CN117484873A - 一种使用3d打印辅助的金属-热塑复材激光连接设备和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种使用3D打印辅助的金属‑热塑复材激光连接设备和方法，该设备包括连续纤维3D打印系统、激光焊接/刻蚀系统、激光发生器、机器人系统、计算机控制系统。所述的连续纤维3D打印系统包括3D打印喷嘴、激光加热装置、树脂熔覆装置、送丝装置、控制系统。激光刻蚀/焊接系统包括激光头、控制系统。其中先使用激光刻蚀/焊接系统在金属表面刻蚀出具有特定三维结构的微结构，如蜂窝结构、梯形结构及三角结构等；然后采用连续纤维3D打印系统在金属表面的微结构中打印出与其结构对应的连续碳纤维/树脂材料，使连续碳纤维/树脂材料嵌入微结构中，树脂与金属紧密结合，并使金属表面存在薄层树脂；最后采用激光刻蚀/焊接系统对已处理好的金属与热塑复材进行焊接。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属-热塑复材的激光连接设备及方法，特别是使用3D打印辅助的金属-热塑复材激光连接设备和方法。
背景技术
热塑复材轻质高强，而且具有良好的疲劳性和优质的耐腐蚀性，逐渐成为航空航天结构材料的重要选择。传统金属材料因其较低的成本及成熟的成形、加工工艺等优势，依然是航空航天中不可或缺的重要结构材料。这导致金属与热塑复材的连接在航空航天制造中是不可避免的，热塑复材和铝合金的可靠连接将推动航空航天的发展。
激光焊接具有能量可控、加热集中等特点成为金属复材连接的重要方法。金属-热塑复材激光连接已经进行了大量研究，主要集中在控制激光功率、接头界面添加树脂层等方面。但仍然存在结合不充分、界面处存在大量气孔、接头疲劳强度较低等问题。
3D打印作为一种快速成型技术，可在金属表面快速制造出碳纤维树脂层，并且结合激光刻蚀技术使得碳纤维树脂层与金属形成紧密结合。可以在金属-热塑复材激光连接过程中起到过渡层的作用，从而改善金属-热塑复材接头的界面形貌，提高金属-热塑复材的连接强度。
发明内容
针对金属-热塑复材异质接头接头强度低及界面结合能力差的状态，本发明提出了一种使用3D打印辅助的金属-热塑复材激光连接设备和方法，改善其接头性能。
为了达到该目的，本发明通过以下技术方案来实现：
一种使用3D打印辅助的金属-热塑复材激光连接设备和方法，其特征在于：包括控制系统(1)、3D打印辅助激光连接装置(2)、3D打印送丝系统(3)、高精度可控温升降工作平台(4)、被焊工件(5)。
所述控制系统(1)用于控制3D打印辅助激光连接装置(2)、3D打印送丝系统(3)、高精度可控温升降工作平台(4)，包括主机(11)、机器人控制柜(12)、光纤激光发生器(13)、红外成像监测装置(14)。
所述3D打印辅助激光连接装置(2)与工业机器人(27)相连，通过光纤(26)与光纤激光发生器(13)相连，包括激光加热装置(21)、树脂熔覆装置(22)、打印喷嘴(23)、激光头(24)、腔体(25)。
所述3D打印送丝系统(3)包括送丝控制器(31)、碳纤维丝盘(32)、树脂基体丝盘(33)、远端送丝轮(34)、近端送丝器(35)。
所述高精度可控温升降工作平台(4)包括高精度控温平台(41)、高精度液压升降装置(42)、固定板材的工装夹具(43)、垫块(44)。
所述被连接工件(5)包括经激光刻槽及3D打印处理后的金属板(51)和复合材料板(52)；附着在金属板上的碳纤维树脂层(53)；以及未经处理的金属板(54)，经激光刻槽后的金属板(55)。
所述红外成像检测装置(14)，其特征在于：在激光刻槽过程中监视金属板表面温度及表面形貌，并对异常情况实时报警提醒；在3D打印过程中监视打印喷嘴处纤维及树脂的表面温度及纤维表面树脂熔覆情况，并对异常情况实时报警提醒。
所述激光加热装置(21)，其特征在于：采用激光作为热源进行加热，温度可以精确调控且加热均匀。
所述树脂熔覆装置(22)，其特征在于：可以将熔融状态的树脂均匀的熔覆在被加热的纤维上，并且树脂厚度可以调控。
所述光纤激光发生器(13)与激光头(24)，其特征在于：通过光纤(26)相连，可以通过调控激光功率的大小以及光斑直径的大小从而适应激光刻槽及激光焊接过程。
所述高精度可控温升降工作平台(4)，其特征在于：可以精确调整工作平台表面温度，在3D打印过程中使金属板上温度保持适宜且恒定，使树脂能够充分的流动填隙提高碳纤维树脂层(53)与金属板之间的结合强度；配合工业机器人(27)精准控制碳纤维树脂层(53)的厚度。
为达到此目的，本发明采用以下技术方案：
一种使用3D打印辅助的金属-热塑复材激光连接方法，包括如下步骤：
第一，将未经处理的金属板(54)装夹在高精度可控温升降工作平台(4)上；
第二，启动控制系统(1)与3D打印辅助激光连接装置(2)，从主机(11)控制输入，调整光纤激光发生器(13)控制激光频率及光斑直径，并通光纤(26)将激光传导至激光头(24)，控制机器人控制柜(12)设置特定刻槽路径，控制红外成像监测装置(14)监测刻槽过程，启动系统完成金属表面激光刻槽；
第三，启动3D打印送丝系统，启动送丝控制器(31)，安装好碳纤维丝盘(32)及树脂基体丝盘(33)，将丝束依次通过远端送丝轮(34)和近端送丝器(35)；
第四，使用主机(11)，调整光纤激光发生器(13)功率并将激光通过光纤(26)传导至激光加热装置(21)，使其可以加热至指定温度，调整送丝控制器(31)使其以指定速度均匀送丝，调整高精度可控温升降工作平台(4)，使其高精度控温平台(41)表明达到指定温度，调整高精度液压升降装置(42)控制层厚；
第五，使用主机(11)，控制机器人控制柜(12)设置与激光刻槽相同的路径，控制红外成像监测装置(14)监测3D打印过程，启动系统开始3D打印，完成金属表面碳纤维树脂层的制备；
第六，待经激光刻槽及3D打印处理后的金属材料板(51)冷却，与复合材料板(52)一同装夹至高精度可控温升降工作平台(4)，如步骤二调整光纤激光发生器(13)控制激光频率及直径，使其能够用于激光焊接，通过光纤(26)将激光传导至激光头(24)，控制机器人控制柜(12)设置焊接路径，控制红外成像监测装置(14)检测焊接过程，启动系统完成金属-热塑复材连接；
第七，关闭系统，完成连接过程。
本发明产生的有效作用：由于金属表面树脂层中存在可设计性较强的碳纤维结构，可以提高接头的强度及疲劳性能；且由于树脂及碳纤维结构存在，可以缓解金属-热塑复材异质接头的应力集中。树脂传热系数为0.23W/m2·℃，而碳纤维传热系数为9.38W/m2·℃，可见由于碳纤维的存在热量可以更有效、更均匀的传导至接头界面处。且在3D打印过程中，树脂基体是有控制的缓慢冷却，树脂与金属结合更加充分，减少了界面缺陷的产生。该发明增强了树脂基体与金属的结合，提高了金属-热塑复材接头激光焊接过程中的界面热传导效率及均匀性，降低了异质接头的应力集中，提高了金属-热塑复材接头的力学性能。
附图说明
图1为本发明3D打印辅助的金属-热塑复材激光连接系统示意图；
图2为本发明3D打印辅助的金属-热塑复材激光连接装置示意图；
图3为不同阶段被连接工件表面形貌示意图；
其中：
1-控制系统；11-主机；12-机器人控制柜；13-光纤激光发生器；14-红外成像监测装置；
2-3D打印辅助激光连接装置；21-激光加热装置；22-树脂熔覆装置；23-打印喷嘴；24-激光头；25-腔体；26-光纤；27-工业机器人；
3-3D打印送丝系统；31-送丝控制器；32-碳纤维丝盘；33-树脂基体丝盘；34-远端送丝轮；35-近端送丝器；
4-高精度可控温升降工作平台；41-高精度控温平台；42-高精度液压升降装置；43-固定板材的工装夹具；44-垫块
5-被连接工件；51-经激光刻槽及3D打印处理后的金属板；52-复合材料板；53-附着在金属材料上的碳纤维树脂层；54-未经任何处理的金属板；55-经激光刻蚀后的金属板表面形貌
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式进一步说明本发明的技术方案。
参考图1所示一种使用3D打印辅助的金属-热塑复材激光连接设备和方法，其特征在于：包括控制系统(1)、3D打印辅助激光连接装置(2)、3D打印送丝系统(3)、高精度可控温升降工作平台(4)、被焊工件(5)。
所述控制系统(1)用于控制3D打印辅助激光连接装置(2)、3D打印送丝系统(3)、高精度可控温升降工作平台(4)，包括主机(11)、机器人控制柜(12)、光纤激光发生器(13)、红外成像监测装置(14)。
如图2所示，所述3D打印辅助激光连接装置(2)与工业机器人(27)相连，通过光纤(26)与光纤激光发生器(13)相连，包括激光加热装置(21)、树脂熔覆装置(22)、打印喷嘴(23)、激光头(24)、腔体(25)。
所述3D打印送丝系统(3)包括送丝控制器(31)、碳纤维丝盘(32)、树脂基体丝盘(33)、远端送丝轮(34)、近端送丝器(35)。
所述高精度可控温升降工作平台(4)包括高精度控温平台(41)、高精度液压升降装置(42)、固定板材的工装夹具(43)、垫块(44)。
如图3所示，所述被连接工件(5)包括经激光刻槽及3D打印处理后的金属板(51)和复合材料板(52)，附着在金属板上的碳纤维树脂层(53)，以及未经处理的金属板(54)，经激光刻槽后的金属板(55)。
所述红外成像检测装置(14)，其特征在于：在激光刻槽过程中监视金属板表面温度及表面形貌，并对异常情况实时报警提醒；在3D打印过程中监视打印喷嘴处纤维及树脂的表面温度及纤维表面树脂熔覆情况，并对异常情况实时报警提醒。
所述激光加热装置(21)，其特征在于：采用激光作为热源进行加热，温度可以精确调控且加热均匀。
所述树脂熔覆装置(22)，其特征在于：可以将熔融状态的树脂均匀的熔覆在被加热的纤维上，并且树脂厚度可以调控。
所述光纤激光发生器(13)与激光头(24)，其特征在于：通过光纤(26)相连，可以通过调控激光功率的大小以及光斑直径的大小从而适应激光刻槽及激光焊接过程。
所述高精度可控温升降工作平台(4)，其特征在于：可以精确调整工作平台表面温度，在3D打印过程中使金属板上温度保持适宜且恒定，使树脂能够充分的流动填隙提高碳纤维树脂层(53)与金属板之间的结合强度；配合工业机器人(27)精准控制碳纤维树脂层(53)的厚度。
以下通过一个具体的实施例进一步说明本发明：
若金属材料为50mmx20mmx3mm铝合金板，复合材料为50mmx20mmx2mm碳纤维增强聚醚醚酮板，搭接接头宽度为10mm。3D打印采用聚醚醚酮树脂基体，6K碳纤维丝束。
第一，将未经处理的铝合金板装夹在高精度可控温升降工作平台上；
第二，启动控制系统与3D打印辅助激光连接装置，从主机控制输入，调整光纤激光发生器控制激光功率20W及光斑直径0.3mm，并通光纤将激光传导至激光头，控制机器人控制柜设置蜂窝结构的刻槽路径，控制红外成像监测装置监测刻槽过程，启动系统完成金属表面激光刻槽；
第三，启动3D打印送丝系统，启动送丝控制器，安装好6K碳纤维丝盘及聚醚醚酮树脂基体丝盘，将丝束依次通过远端送丝轮和近端送丝器；
第四，使用主机，调整光纤激光发生器功率至50W并将激光通过光纤传导至激光加热装置，使其可以加热至400℃，调整送丝控制器使其以指定速度均匀送丝，调整高精度可控温升降工作平台，使其高精度控温平台表明达到指定温度300℃，调整高精度液压升降装置控制层厚；
第五，使用主机，控制机器人控制柜设置与激光刻槽相同的路径，控制红外成像监测装置监测3D打印过程，启动系统开始3D打印，完成金属表面碳纤维树脂层的制备；
第六，待经激光刻槽及3D打印处理后的金属材料板冷却，与复合材料板一同装夹至高精度可控温升降工作平台，如步骤二调整光纤激光发生器控制激光功率300W及光斑直径0.3mm，使其能够用于激光焊接，通过光纤将激光传导至激光头，控制机器人控制柜设置焊接路径，控制红外成像监测装置检测焊接过程，启动系统完成金属-热塑复材连接；
第七，关闭系统，完成连接过程。
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 (7)
1.一种使用3D打印辅助的金属-热塑复材激光连接设备和方法，其特征在于：包括控制系统(1)、3D打印辅助激光连接装置(2)、3D打印送丝系统(3)、高精度可控温升降工作平台(4)、被焊工件(5)：
所述控制系统(1)用于控制3D打印辅助激光连接装置(2)、3D打印送丝系统(3)、高精度可控温升降工作平台(4)，包括主机(11)、机器人控制柜(12)、光纤激光发生器(13)、红外成像监测装置(14)；
所述3D打印辅助激光连接装置(2)与工业机器人(27)相连，通过光纤(26)与光纤激光发生器(13)相连，包括激光加热装置(21)、树脂熔覆装置(22)、打印喷嘴(23)、激光头(24)、腔体(25)；
所述3D打印送丝系统(3)包括送丝控制器(31)、碳纤维丝盘(32)、树脂基体丝盘(33)、远端送丝轮(34)、近端送丝器(35)；
所述高精度可控温升降工作平台(4)包括高精度控温平台(41)、高精度液压升降装置(42)、固定板材的工装夹具(43)、垫块(44)；
所述被连接工件(5)包括经激光刻槽及3D打印处理后的金属板(51)和复合材料板(52)；附着在金属板上的碳纤维树脂层(53)；以及未经处理的金属板(54)，经激光刻槽后的金属板(55)。
2.根据权利要求1所述红外成像检测装置(14)，其特征在于：在激光刻槽过程中监视金属板表面温度及表面形貌，并对异常情况实时报警提醒；在3D打印过程中监视打印喷嘴处纤维及树脂的表面温度及纤维表面树脂熔覆情况，并对异常情况实时报警提醒。
3.根据权利要求1所述激光加热装置(21)，其特征在于：采用激光作为热源进行加热，温度可以精确调控且加热均匀。
4.根据权利要求1所述树脂熔覆装置(22)，其特征在于：可以将熔融状态的树脂均匀的熔覆在被加热的纤维上，并且树脂厚度可以调控。
5.根据权利要求1所述光纤激光发生器(13)与激光头(24)，其特征在于：通过光纤(26)相连，可以通过调控激光功率的大小以及光斑直径的大小从而适应激光刻槽及激光焊接过程。
6.根据权利要求1所述高精度可控温升降工作平台(4)，其特征在于：可以精确调整工作平台表面温度，在3D打印过程中使金属板上温度保持适宜且恒定，使树脂能够充分的流动填隙提高碳纤维树脂层(53)与金属板之间的结合强度；配合工业机器人(27)精准控制碳纤维树脂层(53)的厚度。
7.一种使用3D打印辅助的金属-热塑复材激光连接方法，其特征在于使用一种3D打印辅助的金属-热塑复材激光连接设备，包括如下步骤：
第一，将未经处理的金属板(54)装夹在高精度可控温升降工作平台(4)上；
第二，启动控制系统(1)与3D打印辅助激光连接装置(2)，从主机(11)控制输入，调整光纤激光发生器(13)控制激光频率及光斑直径，并通过光纤(26)将激光传导至激光头(24)，控制机器人控制柜(12)设置特定刻槽路径，控制红外成像监测装置(14)监测刻槽过程，启动系统完成金属表面激光刻槽；
第三，启动3D打印送丝系统，启动送丝控制器(31)，安装好碳纤维丝盘(32)及树脂基体丝盘(33)，将丝束依次通过远端送丝轮(34)和近端送丝器(35)；
第四，使用主机(11)，调整光纤激光发生器(13)功率并将激光通过光纤(26)传导至激光加热装置(21)，使其可以加热至指定温度，调整送丝控制器(31)使其以指定速度均匀送丝，调整高精度可控温升降工作平台(4)，使其高精度控温平台(41)表明达到指定温度，调整高精度液压升降装置(42)控制层厚；
第五，使用主机(11)，控制机器人控制柜(12)设置与激光刻槽相同的路径，控制红外成像监测装置(14)监测3D打印过程，启动系统开始3D打印，完成金属表面连续碳纤维树脂层的制备；
第六，待经激光刻槽及3D打印处理后的金属材料板(51)冷却，与复合材料板(52)一同装夹至高精度可控温升降工作平台(4)，如步骤二调整光纤激光发生器(13)控制激光频率及直径，使其能够用于激光焊接，通过光纤(26)将激光传导至激光头(24)，控制机器人控制柜(12)设置焊接路径，控制红外成像监测装置(14)检测焊接过程，启动系统完成金属-热塑复材连接；
第七，关闭系统，完成连接过程。
Priority Applications (1)
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| CN202311370902.XA CN117484873A (zh) | 2023-10-20 | 2023-10-20 | 一种使用3d打印辅助的金属-热塑复材激光连接设备和方法 |
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