一种金属与碳纤维增强复合材料激光焊接强化方法技术

一种金属与碳纤维增强复合材料激光焊接强化方法，包括提供金属与表层含有单向碳纤维的碳纤维增强热塑性复合材料；在金属表面制备至少包含单向微槽的微纳结构；将金属及CFRP进行搭接形成搭接结构；提供一激光束，使其光斑整体辐照金属表面，对所述搭接结构进行激光焊接。本发明专利技术焊接过程中界面处的碳纤维能够随树脂嵌入金属单向微槽中，形成碳纤维增强的机械锚固结构，理论最高强度与CFRP母材一致，依据接头主承载力的方向设计金属微槽与CFRP表层纤维的取向及搭接方式，使得接头中的机械锚固结构垂直于负载方向，剪切应力充分分布在机械锚固结构上，阻碍接头破坏的作用，接头强度提升效果显著。升效果显著。升效果显著。

【技术实现步骤摘要】
一种金属与碳纤维增强复合材料激光焊接强化方法


[0001]本专利技术属于异种材料焊接领域，具体涉及一种金属与碳纤维增强复合材料激光焊接强化方法，应用于金属与碳纤维增强型热塑性树脂基复合材料之间的搭接。

技术介绍

[0002]碳纤维增强热塑性树脂基复合材料(有时称为CFRP)具有高比强度、高韧性等优异性能，是重要的新型轻量化材料，已在汽车、飞机、航天器、建筑、工业设备等领域的先进制造逐渐实现广泛的应用。在结构件的某些部位中使用CFRP替代传统材料能够使结构在保持较高性能的同时降低结构的质量，减少能源消耗和成本。但由于CFRP在承受复杂、巨大、多变载荷时易发生刚度降低及其自身的高昂成本问题，目前仍采用与金属材料结合构成多材料结构的方式。随之而来的是如何实现CFRP和金属材料之间高强连接的新问题。
[0003]激光焊接具有工艺简单、效率高、非破坏性等优势。但由于金属与CFRP之间的热胀系数差异较大，接头界面分布着严重的残余应力，造成激光焊接金属/CFRP接头强度较低。现有强化金属/CFRP接头连接的方法主要是通过对金属表面进行预处理得到凹凸不平的微观结构，并在焊接过程中对接头施加压力，使得接头界面附近的CFRP熔融树脂渗入金属侧的微结构中，形成机械锚固结构，进而提高接头强度。但上述方法仍然存在局限性。例如，熔融树脂的量可能不足以完全填充金属表面的微观结构，造成微结构内部存在孔隙，这些孔隙不仅降低了实际的界面结合面积，还将引起应力集中。通过在连接界面添加树脂夹层能够有效增加界面处树脂的量，有利于促进树脂填满金属表面微结构从而抑制孔隙的形成，但接头强度仍然受到CFRP树脂基体强度的限制，因为在接头负载情况下，渗入到金属表面微结构中的树脂作为应力集中点，也是接头最薄弱的部分，接头容易在此处断裂。因此，需要一种能够突破这种限制的方法，有效提高金属/CFRP的连接强度。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中存在的上述问题，本专利技术提供了一种金属/CFRP激光焊接强化方法。该方法通过在金属表面制备与CFRP表层碳纤维取向一致的微槽结构，实现焊接过程中CFRP碳纤维随熔融树脂嵌入微槽结构中形成碳纤维增强的机械锚固结构，大幅提高金属/CFRP连接强度，具有良好的应用前景。
[0005]为此，本专利技术采用了以下技术方案：
[0006]一种基于碳纤维的金属/CFRP激光连接强化方法，包括以下步骤：
[0007]步骤一：提供一种金属与表层含有单向碳纤维的CFRP；
[0008]步骤二：在金属表面制备至少包含单向微槽的微纳结构；
[0009]步骤三：按照所述单向微槽取向与CFRP表层纤维取向一致的原则将金属及CFRP进行搭接形成搭接结构，其中带有表面结构的金属一侧与CFRP接触；
[0010]步骤四：提供一激光束，使其光斑整体辐照金属表面，对所述搭接结构进行激光焊接，其中所述激光束在金属表面的辐照功率密度不超过50W/mm2。
[0011]进一步地，所述金属为不锈钢、高强钢、铝合金、镁合金或钛合金等，金属材料厚度1mm～3mm；
[0012]进一步地，所述CFRP采用两种取向相互垂直的单向纤维的预浸料热压成型，表层含有单向碳纤维，树脂基体为聚醚醚酮、尼龙、环氧热塑性树脂等热塑性树脂，碳纤维面密度50～500g/mm2，CFRP表层树脂厚度低于10μm，碳纤维直径小于8μm，CFRP总厚度1mm～3mm；
[0013]进一步地，所述金属表面微纳结构包含单向微槽结构，单向微槽结构间距为0.05mm～0.5mm，微槽开口处宽度25μm～250μm，深度20μm～200μm，微槽结构截面轮廓为近V形、矩形或倒梯形等；
[0014]进一步地，所述金属表面结构除单向微槽外，还包括在单向微槽上添加纳米结构、其他阵列或不规则图案等构成的金属表面结构。
[0015]进一步地，所述金属表面微纳结构是通过包括通过激光刻蚀、机加工、化学腐蚀等其中一种或多种方法来制备；
[0016]进一步地，所述激光刻蚀方法采用的激光器为短脉冲激光器，包括纳秒、皮秒及飞秒激光器，所述激光功率为0～100W，重复频率0.1kHz～5000kHz；
[0017]进一步地，所述搭接过程中包含通过夹具对搭接区域施加不小于0.2MPa的压力保证搭接结构接触界面紧密接触；
[0018]进一步地，所述激光热导焊接过程中，激光束光斑功率密度10W/mm2～50W/mm2，激光功率为300W～1000W，扫描速度为0.3m/min～2m/min，激光束在工件表面形成的光斑直径为0.8mm。
[0019]相对于现有技术，本专利技术具有以下优点：
[0020]现有技术中的机械锚固结构仅由树脂基体构成，强度低于CFRP母材，接头容易从机械锚固结构处断裂。本专利技术中CFRP的选型与金属表面微槽结构设计相匹配，CFRP采用包含两种取向相互垂直的单向纤维的预浸料热压成型，搭接过程中保证CFRP表层纤维与金属表面单向微槽取向一致，且CFRP表面树脂层厚度小于设计的单向微槽深度、纤维直径小于设计的单向微槽宽度，因此焊接过程中界面处的碳纤维能够随树脂嵌入金属单向微槽中，形成碳纤维增强的机械锚固结构，该结构的理论最高强度与CFRP母材一致。更进一步，依据接头主承载力的方向设计金属微槽与CFRP表层纤维的取向及搭接方式，使得接头中的机械锚固结构垂直于负载方向，因此剪切应力充分分布在机械锚固结构上，充分发挥其阻碍接头破坏的作用。
附图说明
[0021]图1为本专利技术步骤；
[0022]图2为金属表面结构制备及激光热导焊接过程示意图；
[0023]图3为包含单向微槽的金属表面结构特征示例示意图；
[0024]图4为金属单向微槽轮廓示意图；
[0025]图5为金属表面近V形微槽结构的光学显微图像及3D形貌图；
[0026]图6为在金属/CFRP接头横截面处观测的光学显微图像，发现界面处存在由树脂基体、碳纤维和金属表面微槽构成的机械锚固结构。
[0027]附图标记：
[0028]1‑
金属；2
‑
短脉冲激光头；3
‑
短脉冲激光束；4
‑
金属表面微纳结构；5
‑
CFRP；6
‑
CFRP局部切块；7
‑
与金属单向微槽取向相同的碳纤维；8
‑
与金属单向微槽取向垂直的碳纤维；9
‑
CFRP树脂；10
‑
焊接激光头；11
‑
焊接激光束；12
‑
金属/CFRP结合界面；13
‑
金属单向微槽；s
‑
金属单向微槽间距；w
‑
金属单向微槽开口处宽度；d
‑
金属单向微槽深度
具体实施方式
[0029]下面结合附图以及具体实施例来详细说明本专利技术，其中具体实施例以及说明仅用来解释本专利技术，但并不本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种金属与碳纤维增强复合材料激光焊接强化方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：提供表层含有单向碳纤维的CFRP和金属；步骤二：在所述金属表面制备至少包含单向微槽的微纳结构；步骤三：将金属与CFRP搭接形成搭接结构，使金属表面具有微纳结构的一侧与CFRP的树脂层接触，并确保金属表面的单向微槽与CFRP表层碳纤维(7)取向一致；步骤四：提供一激光束，使其光斑辐照所述金属表面，对所述搭接结构进行激光焊接，且所述激光束的辐照功率密度不超过50W/mm2。2.根据权利要求1所述的金属与碳纤维增强复合材料激光焊接强化方法，其特征在于，所述金属为不锈钢、高强钢、铝合金、镁合金或钛合金，金属的厚度1mm～3mm。3.根据权利要求1所述的金属与碳纤维增强复合材料激光焊接强化方法，其特征在于，所述CFRP采用两种取向相互垂直的单向纤维的预浸料热压成型，树脂基体为聚醚醚酮、尼龙、环氧热塑性树脂，所述碳纤维面密度为50～500g/mm2，树脂层的厚度低于10μm，碳纤维的直径小于8μm，CFRP的总厚度为1mm～3mm。4.根据权利要求1所述的金属与碳纤维增强复合材料激光焊接强化方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈佳雨，杨上陆，白瑾瑜，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：