鈦合金與超高分子量聚乙烯的連接方法和接頭及其應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種鈦合金與超高分子量聚乙烯的連接方法，以及由該方法得到的鈦合金與超高分子量聚乙烯的連接接頭。
【背景技術(shù)】
[0002]在金屬材料與塑料材料的連接中，常見的方式有機(jī)械連接、粘合劑粘接和焊接。
[0003]機(jī)械連接的強(qiáng)度雖然很高，但有著一定應(yīng)用場景的限制，比如密封性不好。同時也需要對接頭進(jìn)行特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計或使用鉚釘，生產(chǎn)成本較高。
[0004]粘合劑粘接的方法對使用的環(huán)境溫度有較高的要求，且對于表面張力較低的塑料無法獲得很好的強(qiáng)度。
[0005]焊接的方法主要是通過使接頭界面處的塑料熔融并施以一定的壓力形成連接。目前主要通過激光焊接、超聲波焊接、感應(yīng)加熱焊接、攪拌摩擦焊接，等等。激光焊接會在界面處產(chǎn)生氣泡，影響接頭的強(qiáng)度;超聲波焊接無法對厚度厚的構(gòu)件進(jìn)行連接;感應(yīng)加熱焊接在接頭形狀與尺寸上有著限制;攪拌摩擦焊接的方法可以解決以上問題。
[0006]公布號為CN103391828A的中國專利公開了一種金屬構(gòu)件與塑料構(gòu)件的接合方法，涉及到攪拌摩擦焊接的方法，該方法限制了旋轉(zhuǎn)工具的軸線相對于金屬構(gòu)件表面法線的傾斜角Θ滿足0°〈Θ < 5°，并限制了旋轉(zhuǎn)工具的頂端面的直徑D和金屬構(gòu)件的厚度t滿足5t < D <20t的條件，因而存在一定的局限性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種改進(jìn)的、實施難度降低的、有效的、滿足不同厚度構(gòu)件的鈦合金與超高分子量聚乙烯的連接方法。
[0008]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種鈦合金與超高分子量聚乙烯(分子量150萬以上)的連接方法，該方法包括:
[0009]使鈦合金與超高分子量聚乙烯接觸，通過旋轉(zhuǎn)工具下壓鈦合金表面，使得旋轉(zhuǎn)工具與鈦合金表面之間產(chǎn)生熱量，生成的熱量通過鈦合金傳導(dǎo)至鈦合金與超高分子量聚乙烯的界面，在旋轉(zhuǎn)工具的壓力和熱量的作用下，鈦合金與超高分子量聚乙烯連接。
[0010]進(jìn)一步地，旋轉(zhuǎn)工具下壓時，旋轉(zhuǎn)工具的軸線相對于鈦合金表面的法線的傾斜角被設(shè)置為大于或等于0°。
[0011]進(jìn)一步地，旋轉(zhuǎn)工具與鈦合金表面之間產(chǎn)生的熱量來源于旋轉(zhuǎn)工具與鈦合金的摩擦生熱和旋轉(zhuǎn)工具與鈦合金相互作用帶來的鈦合金塑性變形的生熱。
[0012]更進(jìn)一步地，旋轉(zhuǎn)工具與鈦合金表面之間產(chǎn)生的熱量能夠通過鈦合金的傳導(dǎo)使得鈦合金與超高分子量聚乙烯的界面處的溫度高于或等于超高分子量聚乙烯的熔融溫度，從而使得鈦合金與超高分子量聚乙烯的界面處的超高分子量聚乙烯處于流動狀態(tài)。
[0013]更進(jìn)一步地，旋轉(zhuǎn)工具與鈦合金表面之間產(chǎn)生的熱量能夠通過鈦合金的傳導(dǎo)使得鈦合金與超高分子量聚乙烯的界面處的溫度低于鈦合金的熔點。
[0014]進(jìn)一步地，旋轉(zhuǎn)工具與鈦合金表面之間產(chǎn)生的熱量的大小通過調(diào)整旋轉(zhuǎn)工具的轉(zhuǎn)速、停留時間、下壓量、線焊時的走速等工藝參數(shù)實現(xiàn)。
[0015]進(jìn)一步地，在鈦合金與超高分子量聚乙烯接觸之前，對鈦合金的一側(cè)進(jìn)行表面處理，使得鈦合金的一側(cè)具有粗糙表面，然后使鈦合金的粗糙表面和超高分子量聚乙烯接觸。
[0016]更進(jìn)一步地，通過三維打印技術(shù)使得鈦合金的一側(cè)具有粗糙表面。
[0017]進(jìn)一步地，通過三維打印技術(shù)使得鈦合金的三維打印表面的多孔孔徑為50μπι?3mm ο
[0018]更進(jìn)一步地，通過機(jī)械加工、化學(xué)侵蝕等使得鈦合金的一側(cè)具有粗糙表面。
[00?9]進(jìn)一步地，鈦合金的粗糙表面的粗糙度小于Ra500。進(jìn)一步地，旋轉(zhuǎn)工具為回轉(zhuǎn)體。
[0020]進(jìn)一步地，旋轉(zhuǎn)工具與鈦合金表面相互作用的頂端呈圓形，頂端面具有紋路，該紋路使得旋轉(zhuǎn)工具在旋轉(zhuǎn)過程中將被壓材料往頂端面的中心收集。
[0021]更進(jìn)一步地，旋轉(zhuǎn)工具的頂端面突出設(shè)置有直徑比該頂端面的直徑小的探頭。
[0022]進(jìn)一步地，鈦合金的表面形狀、超高分子聚乙烯的表面形狀、鈦合金與超高分子聚乙烯的界面處的形狀為平面或其它任意形狀。
[0023]進(jìn)一步地，鈦合金與超高分子聚乙烯的界面處的形狀為曲面。
[0024]進(jìn)一步地，旋轉(zhuǎn)工具的運動方式為:旋轉(zhuǎn)工具下壓至鈦合金表面，保持位置不變，停留合適的加熱時間(比如30s?90s)后抬起。
[0025]進(jìn)一步地，旋轉(zhuǎn)工具的運動方式為:旋轉(zhuǎn)工具下壓至鈦合金表面，然后沿鈦合金表面移動，移動的方向始終與鈦合金表面的法線方向垂直，直到覆蓋所需的連接區(qū)域，最后旋轉(zhuǎn)工具抬起。
[0026]本發(fā)明還提供了一種鈦合金與超高分子量聚乙烯的連接接頭，該連接接頭通過上述鈦合金與超高分子量聚乙烯的連接方法獲得。
[0027]本發(fā)明還提供了一種上述鈦合金與超高分子量聚乙烯的連接接頭在生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用，比如在顳下頌關(guān)節(jié)置換假體中的應(yīng)用。鈦合金與超高分子量聚乙烯都是常見的生物醫(yī)用材料，兩者的連接具有重要的意義。例如，在顳下頌關(guān)節(jié)置換假體中，關(guān)節(jié)窩常采用超高分量聚乙烯，顴弓固定部常采用鈦合金，兩者需要有效可靠的連接。常規(guī)的機(jī)械連接方法容易在使用過程中產(chǎn)生微動，且假體中不允許隨意添加粘合劑。而本發(fā)明的連接方法能夠?qū)崿F(xiàn)鈦合金與超高分子量聚乙烯的有效可靠的連接。但本發(fā)明的上述鈦合金與超高分子量聚乙烯的連接接頭不限于應(yīng)用在顳下頌關(guān)節(jié)置換假體中。
[0028]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的鈦合金與超高分子量聚乙烯的連接方法具有以下優(yōu)占.V.
[0029](I)本發(fā)明可以通過三維打印技術(shù)直接獲得具有一定表面粗糙度的鈦合金粗糙表面，而現(xiàn)有技術(shù)通過其它方式或陽極氧化處理來獲得粗糙表面，過程復(fù)雜且效果較差。
[0030](2)本發(fā)明通過對旋轉(zhuǎn)工具與鈦合金接觸的頂端面的結(jié)構(gòu)設(shè)計，使其具有紋路，SP可滿足0°連接(即旋轉(zhuǎn)工具的軸線相對于鈦合金表面的法線的傾斜角可以為0° )，降低了連接方法的實施難度、提高了接頭表面質(zhì)量。
[0031](3)本發(fā)明對旋轉(zhuǎn)工具的頂端面的直徑和鈦合金的厚度沒有限制，通過調(diào)整旋轉(zhuǎn)工具的轉(zhuǎn)速、停留時間、下壓量、線焊時的走速等工藝參數(shù)來調(diào)整熱量的生成，因而能夠滿足不同厚度的構(gòu)件的連接條件。本發(fā)明還對鈦合金與超高分子量聚乙烯的界面的形狀沒有限制，可用于兩者的非平面連接面(比如曲面連接面)。
[0032]以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的技術(shù)效果作進(jìn)一步說明，以充分地了解本發(fā)明的目的、特征和效果。
【附圖說明】
[0033]圖1是本發(fā)明的一個較佳實施例的鈦合金與超高分子量聚乙烯連接之前的立體圖；
[0034]圖2是本發(fā)明的一個較佳實施例的鈦合金與超高分子量聚乙烯處于連接過程中的立體圖；
[0035]圖3是圖2中的截面圖；
[0036]圖4是本發(fā)明的另一個較佳實施例的鈦合金與超高分子量聚乙烯處于連接過程中截面圖。
【具體實施方式】
[0037]如圖1?3所示，本發(fā)明的一個較佳實施例提供了一種鈦合金與超高分子量聚乙烯的連接方法，包括一種鈦合金與超高分子量聚乙烯的連接方法，該方法包括:使鈦合金2與超高分子量聚乙烯3接觸，通過旋轉(zhuǎn)工具I下壓鈦合金表面4，使得旋轉(zhuǎn)工具I與鈦合金表面4之間產(chǎn)生熱量，生成的熱量通過鈦合金2傳導(dǎo)至鈦合金2與超高分子量聚乙烯3的界面，在旋轉(zhuǎn)工具I的壓力和熱量的作用下，鈦合金2與超高分子量聚乙烯3連接形成連接部6。圖1中箭頭5表示旋轉(zhuǎn)工具的上下移動方向，圖2中的箭頭9表示旋轉(zhuǎn)工具在鋁合金2表面的移動方向。
[0038]本實施例中，旋轉(zhuǎn)工具I下壓時，旋轉(zhuǎn)工具I的軸線7相對于鈦合金表面4的法線的傾斜角優(yōu)選地被設(shè)置為等于0°。在其它實施例中也可以設(shè)置為大于0°。
[0039]旋轉(zhuǎn)工具I與鈦合金表面4之間產(chǎn)生的熱量來源于旋轉(zhuǎn)工具I與鈦合金2的摩擦生熱和旋轉(zhuǎn)工具I與鈦合金2相互作用帶來的鈦合金塑性變形的生熱。該熱量的大小通過調(diào)整旋轉(zhuǎn)工具I的轉(zhuǎn)速、停留時間、下壓量、線焊時的走速等工藝參數(shù)實現(xiàn)。旋轉(zhuǎn)工具I與鈦合金表面4之間產(chǎn)生的熱量能夠通過鈦合金2的傳導(dǎo)使得鈦合金2與超高分子量聚乙烯3的界面處的溫度高于或等于超高分子量聚乙烯的熔融溫度，從而使得鈦合金2與超高分子量聚乙烯3的界面處的超高分子量聚乙烯3處于流動狀態(tài)。同時，鈦合金2與超高分子量聚乙烯3的界面處的溫度低于鈦合金2的熔點。
[0040]本實施例中，鈦合金2與超高分子量聚乙烯3的界面處的形狀為曲面，在其它實施例中，也可以為平面或其它形狀。
[0041 ]本實施例中，在鈦合金2與超高分子量聚乙烯3接觸之前，優(yōu)選地通過三維打印技術(shù)對鈦合金2的一側(cè)進(jìn)行表面處理，使得鈦合金2的一側(cè)具有粗糙表面，鈦合金2的三維打印表面的多孔孔徑為50μπι?3mm。然后使鈦合金2的粗糙表面和超高分子量聚乙烯接觸。在其它實施例中，也可以通過機(jī)械加工、化學(xué)侵蝕等使得鈦合金2的一側(cè)具有粗糙表面。
[0042]本實施例中，旋轉(zhuǎn)工具I為回轉(zhuǎn)體。旋轉(zhuǎn)工具I與鈦合金表面4相互作用的頂端呈圓形，頂端面具有紋路8(見圖1)，該紋路8使得旋轉(zhuǎn)工具I在旋轉(zhuǎn)過程中將被壓材料往頂端面的中心收集。
[0043]鈦合金2的表面形狀、超高分子聚乙烯3的表面形狀、鈦合金2與超高分子聚乙烯3的界面形狀優(yōu)選地為平面，但不限于平面，在其它實施例中也可以為其它任意形狀。
[0044]旋轉(zhuǎn)工具I的運動方式包括兩種:(I)旋轉(zhuǎn)工具I下壓至鈦合金表面4，保持位置不變，停留合適的加熱時間(比如30s?90s)后抬起，該焊接方式為電焊。(2)旋轉(zhuǎn)工具I下壓至鈦合金表面4，然后沿鈦合金表面4移動，移動的方向始終與鈦合金