本发明属于焊接技术领域，具体涉及一种提升热塑性复合材料与金属连接强度的方法。
背景技术：
热塑性复合材料具有高的比强度和比模量，耐冲击、耐疲劳、耐水性与耐疲劳优良，可重复加工，成型加工效率高，成型加工成本低等显著优点。因而，热塑性复合材料在航天航空、风力发电、交通运输等领域有广阔的应用前景。热塑性复合材料的应用将不可避免地产生与钢、铝合金等传统金属材料的连接问题。热塑性复合材料的焊接不采用胶黏剂，仅靠复合材料表面的树脂熔融并熔接形成接头，具有工艺周期短、效率高、接头应力分布均匀、便于实现自动化等优点。
目前，热塑性复合材料主要采用电阻植入焊、电磁感应焊和超声波焊接等方法完成焊接。其中，电阻植入焊工艺简单、设备灵活、无需表面处理，但是在焊接过程中，焊接头会引入杂质，从而降低了焊接头的疲劳性能和电气性能的均匀性；电磁感应焊可以进行连续的焊接，但是，其存在植入材料成本高、填充材料影响焊接强度、难以焊接具有复杂焊接面的结构等问题；超声焊具有焊接效率高、接头强度高等优点，但是其存在导能筋制作困难和一次可焊接面积小的局限。
激光焊接具有工艺简单、成本低廉、加热速度快、穿透能力强、热影响区小，接头强度高、成分均匀等优点，并可完成一次性大面积焊接，但与其他方法相比，面临着一个关键问题：连接强度低。导致纤维增强热塑性复合材料与金属激光连接强度低的原因主要有两个：一个是纤维增强热塑性复合材料的树酯含量低，导致用于熔融连接纤维增强热塑性复合材料与金属的树脂量少，连接不充分；另一个则是金属表面光滑，使纤维增强热塑性复合材料与金属接触面积小，且无法形成咬合结构。
因此，需要一种提升热塑性复合材料与金属连接强度的方法。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种提升纤维增强热塑性复合材料与金属激光连接强度的界面处理方法。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种提升热塑性复合材料与金属连接强度的方法，包括以下步骤：
s1、利用短脉冲激光在金属表面待连接区域制备微质构；
s2、在微质构表面铺设一层热塑性树脂材料；
s3、利用激光对热塑性复合材料与金属进行热传导连接。
进一步地，所述短脉冲激光的波长为10.6μm、1064nm、532nm或266nm。
进一步地，所述短脉冲激光由毫秒激光器、纳秒激光器、皮秒激光器或飞秒激光器发出。
进一步地，所述微质构的形貌是微坑、微凸、网格或倒锥。
进一步地，所述微质构是利用扫描振镜或扫描转镜带动激光束运动，在工件表面刻蚀制备而成。
进一步地，所述热塑性树脂材料为聚酰胺、聚乙烯、聚苯硫醚或聚甲基丙烯酸甲酯。
进一步地，所述热塑性树脂材料的厚度在1mm以内。
进一步地，所述金属是不锈钢、碳钢、铝合金、镁合金、钛合金或高温合金。
进一步地，所述热塑性复合材料为纤维增强的热塑性树脂基复合材料。
进一步地，所述热塑性复合材料为玻璃纤维、碳纤维或芳纶纤维增强的聚酰胺、聚乙烯、聚苯硫醚或聚甲基丙烯酸甲酯。
本发明具有以下有益效果：
本发明一方面通过在金属表面待连接区域制备微质构，增大热塑性复合材料与金属的接触面积，形成咬合结构；另一方面在热塑性复合材料与金属之间添加一层热塑性树脂材料，激光焊接时热塑性树脂材料处于熔融状态，使热塑性复合材料与金属充分连接，最终提升热塑性复合材料与金属连接强度。
附图说明
图1为实施例1的激光连接流程图；
图2为实施例1金属表面微质构的扫描电镜图；
图3为实施例1热塑性复合材料与金属连接区域的激光扫描共聚焦显微镜图。
具体实施方式
本发明的方法具体为：
1、利用短脉冲激光通过扫描振镜对待连接金属材料表面进行微质构的制备，微质构的形貌、尺寸等可通过调整脉冲激光参数（功率、频率、脉宽）和扫描振镜的扫描速度、线间距来控制。
2、微质构制备完成后，在微质构表面放置一层热塑性树脂，热塑性树脂与纤维增强热塑性复合材料基体树脂成分一致，厚度一般小于1mm，其大小刚好完全覆盖金属表面的微质构。
3、把待连接纤维增强热塑性复合材料放置在金属板上，微质构和热塑性树脂层在二者之间，而后对纤维增强热塑性复合材料和金属板施加外部压力，使二者贴合在一起，压力的施加一般通过夹持装置实现。
4、利用激光热传导焊接方法，对纤维增强热塑性复合材料与金属进行连接，其方法是激光聚焦在金属上表面，激光束沿着表面扫描，热塑性树脂层熔融嵌入金属微质构内，同时树脂层与纤维增强热塑性复合材料基体树脂融合，形成焊接接头。
实施例1
如图1所示，按照以下步骤对热塑性复合材料与金属激光焊接：
1、利用纳秒激光器（波长532nm，脉宽20ns，功率30w，频率5khz）和扫描振镜（扫描速度5m/s）对铝合金（7075）表面进行微质构加工，微质构为网格状结构，扫描线间距为d=0.1mm；制得的微质构的扫描电镜图如图2所示，图中的文字除了表示放大倍数、长度等必要信息外，没有其他含义；可以看到铝合金表面形成有规律性的微凹和突起，增大连接时铝合金与热塑性复合材料的接触面积，提高连接强度；
2、把厚度25μm的聚酰胺树脂铺放在微质构上，大小刚好完全覆盖铝合金表面的微质构；
3、将碳纤维增强的聚酰胺复合材料（cfrtp）放置在铝合金上，微质构和聚酰胺树脂层在二者之间，通过气动工装把组合工件夹持在一起，并施加0.5mpa的压力，使聚酰胺复合材料与铝合金贴合在一起；
4、利用1064nm的红外激光（功率200w）聚焦在铝合金表面，并在铝合金表面扫描（速度10mm/s），对铝合金进行加热，并熔融聚酰胺树脂层和聚酰胺复合材料的基体，完成铝合金与聚酰胺复合材料的连接；连接区域的激光扫描共聚焦显微镜图如图3所示；增加微质构之后，界面处聚酰胺树脂（热塑性复合材料）与铝合金形成了咬合和嵌入结构，可提升接头连接强度。
通过拉伸强度测试，有微质构、添加聚酰胺树脂层后接头的连接强度为32mpa，而没有微质构、无聚酰胺树脂层的接头连接强度为20.6mpa，本实施例的连接强度提升了近55%，效果显著。
实施例2
按照以下步骤对热塑性复合材料与金属激光焊接：
1、利用皮秒激光器（波长1064nm，脉宽40ps，功率20w，频率30mhz）和扫描振镜（扫描速度8m/s）对不锈钢表面进行微质构加工，微质构为倒锥结构；
2、把厚度100μm的聚甲基丙烯酸甲酯树脂铺放在微质构上，大小刚好完全覆盖不锈钢表面的微质构；
3、将玻璃纤维增强的聚甲基丙烯酸甲酯放置在不锈钢上，微质构和聚甲基丙烯酸甲酯树脂层在二者之间，通过气动工装把组合工件夹持在一起，并施加0.5mpa的压力，使聚甲基丙烯酸甲酯复合材料与不锈钢贴合在一起；
4、利用532nm的绿光激光（功率100w）聚焦在不锈钢表面，并在不锈钢表面扫描（速度8mm/s），对不锈钢进行加热，并熔融聚甲基丙烯酸甲酯，完成不锈钢与聚甲基丙烯酸甲酯复合材料的连接。
通过拉伸强度测试，有微质构、添加聚甲基丙烯酸甲酯树脂层后接头的连接强度为30mpa，而没有微质构、无聚甲基丙烯酸甲酯树脂层的接头连接强度为21mpa，本实施例的抗拉强度提升了近43%，效果显著。
实施例3
按照以下步骤对热塑性复合材料与金属激光焊接：
1、利用飞秒激光器（脉宽200fs，功率5w，频率100mhz）和扫描振镜（扫描速度10m/s）对钛合金表面进行微质构加工，微质构为微凸结构；
2、把厚度50μm的聚苯硫醚树脂铺放在微质构上，大小刚好完全覆盖钛合金表面的微质构；
3、将芳纶纤维增强的聚苯硫醚放置在钛合金上，微质构和聚苯硫醚树脂层在二者之间，通过气动工装把组合工件夹持在一起，并施加0.4mpa的压力，使聚苯硫醚复合材料与钛合金贴合在一起；
4、利用266nm的紫外激光（功率40w）聚焦在钛合金表面，并在钛合金表面扫描（速度12mm/s），对钛合金进行加热，并熔融聚苯硫醚，完成钛合金与聚苯硫醚复合材料的连接。
通过拉伸强度测试，有微质构、添加聚苯硫醚树脂层后接头的连接强度为35mpa，而没有微质构、无聚苯硫醚树脂层的接头连接强度为22mpa，本实施例的抗拉强度提升了近59%，效果显著。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。