CN107962784A - 一种提高金属-塑料连接强度的连接装置及连接方法 - Google Patents

一种提高金属-塑料连接强度的连接装置及连接方法 Download PDF

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    • B29C65/00—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor
    • B29C65/02—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor by heating, with or without pressure
    • B29C65/44—Joining a heated non plastics element to a plastics element
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
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Abstract

本发明涉及一种提高金属‑塑料连接强度的连接装置及连接方法，该连接装置包括数控平台、垂直设置在数控平台上方的激光器、设置在数控平台一侧的热压装置、设置在数控平台旁的氮气吹扫装置、设置在数控平台下方的支架、安装在支架上的绝缘板、安装在绝缘板上的励磁线圈；该连接方法包括预处理、激光灼烧、热压三步，其中激光灼烧时需要在金属件与塑料件的连接处通入氮气，且在金属件的下面开启励磁线圈，控制励磁线圈加热温度为200‑300℃。采用该连接方法将金属件与塑料件进行连接时，金属件与塑料件的连接强度高，气密性好。

Description

一种提高金属-塑料连接强度的连接装置及连接方法
技术领域
本发明属于异种材料连接领域，具体涉及一种提高金属-塑料直接连接强度的连接装置及连接方法。
背景技术
环境可持续发展的要求和能源消耗的逐渐增加对轻量化技术提出了新的、更高的要求，而且随着汽车、船舶、航空航天和电子等行业的快速发展，对产品综合性能的要求越来越高。有关数据显示，普通乘用车的重量每减轻10％，可节省燃油7～8％。因此，单一材料的性能已不能满足技术要求。
塑料-金属异质密封结构可以充分发挥塑料及金属的特性，满足强度、轻量化等个方面的需求，在汽车、船舶、航空航天和电子等行业被广泛应用。
传统的金属-塑料连接技术主要是通过黏结剂进行黏合。但是，大多数黏结剂在高温、强酸、强碱环境下容易脱黏，而且不同黏结剂对基体材料具有一定的选择性，常常伴随着挥发性有机化合物(VOC)的释放，对环境有一定的污染。
中国专利号为201610590686.3，公开了“一种塑料和金属异质结构的连接方法”，该方法包括以下步骤；S1、对待连接的金属部件表面进行激光毛化处理，使金属部件表面产生局部凸起和凹陷，并形成金属氧化物层；S2、对经过激光毛化处理的金属部件和待连接的塑料部件进行热压，使金属部件和塑料部件粘合在一起；S3、使用离焦激光束穿透塑料部件，到达塑料部件和金属部件的界面上，使界面处的塑料部件局部熔化。此连接方法虽然能够通过激光毛化处理增加金属与塑料的机械咬合程度，但由于连接时需要先对金属部件表面进行激光毛化处理，再将塑料与金属进行连接，且没能对工艺参数进行有效的控制，导致金属-塑料之间的气密性和连接强度无法保证。
发明内容
本发明的第一个目的是提供一种提高金属-塑料连接强度的连接装置，以解决现有技术中金属-塑料连接强度不足、黏结强度不高、气密性不好的问题。
为实现上述目的，本发明提供的提高金属-塑料连接强度的连接装置包括：数控平台、垂直设置在数控平台上方的激光器、设置在数控平台一侧的热压装置、设置在数控平台旁的氮气吹扫装置、设置在数控平台下方的支架、安装在支架上的绝缘板、安装在绝缘板上的励磁线圈；其中，所述数控平台用于放置金属件和塑料件，所述塑料件放在金属件的上面；所述激光器搭载于机器人上，通过机器人控制激光器在空间上的移动位置，激光器产生的激光束透过塑料件照射到金属件上，用于对金属件表面进行激光烧灼，使金属件表面形成凹凸不平的纳米或微米级孔洞；所述热压装置用于对激光灼烧后的金属件和塑料件进行热压，使塑料件熔化变软，填充到金属件表面凹凸不平的纳米或微米级孔洞里；所述氮气吹扫装置用于在激光器对金属件进行激光灼烧时向金属件与塑料件连接处吹氮气；所述励磁线圈与金属件保持平行，励磁线圈与励磁线圈控制器连接，励磁线圈控制器控制励磁线圈产生与激光器产生的脉冲激光束频率一致的电磁脉冲。
为方便在数控平台上安装样件(金属件、塑料件)，便于配合机器人对金属件与塑料件的任意位置进行连接；所述数控平台为能够在X方向、Y方向进行任意调整的标准件；此外，为不影响励磁线圈对金属件的加热以及磁场对金属件的影响，所述数控平台的中间位置最好加工成中空的结构。
作为本发明的优选，所述激光器是使用220mm的聚焦透镜聚焦获得激光束，可以为Nd:YAG固体激光器、CO2气体激光器、半导体激光器或碟片激光器中的任意一种。
本发明的第二个目的是提供一种提高金属-塑料连接强度的连接方法，该方法具体包括以下步骤：
一、预处理：对待连接的金属件和塑料件表面做预处理，去除金属件表面的污渍及氧化层，去除塑料件表面的污渍；
二、激光灼烧：将金属件与塑料件叠放在数控平台上，塑料件放在金属件的上面，控制机器人、激光器、氮气吹扫装置和励磁线圈控制器工作；激光器产生的脉冲激光束透过塑料件照射到金属件上，对预处理的金属件表面进行激光烧灼，使金属件表面形成凹凸不平的纳米或微米级孔洞；机器人根据需要连接的试样形状控制激光器改变烧灼的角度；激光灼烧的同时，在金属件与塑料件的连接位置吹入氮气，通过吹氮气增加金属件与塑料件之间连接的键合能力；此外，激光灼烧时还需通过励磁线圈控制器控制励磁线圈工作，使金属件与塑料件的背面产生磁场，同时控制励磁线圈的加热温度为200-300℃；
三、热压：激光灼烧后，迅速将灼烧处理后的金属件和塑料件放置在预热120-180℃的热压装置中，塑料件在热压装置的挤压作用下向金属件方向运动，塑料件吸收金属件表面的热量，熔化变软，填充到金属件表面凹凸不平的纳米或微米级孔洞里，使金属部与塑料件牢固结合。
作为本发明的优选，在步骤二激光灼烧时，需要控制激光器产生的脉冲激光的波长为1.06μm、干伸长量为10-15mm、脉冲波长的作用周期为10～30ms、激光的峰值功率为1～3kW，电流为80～240A，离焦量为-2mm，扫描速度为0.8m/min。
作为本发明的进一步优选，步骤三进行热压时，需控制热压时的压力为30-60MPa，保压时间为8-12分钟。如热压时压力过大或保压时间过长，将会使塑料件的性能发生变化，加速塑料的老化，从而会对金属件与塑料件的连接强度造成一定影响。
本发明激光器在作用的过程中，需要在辅助气体(Ar或Ar+CO2)的作用下进行激光灼烧；此外，由于氮气直接影响金属件与塑料件之间连接的键合能力，所以当金属件与塑料件进行激光灼烧时，需要控制吹入氮气的气体流量为10～25L/min。
本发明的优点和有益效果：
(1)本发明提供的连接装置结构简单、使用方便，采用该装置将金属件与塑料件进行连接，金属-塑料件的连接强度高，气密性好。
(2)本发明突破了传统的金属-塑料连接方法，提供了一种金属-塑料直接连接的新思路，通过将塑料件放置在金属件上面，利用激光器产生的脉冲激光束使待连接的金属件表面烧灼出凹凸不平的孔洞，来增加金属-塑料部件连接时的接触面积，保证金属-塑料连接的气密封，提高金属-塑料件的机械咬合度。
(3)本发明在金属件的背面设置励磁线圈，一是通过励磁线圈在金属-塑料部件背面产生磁场，利用磁场控制金属件激光灼烧时迅速气化产生的大量金属粒子的运动方向，使金属离子的运动变成平行于磁力线方向的螺旋运动，提高金属离子运动的稳定性，使大量金属粒子在励磁线圈的作用下向塑料件方向运动，增加金属件与连接件的连接强度；二是利用励磁线圈工作时产生的热量对金属件进行加热，使金属件灼烧时产生的纳米或者微米级孔洞张开，进一步增加金属件与塑料件的机械咬合度，增加金属件与塑料件的连接强度。
(4)本发明在激光灼烧时在金属件与塑料件连接处进行氮气处理，通过吹氮增加金属-塑料部件之间连接的键合能力；与此同时，通入氮气还能够防止金属部件的氧化，增加金属件与塑料件连接的强度。
(5)本发明所使用的励磁线圈结构简单，采用励磁线圈控制器控制，能够保证励磁电源性能的可靠性，精度较高，功能稳定，成本不高，易于实现。
(6)本发明具有工艺灵活、且能同时实现多种金属与塑料的直接连接，实现金属-塑料部件高强度连接的优点，通过该连接方法能够实现零部件的轻量化，减少装配的数量，使得设计更加简单，应用到汽车上能够起到节能减排的作用，符合轻量化发展的方向。
附图说明
图1为本发明连接装置的结构示意图。
图2为氮气吹扫装置吹氮位置示意图。
附图标记：激光器1、塑料件2、金属件3、数控平台4、热压装置5、氮气吹扫装置6、励磁线圈7、绝缘板8、支架9、励磁线圈控制器10、激光束11。
具体实施方式
为使本领域技术人员能够更好的理解本发明的技术方案及其优点，下面结合附图和具体实施案例对本申请进行详细描述，但并不用于限定本发明的保护范围。
实施例1金属-塑料连接强度的连接装置
参阅图1、图2，本发明提供的提高金属-塑料连接强度的连接装置包括：数控平台4、垂直设置在数控平台上方的激光器1、设置在数控平台一侧的热压装置5、设置在数控平台旁的氮气吹扫装置6、设置在数控平台下方的支架9、安装在支架上的绝缘板8、安装在绝缘板上的励磁线圈7；其中，所述数控平台4用于放置金属件3和塑料件2，所述塑料件2放在金属件3的上面；所述激光器搭载于机器人上，通过机器人控制激光器在空间上的移动位置，激光器1产生的激光束11透过塑料件照射到金属件上，用于对金属件表面进行激光烧灼，使金属件表面形成凹凸不平的纳米或微米级孔洞；所述热压装置5用于对激光灼烧后的金属件和塑料件进行热压，使塑料件熔化变软，填充到金属件表面凹凸不平的纳米或微米级孔洞里；所述氮气吹扫装置6用于在激光器对金属件进行激光灼烧时向金属件3与塑料件2连接处吹氮气，通过吹氮气增加金属件与塑料件之间连接的键合能力；所述励磁线圈7与金属件3保持平行，励磁线圈7与励磁线圈控制器10连接，励磁线圈控制器10控制励磁线圈7产生与激光器产生的脉冲激光束频率一致的电磁脉冲，利用励磁线圈在金属件与塑料件的背面外加磁场，使金属件表面气化产生的金属离子的运动变成平行于磁力线方向的螺旋运动，同时利用励磁线圈工作释放的热能使金属件表面的纳米或者微米级孔洞张开，增加金属件与塑料件的直接连接强度。
所述数控平台4为能够在X方向、Y方向进行任意调整的标准件，所述数控平台的中间位置为中空的结构。
所述激光器是使用220mm的聚焦透镜聚焦获得激光束，可以为Nd:YAG固体激光器、CO2气体激光器、半导体激光器或碟片激光器中的任意一种。
实施例2采用上述装置对金属-塑料进行连接的连接方法
本实例所采用的金属材料为铝合金板，塑料为PP材料；具体按照以下步骤进行连接：
一、预处理：对待连接的金属件和塑料件表面做预处理，使用强酸(HNO3)、强碱(NaOH)溶液去除金属件表面的污渍及氧化层，去除塑料件表面的污渍；
二、激光灼烧：将金属件与塑料件叠放在数控平台上，塑料件放在金属件的上面，控制激光器、机器人、氮气吹扫装置和励磁线圈控制器工作；激光器产生的正弦脉冲激光束透过塑料件照射到金属件上，对预处理的金属件表面进行激光烧灼，使金属件表面形成凹凸不平的纳米或微米级孔洞；机器人根据需要连接的试样形状控制激光器改变烧灼的角度；激光灼烧的同时，在金属件与塑料件的连接位置吹入氮气，控制氮气流量为15～25L/min，通过吹氮气增加金属件与塑料件之间连接的键合能力；此外，激光灼烧时还需通过励磁线圈控制器控制励磁线圈工作，使金属件与塑料件的背面产生磁场，通过磁场控制金属件激光灼烧迅速气化产生的大量的金属粒子向塑料件方向运动，同时控制励磁线圈的加热温度为200-300℃
三、热压：激光灼烧后，迅速将灼烧处理后的金属件和塑料件放置在预热120-180℃的热压装置中，在压力为30-60Mpa下保压10-15分钟，塑料件在热压装置的挤压作用下向金属件方向运动，塑料件吸收金属件表面的热量，熔化变软，填充到金属件表面凹凸不平的纳米或微米级孔洞里，使金属部与塑料件牢固结合。
激光器产生的正弦脉冲激光的波长为1.06μm，干伸长量是12mm。脉冲波长的作用周期为10～30ms，使用220mm的聚焦透镜聚焦获得激光束。激光的峰值功率为1～3kW，离焦量为-2mm，电流为120～240A，扫描速度为0.8m/min。且激光器在作用的过程中，需要在辅助气体(Ar或Ar+CO2)的作用下进行激光灼烧。
实施例3
本实例所采用的金属材料为低碳合金钢，塑料为PPS材料；具体按照以下步骤进行连接：
一、预处理：对待连接的金属件和塑料件表面做预处理，使用强酸(HNO3)、强碱(NaOH)溶液去除金属件表面的污渍及氧化层，去除塑料件表面的污渍；
二、激光灼烧：将金属件与塑料件叠放在数控平台上，塑料件放在金属件的上面，控制激光器、机器人、氮气吹扫装置和励磁线圈控制器工作；激光器产生的矩形脉冲激光束透过塑料件照射到金属件上，对预处理的金属件表面进行激光烧灼，使金属件表面形成凹凸不平的纳米或微米级孔洞；机器人根据需要连接的试样形状控制激光器改变烧灼的角度；激光灼烧的同时，在金属件与塑料件的连接位置吹入氮气，控制氮气流量为15～25L/min，通过吹氮气增加金属件与塑料件之间连接的键合能力；此外，激光灼烧时还需通过励磁线圈控制器控制励磁线圈工作，使金属件与塑料件的背面产生磁场，通过磁场控制金属件激光灼烧迅速气化产生的大量的金属粒子向塑料件方向运动，同时控制励磁线圈的加热温度为200-300℃
三、热压：激光灼烧后，迅速将灼烧处理后的金属件和塑料件放置在预热120-180℃的热压装置中，在压力为30-60Mpa下保压8-12分钟，塑料件在热压装置的挤压作用下向金属件方向运动，塑料件吸收金属件表面的热量，熔化变软，填充到金属件表面凹凸不平的纳米或微米级孔洞里，使金属部与塑料件牢固结合。
激光器产生的矩形脉冲激光的波长为1.06μm，干伸长量是10mm。脉冲波长的作用周期为10～30ms，使用220mm的聚焦透镜聚焦获得激光束，激光的峰值功率为1～3kW，离焦量为-2mm，电流为80～200A，扫描速度为0.8m/min。且激光器在作用的过程中，需要在辅助气体(Ar或Ar+CO2)的作用下进行激光灼烧。
实施例4
本实例所采用的金属材料为铝合金板，塑料为PLA材料；参照实施例2的连接方法进行连接。
实施例5
本实例所采用的金属材料为低碳合金钢，塑料为ABS材料；参照实施例3的连接方法进行连接。
对比例1
本实例所采用的金属材料为铝合金板，塑料为PP材料；将金属材料与塑料进行连接时，除激光灼烧时在金属件与塑料件的连接位置不通氮气外，其余步骤同实施例2。
对比例2
本实例所采用的金属材料为铝合金板，塑料为PP材料；将金属材料与塑料进行连接时，除在步骤二中不使用励磁线圈外，其余步骤同实施例2。
性能检测
按照上述方法分别将金属件与塑料件进行连接，连接时金属件与塑料件的连接位置、连接形状、面积等均相同，然后分别对连接件的性能进行检测。
检测方法：参照GB 1447-2005对拉伸强度进行检测。
检测结果：见表1。
表1金属-塑料连接件拉伸强度表
样品 拉伸强度
实施例2 7642N
实施例3 8715N
实施例4 6873N
实施例5 6330N
对比例1 5315N
对比例2 5167N

Claims (8)

1.一种提高金属-塑料连接强度的连接装置，其特征在于：包括数控平台、垂直设置在数控平台上方的激光器、设置在数控平台一侧的热压装置、设置在数控平台旁的氮气吹扫装置、设置在数控平台下方的支架、安装在支架上的绝缘板、安装在绝缘板上的励磁线圈；其中，所述数控平台用于放置金属件和塑料件，所述塑料件放在金属件的上面；所述激光器搭载于机器人上，通过机器人控制激光器在空间上的移动位置，激光器产生的激光束透过塑料件照射到金属件上，用于对金属件表面进行激光烧灼，使金属件表面形成凹凸不平的纳米或微米级孔洞；所述热压装置用于对激光灼烧后的金属件和塑料件进行热压，使塑料件熔化变软，填充到金属件表面凹凸不平的纳米或微米级孔洞里；所述氮气吹扫装置用于在激光器对金属件进行激光灼烧时向金属件与塑料件连接处吹氮气；所述励磁线圈与金属件保持平行，励磁线圈与励磁线圈控制器连接，励磁线圈控制器控制励磁线圈产生与激光器产生的脉冲激光束频率一致的电磁脉冲。
2.根据权利要求1所述的一种提高金属-塑料连接强度的连接装置，其特征在于：所述数控平台为能够在X方向、Y方向进行任意调整的标准件，数控平台的中间位置加工成中空的结构。
3.根据权利要求1所述的一种提高金属-塑料连接强度的连接装置，其特征在于：所述激光器是使用220 mm的聚焦透镜聚焦获得激光束，为Nd:YAG固体激光器、CO2气体激光器、半导体激光器或碟片激光器中的任意一种。
4.一种提高金属-塑料连接强度的连接方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
一、预处理：对待连接的金属件和塑料件表面做预处理，去除金属件表面的污渍及氧化层，去除塑料件表面的污渍；
二、激光灼烧：将金属件与塑料件叠放在数控平台上，塑料件放在金属件的上面，控制机器人、激光器、氮气吹扫装置和励磁线圈控制器工作；激光器产生的脉冲激光束透过塑料件照射到金属件上，对预处理的金属件表面进行激光烧灼，使金属件表面形成凹凸不平的纳米或微米级孔洞；机器人根据需要连接的试样形状控制激光器改变烧灼的角度；激光灼烧的同时，在金属件与塑料件的连接处吹入氮气；此外，激光灼烧时还需通过励磁线圈控制器控制励磁线圈工作，使金属件与塑料件的背面产生磁场，同时控制励磁线圈的加热温度为200-300℃；
三、热压：激光灼烧后，迅速将灼烧处理后的金属件和塑料件放置在预热120-180℃的热压装置中，塑料件在热压装置的挤压作用下向金属件方向运动，塑料件吸收金属件表面的热量，熔化变软，填充到金属件表面凹凸不平的纳米或微米级孔洞里，使金属部与塑料件牢固结合。
5.根据权利要求4所述的一种提高金属-塑料连接强度的连接方法，其特征在于：在步骤二激光灼烧时，需要控制激光器产生的脉冲激光的波长为1.06 μm、干伸长量为10-15mm、脉冲波长的作用周期为10~30 ms、激光的峰值功率为1~3 kW，电流为80~240 A，离焦量为-2 mm，扫描速度为0.8 m/min；同时控制氮气的气体流量为10~25 L/min。
6.根据权利要求4所述的一种提高金属-塑料连接强度的连接方法，其特征在于：步骤三进行热压时，需控制热压时的压力为30-60 MPa，保压时间为8-12分钟。
7.根据权利要求4所述的一种提高金属-塑料连接强度的连接方法，其特征在于：激光器在作用的过程中，需要在辅助气体的作用下进行激光灼烧。
8.根据权利要求7所述的一种提高金属-塑料连接强度的连接方法，其特征在于：所述辅助气体为Ar或Ar+CO2。
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