CN105583525B - 一种用于聚合物/金属混合结构中界面微结构加工新方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金属材料界面微结构加工新方法，尤其涉及一种用于聚合物/金属混合结构中界面微结构加工新方法，使用窄脉冲激光束的激光表面处理技术，更特别适用于高强钢、铝等金属表面形成精细周期性微结构。主要步骤为：1)将金属材料待加工表面进行预处理；2)在预处理的待加工表面上进行微造型，加工出精细周期性微结构；3)关闭脉冲激光束，激光作用停止后，冷却。本发明可在不改变金属表面韧性的情况下，形成精细周期结构的激光表面处理方法，极大提高了其表面粗糙度的规律性，增强了聚合物‑混合结构的界面粘接性能以及使用寿命，整个过程无污染，方法简单，易操作。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属表面处理方法，尤其涉及一种用于聚合物/金属混合结构中界面微结构加工新方法，使用窄脉冲激光束的激光表面处理技术，更特别适用于高强钢、铝等金属表面形成精细周期性微结构，属于汽车轻量化新材料领域。
背景技术
在传统汽车工业中，聚合物和金属分别单独使用。随着节能减排和轻量化要求，将高强度金属与低重量聚合物混合使用的聚合物-金属混合结构得到发展。但两者之间的界面性能是保证混合结构正常服役的关键，其中，形成界面的微机械锁合是提高界面强度的有效方法之一。但目前对金属表面采用的各种物理(如：磨砂，去脂，喷丸法等)和化学(如：酸洗，涂有机硅烷法等)方法，一般只能去除金属表面的杂质、一定程度提高界面有效粘接面积，尚无法形成有序的界面微观结构。有序的界面微观结构对于有效提高和控制混合结构的表面能，延长使用寿命，具有重要意义。因此，设计一种界面微结构加工新方法是本发明的目的。
发明内容
1、发明目的：
本发明的目的是为克服现有技术的不足,提供一种用于高强钢、铝等常用粘接金属材料，在不改变金属表面韧性的情况下，形成精细周期结构的激光表面处理方法，极大提高了其表面粗糙度的规律性，增强了聚合物-混合结构的界面性能，整个过程无污染，方法简单，易操作。
2、技术方案：
本发明可通过本技术方案实现。利用高能激光可实现去除材料的特性以及激光与被加工件表面角度的可调整性，发明一种用于聚合物-金属混合结构的新型激光金属界面处理方法工作系统，见附图。装置主要包括控制系统，气体供给系统，循环水冷系统，运动系统，激光器，光路系统、工件以及支撑台。他们之间的位置关系是，控制系统分别与循环水冷系统、运动系统、气体供给系统相接，分别对激光器进行控制，光路系统是上述系统的末端，实现可调激光的输出。
所述控制系统为购买件，型号为32位STM32F205RF微处理器，片内RAM为128KB，片内ROM为512KB，通过编程可以实现信号处理与控制。主要实现对激光器的运动控制，通过控制气体供给系统将金属熔融物以及气化物吹走，控制水冷系统实现对激光器的冷却。
所述激光器为购买件(P秒激光器)。使用Rofin公司的皮秒激光器StarpicoV.2.0。激光中心波长1064nm，重复频率30MHz。实现激光的输出。
所述气体供给系统为购买件。包括单向电磁阀以及氮气瓶构成。所述单向电磁阀型号为QZS，工作压力0-25kgf/cm2。主要功能是输出氮气将金属熔融物及气化物吹出。
所述循环水冷系统包括压缩机、制冷器，主要实现对激光器的冷却。所述水冷系统型号为LS-8。
所述运动系统，主要包括导轨，激光运动控制器。所述导轨为购买件，型号为Y110TA，分辨率1μm；所述激光运动控制器为购买件，型号为GE-300-SX-LASER，16路通用数字输入和16路通用数字输出，通过编程和信号输出实现对激光器的控制。
所述光路系统，主要包括镀有99％的介质膜的高反反射镜，高速振镜，型号为SCANcube-10-1064nm，聚焦镜等均为购买件，通过光路系统可实现对空间光路的传输和聚焦。
所述工件为待加工件。材料可为钢、铝等车用聚合物粘接金属材料。
所述固定台为自制件，材料为普通钢材，实现对工件的固定。
其具体步骤为：
1)将金属材料待加工表面进行打磨、抛光、清洗和干燥预处理；
2)将激光器设置为与工件水平面夹角60°(如图3中9所示),光斑直径10μm,将脉冲激光束聚焦照射到待加工金属的表面形成微小结构形状；
3)用辅助气体从侧边吹向金属表面的微小结构，将结构中已融化的金属吹到边缘；
4)这样形成待加工表面精细周期性微结构的一个表面,所述微结构为燕尾槽式结构,如图3所示。采用同样方法，形成一个完整的微结构。按照不同的进给速度方向及脉冲方式，通过运动机构和间歇加工的协调控制，实现多微结构的加工，进而完成精细周期性微结构，获得加工后的金属表面，完成制备。
5)关闭脉冲激光束，激光作用停止后，冷却；
3、本发明“一种用于聚合物/金属混合结构中界面微结构加工新方法”，其优点如下：
1)极大程度上提高了用于金属/混合结构界面有效粘接面积以及表面能量，延长了混合结构的寿命。加工过程中，减轻材料表面的残余应力局部集中，增强的材料的抗破坏能力。
2)表面微观精细结构形状可控，方向性灵活，适用于各种表面形状；
3)加工周期短，易与汽车装配生产线其他工位配合，无公差和定位要求。
本发明另外关注的是提供一种具有通过如上所述的激光表面处理形成的其他精细周期结构(如图4所示)。本发明的该微构件增加了金属与聚合物在粘接过程中，熔融聚合物在金属表面的流动性和渗透的均匀性，提高了混合结构的界面力学性能。
附图说明
为了更能清晰表达本发明的技术方案，下面将具体实施方式中用的实例以附图形式进行简单介绍。下面描述的附图仅是一些实例，本发明可在普通工程技术人员不付出创造性劳动的前提下，就可根据该附图得到其他附图。
图1为本发明实例提供的工作系统示意图；
图2为提供的一种加工表面示意图
图3为一种加工几何形状示意图
图4为一种另一种精细周期性微结构示意图
图5为一种另一种加工表面示意图
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
本发明中的金属表面处理方法是通过激光加工实现的，并且通过调整激光束与金属表面的角度实现对精细微观周期性结构的成型。首先将金属材料待加工表面进行预处理，并在处理好的待加工表面上进行微造型，加工出规律分布的燕尾槽，获得经过处理后的金属表面。采用本发明制得的金属表面精细微结构分布均匀，不但能够有效提高熔融树脂在金属表面上的流动性，显著提高混合结构界面的粘接性能，延长了其使用寿命。
实施例1：
步骤1：将高强钢或铝等待加工金属表面进行清洗、去脂、打磨、抛光和干燥预处理；
步骤2：采用激光器，调整激光束11与工作表面2的夹角9，并聚焦照射工作表面2，形成具有斜面10的微小结构形状。按照进给速度b移动33μm，关闭激光束11，然后调整激光束至位置12，同理得到具有斜面13的微小结构形状。获得一个精细微结构8。所述工作面夹角9为60°。所述微小结构深度15为30μm。所述激光器为P秒激光器，所述激光器的输出波长为1064nm，所述激光器脉冲激光束的峰值功率为15W～50W,能量密度为1.9×107W/cm2～6.4×107W/cm2。
所述精细微结构形状长度3为30μm，宽度17与激光束光斑直径相同，深度14为30μm，底面长度15为66μm，所述激光束直径为10μm。
步骤3：依据步骤2，按照进给速度沿待加工金属宽度方向4和长度方向1形成周期性的精细微观结构。相邻两微观结构间距7为精细结构底面长度15的两倍。
步骤4：关闭脉冲激光束，冷却，完成制备。
实施例2：
类似的，采用激光器，调整激光束23与工作表面2的夹角19，并聚焦照射工作表面2，形成具有斜面21的微小结构形状。关闭激光束23，移动10μm，然后继续聚焦照射形成槽25，然后调整激光束至位置24，同理得到具有斜面26的微小结构形状和槽27。除此之外，与实例1相同。
实施例3：
在实施例3中，只需将微结构8在金属表面宽度方向6上贯通即可。除此之外，与实施例1相同。
本发明按照设想实施特例进行了说明，但不局限于上述实例，凡是符合本发明的思路，采用相似结构及材料替换的方法所获得的技术方案，都属于本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种用于聚合物/金属混合结构中界面微结构加工新方法，包括如下步骤：
1)将金属材料待加工表面进行打磨、抛光、清洗和干燥预处理；
2)将激光器设置为与工件水平面夹角60°度，光斑直径10μm,将脉冲激光束聚焦照射到待加工金属的表面形成微小熔池；
3)用辅助气体从侧边吹向金属表面的熔池，将熔池中已融化的金属吹到熔池的边缘；
4)这样形成待加工表面精细周期性微结构的一个表面,所述微结构为燕尾槽式结构,采用同样方法，形成一个完整的微结构，按照不同的进给速度方向及脉冲方式，并保持相邻微观结构距离与光斑直径比为1：2，实现多微结构的加工，进而完成精细周期性微结构，获得加工后的金属表面，完成制备；
5)关闭脉冲激光束，激光作用停止后，冷却。
2.根据权利要求1所述的聚合物/金属混合结构中界面微结构加工新方法，其中激光器为气体激光器，光纤激光器或固体激光器。
3.根据权利要求1所述的聚合物/金属混合结构中界面微结构加工新方法，其中激光器的输出波长为1064nm。
4.根据权利要求1所述的聚合物/金属混合结构中界面微结构加工新方法，其中激光器的能量密度为1.9×107W/cm2～6.4×107W/cm2。
5.根据权利要求1所述的聚合物/金属混合结构中界面微结构加工新方法，其中辅助气体为氮气。
6.根据权利要求1所述的聚合物/金属混合结构中界面微结构加工新方法，其中精细微结构为燕尾槽形，上边长30μm，下边长66μm，深30μm，宽10μm。
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