一种基于互锁结构的激光选区加工连接金属与热塑性复合材料的方法与流程

本发明涉及微结构激光加工及激光辐射加热技术领域，特别是涉及一种利用激光选区加工微结构和激光选区加热连接金属与热塑性复合材料的方法。

研究背景

金属与非金属材料之间的连接在航空航天、汽车制造、医学器件、石油化工、微电子封装以及真空集热管等领域具有广泛应用。钛合金、铝合金等合金材料密度低、比强度高、断裂韧性好，但价格昂贵，热塑复合材料塑性好，通过多材料结合不仅可以实现减重等方面的应用需求，最大化利用材料各自的优点，同时，每种材料都可以达到局部载荷的使用要求，弥补材料本身的不足，从而降低综合成本、拓展应用领域。

传统的金属与非金属材料之间的连接方法主要有焊接、铆接、机械结合、涂胶结合等，但这些方法都存在很大缺陷。由于金属材料与热塑复合材料热膨胀系数相差大，通过超声波辅助焊、感应焊等焊接方法实现的连接接头应力集中，焊后出现大量微裂纹、接头性能差。由于非金属材料主要以共价键结合，金属材料主要以离子键和金属键结合，异种材料结合键不同导致材料机械性能和物理性能存在较大差异，界面结合困难。利用铆接工艺实现的金属材料与非金属材料之间的连接会对被铆接材料组合的外观、功能和动态疲劳强度产生很大制约，铆接点的动态疲劳强度低，易形成摩擦带来噪声和质量缺陷，产生松脱，造成安全问题，且铆接点密封性差，生产工序繁多，效率低，综合成本高。机械连接接头易产生应力集中和残余应力，由于蠕变、湿气和应力松弛等易引起紧固件松动，且聚合物材料对缺口敏感，易产生微裂纹，机械连接生产工艺繁琐，效率低。而涂胶连接仅能满足一定的使用要求，在抗高温，耐冲击、抗老化性能方面存在安全隐患，且凝胶固化时间长，严重影响流水作业效率，综合成本高。

目前使用激光辐射加热或激光透射加热实现金属与非金属材料之间的连接多存在接头缺陷、连接强度低等缺点。本发明提出一种结合微结构激光加工和激光辐射加热复合工艺实现轻质合金与热塑复合材料之间的连接，熔化的热塑复合材料填充进微结构凹槽，冷却凝固后在接头连接界面形成自锁结构，实现接头高连接强度和高动态疲劳寿命，且安全环保、成本低。

技术实现要素：

为克服现有连接技术的不足，本发明针对金属材料与热塑性复合材料之间的连接，提出一种激光选区微结构加工和选区加热连接工艺方法，在接头连接界面形成一种互锁结构，实现金属材料与热塑性复合材料之间高连接强度、高疲劳寿命的连接，连接工艺简单、成本低。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种激光选区加热连接金属与热塑性复合材料的方法，包括以下步骤：

步骤一、选择用于实现异性材料连接的金属与热塑性复合材料；

步骤二、使用激光清洗技术去除金属材料表面氧化层；

步骤三、设计在金属材料表面欲加工的微结构；

步骤四、将金属材料固定在激光加工平台上，确定金属材料表面选区微结构激光加工工艺路径，在金属材料表面加工出设计的微结构；

步骤五、使用夹紧装置将金属与热塑性复合材料夹紧并固定在激光加工平台上(图1)；

步骤六、确定激光选区加热连接金属与热塑性复合材料的激光工艺参数与光束扫描路径，使用激光选区加热金属表面连接金属与热塑性复合材料(图1)，实现接头连接界面互锁结构(图2)。

其中，

步骤一所述的金属材料包括钛合金、不锈钢、铝合金、镍合金、镁合金等金属材料，热塑性复合材料包括聚醚醚酮(peek)、聚酰胺(pa)、玻璃纤维增强聚酰胺(pa66gf30等)、碳纤维增强聚酰胺(pa/cf)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet塑料)等，金属材料与热塑性复合材料的厚度均为0.5-5mm。

步骤三所述的微结构包括v形微沟槽结构(图2(a))、梯形微沟槽结构(图2(b))、倒梯形微沟槽结构(图2(c))、斜向微沟槽结构(图2(d))、人字形微沟槽结构(图2(e))和八字形微沟槽结构(图2(f))。

所述v形微沟槽结构宽度为10-500μm，沟槽深度10-1000μm，沟槽密度为15％-85％。

所述梯形微沟槽结构宽度为10-500μm，沟槽深度10-1000μm，沟槽密度为15％-85％。

所述倒梯形微沟槽结构宽度为10-500μm，沟槽深度10-1000μm，沟槽密度为15％-85％。

所述斜向微沟槽结构宽度为10-500μm，沟槽深度10-1000μm，沟槽密度为15％-85％，沟槽与金属材料表面夹角为0-90°。

所述人字形微沟槽结构宽度为10-500μm，沟槽深度10-1000μm，沟槽密度为15％-85％。

所述八字形微沟槽结构宽度为10-500μm，沟槽深度10-1000μm，沟槽密度为15％-85％。

步骤四所述的激光加工系统为纳秒脉冲激光或皮秒脉冲激光加工系统。

步骤四所述的金属材料表面微结构加工的纳秒激光加工工艺参数如下：激光加工功率为30～500w，激光频率为100～1000khz，脉冲宽度为10～400ns，波长为300～1070nm，光束扫描速度为10-500mm/s。

步骤四所述的金属材料表面微结构加工的皮秒激光加工工艺参数如下：激光加工功率为1～50w，激光频率为100～1000khz，脉冲宽度为10～800ps，波长为300～1070nm，光束扫描速度为10-500mm/s。

步骤六所述的选区加热激光工艺参数如下：激光加工功率为30～300w，激光频率为100～1000khz，脉冲宽度为10～400ns，波长为300～1070nm，光束扫描速度为100-5000mm/s。

步骤六所述的选区加热面积为1-500mm²。

本发明采用纳秒脉冲激光或皮秒脉冲激光在金属材料表面选区加工微结构，使用纳秒脉冲激光在金属材料表面选区加热，使金属与热塑性复合材料连接接头界面形成互锁结构，实现连接接头的高连接强度和高疲劳寿命。

相对于传统金属与非金属材料连接方法，本发明一种激光选区微结构加工和加热连接金属与热塑性复合材料的方法，其优点包括：

(1)激光加工微结构具有加工精度高、非接触、高灵活性等优点，加工参数和光束扫描路径灵活可调；

(2)接头连接界面形成互锁结构，接头连接强度高、疲劳寿命高；

激光加工过程不使用任何化学材料，设备简单，安全环保，工艺成本低。

附图说明

图1为本发明利用激光选区加热连接金属与热塑性复合材料的工艺装置图；

图2(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)为激光选区加热连接金属与热塑性复合材料在接头连接界面形成的互锁结构示意图；

图3(a)、(b)、(c)为利用激光加工技术在典型金属材料钛合金表面加工的典型倒梯形微沟槽结构、斜向微沟槽结构、人字形微沟槽结构的光学显微图像；

图3(d)为利用激光选区加热连接工艺方法在典型金属材料钛合金与典型热塑性复合材料聚醚醚酮(peek)之间形成的互锁结构光学显微图像；

图4为利用本发明方法在典型金属材料钛合金与peek之间形成连接接头的拉伸曲线。

图中标号如下：

1、激光束2、金属材料3、螺栓4、压板5、热塑性复合材料6、夹板

具体实施方式

为更好地理解本发明内容，以下结合附图和具体实施例对本发明技术方案进行详细介绍，所举实例只用于解释本发明，并不用于限定本发明的范围。

一种利用激光选区微结构加工和加热连接金属与热塑性复合材料的连接方法，包括如下步骤：

步骤一、使用激光清洗技术去除金属材料表面氧化层；

步骤二、将金属样品固定在纳秒脉冲激光加工平台上，根据设计好的微结构图案和激光工艺参数，在去除氧化层的金属样品表面选区加工出微结构(图3(a))；

步骤三、使用夹紧装置(图1)将表面加工微结构后的金属材料样品与非金属材料夹紧并固定在纳秒脉冲激光加工平台上；

步骤四、根据设定好的激光选区加热连接工艺参数和扫描路径对金属材料表面进行选区加热，如图1所示，通过热传导使金属与热塑性复合材料接触表面的热塑性复合材料熔化并填充金属表面微沟槽结构，待熔化复合材料冷却凝固后，在接头连接界面形成互锁结构(图3(d))。

利用光学显微镜表征接头连接界面互锁结构形成质量。

本实施例中，所述的金属材料选用ti6al4v，厚度为3mm，所述的热塑性复合材料选用peek，厚度为1mm。

本实施例中，所述的金属表面微结构加工选用纳秒激光器，激光器加工参数具体为：激光波长为1064nm，激光脉冲宽度为340ns，激光功率为90w，激光重复频率为100khz，光束扫描速度为100mm/s。

本实施例中，在金属材料表面所加工出的微结构为倒梯形微沟槽结构，如图3(a)所示，微沟槽结构深度为300μm，宽度为500μm，密度为50％，面积为120mm²。

本实施例中，所述的激光选区加热连接工艺中具体的激光器加工参数为：激光波长为1064nm，激光脉冲宽度为340ns，激光功率为90w，激光重复频率为100khz，光束扫描速度为2000mm/s。

本实施例中，采用激光选区加热连接工艺所形成的互锁结构如图2(c)所示，其截面的光学显微图片如图3(d)所示。

本发明的上述实施例仅仅是为了说明本发明所做的举例，并不用于限定本发明的实施方式。凡是在本发明精神和原则内，对本发明方法、步骤或条件所作的任何修改、改进等，均属于本发明的范围。