logo

激光焊接实现复合材料和金属的连接

该工艺在金属板和塑料之间实现了高度可靠的连接。

文:Andreas Thoss     THOSS Media首席执行官  Industrial Laser Solutions杂志编委

金属和聚合物连接是理想的汽车轻量化结构。随着轻量化结构的出现,碳纤维或玻璃纤维增强聚合物(CFRP或GFRP)等复合材料与金属部件的有效连接工艺问题已经显现(图1)。这种不同材料的接头对汽车工业中的安全性和功能部件特别重要。

图1 图中显示了一个带有玻璃钢加固支撑的车门(版权:Fraunhofer ILT)

汽车工业的要求很明确:连接过程必须快速、可靠和自动化。下表列出了工业过程中连接复合材料和金属部件的三种最常见方法。激光焊接可能是这一列表中最新的一种,它还需要解决许多问题。这不仅关系到效率,还关系到接头的强度和老化。本文将对这些问题进行详细的研究。

激光焊接技术基础

复合材料与金属零件的激光连接是一个分两步进行的过程。首先,用激光对金属零件进行处理,在其表面形成微结构。这可以通过一个名义功率约为1KW的连续波单模光纤激光器来实现。激光扫描表面,形成具有咬边几何形状的规则凹槽(图2)。

由于激光束的高强度,金属在烧蚀过程中部分熔化和汽化。蒸发压力喷射出材料,模具的一部分凝固在槽的边缘,这导致槽有一定程度的咬边结构。为了使聚合物更多地结合在模具表面上,可以增加表面微结构的密度,例如,以90°角穿过凹槽(图3)。

图2此示意图显示了金属和聚合物零件的激光连接工艺
图3它需要几次扫描,直到槽有合适的纵横比,以获得良好的粘合力。(版权:Fraunhofer ILT)

有一个可供选择的结构化过程应该提到。它可以用超短脉冲(USP)激光和特殊的脉冲来完成,这样就可以形成海绵状的表面和锥形的突起。这种自组织过程已在各种材料上观察到,如钢、铝、硅和钛。聚合物在这种表面上的结合力甚至比在光纤激光加工的微结构上要好。唯一的问题是USP激光器的速度慢。一旦USP激光器达到千瓦的平均功率(如另一个弗劳恩霍夫项目所预期的那样1),它们可能是用于复合材料连接的金属表面微结构化的更好选择。

在将复合材料与金属片连接的第二步中,聚合物被加热直到熔化。然后,它被压入微观结构,冷却后,它与金属连接良好。不过,也有不同的方法来加热聚合物:一种方法是加热聚合物(就像在传统的注塑成型中那样),然后将模具压入凹槽,而另一种方式是加热金属部件并将其压在冷聚合物上。热传导使聚合物熔融,然后流入微观结构。在这两种情况下,结果都是形成一种聚合物金属复合接头。

第一步的激光微结构化是一个快速和无接触的过程。实际的连接过程可以很好地融入现有的生产过程,如注塑或冲压。因此,激光焊接作为一个整体是一个快速和经济的过程,非常适合大规模生产。

机械应力试验

在实际应用中,复合部件可能会受到多轴、同相或相移负载的影响。对于所有的应用,都会出现几个问题:这样的接头能承受多大的压力?它会在哪里破裂?这对连接过程意味着什么?

弗劳恩霍夫激光技术研究所(Fraunhofer ILT;德国亚琛)的专家们进行了一系列的压力测试,用不同的材料来回答这个问题(图4)。在一个案例中2,他们制作了一个试样,由1.5 mm的不锈钢板和3 mm厚的玻璃纤维增强聚丙烯(PP)条带组成,用于拉伸剪切试验,而非增强的PP用于拉伸试验。

用聚焦直径约40μm的1kW单模光纤激光器对金属表面进行了加工,在金属表面形成了可重复的咬边槽结构。用3kW半导体激光器(功率约为300~700W)加热聚合物部件,光斑尺寸为7.5×25mm2。施加3bar的夹紧压力连接两个零件。拉伸剪切试样(钢+GFRP)的连接面积为150 mm2,拉伸试验(钢+PP)的连接面积为100 mm2。

每种类型的五个样品都进行了破坏性试验。在拉伸剪切载荷为13.1 MPa的情况下,对400μm槽距的槽型和15.5 MPa的300μm槽型的接头强度进行了测量。对于拉伸载荷,试样承受5.1MPa(400μm槽距)和9.1MPa(300μm槽距)的载荷。

显然,密集的图案有更好的结合力,但应该注意的是,密集的图案会增加处理时间。对镁合金板进行了类似的试验3。所有试验表明,激光连接技术在金属和聚合物零件之间建立了牢固可靠的连接。

老化试验

汽车系列生产的另一个相关问题是:这种连接是否满足气候变化和腐蚀的要求?为了回答这个问题,我们进行了几个测试。基本上,他们将标准气候变化循环和腐蚀试验程序应用于一组复合接头试样。

对于试验,不同金属的搭接剪切试样(钢和铝)以及不同的聚合物采用激光连接方法将玻璃纤维PP/GF30和滑石粉填充PP/T40的PP连接在一起。气候变化试验根据VW PV 1200进行,气候变化在80°~-40°C之间。

试验循环(12小时)重复2、10和30次。在气候变化试验前后,对样品进行破坏性拉伸剪切强度测试。所有测试结果显示,压力值在8~15 MPa之间。有趣的故事发生在连接区域之外:在30个试验循环之后,所有填充了滑石粉的PP样品在连接区域外的塑料中失效。换言之,接头比原来的聚丙烯材料更坚固。

类似的行为在腐蚀试验中变得很明显。腐蚀试验根据VDA 621-415进行7天的试验。该试验包括盐雾和高湿度条件。在试验之前,所有的样品都在大约8和15MPa。腐蚀后,所有PP/T40塑料在连接区域外断裂。GFRP材料在连接区域内断裂,但强度高于腐蚀前。

钢样显示出锈蚀,尤其是微观组织区域。接头区域有明显的腐蚀渗透,但这对接头强度没有明显的影响。铝板在连接区外的微结构区域也显示出腐蚀迹象,但在连接区内没有。一个直接的结论是应该避免任何开放的微结构区域。

激光连接工艺已经过测试,可以在金属板和塑料之间建立高度可靠的连接。标准气候和腐蚀试验未显示对连接强度的影响。经过一段时间的老化,塑料本身而不是连接区域断裂,应避免金属上的开放微结构区域。(李波 译)

参考文献

1. D. Hoffman, J. Limpert, and A. Thoss, “Ultrashort-pulsed laser sources with kilowatt power forindustrial applications,” Laser Focus World, 56, 1, 65–68 (Jan. 2020); https://bit.ly/ThoRef1.

2. K. van der Straeten, C. Engelmann, A. Olowinsky, and A. Dillner, “Comparison of laser-basedjoining approaches for plastic-metal-hybrids–strength vs. process speed,” Proc. Hybrid Mater.Struct., 203 (2018); https://bit.ly/ThoRef2.

3. C. Engelmann, C. Hopmann, and S. Wurzbacher, “Laser beam microstructuring of magnesiumsheets made of ME20 – Potentials for the in-mould assembly of plastic/magnsesiumhybridejoints,” Joining Plastics, 13, 3–4, 182–189 (2019).

(Andreas Thoss联系方式 :th@thoss-media.de)

版权声明:
《工业激光应用》网站的一切内容及解释权皆归《工业激光应用》杂志社版权所有,未经书面同意不得转载,违者必究!
《工业激光应用》杂志社。
调查问卷期刊订阅