1.概述
通過(guò)實(shí)例證明，金屬和塑料之間能夠通過(guò)激光進(jìn)行高度可靠的“焊接”。準(zhǔn)確的說(shuō)，應(yīng)該是“連接“。下圖中在汽車(chē)門(mén)上用含玻纖塑料加固。
圖1 用含玻纖塑料加固的汽車(chē)門(mén)
隨著汽車(chē)輕量化的到來(lái)，金屬和塑料連接是廣泛需求的。如何快速有效的連接金屬和含有增強(qiáng)型碳纖維或者玻纖的塑料，該類(lèi)問(wèn)題迫切需要解決。
為了適應(yīng)汽車(chē)工業(yè)的流水線作業(yè)要求。連接過(guò)程必須快速、可靠和自動(dòng)化。下面列出了工業(yè)上連接復(fù)合材料和金屬部件的三種最常見(jiàn)的方法。其中，基于激光的連接技術(shù)是最新的技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)還有許多問(wèn)題需要解決。這些問(wèn)題不僅與效率有關(guān)，而且與連接強(qiáng)度和老化有關(guān)。本文將對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)的探討。
機(jī)械連接。快速經(jīng)濟(jì)，過(guò)程穩(wěn)定。缺點(diǎn)是復(fù)合材料上的孔破壞了復(fù)合材料的纖維分布和強(qiáng)度。連接件（如螺絲）增加了組件重量。粘接。有廣泛可選擇的粘接劑，用于各種材料的連接。缺點(diǎn)是表面需要做預(yù)處理，粘接過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)，需要粘接劑，增加成本。激光連接。快速可靠，高連接強(qiáng)度，不需要輔料。缺點(diǎn)只適用于熱塑性塑料。2. 激光連接技術(shù)基礎(chǔ)
熱塑性塑料和金屬零件的激光連接分2步。第1步，用激光在金屬零件表面加工形成微結(jié)構(gòu)。這通常采用額定功率1 kW的光纖激光器來(lái)完成。激光器掃描表面，加工出規(guī)則的凹槽與咬邊結(jié)構(gòu)（圖2）。
圖2 塑料和金屬的激光連接過(guò)程
由于激光束的高功率密度，金屬在燒蝕過(guò)程中部分熔化和蒸發(fā)。蒸發(fā)高壓將熔料噴射出來(lái)，其中一部分在凹槽邊緣凝固，形成咬邊結(jié)構(gòu)。為了最大程度地提高塑料在這個(gè)表面上的抓力，可增加溝槽分布數(shù)量和密度，如圖3。
圖3 需要激光束多次掃描直到溝槽形狀達(dá)
還有一種可選方案。通過(guò)使用特殊脈沖的超短脈沖(USP)激光來(lái)實(shí)現(xiàn)，以形成具有錐形突起的海綿狀表面。可在鋼、鋁、硅和鈦表面使用。在這樣的表面上，塑料的連接力甚至比光纖激光加工的微結(jié)構(gòu)還要好。唯一的問(wèn)題是USP激光器的速度太慢。
第2步，塑料被加熱到熔化，然后被壓入金屬表面。冷卻后，塑料與金屬完成連接。加熱塑料的方法有多種。一種方法是直接加熱塑料，可采用熱板、紅外等工藝，然后將其壓入金屬表面凹槽。另一種方法是加熱金屬零件，然后將其壓在冷的塑料上。熱傳導(dǎo)使塑料熔化，然后流入微小結(jié)構(gòu)中。
上述第1步中，激光微加工是快速和無(wú)接觸的。因此，該過(guò)程非常適合插入現(xiàn)有的生產(chǎn)過(guò)程中。非常適合大規(guī)模生產(chǎn)。
3. 連接強(qiáng)度測(cè)試
在實(shí)際應(yīng)用中，金屬和塑料連接處會(huì)受到負(fù)載。那么，這類(lèi)復(fù)合連接承受的最大壓力是多少？它會(huì)在哪里斷裂？
德國(guó)霍夫激光技術(shù)研究所的專(zhuān)家，對(duì)各種材料進(jìn)行了一系列應(yīng)力測(cè)試回答了這些問(wèn)題（圖4）。其中1個(gè)測(cè)試內(nèi)容如下：
1.5mm不銹鋼金屬板和3mm加玻纖的PP塑料連接件進(jìn)行了剪切測(cè)試；1.5mm不銹鋼金屬板和3mm的PP塑料（不含玻纖）連接件進(jìn)行了拉伸測(cè)試。
圖4 腐蝕測(cè)試后金屬和塑料接頭的斷口表
使用1kw單模光纖激光器對(duì)金屬表面進(jìn)行微加工，光斑直徑約為40um。激光在金屬表面上加工出可復(fù)制的“咬邊”凹槽結(jié)構(gòu)。塑料用額定功率3kW半導(dǎo)體激光器加熱，光斑尺寸為7.5mm×25mm。使用0.3Mpa的壓力夾緊兩個(gè)零件。連接結(jié)果如下：
不銹鋼Steel + 含玻纖PP，連接區(qū)域面積150mm^2不銹鋼Steel + PP，連接區(qū)域面積100mm^2對(duì)以上2種類(lèi)型各5個(gè)樣件進(jìn)行破壞性測(cè)試。
不銹鋼Steel + 含玻纖PP，剪切強(qiáng)度測(cè)試。當(dāng)槽間隔400um時(shí)，最大剪切載荷為13.1Mpa；當(dāng)槽間隔300um時(shí)，最大剪切載荷為15.5Mpa。不銹鋼Steel + PP，拉伸強(qiáng)度測(cè)試。當(dāng)槽間隔400um時(shí)，最大拉伸載荷為5.1pa；當(dāng)槽間隔300um時(shí)，最大拉伸載荷為9.1Mpa。顯然，密集的槽分布有助于提高連接強(qiáng)度。但應(yīng)該注意，密集的槽會(huì)增加微加工時(shí)間。同時(shí)，對(duì)鎂片也進(jìn)行了類(lèi)似的試驗(yàn)。所有的測(cè)試都表明，基于激光的連接技術(shù)在金屬和塑料部件之間建立了強(qiáng)大和可靠的連接。
4. 老化測(cè)試
汽車(chē)行業(yè)產(chǎn)品另一個(gè)重要問(wèn)題：這種連接是否滿足耐氣候變化和耐腐蝕的要求？為了回答這個(gè)問(wèn)題，德國(guó)霍夫激光技術(shù)研究所的專(zhuān)家還進(jìn)行了另外一些測(cè)試。
在試驗(yàn)中，將不同金屬（鋼和鋁）與不同塑料（PP+30%玻纖和PP+40%滑石粉），通過(guò)激光連接到一起。氣候變化試驗(yàn)采用VW PV 1200標(biāo)準(zhǔn)，溫度變化范圍80℃~ -40℃。
單次試驗(yàn)周期是12小時(shí)，需要分別重復(fù)2次、10次、30次。試驗(yàn)前后，樣件分別進(jìn)行了破壞性剪切強(qiáng)度測(cè)試。所有的測(cè)試結(jié)果都分布在8到15 MPa之間。測(cè)試中，還出現(xiàn)一個(gè)有趣的現(xiàn)象：在30個(gè)測(cè)試循環(huán)后，所有填充了滑石粉的PP樣件，在強(qiáng)度測(cè)試中都在連接區(qū)域外的位置發(fā)生開(kāi)裂失效。換句話說(shuō)，接頭比本體PP材料更強(qiáng)。
在耐腐蝕試驗(yàn)中也出現(xiàn)了類(lèi)似的現(xiàn)象。試驗(yàn)按照VDA 621-415標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了7天的測(cè)試。該試驗(yàn)包含鹽霧和高濕度測(cè)試條件。在試驗(yàn)前，所有樣品能夠承受8-5MPa剪切強(qiáng)度。腐蝕試驗(yàn)完成后進(jìn)行剪切測(cè)試，所有含滑石粉的PP樣件，在連接區(qū)域外發(fā)生破裂。含玻璃纖維的PP樣件在連接區(qū)域處斷裂，但是其強(qiáng)度高于測(cè)試前。
不銹鋼出現(xiàn)了銹蝕現(xiàn)象，特別是在微結(jié)構(gòu)中。激光連接區(qū)域也有明顯的腐蝕滲透，但對(duì)連接強(qiáng)度沒(méi)有明顯影響。鋁板在連接區(qū)域外微結(jié)構(gòu)中也有腐蝕的跡象，但在連接區(qū)域內(nèi)部沒(méi)有。因此，這里可以得出的結(jié)論，使用時(shí)應(yīng)避免微結(jié)構(gòu)處在開(kāi)放的環(huán)境下。
5. 總結(jié)
采用激光連接金屬和塑料的方法，經(jīng)過(guò)測(cè)試證明可以產(chǎn)生出高強(qiáng)度和高可靠的連接。氣候和腐蝕測(cè)試對(duì)連接強(qiáng)度的無(wú)影響。經(jīng)過(guò)一些老化后，斷裂的位置是塑料本體，而非連接位置。
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