多材质激光热熔焊接技术

作者：PHILIPP AMEND, STEPHAN ROTH

欢迎访问e展厅 展厅 5 激光焊接机展厅 激光淬火, 激光熔覆, ... 汽车设计领域已经越来越多地使用到多材质结合物，例如钢、轻量化金属和塑料的结合，从而减轻汽车重量，并提升车辆性能。其中，纤维增强塑料（FRP）尤其起到了重要作用。FRP的优势是耐老化和耐腐蚀，同时兼具轻量化和高强度、硬度可根据类型及受力方向进行选择。多材质结合物的生产需要通过连接技术，而优质的多材质结合物必然要求连接技术能够实现稳定牢固的连接不同材质。多材质连接的实例在汽车内饰制造领域更为常见，高端热硬化FRP元件得到频繁使用，FRP往往与低成本热塑性塑料元件相结合，从而节约生产成本。在机械工程领域，热塑性塑料结合于CFRP元件，作为其防磨损表层。在医疗技术领域，结构更强的透X射线FRP与热塑性塑料元件相结合，用来制造医疗中使用的植入体。 通过选择恰当的连接技术，材质的特性，例如可熔性、熔融温度范围和化学性能，便可发挥其重要作用。热固性树脂因其大分子的交叉耦合结构，而不具可熔性，因此只有FRP与热塑性塑料才能够焊接在一起。热塑性塑料和金属的熔点温度差异较大，这也会阻止其产生紧密结合。目前，多材质连接往往通过焊接或者机械连接（例如，铆接）来实现。然而，当前的这方面工艺存在缺陷性，例如，需要清洁的长时间加工、使用黏合剂及额外等待，或者连接元件所增加的额外重量。 FRP当前可适用连接方法的欠缺，推动了德国埃朗根Bayerisches Laserzentrum有限责任公司和德国卡多尔茨堡的CrossLink Faserverbundtechnik有限责任公司研发出激光热熔焊接（简称lbSkleben）。通过这种方法，不同轻量化材质能够被稳定地互相结合在一起。加工步骤分为两步，首先进行表面的激光处理，随后是激光焊接工序。从下文的示例可以更贴近观察这种连接，特别是示例中的碳纤维增强热塑性塑料（CFRP）-热固性基材，以及热塑性塑料-金属连接。 表面激光预处理 激光热熔连接能够实现多材质连接，是基于连接成分的微机械联锁。为了这个目的，就需要在焊接工序之前首先进行激光表面预处理工序。CFRP经过激光表面处理可获得有利的表面结构，从而在焊接时刻产生微机械联锁的结合。在这一工序中，热固性基材（见图1a）熔化附着在表面，而不会损害内在的强化碳纤维（见图1b）。进行表面处理时，适合采用的是脉冲UV激光（λ = 355 nm）以及CO2激光（λ = 10,600 nm），因为塑料对这两种射线的波长具有非常高的吸收力。由于激光束的近表面吸收，能量几乎完全用于表层轮廓的消融。脉冲IR激光（λ = 1,064 nm）可用来使表面预处理材质生成特殊的表面结构（例如，网格结构，见图2），其目的也是为了在随后的连接工序中充分实现金属表面和塑料熔体的联锁。 激光热熔焊接 进行表面预处理之后，便开始激光焊接工序。与激光透射焊接的原理类似，连接材质重叠排放，并用压力固定位置，热塑性塑料从而定位于预处理CFRP之上（见图3）。位于上层的连接材质，是在激光（二极管激光λ = 940 nm）的波长之下可透射的，将被下层连接材质（CFRP或金属）吸收的放射所熔化，从而为连接区域提供热熔黏合。在压力的作用之下，热塑性塑料熔进裸露的纤维区域或激光处理结构金属表层，并进入表层结构。一旦热塑性塑料熔体固化并加负荷，微机械联锁便可产生在不同材质层之间。 传统热熔黏合可实现的拉力强度为10到15 MPa，激光热熔焊接亦可实现近似强度。从样本示例可以看出，相比之下，激光热熔焊接的独特优势在于预处理之后无须使用额外的黏合剂，这是因为热塑性塑料成分本身提供了黏合作用。热塑性塑料材质的厚度由其自身对焊接中使用激光束的渗透性所限定，大体上呈几百千分尺或者若干毫米。连接强度也依赖于作为连接成分的热塑性塑料特性。聚碳酸酯（PC）和CFRP之间使用激光热熔焊接的连接，拉伸剪切强度可达到约8.5 MPa，图4展示了该连接的顶视图。聚酰胺（PA）通常是商业用热熔黏合的主要成分，也是优质的激光热熔焊接热塑性塑料连接成分。在激光热熔焊接中使用非强化PA66，拉伸剪切强度可超过10 MPa。如果使用纤维强化热塑性塑料，拉伸剪切强度高于这个值也是完全可实现的。 要将轻量化金属（例如铝）与工程塑料（例如聚碳酸酯）连接在一起，除了使用激光，也可采用成本更低廉且使用简易的IR射线。热塑性塑料经多色频IR射线预热，在连接区域被激光熔化。采用IR射线，经过激光透射焊接，下层加热引致上层热塑性塑料连接成分在熔融状态可保持更久，从而使得火花隙闭合得更好。IR射线也有助于降低冷却时的连接缝隙压力。在热塑性塑料连接材质中增加的宽带IR辐射吸收，也会实现与低温坡度更同质的温度区域。采用多色频射线连接技术制造的PC-铝连接，其拉伸剪切强度可高达18 MPa。卷首图所展示的便是该连接的横截面。 结语 在高端材质生产中，不同轻量化材质的激光热熔焊接彰显了传统黏合连接无可比拟的巨大优势与潜力，特别是在汽车构造、机器工具和医疗分支领域。激光作为放射工具，可实现无接触、自动化且可复制性生产加工。激光热熔焊接可实现的强度也完全能够与商业适用热熔连接相媲美。不仅如此，激光热熔焊接并不需要额外的黏合系统，而后者可能在生产和适用方面引起问题。虽然该工艺需要额外的激光表面预处理加工工序，但这并不会抹杀其优势。目前，激光热熔焊接可用于热硬化FRP分别与金属和热塑性塑料的基础平面连接，在未来，该工艺也将大胆设想用于三维立体连接。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (3/5/2013)