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寧波材料所在輕質(zhì)合金-熱塑性復(fù)合材料激光焊接技術(shù)上取得系列進(jìn)展

來源:寧波材料所2020-05-06 我要評(píng)論(0 )   

輕質(zhì)合金(鋁合金、鈦合金等)與碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料(CFRTP)的連接質(zhì)量決定著異質(zhì)結(jié)構(gòu)件的疲勞壽命。激光焊接是實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)合金-CFRTP異質(zhì)結(jié)構(gòu)連接的有效途徑,創(chuàng)新...

輕質(zhì)合金(鋁合金、鈦合金等)與碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料(CFRTP)的連接質(zhì)量決定著異質(zhì)結(jié)構(gòu)件的疲勞壽命。激光焊接是實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)合金-CFRTP異質(zhì)結(jié)構(gòu)連接的有效途徑,創(chuàng)新工藝方法,進(jìn)一步提升焊接強(qiáng)度,減小焊接熱損傷是決定該技術(shù)能否工程化應(yīng)用的關(guān)鍵。中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所激光與智能能量場(chǎng)制造工程團(tuán)隊(duì)(張文武團(tuán)隊(duì))焦俊科等人從2015年開始先后與北京大學(xué)深圳研究院、上海飛機(jī)制造有限公司合作,對(duì)輕質(zhì)合金-CFRTP激光焊接技術(shù)從理論建模、仿真分析、工藝試驗(yàn)、應(yīng)用探索等方面進(jìn)行了系統(tǒng)研究。


  研究人員在考慮焊接界面熱阻的基礎(chǔ)上,建立了輕質(zhì)合金-CFRTP激光焊接數(shù)學(xué)模型,利用有限元方法對(duì)焊接熱效應(yīng)進(jìn)行了仿真計(jì)算,結(jié)果顯示該模型可準(zhǔn)確表征夾具壓力、界面狀態(tài)對(duì)激光焊接熱效應(yīng)的影響,實(shí)現(xiàn)焊接接頭熔寬、熔深的預(yù)測(cè),預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率較傳統(tǒng)模型提升近10%,這為激光焊接工藝參數(shù)的有效選取提供了理論指導(dǎo),相關(guān)成果發(fā)表于《中國(guó)激光》,2017,1(4):42-50,Journal of Material Processing Technology, 2017, 240: 362-369和Journal of Laser Applications, 2018,30(3):032419。


  為進(jìn)一步提高輕質(zhì)合金-CFRTP激光焊接強(qiáng)度,研究人員提出界面微織構(gòu)輔助焊接方法(ZL201810069446.8;ZL201811565398.8)。利用短脈沖激光在輕質(zhì)合金表面制備微織構(gòu),一方面可以提高焊接時(shí)的界面潤(rùn)濕性,另一方面可以增加輕質(zhì)合金與CFRTP焊接時(shí)的接觸面積,形成機(jī)械嵌合結(jié)構(gòu),提升接頭的焊接強(qiáng)度。力學(xué)測(cè)試結(jié)果顯示,界面微織構(gòu)輔助焊接技術(shù)可使輕質(zhì)合金-CFRTP焊接強(qiáng)度提升近2倍,達(dá)到48MPa(Optics and Laser Technology, 2018, 103: 170-176)。同時(shí)發(fā)現(xiàn),微織構(gòu)制備參數(shù)對(duì)輕質(zhì)合金-CFRTP激光焊接強(qiáng)度有著明顯的影響,并呈現(xiàn)出一定的規(guī)律,這為實(shí)現(xiàn)金屬-CFRTP激光焊接強(qiáng)度的量化調(diào)控提供了理論支撐,該項(xiàng)工作發(fā)表于Composites Part BEngineering,2019,173:106911。


  在輕質(zhì)合金-CFRTP的激光焊接過程中,激光加熱易導(dǎo)致金屬基體材料熱損傷以及CFRTP基體樹脂分解,形成焊接缺陷,影響到接頭的疲勞壽命,這也是導(dǎo)致焊接接頭失效的主要原因之一。研究人員發(fā)現(xiàn),在相同激光熱量輸入量的情況下,通過改變激光束掃描方式,可有效控制鋁合金激光焊接氣孔率(《中國(guó)激光》,2019,46(7):0702006)?;诖?,研究人員提出了輕質(zhì)合金-CFRTP高速激光旋轉(zhuǎn)焊接技術(shù),并對(duì)鋁合金-CFRTP激光旋轉(zhuǎn)焊接工藝進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn),相對(duì)于傳統(tǒng)激光直線焊接技術(shù),激光旋轉(zhuǎn)焊接在保障鋁合金-CFRTP焊接強(qiáng)度的同時(shí),可以有效減小激光加熱對(duì)金屬基體的熱損傷,顯著降低焊接接頭的氣孔率,相關(guān)工作發(fā)表于Optics and Laser Technology,2020,127:106187。


  相關(guān)技術(shù)已申請(qǐng)4項(xiàng)發(fā)明專利,其中2項(xiàng)獲得授權(quán)(ZL201510014414.4,ZL201610254547.3)。


  上述工作得到了國(guó)家商用飛機(jī)制造工程技術(shù)研究中心創(chuàng)新基金(COMACSFGS201736734),中科院創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)(2017343),浙江省公益技術(shù)研究項(xiàng)目(2017C31082),深圳市基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(JCYJ20150625155931806),寧波市國(guó)際合作項(xiàng)目(2017D10007)的支持。

                                              

圖1 鋁合金-CFRTP激光旋轉(zhuǎn)焊接技術(shù):(a)鋁合金-CFRTP激光旋轉(zhuǎn)焊接模型;(b)鋁合金-CFRTP結(jié)合界面溫度變化;(c)深度方向溫度變化;(d)高速旋轉(zhuǎn)焊接與直線焊接對(duì)金屬基體熱損傷、焊接強(qiáng)度的影響對(duì)比

圖2 鋁合金-CFRTP微織構(gòu)輔助激光焊接技術(shù):(a)鋁合金-CFRTP微織構(gòu)輔助激光焊接原理;(b)鋁合金-CFRTP界面機(jī)械嵌合結(jié)構(gòu);(c)不同短脈沖激光制備參數(shù)下的金屬界面微織構(gòu)形貌;(d)微織構(gòu)輔助激光焊接強(qiáng)度對(duì)比

 ?。ㄏ冗M(jìn)制造所 焦俊科)

 


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