CN110103478A - 一种基于超声波辅助的塑料/金属连接成型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于超声波辅助的塑料/金属连接成型方法，在加热模具上对待连接的塑料板材和金属基材进行预热；将所述塑料板材和金属基材待连接的部位重叠到一起，然后对所述重叠部位施加压力，在施加压力的同时对塑料板材进行超声波处理，使金属塑料界面处的塑料熔体渗入所述的金属基材表面的微孔中，自然冷却后，即可完成塑料和金属的连接。塑料在熔融状态下受到压力和超声波的协同作用，通过调控超声振幅、频率和压力，可以使熔体更容易流进金属孔结构中，增加其与金属的结合力，同时超声波还可以起到细化晶粒的作用，从而提高塑料基板与金属基板的结合强度。本发明简化模具的结构，成本低，简化工艺流程，操作比较方便，提高工作效率。
Description
技术领域
本发明属于塑料/金属复合成型加工技术领域，具体涉及一种基于超声波辅助的塑料/金属连接成型方法。
背景技术
异质材料连接是材料领域发展的重要方向。大量使用轻合金和塑料成为汽车轻量化的主要趋势，由此引发的金属和塑料汽车零部件整体设计与加工成为汽车轻量化加工技术增长点。同时，通信迎来5G时代，近距离无线通信、wifi及无线充电技术将成为手机等移动终端产品的标配。由于全金属机壳对无线信号存在屏蔽作用，移动终端金属机壳常采用开环结构设计，塑料成为金属间连接材料的选择，开发新型的塑料/金属连接成型方法成为3C产品的加工技术热点。
传统的塑件与金属零部件连接方法主要是胶结、螺栓联接与铆接三种方式。胶黏剂容易产生挥发性有机化合物（Volatile Organic Compounds，VOC），在很大程度上造成环保问题，加工中容易出现黏胶溢料、固化时间长，胶合易受环境老化影响而失效；螺栓联接与铆接需要联接零件而增重，使用过程易造成联接部位疲劳变形、密封不佳等问题。因此，开发一种“不依赖胶黏剂粘接或机械联接”而直接连接成型的塑料/金属一体化技术，成为当前材料复合加工急需发展的关键技术，不仅有利于实现塑料与金属零部件的异质连接，而且为异质材料产品一体化设计与加工提供了新的发展思路。
塑料/金属焊接作为新型异质连接技术，主要分为搅拌摩擦焊（Friction StirJoining, FSJ）、激光焊接（Laser Assisted Metal and Plastic Joining，LAMPJ）等。激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法。激光焊接可以采用连续或脉冲激光束加以实现，激光焊接的原理可分为热传导型焊接和激光深熔焊接。功率密度小于104～105W/cm2为热传导焊，此时熔深浅、焊接速度慢；功率密度大于105～107W/cm2时，金属表面受热作用下凹成“孔穴”，形成深熔焊，具有焊接速度快、深宽比大的特点。搅拌摩擦焊接是通过搅拌头的快速旋转，使待焊金属发生热塑性变形，在夹具的力的作用下实现异种金属的连接的一种方式。使用这两种焊接方法对异种金属焊接件进行焊接，均存在焊接过程中易产生脆性相的问题，容易导致焊接件发生脆性断裂，严重影响焊接质量。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供了一种基于超声波辅助的塑料/金属连接成型方法，解决现有连接方式存在胶黏剂容易产生挥发性有机化合物，在很大程度上造成环保问题，加工中容易出现黏胶溢料、固化时间长，胶合易受环境老化影响而失效等问题。
解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种基于超声波辅助的塑料/金属连接成型方法，包括如下步骤：
1）在加热模具上对待连接的塑料板材和金属基材进行预热；
2）将所述塑料板材和金属基材待连接的部位重叠到一起，然后对所述重叠部位施加压力，在施加压力的同时对塑料板材进行超声波处理，使金属塑料界面处的塑料熔体渗入所述的金属基材表面的微孔中，自然冷却后，即可完成塑料和金属的连接。
本发明所使用的超声波仅为辅助提供热源作用，目的在于为塑料熔体提供上下振动作用力，可以保证塑料在熔融状态下受到超声波的作用，通过改变超声振幅和频率，可以使熔体更容易流进金属基材的孔结构中，增加其与金属的结合力。
进一步，预热之前先对金属基板进行表面处理，所述表面处理方法为阳极氧化处理或化学刻蚀处理，使其表面形成蜂窝状微纳米孔结构；所述微纳米孔的孔径为1~500nm。
进一步，所述预热温度为高于所述塑料板材的软化点温度0~20℃，预热时间为10~60s。
进一步，所述超声波频率为20~50KHz，超声振幅为10~50μm，超声波处理时间为2~10s。
虽然本发明中施加超声波仅为辅助作用，但是由于施加超声波也会产生很高的热量，对超声时间、频率和振幅进行控制可以避免塑料被过度加热产生裂解现象。
进一步，所述施加压力为0.1~1MPa。
进一步，所述金属基材为铝合金、钛合金、镁合金以及不锈钢中任意一种。
进一步，所述塑料板材为聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、尼龙、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸乙二丁酯、聚苯硫醚或丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物。
进一步，步骤2）中所述塑料板材和金属基材被固定环固定，这样，提升加工精度，既可以保证塑料受到压力的作用，也可以受到超声波的作用，并且可以防止塑料放生翘曲。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
1、本发明方法构思巧妙，设计合理。本发明金属基板的表面进行表面处理后形成了蜂窝状微孔结构，保证塑料在熔融状态下受到压力和超声波的协同作用，通过调控超声振幅、频率和压力，可以使熔体更容易流进金属孔结构中，增加其与金属的结合力；通过超声振动使塑料的熔融层受到高频剪切后，因剪切而变稀，导致熔融层的流动性增大，塑料熔体渗入金属基板表面微纳米孔结构的机率就会增大，同时超声波还可以起到细化晶粒的作用，从而提高塑料基板与金属基板的结合强度。
2、本发明工艺相对较简单，实现了塑料金属异质材料的无缝连接，且利用金属表面的微孔与塑料产生互锁及化学键，形成微观互锁结构，增强了塑料金属的结合力；与传统的胶结（无超声辅助）成型工艺相比，得到的复合件产品性能更稳定，强度至少能够提高2倍，具有良好的工程应用和市场前景。
3、采用本发明方法直接将塑料在金属基板上进行超声波辅助连接，无需在金属基板上面进行塑料的注塑成型，避免制造复杂的注塑成型模具，也不依赖胶黏剂粘接或机械联接，而直接连接成型的塑料/金属一体化技术，实现塑料与金属零部件的异质连接，简化模具的结构，便于制造，有利于降低生产成本，简化工艺流程，操作比较方便，提高工作效率。
说明书附图
图1为本发明基于超声波辅助连接成型方法中实施结构示意图；
图2为实施例1一体成型后的塑料/金属连接复合件的结构示意图；
图3为纯PP以及对比例和实施例制备塑料/金属连接复合件界面处PP的XRD晶型图；
图4为纯PP以及对比例和实施例制备塑料/金属连接复合件界面处PP的DSC升温曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步详细说明。
参见图1和图2，图中，1为压力泵，2为超声波发生器，3为超声振头，4为塑料，5为（表面具有纳米孔洞结构的）金属基板，6为固定环，7为垫板，8为加热模具。
一种基于超声波辅助的塑料/金属连接成型的装置，包括加热模具8，所述加热模具8内设置有用于固定塑料4和金属基板5的固定环6，所述加热模具内还设置有垫板7，所述加热模具8上方设置有可以上下移动的超声振头3，所述超声振头顶部分别连接有超声波发生器2和压力泵1。
以下实施例采用上述基于超声波辅助的塑料/金属连接成型的装置来完成塑料/金属连接。
实施例1 PP/5754铝合金超声辅助连接成型
1）采用恒流法对5754铝合金进行阳极氧化处理，采用10%的磷酸为电解液，设定电压为额定电压500V，水浴锅温度25℃，时间为1800s，电流密度为2 A/dm2，使金属基板的表面形成孔径为150~200nm的孔洞；
2）将经上述处理的5754铝合金和PP塑料板材置于加热模具8内的垫板7上，启动加热槽，加热温度为175℃，预热60s后，然后所述塑料板材和金属基材待连接的部位重叠到一起，然后用固定环6固定；
3）启动压力泵1对所述重叠区域施加0.6MPa压力，压制时间为15s，保压时间为3s；同时，启动超声波发生器2对其进行超声波处理，超声波处理时间为5s，超声波频率为20KHz，超声振幅为20μm；使PP塑料板与5754铝合金界面处的PP塑料熔体渗入所述的5754铝合金基材表面的微孔中，冷却后，即可完成PP/5754铝合金连接成型。
实施例2 PC/5754铝合金超声辅助连接成型
1）采用恒流法对5754铝合金进行阳极氧化处理，采用3%的草酸为电解液，设定电压为额定电压500V，水浴锅温度30℃，时间为900s，电流密度为4.4 A/dm2，使金属基板的表面形成孔径为80-100nm的孔洞；
2）将经上述处理的5754铝合金和PC板材置于加热模具8内的垫板7上，启动加热槽，加热温度为240℃，预热60s后，然后所述塑料板材和金属基材待连接的部位重叠到一起，然后用固定环6固定；
3）启动压力泵1对所述重叠区域施加0.6MPa压力，压制时间为15s，保压时间为3s；同时，启动超声波发生器2对其进行超声波处理，超声波处理时间为2s，超声波频率为20KHz，超声振幅为25μm；使PC与5754铝合金界面处的PC熔体渗入所述的5754铝合金基材表面的微孔中，冷却后，即可完成PC/5754铝合金连接成型。
实施例3 PA66/5754铝合金超声辅助连接成型
1）采用恒流法对5754铝合金进行阳极氧化处理，采用10%的磷酸为电解液，设定电压为额定电压500V，水浴锅温度20℃，时间为1500s，电流密度为8.8 A/dm2，使金属基板的表面形成孔径为100~150nm的孔洞；
2）将经上述处理的5754铝合金和PA66板材置于加热模具8内的垫板7上，启动加热槽，加热温度为230℃，预热60s后，然后所述5754铝合金和PA66板材待连接的部位重叠到一起，然后用固定环6固定；
3）启动压力泵1对所述重叠区域施加0.7MPa压力，压制时间为15s，保压时间为3s；同时，启动超声波发生器2对其进行超声波处理，超声波处理时间为4s，超声波频率为20KHz，超声振幅为30μm；使PA66板材与5754铝合金界面处的PA66熔体渗入所述的5754铝合金基材表面的微孔中，冷却后，即可完成PA66/5754铝合金连接成型。
实施例4 PA66/镁合金超声辅助连接成型
1）采用恒流法对镁合金进行阳极氧化处理，采用10%的磷酸为电解液，设定电压为额定电压500V，水浴锅温度20℃，时间为1500s，电流密度为8.8 A/dm2，使金属基板的表面形成孔径为100~150nm的孔洞；
2）将经上述处理的镁合金和PA66板材置于加热模具8内的垫板7上，启动加热槽，加热温度为230℃，预热60s后，然后所述镁合金和PA66板材待连接的部位重叠到一起，然后用固定环6固定；
3）启动压力泵1对所述重叠区域施加0.7MPa压力，压制时间为15s，保压时间为3s；同时，启动超声波发生器2对其进行超声波处理，超声波处理时间为4s，超声波频率为20KHz，超声振幅为30μm；使PA66板材与镁合金界面处的PA66熔体渗入所述的镁合金基材表面的微孔中，冷却后，即可完成PA66/镁合金连接成型。
对比例1
与实施例1不同的是在成型过程中未施加超声波处理。
对比例2
与实施例2不同的是在成型过程中未施加超声波处理。
对比例3
与实施例3不同的是在成型过程中未施加超声波处理。
1、将实施例1~3和对比例1~3制备的塑料/金属连接成型复合件进行拉伸强度测试，结果如表1所示。
表1
| 实施例/参数 | 平均结合强度MPa | 平均拉伸强度MPa |
| 实施例1 | 21 | 22 |
| 实施例2 | 15 | 20 |
| 实施例3 | 22.5 | 23 |
| 实施例4 | 20 | 23 |
| 对比例1 | 10 | 9 |
| 对比例2 | 6 | 5 |
| 对比例3 | 7 | 8 |
由表1可以看出，未经超声波辅助处理的得到的塑料（PP、PC、PA66）/金属连接复合件平均结合强度均小于10MPa，无法满足产品结构设计的力学要求的，而本发明制备的塑料（PP、PC、PA66）/金属连接复合件的平均结合强度达到15Mpa以上，完全能符合产品结构设计的力学要求，其中PP/铝合金、PA66/铝合金连接复合件表面的平均结合力学强度均超过了20MPa，与传统方法相比，至少提高了2倍，说明在成型过程中施加超声波能够提高塑料与金属的结合强度。
2、将纯PP以及对比例和实施例制备塑料/金属连接复合件界面处PP进行X射线衍射分析，结果如图3所述。
从图中可以看出，纯PP和未超声成型的PP/5754铝合金材料界面处PP的晶型相同，均为α晶体（2θ°=14°、17°、18.6°）；在超声辅助成型的PP/5754铝合金材料界面处PP中发现了β晶体（2θ°=16.2°、21.2°）。
3、将纯PP以及对比例和实施例制备塑料/金属连接复合件界面处PP进行示差扫描量热法（DSC）分析，结果如图4所示。
从图中可以看出，纯PP和未超声成型的PP/5754铝合金材料界面处PP的DSC曲线只有一个熔融峰，进一步表明纯PP和未施加超声波成型的PP中仅有一种晶体结构，即α晶体；而在超声辅助成型的PP/5754铝合金材料界面处PP的DSC曲线中出现了2个熔融峰，这表明施加超声波成型的PP中出现了两种晶型，即α和β晶体。
综上，这样，通过超声振动使塑料的熔融层受到高频剪切后，因剪切而变稀，导致熔融层的流动性增大，塑料熔体渗入金属基板表面微纳米孔结构的机率就会增大，同时超声波还可以起到细化晶粒的作用，从而提高塑料基板与金属基板的结合强度。本发明在施加超声波后不仅能提高塑料与金属的粘结作用使金属与塑料连接更加紧密，而且能够改变塑料的性质，如晶型，流变性能，细化晶粒等，使塑料/金属连接复合件不仅具有强度高、无胶黏剂（不产生VOC），还具有多功能性。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管申请人参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围的，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (8)
1.一种基于超声波辅助的塑料/金属连接成型方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）在加热模具上对待连接的塑料板材和金属基材进行预热；
2）将所述塑料板材和金属基材待连接的部位重叠到一起，然后对所述重叠部位施加压力，在施加压力的同时对塑料板材进行超声波处理，使金属塑料界面处的塑料熔体渗入所述的金属基材表面的微孔中，自然冷却后，即可完成塑料和金属的连接。
2.根据权利要求1所述基于超声波辅助的塑料/金属连接成型方法，其特征在于，预热之前先对金属基板进行表面处理，所述表面处理方法为阳极氧化处理或化学刻蚀处理，使其表面形成蜂窝状微纳米孔结构；所述微纳米孔的孔径为1~500nm。
3.根据权利要求1所述基于超声波辅助的塑料/金属连接成型方法，其特征在于，所述预热温度为高于所述塑料板材的软化点温度0~20℃，预热时间为10~60s。
4.根据权利要求1所述基于超声波辅助的塑料/金属连接成型方法，其特征在于，所述超声波频率为20~50KHz，超声振幅为10~50μm，超声波处理时间为2~10s。
5.根据权利要求1所述基于超声波辅助的塑料/金属连接成型方法，其特征在于，所述施加压力为0.1~1MPa。
6.根据权利要求1所述基于超声波辅助的塑料/金属连接成型方法，其特征在于，所述金属基材为铝合金、钛合金、镁合金以及不锈钢中任意一种。
7.根据权利要求1所述基于超声波辅助的塑料/金属连接成型方法，其特征在于，所述塑料板材为聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、尼龙、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸乙二丁酯、聚苯硫醚或丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物。
8.根据权利要求1所述基于超声波辅助的塑料/金属连接成型方法，其特征在于，步骤2）中所述塑料板材和金属基材被固定环固定。
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