金屬和塑料焊接的應(yīng)用強(qiáng)度討論

概述

隨著汽車輕量化的到來(lái)，對(duì)金屬和塑料的連接有著廣泛的需求。如何快速有效地連接金屬和含有增強(qiáng)碳纖維或玻璃纖維的塑料迫切需要解決。

為適應(yīng)汽車工業(yè)的流水線作業(yè)要求。連接過(guò)程必須快速、可靠、自動(dòng)化。以下是三種最常見(jiàn)的工業(yè)連接復(fù)合材料和金屬部件的方法。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)還有很多問(wèn)題需要解決。這些問(wèn)題不僅與效率有關(guān)，還與連接強(qiáng)度和老化有關(guān)。本文將詳細(xì)討論這些問(wèn)題。

機(jī)械連接。快速經(jīng)濟(jì)，工藝穩(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。連接器(如螺釘)增加了組件的重量。粘接劑。各種材料的連接都有廣泛的粘接劑可供選擇。缺點(diǎn)是表面需要預(yù)處理，粘接時(shí)間長(zhǎng)，需要粘接劑，增加成本。激光連接。連接速度快，連接強(qiáng)度高，不需要輔料。缺點(diǎn)只適用于熱塑性塑料。

激光連接技術(shù)的基礎(chǔ)

熱塑性塑料與金屬零件的激光連接分為兩個(gè)步驟。第一步，用激光在金屬零件表面加工，形成微結(jié)構(gòu)。這通常是由額定功率1kW的光纖激光器完成的。激光掃描表面，加工規(guī)則的凹槽和咬合結(jié)構(gòu)。

由于激光束的高功率密度，金屬在腐蝕過(guò)程中部分熔化和蒸發(fā)。蒸發(fā)高壓噴射熔融材料，其中一部分凝固在凹槽邊緣，形成咬合結(jié)構(gòu)。如圖3所示，可以增加凹槽分布的數(shù)量和密度，以最大限度地提高塑料在這一表面的抓力。

還有一個(gè)選擇。超短脈沖使用特殊脈沖(USP)為了形成具有錐形突起的海綿表面，激光可以實(shí)現(xiàn)?？梢杂糜阡?、鋁、硅、鈦表面。塑料的連接力甚至比光纖激光加工的微結(jié)構(gòu)更好。唯一的問(wèn)題是USP激光器的速度太慢。

第二步，將塑料加熱熔化，然后壓入金屬表面。冷卻后，塑料與金屬連接。加熱塑料的方法有很多。一種方法是直接加熱塑料，可以通過(guò)熱板、紅外線等工藝將其壓入金屬表面的凹槽中。另一種方法是加熱金屬零件，然后壓在冷塑料上。熱傳導(dǎo)使塑料熔化，然后流入微小結(jié)構(gòu)。

在上述第一步中，激光微加工速度快，無(wú)接觸。所以這個(gè)過(guò)程非常適合插入現(xiàn)有的生產(chǎn)過(guò)程。非常適合大規(guī)模生產(chǎn)。

連接強(qiáng)度測(cè)試

金屬與塑料的連接處在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)受到負(fù)荷。所以，這種復(fù)合連接所承受的最大壓力是什么？哪里會(huì)斷裂？

德國(guó)霍夫激光技術(shù)研究所的專家對(duì)各種材料進(jìn)行了一系列應(yīng)力測(cè)試，并回答了這些問(wèn)題。測(cè)試內(nèi)容之一如下:

1.5mm不銹鋼金屬板與3mm玻璃纖維PP塑料連接件進(jìn)行剪切試驗(yàn)；1.5mm不銹鋼金屬板與3mmPP塑料(不含玻璃纖維)連接件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。

金屬表面采用1kw單模光纖激光器進(jìn)行微加工，光斑直徑約為40um。激光器在金屬表面加工出可復(fù)制的“咬邊”凹槽結(jié)構(gòu)。用額定功率3kW半導(dǎo)體激光器加熱塑料，光斑大小為7.5mm×25毫米。用0.3Mpa的壓力夾緊兩個(gè)部件。連接結(jié)果如下：

不銹鋼Steel+含玻璃纖維PP，連接面積150mm^2不銹鋼Steel+PP，上述兩種類型的連接區(qū)域面積100mm^2進(jìn)行破壞性測(cè)試。

Steel+含玻璃纖維PP的不銹鋼，剪切強(qiáng)度測(cè)試。最大剪切載荷為13.13.1，槽間隔為400um。Mpa；最大剪切載荷為15.5.5，當(dāng)槽間隔為300um時(shí)。Mpa。Steel不銹鋼+PP，拉伸強(qiáng)度測(cè)試。最大拉伸載荷為5.1，當(dāng)槽間隔為400um時(shí)。pa；在槽間隔300um時(shí)，最大拉伸載荷為9.1Mpa。顯然，密集的凹槽分布有助于提高連接強(qiáng)度。但是需要注意的是，密集的凹槽會(huì)增加微加工時(shí)間。與此同時(shí)，鎂片也進(jìn)行了類似的測(cè)試。所有測(cè)試都表明，金屬和塑料零件之間基于激光的連接技術(shù)建立了強(qiáng)大可靠的連接。

老化測(cè)試

汽車行業(yè)產(chǎn)品的另一個(gè)重要問(wèn)題:這種連接是否符合耐氣候變化和耐腐蝕的要求？德國(guó)霍夫激光技術(shù)研究所的專家為了回答這個(gè)問(wèn)題，還進(jìn)行了其他測(cè)試。

實(shí)驗(yàn)中，不同的金屬(鋼和鋁)和不同的塑料（PP+通過(guò)激光連接30%玻璃纖維和PP+40%滑石粉。采用VWPV1200標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行氣候變化試驗(yàn)，溫度變化范圍為80℃~-40℃。

單個(gè)測(cè)試周期為12小時(shí)，需要重復(fù)2次、10次和30次。測(cè)試前后，樣品分別進(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15MPa之間。在測(cè)試中，還有一個(gè)有趣的現(xiàn)象:30個(gè)測(cè)試周期后，所有填充滑石粉的PP樣品都在連接區(qū)域外的強(qiáng)度測(cè)試中開(kāi)裂失效。換句話說(shuō)，連接器比本體PP材料更強(qiáng)。

類似的現(xiàn)象也發(fā)生在耐腐蝕試驗(yàn)中。測(cè)試按VDA621-415標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了7天的測(cè)試。這個(gè)測(cè)試包括鹽霧和高濕度測(cè)試條件。所有樣品在測(cè)試前都能承受8-5MPa的剪切強(qiáng)度。在完成腐蝕測(cè)試后，進(jìn)行剪切測(cè)試，所有含有滑石粉的PP樣品都會(huì)在連接區(qū)域外破裂。PP樣品含有玻璃纖維，在連接區(qū)域內(nèi)斷裂，但其強(qiáng)度高于測(cè)試前。

不銹鋼有腐蝕現(xiàn)象，尤其是在微結(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)域外的微結(jié)構(gòu)中也有腐蝕的跡象，但在連接區(qū)域內(nèi)沒(méi)有腐蝕的跡象。因此，這里可以得出結(jié)論，微結(jié)構(gòu)在使用時(shí)應(yīng)避免在開(kāi)放環(huán)境中。

總結(jié)

通過(guò)激光連接金屬和塑料，通過(guò)測(cè)試證明可以產(chǎn)生高強(qiáng)度、高可靠性的連接。氣候和腐蝕測(cè)試對(duì)連接強(qiáng)度沒(méi)有影響。經(jīng)過(guò)一些老化，斷裂的位置是塑料體，而不是連接位置。