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制造方法及图纸

本发明专利技术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。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，本发明专利技术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。于消除界面空隙。于消除界面空隙。

【技术实现步骤摘要】
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


[0001]本专利技术涉及金属和非金属复合材料激光连接
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]然而，专利技术人研究发现，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。
[0005]此外，专利技术人还发现，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。

技术实现思路

[0006]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，本专利技术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。
[0007]具体地，本专利技术是通过如下所述的技术方案实现的：
[0008]本专利技术第一方面，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；
[0009]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。
[0010]本专利技术第二方面，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：
[0011]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；
[0012]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；
[0013]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；
[0014]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。
[0015]本专利技术第三方面，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。
[0016]本专利技术第四方面，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。
[0017]上述一个或多个技术方案具有以下有益效果：
[0018]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。
[0019]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。
[0020]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
[0021]构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。以下，结合附图来详细说明本专利技术的实施方案，其中：
[0022]图1为本专利技术实施例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；
[0023]图2为本专利技术实施例1激光加工金属表面形成微织构的典型形貌图；
[0024]图3为本专利技术实施例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；
[0025]图4为焊接过程中，本专利技术实施例2随焊加压对原始常规工艺下空隙缺陷的消除原理；
[0026]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
[0027]下面结合具体实施例，进一步阐述本专利技术。应理解，这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。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。
[0028]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。
[0029]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专利技术和简化描述，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专利技术的限制。
[0030]专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种金属和热塑性复合材料激光压焊装置，其特征在于，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；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。2.根据权利要求1所述金属和热塑性复合材料激光压焊装置，其特征在于，所述夹具为两个，位于通槽两侧。3.根据权利要求1所述金属和热塑性复合材料激光压焊装置，其特征在于，所述顶杆通过气动加压装置为球形压头提供压力；优选地，所述压力可调节范围为200
‑
2000N。4.根据权利要求1所述金属和热塑性复合材料激光压焊装置，其特征在于，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。5.根据权利要求4所述金属和热塑性复合材料激光压焊装置，其特征在于，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；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；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。6.根据权利要求4所述金属和热塑性复合材料激光压焊装置，其特征在于，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。7.使用权利要求1至6中任一项所...

【专利技术属性】
技术研发人员：耿培皓，马宏，秦国梁，王鸣翔，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：