一种金属和热塑性复合材料激光压焊装置及其方法和应用

1.本发明涉及金属和非金属复合材料激光连接技术领域，具体涉及一种金属和热塑性复合材料激光压焊装置及其方法和应用。


背景技术：

2.汽车轻量化的迫切需求促使了金属和热塑性复合材料的搭接复合结构的进一步应用。采用高比强度和高比刚度的碳纤维增强热塑性高分子基复合材料(以下简称cfrp)代替传统上单一的金属结构，能够极大地降低车身自重，显著降低能源消耗。目前，激光热导焊接工艺已经发展成为金属和热塑性复合材料的先进连接技术之一，备受国内外研究学者关注。
3.由于金属和cfrp巨大的理化性能差异，两者之间难以形成高强度的界面结合。通过激光表面微织构技术加强机械锚固效应从而提高接头强度，是目前强化金属和crrp激光热导焊接头的主要措施。其原理便是利用激光烧蚀作用在金属表面预制具有一定深度和形状的微织构，在焊接过程中使得cfrp基体的熔融层流入微织构，与之形成机械咬合，同时增加二者接触面积，达到提高接头强度的目的。
4.然而，发明人研究发现，由于cfrp基体树脂熔化后的材料粘性大小直接影响熔融层的流动性，当激光烧蚀预制的微织构深度过大或者激光参数采用不合理，就极易造成熔融层无法在焊接时间内填充微织构，导致焊后界面处残留空气间隙，反而降低了接头强度。因而，通过激光烧蚀金属表面形成微织构而加强锚固效应的强化效果优劣，与cfrp基体熔融层的流动填充能力密切相关。当增加激光热输入提高热传导后(搭接激光热导焊接头多采用激光直接加热金属，然后热量以热传导的形式传至cfrp复合材料)，虽然界面温度的提升能够促进流动性改善上述问题，但高热输入不可避免的增加了焊后残余应力、变形及cfrp基体的裂解，且焊接过程不易控制；其次优化金属表面预制微织构的形状也可以避免上述问题，但增加了工艺繁琐性，且限制了该强化措施的应用。
5.此外，发明人还发现，虽然现有技术公开了一些纤维增强热塑性复合材料与金属激光压焊方法，但是需要在焊接前后进行施压，辅以超声处理，压力、超声参数的细微变化就能影响接头质量，装置复杂，操作难度高。


技术实现要素：

6.为了解决现有技术纤维增强热塑性复合材料与金属激光压焊存在的过程不易控制，工艺繁琐，接头质量差的问题，本发明提出一种金属和热塑性复合材料激光压焊装置及其方法和应用，设置激光器与球形压头同轴，可以确保随焊加压，首先从压力影响流动性的角度，可以在原有焊接时间内加速熔融层流入金属表面微织构间隙；其次从压力影响界面热传导的角度，接触压力的增加能够提升界面传热，促使cfrp基体在更短时间内熔融，从一定程度上增加了熔融层保持熔融状态的时间，有利于消除界面空隙。
7.具体地，本发明是通过如下所述的技术方案实现的：
8.本发明第一方面，提供一种金属和热塑性复合材料激光压焊装置，包括：支撑台、激光器和球形压头，支撑台设有通槽，球形压头位于通槽内，球形压头一端与顶杆活动连接；
9.所述支撑台设有夹具，夹具与激光器位于支撑台的同侧，激光器与顶杆位于支撑台两侧，激光器、球形压头、顶杆轴线重合。
10.本发明第二方面，提供一种金属和热塑性复合材料的激光热导焊接方法，包括：
11.将金属和热塑性复合材料置于支撑台的通槽上，热塑性复合材料位于金属和支撑台之间，采用夹具固定金属，调整激光器光斑位置，保证光斑中心与支撑台通槽的中心在同一轴线上；
12.调整顶杆位置，使球形压头的轴心处于支撑台通槽的中心位置，调整启动压力控制器参数至设定值，位于通槽的金属和热塑性复合材料在夹具和球形压头作用下受到挤压；
13.设定激光工艺参数，设定支撑台的移动速度完成焊接移动过程，移动速度为焊接速度；
14.开始激光热导焊接，顶杆维持压力不变，支撑台移动一定距离后完成搭接焊接，待冷，卸压，卸掉工装，完成焊接过程。
15.本发明第三方面，提供一种金属和热塑性复合材料的激光热导焊接方法制备得到的复合材料。
16.本发明第四方面，提供一种金属和热塑性复合材料激光压焊装置在制备金属和非金属基复合材料中的应用。
17.上述一个或多个技术方案具有以下有益效果：
18.1)不受金属表面微织构尺寸和深度影响，即便是低热输入下，该工艺依旧可以避免焊后空气缺陷问题。
19.2)采用随焊加压，首先从压力影响流动性的角度，可以在原有焊接时间内加速熔融层流入金属表面微织构间隙；其次从压力影响界面热传导的角度，接触压力的增加能够提升界面传热，促使cfrp基体在更短时间内熔融，从一定程度上增加了熔融层保持熔融状态的时间，有利于消除界面空隙；最后在焊接过程中施加压力载荷，可以促进熔融层与金属表面物理粘附力，促进残留空气排出，改善界面应力状态，进一步提升结合强度。
20.3)工艺简单，可操作性强，需要使用的加压装置易制备，且加压参数少，适合工业化生产。
附图说明
21.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：
22.图1为本发明实施例1所述金属和热塑性复合材料激光热导焊接的随焊加压装置示意图；
23.图2为本发明实施例1激光加工金属表面形成微织构的典型形貌图；
24.图3为本发明实施例2焊接过程中，随焊加压对金属和热塑性复合材料连接界面处
的机械锚固效应的强化；
25.图4为焊接过程中，本发明实施例2随焊加压对原始常规工艺下空隙缺陷的消除原理；
26.其中：1、金属，2、热塑性复合材料，3、支撑台，4、夹具，5、激光器，6、球形压头，7、顶杆。
具体实施方式
27.下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。
28.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
29.需要理解的是，术语“上”、“下”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
30.发明人发现针对金属和非金属复合材料激光连接技术而言，虽然界面温度的提升能够促进流动性改善接头处空气间隙或强度问题，但高热输入不可避免的增加了焊后残余应力、变形及cfrp基体的裂解，且焊接过程不易控制；其次优化金属表面预制微织构的形状也可以避免上述问题，但增加了工艺繁琐性，且限制了该强化措施的应用。
31.此外，发明人还发现，虽然现有技术公开了一些纤维增强热塑性复合材料与金属激光压焊方法，但是需要在焊接前后进行施压，辅以超声处理，压力、超声参数的细微变化就能影响接头质量，装置复杂，操作难度高。
32.因此本发明提出一种金属和热塑性复合材料激光压焊装置及其方法和应用来解决这些问题，具体地，本发明是通过如下所述的技术方案实现的：
33.本发明第一方面，提供一种金属和热塑性复合材料激光压焊装置，包括：支撑台、激光器和球形压头，支撑台设有通槽，球形压头位于通槽内，球形压头一端与顶杆活动连接；
34.所述支撑台设有夹具，夹具与激光器位于支撑台的同侧，激光器与顶杆位于支撑台两侧，激光器、球形压头、顶杆轴线重合。
35.一些技术在激光焊接前后施加压力，相当于施压和激光加热熔化分开进行，因此需要超声振动辅助处理，在这些力的综合作用下保证熔融复合材料充分填充金属微结构区域。通过这些方法适合金属微结构为凸起的压焊处理，而且突起尺寸为毫米级，尺寸较大，因此需要控制压力和振动参数调控熔融复合材料的流动。
36.但是本技术发现如果在激光加热熔融过程中，激光光斑中心与支撑台通槽另一侧的球形压头中心在同一轴线上，实现压力和焊接的同步进行，不仅可以减少压头数量，而且无需使用超声振动装置也能实现熔融液体对金属微结构的填充，一举两得。
37.为了增加夹持稳定性，也避免非金属材料在熔融过程产生形变，在本发明一个或
多个实施方式中，所述夹具为两个，位于通槽两侧。
38.在本发明一个或多个实施方式中，所述顶杆通过气动加压装置为球形压头提供压力；
39.优选地，所述压力可调节范围为200
‑
2000n。
40.更进一步的，带有可旋转球形压头的顶杆底部的加载力通过气动加压装置实，压力可调节范围在200
‑
2000n。
41.将工装夹具放置在支撑台上，支撑台沿着滑轨方向留有与压头尺寸相匹配的矩形通槽，支撑台为钢制结构，稳定性良好，通槽宽度为12mm，球形压头直径为8mm，顶杆与支撑台通槽侧面不会发生机械碰撞。
42.在本发明一个或多个实施方式中，所述装置还包括金属和热塑性复合材料，热塑性复合材料位于金属和支撑台之间。所述金属表面设有微织构，微织构由凹槽阵列结构组成，间距80～200μm，深度200
‑
450μm。
43.金属表面设有微织构的一面与热塑性复合材料接触。相比于表面设有凸起微结构的金属，本发明一些实施方式中金属表面微结构为凹槽，因此可以采用激光加热和施压同步进行，也无需使用超声振动处理，就可以使熔融复合材料填充凹槽。
44.此外，现有技术中一些金属凸起为微米级，本发明一些实施方式中凹槽为微米级，实验发现，针对微米级凹槽，同步进行激光加热和施压可以较好的填充凹槽中的空隙，这也是现有技术不曾启示的方案和效果。
45.优选地，所述凹槽形状为锥形、圆柱形、球头形或楔形凹槽形状；
46.优选地，所述金属选自钛合金、不锈钢、铝合金、镁合金中的至少一种，金属厚度为1
‑
5mm；
47.在本发明一个或多个实施方式中，所述热塑性复合材料选自短程或连续碳纤维增强的聚醚醚酮、聚苯硫醚或尼龙六中的至少一种，增强热塑性复合材料板厚为2
‑
5mm。
48.金属或热塑性复合材料板材厚度为毫米级，金属凹槽为微米级，配合以激光加热和施压同步进行，既能保证热塑性复合材料完全浸入凹槽内，又能避免设置多个结构，增加操作难度。
49.本发明第二方面，提供一种金属和热塑性复合材料的激光热导焊接方法，包括：
50.将金属和热塑性复合材料置于支撑台的通槽上，热塑性复合材料位于金属和支撑台之间，采用夹具固定金属，调整激光器光斑位置，保证光斑中心与支撑台通槽的中心在同一轴线上；
51.调整顶杆位置，使球形压头的轴心处于支撑台通槽的中心位置，调整启动压力控制器参数至设定值，位于通槽的金属和热塑性复合材料在夹具和球形压头作用下受到挤压；
52.设定激光工艺参数，设定支撑台的移动速度完成焊接移动过程，移动速度为焊接速度；
53.开始激光热导焊接，顶杆维持压力不变，支撑台移动一定距离后完成搭接焊接，待冷，卸压，卸掉工装，完成焊接过程。
54.在本发明一个或多个实施方式中，所述的支撑台的移动由电动驱动导轨完成，移动速度范围较大，无需特别设计。
55.优选地，所述激光工艺参数为：激光功率为20
‑
500w，激光频率为30
‑
1000hz，脉冲宽度10
‑
500ns，波长800
‑
1100nm，光束扫描速度100
‑
5000mm/s；
56.所述的加压顶杆在激光加热过程中始终保持稳定值，通过增加熔化区中心法向的压力，促使熔化的热塑性复合材料基体流动并加速填充金属表面微结构，促使金属和热塑性复合材料的界面形成无空隙的互锁结构，消除空隙缺陷，实现接头的高强度连接和使用寿命延长。且激光加热结束后或者完成搭接焊接后，持续保压10
‑
20s，稳固金属和碳纤维增强复合材料的界面结合。
57.本发明第三方面，提供一种金属和热塑性复合材料的激光热导焊接方法制备得到的复合材料。
58.本发明第四方面，提供一种金属和热塑性复合材料激光压焊装置在制备金属和非金属基复合材料中的应用。
59.下面结合具体的实施例，对本发明做进一步的详细说明，应该指出，所述具体实施例是对本发明的解释而不是限定。
60.实施例1
61.如图1所示，为本实施例公开的一种金属和热塑性复合材料激光压焊装置，包括：支撑台3、激光器5和球形压头6，支撑台3设有矩形通槽，支撑台3上依次放置热塑性复合材料2和金属1，所述金属1与热塑性复合材料2接触的一侧设有微织构，微织构由凹槽阵列结构组成，间距120μm，深度300μm，如图2所示。
62.金属1为304不锈钢，厚度2mm，热塑性复合材料2为短程非连续碳纤维增强尼龙六(cf
‑
pa6)，厚度为2mm。
63.球形压头6位于通槽内，球形压头6一端与顶杆7活动连接，顶杆7通过气动加压装置为球形压头6提供压力。通槽宽度为12mm，球形压头6直径为8mm，顶杆7与支撑台3通槽侧面不会发生机械碰撞。在顶杆7作用下，球形压头6可以在通槽内往复运动，同时对热塑性复合材料2施加压力。
64.所述支撑台3设有两个夹具4，夹具4与激光器5位于支撑台3的上方，顶杆7位于支撑台3下方，激光器5、球形压头6、顶杆7轴线重合。
65.热塑性复合材料2和金属1在夹具4和球形压头6、顶杆7作用下，受到挤压。
66.实施例2
67.本实施例公开一种金属和热塑性复合材料的激光热导焊接方法，使用权利要求1所述装置进行。
68.步骤一，酒精清洗金属表面，再使用激光加工技术制备金属表面待焊区域的微织构。将金属和cfrp板件叠加固定在可以滑动的支撑台上，金属处于搭接结构上层，上表面用夹具固定压紧，防止刚性滑移。
69.步骤二，将顶杆上球形压头通过支撑台上的矩形通槽与cfrp板件的底部接触，设定气动压力控制器加载压力为1000n，保持垂直固定，并在焊接过程中维持压力值不变。调整激光发射器位置，将其垂直固定，保持与底部球形压头(滚珠压头)中心处于同一轴线(如图1所示)。
70.步骤三，设置激光工艺参数，激光波长为1000nm，激光脉冲宽度15ps，激光功率16w，光束扫描速度为1m/s。使用激光加热金属表面，热传导熔化cfrp上表面，熔化后的熔融
层在cfrp背面压力推动下加固连接界面的机械锚固效应(如图3所示)。
71.本实施例采用的金属材料为304不锈钢，厚度2mm，所述的热塑性复合材料为短程非连续碳纤维增强尼龙六(cf
‑
pa6)，厚度为2mm。金属表面微结构加工选用皮秒激光器，金属表面加工的微结构为尖锥凹槽结构，间距120μm，深度300μm。
72.为减少滚珠压头与cfrp板材的接触摩擦，采用润滑剂涂抹压头表面。
73.本实施例采用随焊加压消除深尖锥凹槽结构内的空气形成致密的金属表面和cfrp基体互锁结构如图4所示，白色箭头代表流体流动的方向，箭头长短代表流动能力大小。随焊加压后，流动性提升，表现为流速加快，剧烈程度增加，由于压力由中心到边缘的梯度分布，中心最高，填充凹槽而排挤出的空气更容易被接出结合区域。
74.常规工艺处理方式为：将cfrp复合材料板置于背面垫板上，在其上侧放置金属板，采用夹具直接压住待焊区域两侧的金属上表面，约束刚性滑移。为避免凹槽中滞留空气孔隙，需要慎重选择激光参数调整热输入，并且适当增加焊接时间、增加金属上表面两侧夹具压力约束等。
75.在消除原理上与本实施例区别在于：选择合适的热输入，是为了保证cfrp复合材料熔融层的具有一定的流动性，增加焊接时间，则是为了保证流动的粘性基体材料能够更彻底地填充凹槽微结构。但常规处理方式，无法发挥外部驱动力对熔融流体流动性的促进效应，也无法发挥高压下提升界面接触传热特性进而缩短cfrp复合材料熔化时间的作用；而实施例2提出的随焊加压，能兼顾上述两种促进效果，简单且高效地消除深凹槽微结构残留空隙的工艺问题。
76.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。