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宁波材料所在轻质合金-热塑性复合材料激光焊接技术上取得系列进展
作者:,日期:2020-04-23

  轻质合金(铝合金、钛合金等)与碳纤维增强热塑性复合材料(CFRTP)的连接质量决定着异质结构件的疲劳寿命。激光焊接是实现轻质合金-CFRTP异质结构连接的有效途径,创新工艺方法,进一步提升焊接强度,减小焊接热损伤是决定该技术能否工程化应用的关键。中国科学院宁波材料技术与工程研究所激光与智能能量场制造工程团队(张文武团队)焦俊科等人从2015年开始先后与北京大学深圳研究院、上海飞机制造有限公司合作,对轻质合金-CFRTP激光焊接技术从理论建模、仿真分析、工艺试验、应用探索等方面进行了系统研究。

  研究人员在考虑焊接界面热阻的基础上,建立了轻质合金-CFRTP激光焊接数学模型,利用有限元方法对焊接热效应进行了仿真计算,结果显示该模型可准确表征夹具压力、界面状态对激光焊接热效应的影响,实现焊接接头熔宽、熔深的预测,预测准确率较传统模型提升近10%,这为激光焊接工艺参数的有效选取提供了理论指导,相关成果发表于《中国激光》,2017,1(4):42-50,Journal of Material Processing Technology, 2017, 240: 362-369和Journal of Laser Applications, 2018,30(3):032419。

  为进一步提高轻质合金-CFRTP激光焊接强度,研究人员提出界面微织构辅助焊接方法(ZL201810069446.8;ZL201811565398.8)。利用短脉冲激光在轻质合金表面制备微织构,一方面可以提高焊接时的界面润湿性,另一方面可以增加轻质合金与CFRTP焊接时的接触面积,形成机械嵌合结构,提升接头的焊接强度。力学测试结果显示,界面微织构辅助焊接技术可使轻质合金-CFRTP焊接强度提升近2倍,达到48MPa(Optics and Laser Technology, 2018, 103: 170-176)。同时发现,微织构制备参数对轻质合金-CFRTP激光焊接强度有着明显的影响,并呈现出一定的规律,这为实现金属-CFRTP激光焊接强度的量化调控提供了理论支撑,该项工作发表于Composites Part B:Engineering,2019,173:106911。

  在轻质合金-CFRTP的激光焊接过程中,激光加热易导致金属基体材料热损伤以及CFRTP基体树脂分解,形成焊接缺陷,影响到接头的疲劳寿命,这也是导致焊接接头失效的主要原因之一。研究人员发现,在相同激光热量输入量的情况下,通过改变激光束扫描方式,可有效控制铝合金激光焊接气孔率(《中国激光》,2019,46(7):0702006)。基于此,研究人员提出了轻质合金-CFRTP高速激光旋转焊接技术,并对铝合金-CFRTP激光旋转焊接工艺进行了研究。研究发现,相对于传统激光直线焊接技术,激光旋转焊接在保障铝合金-CFRTP焊接强度的同时,可以有效减小激光加热对金属基体的热损伤,显著降低焊接接头的气孔率,相关工作发表于Optics and Laser Technology,2020,127:106187。

  相关技术已申请4项发明专利,其中2项获得授权(ZL201510014414.4,ZL201610254547.3)。

  上述工作得到了国家商用飞机制造工程技术研究中心创新基金(COMACSFGS201736734),中科院创新促进会(2017343),浙江省公益技术研究项目(2017C31082),深圳市基础研究项目(JCYJ20150625155931806),宁波市国际合作项目(2017D10007)的支持。

图1 铝合金-CFRTP激光旋转焊接技术:(a)铝合金-CFRTP激光旋转焊接模型;(b)铝合金-CFRTP结合界面温度变化;(c)深度方向温度变化;(d)高速旋转焊接与直线焊接对金属基体热损伤、焊接强度的影响对比

图2 铝合金-CFRTP微织构辅助激光焊接技术:(a)铝合金-CFRTP微织构辅助激光焊接原理;(b)铝合金-CFRTP界面机械嵌合结构;(c)不同短脉冲激光制备参数下的金属界面微织构形貌;(d)微织构辅助激光焊接强度对比

  (先进制造所 焦俊科)