Способ соединения металлического материала с композиционным материалом лазерным лучом

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к способу соединения металлического материала и композиционного материала с применением лазерного излучения. Способ заключается в том, что выполняют надрезы на металлическом материале со стороны, соприкасающейся с композиционным материалом, в продольном и/или поперечном направлении, плотно прижимают металлический материал к композиционному внахлест и 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 надрезы на поверхности металлического материала, образуя механическое неразъемное герметичное соединение. Изобретение обеспечивает получение герметичного механического неразъемного соединения металлического материала с композиционным материалом. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

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.

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.

Однако известный способ предназначен для лазерной сварки внахлест листов конструкционной стали и сплавов алюминия.

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.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение заключается получение герметичного механического неразъемного соединения металлического материала с композиционным материалом.

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.

Надрезы выполняют лазерной резкой с неполным проплавлением или механическим способом.

Со стороны металлического материала воздействуют сфокусированным, расфокусированным, импульсным или сканирующим лазерным лучом.

На Фигуре 1 представлена принципиальная схема осуществления соединения металлического материала с композиционным материалом.

На Фигуре 2 представлено сечение А-А плоскости контакта металлического материала, с выполненными на ней надрезами вдоль и поперек.

На Фигуре 3 представлен участок поперечного сечение металлического материала перед выполнением соединения.

На Фигуре 4 представлены траектории выполнения надрезов на плоскости контакта металлического материала с композиционным материалом.

На Фигуре 5 представлено схематичное изображение поперечного сечения металлического материала с выполненными надрезами, заполненными матрицей композиционного материала.

На Фигуре 6 представлено схематичное изображение поперечного сечения надреза на металлическом материале, заполненного матрицей композиционного материала.

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.

Устройство для осуществления способа состоит из роботизированного комплекса лазерной сварки, лазерной головы, сварочного стола, прижимных устройств, соединяемых заготовок 1 и 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.

При лазерной обработке со стороны металлического материала воздействуют сфокусированным, расфокусированным, импульсным или сканирующим лазерным лучом.

Траектория перемещения, фокусное расстояние лазерного луча и режимы сварки задаются программой роботизированного комплекса.

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.

Основными технологическими параметрами режимов являются: линейная скорость обработки лазерным лучом, мощность лазерного излучения, усилие прижима заготовок.

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.

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.

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.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что надрезы выполняют лазерной резкой с неполным проплавлением или механическим способом.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что со стороны металлического материала воздействуют сфокусированным, расфокусированным, импульсным или сканирующим лазерным лучом.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способу создания лазером разрушаемой структуры в устройстве сброса давления (варианты). Упомянутое устройство выполнено с разрываемым элементом, содержащим сегменты разрушаемой структуры, и включает пару противоположных поверхностей, центральный участок и внешний фланцевый участок.

Изобретение относится к способу создания интерметаллических покрытий на основе соединений NiAl и Ni3Al. Осуществляют механоактивационную обработку в шаровой мельнице в течение 30-60 минут совместно с металлическим изделием, на которое наносится покрытие.

Изобретение относится к способу лазерного скрайбирования полупроводниковой заготовки и может использоваться для эффективного и быстрого разделения полупроводниковых устройств, выполненных на твердых и сплошных подложках (6).

Изобретение относится к области прецизионной микрообработки материалов, в частности к способу резки стекол при помощи гребенки лазерных импульсов фемтосекундной длительности, и может быть использовано для прецизионной резки стекла на предприятиях и в научно-исследовательских центра.

Изобретение относится к способу неинвазивной очистки металлических деталей от антиадгезионных покрытий на основе полимеров и может быть использовано в машиностроении, приборостроении и спецхимии для увеличения времени бездефектной эксплуатации деталей.
Изобретение относится к способам изготовления малогабаритных атомных ячеек с парами атомов щелочных металлов и может быть использовано при изготовлении квантовых датчиков и приборов различного применения.

Изобретение относится к способу обработки поверхности сплава никелида титана. Поверхность сплава никелида титана сканируют лучом лазера с плотностью мощности луча 1,5-0,5⋅107 Вт/мм2, средней мощностью лазерного облучения 0,48-56,2 Вт, с частотой импульсов 10-200 кГц и скоростью сканирования луча лазера 100-2000 мм/с.

Способ относится к технологии восстановления деталей газотурбинных двигателей с тонкостенными элементами и может быть использовано в турбомашиностроении. Способ включает предварительное удаление следов приработки с торца тонкостенного элемента детали.

Изобретение относится к системе для автоматической подстройки сканирующей системы установки селективного лазерного сплавления. Видеокамера системы с объективом соединена с устройством управления, а маркеры расположены в поле зрения объектива видеокамеры на ростовой подложке рабочего стола.

Изобретение относится к способу сверхзвуковой лазерной наплавки порошковых материалов и устройству, его реализующему, и может быть использовано при лазерной порошковой наплавке.

Изобретение относится к способу гибридной лазерно-дуговой сварки толстостенных труб большого диаметра, в частности к сварке продольных швов сформованной цилиндрической заготовки при производстве сварных труб из листового проката класса прочности до Х120 включительно и с толщиной стенки до 50 мм. На свариваемые кромки труб воздействуют электрической дугой, затем - лазерным лучом, после чего - электрической дугой. При этом лазерный луч направляют с помощью оптической системы, состоящей из последовательно расположенных источника лазерного излучения, коллимирующего зеркала с фокусным расстоянием 130-240 мм и фокусирующей линзы с фокусным расстоянием 500-1000 мм. Техническим результатом является получение качественного сварного шва толстостенных труб большого диаметра из высокопрочных марок стали с обеспечением высокого уровня ударной вязкости не менее 80 Дж/см2 при температуре испытания 40°С на U-образном и V-образном концентраторах. 4 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к способу лазерного выращивания изделий из металлической проволоки, имеющих форму тел вращения. Предварительно на формообразующее устройство навивают металлическую проволоку. Сваривают лазерным лучом образовавшиеся соседние витки проволоки. Лазерный луч направляют в точку соприкосновения двух соседних витков, равноудаленную от центров поперечных сечений проволок. Процесс ведут до получения необходимого количества сваренных лазерной сваркой витков металлической проволоки. Технический результат состоит в упрощении технологии выращивания изделий при максимальном использовании исходного материала в виде проволоки, повышении коэффициента используемого материала до 0.98-0.99 и соответственно это позволяет повысить производительность. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к способу соединения металлического материала и композиционного материала с применением лазерного излучения. Способ заключается в том, что выполняют надрезы на металлическом материале со стороны, соприкасающейся с композиционным материалом, в продольном иили поперечном направлении, плотно прижимают металлический материал к композиционному внахлест и 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 надрезы на поверхности металлического материала, образуя механическое неразъемное герметичное соединение. Изобретение обеспечивает получение герметичного механического неразъемного соединения металлического материала с композиционным материалом. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

Наверх