热塑碳纤复合材料与铝合金激光搅拌焊接技术研究
发布时间：2021-10-13 10:25
热塑碳纤复合材料（CFRTP）和铝合金的复合结构就是实现飞机轻量化制造且具有可靠强度的有效结构。近年来,随着激光加工技术的应用越来越广泛,激光焊接技术成为实现CFRTP-铝合金复合结构连接的热门方法。但传统的激光焊接在焊接铝合金时,容易造成一些气孔和微裂纹等热损伤问题,成为导致CFRTP/铝合金焊接接头失效的潜在威胁。为降低CFRTP/铝合金激光焊接时激光加热对铝合金表面的热损伤,提升接头连接强度,本文创新性地采用激光搅拌焊接技术进行CFRTP-铝合金复合结构的焊接,并研究基于锚固效应的界面微织构辅助连接对CFRTP/铝合金接头强度的影响规律。首先,建立了 CFRTP/铝合金激光搅拌焊接有限元模型,对铝合金表面温度场进行了分析,发现铝合金表面的温度场呈非等幅振荡形式平缓变化,改变了传统激光加热温度场的急冷急热,这是激光搅拌焊接能够降低铝合金热损伤的原因之一。仿真与实验结果对比发现,焊缝的熔深和熔宽误差在9.87%以内,且变化趋势较吻合。通过对连接界面温度场的研究,发现界面树脂熔化深度与实验所得到接头的连接强度变化趋势一致。其次,采用激光搅拌技术对CFRTP/铝合金连接进行了实验研究,通...
【文章来源】：南昌大学江西省 211工程院校
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．３?Ｋ机结构部件（ａ）整流罩（ｂ）机翼??Ｆｉｇ．?１．３?Ａｉｒｃｒａｆｔ?ｓｔｒｕｃｌｕｒａｌ?ｃｏｍｐｏｉｉｅｎｔｓ?（ａ）?ｆａｉｒｉｎｇ?（ｈ）?ｗｉｎｇｓ??
度的影响，??通过ＳＥＭ、ＥＤＳ对接头的热影响区和微观组织结构进行了测试分析，利用拉伸??试验机对接头强度进行了测试，利用激光共聚焦显微镜对热影响区宽度进行了??测量，分析了激光功率、焊接速度和夹具压力等工艺参数对不锈钢表面热缺陷??和接头强度的影响。结果发现，不锈钢表面的热缺陷会改变金属的疲劳性能，??并降低其使用寿命。除了物理连接和机械连接外，在ＣＦＲＴＰ和不锈钢之间还发??现了化学键合。??邊?一??？?—??■＇＇?…二．．＇．．：．．．．．纖丄－??图１．７?ＣＦＲＴＰ与不锈钢激光焊接［４３］??（ａ）焊件表面（ｂ）不锈钢焊缝的热缺陷区（ｃ）接头的横截面??Ｆｉｇ．?１．７?Ｌａｓｅｒ?ｗｅｌｄｉｎｇ?ｏｆ?ＣＦＲＴＰ?ａｎｄ?ｓｔａｉｎｌｅｓｓ?ｓｔｅｅｌ?（ａ）?ｔｈｅ?ｓｕｒｆａｃｅ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｗｅｌｄｍｅｎｔ??（ｂ）?ｔｈｅ?ｔｈｅｒｍａｌ?ｄｅｆｅｃｔ?ａｒｅａ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｓｔａｉｎｌｅｓｓ?ｓｔｅｅｌ?ｗｅｌｄ?（ｃ）?ｔｈｅ?ｃｒｏｓｓ?ｓｅｃｔｉｏｎ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｊｏｉｎｔ??（２）数值模拟的研宄??目前复合材料／金属激光焊接的研究主要集中在工艺机理等方面，数值模拟??方面的研宄还较为缺乏。??Ｈｕｓｓｅｉｎ等［４４１对ＰＭＭＡ／不锈钢激光焊接过程进行了数值模拟，计算模拟结??果和实际测量结果基本吻合，所建立的有限元模型可以较好的预测激光焊接过??程的温度变化。采用有限元模拟的方法可以综合考虑焊接过程中各个参数，进??而研究工艺参数与焊接质量的关系，减少工艺实验。黄创利用ＡＮＳＹＳ软件??建立了钛合金与碳纤维聚合物材料的激光焊接温度场有限元模型，研究了激光??
?第１章绪论???＾?Ｎｄ－ＹＡＧ?Ｌａｓｅｒ?Ｎｃｉ－ＹＡＧ?Ｌａｓｅｒ??ａ：；，；：：；??图１．９焊前铝合金预处理表面结构＿?（ａ）网格结构（ｂ）点状凹坑结构??Ｆｉｇ．?１．９?Ｓｕｒｆａｃｅ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?ａｌｕｍｉｎｕｍ?ａｌｌｏｙ?ｐｒｅ－ｔｒｅａｔｍｅｎｔ?ｂｅｆｏｒｅ?ｗｅｌｄｉｎｇ??（ａ）?ｇｒｉｄ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?（ｂ）?ｄｏｔ－１?ｉｋｅ?ｐｉｔ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ??在国内，张洲等［５３１利用光接枝改性技术在焊前对碳纤维复合材料进行了表??面改性，使铝合金与ＣＦＲＰ激光焊的接头剪切强度提高到３０．１?ＭＰａ，并在连接??界面处发现有新的化学键合生成。张洲等［５４１对铝合金进行阳极氧化焊前预处理，??结果表明阳极氧化预处理后的铝合金与ＣＦＲＰ异质接头强度达４１．８ＭＰａ，是未??经预处理接头强度的８．５倍。Ｗａｎｇ等采用激光焊接技术将钛合金和玻璃纤维??复合材料复合结构连接起来，在施焊之前，先对钛合金进行了表面纹理化预处??理，以通过在钛合金和复合材料之间形成机械联锁结构来提高接头强度。结果??表明，采用了这种预处理方法不仅可以减少接头的微孔情况，而且接头强度从??１３．８ＭＰａ?提高到了?４１．５ＭＰａ。??中科院宁波材料所的王飞亚等［５６１对ＣＦＲＴＰ与不锈钢的激光焊接进行了研宄，??通过在ＣＦＲＴＰ与不锈钢界面之间添加ＰＰＳ树脂层来提升接头强度，并在不同工??艺参数下对接头强度的影响进行了研究，结果发现通过在界面添加树脂层的方??法可以显著提升异质结构接头的连接强度。王强等研宄发现对不锈钢材料进??行网格微织构预处理，拉伸试样后断裂发生在树脂基体与碳纤维之间，
【参考文献】：
期刊论文
[1]碳纤维增强树脂基复合材料和金属材料连接技术综述:应用和展望（英文）[J]. 张大伟,张琦,樊晓光,赵升吨. 稀有金属材料与工程. 2019(01)
[2]碳纤维增强树脂基复合材料和金属材料连接技术综述:方法和连接过程（英文）[J]. 张大伟,张琦,樊晓光,赵升吨. 稀有金属材料与工程. 2018(12)
[3]6082铝合金激光填丝焊热影响区的软化现象[J]. 李福泉,冯时,李明伟,朱云皓. 中国激光. 2018(11)
[4]6061-T6铝合金激光-电弧复合高速焊气孔形成及控制机制[J]. 王红阳,孙佳,刘黎明. 中国激光. 2018(03)
[5]接触热导率对CFRTP/不锈钢激光直接连接温度场的影响[J]. 王强,焦俊科,昝少平,张文武. 中国激光. 2017(04)
[6]界面状态对CFRTP/不锈钢激光连接接头强度的影响规律研究[J]. 王强,焦俊科,王飞亚,昝少平,张文武,盛立远. 应用激光. 2016(05)
[7]TC4钛合金激光扫描焊接工艺参数对气孔的影响[J]. 张甫,王威,王旭友,杨海峰,杨义诚. 焊接. 2016(02)
[8]CFRTP-不锈钢激光连接接头剪切强度及连接机理的研究[J]. 王飞亚,王强,焦俊科,张文武,蒋蓁,盛立远. 电加工与模具. 2015(06)
[9]激光扫描焊接工艺对铝合金焊接气孔率的影响[J]. 周立涛,王旭友,王威,王诗洋. 焊接学报. 2014(10)
[10]铝合金激光焊接技术的研究进展[J]. 付邦龙,孟祥萌,秦国梁,贾婧. 焊接. 2013 (06)
博士论文
[1]复合材料机体成本计算方法及其在飞机综合设计中的应用[D]. 尹海莲.南京航空航天大学 2014
硕士论文
[1]不锈钢（304）与聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）异种材料激光焊接试验研究[D]. 黄怡洁.广东工业大学 2018
[2]碳纤热塑复合材料/不锈钢激光连接实验与数值模拟研究[D]. 王强.宁波大学 2017
本文编号：3434478
【文章来源】：南昌大学江西省 211工程院校
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．３?Ｋ机结构部件（ａ）整流罩（ｂ）机翼??Ｆｉｇ．?１．３?Ａｉｒｃｒａｆｔ?ｓｔｒｕｃｌｕｒａｌ?ｃｏｍｐｏｉｉｅｎｔｓ?（ａ）?ｆａｉｒｉｎｇ?（ｈ）?ｗｉｎｇｓ??
度的影响，??通过ＳＥＭ、ＥＤＳ对接头的热影响区和微观组织结构进行了测试分析，利用拉伸??试验机对接头强度进行了测试，利用激光共聚焦显微镜对热影响区宽度进行了??测量，分析了激光功率、焊接速度和夹具压力等工艺参数对不锈钢表面热缺陷??和接头强度的影响。结果发现，不锈钢表面的热缺陷会改变金属的疲劳性能，??并降低其使用寿命。除了物理连接和机械连接外，在ＣＦＲＴＰ和不锈钢之间还发??现了化学键合。??邊?一??？?—??■＇＇?…二．．＇．．：．．．．．纖丄－??图１．７?ＣＦＲＴＰ与不锈钢激光焊接［４３］??（ａ）焊件表面（ｂ）不锈钢焊缝的热缺陷区（ｃ）接头的横截面??Ｆｉｇ．?１．７?Ｌａｓｅｒ?ｗｅｌｄｉｎｇ?ｏｆ?ＣＦＲＴＰ?ａｎｄ?ｓｔａｉｎｌｅｓｓ?ｓｔｅｅｌ?（ａ）?ｔｈｅ?ｓｕｒｆａｃｅ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｗｅｌｄｍｅｎｔ??（ｂ）?ｔｈｅ?ｔｈｅｒｍａｌ?ｄｅｆｅｃｔ?ａｒｅａ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｓｔａｉｎｌｅｓｓ?ｓｔｅｅｌ?ｗｅｌｄ?（ｃ）?ｔｈｅ?ｃｒｏｓｓ?ｓｅｃｔｉｏｎ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｊｏｉｎｔ??（２）数值模拟的研宄??目前复合材料／金属激光焊接的研究主要集中在工艺机理等方面，数值模拟??方面的研宄还较为缺乏。??Ｈｕｓｓｅｉｎ等［４４１对ＰＭＭＡ／不锈钢激光焊接过程进行了数值模拟，计算模拟结??果和实际测量结果基本吻合，所建立的有限元模型可以较好的预测激光焊接过??程的温度变化。采用有限元模拟的方法可以综合考虑焊接过程中各个参数，进??而研究工艺参数与焊接质量的关系，减少工艺实验。黄创利用ＡＮＳＹＳ软件??建立了钛合金与碳纤维聚合物材料的激光焊接温度场有限元模型，研究了激光??
?第１章绪论???＾?Ｎｄ－ＹＡＧ?Ｌａｓｅｒ?Ｎｃｉ－ＹＡＧ?Ｌａｓｅｒ??ａ：；，；：：；??图１．９焊前铝合金预处理表面结构＿?（ａ）网格结构（ｂ）点状凹坑结构??Ｆｉｇ．?１．９?Ｓｕｒｆａｃｅ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?ａｌｕｍｉｎｕｍ?ａｌｌｏｙ?ｐｒｅ－ｔｒｅａｔｍｅｎｔ?ｂｅｆｏｒｅ?ｗｅｌｄｉｎｇ??（ａ）?ｇｒｉｄ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?（ｂ）?ｄｏｔ－１?ｉｋｅ?ｐｉｔ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ??在国内，张洲等［５３１利用光接枝改性技术在焊前对碳纤维复合材料进行了表??面改性，使铝合金与ＣＦＲＰ激光焊的接头剪切强度提高到３０．１?ＭＰａ，并在连接??界面处发现有新的化学键合生成。张洲等［５４１对铝合金进行阳极氧化焊前预处理，??结果表明阳极氧化预处理后的铝合金与ＣＦＲＰ异质接头强度达４１．８ＭＰａ，是未??经预处理接头强度的８．５倍。Ｗａｎｇ等采用激光焊接技术将钛合金和玻璃纤维??复合材料复合结构连接起来，在施焊之前，先对钛合金进行了表面纹理化预处??理，以通过在钛合金和复合材料之间形成机械联锁结构来提高接头强度。结果??表明，采用了这种预处理方法不仅可以减少接头的微孔情况，而且接头强度从??１３．８ＭＰａ?提高到了?４１．５ＭＰａ。??中科院宁波材料所的王飞亚等［５６１对ＣＦＲＴＰ与不锈钢的激光焊接进行了研宄，??通过在ＣＦＲＴＰ与不锈钢界面之间添加ＰＰＳ树脂层来提升接头强度，并在不同工??艺参数下对接头强度的影响进行了研究，结果发现通过在界面添加树脂层的方??法可以显著提升异质结构接头的连接强度。王强等研宄发现对不锈钢材料进??行网格微织构预处理，拉伸试样后断裂发生在树脂基体与碳纤维之间，
【参考文献】：
期刊论文
[1]碳纤维增强树脂基复合材料和金属材料连接技术综述:应用和展望（英文）[J]. 张大伟,张琦,樊晓光,赵升吨. 稀有金属材料与工程. 2019(01)
[2]碳纤维增强树脂基复合材料和金属材料连接技术综述:方法和连接过程（英文）[J]. 张大伟,张琦,樊晓光,赵升吨. 稀有金属材料与工程. 2018(12)
[3]6082铝合金激光填丝焊热影响区的软化现象[J]. 李福泉,冯时,李明伟,朱云皓. 中国激光. 2018(11)
[4]6061-T6铝合金激光-电弧复合高速焊气孔形成及控制机制[J]. 王红阳,孙佳,刘黎明. 中国激光. 2018(03)
[5]接触热导率对CFRTP/不锈钢激光直接连接温度场的影响[J]. 王强,焦俊科,昝少平,张文武. 中国激光. 2017(04)
[6]界面状态对CFRTP/不锈钢激光连接接头强度的影响规律研究[J]. 王强,焦俊科,王飞亚,昝少平,张文武,盛立远. 应用激光. 2016(05)
[7]TC4钛合金激光扫描焊接工艺参数对气孔的影响[J]. 张甫,王威,王旭友,杨海峰,杨义诚. 焊接. 2016(02)
[8]CFRTP-不锈钢激光连接接头剪切强度及连接机理的研究[J]. 王飞亚,王强,焦俊科,张文武,蒋蓁,盛立远. 电加工与模具. 2015(06)
[9]激光扫描焊接工艺对铝合金焊接气孔率的影响[J]. 周立涛,王旭友,王威,王诗洋. 焊接学报. 2014(10)
[10]铝合金激光焊接技术的研究进展[J]. 付邦龙,孟祥萌,秦国梁,贾婧. 焊接. 2013 (06)
博士论文
[1]复合材料机体成本计算方法及其在飞机综合设计中的应用[D]. 尹海莲.南京航空航天大学 2014
硕士论文
[1]不锈钢（304）与聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）异种材料激光焊接试验研究[D]. 黄怡洁.广东工业大学 2018
[2]碳纤热塑复合材料/不锈钢激光连接实验与数值模拟研究[D]. 王强.宁波大学 2017
本文编号：3434478
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