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金属与塑料激光焊接技术最新研究进展 2021-12-27

在材料加工领域占据重要的地位,传统的主要在金属材料之间进行,然而随着的技术的发展进步,异种 材料之间的激光焊接也成为重要的突破方向,本文主要研究金属与塑料的激光焊接技术。 

金属与塑料激光焊接技术最新研究进展

塑料实际上是一种聚合物,激光直接连接金属和聚合物的原理主要是通过激光照射金属产生高温并通过热传导到达聚合物,在聚合物临近连接界面处产生熔化区域,并在其内部激发微小气泡,气泡的产生或快速膨胀产生高的内压使得熔化的聚 合物与金属的表面紧密的贴在一起,同时推动熔融的聚合物流入金属,因其表面粗糙,结果在金属与聚合物之间产生物理连接 (范德华力)、机械连接(称为锚固效应)或化学连接。以下分别 从不同角度介绍焊接中几个重点技术。 


1、焊接材料 

2007 年,大阪大学的片山圣二(s. katayama)等人首先对以 sus304 不锈钢和非结晶 pa6(聚酰胺 6)为材料,采用 yag 激光 器验证了金属与塑料的激光直连可行性,并第一次提出 lamp (激光辅助的金属与塑料焊接技术)[1],目前已经证明了多种金 属与塑料的焊接是可行的。例如 sus304 不锈钢和 pet(聚对苯 二甲酸乙二醇酯),这二者之间可以产生金属 -cr-o- 聚合物之间 的化学连接,再如镀锌钢片与 pan(聚丙烯腈型)\cfrp(碳纤 维增强塑料),可以产生合金与塑料之间的接合。国内的江苏大学也较早开始了金属与塑料的焊接研究,xiao wang等 [2]采用了 钛与 pet 进行焊接,分析发现形成了 ti-c 化学键,在研究中采 用了较低的焊接功率,并增加了夹紧力。 

不同材料之间的连接效果也不尽相同,就聚合物材料而 言,由于不同聚合材料在接受热量后形成的气泡体积、数量、大 小都有所区别,直接影响了焊接面积和焊接强度,例如 yukio miyashita等人发现 pet和 pc与 sus不锈钢的可焊接范围有 所不同[3],就金属而言,不同的金属对激光的吸收度以及热传导 率不一样,这直接导致了焊接面积大小的不同,并且还影响了金 属焊接的失效加载力,长冈大学的团队就使用了三种不同的金 属,即铜、sus304不锈钢和 a5052合金在同等条件下与 pet进行 激光焊接,实验发现,同等条件下 pet/sus304焊接强度最大[4]。


2、激光器 

在金属与塑料的焊接中,激光器的选择尤为重要,不同激光 器产生的方式、光束和使用的功率范围都不相同,目前采用以下 几种激光器 :


2.1 nd:yag 激光器 

即钇铝石榴石晶体,钇铝石榴石晶体为其激活物质,属固体 激光,可激发脉冲激光或连续式激光,发射之激光为红外线波长 1.064μm,产生的光为单色光。 


2.2 半导体激光器 

半导体激光器又称激光二极管,是用半导体材料作为工作 物质的激光器。常用工作物质有砷化镓(gaas)、硫化镉(cds)、 磷化铟 (inp)、硫化锌 (zns) 等。激励方式有电注入、电子束激励 和光泵浦三种形式。即半导体激光器可实现脉冲和连续两种工 作模式。 

yag激光器具有锥形光束而半导体激光器可以产生线性光 束,从塑料一侧开始照射,均可以实现金属与塑料的焊接,调节yag 激光器的焦距可以改变接合的力度,半导体激光器可以大 大提高接合强度,高功率连续激光束可以产生更深的渗透,江苏 大学采用近红外二极管激光器对钛和 pet 进行焊接,获得了直 径为 900μm的焊接区域 [4]。 


2.3 飞秒激光器 

飞秒激光器是一种超短脉冲激光器,目前,在金属焊接领域 的使用并不广泛。tomokazu sano等人在 2013年采用飞秒激光 器也实现了金属与塑料的焊接,研究还发现脉冲间的距离和线 之间的距离对焊接强度有较大影响 [5]。


3、焊接工艺优化  

在焊接的过程中,很多工艺因素会对焊接强度产生影响。激 光焊接主要依赖的是热量的输入,因此热量对提高焊接强度其 主导作用。主要表现为 :a、焊接时随着功率的增加,拉力会出 现升高的峰,随后在某一点下降,同样的焊接的速度也有类似的 影响 ;b、接合部的比例增加,接合强度也相应增加。上述研究 也证明了,尽管热量的输入占据主导因素,但是并不是输入热量 越大焊接效果就越好,焊接强度曲线存在一个饱和位点。 


此外,激光照射的方式也具有影响,目前广泛采取的是激光 从塑料侧面照射的方式,这能够使得激光束直接照射到组装部 位,瞬间产生很高的热量,改善连接的强度。 


另外,还存在其它影响焊接的因素。2011 年,片山圣二等人 研究发现 :a、激光引起的羽化现象。激光照射金属时会产生羽 化现象,其中高羽会造成浅焊 ;b、激光吸收。当光束越小、能 量越高或者焊接速度越低时,光吸收就会越高,当激光射入时会 出现一种“钥匙孔”结构,根据不同的焊接速率,钥匙孔与熔化 池会有不同的大小,这种大小影响了光的吸收,从而影响焊接效 果 [6]。yukio miyashita 等研究发现,气泡的状态会因施加的力的 大小和频率而改变,施加适度的静态力可以抑制气泡的扩张,有 利于焊接强度的提升 ;施加周期的接触力则会使气泡快速流动, 使得气泡密度降低,其焊接强度相对于静态压力较小 [7],因此, 施加不同作用力对于提高焊接强度又提出一种新的手段。 



4、表面预处理 

大量实验证明,在金属与塑料焊接时,塑料会受热分解或融化,如果金属表面是粗糙的,或者有一定的微结构,则这部分流 动的塑料会进入金属的这些粗糙部位,待迅速冷却后,塑料便会 停留在这些微结构中,产生锚化作用,因此,很多研究者开始针 对金属表面进行处理,希望得到理想的表面微结构,增加焊接的 强度,这些处理包括物理、化学等手段。由于金属表面一般都存 在氧化层,其对金属与塑料的连接可能会造成影响,wahba m[9] 等人采取了焊接前的预处理措施,首先对金属样品 az91d 进行 摩擦去除表面氧化层,再使用丙酮清洗,然后采用激光对金属样 品进行表面处理,通过这样的预处理增强了结合强度,此外,研 究者们还开发了对聚合材料使用紫外 -臭氧 [10] 等方法,不同的 预处理方式造成的孔洞不同,更深的孔洞当然能够更深的锚化。 



5、结语 

针对金属与塑料的激光焊接已经开展了广泛的尝试,今后 可以重点关注应用于航空、生物等领域的重点材料 ;激光器的选择以及焊接工艺的优化还有很大的尝试空间,可以加入集成 式系统的技术以便形成工业化的量产系统 ;表面的处理除了传 统的化学和物理方法之外,通过分子层面的材料表面修饰等也能够给出很好的思路。金属与塑料的激光焊接技术的进一步发 展必定能够在新兴制造领域带来惊喜的效果。(参考文献略)


来源:科学技术




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