研究人员在考虑焊接界面热阻的基础上,建立了轻质合金-CFRTP激光焊接数学模型,利用有限元方法对焊接热效应进行了仿真计算,结果显示该模型可准确表征夹具压力、界面状态对激光焊接热效应的影响,实现焊接接头熔宽、熔深的预测,预测准确率较传统模型提升近10%,这为激光焊接工艺参数的有效选取提供了理论指导,相关成果发表于《中国激光》,2017,1(4):42-50,Journal of Material Processing Technology, 2017, 240: 362-369和Journal of Laser Applications, 2018,30(3):032419。
为进一步提高轻质合金-CFRTP激光焊接强度,研究人员提出界面微织构辅助焊接方法(ZL201810069446.8;ZL201811565398.8)。利用短脉冲激光在轻质合金表面制备微织构,一方面可以提高焊接时的界面润湿性,另一方面可以增加轻质合金与CFRTP焊接时的接触面积,形成机械嵌合结构,提升接头的焊接强度。力学测试结果显示,界面微织构辅助焊接技术可使轻质合金-CFRTP焊接强度提升近2倍,达到48MPa(Optics and Laser Technology, 2018, 103: 170-176)。同时发现,微织构制备参数对轻质合金-CFRTP激光焊接强度有着明显的影响,并呈现出一定的规律,这为实现金属-CFRTP激光焊接强度的量化调控提供了理论支撑,该项工作发表于Composites Part B:Engineering,2019,173:106911。
在轻质合金-CFRTP的激光焊接过程中,激光加热易导致金属基体材料热损伤以及CFRTP基体树脂分解,形成焊接缺陷,影响到接头的疲劳寿命,这也是导致焊接接头失效的主要原因之一。研究人员发现,在相同激光热量输入量的情况下,通过改变激光束扫描方式,可有效控制铝合金激光焊接气孔率(《中国激光》,2019,46(7):0702006)。基于此,研究人员提出了轻质合金-CFRTP高速激光旋转焊接技术,并对铝合金-CFRTP激光旋转焊接工艺进行了研究。研究发现,相对于传统激光直线焊接技术,激光旋转焊接在保障铝合金-CFRTP焊接强度的同时,可以有效减小激光加热对金属基体的热损伤,显著降低焊接接头的气孔率,相关工作发表于Optics and Laser Technology,2020,127:106187。
相关技术已申请4项发明专利,其中2项获得授权(ZL201510014414.4,ZL201610254547.3)。
上述工作得到了国家商用飞机制造工程技术研究中心创新基金(COMACSFGS201736734),中科院创新促进会(2017343),浙江省公益技术研究项目(2017C31082),深圳市基础研究项目(JCYJ20150625155931806),宁波市国际合作项目(2017D10007)的支持。
图1 铝合金-CFRTP激光旋转焊接技术:(a)铝合金-CFRTP激光旋转焊接模型;(b)铝合金-CFRTP结合界面温度变化;(c)深度方向温度变化;(d)高速旋转焊接与直线焊接对金属基体热损伤、焊接强度的影响对比
图2 铝合金-CFRTP微织构辅助激光焊接技术:(a)铝合金-CFRTP微织构辅助激光焊接原理;(b)铝合金-CFRTP界面机械嵌合结构;(c)不同短脉冲激光制备参数下的金属界面微织构形貌;(d)微织构辅助激光焊接强度对比