汽車設計領域已經越來越多地使用到多材質結合物，例如鋼、輕量化金屬和塑料的結合，從而減輕汽車重量，并提升車輛性能。其中，纖維增強塑料（FRP）尤其起到了重要作用。FRP的優勢是耐老化和耐腐蝕，同時兼具輕量化和高強度、硬度可根據類型及受力方向進行選擇。多材質結合物的生產需要通過連接技術，而優質的多材質結合物必然要求連接技術能夠實現穩定牢固的連接不同材質。多材質連接的實例在汽車內飾制造領域更為常見，高端熱硬化FRP元件得到頻繁使用，FRP往往與低成本熱塑性塑料元件相結合，從而節約生產成本。在機械工程領域，熱塑性塑料結合于CFRP元件，作為其防磨損表層。在醫療技術領域，結構更強的透X射線FRP與熱塑性塑料元件相結合，用來制造醫療中使用的植入體。
通過選擇恰當的連接技術，材質的特性，例如可熔性、熔融溫度范圍和化學性能，便可發揮其重要作用。熱固性樹脂因其大分子的交叉耦合結構，而不具可熔性，因此只有FRP與熱塑性塑料才能夠焊接在一起。熱塑性塑料和金屬的熔點溫度差異較大，這也會阻止其產生緊密結合。目前，多材質連接往往通過焊接或者機械連接（例如，鉚接）來實現。然而，當前的這方面工藝存在缺陷性，例如，需要清潔的長時間加工、使用黏合劑及額外等待，或者連接元件所增加的額外重量。
FRP當前可適用連接方法的欠缺，推動了德國埃朗根Bayerisches Laser zentrum有限責任公司和德國卡多爾茨堡的CrossLink Faserverbundtechnik有限責任公司研發出激光熱熔焊接（簡稱lbSkleben）。通過這種方法，不同輕量化材質能夠被穩定地互相結合在一起。加工步驟分為兩步，首先進行表面的激光處理，隨后是激光焊接工序。從下文的示例可以更貼近觀察這種連接，特別是示例中的碳纖維增強熱塑性塑料（CFRP）-熱固性基材，以及熱塑性塑料-金屬連接。
表面激光預處理
激光熱熔連接能夠實現多材質連接，是基于連接成分的微機械聯鎖。為了這個目的，就需要在焊接工序之前首先進行激光表面預處理工序。CFRP經過激光表面處理可獲得有利的表面結構，從而在焊接時刻產生微機械聯鎖的結合。在這一工序中，熱固性基材（見圖1a）熔化附著在表面，而不會損害內在的強化碳纖維（見圖1b）。進行表面處理時，適合采用的是脈沖UV激光（λ = 355 nm）以及CO2激光（λ = 10,600 nm），因為塑料對這兩種射線的波長具有非常高的吸收力。由于激光束的近表面吸收，能量幾乎完全用于表層輪廓的消融。脈沖IR激光（λ = 1,064 nm）可用來使表面預處理材質生成特殊的表面結構（例如，網格結構，見圖2），其目的也是為了在隨后的連接工序中充分實現金屬表面和塑料熔體的聯鎖。
激光熱熔焊接
進行表面預處理之后，便開始激光焊接工序。與激光透射焊接的原理類似，連接材質重疊排放，并用壓力固定位置，熱塑性塑料從而定位于預處理CFRP之上（見圖3）。位于上層的連接材質，是在激光（二極管激光λ = 940 nm）的波長之下可透射的，將被下層連接材質（CFRP或金屬）吸收的放射所熔化，從而為連接區域提供熱熔黏合。在壓力的作用之下，熱塑性塑料熔進裸露的纖維區域或激光處理結構金屬表層，并進入表層結構。一旦熱塑性塑料熔體固化并加負荷，微機械聯鎖便可產生在不同材質層之間。
傳統熱熔黏合可實現的拉力強度為10到15 MPa，激光熱熔焊接亦可實現近似強度。從樣本示例可以看出，相比之下，激光熱熔焊接的獨特優勢在于預處理之后無須使用額外的黏合劑，這是因為熱塑性塑料成分本身提供了黏合作用。熱塑性塑料材質的厚度由其自身對焊接中使用激光束的滲透性所限定，大體上呈幾百千分尺或者若干毫米。連接強度也依賴于作為連接成分的熱塑性塑料特性。聚碳酸酯（PC）和CFRP之間使用激光熱熔焊接的連接，拉伸剪切強度可達到約8.5 MPa，圖4展示了該連接的頂視圖。聚酰胺（PA）通常是商業用熱熔黏合的主要成分，也是優質的激光熱熔焊接熱塑性塑料連接成分。在激光熱熔焊接中使用非強化PA66，拉伸剪切強度可超過10 MPa。如果使用纖維強化熱塑性塑料，拉伸剪切強度高于這個值也是完全可實現的。
要將輕量化金屬（例如鋁）與工程塑料（例如聚碳酸酯）連接在一起，除了使用激光，也可采用成本更低廉且使用簡易的IR射線。熱塑性塑料經多色頻IR射線預熱，在連接區域被激光熔化。采用IR射線，經過激光透射焊接，下層加熱引致上層熱塑性塑料連接成分在熔融狀態可保持更久，從而使得火花隙閉合得更好。IR射線也有助于降低冷卻時的連接縫隙壓力。在熱塑性塑料連接材質中增加的寬帶IR輻射吸收，也會實現與低溫坡度更同質的溫度區域。采用多色頻射線連接技術制造的PC-鋁連接，其拉伸剪切強度可高達18 MPa。卷首圖所展示的便是該連接的橫截面。
結語
在高端材質生產中，不同輕量化材質的激光熱熔焊接彰顯了傳統黏合連接無可比擬的巨大優勢與潛力，特別是在汽車構造、機器工具和醫療分支領域。激光作為放射工具，可實現無接觸、自動化且可復制性生產加工。激光熱熔焊接可實現的強度也完全能夠與商業適用熱熔連接相媲美。不僅如此，激光熱熔焊接并不需要額外的黏合系統，而后者可能在生產和適用方面引起問題。雖然該工藝需要額外的激光表面預處理加工工序，但這并不會抹殺其優勢。目前，激光熱熔焊接可用于熱硬化FRP分別與金屬和熱塑性塑料的基礎平面連接，在未來，該工藝也將大膽設想用于三維立體連接。(end)
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