CN110126283B - 一种用于热塑性复合材料对接结构的激光填丝焊接方法与装备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于热塑性复合材料对接结构的激光填丝焊接方法与装备，步骤如下：热塑性复合材料对接结构的激光填丝焊接过程中选用的材料是碳纤维增强热塑复合材料(CFRTP)，尺寸为50mm×25mm×3.0mm；调整CFRTP复合材料上表面的紧固压板，防止在焊接过程中热塑性复合材料发生拱曲变形；利用送丝机和填丝头将填充树脂放置于焊缝处，在焊接过程中激光作用于填充树脂，使得填充树脂处于熔融状态，对CFRTP复合材料对接结构的一端施加压力，熔融态的树脂材料在外部压力作用下流动、扩散、凝固，形成焊接接头。本发明针对CFRTP热塑性复合材料激光焊接对接结构设计专用的一套工装夹具设备，为今后CFRTP复合材料激光焊接技术的应用和发展奠定坚实的基础。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于热塑性复合材料对接结构的激光填丝焊接方法与装备，属于热塑性复合材料焊接技术领域。
背景技术
碳纤维增强热塑复合材料(CFRTP)以热塑性树脂为基体，具有加热软化、冷却硬化等特性。近几年来，热塑复合材料因具有韧性好、成型周期短、成本低和减重效果明显等一系列优点，在航空航天领域得到了逐步应用和广泛关注。
激光焊接技术是目前一种较为先进的连接技术，激光具有能量密度高、焊接速度快、热输入小、柔性好等特点。激光焊接技术不仅可以获得优异的接头力学性能，还能在不损伤内部纤维的基础上实现复合材料的连接。焊接接头部位往往是整个结构件中最薄弱的部分，接头的力学性能将直接决定着CFRTP构件的使用寿命，实现CFRTP复合材料高效高质量的连接，并为其工程化应用奠定基础。
针对热塑性复合材料对接结构，常用的焊接方法主要包括机械铆接和胶接技术，但是机械铆接需在零件上进行制孔，由于复合材料内部结构和性能的各向异性，制孔会影响复合材料结构的使用性能。相比于机械连接技术，胶接技术对材料无损伤、无连接应力集中且抗疲劳性能突出，但其工序复杂、接头连接性能较差，无法满足热塑性复合材料的实际应用。激光焊接技术能在保证CFRTP复合材料内部碳纤维完整的前提下，仅熔化树脂随之冷却凝固形成焊接接头，因而是热塑复合材料对接结构焊接的最佳选择。
发明内容
1.一种用于热塑性复合材料对接结构的激光填丝焊接方法与装备，其特征在于：包括激光焊接工作台、龙门机器人激光焊接系统、激光焊接工装夹具。所述热塑性复合材料对接结构的激光填丝焊接专用工装夹具位于激光焊接工作台上，激光焊接龙门机器人在激光焊接工作台导轨上运行。
2.进一步的，激光填丝焊接过程选用CFRTP复合材料，复材整体厚度3mm，铺层厚度0.2mm，碳纤维种类为T300，铺层角度是±45，0/90。
3.进一步的，所述热塑性复合材料对接结构的激光填丝焊接过程中选用的材料是碳纤维增强热塑复合材料(CFRTP)，尺寸为50mm×25mm×3.0mm；在超声波清洗槽中倒入适量的丙酮，采用超声波清洗的方式清除复合材料表面的油污和杂质，焊前使用酒精擦拭、清洗试样表面，去除残余污染物以确保试样表面清洁。
4.进一步的，所述热塑性复合材料对接结构龙门机器人激光焊接系统由龙门架(1)、激光焊接机器人(5)、激光焊接头(6)、送丝机(2)、送丝头(7)、送丝管道(10)激光器等组成。在焊接过程中龙门架(1)在工作台上运行，激光焊接系统通过控制激光器、激光焊接机器人(5)和送丝系统对热塑性复合材料对接结构开展激光填丝焊接。
5.进一步的，所述激光焊接工作台(4)的作用是调整四个方位的高度，保证工作台平面与水平面齐平，且工作台表面设有龙门运行导轨(3)。
6.进一步的，所述激光焊接工装夹具包括：工装底座(14)、工装导轨(9)、紧固压板(8)、长轴(11)、压板支架(12)、伸缩压板(13)、紧固压板支撑架(15)、压力控制器(16)、复合材料压紧块(17)、CFRTP复合材料(18)、紧固压板伸缩支架(19)、侧挡板支座(20)和侧挡板(21)。工装底座(14)固定于激光焊接工作台(4)上，利用工装导轨(9)调整激光焊接工装夹具的位置。通过调节紧固压板支撑架(15)和紧固压板伸缩支架(19)调整CFRTP复合材料上表面的紧固压板(8)，防止在焊接过程中CFRTP复合材料(18)发生拱曲变形。通过调节压力控制器(16)，利用复合材料压紧块(17)对CFRTP复合材料对接结构的一端施加压力，激光作用后熔融态的树脂材料在外部压力作用下流动、扩散并凝固形成焊接接头。
7.进一步的，所述填充树脂为热塑性树脂基体和有色颗粒的混合物，其中有色颗粒可将激光的光能转化为热能，在所述填充树脂中所占百分含量为0.01％-1％。热塑性树脂基体为透明树脂，主要包括聚酰胺、聚苯乙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚甲醛、聚碳酸酯等。有色颗粒主要包括石墨和有色金属氧化物等。
本发明的有益效果为：本发明提供的一种用于热塑性复合材料对接结构的激光填丝焊接方法与装备，使焊后的CFRTP复合材料对接结构焊缝成型良好，无明显裂纹、变形等缺陷，并且焊接过程中长直线焊缝稳定性良好。本发明工艺实现了CFRTP对接结构的激光填丝焊接，有效降低了热塑复合材料对接结构预填充树脂时对工装精度的严格要求，克服了CFRTP复合材料对接结构激光焊接存在的焊后变形较大，焊缝成型效果不好等缺点，为提高CFRTP复合材料激光填丝焊接接头力学性能、改善激光焊接焊后变形奠定了基础。
附图说明
图1是热塑性复合材料对接结构的激光填丝焊接设备整体示意图；
图2是热塑性复合材料对接结构的激光填丝焊接设备主要部件结构示意图；
图3是热塑性复合材料对接结构的激光填丝焊接工装夹具示意图；
图4是热塑性复合材料对接结构的激光填丝焊接工装夹具局部放大图；
图中，1-龙门架，2-送丝机，3-龙门运行导轨，4-激光焊接工作台，5-激光焊接机器人，6-激光焊接头，7-送丝头，8-紧固压板，9-工装导轨，10-送丝管道，11-长轴，12-压板支架，13-伸缩压板，14-工装底座、15-紧固压板支撑架，16-压力控制器，17-复合材料压紧块，18-CFRTP复合材料，19-紧固压板伸缩支架，20-侧挡板支座，21-侧挡板。
具体实施方式
本发明提供一种热塑性复合材料对接结构的激光填丝焊接方法与装备，为使本发明的目的、效果及技术方案更加鲜明，参照附图并对照实例对本发明进行详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面通过具体的实例并结合附图对本发明进行详细描述。
激光填丝焊接过程中热塑性复合材料选用的是CFRTP复合材料，复材整体厚度3mm，铺层厚度0.2mm，碳纤维种类为T300，铺层角度是±45，0/90且尺寸为50mm×25mm×3.0mm。填充树脂横截面尺寸为1.2mm×1.2mm，填充树脂主要由基体树脂和掺杂材料组成，其中基体树脂为透明热塑性树脂，主要包括聚酰胺、聚苯乙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚甲醛、聚碳酸酯等，掺杂材料为有色颗粒物，主要包括石墨和有色金属氧化物等。有色颗粒可将激光束的光能转化为热能，在所述填充树脂中所占百分含量0.01％-1％。焊前对CFRTP复合材料表面进行超声波清洗，将待焊接试样置于盛有适量丙酮的烧杯中，并将烧杯放于超声波清洗槽中，清洗时间为20min，随后将试样置于烘干炉中进行烘干处理，保温温度为80℃，保温时间为2h。
进一步的，所述热塑性复合材料对接结构龙门机器人激光焊接系统由龙门架(1)、激光焊接机器人(5)、激光焊接头(6)、送丝机(2)、送丝头(7)、送丝管道(10)激光器等组成。如图1和图2所示，在焊接过程中龙门架(1)在工作台导轨上沿着预设轨迹运行，同时激光焊接系统控制激光器出光并借助激光焊接头对CFRTP复合材料对接结构进行焊接，激光焊接系统控制激光焊接机器人(5)按预先设置的焊接路径进行运行，主要包括直线焊和摆动焊等焊接方式。针对特定的热塑复合材料对接结构的材料及尺寸选用与之相匹配的填充树脂材料，送丝系统按预设送丝速度借助送丝机(2)和送丝头(7)将填充树脂送至对接结构焊缝处，利用激光束对其进行加热，有色颗粒将光能转化为热能，热能被该填充树脂吸收形成一条热源带，在焊接过程中加热CFRTP对接结构基体树脂和未融化的填充树脂，熔融态树脂在外部压力作用下流动、扩散、凝固，即可形成焊接接头。
进一步的，所述激光焊接工作台(4)的作用是调整四个方位的高度，保证工作台平面与水平面齐平，且工作台表面设有龙门运行导轨(3)，如图1所示。在激光焊接前，调整工作台四个方位的高度，并利用水平仪检验工作台表面是否水平，待工作台表面调整水平后，运行龙门导轨，并试校焊接机器人。
进一步的，所述激光焊接工装夹具的作用是利用紧固压板(8)对CFRTP复合材料表面施加垂直向下的压力，并使一侧复合材料压紧块固定于伸缩压板(13)上，借助压力控制器对复合材料另一侧施加水平方向的压力，见图2所示。所施加的压力大小优选0.2Mpa-0.8Mpa，能够达到更佳的焊接效果。如图4所示，在激光焊接过程中，熔融状态的填充树脂在重力作用下渗入CFRTP复合材料对接结构焊缝间隙中，加热焊缝间隙两侧的树脂基体，在水平方向压力的作用下，使熔融的填充树脂和基体树脂混合物流动，与所述焊接的CFRTP复合材料结构件融合，冷却凝固后即制得CFRTP激光填丝焊接接头。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种用于热塑性复合材料对接结构的激光填丝焊接装备，其特征在于：包括激光焊接工作台(4)、龙门机器人激光焊接系统、激光焊接工装夹具；
所述热塑性复合材料对接结构的激光焊接工装夹具位于激光焊接工作台(4)上，龙门机器人激光焊接系统在激光焊接工作台导轨上运行；
所述龙门机器人激光焊接系统由龙门架(1)、激光焊接机器人(5)、激光焊接头(6)、送丝机(2)、送丝头(7)、激光器组成；焊接过程中龙门架(1)在工作台上运行，龙门机器人激光焊接系统通过控制激光器、激光焊接机器人(5)和送丝系统对热塑性复合材料对接结构开展激光填丝焊接；
所述激光焊接工作台(4)的作用是调整四个方位的高度，保证工作台平面与水平面齐平，且工作台表面设有龙门运行导轨(3)；
所述激光焊接工装夹具包括：工装底座(14)、工装导轨(9)、紧固压板(8)、长轴(11)、压板支架(12)、伸缩压板(13)、紧固压板支撑架(15)、压力控制器(16)、复合材料压紧块(17)、CFRTP复合材料(18)、紧固压板伸缩支架(19)、侧挡板支座(20)和侧挡板(21)；工装底座(14)固定于激光焊接工作台(4)上，利用工装导轨(9)调整激光焊接工装夹具的位置；通过调节紧固压板支撑架(15)和紧固压板伸缩支架(19)调整CFRTP复合材料上表面的紧固压板(8)，防止在焊接过程中CFRTP复合材料(18)发生拱曲变形；通过调节压力控制器(16)，利用复合材料压紧块(17)对CFRTP复合材料对接结构的一端施加压力，激光作用后熔融态的树脂材料在外部压力作用下流动、扩散并凝固形成焊接接头；
所述热塑性复合材料对接结构的激光填丝焊接过程中选用的材料是碳纤维增强热塑复合材料，尺寸为50mm×25mm×3.0mm；在超声波清洗槽中倒入适量的丙酮，采用超声波清洗的方式清除复合材料表面的油污和杂质，焊前使用酒精擦拭、清洗试样表面，去除残余污染物以确保试样表面清洁。
2.根据权利要求1所述的一种用于热塑性复合材料对接结构的激光填丝焊接装备，其特征在于：所述填充树脂为热塑性树脂基体和有色颗粒的混合物，其中有色颗粒可将激光的光能转化为热能，在所述填充树脂中的百分含量为0.01％-1％；
热塑性树脂基体包括聚酰胺、聚苯乙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚甲醛、聚碳酸酯；
有色颗粒主要包括石墨和有色金属氧化物。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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