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采用激光实现更安全的连接

2018-1-2 09:04 266 0 来自: 轻量化技术网
简介
纤维复合材料组织的特点是:重量轻,刚度高。鉴于这种特性,这种材料可能会应用在更多的领域。但是当纤维复合材料在跟其他工件连接的时候,问题比较多。德国弗劳恩霍夫协会研究所提出的两种新方案将有助于这类问题的 ...
      纤维复合材料组织的特点是:重量轻,刚度高。鉴于这种特性,这种材料可能会应用在更多的领域。但是当纤维复合材料在跟其他工件连接的时候,问题比较多。德国弗劳恩霍夫协会研究所提出的两种新方案将有助于这类问题的解决。
 
      尖锐边缘:利用超短脉冲激光可以把纤维复合材料组织切割成不同的形状。这能实现新的嵌入式形状,并达到最高的强度。
      纤维复合材料的发动机罩仅重5公斤,采用其它材料的发动机罩重量则为纤维复合材料的两倍。更换发动机罩的材料,能节省燃油。但是怎样能把铰链悬挂或吊钩跟轻量化工件进行连接?至今为止,通常采用涂胶的方式进行连接。这种方式导致前期工作量巨大:必须对涂胶的位置进行清洁和活化。即使这样,涂胶连接的耐久性也是有限的。
      德国弗劳恩霍夫激光技术研究所位于亚琛的一个下属研究机构开发出了一种极其出色的工艺。通过螺栓连接来代替涂胶。这个想法并不新颖。新颖的是,怎样以及何时在工件上插入金属的力导入零件(嵌入件)。

适用于纤维复合材料组织的金属钻头磨损较快
      至今为止,在对纤维复合材料进行加工的时候,常用钻头和铣削工具来打孔。但由于纤维复合材料组织具有很高的耐磨性,导致刀具的磨损率很高。此外,加工也会对难以修复的分层和矩阵造成损坏。
      因此,亚琛的科学家们使用了中等频率、400W的超短脉冲激光。这种激光可以在层压织物中去除任意形状的材料。加工的脉冲时间可以减少到700飞秒。这是非常短的7-13秒,相应的切边也很干净。在周边材料变热以及变形之前,目标结构已经蒸发,能量输入也已结束。
      弗劳恩霍夫工艺的特点是:用树脂浸渍碳纤维组织之前,使用激光。只有这样才能达到较高的脉冲频率,并且频率范围可在几百千赫的范围内实现。尽管脉冲持续时间较短,但仍然会出现热积累效应,并产生纤维。纤维在3700 °C温度下是稳定的,但树脂在这种温度下早已融化,这就会导致结构的缺陷。
      实验证明,连接的稳定性跟连接的方法有关。研究人员解释道:“这种方法进行的连接,例如用螺栓进行连接,其拉伸力为涂胶连接的2倍,扭矩的稳定性则提高了70%。”

批量生产中的工艺速度较低
      小缺点:以修改批量生产中的常用形式(树脂传递)为前提条件。研究人员认为必须对工件的顶部和底部进行调整,防止树脂被压到嵌入物中。
      另一难题为工艺速度。研究人员认为:“激光在由10个织物层组成的工件上打一个星形的、直径为8mm的嵌入孔,同时还要保证材料组织质量,这个过程大概需要1分钟左右的时间。在批量生产中,尤其是自动线上,这个速度就太慢了。”
      弗劳恩霍夫激光技术研究所开发了一种创新的解决方案,对两个已经进行压层的纤维复合材料工件进行连接。到目前为止,这种情况通常采用涂胶工艺。涂胶不仅会出现上面所提到的问题,也会有很高的断裂风险。在涂胶位置上所产生的力量,不直接作用于纤维上,而只对树脂表面进行连接。
      合理的结果:在两个工件连接的位置上,去除基体材料。这说起来简单做起来却很难。基体材料必须保证完全去除。同时,纤维必须在5μm左右,才不会造成损坏。超短脉冲激光可以解决这一难题。用小于10W的中频功率激光,慢慢地燃烧树脂表层。探测头会持续对材料组织的状态进行监控,此外也会对烧蚀等离子体进行分析。工艺结束时,纤维暴露。现在零件可以互相叠放,并再层压。

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