一种利用环形激光将碳化硅纤维竖直插入铝合金表面的一体化设备

本发明属于金属表面改性领域，尤其涉及一种在金属表面利用环形激光加热熔融以竖直植入碳化硅纤维设备。

背景技术：

1、新型热塑复合材料近几年在航空航天领域受到广泛关注。为此，必然出现热塑复合材料(例如碳纤维复合材料)与周围相邻金属结构件(例如铝合金、钛合金等)之间互相连接的应用情况，目前热塑性复合材料与金属接头存在连接强度低的问题，接头在过载和循环应力下容易发生界面破坏。如今激光连接技术在异种材料连接领域应用越来越广泛。使用激光连接技术，除了对工艺参数本身调整之外，还可以对热塑性复合材料或金属表面构造微结构或者表面改性，这也是目前最常见的提高接头强度的两种方法。

2、然而，采用以上两种方法制备的接头连接强度有限，满足不了特殊的应用要求，故拟通过在金属表面植入高强度的纤维丝来提高接头的整体强度，碳化硅纤维本身具有高强度、耐高温、抗蠕变、耐腐蚀等一系列优异性能，是一种非常理想的增强纤维。且其与金属的润湿性较好，因此将碳化硅纤维作为中间增韧层可以有效提高接头的强度。与此同时碳化硅纤维在层间处的分布形态也会影响接头强度，竖直植入或以一定角度插入的碳化硅纤维通过钉扎作用和冶金强化，可以大幅度增强异种连接强度。然而在实际过程中碳化硅纤维在金属熔池处随机分布，使得接头强度增强不明显，为了最大程度的增强接头的连接强度，解决纤维丝在熔池处随机分布的问题，本专利创新性的设计出一种可以定向植入碳化硅纤维丝的一体化设备，以满足竖直插入金属熔池表面的要求。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供一种利用环形激光将碳化硅纤维竖直插入铝合金表面的一体化设备。通过环形激光作为热源将铝合金表面融化，仅使用简单的辅助伸缩管就可以将碳化硅纤维竖直插入铝合金表面熔池之中。使用环形伸缩切割设备还可以根据需求设定露出长度，以满足不同应用场景。并且可以在计算机辅助下完成对复杂平板形状的简化植入，此外，还可以根据需求选择不同的纤维丝植入在不同的金属表面从而达到不同的效果。而完成这些操作的要求只需要更换送丝盘或者是调整激光参数，简单高效。

2、本发明通过下述技术方案实现：

3、一种利用环形激光将碳化硅纤维竖直插入铝合金表面的一体化设备，其特征在于：包括移动控制系统、扫描识别头、中央处理系统、阵列圆孔盖板、滚轮送丝系统、环形激光口、辅助植入切割系统、底部基台。

4、移动系统分为三轴移动，中间主轴可控制z方向运动以调节高度，y轴方向波浪型导轨固定，上有滑块可实现在y方向的移动，滑块下部为x导轨，x导轨可跟随滑块进行y方向运动。x导轨上同样设有滑块，滑块下部安装扫描识别头、环形激光口以及植入切割系统。通过移动系统可实现在三维方向的运动，精确将纤维植入选定的区域点。

5、扫描识别头可跟随滑块对下方基板进行平面扫描，扫描得出基板上放置的样品轮廓信息，将数据传输到中央处理系统进行可视化选择。

6、中央处理系统用于接收扫描信号，可对复杂的平板形状进行分析，将其形状优化成规则图形，根据盖板上的阵列圆孔将其划分为阵点构成的区域块，选取所需要植入的阵点位置，将信息传输到移动控制系统以实现定点植入。

7、阵列圆孔盖板上布满微孔构成点域网格，其点阵分布间距及范围与电脑程序设定完全同步，可实现程序中规划的植入路径以及阵点选择。

8、滚轮送丝系统主要用来输送所需要植入的纤维，依靠外接步进电机的转动源源不断的将纤维送入辅助切割系统进行切割钉扎。

9、环形激光头用于产生环形光斑，将目标点域附近的金属熔融，为了实现能量的最大利用率以及针对部分反光度较高的金属，可将环形激光头倾斜一定角度，使其聚焦在较小的圆点。

10、底部基台底部设有电阻加热丝，可对样品进行预热前处理，以增加整体润湿性。内设升降台可实现对样品高度控制，与盖板相互作用可将样品固定。

11、辅助植入切割系统从内向外包括：硬质伸缩植入管，纤维作为内芯紧贴管壁，在植入熔融金属过程中为避免柔软的纤维难以扎入，或是激光停止后金属凝固变硬时间快，纤维可在伸缩管的保护下一同扎入熔融金属，再将伸缩管抽回。硬质伸缩管外侧设有环形气流通道，可喷出惰性气体，在伸缩管抽回后气流喷出使金属凝固以紧密结合纤维。环形切割系统通过伸缩杆上下移动，可根据设定长度对已钉扎的纤维进行切割，确定其露出长度。最外侧由倾斜一定角度的环形激光口构成。

12、一种利用环形激光将碳化硅纤维竖直插入铝合金表面的一体化设备的运行方法，其特征在于采用以下步骤：

13、步骤一：首先对将要表面处理的金属板进行基本的清洗，将其干燥后至于底座基板之上，调节基板样品台高度。等待扫描识别设备对其表面形状进行扫描，将扫描得到的数据传输到中央处理系统，中央处理系统对表面形状进行分析，对于不规则的形状，将其边角优化成规则形状。随后放置于与底部盖板同样规格的点阵网格中，选取想要植入的阵点以及植入顺序，输出数据；

14、步骤二：移动控制系统识别输入的数据，移动滑轨对所选取的阵点依次进行空走调试，调试无误后停止程序，将盖板盖上固定，准备实际操作；

15、步骤三：选取目标纤维丝，使步进电机旋转，将纤维送入纤维管，等到在出丝口看见纤维丝时停止电机，并且打开底部电阻丝加热开关，对金属进行预热；

16、步骤四：移动控制系统按照程序设定进行移动，到设定点上方设定距离后停止，环形激光出光，在圆孔内部进行烧蚀使金属熔融，在温度略高于熔点时关闭机关器，伸缩管迅速下插至设定的距离，随后伸缩管在电机作用下抽出。由于粘结力与圆孔阻力使得纤维丝不会倒下。与此同时打开气流开关，惰性气体流出使得熔融金属凝固以紧密结合纤维丝。环形切割刀片下降收缩将纤维丝切断，关闭气流阀，滑块上升，第一点植入完成。步进电机转动填丝，进行下一步指令。

17、步骤五：重复上述步骤，直至完成所有点的钉扎植入，将滑块复位。

18、步骤六：关闭电阻丝开关，等基板冷却，将盖板从上部提出，取出样品备用。

19、本发明对于现有技术，至少具备如下优点及效果：

20、本发明相对于现有的水平铺丝技术，首次实现了在竖直方向上的纤维植入。

21、本发明采用一体化结构设计，不需要复杂的过程就可以实现高效的定点植入，并且可以根据自己所需更换纤维丝或是使用不同的金属基板，满足多种应用场景。

22、本发明可以满足对复杂平板形状的表面处理，而省去复杂的切割过程。

23、本发明在植入过程前对样品进行预热处理，可以使得样品整体在激光烧蚀过程中有一定的润湿性，使得激光作用时有较好流动性。同时缩短激光作用的时间，节约能量。

24、本发明构造相对简单，技术手段简便易行，相对于现有技术具有突出的实质性进步。

技术特征：

1.一种利用环形激光将碳化硅纤维竖直插入铝合金表面的一体化设备，其特征在于：包括移动控制系统、扫描识别头、中央处理系统、阵列圆孔盖板、滚轮送丝系统、环形激光口、辅助植入切割系统、底部基台。

2.根据权利要求1所述的一种利用环形激光将碳化硅纤维竖直插入铝合金表面的一体化设备，其特征在于：所述阵列圆孔盖板由耐高温的陶瓷材料制得，其耐高温性能可防止在激光输入过程产生形变，两边小提手可随时抽取盖板。其工作时可压在平板样品之上固定样品防止融入过程中的样品位移。

3.根据权利要求1所述的一种利用环形激光将碳化硅纤维竖直插入铝合金表面的一体化设备，其特征在于：所述硬质伸缩植入管同样以陶瓷材料制成，保证其在高温环境下保持高强度，其头部呈子弹型确保受到较小的阻力而达到较大的深度，纤维丝内芯与其头部齐平以防止熔融金属进入管内造成堵塞。

4.根据权利要求1所述的一种利用环形激光将碳化硅纤维竖直插入铝合金表面的一体化设备，其特征在于：所述环形激光头可调节激光参数来调节激光光斑的大小使其略小于盖板中的微孔而避免对盖板产生损伤，根据不同的金属熔点来调节不同的激光输入。

5.一种利用环形激光将碳化硅纤维竖直插入铝合金表面的一体化设备的运行方法，其特征在于采用以下步骤：

技术总结
本发明公开了一种利用环形激光将碳化硅纤维竖直插入铝合金表面的一体化设备：包括移动控制系统、扫描识别头、中央处理系统、阵列圆孔盖板、滚轮送丝系统、环形激光口、辅助植入切割系统、底部基台。移动控制系统可实现XYZ方向的规划路径；扫描识别头可对样品轮廓进行分析，数据传入中央处理系统可对轮廓进行优化形成较规则形状后置于点域网格内并确定植入点位；阵列圆孔盖板与基底协同作用固定样品，并为后续植入提供入射位孔；环形激光口可将激光聚焦于拟定圆孔使得局部熔融，之后在辅助植入切割系统作用下完成切割植入。底部基台可调节升降以固定待植入样品并且对样品进行预热前处理；本发明可适用于碳化硅纤维竖直植入不规则平板铝合金表面。

技术研发人员：李斌斌,曹亮亮,高景民,刘千礼,熊鹏鹏,卢书林
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/27