金属板2之间胶层的厚度为0.5mm，那么将垫块3与底板4间胶接的胶层厚度增
加0.26mm，则可以达到目的。
进一步地，本用于超声强化碳纤维板和金属板胶接的夹具还包括位于垫块3与底
板4之间用于补偿垫块3加工高度误差的金属丝（图中未示出）。金属丝设置有多根，从而保
证了垫块3上表面的水平度。本实施例中，在底板4与垫块3准备胶接的部位间隔地平铺三根
长度与垫块3长度相同的直的金属丝。在制作本夹具时，先将金属丝铺在垫块3与底板4之
间，然后再涂胶将垫块3与底板4进行胶接。采用金属丝对垫块3加工高度误差补偿是因为金
属丝成本低且直径精度高，市场上直接购买即可不用再单独加工。
进一步地，本用于超声强化碳纤维板和金属板胶接的夹具还包括位于底板4上方
且铺设于碳纤维板6底部的薄膜。薄膜可以为PE材质。因胶水在固化前可能从胶接缝隙中流
出，从而将碳纤维板6和金属板2的胶接样件与底板4粘接在一起，通过在碳纤维板6底部铺
一层厚度已知的薄膜，有效地防止了胶接样件与底板4的粘接。
具体地，本实施例中，第一限位块5和第二限位块1的宽度均与底板4的宽度相同，
即第一限位块5和第二限位块1的侧面均与底板4的侧面对齐。第一限位块5和第二限位块1
上凹槽长度均为其长度的三分之一至五分之一。
进一步地，第二限位块1的最小厚度为碳纤维板6的厚度、碳纤维板6和金属板2之
间胶层厚度以及金属板2三者厚度之和，从而第二限位块1可以实现对放置在凹槽内的金属
板2在水平内的位移约束。
进一步地，第一限位块5的厚度小于或者等于碳纤维板6的厚度，从而可以满足超
声波振动工具头7不仅可以在碳纤维板6靠近胶接区域的一端施加振动，也可以在碳纤维板
6远离胶接区域的一端施加振动。
在使用夹具时，碳纤维板6与金属板2之间的胶层厚度可以通过对铺在碳纤维板6
底部的薄膜的厚度、垫块3的机加工厚度、铺在垫块3与底板4之间的金属丝的直径进行调
整，从而保证胶层厚度的精度要求以及满足不同胶层厚度的胶接要求。
本发明的一个实施例中，采用Standard Test Method for Lap Shear Adhesion
for Fiber Reinforced Plastic (FRP) Bonding(ASTM D5868-01)标准，即碳纤维板6的尺
寸为101.6×25.4×2.5mm，金属板2的尺寸为101.6×25.4×1.5mm，胶接区域的尺寸为25.4
×25.4×0.76mm。
碳纤维板6、金属板2、胶接区域水平面的尺寸精度为0.1mm，可以采用CNC加工碳纤
维板6、金属板2、第一限位块5、第二限位块1、垫块3和底板4等保证胶接区域的平面尺寸
（25.4×25.4mm）精度在0.1mm。
ASTM标准中，胶层的厚度为0.76mm，精度为0.01mm。可以采用CNC加工3.0mm厚度的
垫块3，将垫块3胶接在底板4表面时，在垫块3与底板4之间铺直径为0.30mm的铜丝。胶接时，
为了避免碳纤维板6和金属板2的胶接样件与底板4粘接在一起，在碳纤维板6的底部铺厚度
为0.04mm的薄膜。因此，底板4与碳纤维板6上表面的距离为2.54mm（碳纤维板6与薄膜的厚
度之和），垫块3的上表面（金属板2的下表面）与底板4之间的距离为3.30mm（垫块3的厚度与
铜丝的厚度之和）。从而，保证了胶层厚度（碳纤维板6上表面与金属板2下表面之间的距离）
为0.76mm。
当确定好超声波振动工具头7施加振动的位置后，下调超声波振动工具头7，将碳
纤维板6固定压紧在底板4上。
本发明提出的用于超声强化碳纤维板和金属板胶接的夹具具有以下有益效果：
（1）为满足超声波振动强化碳纤维板6与金属板2胶接所需夹具的尺寸要求与精度，将
机械加工与胶接工艺（这里指夹具的各部件，即限位块、垫块3、底板4间的连接）相结合，实
现了胶接所需夹具的高精度要求，极大地降低了机械加工的精度与费用；
（2）在胶接工艺中，胶层厚度对胶接强度的影响很大，因此，保证胶层的厚度显得至关
重要。而完全依靠机械加工来保证0.01mm精度的胶层厚度，价格是非常昂贵的。本夹具在胶
接垫块3时，在垫块3下方铺上已知直径、精度高且单价格低的金属丝，降低了机械加工夹具
部件的精度要求；
（3）本发明在碳纤维板6底部铺一层厚度已知的薄膜，避免了因胶水在固化前从胶接缝
隙中流出从而将碳纤维/金属板2胶接样件与底板4粘接在一起，同时，可以通过调整薄膜的
厚度、垫块3的机加工厚度、铺在垫块3与底板4之间的金属丝的直径，保证胶层厚度的精度
要求以及满足不同胶层厚度的胶接要求；
（4）本夹具其结构简单、容易实现。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发
明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均
同理包括在本发明的专利保护范围内。