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[材料资讯] 张文武课题组:轻质合金-热塑性复合材料激光焊接技术上取得系列进展

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发表于 2020-4-23 16:46:59 | 显示全部楼层 |阅读模式
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。

铝合金-CFRTP激光旋转焊接技术

铝合金-CFRTP激光旋转焊接技术
  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。
       文章来源:宁波材料所
       张文武,博士,高级研究员,博士生导师。宁波工研院院属先进制造所副所长,2012年通过“旗舰人才”计划引进加盟。入选浙江省“151人才工程”,招生方向:自动控制,机电一体化,工艺系统与装备集成;激光加工工艺研究(激光打孔,激光冲击强化,激光焊接熔覆);有限元仿真分析。1992年获得中国科技大学精密机械专业学士学位,1995年获得北京控制仪器研究所(原航天部一院十三所)精密机械专业硕士学位,2002年1月获得美国哥伦比亚大学机械专业博士学位,2002-2012年5月在美国GE公司全球研发总部激光与测量系统实验室从事多种激光工艺研究,2012年7月加盟先进制造所。长期研究综合利用各种能量场进行尖端制造的理论和工艺,倡导“智能能量场制造与跨学科工艺创新”,发表该领域第一本学术专著。是GE认证的Six Sigma Black Belt, International TRIZ Association认证的 TRIZ-III 专家。申请专利110项,发表论文57篇,长期活跃于ASME SME, LIA等学术组织,目前任ASME微纳米加工技术委员会副主席,长期组织ASME/MSEC的国际学术论坛。是微尺度激光冲击强化、液核光纤激光加工技术的发明者,是创新理论,激光微细加工,激光变形加工和激光先进打孔技术方面的专家,并对多种其它特种工艺有研究。已发表多篇科幻作品,代表作为儿童科普图物《小豆豆小点点奇遇记之五彩王国》和长篇科幻小说《地球母亲的节日》(电影《未来星球2049》正在筹拍中)。

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