RU2678002C1 - Method of connecting metal material with composite material with laser beam - Google Patents

Method of connecting metal material with composite material with laser beam Download PDF

Info

Publication number
RU2678002C1
RU2678002C1 RU2018111378A RU2018111378A RU2678002C1 RU 2678002 C1 RU2678002 C1 RU 2678002C1 RU 2018111378 A RU2018111378 A RU 2018111378A RU 2018111378 A RU2018111378 A RU 2018111378A RU 2678002 C1 RU2678002 C1 RU 2678002C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
metal material
composite material
composite
laser beam
metal
Prior art date
Application number
RU2018111378A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Сергей Вячеславович Курынцев
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ)
Priority to RU2018111378A priority Critical patent/RU2678002C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2678002C1 publication Critical patent/RU2678002C1/en

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring

Abstract

FIELD: machine building.SUBSTANCE: invention relates to the field of engineering, in particular to a method for combining a metallic material and a composite material using laser radiation. Method consists in making cuts on the metal material from the side in contact with the composite material in the longitudinal and / or transverse direction, tightly press the metal material to the composite overlap and heat the free surface of the metal material to reflow, acting along a path that coincides with the path of the notch, under the action of which, the surface of the matrix material of the composite material in the area of contact with the metallic material is heated to the transition temperature to the highly elastic state, being in which the matrix material of the composite material fills in the incisions on the surface of the metallic material, forming a mechanical one-piece hermetic joint.EFFECT: invention provides a sealed mechanical permanent connection of a metal material with a composite material.3 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к области машиностроения, а конкретно к способу соединения металлического материала и композиционного материала с применением лазерного излучения, который может быть использовано в авиа- и машиностроении.The invention relates to the field of mechanical engineering, and specifically to a method for joining a metal material and a composite material using laser radiation, which can be used in aircraft and mechanical engineering.

Известен способ лазерной сварки (патент №2638267, МПК B23K 26/244 (2014.01), B23K 26/70 (2014.01), опубликовано 12.12.2017), в котором перед сваркой контактируемые поверхности соединяемых листов обрабатывают лазерной чисткой. Затем листы плотно прижимают. Сварной шов образуют периодической повторяемостью базисных элементов V-, U-, Q-образной геометрической формы, в частности, эллипсов или кругов, лазерным лучом с постоянной скоростью под углом 90° относительно соединения в два этапа - нагрев поверхности стали расфокусированным лучом до температуры 600 С° 700 С° и проплавление листа стали сфокусированным лучом с защитой расплава газовой смесью аргона и гелия.A known method of laser welding (patent No. 2638267, IPC B23K 26/244 (2014.01), B23K 26/70 (2014.01), published 12.12.2017), in which before welding the contact surfaces of the joined sheets are treated with laser cleaning. Then the sheets are pressed tightly. The weld is formed by the periodic repeatability of the basic elements of a V-, U-, Q-shaped geometric shape, in particular, ellipses or circles, by a laser beam with a constant speed at an angle of 90 ° relative to the joint in two stages - heating the steel surface with a defocused beam to a temperature of 600 ° C ° 700 ° C and sheet penetration became a focused beam with protection of the melt by a gas mixture of argon and helium.

Однако известный способ предназначен для лазерной сварки внахлест листов конструкционной стали и сплавов алюминия.However, the known method is intended for laser lap welding of structural steel sheets and aluminum alloys.

Техническая проблема, на решение которой направлено предлагаемое изобретение заключается в создании способа соединения металлического материала с композиционным материалом за счет их взаимодействия при нагреве лазерным лучом, без применения клеев, болтовых или заклепочных соединений.The technical problem to be solved by the present invention is directed to creating a method for joining a metal material with a composite material due to their interaction when heated by a laser beam, without the use of adhesives, bolts or rivets.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение заключается получение герметичного механического неразъемного соединения металлического материала с композиционным материалом.The technical result, to which the present invention is directed, is to obtain a tight mechanical inseparable connection of a metal material with a composite material.

Технический результат достигается тем, что в способе соединения металлического материала с композиционным материалом лазерным лучом включающем нагрев лазерным лучом поверхности металлического материала, отличающийся тем, что на металлическом материале со стороны, соприкасающейся с композиционным материалом, выполняют надрезы в продольном и/или поперечном направлении, металлический материал плотно прижимают к композиционному внахлест, нагревают свободную поверхность металлического материала до оплавления, воздействуя по траектории, совпадающей с траекторией надреза, под действием чего поверхность материала матрицы композиционного материала в области контакта с металлическим материалом нагревается до температуры перехода в высокоэластичное состояние, находясь в котором материал матрицы композиционного материала заполняет вышеупомянутые надрезы на поверхности металлического материала, образуя механическое неразъемное герметичное соединение.The technical result is achieved by the fact that in the method of joining a metal material with a composite material by a laser beam, which includes heating the surface of the metal material with a laser beam, characterized in that on the metal material from the side in contact with the composite material, cuts are made in the longitudinal and / or transverse direction, metal the material is tightly pressed to the composite overlap, the free surface of the metal material is heated until reflow, acting along the trajectory and coinciding with the notch trajectory, under which the surface of the matrix material of the composite material in the area of contact with the metal material is heated to the temperature of transition to a highly elastic state, when the material of the matrix of the composite material fills the aforementioned notches on the surface of the metal material, forming a permanent mechanical seal.

Надрезы выполняют лазерной резкой с неполным проплавлением или механическим способом.The incisions are made by laser cutting with incomplete penetration or mechanically.

Со стороны металлического материала воздействуют сфокусированным, расфокусированным, импульсным или сканирующим лазерным лучом.From the side of the metal material they act with a focused, defocused, pulsed or scanning laser beam.

На Фигуре 1 представлена принципиальная схема осуществления соединения металлического материала с композиционным материалом.The Figure 1 presents a schematic diagram of the implementation of the connection of a metal material with a composite material.

На Фигуре 2 представлено сечение А-А плоскости контакта металлического материала, с выполненными на ней надрезами вдоль и поперек.The Figure 2 presents a section aa the plane of contact of the metal material, with cuts made on it along and across.

На Фигуре 3 представлен участок поперечного сечение металлического материала перед выполнением соединения.The Figure 3 presents a section of a cross section of a metal material before making the connection.

На Фигуре 4 представлены траектории выполнения надрезов на плоскости контакта металлического материала с композиционным материалом.The Figure 4 presents the trajectory of the cuts on the plane of contact of the metal material with the composite material.

На Фигуре 5 представлено схематичное изображение поперечного сечения металлического материала с выполненными надрезами, заполненными матрицей композиционного материала.The Figure 5 presents a schematic representation of a cross section of a metal material with cuts made filled with a matrix of composite material.

На Фигуре 6 представлено схематичное изображение поперечного сечения надреза на металлическом материале, заполненного матрицей композиционного материала.The Figure 6 presents a schematic representation of a cross section of a notch on a metal material filled with a matrix of composite material.

Позиции на фигурах: 1 - металлический материал, 2 - композиционный материал, 3 - лазерный луч, 4 - зона нагрева металлического материала лазерным лучом, 5 - зона контакта нагретого металлического материала с матрицей композиционного материала, 6 - траектории выполнения надрезов на плоскости контакта металлического материала с композиционным, 7 -схематичное изображение поперечного сечения металлического материала с выполненными надрезами, 8 - матрица композиционного материала, заполнившая надрез, 9 - точки приложения прижимающего усилия, 10 - надрезы вид сверху, 11 - надрезы вид сбоку.Positions in the figures: 1 — metal material, 2 — composite material, 3 — laser beam, 4 — zone of heating the metal material with the laser beam, 5 — contact zone of the heated metal material with the matrix of the composite material, 6 — paths for making cuts in the contact plane of the metal material with composite, 7 is a schematic cross-sectional image of a metal material with notches made, 8 is a matrix of composite material that fills the notch, 9 are the points of application of pressing force, 10 is above ezy top view, 11 - cuts a side view.

Устройство для осуществления способа состоит из роботизированного комплекса лазерной сварки, лазерной головы, сварочного стола, прижимных устройств, соединяемых заготовок 1 и 2.A device for implementing the method consists of a robotic complex of laser welding, a laser head, a welding table, clamping devices, connected blanks 1 and 2.

Сущность способа заключается в следующем: Механической и химической обработкой подготавливают контактирующие поверхности соединяемых заготовок из металлического материала 1 и композиционного материала 2 необходимых размеров в диапазоне (Д×Ш×Т) 50×50×0.5 мм до 3000×1500×5 мм. Механической или лазерной обработкой на контактирующей поверхности металлического материала выполняют надрезы по определенной траектории, представленной на Фигуре 2, на глубину 10-30% от толщины заготовки из металлического материала, в зависимости от толщины заготовки. Соединяемые заготовки 1 и 2 фиксируют на сварочном столе или на полете портальной установки (на фигуре не показано) и прижимают прижимными устройствами. Осуществляют обработку лазерным лучом поверхности заготовки из металлического материала 1, по траектории, совпадающей с траекторией надреза, приводящую к нагреву или плавлению заготовки из металлического материала. Мощность излучения лазерного луча находится в диапазоне 1-5 кВт, скорость обработки 10-100 мм/сек, в зависимости от толщины заготовки из металлического материала 1. При обработке лазерным лучом заготовка из металлического материала нагревается или оплавляется со стороны воздействия лазерного луча, а со стороны контакта с заготовкой из композиционного материала (свободной стороны) только нагревается до диапазона температур (100 С° - 200 С°) перехода материала матрицы композиционного материала 2 в высокоэластичное состояние, что обеспечивается подбором оптимальных режимов лазерной обработки (мощности лазерного луча и скорости его перемещения). Нагретый материал матрицы композиционного материала, находящийся в высокоэластичном состоянии под действием силы прижима, заполняет выполненные надрезы и при охлаждении затвердевает в полости надрезов, показано на Фигуре 5, 6. Таким образом, за счет проникания и заполнения материала матрицы композиционного материала или основы полимерного материала в надрезы, выполненные на металлической заготовке, и его быстрого затвердевания образуется механическое неразъемное соединение на микро-уровне.The essence of the method is as follows: The contact surfaces of the joined workpieces of metal material 1 and composite material 2 of the required sizes in the range (L × W × T) of 50 × 50 × 0.5 mm to 3000 × 1500 × 5 mm are prepared by mechanical and chemical treatment. By mechanical or laser processing on the contact surface of the metal material, cuts are made along a certain path shown in Figure 2 to a depth of 10-30% of the thickness of the workpiece made of metal material, depending on the thickness of the workpiece. The connected workpieces 1 and 2 are fixed on the welding table or on the flight of the gantry (not shown in the figure) and pressed with clamping devices. A laser beam is processed on the surface of a workpiece made of metal material 1 along a path coinciding with the notch path, leading to heating or melting of the workpiece made of metal material. The radiation power of the laser beam is in the range of 1-5 kW, the processing speed is 10-100 mm / s, depending on the thickness of the workpiece made of metal material 1. When processing a laser beam, the workpiece made of metal material is heated or melted from the side of the laser beam, and the contact side with the composite workpiece (free side) only heats up to the temperature range (100 ° C - 200 ° C) of the transition of the matrix material of the composite material 2 to a highly elastic state, which is ensured by selection of optimal laser processing modes (laser beam power and speed of its movement). The heated matrix material of the composite material, which is in a highly elastic state under the action of the pressing force, fills the incisions and, when cooled, hardens in the cavity of the incisions, shown in Figure 5, 6. Thus, due to the penetration and filling of the matrix material of the composite material or the base of the polymer material incisions made on a metal workpiece, and its quick hardening, a mechanical one-piece connection is formed at the micro level.

При лазерной обработке со стороны металлического материала воздействуют сфокусированным, расфокусированным, импульсным или сканирующим лазерным лучом.In laser processing, the metal material is exposed to a focused, defocused, pulsed or scanning laser beam.

Траектория перемещения, фокусное расстояние лазерного луча и режимы сварки задаются программой роботизированного комплекса.The trajectory of movement, the focal length of the laser beam and the welding modes are set by the program of the robotic complex.

При осуществлении процесса обработки лазерным лучом используется плавное нарастание и убывание мощности лазерного луча 1, с целью обеспечения стабильности процесса обработки лазерным лучом, т.е. спокойного поведения расплавленного металла и улучшения косметических характеристик сварного шва. Оптимальный режим нарастания мощности лазерного луча 3 от 0 до 1-5 кВт за 100-400 миллисекунд, убывания с 5-0 кВт за 200-600 миллисекунд.When implementing the laser beam processing process, a smooth increase and decrease in the power of the laser beam 1 is used to ensure the stability of the laser beam processing, i.e. calm behavior of molten metal and improve the cosmetic characteristics of the weld. The optimal mode of increasing the power of the laser beam 3 from 0 to 1-5 kW for 100-400 milliseconds, decreasing from 5-0 kW for 200-600 milliseconds.

Основными технологическими параметрами режимов являются: линейная скорость обработки лазерным лучом, мощность лазерного излучения, усилие прижима заготовок.The main technological parameters of the modes are: the linear processing speed of the laser beam, the power of the laser radiation, the clamping force of the workpieces.

В качестве металлического материала используют конструкционные сплавы на основе железа, алюминия, титана, меди, кобальта, магния. В качестве композиционного материала используют полимерные материалы, упрочненные металлическими, углеродными или стекло-волокнами, термопластичные полимеры.As a metal material, structural alloys based on iron, aluminum, titanium, copper, cobalt, and magnesium are used. As a composite material, polymeric materials reinforced with metal, carbon or glass fibers, thermoplastic polymers are used.

Таким образом, за счет нагрева металлической заготовки лазерным лучом, последующего нагрева материала матрицы композиционного материала до температур перехода в высокоэластичное состояние, его проникания и заполнения в надрезы, выполненные на металлической заготовке, и его быстрого затвердевания образуется механическое неразъемное соединение на микро-уровне.Thus, by heating the metal billet with a laser beam, subsequent heating of the matrix material of the composite material to transition temperatures to a highly elastic state, its penetration and filling into cuts made on the metal billet, and its rapid solidification, a mechanical one-piece connection is formed at the micro level.

Claims (3)

1. Способ соединения металлического материала с композиционным материалом лазерным лучом, включающий нагрев лазерным лучом поверхности металлического материала, отличающийся тем, что на металлическом материале со стороны, соприкасающейся с композиционным материалом, выполняют надрезы в продольном и/или поперечном направлении, металлический материал плотно прижимают к композиционному внахлест, нагревают свободную поверхность металлического материала до оплавления, воздействуя по траектории, совпадающей с траекторией надреза, под действием чего поверхность материала матрицы композиционного материала в области контакта с металлическим материалом нагревается до температуры перехода в высокоэластичное состояние, находясь в котором материал матрицы композиционного материала заполняет вышеупомянутые надрезы на поверхности металлического материала, образуя механическое неразъемное герметичное соединение.1. A method of connecting a metal material with a composite material by a laser beam, comprising heating the surface of the metal material with a laser beam, characterized in that cuts are made in the longitudinal and / or transverse direction on the metal material from the side in contact with the composite material, the metal material is pressed tightly against composite lap, heat the free surface of the metal material until melting, acting along a trajectory that coincides with the notch trajectory, under ystviem which the surface of the matrix material of the composite material in contact with the metallic material heated to the transition temperature of the rubber elasticity while wherein the matrix material of the composite material fills the aforementioned incisions on the surface of the metal material, forming a one-piece mechanical tight connection. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что надрезы выполняют лазерной резкой с неполным проплавлением или механическим способом.2. The method according to p. 1, characterized in that the incisions are performed by laser cutting with incomplete penetration or by mechanical means. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что со стороны металлического материала воздействуют сфокусированным, расфокусированным, импульсным или сканирующим лазерным лучом.3. The method according to p. 1, characterized in that the metal material is exposed to a focused, defocused, pulsed or scanning laser beam.
RU2018111378A 2018-03-29 2018-03-29 Method of connecting metal material with composite material with laser beam RU2678002C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018111378A RU2678002C1 (en) 2018-03-29 2018-03-29 Method of connecting metal material with composite material with laser beam

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018111378A RU2678002C1 (en) 2018-03-29 2018-03-29 Method of connecting metal material with composite material with laser beam

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2678002C1 true RU2678002C1 (en) 2019-01-22

Family

ID=65085166

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018111378A RU2678002C1 (en) 2018-03-29 2018-03-29 Method of connecting metal material with composite material with laser beam

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2678002C1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4740429A (en) * 1985-07-22 1988-04-26 Ngk Insulators, Ltd. Metal-ceramic joined articles
RU2029753C1 (en) * 1992-04-30 1995-02-27 Благовещенский технологический институт Method to produce conical covering joint of alumina ceramics to metal
RU2515722C2 (en) * 2012-06-21 2014-05-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" Method for making tubular joint of alumina ceramics and metal
RU2638267C1 (en) * 2017-01-09 2017-12-12 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Владимирский Государственный Университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых" (ВлГУ) Method of laser overlap welding of structural steel sheets and aluminium alloys

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4740429A (en) * 1985-07-22 1988-04-26 Ngk Insulators, Ltd. Metal-ceramic joined articles
RU2029753C1 (en) * 1992-04-30 1995-02-27 Благовещенский технологический институт Method to produce conical covering joint of alumina ceramics to metal
RU2515722C2 (en) * 2012-06-21 2014-05-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" Method for making tubular joint of alumina ceramics and metal
RU2638267C1 (en) * 2017-01-09 2017-12-12 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Владимирский Государственный Университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых" (ВлГУ) Method of laser overlap welding of structural steel sheets and aluminium alloys

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107414291B (en) Ultrasonic-assisted laser welding of dissimilar materials
EP3981542A1 (en) Laser welding method
WO2007008363A9 (en) Hybrid laser and resistance welding system and method
Meško et al. Microstructure analysis of welded joints after laser welding
CN102091872A (en) Laser offset welding method suitable for magnesium/steel and magnesium/titanium
CN105057887A (en) Pulse laser welding method and device assisted by electromagnetic force
CN102211253A (en) Laser welding method for dissimilar metals
JP2014018804A (en) One side welding method
JP4868226B2 (en) Dissimilar metal joining method
RU2678002C1 (en) Method of connecting metal material with composite material with laser beam
CN107297569B (en) A kind of titanium copper dissimilar metal connector welding method
JP4066433B2 (en) Method and apparatus for joining dissimilar materials by laser irradiation
CN104139244A (en) Single-face traceless welding method for stainless steel panels
KR100743366B1 (en) Laser welding method of high strength steel sheets for manufacture of tailed weld blank parts
CN102140036A (en) Ceramic and metal dual-laser beam partial transient liquid-phase welding method
JP4518892B2 (en) Dissimilar material joining method
US10010969B2 (en) Shaped welding
CN109365971A (en) A kind of flash welding manufacturing process of CLAM steel
KR20170058427A (en) Laser-welded joint and method for producing same
CN108890059A (en) A kind of Welding of Aluminium Alloy Sheet Structure method
CN103464907B (en) Method of connecting sheets by thermal self-pressing
CN106735904A (en) The method for laser welding of aluminium alloy
CN112638567B (en) Method for producing at least one defined connection layer between two components made of different metals
CN114309947A (en) Laser welding method for zirconium-based amorphous metal material and stainless steel material
Cheng et al. Experimental investigation on the weldability and forming behavior of aluminum alloy tailor-welded blanks