CN110789131B - 一种用于热塑性复合材料与轻质合金激光连接的可控渐进加载装夹设备和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于热塑性复合材料与轻质合金激光连接的可控渐进加载装夹设备和方法；包括工作平台，固定系统，监测与反馈系统，控制中心，施压系统，和回型框架。其中工作平台用来承载热塑性复合材料；固定系统用于固定热塑性复合材料；监测与反馈系统用于测量连接件表面所受到的压力并实时反馈给控制中心；控制中心根据预设递增压力曲线和实时压力信息给出命令；施压系统依据命令实时调整连接件表面的压力。本发明可以实时监测和调控连接件表面所受到的压力，可控渐进加载施加给连接件表面的压力，促进界面处树脂的流动和扩散，增大有效连接面积，提高热塑性复合材料与轻质合金的结合能力，确保获得高质量的热塑性复合材料与轻质合金激光连接件。
Description
领域：
本发明属于激光连接领域，特别涉及一种用于热塑性复合材料与轻质合金激光连接的可控渐进加载装夹设备和方法。
背景技术：
热塑性复合材料与轻质合金连接的复合结构不仅可以发挥两种材料各自的优异性能，而且可以显著降低构件的重量，这种复合结构在汽车，航空和航天等领域有了较广泛的应用。传统连接热塑性复合材料与轻质合金的技术主要有胶接和机械铆接，工艺复杂繁琐，耗时长效率低。而激光连接技术是近年发展起来的一种实现热塑性复合材料与轻质合金连接的新方法，激光连接技术具有效率高、振动应力小、加工柔性好等优势，在连接热塑性复合材料与轻质合金上具有良好的应用前景。
在激光连接热塑性复合材料与轻质合金过程中，激光照射在轻质合金的表面，金属表面吸收激光能量，将产生的热量以热传导的形式传递到金属材料与热塑性复合材料的连接界面，热塑性复合材料表面的树脂被熔化，在压力的作用下扩散并填充界面间隙，最终实现热塑性复合材料与轻质合金的有效连接。在激光连接热塑性复合材料与轻质合金过程中，压力是影响连接质量的关键因素，实际连接过程中，装夹的不精确及连接件表面压力的不稳定影响了高质量热塑性复合材料与轻质合金连接件的获得。而可控渐进加载的压力可以有效地促进界面树脂的流动与扩散，提高有效结合面积，从而提升热塑性复合材料与轻质合金激光连接接头的质量。
发明内容：
针对现有技术存在的需求及问题，本发明提供一种用于热塑性复合材料与轻质合金激光连接的可控渐进加载装夹设备和方法，可以实时监测和调控连接件表面所受到的压力，可控渐进加载对连接件表面的压力，促进界面处树脂的流动和扩散，提高热塑性复合材料与轻质合金的结合能力，确保获得高质量的热塑性复合材料与轻质合金激光连接件。
本发明通过下述技术方案实现：
一种用于热塑性复合材料与轻质合金激光连接的可控渐进加载装夹设备，其特征在于：包括工作平台、固定系统、监测与反馈系统、控制中心、施压系统和回型框架。
所述工作平台用于热塑性复合材料，其特征在于工作平台上有多个用来固定装夹设备的定位孔；
所述固定系统用于连接件，包括主固定臂、副固定臂、旋转杆、限位片、主卡托和副卡托。主固定臂和副固定臂通过旋转杆和卡托相连，主固定臂底部插入定位孔内，副固定臂与回型框架相连，共同实现装夹设备的固定，同时固定系统施加给连接件表面一个初始压力；
所述监测与反馈系统用于监测连接件表面所受到的压力并将压力信息传递给控制中心，包括压力传感器，其特征在于压力传感器嵌入压块中，在连接过程中，压力传感器直接与连接件表面接触，实时测量连接件表面所受压力并将压力信息反馈到控制中心；
所述控制中心用于接受压力信息并根据预设递增压力曲线给出命令，以此来调整电机来控制升降柱运动，从而调整连接件表面所受压力，使得连接件表面所受压力达到预设值。在连接过程结束后，对连接件保压一段时间，以促进界面处树脂的熔合，提高连接质量，当保压时间达到预设值时，控制中心调整电机控制升降柱运动，释放施加给连接件表面压力。
所述施压系统根据控制中心命令调整对连接件表面施加的压力，包括电机，压杆，升降柱，压块。压杆内有升降柱和压块，升降柱受电机控制，并与压块直接相连。电机根据控制中心的命令，调整升降柱运动，从而控制压块的运动，使得施加给连接件表面的压力被改变。压杆中部为圆柱形，底部为半球形。直接与连接件表面接触的是圆柱形压块的底部。在连接过程中，施压系统根据控制中心的命令，基于预设递增压力曲线逐渐增大压力，促进界面处熔化树脂的流动与熔合，并在连接完成后保压一段时间，提高界面熔合效果。所预设的递增压力曲线主要有线性递增曲线，凹型递增曲线，凸型速递增曲线和S型递增曲线。
所述回型框架用于承载固定系统并传递压力，回型框架上表面与两个副固定臂相连，下表面与四个压杆相连，激光可以穿过回型框架中部的方形孔，照射在连接件的表面，使得热塑性复合材料和轻质合金得到连接。
应用于热塑性复合材料与轻质合金激光连接的可控渐进加载的运行方法，可通过如下步骤实现：
步骤一：预先设定递增压力曲线类型、初始压力值、峰值压力和保压时间，并输入至控制中心。递增压力曲线的类型主要有线性递增曲线，凹型递增曲线，凸型速递增曲线和S型递增曲线；
步骤二：将热塑性复合材料与轻质合金放置在工作平台上，安装装夹设备，固定连接件的位置，控制中心依据所输入参数控制压块对连接件表面施加初始压力；
步骤三：开始激光连接，激光器发射激光照射在轻质合金表面，热量传输到热塑性复合材料处，熔化表层树脂，在压力的作用下熔化树脂流动扩散并填充界面间隙，最终实现热塑性复合材料与轻质合金的连接；
步骤四：压力信息监控及反馈，在连接过程中，监测与反馈系统实时测量连接件表面所受压力状态，并将测量信息反馈至控制中心，当压力未达到预设压力曲线值时，控制中心控制电机驱动升降柱，调整压块对连接件表面的压力值，直至到达预设的压力曲线值。
步骤五：激光连接完成后，在连接件冷却过程中，控制中心根据预设参数控制压块保压一段时间，促进界面处树脂的充分熔合，保压完成后控制中心控制电机驱动升降柱，释放压块对连接件表面的压力。
步骤六：结束激光连接热塑性复合材料与轻质合金过程，拆卸设备。
本发明对于现有技术，至少具备如下优点及效果：
本发明与传统机械连接和胶接相比，激光连接技术的焊接速度快，焊接热输入小，整体制造周期短，柔性化程度高，能够实现数字化、智能化的制造；
本发明可以实时监测和调控连接件表面所受到的压力，可控渐进加载对连接件表面施加均匀的压力，促进界面处树脂的流动和扩散，增大有效连接面积，提高热塑性复合材料与轻质合金的结合能力，确保获得高质量的热塑性复合材料与轻质合金激光连接件；
本发明在激光连接过程结束后自定义保压时间，促进界面处树脂的熔合，提高热塑性复合材料与轻质合金的连接质量；
本发明可以精确调控连接过程中连接件表面的压力状态，结合工艺参数优化，可以实现高质量热塑性复合材料与轻质合金的稳定制造；
本发明构造相对简单，技术手段简便易行，相对于现有技术具有突出的实质性进步。
附图说明：
图1是一种用于热塑性复合材料与轻质合金激光连接的可控渐进加载装夹设备的整体结构示意图；
图1中编号表示：1-工作平台；2-电机；3-控制中心；4-限位片；5-旋转杆；6-主卡托；7-主固定臂；8-副固定壁；9-副卡托；10-激光器；11-回型框架；12-压杆；13-轻质合金；14-垫板；15-定位孔；16-热塑性复合材料；17-升降柱；18-压块；19-压力传感器；20-压杆外壳；21-激光扫描轨迹。
图2是一种用于热塑性复合材料与轻质合金激光连接的可控渐进加载的装夹设备压杆局部放大图。
图3是一种用于热塑性复合材料与轻质合金激光连接的可控渐进加载的装夹设备整体结构俯视图。
图4是预设压力递增曲线的示意图。
图5是一种用于热塑性复合材料与轻质合金激光连接的可控渐进加载的运行方法流程图。
具体实施方式：
下面结合具体实施例对本发明进一步具体详细描述。
实施例
如图1所示。本发明公开了一种用于热塑性复合材料与轻质合金激光连接的可控渐进加载装夹设备，包括工作平台、固定系统、监测与反馈系统、控制中心、施压系统和回型框架。
工作平台1用于热塑性复合材料，其特征在于工作平台1上有多个用来固定装夹设备的定位孔15；
固定系统用于固定装夹设备和连接件，包括主固定臂7，副固定臂8，旋转杆5，限位片4和主卡托6和副卡托9。主固定臂7和副固定臂9通过旋转杆5和卡托相连，主固定臂7底部插入定位孔内，副固定臂8与回型框架11相连，共同实现装夹设备的固定，同时固定系统施加给连接件表面一个初始压力；
监测与反馈系统由于监测连接件表面所受到的压力并将压力信息传递给控制中心3，包括压力传感器19，其特征在于压力传感器19嵌入压块18中，在连接过程中，压力传感器19直接与连接件表面接触，实时测量连接件表面所受压力并将压力信息反馈到控制中心；
控制中心用于接受压力信息并根据预设递增压力曲线给出命令，以此来调整电机2来控制升降柱17运动，调整压块18对连接件表面的压力值，直至到达预设的压力曲线值。在连接过程结束后，对连接件保压一段时间，以促进界面处树脂的熔合，提高连接质量，当保压时间达到预设值时，控制中心调整电机2控制升降柱17运动，释放压块18施加给连接件表面压力。
施压系统根据控制中心命令调整对连接件表面施加的压力，包括电机2，压杆12，升降柱17，压块18，图2为压杆部分的局部放大图。压杆12内有升降柱17和压块18，升降柱17受电机2控制，并与压块18直接相连。电机2根据控制中心3的命令，调整升降柱17运动，从而控制压块18的运动，使得施加给连接件表面的压力被改变。压杆12中部为圆柱形，底部为半球形。直接与连接件表面接触的是圆柱形压块18的底部。在连接过程中，施压系统根据控制中心3的命令，基于预设递增压力曲线逐渐增大压力，促进界面处熔化树脂的流动与熔合，并在连接完成后保压一段时间，提高界面熔合效果。所预设的递增压力曲线主要有线性递增曲线，凹型递增曲线，凸型速递增曲线和S型递增曲线。
所述回型框架11用于承载固定系统并传递压力，回型框架上表面与两个副固定臂8相连，下表面与四个压杆12相连，激光器10发射的激光可以穿过回型框架11中部的方形孔，照射在连接件的表面，使得热塑性复合材料16和轻质合金13得到连接。
一种用于热塑性复合材料与轻质合金激光连接的可控渐进加载的运行方法，包括如下步骤：
步骤一：预先设定递增压力曲线类型，递增压力曲线的类型主要有线性递增曲线，凹型递增曲线，凸型速递增曲线和S型递增曲线，本例中选取线性递增曲线，设置初始压力值为0.5MPa，峰值压力值为1MPa，设置加压时间时，根据激光的扫描速度来设定(本例中激光扫描速度5mm/s，扫描长度25mm，扫描时长5s)，加压时间设定为5s，保压时间设定为60s。将设定好的参数输入控制中心。
步骤二：所采用的热塑性复合材料与轻质合金的尺寸均为120mm×40mm×5mm，搭接长度为50mm。在连接前，试件表面的水分、灰层和油污可能会在激光连接过程中产生气孔或夹杂，影响激光连接的质量，因此在实验进行之前，需要对使用超声波清洗机处理热塑性复合材料和轻质合金三分钟，再利用无水乙醇进行清洗，之后将连接件烘干，立即进行实验。将热塑性复合材料与轻质合金放置在工作平台上，轻质合金搭在热塑性复合材料上。安装装夹设备，固定连接件的位置，控制中心依据所输入参数控制压块对连接件表面施加初始压力0.5MPa；
步骤三：开始激光连接，激光器发射激光照射在轻质合金表面，热量传输到热塑性复合材料处，熔化表层树脂，在压力的作用下熔化树脂流动扩散并填充界面间隙，最终实现热塑性复合材料与轻质合金的连接；
步骤四：压力信息监控及反馈，在连接过程中，监测与反馈系统实时测量连接件表面所受压力状态，并将测量信息反馈至控制中心，当压力未达到预设的线性递增值曲线(初始压力0.5MPa，峰值压力1MPa，加压时长5s)时，控制中心控制电机驱动升降柱，调整压块对连接件表面的压力值，直至到达预设的压力曲线值。
步骤五：激光连接完成后，在连接件冷却过程中，控制中心根据预设参数控制压块保压60s，促进界面处树脂的充分熔合，保压完成后控制中心控制电机驱动升降柱，释放压块对连接件表面的压力。
步骤六：结束激光连接热塑性复合材料与轻质合金过程，拆卸设备。
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 (3)
1.一种用于热塑性复合材料与轻质合金激光连接的可控渐进加载装夹设备，其特征在于：包括工作平台、固定系统、监测与反馈系统、控制中心、施压系统和回型框架；
所述工作平台用于承载热塑性复合材料，工作平台上有多个用来固定装夹设备的定位孔；
所述固定系统用于固定连接件，包括主固定臂、副固定臂、旋转杆、限位片、主卡托和副卡托；
所述监测与反馈系统用于监测连接件表面所受到的压力并将压力信息传递给控制中心，包括压力传感器，压力传感器嵌入压块中，测量连接件表面所受压力并将压力信息实时反馈到控制中心；
所述控制中心用于接受压力信息并根据预设递增压力曲线给出命令，以此来控制施压系统施压，使得连接件表面所受压力达到预设值，并在连接完成后控制施压系统保持压力一段时间；
所述施压系统根据控制中心命令调整对连接件表面施加的压力，包括电机，压杆，升降柱，压块，根据预设递增压力曲线逐渐增大施加压力，促进界面处熔化树脂的流动与熔合，并在连接完成后保压一段时间，提高界面熔合效果；
所述回型框架用于承载固定系统并传递压力，激光可以穿过回型框架中部的方形孔，照射在连接件的表面，使得热塑性复合材料和轻质合金得到连接；
所述固定系统固定热塑性复合材料于工作平台上，装夹设备中的监测与反馈系统检测连接件表面所受到的压力并将压力信息传递给控制中心，控制中心基于实时压力信息和预设递增压力曲线给出命令，控制施压系统施压，直至保证连接件表面所受压力达到预设值，在激光连接完成后，施压系统保持压力一段时间，所预设的递增压力曲线主要有线性递增曲线，凹型递增曲线，凸型速递增曲线和S型递增曲线；
所述固定系统中主固定臂和副固定臂通过旋转杆、主卡托和副卡托相连，主固定臂底部插入定位孔内，副固定臂与回型框架相连，共同实现装夹设备的固定，同时固定系统施加给连接件表面一个初始压力；
所述施压系统中，电机根据控制中心命令驱动升降柱，从而控制压块对连接件表面的压力。
2.一种使用权利要求1所述的热塑性复合材料与轻质合金激光连接的可控渐进加载装夹设备的方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一：预先设定递增压力曲线类型、初始压力值、峰值压力和保压时间并输入至控制中心；
步骤二：将热塑性复合材料与轻质合金放置在工作平台上，安装装夹设备，固定连接件的位置，控制中心依据所输入参数控制压块对连接件表面施加初始压力；
步骤三：开始激光连接，激光器发射激光照射在轻质合金表面，热量传输到热塑性复合材料处，熔化表层树脂，在压力的作用下熔化树脂流动扩散并填充界面间隙，实现热塑性复合材料与轻质合金的连接；
步骤四：压力信息监控及反馈，在连接过程中，监测与反馈系统实时测量连接件表面所受压力状态，并将测量信息反馈至控制中心，当压力未达到预设压力曲线值时，控制中心控制电机驱动升降柱，调整压块对连接件表面的压力值，直至到达预设的压力曲线值；
步骤五：激光连接完成后，在连接件冷却过程中，控制中心根据预设参数控制压块保压一段时间，促进界面处树脂的充分熔合，保压完成后控制中心控制压块释放压力；
步骤六：结束激光连接热塑性复合材料与轻质合金过程，拆卸设备。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：控制中心接收监测与反馈系统传输的连接件表面压力状态信息，并基于预设递增压力曲线调整压块，使得连接件表面所受压力符合预设递增曲线，实现对连接件表面所受压力的可控渐进加载，促进界面处树脂的扩散和流动，增大有效结合面积，连接结束后保压一段时间，提高界面熔合效果。
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| CN108297443A (zh) * | 2018-01-24 | 2018-07-20 | 北京大学深圳研究院 | 一种提升热塑性复合材料与金属连接强度的方法 |
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2019
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