CZ295905B6 - Způsob zpevňování slitin lehkých kovů, zejména v oblasti letecké výroby - Google Patents

Abstract

Způsob zpevňování slitin lehkých kovů, zejména v oblasti letecké výroby, spočívá v tom, že na polotovaru (1) požadované konstrukce vytvořeného ze slitiny lehkého kovu se určí zóny (2), které mají být pro danou konstrukci zpevněny a takto určené zóny (2) se exponují laserovým zářením (3). Exponované zóny (2) se zchladí, přičemž doba expozice a výkon laserového záření se určují podle požadované velikosti výsledného zpevnění v závislosti na typu zpevňované lehké slitiny.

Description

Způsob zpevňování slitin lehkých kovů, zejména v oblasti letecké výroby

Oblast techniky

Předkládané technické řešení se týká nového způsobu zpevňování slitin lehkých kovů zejména u výrobků pro letecký průmysl, kde je jako výsledek vytvořen složený materiál, kde část tohoto výsledného materiálu si zachová původní mechanické vlastnosti a část materiálu získá zvýšenou pevnost, a tím je výsledný materiál vlastně kompozitem kovových materiálů.

Dosavadní stav techniky

Dosud je pro zpevňování slitin lehkých kovů, například slitin hliníku a hořčíku, nebo hliníku a křemíku, kterým se využívá převážně v leteckém průmyslu, řešen požadavek na nízkou hmotnost, pevnost a únavovou pevnost konstrukce tak, že potahový plech je zpevněn v nosnou konstrukci systému žeber a podélníků, které jsou společně snýtovány nýty. Místo nýtů je moderněji používáno lepení. Nevýhodou tohoto řešení je, že pro vytvoření požadované konstrukce letounu je nutno vyrobit velké množství dílů - žeber a podélníků, které je nutné snýtovat a tyto spoje utěsnit tmelem. Značnou nevýhodou je, že takováto montáž je velmi pracná a časově náročná a váha výsledného výrobku se zvyšuje.

V letectví je znám problém koncentrace kritických napětí v konstrukcích draku letounu. Eliminace těchto napětí se provádí zesilováním kritických míst konstrukce letounu buď technologii naválcování dvou rozdílných materiálů v jeden celek, nebo žárovým nanesením jednoho materiálu s rozdílnými mechanickými vlastnostmi na druhý, kde výsledkem je složený kompozitní materiál. Těmito technologiemi se však významně zvyšuje hmotnost letounu na úkor snížení užitné hodnoty letounu a dále se zvyšují výrobní náklady na stavbu letounu. Místa draku letounu, ve kterých není potřeba zesílení konstrukce, na rozdíl od míst s kritickým rozložením napětí, se pak odlehčují pomocí mechanického, či chemického frézování a tím se silně prodražuje výroba letounu ve snaze zvýšit hodnotu letounu.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nedostatky odstraňuje způsob zpevňování slitin lehkých kovů, zejména v oblasti letecké výroby, podle předkládaného vynálezu. Jeho podstatou je, že se na polotovaru požadované konstrukce, vytvořeného ze slitiny lehkého kovu, určí obvyklým způsobem zóny, které mají být pro danou konstrukci zpevněny. Takto určené zóny se exponují laserovým zářením. Tyto exponované zóny se zchladí, přičemž doba expozice a výkon laserového záření se určují podle požadované velikosti výsledného zpevnění v závislosti na typu zpevňované lehké slitiny.

Ochlazování může probíhat samovolně v prostředí, ve kterém je polotovar (1) exponován, nebo řízeným způsobem působením proudu vzduchu a/nebo vody. Při řízeném ochlazování může toto probíhat buď při exponování jednotlivých míst dané zóny nebo až po ukončení expozice celé dané zóny či všech zón na jednom polotovaru.

Expozici laserovým zářením lze na zpevňovaném polotovaru provádět jednostranně a/nebo oboustranně v závislosti na určení polohy a mechanických vlastností zpevňovaných zón.

Ve výhodném provedení se expozice provádí laserovým zářením o vlnové délce ležící v oblasti nad 800 nm. Výhodou uvedeného řešení je možnost optimálně, dle potřeby konstrukčního návrhu, vytvářet na polotovarech dílů zpevněné zóny a vytvářet tak konstrukční skupiny s minimem vyráběných dílů a časově rychlejší montáží podskupin s redukovaným objemem nýtovaných spo

-1 CZ 295905 B6 jů. Výsledkem je pak daleko lehčí výsledná konstrukce, což zejména v leteckém průmyslu je velkým přínosem.

Přehled obrázků na výkresech

Na obr. 1 je prostorové schéma konstrukce trupu letounu realizované dosud používaným způsobem. Obr. 2 znázorňuje příklad současného nýtovaného spojení potahu a podélníku trupu. Na obr. 3 je uveden pohled na schéma zpevňování dílu trupu letounu systému pro vytváření kovových kompozitních materiálů v definovaných zónách polotovaru účinkem laserového záření podle předkládaného vynálezu. Obr. 4 zobrazuje schéma působení laserového záření na materiál a vytváření jednostranné zpevněné struktury v příčném řezu původního materiálu. Na obr. 5 je příčný řez materiálem po oboustranném zpevnění laserovým zářením.

Příklad provedení vynálezu

Pro srovnání stávajícího a nového způsobu zpevňování slitin z lehkých kovů, jako je například hliník - hořčík nebo hliník - křemík je na obr. 1 a 2 naznačen schematicky dosavadní stav techniky. Potahový plech tvořící polotovar 1 je zpevněn v nosnou konstrukci systému žeber 5 a podélníků 6, které jsou společně snýtovány nýty 7. Z obrázku je jasně vidět, že pro vytvoření požadované konstrukce je nutno vyrobit velké množství žeber 5 a podélníků 6. Tyto díly je nutné snýtovat a kromě toho ještě utěsnit, jak ukazuje obr. 2, kde je naznačen podélník 6, přinýtovaný k polotovaru 1 nýty 7 a tento spoj je utěsněn tmelem 8.

Oproti tomuto známému způsobu spočívá nový způsob zpevňování slitin lehkých kovů podle nové technologie v tom že dle optimálního statikem vypočteného požadavku na zpevněné zóny 2 konstrukce, jsou tyto zóny 2 vytvářeny tím, že polotovar 1 z původního materiálu se exponuje v požadovaných zónách 2 laserovým zářením 3. V exponovaných zónách 2 tak interaguje elektromagnetické pole generované laserovým zářením 3 s původním materiálem polotovaru 1 a energie pole se šíří v důsledku tepelné vodivosti základního materiálu polotovaru 1 do požadované tloušťky původního materiálu polotovaru 1 a vytváří tak po vychladnutí, případně po řízeném ochlazení proudem vzduchu nebo vodní sprchou 9 kompozitní materiál s mechanickými vlastnostmi, které se liší v příčném řezu respektive v tloušťce původního materiálu polotovaru 1 v zónách 2 zpevňovaného polotovaru 1, které jsou exponovány laserovým zářením 3. Laserovou expozici pro zpevnění materiálu je možné provádět jednostranně, či oboustranně, nebo kombinovaně s ohledem na původní materiál polotovaru 1, na umístění a na mechanické vlastnosti zpevňovaných zón 2. K danému účelu lze v podstatě použít jakýkoli laser, jak pulzní, tak kontinuální, avšak vždy s laserovým zářením v oblasti vlnových délek a výkonů umožňujících potřebný místní ohřev původního materiálu polotovaru 1. Výkon použitého laseru a doba expozice se liší podle objemu zón 2 zpevňovaného polotovaru 1, požadavků na mechanické vlastnosti zpevňovaných zón 2 a druhu zpevňovaného materiálu 1. Z hlediska absorpce laserového záření 3 zpevňovaných materiálem polotovaru 1 je výhodné, exponuje-li se polotovar 1 laserovým zářením 3 v oblasti vlnových délek nad 800 nm.

Nyní je uveden jeden konkrétní příklad aplikace nového způsobu zpevňování slitin lehkých kovů. Výchozí materiál pro potah trupu letounu je po vytvoření polotovaru 1 potahu a definování zpevňovaných zón 2 statikem exponován laserovým zářením 3 například pomocí laseru s aktivní zónou CO₂, nebo Nd:YAG laseru v zónách 2 polotovaru 1 trupu tak, že v zónách 2 je materiál přetvořen do kompozitové formy s ovlivněnými mechanickými vlastnostmi. Laserové záření 3 je transportováno na požadované zóny 2 polotovaru 1 pomocí průmyslové robotické konstrukce 4. Soustava polotovar 1 - zóna 2 je ochlazována v uvedeném příkladě vodní sprchou 9, nebo proudem vzduchu.

-2CZ 295905 B6

Při realizaci tohoto příkladu procesu vytvoření kovového kompozitního materiálu v definované zóně 2 polotovaru 1 účinkem laserového záření 3 byl jako výchozí polotovar 1 použit plech o rozměrech délky x šířka rovno 150 x 100 mm a o tloušťce T = 1,2 mm. Jako materiál polotovaru 1 byl použit letecký dural AlCu4Mg podle ČSN 424202.1. Zpevňovaná zóna 2 k vytvoření kovové kompozitové struktury byla stanovena o rozměrech délka x šířka 50 x 15 mm a umístěna byla ve středu polotovaru 1. Bylo použito laseru Nd:YAG s výkonem při expozici polotovaru 1 o velikosti 400 W a o vlnové délce laserového záření 3 1060 mm. Zvolený režim provozu laseru byl pulzni o frekvenci 100 Hz. Fokusace laserové stopy, tedy vzdálenost laserové trysky od povrchu polotovaru 1, byla F = 120 mm a velikost stopy laserového svazku na povrchu polotovaru 1 respektive její průměr byl D = 1,1 mm. Rychlost skenování laserového svazku ve zpevňované zóně 2 byla stanovena o velikosti S = 5 mm/sec. Po provedení expozice byla zpevňovaná zóna 2 ochlazována volně samovolným prouděním okolního vzduchu při teplotě vzduchu 25 °C. Výsledky procesu ve zpevněné zóně 2 zjištěné po 120 hodinách od expozice povrchu polotovaru laserovým zářením 3 byly následující. Hloubka tepelně zpracované zóny 2 byla H = 0,3 mm. Pokud jde o mechanické vlastnosti zpracované zóny 2, bylo dosaženo pevnosti 540 MPa, což znamená zvýšení pevnosti o cca 8 %, oproti původnímu materiálu.

Průmyslová využitelnost

Uvedený způsob zpevňování je vhodný pro úpravu kovových materiálů a zejména slitin lehkých kovů, kdy expozice laserového záření v kombinaci s řízeným ochlazováním nachází široké uplatnění v těchto technických aplikacích, kde je potřeba vytvořit pevné a únavově stabilní konstrukce při zachování nízké hmotnosti konstrukce, což je využitelné zejména v leteckém průmyslu.

Claims (7)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Způsob zpevňování slitin lehkých kovů, zejména v oblasti letecké výroby, vyznačující se tím, že na polotovaru (1) požadované konstrukce vytvořeného ze slitiny lehkého kovu se určí zóny (2), které mají být pro danou konstrukci zpevněny, tyto určené zóny (2) se exponují laserovým zářením (3) a takto exponované zóny (2) se exponují laserovým zářením (3) a takto exponované zóny (2) se zchladí, přičemž doba expozice a výkon laserového záření se určují podle požadované velikosti výsledného zpevnění v závislosti na typu zpevňované lehké slitiny.
2. 2. Způsob zpevňování slitin lehkých kovů podle nároku 1, vyznačující se tím, že ochlazování probíhá samovolně v prostředí, ve kterém je polotovar (1) exponován.
3. 3. Způsob zpevňování slitin lehkých kovů podle nároku 1, vyznačující se tím, že ochlazování dané zóny (2) probíhá řízeným způsobem působením proudu vzduchu a/nebo vody.
4. 4. Způsob zpevňování slitin lehkých kovů podle nároku 3, vyznačující se tím, že ochlazování probíhá v průběhu exponování jednotlivých míst dané zóny (2).
5. 5. Způsob zpevňování slitin lehkých kovů podle nároku 3, vyznačující se tím, že ochlazování probíhá až po ukončení expozice celé dané zóny (2) nebo všech zón (2) téhož polotovaru (1).
6. 6. Způsob zpevňování slitin lehkých kovů podle kteréhokoli z nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že expozice laserovým zářením (3) se na daném polotovaru (1) provádí jednostranně a/nebo oboustranně v závislosti na určení polohy a mechanických vlastností zpevňovaných

   5 zón.
7. 7. Způsob zpevňování slitin lehkých kovů podle kteréhokoli z nároků 1 až 5,vyznačující se tím, že expozice se provádí laserovým zářením (3) o vlnové délce ležící v oblasti nad 800 nm.