Niedawno zespół badacza Yang Shanglu z Szanghajskiego Instytutu Optyki i Maszyn Precyzyjnych (SIPM) Chińskiej Akademii Nauk (CAS) poczynił nowe postępy w laserowym łączeniu heterogenicznych połączeń kompozytów metal-włókno węglowe w Centrum Badawczo-Rozwojowym laserowej inteligentnej technologii produkcyjnej. Zespół wykorzystał przestrajalny prostokątny laser półprzewodnikowy o płaskiej końcówce jako źródło ciepła, aby zrealizować łączenie stali o wysokiej wytrzymałości i kompozytów z włókna węglowego na bazie żywicy termoplastycznej, a także wyjaśnił związek między historią cieplną międzyfazową materiałów heterogenicznych, mechanizmem kształtowania międzyfazowego i wspólną wydajność oraz zaproponował nowy typ strategii procesu wprowadzania ciepła laserowego. Wyniki powiązanych badań podsumowano w artykule „Wpływ historii termicznej międzyfazowej na mechanizm łączenia laserowego łączenia QP980-CFRTP z regulowaną prostokątną wiązką lasera z płaską górą”, opublikowanym w czasopiśmie Composite Structures.
Rozwój wysokowydajnych struktur hybrydowych z systemami wielomateriałowymi jest rosnącym trendem w przemyśle lotniczym. Kompozyty termoplastyczne wzmocnione włóknem węglowym (CFRTP) charakteryzują się wysoką wytrzymałością właściwą i wytrzymałością i można je hybrydyzować z metalami, aby spełnić zarówno wymagania dotyczące lekkości konstrukcji, jak i kontroli kosztów. Ze względu na ogromne różnice we właściwościach fizykochemicznych metali i kompozytów, istniejące metody łączenia różnych materiałów są niewystarczające i istnieje pilna potrzeba opracowania nowych procesów łączenia charakteryzujących się wysoką jakością i wydajnością.
Zespół bada historię cieplną międzyfazową procesu łączenia wspomaganego laserem, analizuje stan temperaturowy osnowy żywicy i jej zachowanie zwilżania na powierzchni metalu oraz porównuje wpływ różnych historii termicznych międzyfazowych na wady połączeń międzyfazowych, skład chemiczny, spoinę mocne strony i zachowania związane z porażką. Dzięki metodzie projektowania historii termicznej międzyfazowej i regulacji procesu wprowadzania ciepła za pomocą lasera osiągana jest graniczna temperatura międzyfazowa i wystarczający czas utrzymywania, co pomaga stopić się matrycy żywicy i całkowicie rozproszyć się na powierzchni metalu, wypełnić mikropory na granicy faz i promować wiązanie chemiczne, w wyniku czego uzyskuje się wysokiej jakości złącze o obciążeniu szczytowym większym niż 10 kN i wytrzymałości na ścinanie większej niż 22 MPa. Powiązane wyniki badań mają szerokie perspektywy zastosowania w przemyśle lotniczym i innych pokrewnych dziedzinach.
Rysunek 1. Proces łączenia wspomaganego laserem, ultraszybka laserowa obróbka powierzchni struktury i monitorowanie historii termicznej interfejsu
Rysunek 2. Zależność między historią cieplną międzyfazową a zachowaniem zwilżania żywicy na powierzchni metalu
