CN111216369A - 一种提高金属与塑料连接强度的连接装置与连接方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种提高金属与塑料连接强度的连接装置与连接方法，其中，提高金属与塑料连接强度的连接装置，包括光纤光纤激光器和移动平台；所述移动平台上安装有用于加持金属工件和/或透明塑料工件的夹具，所述夹具上设有用于金属工件加工的加工孔；所述移动平台可向前、向后、向左、向右移动，且可进行左右俯仰运动和前后俯仰运动；所述光纤激光器安装在夹具的上方，且其发出的激光束的位置与加工孔所在位置相对应。本发明所述的提高金属与塑料连接强度的连接装置，用于金属工件与塑料工件的连接，可以提高金属与塑料之间激光相连的连接强度以及安全性、高效性。

Description

一种提高金属与塑料连接强度的连接装置与连接方法

技术领域

本发明属于异种材料连接领域，尤其是涉及一种提高金属与塑料连接强度的连接装置与连接方法。

背景技术

随着汽车轻量化的进一步发展，多材料混用成为了必然趋势，通过塑料与金属的复合使结构兼有轻质以及高强度的特性，在汽车行业、包装行业、电子器件等技术领域中将得到广泛的应用。

现有技术中，常见的异质材料连接技术主要有机械连接、熔钎焊、固相焊、胶接。但是这些技术目前多用于异种金属之间的连接，对于金属与塑料的连接仍存在连接强度、应力裂纹等问题。现在采用激光加工的方法得到了相关专业人士的重视，专利CN 107433389A中提及了一种金属与塑料的连接装置和方法，先用垂直的激光束在金属表面加工出空槽，然后将塑料放在其上，将其融化于金属上的空槽中，冷却后实现连接，这种方法可以一定程度上克服上述技术的缺点，但是其连接强度仍可以进一步提高，基于此，本专利提出了一种提高金属与塑料连接强度的连接装置与连接方法。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种提高金属与塑料连接强度的连接装置，以解决金属与塑料异种不相容材料的连接问题，提高金属与塑料之间激光相连的连接强度以及安全性、高效性。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种提高金属与塑料连接强度的连接装置，包括光纤光纤激光器和移动平台；

所述移动平台上安装有用于加持金属工件和/或透明塑料工件的夹具，所述夹具上设有用于金属工件加工的加工孔；所述移动平台可向前、向后、向左、向右移动，且可进行左右俯仰运动和前后俯仰运动；

所述光纤激光器安装在夹具的上方，且其发出的激光束的位置与加工孔所在位置相对应。

进一步的，所述移动平台后侧连接可使其向前、向后移动的A电机，移动平台左侧连接可使其向左、向右移动的C电机，移动平台右侧连接可使其进行左右俯仰运动的D电机，移动平台前侧连接可使其进行前后俯仰运动的B电机。

进一步的，所述提高金属与塑料连接强度的连接装置，还包括控制单元；所述控制单元电连接光纤激光器、A电机、B电机、C电机和D电机。

进一步的，所述控制单元为计算机控制系统；A电机、B电机、C电机和D电机均为步进电机。

进一步的，所述夹具包括平行且上下设置的两块平板；两块平板四角通过螺栓连接，位于上面的平板中间开有一正方形的通孔，且通孔沿正方形的两个对角线一体成型有长方形的连接板；两个连接板将通孔所划分成的区域构成4个加工孔，每个加工孔为一个工作位置。

进一步的，位于后侧的加工孔为工作位置一，位于前侧的加工孔为工作位置二，位于左侧的加工孔为工作位置三，位于右侧的加工孔为工作位置四。

本发明的另一个目的在于，提出一种使用提高金属与塑料连接强度的连接装置的连接方法，以利用上述连接装置实现金属工件与透明塑料工件的连接。

一种使用如上所述的提高金属与塑料连接强度的连接装置的连接方法，包括将金属工件通过夹具加持，并将移动平台倾斜，通过光纤激光器发出的激光束对加工孔处金属工件表面进行加工，在金属工件表面形成倾斜的凹陷结构的步骤。

优选的，移动平台倾斜的角度为45°。

优选的，所述使用提高金属与塑料连接强度的连接装置的连接方法，包括以下步骤：

(1)将待加工的透明塑料工件和金属工件进行表面处理，保证表面干燥平整无杂质即可；

(2)将金属工件通过夹具固定在移动平台上，使光纤激光器的激光束与工作孔所对应的金属工件表面位置相对应；

(3)调节移动平台的位置，通过光纤激光器发出的激光束对加工孔处金属工件表面进行加工，在金属工件表面形成倾斜的凹陷结构；

(4)将移动平台恢复原来位置，将透明塑料工件和金属工件自上而下放置并通过所述夹具夹紧固定于移动平台，光纤激光器向透明塑料工件发射激光束，并沿着加工孔的加工路径进行移动；

(5)所述透明塑料工件朝向所述金属工件一面发生熔融状态并镶嵌入所述凹陷结构内，待冷却后，透明塑料工件4与金属工件5连接成一体结构；

优选的，步骤(3)和步骤(4)中，光纤激光器的工作参数为：激光功率50-500W、激光脉冲频率15Hz-22Hz；

优选的，步骤(3)和步骤(4)中，控制单元控制光纤激光器向所述透明塑料工件或/和金属工件发射激光束；

优选的，步骤(3)和步骤(4)中，光纤激光器进行激光加工时使用氩气保护。

优选的，步骤(3)中，在金属工件表面形成倾斜的凹陷结构的方法包括以下步骤：

1)将处于原始来位置的移动平台顺时针旋转目标角度至工作位置一，对金属工件表面进行激光加工，加工出左侧的第一个凹陷结构，断开光纤激光器，之后将移动平台前后移动，重复操作依次加工出工件右侧的其余凹陷结构；

2)将移动平台恢复至原来位置，向左移动一定距离后，逆时针旋转目标角度至工作位置二，对金属工件表面进行激光加工，加工出右侧的第一个凹陷结构，断开光纤激光器，之后将平台前后移动，重复操作依次加工出工件右侧的其余凹陷结构；

3)将移动平台恢复原来位置，向前移动一定距离后，逆时针旋转目标角度至工作位置三，对金属工件表面进行激光加工，加工出前排第一个凹陷结构，断开光纤激光器，之后将移动平台左右移动，重复操作依次加工出工件前排的其余凹陷结构；

4)将移动平台恢复原来位置，向后移动一定距离后，顺时针旋转目标角度至工作位置四，对金属工件表面进行激光加工，加工出后排的第一个凹陷结构，断开光纤激光器，之后将移动平台左右移动，重复操作依次加工出工件后排的其余凹陷结构；

优选的，步骤1)-4)中，目标角度均为45°。

相对于现有技术，本发明所述的一种提高金属与塑料连接强度的连接装置具有以下优势：

(1)与铆接技术相比，本发明技术方案具有良好的轻量化特性，而且其对壁厚的大小要求更加灵活。

(2)与粘接技术相比，本发明技术方案具有绿色环保、环境适应强的优势。

(3)与传统的铜焊技术相比，本发明技术方案降低了技术难度，进一步减小了热变形带来的危害。

(4)与专利申请CN 107433389A相比，本发明专利可以实现左右、前后对称斜孔连接，将进一步提升金属与塑料之间的连接强度，同时光纤激光器的使用将进一步简化其激光设备的复杂性。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明所述一种提高金属与塑料连接强度的连接装置的简单结构示意图；

图2为工作位置一加工示意图，其他删除工作位置与其类似。

图3为夹具的俯视图，其中①②③④分别对应工作位置一、工作位置二、工作位置三、工作位置四；

图4为夹具位于上面的平板的轴测图；

图5为移动平台与电机A、电机B、电机C、电机D的连接位置简单俯视图；

图6为加工完所有凹陷结构的金属工件的俯视图，其凹陷结构的形状并不固定，图中只是其中一种；

图7为加工完所有凹陷结构的金属工件在凹陷处纵对称面的剖视图，从图中可以看到凹陷结构是倾斜的，凹陷结构的形状并不固定，图中只是其中一种；

图8为冷却后金属工件与透明塑料工件连接状态的剖视图，透明塑料工件底面熔融后，进入金属工件的凹陷结构内，冷却后连接成一体结构，此种连接结构相对于竖直的连接结构，连接强度更强，类似于塑料工件勾住金属工件一样。

附图标记说明：

1-光纤激光器；2-激光束；3-夹具；301-平板；302-加工孔；303-连接板；304-螺栓孔；4-透明塑料工件；5-金属工件；；51-凹陷结构；6-移动平台；7-控制单元；8-A电机；9-B电机；10-C电机；11-D电机；①-工作位置一；②-工作位置二；③-工作位置三；④-工作位置四。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1所示，一种提高金属与塑料连接强度的连接装置，包括可发出激光的光纤激光器1和可进行空间运动的移动平台6。所述移动平台6上安装有用于加持金属工件5和/或透明塑料工件4的夹具3，所述夹具3上设有用于金属工件5加工的加工孔302。所述移动平台6可向前、向后、向左、向右移动，且可进行左右俯仰运动和前后俯仰运动，为了实现这一目的，一个可选的实施方式可以是，如图5所示，所述移动平台6后侧连接可使其向前、向后移动的A电机8，移动平台6左侧连接可使其向左、向右移动的C电机10，移动平台6右侧连接可使其进行左右俯仰运动的D电机11，移动平台6前侧连接可使其进行前后俯仰运动的B电机9。(图5也可以理解为，以数学中常用的X-Y轴坐标系为参照，A电机8控制Y轴方向的移动；B电机9控制绕X轴方向旋转的移动；C电机10控制X轴方向的移动；D电机11控制绕Y轴方向旋转的移动。)同时，为了更好的控制移动平台6进行空间运动，同时控制光纤激光器1发出特定激光束2照射金属或塑料工件的表面，可以将光纤激光器1以及连接移动平台6的各个电机均与现有控制系统连接，也可以直接增设专门的控制单元7，让控制单元7电连接光纤激光器1、A电机8、B电机9、C电机10和D电机11。还可以进一步选择控制单元7为计算机控制系统，A电机8、B电机9、C电机10和D电机11均为采用可以实现相应功能的步进电机，优选永磁式步进电机。这样，控制单元7就可以使四电机协同工作，以达到移动平台6预先设定的工作位置，进行激光加工。

所述光纤激光器1安装在夹具3的上方，且其发出的激光束2的位置与加工孔302所在位置相对应。光纤激光器1具有小型化、集约化的优势，并且具备良好的可调性和环境适应性。光纤激光器1固定不动，所发出的激光垂直向下，激光的通断与通断时间由计算机(也即控制单元7)进行控制，以达到与移动平台6运动到工作位置的时间区间重合，从而在特定位置加工出特定形状的空槽以及保证激光加热时间；此外，光纤激光器1进行激光加工时，推荐使用氩气保护，防止工件表面发生的氧化反应。

作为本发明一种可选的实施方式，如图1、图、图4所示，所述夹具3包括平行且上下设置的两块平板301；两块平板301四角通过螺栓连接(两块平板301四角均设有螺栓孔304)，位于上面的平板301中间开有一正方形的通孔，且通孔沿正方形的两个对角线一体成型有长方形的连接板303；两个连接板303将通孔所划分成的区域构成4个加工孔302，每个加工孔302为一个工作位置。其中，位于后侧的加工孔302为工作位置一①，位于前侧的加工孔302为工作位置二②，位于左侧的加工孔302为工作位置三③，位于右侧的加工孔302为工作位置四④。需要说明的是，夹具3的设计不是本发明的重点，只要预留出加工孔302，有相应的工作位置即可，本发明涉及到的夹具3结构仅为其中一种设计方案。

使用如上所述的提高金属与塑料连接强度的连接装置进行金属工件5与透明塑料工件4连接的连接方法，包括将金属工件5通过夹具3加持，并将移动平台6倾斜，倾斜角度可以根据需要打孔的倾斜角度选择，这里优选为45°，通过光纤激光器1发出的激光束2对加工孔302处金属工件5表面进行加工，在金属工件5表面形成倾斜的凹陷结构51的步骤。具体来说，包括以下步骤：

首先，对待加工的透明塑料工件4和金属工件5进行表面处理，表面处理可以采用酸碱中和、砂纸打磨、超声波等方法，只要保证表面干燥平整无杂质即可。

然后，将金属工件5放在移动平台6上，并通过夹具3对金属工件5夹紧固定，夹具3可参见图3。通过控制单元7对光纤激光器1与移动平台6进行实时控制。详细动作为：如图2所示，控制D电机11将移动平台6进行顺时针旋转45°至工作位置一①，将光纤激光器1接通，对金属工件5表面进行激光加工，加工出左侧的第一个凹陷结构51，再将光纤激光器1断开；然后控制A电机8将移动平台6进行前后移动，重复操作依次加工出工件左侧的其余凹陷结构51；将移动平台6恢复原来位置，控制C电机10将移动平台6向左移动一定距离后，再控制D电机11将移动平台6逆时针旋转45°至工作位置二②，将光纤激光器1接通，对金属工件5表面进行激光加工，加工出右侧的第一个凹陷结构51，再将光纤激光器1断开；然后控制A电机8将移动平台6进行前后移动，重复操作依次加工出工件右侧的其余凹陷结构51；将移动平台6恢复原来位置，控制A电机8将移动平台6向前移动一定距离后，再控制B电机9将移动平台6逆时针旋转45°至工作位置三③，将光纤激光器1接通，对金属工件5表面进行激光加工，加工出前排的第一个凹陷结构51，再将光纤激光器1断开；然后控制C电机10将移动平台6进行左右移动，重复操作依次加工出工件前排的其余凹陷结构51；将移动平台6恢复原来位置，控制A电机8将移动平台6向后移动一定距离后，再控制B电机9将移动平台6顺时针旋转45°至工作位置四④，将光纤激光器1接通，对金属工件5表面进行激光加工，加工出后排的第一个凹陷结构51，再将光纤激光器1断开；然后控制C电机10将移动平台6进行左右移动，重复操作依次加工出工件后排的其余凹陷结构51；最后再将平台恢复到原来位置，此时金属工件5上平面四周被加工出若干45°向内倾斜的凹陷结构51，参见图6、图7。

最后，将金属工件5加工完毕后，将透明塑料工件4和金属工件5自上而下放置并通过所述夹具3夹紧固定于移动平台6。控制单元7控制光纤激光器1向所述透明塑料工件4发射激光束2，激光束2透过透明塑料工件4照射于金属工件5，并沿着凹槽的加工路径进行移动，因为金属传热能力优异，整体温度迅速上升，并向透明塑料工件4传递热量，导致透明塑料工件4的底面进入熔融状态，在夹具3的夹紧力下，透明塑料工件4压向金属工件5，并逐渐进入凹陷结构51中，待冷却完毕后，透明塑料工件4与金属工件5连接成一体结构，参考图8。此种连接结构相对于竖直的连接结构，连接强度更强，类似于塑料工件勾住金属工件5一样。

上述过程中，光纤激光器1加工凹陷结构51的过程以及光纤激光器1向透明塑料工件4发射激光束2，并沿着加工孔302的加工路径进行移动的过程中，光纤激光器1的工作参数为：激光功率50-500W、激光脉冲频率15Hz-22Hz。此外，整个过程中，均由控制单元7控制光纤激光器1向所述透明塑料工件4或/和金属工件5发射激光束2。光纤激光器1进行激光加工时，推荐使用氩气保护，可防止工件表面发生的氧化反应。

需要说明的是，从加工安全性考虑，本装置推荐放在一封闭空间内使用，防止激光反射对人体进行的伤害。所述透明塑料工件4的厚度大于金属工件5的厚度。形成的凹陷结构51为成45°角倾斜设置的连接孔，其形状并不固定，内径不小于200微米，深度小于金属工件的厚度图6只是形状中的一种。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种提高金属与塑料连接强度的连接装置，其特征在于：包括光纤光纤激光器和移动平台；

所述移动平台上安装有用于加持金属工件和/或透明塑料工件的夹具，所述夹具上设有用于金属工件加工的加工孔；所述移动平台可向前、向后、向左、向右移动，且可进行左右俯仰运动和前后俯仰运动；

所述光纤激光器安装在夹具的上方，且其发出的激光束的位置与加工孔所在位置相对应。

2.根据权利要求1所述的提高金属与塑料连接强度的连接装置，其特征在于：所述移动平台后侧连接可使其向前、向后移动的A电机，移动平台左侧连接可使其向左、向右移动的C电机，移动平台右侧连接可使其进行左右俯仰运动的D电机，移动平台前侧连接可使其进行前后俯仰运动的B电机。

3.根据权利要求2所述的提高金属与塑料连接强度的连接装置，其特征在于：还包括控制单元；所述控制单元电连接光纤激光器、A电机、B电机、C电机和D电机。

4.根据权利要求3所述的提高金属与塑料连接强度的连接装置，其特征在于：所述控制单元为计算机控制系统；A电机、B电机、C电机和D电机均为步进电机。

5.根据权利要求1所述的提高金属与塑料连接强度的连接装置，其特征在于：所述夹具包括平行且上下设置的两块平板；两块平板四角通过螺栓连接，位于上面的平板中间开有一正方形的通孔，且通孔沿正方形的两个对角线一体成型有长方形的连接板；两个连接板将通孔所划分成的区域构成4个加工孔，每个加工孔为一个工作位置。

6.根据权利要求5所述的提高金属与塑料连接强度的连接装置，其特征在于：位于后侧的加工孔为工作位置一，位于前侧的加工孔为工作位置二，位于左侧的加工孔为工作位置三，位于右侧的加工孔为工作位置四。

7.一种使用如权利要求1至6任意一项提高金属与塑料连接强度的连接装置的连接方法，其特征在于：包括将金属工件通过夹具加持，并将移动平台倾斜，通过光纤激光器发出的激光束对加工孔处金属工件表面进行加工，在金属工件表面形成倾斜的凹陷结构的步骤。

8.根据权利要求7所述的使用提高金属与塑料连接强度的连接装置的连接方法，其特征在于：移动平台倾斜的角度为45°。

9.根据权利要求7所述的使用提高金属与塑料连接强度的连接装置的连接方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)将待加工的透明塑料工件和金属工件进行表面处理，保证表面干燥平整无杂质即可；

(2)将金属工件通过夹具固定在移动平台上，使光纤激光器的激光束与工作孔所对应的金属工件表面位置相对应；

(3)调节移动平台的位置，通过光纤激光器发出的激光束对加工孔处金属工件表面进行加工，在金属工件表面形成倾斜的凹陷结构；

(4)将移动平台恢复原来位置，将透明塑料工件和金属工件自上而下放置并通过所述夹具夹紧固定于移动平台，光纤激光器向透明塑料工件发射激光束，并沿着加工孔的加工路径进行移动；

(5)所述透明塑料工件朝向所述金属工件一面发生熔融状态并镶嵌入所述凹陷结构内，待冷却后，透明塑料工件4与金属工件5连接成一体结构；

优选的，步骤(3)和步骤(4)中，光纤激光器的工作参数为：激光功率50-500W、激光脉冲频率15Hz-22Hz；

优选的，步骤(3)和步骤(4)中，控制单元控制光纤激光器向所述透明塑料工件或/和金属工件发射激光束；

优选的，步骤(3)和步骤(4)中，光纤激光器进行激光加工时使用氩气保护。

10.根据权利要求9所述的使用提高金属与塑料连接强度的连接装置的连接方法，其特征在于：步骤(3)中，在金属工件表面形成倾斜的凹陷结构的方法包括以下步骤：

1)将处于原始来位置的移动平台顺时针旋转目标角度至工作位置一，对金属工件表面进行激光加工，加工出左侧的第一个凹陷结构，断开光纤激光器，之后将移动平台前后移动，重复操作依次加工出工件右侧的其余凹陷结构；

2)将移动平台恢复至原来位置，向左移动一定距离后，逆时针旋转目标角度至工作位置二，对金属工件表面进行激光加工，加工出右侧的第一个凹陷结构，断开光纤激光器，之后将平台前后移动，重复操作依次加工出工件右侧的其余凹陷结构；

3)将移动平台恢复原来位置，向前移动一定距离后，逆时针旋转目标角度至工作位置三，对金属工件表面进行激光加工，加工出前排第一个凹陷结构，断开光纤激光器，之后将移动平台左右移动，重复操作依次加工出工件前排的其余凹陷结构；

4)将移动平台恢复原来位置，向后移动一定距离后，顺时针旋转目标角度至工作位置四，对金属工件表面进行激光加工，加工出后排的第一个凹陷结构，断开光纤激光器，之后将移动平台左右移动，重复操作依次加工出工件后排的其余凹陷结构；

优选的，步骤1)-4)中，目标角度均为45°。

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