Соединение листовых деталей из металлокомпозитных материалов и способ его изготовления

Изобретение относится к неразъемным соединениям конструкций из листовых заготовок и деталей из композиционных материалов, преимущественно слоистых металлокомпозитных материалов (МКМ), и может быть использовано в производстве изделий авиакосмической отрасли, вагоностроения, судостроения и других отраслях промышленности. В соединении листовых деталей из металлокомпозитных материалов, включающих наружные покрывные металлические листы и внутренние чередующиеся металлические листы и композитные слои, содержащих кромки листовых деталей, при этом с одной стороны кромки покрывных металлических листов связаны между собой сварным швом, кромки листовых деталей со стороны, обратной связанным между собой сварным швом покрывным металлическим листам, выполнены с выборкой четвертей до поверхности сваренных покрывных металлических листов, а соединение снабжено с другой стороны накладкой, связывающей кромки листовых деталей и установленной с помощью винтов, ввинченных во внутренние металлические листы соединяемых кромок, при этом накладка выполнена таврового профиля в поперечном сечении и установлена своим ребром в выборки кромок, заполняя их без зазора. Изобретение обеспечивает разработку герметичного силового неразъемного соединения МКМ с повышенными прочностными характеристиками. 4 ил.

 

Область техники

Изобретение относится к области техники деталей машин, более конкретно к неразъемным соединениям конструкций из листовых заготовок и деталей из композиционных материалов, преимущественно слоистых металлокомпозитных материалов (МКМ), и может быть использовано в производстве изделий авиакосмической отрасли, вагоностроении, судостроении и других отраслях промышленности.

Уровень техники

При изготовлении конструкций из металлокомпозитных материалов (МКМ) используются полуфабрикаты, армированные металлическими материалами в виде листов или нитевидных волокон, придающих прочность материалу. Сложные конструкции, как правило, содержат неразъемные соединения заготовок и деталей из этих полуфабрикатов. В настоящее время специалистами используются различные способы неразъемного соединения заготовок из МКМ. Наиболее часто используются механические соединения: болтовые (Патент №2363863, А.с. №903496) и заклепочные (Патент №2261374). Однако механическое соединение резко снижает ресурс работы конструкции, особенно при циклических рабочих нагрузках, и не обеспечивает герметичности соединения. Соединение сваркой плавлением (Патент RU 2355580) связано с высокой температурой разогрева, при которой композит может разрушаться; кроме того, схема нагружения дает изгибающий момент, что ведет к снижению прочности соединения. Слоистое соединение (Патент СА 2805468, США) для изготовления весьма трудоемко, его прочность зависит от числа слоев.

Известно соединение «Ламинат со сваренными встык металлическими слоями» (Патент РФ №235580, В32 15/8, В32 15/14, 2009 г.). Ламинат содержит два металлических слоя и армированный волокном пластиковый связующий слой между ними. По меньшей мере один из металлических слоев содержит металлические листы, сваренные встык. Такое соединение доступно для изготовления при наличии только одного пластикового слоя и не годится для соединения листовых деталей из металлокомпозитных материалов, содержащих несколько внутренних металлических и пластиковых листов.

Для неразъемного соединения деталей из МКМ применяется также сварка плавлением, например дуговая, плавящимся и неплавящимся электродом в среде защитных газов (Технология и оборудование сварки плавлением и термической резки: учебник для вузов / А.И. Акулов, В.П. Алехин, СИ. Ермаков и др. М.: Машиностроение, 2003. С. 548).

В этом случае соединение листовых деталей из металлокомпозитных материалов, включающих наружные покрывные металлические листы и внутренние чередующиеся металлические листы и композитные слои, содержит соединяемые кромки листовых деталей из МКМ, соединенные сваркой.

Однако такой способ связан с высокотемпературным нагревом, при котором интенсивно плавится матрица и изменяются свойства широкой зоны шва и зоны термического влияния, а следовательно, ухудшаются свойства соединения - в широкой зоне утрачиваются уникальные свойства композиционного материала.

Сущность изобретения

Задачей изобретения является разработка герметичного неразъемного соединения МКМ с повышенными прочностными характеристиками.

Поставленная задача достигается тем, что в соединении листовых деталей из металлокомпозитных материалов, включающих наружные покрывные металлические листы и внутренние чередующиеся металлические листы и композитные слои (полимерные композиционные материалы, например, стеклопластики, углепластики и т.п.), содержащих с одной стороны соединяемые кромки покрывных металлических листов, связанные между собой сварным швом, кромки листовых деталей со стороны, обратной связанным между собой сварным швом покрывным металлическим листам, выполнены с выборкой четвертей (срезанными) до поверхности сваренных покрывных металлических листов, а соединение снабжено с другой стороны металлической накладкой, связывающей кромки листовых деталей и установленной с помощью винтов, ввинченных в соединяемые кромки внутренних металлических листов, при этом, накладка выполнена таврового профиля в поперечном сечении и установлена своим ребром в створ соединяемых кромок, заполняя их без зазора.

«Выборка четверти» - представляет собой прямоугольный вырез на кромке вдоль нее, т.е. вырез под 90 градусов - 1/4 от 360 градусов (термин «выборка четверти» применяется в строительстве при производстве деревянных изделий).

Более того, в способе изготовления соединения листовых деталей из металлокомпозитных материалов, включающих наружные покрывные металлические листы и внутренние чередующиеся металлические листы и композитные слои, включающем подготовку деталей и фиксирование их в сварочном приспособлении, сварку кромок покрывных металлических листов с одной стороны деталей с предварительно выполненными выборками кромок до поверхности свариваемых покрывных листов, выполняют трением перемешиванием вращающимся дисковым инструментом с введением присадки, близкой по химическому составу свариваемым деталям, после чего с обратной стороны производят соединение кромок деталей с помощью металлической накладки, выполненной, например, таврового профиля в поперечном сечении, установленной своим ребром в выборки четвертей кромок и закрепленной с помощью винтов, ввинченных во внутренние металлические листы соединяемых листов.

Такое выполнение соединения деталей из листовых МКМ материалов позволяет повысить его прочностные характеристики.

Перечень фигур.

Изобретение поясняется фигурами, на которых:

Фигура 1 - показывает подготовку соединяемых кромок слоистых МКМ заготовок под сварку:

1 и 1′ - соединяемые МКМ заготовки; 2 и 2′ - нижние покрывные листы.

Фигура 2 - показывает пример сборки стыка под сварку с заложенной в зазор присадкой 3 на опорной подкладке 4.

Фигура 3 - показывает схему фрикционной сварки вращающимся диском 5 стыка нижнего покрывного листа.

Фигура 4 - показывает установку соединительного элемента 6 (например тавра) и соединение его (шурупами или винтами) с МКМ заготовки.

Обозначения на фигурах

1. 1 и 1′ - соединяемые заготовки;

2. 2 и 2′ - нижние покрывные листы;

3 - присадка;

4 - опорная подкладка;

5 - дисковый инструмент для фрикционной сварки;

6 - соединительный элемент (тавр);

7 - винты (шурупы);

8. 8 и 8′ - композитные слои; например, клеевой препрег со стекловолокнами (в СИАЛе);

9. 9 и 9′ - верхние покрывные листы;

10. 10 и 10′ - металлические слои;

11 - сварной шов;

12. 12 и 12′ - створ между срезанными кромками.

Способ соединения по данному изобретению осуществляют следующим образом.

Соединение листовых деталей из металлокомпозитных материалов, включающих наружные покрывные металлические листы и внутренние чередующиеся металлические листы и композитные слои, содержит соединяемые кромки листовых деталей, при этом с одной стороны кромки покрывных металлических листов связаны между собой сварным швом.

Кромки листовых деталей со стороны, обратной связанным между собой сварным швом покрывным металлическим листам, выполнены с выборкой четвертей до поверхности сваренных покрывных металлических листов. Соединение снабжено с другой стороны металлической накладкой, связывающей кромки листовых деталей и установленной с помощью винтов, ввинченных в соединяемые кромки внутренних металлических листов. Металлическая накладка выполнена, например, таврового профиля в поперечном сечении и установлена своим ребром в выборки четвертей кромок, заполняя его без зазора.

Способ изготовления соединения листовых деталей из металлокомпозитных материалов включает подготовку деталей и фиксирование их в сварочном приспособлении, сварку кромок листовых деталей с одной стороны покрывных металлических листов.

Производят сварку кромок покрывных металлических листов деталей с предварительно выполненной выборкой четвертей кромок до поверхности свариваемых покрывных листов. Сварку выполняют трением перемешиванием вращающимся дисковым инструментом с введением присадки, близкой по химическому составу свариваемому металлу. После чего с обратной стороны производят соединение кромок деталей с помощью металлической накладки, выполненной, например, таврового профиля в поперечном сечении, установленной своим ребром в выборку четвертей кромок и установленной закрепленной с помощью винтов, ввинченных во внутренние металлические листы соединяемых деталей.

Конкретный пример выполнения соединения и способа его изготовления.

На соединяемых торцах МКМ заготовок 1 и 1′ (фигура 1) срезают кромки 12 и 12′ таким образом, чтобы они были перпендикулярны к поверхности заготовок, а из пакета МКМ обеих заготовок выступали кромки нижних покрывных листов на размер, например, 1,2…1,6 мм (толщина 2,0…3,0 мм дискового инструмента, используемого при последующей операции фрикционной сварки стыка покрывных листов). Собирают заготовки 1 и 1′ с обработанными кромками под сварку (фигура 2) на опорной подкладке 4 (на плите) и фиксируют на ней так, чтобы между торцами соединяемых кромок покрывных листов 2 и 2′ отсутствовал зазор (допускаются лишь местные зазоры величиной не более 0,2 толщины свариваемого листа, но не более 0,4 мм); над торцами пакета МКМ заготовок 1 и 1′ размещают присадку 3 (лучше прямоугольного сечения). Затем подводят дисковый инструмент 5 (фигура 3) к началу соединения, включают вращательное движение инструмента и производят разогрев трением, пластификацию металла кромок и погружение диска в присадочный материал 3 и в нижний покрывной лист примерно до половины его толщины. После этого прекращают погружение и, продолжая вращение, перемещают инструмент по линии соединения до конца соединения, где его останавливают и, не прекращая вращать, выводят из соединения.

Затем в оставленную дисковым инструментом размерную щель вводят металлическую накладку 6, например таврового сечения (фигура 4), своим ребром в выборки кромок, заполняя их без зазора (толщина ребра равна створу в стыке), так, что полка накладки плотно прилегает к поверхности детали. Сверлят в полке и кромках деталей в сборе отверстия на такую глубину, чтобы между концом отверстия и покрывным листом оставалось не менее 1.5 мм. В отверстиях нарезают резьбу и ввинчивают винты или шурупы 7, обеспечивая силовое герметичное соединение.

Герметичность соединения обеспечивается нижним сваренным герметично покрывным листом.

При растяжении соединения прочность обеспечивается сварным нижним покрывным листом и верхним металлическим накладным листом с винтовым креплением, в котором винты работают на срез симметрично расположенными относительно оси нагружения. В силу симметричной схемы нагружения имеет место чистое растяжение.

При сжатии соединения нагрузку воспринимает вставка между торцами скрепляемых элементов.

Соединения покрывных листов при изгибе работают одно на сжатие, другое - на растяжение, в зависимости от направления изгиба.

Технико-экономическая эффективность

Предлагаемое изобретение в сравнении с прототипом обеспечивает

- в 3-4 раза меньшую зону термического влияния и в связи с этим повышение прочности соединения МКМ;

- меньшие энергетические затраты за счет меньшего уровня разогрева, свойственного дуговой сварке;

- меньшие деформации;

- лучшую ремонтопригодность;

- исключение изгибных напряжений при растяжении и сжатии и тем самым повышение ресурсных характеристик в силу симметричного нагружения соединения по нижней и верхней плоскостям.

Соединение листовых деталей из металлокомпозитных материалов, включающих наружные покрывные металлические листы и внутренние чередующиеся металлические листы и композитные слои, содержащих с одной стороны соединяемые кромки покрывных металлических листов, связанные между собой сварным швом, отличающееся тем, что кромки листовых деталей со стороны, обратной связанным между собой сварным швом покрывным металлическим листам, выполнены с выборкой четвертей до поверхности сваренных покрывных металлических листов, а соединение снабжено с другой стороны накладкой, связывающей кромки листовых деталей и установленной с помощью винтов, ввинченных в соединяемые кромки внутренних металлических листов, при этом накладка выполнена, например, таврового профиля в поперечном сечении и установлена своим ребром в выборки четвертей кромок, заполняя их без зазора.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к резинометаллическим изделиям с самоклеющейся резиновой композицией. Композитное изделие, включающее по меньшей мере два конструктивных элемента, по меньшей мере один из которых содержит металл, и эластомерный элемент, и способ получения изделия, включающий смешение эластомерной композиции, содержащей по меньшей мере один эластомерный полимерный компонент и по меньшей мере один промотор адгезии, выбранный из группы, состоящей из неоалкоксицирконатов с органофосфатной группой и полиимидов; формование по меньшей мере частично отвержденного эластомерного элемента из эластомерной композиции; запрессовку формованного эластомерного элемента между двумя конструкционными элементами так, чтобы эластомерный элемент находился в состоянии сжатия в отсутствие внешней силы, и активацию указанного промотора адгезии, чтобы образовать связь между эластомерным элементом и по меньшей мере одним конструктивным элементом, вследствие чего указанный эластомерный элемент продолжает оставаться в состоянии сжатия.

Изобретение относится к композитным материалам и касается устройства для защиты композитных материалов от электромагнитного воздействия. Отверждаемый гибкий устойчивый к электромагнитному воздействию ламинат включает слой электропроводного металлического материала и термореактивный полимер, в котором внешняя поверхность ламината включает снимаемый лист подложки в контакте с полимером, и ламинат дополнительно включает практически нетрансформируемый лист твердого материала.

Изобретение относится к составу для покрытия различных подложек, включая металлические подложки упаковочных изделий, например контейнеры для пищевых продуктов или напитков, и способу получения таких упаковочных изделий.

Изобретение относится к многослойной трубе и ее применению. Многослойная труба включает металлическую трубу с внутренней поверхностью и внешней поверхностью, первый полимерный слой, связанный с внешней поверхностью, и, предпочтительно, второй полимерный слой, связанный с внутренней поверхностью, и при этом металлическая труба изготовлена из алюминиевого сплава, содержащего, вес.%: Si от 1,5 до 2,45, Fe от 0,5 до 1,2, Mn от 0,5 до 1,2, Cu от 0,3 до 1, Mg от 0,04 до 0,3, Ti<0,25, Zn<1,2 и другие примеси или случайные элементы <0,05 каждого, включая Cr<0,05 и Zr<0,05, всего <0,25, а остальное - алюминий.

Изобретение относится к слоистым материалам и касается ламинированного материала, имеющего тонкую периодическую структуру, и способа изготовления данного материала.
Изобретение относится к листовому конструкционному элементу из композиционного материала, используемого в жилищном и промышленном строительстве для большепролетных крыш и фасадов, в качестве сэндвичных элементов конструкции в холодильных складах, в секционных воротах, в офисных сооружениях мобильного типа или в производстве жилых вагончиков.

Изобретение относится к металлическим материалам с покрытиями и касается металлического листа с нанесенным покрытием с превосходной проводимостью и коррозионной стойкостью.

Изобретение относится к композитной пленке для поглощения электромагнитных волн и установке для производства такой пленки. Композитная пленка имеет пластиковую пленку и одно- или многослойную металлическую пленку, которая сформирована, по меньшей мере, на одной поверхности вышеуказанной пластиковой пленки.
Изобретение относится к технологии получения пленок, пригодных в качестве упаковочных материалов, в частности многослойных упаковочных пленок, содержащих порошковый наполнитель.

Изобретение относится к гибким упаковкам для продуктов и касается гибкой ламинатной тубы с запечатанными внахлестку кромками, ламинатов и способа формовки тубы из ламинатов.

Изобретение относится к пленке из полиариленэфиркетона, которую можно использовать в разных областях техники, например, для получения гибких печатных плат. Формовочная масса для получения пленки содержит а) 60-96 вес. частей полиариленэфиркетона, б) 2-25 вес. частей гексагонального нитрида бора, в) 2-25 вес. частей талька, причем сумма весовых частей компонентов а), б) и в) составляет 100. Способ изготовления пленки включает компаундирование путем смешивания в расплаве указанных компонентов, экструзию расплава с помощью плоскощелевого приспособления и упрочнение формованной путем экструзии пленки в виде полотна путем размещения на охлаждающих валках. Полученная пленка проявляет меньшую усадку и имеет сниженный коэффициент термического поверхностного расширения. 5 н. и 9 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 пр.

Изобретение относится к области оконных пленок, обладающих низким коэффициентом излучения и пригодных для экранизации электромагнитных помех. Прозрачная композитная пленка с низким коэффициентом излучения не более 0,3 включает прозрачную пленочную подложку, подстилающий слой из устойчивого к истиранию материала твердого покрытия, содержащего отверждаемую акрилатную смолу и совместимого с пленочной подложкой, отражающий инфракрасное излучение слой. Поверх отражающего инфракрасное излучение слоя расположено прозрачное защитное поверхностное покрытие толщиной не более 0,5 мкм, содержащее полисилазан, фторсилан или фторакрилсилан. Изобретение позволяет снизить коэффициент излучения прозрачной композитной пленки, поднять уровень защиты и конфиденциальности электронных данных. 3 н. и 15 з.п. ф-лы, 4 ил., 10 табл., 18 пр.

Изобретение относится к композитному изделию из профилированного металлического материала с покрытием. Изделие включает профилированный металлический материал с покрывающей пленкой, сформированной на поверхности профилированного металлического материала; присоединенный к покрытой поверхности формованный продукт из композиции термопластичной смолы. Пленочное покрытие включает полиуретановую смолу, содержащую поликарбонатный блок с массовым отношением поликарбонатного блока к общей массе смолы в пленочном покрытии от 15 до 80 мас.%. Толщина пленочного покрытия составляет 0,5 мкм или больше. Изобретение позволяет улучшить качество изделия за счет улучшенной адгезии между профилированным металлическим материалом и формованным продуктом из композиции смолы и упростить способ получения изделия. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 4 табл., 2 пр.

Группа изобретений относится к способу получения соединительного элемента между углеродным волокнистым композитным материалом и металлом, к соединительному элементу и к способу получения металлического композитного формованного изделия. Соединительный элемент содержит термопластичный полимер в качестве матрицы и металл, которые соединяются при прочности соединения, составляющей 5 МПа или более. Способ его получения включает: образование слоя, содержащего триазинтиоловое производное, на поверхности металла, нанесение термопластичного полимерного слоя между слоем, содержащим триазинтиоловое производное, и углеродным волокнистым композитным материалом и плавление термопластичного полимерного слоя для присоединения металла к углеродному волокнистому композитному материалу. Технический результат, достигаемый при использовании способа по изобретению для получения соединительного элемента, заключается в том, чтобы обеспечить прочное и устойчивое соединение термопластичного углеродного волокнистого композитного материала и металла, используя упрощенный способ. 4 н. и 7 з.п. ф-лы, 3 ил., 5 пр.

Изобретение относится к технологии получения композиционных материалов с помощью энергии взрывчатых веществ для изготовления слоистых металлополимерных материалов с антикоррозионными, антифрикционными и антиобледенительными покрытиями и касается способа изготовления листовых металлополимерных материалов. В качестве основы используют порошковую металлополимерную смесь, содержащую полиимид и металлический порошок, которую засыпают в контейнер и прессуют под давлением, затем засыпают на поверхность полученной прессовки слой, содержащий порошок ПТФЭ и порошок полиимида, прессуют, затем производят прессование взрывом полученной заготовки скользящей ударной волной между стальными пластинами на регламентированных режимах, затем проводят окончательную термообработку. Для приготовления металлополимерной смеси используют полиимид ПМ-68, а также порошок никеля, или меди, или бронзы. Изобретение обеспечивает получение двухслойных листовых металлополимерных материалов с многофункциональным герметичным композиционным полимерным покрытием из политетрафторэтилена и полиимида с более высокой коррозионной стойкостью основы получаемого материала в щелочных средах, с более высокой ее твердостью и износостойкостью, а также с более высокой износостойкостью покрытия в условиях абразивного изнашивания. 1 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл., 3 пр.

Изобретение относится к слоистым алюмополимерным композиционным материалам, предназначенным для применения в силовых элементах планера самолета и их ремонта, а также в других транспортных средствах. Градиентный металлостеклопластик, состоящий из внешних листов высокомодульного Al-Li сплава с пределом текучести в диапазоне 300-400 МПа и слоев стеклопластика на базе термореактивного клеевого связующего с армирующим наполнителем из стекловолокон в виде тканей или ровинга, который содержит внутренний лист из высокопрочного Al-Li сплава с пределом текучести более 500 МПа, причем каждый слой стеклопластика расположен между упомянутым внутренним листом и внешними листами, причем толщина внутреннего листа составляет 25-40% от общей толщины градиентного металлостеклопластика. Технический результат - создание высокопрочного слоистого градиентного композиционного материла на основе листов из двух типов градиентных высокомодульных Al-Li сплавов пониженной плотности и слоев стеклопластика, обладающего высокой статической прочностью (по пределу текучести), при сохранении повышенного модуля упругости, пониженной плотности, сопротивления усталостному разрушению и других эксплуатационных характеристик трещиностойкости. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к композиционным материалам для применения в радиолектронной технике и касается композита с медной фольгой, формованного из него изделия и способа их получения. Композит получают ламинированием медной фольги и полимерного слоя. На поверхности медной фольги формируют слой олова толщиной от 0,2 до 0,3 мкм. Параметры композиционного материала определяют с помощью математических выражений. Изобретение обеспечивает создание композита с медной фольгой, имеющего превосходную формуемость, который предотвращает отслаивание медной фольги даже в течение предельной деформации, имеет превосходную обрабатываемость, коррозионную стойкость и характеристики электрического контакта стабильно в течение длительного времени. 3 н. и 4 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 табл., 1 пр.

Изобретение относится к слоистым композиционным материалам для использования в авиационной и машиностроительной промышленности и касается способа соединения слоистого алюмостеклопластика. Укладывают по меньшей мере два металлических слоя, каждый из которых состоит из отдельных уложенных встык листов и уложенного между ними армированного стеклопластика. Каждый из стыков листов соседних металлических слоев смещен относительно друг друга на половину размера листа. Между металлическими слоями установлено по меньшей мере два слоя препрега с различно ориентированными в них волокнами. Изобретение обеспечивает повышение однородности прочностных характеристик по всему объему изделия из него. 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 пр.

Изобретение относится к двухфазной полимерной смеси, содержащей (a) полиамид, имеющий температуру плавления не выше 210°C, (b) модифицированный прививкой карбоксильных групп полиолефин, реологические свойства которой в расплавленном состоянии отличаются наличием предела текучести, а также к способу ее получения. Изобретение относится также к применению указанной полимерной смеси для изготовления композиционных конструкций и оболочек, а также к композиционным конструкциям и оболочкам, полученным таким образом. 5 н. и 20 з.п. ф-лы, 9 ил., 2 табл.

Изобретение относится к композиту с медной фольгой, содержащему медную фольгу и ламинированный на нее полимерный слой, к формованному продукту и к способу их получения. Композит с медной фольгой, содержащий медную фольгу и ламинированный на нее полимерный слой, удовлетворяющий уравнению 1: (f3×t3)/(f2×t2)≥1, где t2 (мм) представляет собой толщину медной фольги, f2 (МПа) представляет собой напряжение медной фольги при относительном удлинении 4%, t3 (мм) представляет собой толщину полимерного слоя, f3 (МПа) представляет собой напряжение полимерного слоя при относительном удлинении 4%, и уравнению 2: 1≤33f1/(F×T), где f1 (Н/мм) представляет собой 180° прочность на отслаивание между медной фольгой и полимерным слоем, F (МПа) представляет собой прочность композита с медной фольгой при относительном удлинении 30%, и T (мм) представляет собой толщину композита с медной фольгой, где на поверхности медной фольги, противоположной той, на которую нанесен полимерный слой, формируют слой оксида хрома при количестве наносимого слоя от 5 до 100 мкг/дм2. Композит с медной фольгой имеет превосходную формуемость, в то же время, в котором предотвращен разрыв медной фольги, даже если глубокая (сложная) деформация, которая отличается от однонаправленного изгиба, вызывается штамповкой. 3 н. и 4 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 табл.
Наверх