CN111230307B - 一种金属材料表面与复合材料表面的粘接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种金属材料表面与复合材料表面的粘接方法，属于金属材料表面与复合材料表面的粘接的技术领域。本发明利用激光技术替代传统人工有机溶剂+酸洗+水洗+烘干等方式，解决了人工操作强度大、过程质量难控制、产品一致性差、效率低、环境污染严重、损害人员健康等问题。本发明优化了激光加工工艺，简化了复杂的清洗流程，提高了金属材料与复合材料表面粘接强度。

Description

一种金属材料表面与复合材料表面的粘接方法

技术领域

本发明涉及一种金属材料表面与复合材料表面的粘接方法，属于金属材料表面与复合材料表面的粘接的技术领域。

背景技术

复合材料主要由两种或两种以上不同物质以不同方式组合而成的材料，可以发挥各种材料的优点，克服单一材料的缺陷，由于复合材料具有重量轻、强度高、加工成型方便、弹性优良、耐化学腐蚀、热稳定好等优点，被广泛应用于制造飞机、卫星天线、大型运载火箭壳体、航天飞机结构件等领域。在实际应用中，复合材料需要与金属材料粘接成型，以提高产品性能。但由于铝合金、不锈钢等金属材料在经过机械加工后，表面易存在机加液、油污等，导致粘接强度低、产品胶接合格率低，因此需要对金属材料表面进行处理，以提高粘接强度。

传统处理方法主要采用有机溶剂、碱液分别对铝合金、不锈钢材料进行清洗，然后采用酸蚀法进行化学处理，最后用水清洗后进行烘干。清洗过程及酸膏配制、涂抹过程均为手工操作，存在操作强度大、过程质量难控制、产品一致性差、效率低、环境污染严重、损害人员健康等问题，迫切需要一种高效、高质量、对人员无健康危害、无环境污染的新型清洗技术。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种金属材料表面与复合材料表面的粘接方法，该方法克服了传统清洗方式的缺点，实现了高效、高质量、对人员无健康危害、无环境污染的新方法。

为实现以上目的，本发明的技术解决方案是：

一种金属材料表面与复合材料表面的粘接方法，金属材料为铝合金材料或碳钢，复合材料为二氧化硅丁腈橡胶片，该方法通过激光器发射出的脉冲型激光束对金属材料表面进行清洗及毛化处理，

激光束的平均功率为1W-1000W，激光束的单脉冲能量为1mJ-10mJ，激光束的波长为266nm-1064nm，激光束的脉冲宽度为1ns-300ns，激光束的重复频率为10kHz-1MHz，激光束的聚焦光斑直径为40μm-200μm，激光束的扫描线宽为10mm-80mm，激光束的扫描速度为200-8000mm/s，激光束的出射点与金属材料表面的距离为80mm-200mm，毛化处理效率为0.5-3m²/h，得到的金属材料表面的粗糙度Ra为1.0-3.0μm，RPC为130-180；

进一步，激光束的平均功率为150-200W，激光束的单脉冲能量为1mJ，激光束的波长为1064nm，激光束的脉冲宽度为60-100ns，激光束的重复频率为150-200kHz，激光束的聚焦光斑直径为40-80μm，激光束的扫描线宽为10mm-80mm，激光束的扫描速度为200-5000mm/s，激光束的出射点与金属材料表面的距离为180mm；毛化处理效率为0.5-1.5m²/h，得到的金属材料表面的粗糙度为1.8-2.5μm，RPC为130-180。

进一步，激光束的平均功率为500-1000W，激光束的单脉冲能量为10mJ，激光束的波长为1064nm，激光束的脉冲宽度为100-300ns，激光束的重复频率为200-1MHz，激光束的聚焦光斑直径为100-200μm，激光束的扫描线宽为1mm-80mm，激光束的扫描速度为1000-8000mm/s，激光束的出射点与金属材料表面的距离为180mm；毛化处理效率为2-3m²/h，得到的金属材料表面的粗糙度为1.5-3.0μm，RPC为130-180。。

将得到的金属材料的粘结面与复合材料的粘结面均涂覆JX-9胶(上海橡胶制品研究所生产)，并将两个粘结面进行粘结，室温静置20-40min，完成金属材料与复合材料的粘结。

测量粘结后的金属材料与复合材料的粘结强度，剪切强度测试采用HG4-853-81标准，拉伸强度测试采用HG4-852-81标准，测试设备为INSTRON4505型电子万能材料试验机，测试结果为剪切强度为20-23MPa，拉伸强度为19-23MPa。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明利用激光技术替代传统人工有机溶剂+酸洗+水洗+烘干等方式，解决了人工操作强度大、过程质量难控制、产品一致性差、效率低、环境污染严重、损害人员健康等问题。

(2)本发明优化了激光加工工艺，包括激光器平均功率参数、重复频率参数和转台转速参数，简化了复杂的清洗流程，提高了金属材料与复合材料表面粘接强度。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。

实现对金属材料表面清洗及毛化，用于提高金属材料与复合材料粘接强度。适用于制造飞机、卫星天线、大型运载火箭壳体、航天飞机结构件等精密加工领域。

一种提高金属材料与复合材料表面粘接强度的激光加工装置，包含激光器、激光加工头、机器人、烟雾净化装置、摄像装置、工作平台、激光电路控制单元。其中，激光加工头包含快反镜、光束整形模块、聚焦镜、激光测距模块、气体传输模块；工作平台包含工装夹具、转台、导电滑环、基座；激光电路控制单元包含激光控制电路、电机驱动器、机器人控制器、图像采集卡。

上位机给激光器控制电路发送激光平均功率、重复频率等参数，激光器发射符合加工参数的激光束进入激光加工头，激光加工头内快反镜摆动，将点状光斑形成线扫描光斑，激光加工头前端带有测距装置，测距装置测量激光加工头到工件表面的距离，反馈至上位机，上位机接收到位置信息，将位置信息发送给主控电路，主控电路发送至机器人控制器，通过机器人控制器控制机器人调节激光加工头至工件表面距离，启动摄像装置及烟雾净化装置，摄像装置可实现对加工部位的识别与定位，将采集的图像反馈至图像采集卡进行处理，烟雾净化装置可对加工过程产生的粉尘进行回收，上位机给主控电路发送脉冲及方向指令，电机驱动器接收指令控制转台的方向及角度，开启激光，激光加工头内快反镜摆动速度与转台转速匹配一致，实现对工件的高质量清洗及毛化。

所述激光器为脉冲型激光器，激光器发射波长为266μm～10.64μm，平均功率为10W～1000W，重复频率1Hz～2000kHz，可同时对工件进行清洗及毛化。

所述激光加工头包含快反镜、光束整形模块、聚焦镜、激光测距模块、气体传输模块，其中激光器从激光电路控制单元中接收平均功率、重复频率、脉冲宽度信号，发射符合加工参数的激光束进入激光加工头中的光束整形模块，将光束整形成所需要的激光束，快反镜同时将从主控电路获得的快反镜控制信号指令转化为运动信号，实现光路的偏转定位，通过快反镜将激光点状光斑形成线扫描光，快反镜摆动角度为±20°，再通过聚焦镜使光束汇聚成高能量密度激光，作用于工件表面。

所述激光测距模块安装于激光加工头一侧，为保证激光测距点与激光中心焦点X轴方向同轴，需要进行倾斜安装，安装角度为0°～60°可调节，同时为了避免工作激光干扰激光测距反馈的数值，需要在激光测距模块接收光口安装玻璃窗口片。

所述玻璃窗口片表面镀有工作激光1064nm波长的高反膜、测距激光632.8nm波长的增透膜，玻璃窗口片能够覆盖测距激光输出口及接收口，使工作激光无法干扰测距激光。

所述激光加工头前端装有气体传输模块，四周均匀吹出气体，防止粉尘污染光学元件。

所述烟雾净化装置可吸除加工过程产生的粉尘，具备定期清灰功能，将过滤器表面的灰尘去除干净，避免粉尘过多，存在尘爆风险。

所述摄像装置可对加工的工件位置进行精准寻边定位。

所述工作平台包含工装夹具、转台、导电滑环、基座，工装夹具安装于转台上，转台与基座之间通过导电滑环连接，使转台带动工装夹具及工件实现360°×n旋转。

一种提高金属材料与复合材料表面粘接强度的方法：

第一步：安装工件至工装夹具上，关闭设备舱门，给系统及各部件通电，进行软件初始化，启动水冷装置、烟雾净化装置、气体传输模块进入下一步；

第二步：通过上位机给电机驱动器发送脉冲、方向控制指令，伺服电机接收到控制指令发送给工装夹具运行位置，使工件中心与转台转心重合，同时实现对工件的夹持定位，进入下一步；

第三步：上位机接收激光测距模块发送的位置信息，并将位置信息反馈给机器人控制器，机器人控制器接收到指令后发送给机器人，通过标定机器人坐标系确定加工位位置，机器人调整位置进入到加工位，进入下一步；

第四步：启动摄像装置，摄像装置可选择CCD或CMOS相机用来清晰显示工件特征，由于安装摄像装置时会出现偏差，使摄像装置与转子间呈一定角度，导致成象系统存在象差、畸变等失真现象，需要对失真图像进行的复原性校正处理。根据图像失真原因，从畸变的图象信号中提取所需要的信息，使其能最大程度地接近真实图象。采用点阵列校正方法，在上位机内绘制校正点，设置校正点直径为1mm～10mm，点间距为2mm～20mm，点数量为3×3～55×55，X向和Y向校正点取奇数，即可确定中心校正点为图像中心，绘制完点阵后，匹配相机可视区域，保证显示图像与视觉方向相符，各点清晰且没有其它光源干扰，对相机进行校正，如上位机内图像显示仍存在畸变，则重新校正，直至图像无明显畸变可清晰显示工件特征，即完成对图像的校正。

第五步：启动快反镜，由于精度方面存在失真，需要对快反镜进行多点校正，由于精度方面存在失真，需要对扫描系统进行多点校正，多点校正的具体方法，在参考平面上的工作场范围内建立一个多点网格，建立原始输入网格和失真网格之间的函数关系，得出一个2n阶的校正多项式来拟合失真图形。其校正多项式为：

其中Δx和Δy为失真图形上对应点相对于理论坐标点在x方向和y方向上的误差值，由实际测量得到。实际操作中，在图形中找k个特征点，使k≥(n+1)²，测量出各自的误差值，通过将误差值Δx和Δy反馈回扫描系统，便可以计算出校正多项式中各个参数的值。使用多点校正功能时需要快反镜的轴线是必须是垂直，而且轴线不能弯曲，这样多点校正才能精确度高，所以精度校正需要在图形失真校正之后进行，采用9点～33点方法校正，当输出的图形是标准正方形时校正成功。

第六步：设置激光加工参数，包括激光平均功率、重复频率、脉冲宽度、扫描线宽、扫描速度、转台旋转速度等参数，平均功率越高则单次去除深度越大、效率高，表面越粗糙，反之则去除深度浅、效率低、由于平均功率与重复频率的比值为单脉冲能量，当平均功率一定时，重复频率越高，激光单脉冲能量越小、可根据实际的应用对激光器参数优化，从而确定所需的平均功率和重复频率，根据清洗及毛化效果，在1KHz～2000kHz范围内选择激光器重复频率参数；根据对加工效率的要求，在500mm/s～15000mm/s范围内选择扫描速度参数。扫描速度影响清洗及毛化效率，扫描速度越快，则效率越高，但当扫描速度过高时，激光脉冲出点断点现象，造成工件表面质量不一致。

根据平均功率与重复频率的比值，计算激光脉冲能量，从而确定重复频率范围，扫描速度可根据工艺和光斑搭接率关系确定，光斑搭接率需要对扫描速度优化。

具体来讲，激光器平均功率参数在10W～1000W，单脉冲能量参数为30μJ～5mJ。脉冲宽度覆盖了fs、ps、ns、μs到ms，实际应用中ns为主流应用，脉冲宽度为30ns～400ns。脉冲激光可以提供很高的的峰值功率，因此能满足阈值的要求，轻易的去除金属材料。在清洗、毛化过程中对基底造成的热效应方面，脉冲激光的影响更小。

转台转速与扫描速度及重复频率为对应关系，需要精确匹配才能够实现高质量毛化及清洗。通过理论计算、工艺实验及加工质量检测，确定激光加工最佳参数，当以上参数设置完成后，进入下一步；

第七步：开启转台、激光器及快反镜，按照第六步中设置的激光平均功率、重复频率、脉冲宽度、扫描线宽、扫描速度、转台旋转速度等参数，转台接收电机驱动器发送的信号进行旋转，激光器发射符合激光加工参数的激光，同时快反镜带动激光束快速摆动，实现对工件的清洗及毛化，气体传输模块四周均匀吹出气体，防止粉尘污染光学元件，烟雾净化装置对加工过程产生的烟尘进行及时回收处理；

第八步：激光清洗、毛化完成后，关闭激光器，卸载工件。

主要针对激光精密加工装置，实现对金属材料表面清洗及毛化，用于提高金属材料与复合材料粘接强度。适用于制造飞机、卫星天线、大型运载火箭壳体、航天飞机结构件等精密加工领域。

系统中包含的元件及特征为：激光器输出光斑直径为8mm，发射波长为1064nm的激光，其中1064nm激光的平均功率为100W，重复频率20kHz～1000kHz，脉冲宽度60ns，激光束进入光束整形模块，光束整形模块表面镀有1064nm增透膜，透过率99.6％以上，再进入快反镜，快反镜光学孔径为15mm，最大扫描角度±20°，且小步长阶跃响应时间小于0.4ms，表面镀有1064nm高反膜，反射率99％以上，保证激光束的扫描速度；根据加工效果，聚焦镜材料为石英、CaF或ZnSe，工作距离可选择为100mm～300mm，装置中工作距离的最佳参数为200mm，透过率高于99.5％，聚焦至工件表面。

考虑到工件可能存在变形或高低起伏不一致的情况，在激光加工头末端安装激光测距模块，激光测距模块发射632.8nm测量激光，利用三角反射原理，在返回端口接收测量激光，测量激光功率<1mW，工作距离为200mm±80mm，光束直径300μm，重复精度<100μm，为保证加工激光与测量激光在X轴方向水平，激光测距模块安装角度可调节，调节角度为0°～60°。该方式不会对工件表面造成损伤，从而实现精确控制激光加工头到工件表面位置。由于工作激光易干扰测量激光，导致测量数据异常，严重时将使机器人失控撞击工件，因此在测量激光输出端口和接收端口安装玻璃窗口片，玻璃窗口片表面镀有工作激光1064nm波长的高反膜、测距激光632.8nm波长的增透膜，玻璃窗口片能够覆盖测距激光输出口及接收口，使工作激光无法干扰测距激光。

摄像装置实现对工件的初始定位及异常中断寻边定位功能，包括相机和镜头，像素数量4088×3072，像素尺寸20μm，工作距离≥200mm，分辨精度≤100μm，根据激光加工参数，转台单次转动角度步长0.005°；而工件最大直径为2.6m，则激光清洗线间距为2.6m×3.14/360×0.005＝114μm，即激光清洗边缘宽度约为100μm；为了识别激光清洗边缘，寻边定位单元分辨物体宽度应不大于100μm；视场范围需覆盖单次激光加工幅面，即100mm，采用同轴环形光源对工件表面进行照明，光源发光颜色可选择红光、白光、蓝光、绿光等，根据工件对光照效果及环境的影响，选择亮度可调节的白色照明光源。

首先，安装工件至工装夹具上，关闭设备舱门，给系统及各部件通电，进行软件初始化，启动水冷装置、烟雾净化装置、气体传输模块，通过上位机给工装夹具发送脉冲、方向控制指令，调整工件位置，使工件中心与转台转心重合，同时实现对工件的夹持定位，上位机给机器人控制器发送位置指令，机器人控制器接收到指令后发送给机器人，通过标定机器人坐标系确定加工位位置，机器人调整位置进入到加工位；启动摄像装置，完成对图像的校正；启动快反镜并完成校正；在上位机内绘制加工图形，确定坐标位置，将加工图形覆盖在工件待加工的位置上完成精准定位。

设置激光加工参数，包括激光平均功率、重复频率、脉冲宽度、扫描线宽、扫描速度、转台旋转速度等参数；开启转台、激光器及快反镜，转台接收电机驱动器发送的信号进行旋转，激光器发射符合激光加工参数的激光，同时快反镜带动激光束快速摆动，实现对工件的清洗及毛化，气体传输模块四周均匀吹出气体，防止粉尘污染光学元件，烟雾净化装置对加工过程产生的烟尘进行及时回收处理；激光清洗、毛化完成后，关闭激光器，卸载工件。

加工前开启摄像装置，实现对工件位置的识别与定位；激光测距模块发射632.8nm测量激光，利用三角反射原理，在返回端口接收测量激光，测量激光功率<1mW；烟雾净化装置实现对粉尘及烟雾的回收，避免对人员、环境、光学元件的污染；水冷装置给激光器提供冷却；气体传输模块用于保护光学元件收到粉尘环境的污染，实现二次防护；使用输出功率为100W的1064nm激光器，聚焦光斑直径<100μm，对铝合金材料进行清洗及毛化，激光器的平均功率为80W，重复频率为50kHz，脉冲宽度60ns，扫描线宽60mm，扫描速度5000mm/s，激光加工头工作距离为200mm，激光测距模块及摄像装置工作距离为200mm，摄像装置光源为白色照明光源，加工环境条件为：恒温恒湿25℃，65％，万级净化室，清洗、毛化效率为1m2/h，粗糙度1.0μm，检测粘接强度>10MPa，优于传统酸洗方式的8MPa，满足使用要求。

实施例

一种金属材料表面与复合材料表面的粘接方法，金属材料为铝合金材料或碳钢，复合材料为二氧化硅丁腈橡胶片，该方法通过激光器发射出的脉冲型激光束对金属材料表面进行清洗及毛化处理，激光器输出光斑直径为8mm，激光束的平均功率为160W，激光束的单脉冲能量为1mJ，激光束的波长为1064nm，激光束的脉冲宽度为60ns，激光束的重复频率为50kHz，激光束的聚焦光斑直径为50μm，激光束的扫描线宽为60mm，激光束的扫描速度为5000mm/s，激光束的出射点与金属材料表面的距离为180mm；毛化处理效率为1m²/h，得到的金属材料表面的粗糙度为2.0μm，RPC为120-180；

将得到的金属材料的粘结面与复合材料的粘结面均涂覆JX-9胶(上海橡胶制品研究所生产)，并将两个粘结面进行粘结，室温静置20-40min，完成金属材料与复合材料的粘结。

测量粘结后的金属材料与复合材料的粘结强度，剪切强度测试采用HG4-853-81标准，拉伸强度测试采用HG4-852-81标准，测试设备为INSTRON4505型电子万能材料试验机，测试结果为剪切强度为22MPa，拉伸强度为21MPa，由此可知，粘结后的金属材料与复合材料的粘结强度高。

将上述得到的清洗及毛化处理后的金属材料放置14天后，在金属材料的粘结面与复合材料的粘结面均涂覆JX-9胶(上海橡胶制品研究所生产)，并将两个粘结面进行粘结，室温静置20-40min，完成金属材料与复合材料的粘结。

测量粘结后的金属材料与复合材料的粘结强度，剪切强度测试采用HG4-853-81标准，拉伸强度测试采用HG4-852-81标准，测试设备为INSTRON4505型电子万能材料试验机，测试结果为剪切强度为22MPa，拉伸强度为21MPa，由此可知，粘结后的金属材料与复合材料的粘结强度高，且通过该测试表明经过该方法清洗及毛化处理后的金属材料表面的抗氧化性能好。

以上所述，仅为本发明一个具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (10)

1.一种金属材料表面与复合材料表面的粘接方法，其特征在于：该方法通过激光器发射出的脉冲型激光束对金属材料表面进行清洗及毛化处理，然后将处理后的金属材料的粘结面与复合材料的粘结面涂胶，涂胶后将两个粘结面进行粘结，室温静置，完成金属材料与复合材料的粘结；

激光束的平均功率为1W-1000W，激光束的单脉冲能量为1mJ-10mJ，激光束的波长为266nm-1064nm，激光束的脉冲宽度为1ns-300ns，激光束的重复频率为10kHz-1 MHz，激光束的聚焦光斑直径为40μm-200μm，激光束的扫描线宽为10mm-80mm，激光束的扫描速度为200-8000mm/s，激光束的出射点与金属材料表面的距离为80mm-200mm；

该方法利用一种提高金属材料与复合材料表面粘接强度的激光加工装置实现，所述激光加工装置包含激光器、激光加工头、机器人、烟雾净化装置、摄像装置、工作平台、激光电路控制单元；其中，激光加工头包含快反镜和激光测距装置；工作平台包含转台；激光电路控制单元包含激光控制电路、电机驱动器、机器人控制器、图像采集卡；

上位机给激光控制电路发送加工参数，所述加工参数包括激光平均功率、重复频率和脉冲宽度信号，激光控制电路控制激光器发射符合加工参数的激光束进入激光加工头，激光加工头内快反镜摆动，将点状光斑形成线扫描光斑；激光加工头前端带有激光测距装置，激光测距装置测量激光加工头的位置信息，反馈至上位机，上位机接收到位置信息，将位置信息发送至机器人控制器，机器人控制器控制机器人调节激光加工头的位置，启动摄像装置及烟雾净化装置，摄像装置用于实现对加工部位的识别与定位，将采集的图像反馈至图像采集卡进行处理，烟雾净化装置对加工过程产生的粉尘进行回收；电机驱动器根据脉冲及方向指令控制转台的方向及角度，开启激光器，激光器加工头内快反镜摆动速度与转台转速匹配一致，实现对工件的高质量清洗及毛化；

所述激光测距装置接收光口安装玻璃窗口片，玻璃窗口片表面镀有工作激光1064nm波长的高反膜、测距激光632.8nm波长的增透膜，玻璃窗口片能够覆盖激光测距装置的输出口及接收口。

2.根据权利要求1所述的一种金属材料表面与复合材料表面的粘接方法，其特征在于：金属材料的粘结面与复合材料的粘结面涂覆JX-9胶，JX-9胶上海橡胶制品研究所生产。

3.根据权利要求1所述的一种金属材料表面与复合材料表面的粘接方法，其特征在于：室温静置时间为20-40min。

4.根据权利要求1所述的一种金属材料表面与复合材料表面的粘接方法，其特征在于：金属材料为铝合金材料。

5.根据权利要求1所述的一种金属材料表面与复合材料表面的粘接方法，其特征在于：金属材料为碳钢。

6.根据权利要求4或5所述的一种金属材料表面与复合材料表面的粘接方法，其特征在于：复合材料为二氧化硅丁腈橡胶片。

7.根据权利要求1所述的一种金属材料表面与复合材料表面的粘接方法，其特征在于：毛化处理效率为0.5-3m²/h。

8.根据权利要求1所述的一种金属材料表面与复合材料表面的粘接方法，其特征在于：得到的金属材料表面的粗糙度Ra为1.0-3.0μm，RPC为130-180。

9.根据权利要求1所述的一种金属材料表面与复合材料表面的粘接方法，其特征在于：激光束的平均功率为150-200W，激光束的单脉冲能量为1mJ，激光束的波长为1064nm，激光束的脉冲宽度为60-100ns，激光束的重复频率为150-200kHz，激光束的聚焦光斑直径为40-80μm，激光束的扫描线宽为10mm-80mm，激光束的扫描速度为200-5000mm/s，激光束的出射点与金属材料表面的距离为180mm；毛化处理效率为0.5-1.5m²/h，得到的金属材料表面的粗糙度为1.8-2.5μm，RPC为130-180。

10.根据权利要求1所述的一种金属材料表面与复合材料表面的粘接方法，其特征在于：激光束的平均功率为500-1000W，激光束的单脉冲能量为10mJ，激光束的波长为1064nm，激光束的脉冲宽度为100-300ns，激光束的重复频率为200-1MHz，激光束的聚焦光斑直径为100-200μm，激光束的扫描线宽为1mm-80mm，激光束的扫描速度为1000-8000mm/s，激光束的出射点与金属材料表面的距离为180mm；毛化处理效率为2-3m²/h，得到的金属材料表面的粗糙度为1.5-3.0μm，RPC为130-180。