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激光连接工艺制造金属-热塑性材料混合零件

由金属和热塑性材料制成的负载适应性混合连接,因用于多种工业应用已变得更加重要,特别是在轻质结构领域。对于有效的工艺链和特定的负载情况,需要优化的预处理和连接技术,以及用于工艺模拟和特性表征的适用工具。为此,激光可以成为成功的关键。

 

对于严格制造功能集成的轻量化结构,局部负载差异会影响不同类别材料的使用。各种子部件的连接对连接技术提出了特殊要求。例如,金属嵌件和螺纹衬套在注塑工艺中粘合到塑料上。首选的连接工艺是夹子、螺钉连接或铆钉的连接。然而,胶合也已越来越多地进入汽车工业,特别是在塑料整流罩部件与金属加强结构粘合的应用中。

 

例如,考虑宝马i3的尾门,有超过11米的粘接缝提供结构强度,改进的碰撞性能和简单的公差补偿。

 

但是,工业粘合工艺也存在困难。在机械连接中,通过纯形状和力配合实现负载的传递,但是粘合需要表面之间的优化材料接触。作用在两种材料仅为几微米厚的边界层上的粘合力对变化非常敏感。油和防腐剂的污染或平整度公差,会导致强度的急剧下降。为了获得与螺纹连接相当的传输强度,需要将大表面粘合在一起。

 

然而,由于工艺灵敏度,所需的连接面积和大量的单个工艺步骤,粘合被证明是不经济的。通常,在粘合之前对两个连接物进行清洁或预处理,然后施加粘合剂,固定两个连接物,以及固化粘合剂(化学反应)。

 

例如,通过使用激光预处理实现了工业粘合工艺的效率提高。在这里,表面被清除污染并同时粗糙化,主要是通过脉冲激光来增加与粘合剂反应的区域。如果加强该烧蚀过程,例如通过使用千瓦级的连续波(CW)功率激光器,可以产生深沟槽结构(见图1)。用粘合剂或塑料熔体填充所得到的空腔,形成宏观的形状闭合。

 

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图1:热直接连接前对低碳钢进行激光表面预处理。

 

现在,这种预处理策略提供了比通过粘合剂粘合和形状配合相结合更可靠地连接材料的可能性。

 

通过受控加热快速连接

 

另一种简化混合连接生产的方法是热直接连接,其中金属和热塑性材料被压合在一起。金属的快速加热导致接触区域中的热塑性材料熔化,润湿表面并在冷却期间固化。该原理可应用于任何尺寸的表面,以及各种材料组合。由于明显不同的热膨胀系数,在边界层中出现高剪切应力。除了在使用过程中产生的负载之外,为了能够吸收这些应力,必须修改塑料或者必须对金属表面进行预处理。

 

业内首选的工艺是在卷材涂覆过程中,用粘合促进剂体系涂覆板材。金属半成品被涂覆、成型和冲压。随后,可以通过热压将热塑性纤维复合材料部件粘合到金属上。

 

在这里,还可以看出高功率激光简化了预处理。在热直接连接期间,金属表面上产生的宏观结构被熔融的热塑性材料填充。在凝固期间,热塑性材料收缩并因此钩入金属结构中。

 

激光烧蚀确保最佳的塑料锚固

 

目前,正在研究用于优化热塑性粘合的形貌设计的各种方法。例如,超短脉冲激光产生特殊形状的微结构,可被低粘度塑料熔体渗透。相比之下,德国弗劳恩霍夫物质与光束技术研究所(Fraunhofer IWS)的研究人员的方法,是基于使用CW激光产生烧蚀深度达200µm的粗糙结构,因此纤维和高粘性的塑料熔体也可以渗透并锚固自身。

 

图2显示了热直接连接的横截面。该结构完全充满了矩阵和纤维。根据负载的类型,使用不同的烧蚀方案。简单的线条和交叉结构提供了由塑料完全填充空腔的良好可能性。由于熔体粘附,烧蚀和熔化过程的组合提供额外的底切。使用具有高光束质量的固态激光器(例如3kW激光功率),可实现100~500mm2/s的(典型)烧蚀速率。

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图2:通过热直接连接和激光宏观结构实现的金属热塑性连接(低碳钢和玻璃纤维增​​强的PA6)的横截面。

 

激光结构化不是一切

 

只有金属被非常快速地加热和冷却,热直接连接才证明是有效的。这可以通过使用激光辐射的短期加热来灵活地完成。与表面硬化工艺类似,金属从背离接头的一侧加热。通过组合800~1100nm范围内快速、可控功率的激光和扫描光学元件,可以迅速加热任何表面。图3显示了由纤维增强PA6和低碳钢制成的中间扶手的加强结构。这里,焊接组件和盖板通过激光加热连接到有机板上。

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图3:由连接低碳钢和玻璃纤维增​​强的PA6制成的中间扶手的加强结构(可行性研究)。

 

由于连接界面不能直接达到,又必须保持热塑性材料的熔化温度,因此板厚和金属板中产生的温度梯度是特定的。接触压力也起着重要作用,因为它平衡了公差,因此可以用塑料和纤维填充空腔。

 

然而,激光加工也存在缺点。热直接连接的原理基于部件彼此同时相互按压和加热。因此,必须保证所有连接的直接可达到性。对于复杂的部件,这通常是不可能的。

 

感应快速加热

 

在复杂可达到性的情况下,通过感应进行短期加热提供了许多优点。电磁交变场由几何形状适应的载流线圈创建,其产生涡流并因此加热导电的连接对象。根据所使用的频率范围,通过利用趋肤效应进行体加热,或直接在边界层中产生热。

 

与通过扫描系统可以容易地适应不同散热条件的激光加热相比,感应加热需要几何形状适应的线圈设计。因此,在Fraunhofer IWS开发并验证了相应的有限元模拟工具。它们基于COMSOL Multiphysics平台,并考虑局部能量耦合,以及材料相关的热传导。由于在大多数情况下只能在线圈的外层工作,因此还必须使用场集中器。通过合适的设计,耦合效率可以提高到10倍。图4给出了使用场集中器的涡流引导的基本原理。

 

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图4:使用场集中器提高热效率的涡流引导的基本原理。

Inductor 感应器

 

感应或激光加热:哪种最好?

 

激光和感应加热的比较性研究已获得了相当的连接强度。为了与通过粘合获得的结果进行比较,根据DIN EN 1465(连接表面:12.5×25mm2)在单个交叠连接上进行了抗拉伸及抗剪切试验。连续玻璃纤维增​​强PA6与不锈钢、铝或低碳钢的材料组合强度约为25MPa。断裂几乎完全发生在复合材料的基础材料中。当使用诸如碳纤维增强的聚芳醚酮(PEKK)的更高强度的材料时,虽然部分纤维断裂,但可以实现高达30MPa的强度。确定的强度在用粘合促进剂连接或粘合的系统范围内。连接对交替气候负荷的耐受性也得到了成功验证。

 

另一方面,如果考虑倾斜或头部张力的负荷极限,则必须说明仍然需要研究。这是由粘合机制引起的,主要在于具有少量粘合剂的形状配合。当考虑可实现的接合时间时,可以确定感应加热和激光加热之间的显著差异。也就是说,感应能够进行更有针对性的加热,因此例如低碳钢的上述标准化连接表面,加热时间需要1~2秒。在激光加热的情况下,必须有3~5秒来加热透低碳钢,而不会局部冒险熔化表面。

 

多年来,研究机构和公司一直在开发和认证热直接连接。然而,批量生产中的工业应用仍然非常有限。其原因在于复杂的组件设计导致功能集成的混合设计。在正确的地方选择正确的材料需要设计师的创新观点。塑料或复合材料部件对金属部件的纯粹替代,一方面导致重量减轻,但是成本显著提高。尽管如此,该技术的某些应用领域已经明确。例如,小批量生产中,注塑成型前的激光结构化用作底漆应用或塑料改性的替代技术。在热直接连接中,业内旨在通过温度和介质稳定的热塑性材料,制造外壳组件或连接元件,以将它们连接到压铸铝。因此可以省去用于螺纹连接的附加法兰以及密封件。

 

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图5:用于金属-热塑性材料连接的机器人引导点焊枪。

 

此外,该技术已得到进一步发展,因此也可以实现自动点状连接。该技术被称为HeatPressCool-Integrative(HPCI),与传统的点焊枪类似,将连接部件压在一起(见图5)。围绕冲压头布置的环形电感器加热连接区域。热塑性材料熔化并与金属结合。该技术的特殊之处在于可以将塑料面板局部连接到金属嵌件上,以用于例如厨具、灯具和其他消费产品。

 

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图6:使用HPCI技术固定局部硬化的复合结构。

 

此外,较大的部件可以灵活地预固定到整体结构上或直接粘合。由于系统技术的紧凑设计,工具设计为可以使用传统的处理技术(例如工业机器人),因此HPCI技术可以集成到复杂的装配链中(见图6)。这是全面介入工业制造的最佳前提。

 

致谢

HPCI是Fraunhofer IWS的注册商标。

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