CN111745297B

CN111745297B - 一种改善胶接性能的金属表面激光处理方法

Info

Publication number: CN111745297B
Application number: CN202010484836.9A
Authority: CN
Inventors: 孔谅; 刘雷; 肖望; 李芳�; 王敏; 潘指阳; 华学明
Original assignee: Shanghai Jiaotong University; Huayu Automotive Body Components Technology Shanghai Co Ltd
Current assignee: Shanghai Jiaotong University; Huayu Automotive Body Components Technology Shanghai Co Ltd
Priority date: 2020-06-01
Filing date: 2020-06-01
Publication date: 2022-06-10
Anticipated expiration: 2040-06-01
Also published as: CN111745297A

Abstract

本发明涉及一种改善胶接性能的金属表面激光处理方法，采用脉冲激光对金属表面进行扫描，确保扫描过程中相邻两个脉冲激光的斑点相互搭接，即完成处理。与现有技术相比，本发明可以基于脉冲激光的能量密度和光斑搭接率的调节，改善传统激光表面处理方法对胶接过程中金属表面性能的不利影响。

Description

一种改善胶接性能的金属表面激光处理方法

技术领域

本发明属于金属表面改性技术领域，涉及一种改善胶接性能的金属表面激光处理方法。

背景技术

胶接工艺包含4个步骤：表面处理、胶粘剂涂放、加热加压、固化，其中被粘接件的表面处理是胶接工艺中第一步也是最重要的步骤。胶接过程中基材的表面处理对胶接和胶-铆连接的接头强度有重大影响。表面处理的作用为消除表面有机物，改善表面能以改善胶粘剂的润湿性和化学粘合力，以及改善表面粗糙度以增加机械咬合作用并且提高粘合剂的接触面积，从而提高接头强度。钢常用的表面处理有机械处理、激光处理和化学处理。钢的表面通常用表面能、表面化学成分及表面粗糙度和形貌这三个指标来表征，它们均会对胶接接头强度有重要影响。

中国专利CN109702346A公开了一种提高涂层与工件表面的界面结合强度的激光表面前处理方法，采用脉冲激光在工件表面加工出一系列角度互不相同的倾斜微盲孔，使后续的涂覆材料可以渗入到微盲孔内部；由于微盲孔具有一定深度、且倾角不断变化，可以在多个方向上阻止涂层材料从工件表面剥离，从而大幅度提高涂层与工件表面的界面结合强度。中国专利CN 109954966 A公开的通过飞秒激光进行金属表面处理的方法中，提出先将金属件表面进行打磨处理，然后通过飞秒激光加工打磨处理后的金属件的表面以得到具有表面疏水效果的微纳米复合结构的表面。专利CN 109526213 A公开的一种用于电镀钢板的激光切割和加工方法中，采用将激光束照射到电镀钢板的切割表面，利用激光加工单元喷射助推气体，使已经熔化和/或蒸发的含有金属的镀层流到电镀钢板的切割表面上，在该切割表面上涂覆该含有金属的镀层。

可见，对于钢板的胶接表面，由于激光具有能量密度高定向功能好等优势，能够清洗掉钢表面灰尘及有机物，还可以使钢表面发生局部重熔，形成激光斑点造成的凹痕，提高钢表面粗糙度，改善表面能。但是，如上述的常规脉冲激光表面处理，在增加钢板表面粗糙度的同时，必然造成钢板表面呈一定取向的缝隙和孔隙，致使胶粘剂没有完全填充激光处理产生的微小孔隙，造成胶接弱界层，对接头强度可能会有不利的影响。因此，进一步优化脉冲激光表面处理，改善金属表面处理效果，仍显得尤为必要。

发明内容

本发明的目的就是为了提供一种改善胶接性能的金属表面激光处理方法，以提高金属胶接接头性能。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种改善胶接性能的金属表面激光处理方法，采用脉冲激光对金属表面进行扫描，确保扫描过程中相邻两个脉冲激光的斑点相互搭接，即即完成处理。

进一步的，发出脉冲激光的激光器选自气体激光器、准分子激光器、CO₂激光器、飞秒激光器、Nd：YAG激光器或Q开关Nd：YAG激光器中的一种。

更进一步的，所述的激光器为Nd：YAG激光器。

进一步的，扫描过程中，脉冲激光照射在待改性金属表面上。

进一步的，扫描过程中，能量密度F为5-60J/cm²，相邻两个脉冲激光的斑点的搭接率R为40-60％，其中，

其中，P为扫描过程中脉冲激光的功率，W；f为脉冲激光的频率，Hz；s为脉冲激光照射在金属表面的斑点的面积，cm²；

其中，D为脉冲激光照射在金属表面的斑点的直径，μm；L为相邻两个斑点的圆心之间的距离，μm。

更进一步的，搭接率R为50％。

进一步的，扫描过程中，扫描速度为2m/s～15m/s，脉冲频率为5～500KHz，光斑直径为30～80μm。

进一步的，脉冲激光的波长为1064nm，脉宽为100ns。

进一步的，适用的金属表面为DP590钢板。

进一步的，处理完成后，适用于环氧树脂胶粘剂或聚氨酯胶粘剂的胶接。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)基于脉冲激光的能量密度和光斑搭接率的调节和匹配，从多个方面改善了金属胶接界面的行为和特征，达到提高激光处理后的金属板材与其他材料的胶接性能的目的。

(2)操作流程短，表面处理的可控性和适应能力强，自动化程度高，易实现大规模工业化生产的需求。

(3)通过合适的能量密度配合适当的搭接率的激光处理参数，胶接接头的时效模式和拉剪强度提升明显，可广泛应用于多种类型胶粘剂的金属与金属、金属与非金属材料的可靠连接。

附图说明

图1为脉冲激光的斑点搭接率示意图；

图2为无搭接时钢板表面微观形貌；

图3为有搭接(R＝50％时)过程的钢板表面微观形貌；

图4为相同能量密度下不同搭接率的表面三维形貌；

图5为不同参数下钢表面粗糙度；

图6为不同参数下的接触角；

图7为不同参数下的表面能；

图8为不同参数处理后表面C1s谱图；

图9为不同表面处理后胶接接头拉剪强度。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本发明提出了一种改善胶接性能的金属表面激光处理方法，采用脉冲激光对金属表面进行扫描，确保扫描过程中相邻两个脉冲激光的斑点相互搭接，即即完成处理。

在本发明的一种具体的实施方式中，发出脉冲激光的激光器选自气体激光器、准分子激光器、CO₂激光器、飞秒激光器、Nd：YAG激光器或Q开关Nd：YAG激光器中的一种。

更进一步的，所述的激光器为Nd：YAG激光器。

在本发明的一种具体的实施方式中，扫描过程中，脉冲激光照射在待改性金属表面上。

在本发明的一种具体的实施方式中，扫描过程中，能量密度F为5～60J/cm²，相邻两个脉冲激光的斑点的搭接率R为40-60％，其中，

其中，P为扫描过程中脉冲激光的平均功率，W；f为脉冲激光的频率，Hz；s为脉冲激光照射在金属表面的斑点的面积，cm²；

更进一步的，搭接率R为50％。

在本发明的一种具体的实施方式中，扫描过程中，扫描速度为2m/s～15m/s，脉冲频率为5～500KHz，光斑直径为30～80μm。

在本发明的一种具体的实施方式中，脉冲激光的波长为1064nm，脉宽为100ns。

在本发明的一种具体的实施方式中，适用的金属表面为DP590钢板。

在本发明的一种具体的实施方式中，处理完成后，适用于环氧树脂胶粘剂或聚氨酯胶粘剂的胶接。

以上各实施方式可以任一单独实施，也可以任意两两组合或更多的组合实施。

下面结合具体实施例来对以上实施方式进行更详细的说明。

碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinforced composite，CFRP)由于其轻质高强的特性在航空航天领域及汽车领域引起广泛关注。目如宝马、保时捷等都有自己的全碳纤维车身，CFRP还是多用于车身局部取代原来的钢或者铝，来降低汽车整体重量。双相钢是车身中使用最为广泛的高强钢，由铁素体和马氏体两相组成，通过合理分配两相含量，得到良好的力学性能。DP590钢是通过在临界温度范围内对低碳钢进行退火以生成铁素体-奥氏体混合物，然后快速冷却将奥氏体转变为马氏体而生成。由于DP590双相钢具有较高的强度及成本较低，因此在汽车领域中受到广泛关注。为了实现汽车轻量化，CFRP和DP590双相钢的连接不可避免。

本发明中的CFRP和DP590双相钢可以采用常规市售产品，以下实施例所用的CFRP材料的基体为热固性环氧树脂，纤维增强体为日本东丽公司(TORAY)生产的T700SC碳纤维(碳纤维材料每层的铺层角度为：45°/0°/－45°/90°/45°/0°/－45°/90°/0°/90°/90°/0°/90°/－45°/0°/45°/90°/－45°/0°/45°),最后采用热压灌方式成型，实验所用的CFRP板的厚度:2.0mm，T700SC碳纤维由于其轻质高强的特性，广泛用于纤维增强复合材料，T700SC性能和密度见表1-1。

表1-1 T700SC碳纤维性能

材料	密度(g/cm<sup>3</sup>)	抗拉强度(MPa)	弹性模量(GPa)
				T700SC	1.8	4900	230

DP590双相钢作为另一种粘接材料，DP590的化学成分见表1-2，表1-3为DP590双相钢的主要力学性能。以下实施例中选用的为2mm厚的DP590裸钢，胶接实验中CFRP和钢板的尺寸均为180mm×100mm。

表1-2 DP590双相钢化学成分

C	S	P	Mn	Si
					0.18	0.02	0.04	2.60	0.65

表1-3 DP590双相钢力学性能

屈服强度/MPa	硬度/％	伸长率/％	抗拉强度/MPa
				380	130	20	560

其余如无特别说明的原料或处理技术，则表明均为本领域的常规市售原料或常规处理技术。

实施例1：

采用Nd:YAG激光，激光波长为1064nm，脉宽为100ns，脉冲频率为5-500KHz，光斑直径为50um，最大输出平均功率100W，，对DP590钢板进行如表1和表2的激光表面处理，表1和表2分别为不同的激光处理参数以及各处理参数所对应的能量密度。

表1激光处理参数

表2各实验参数对应的能量密度

注：V表示扫描速度。

通过试验发现，采用本实施例的激光处理，可在以下三方面得到有效改进提升：

(1)改变金属的表面微观形貌，提高粗糙度

胶接过程中，提高表面粗糙度，有助于提高流动性好的胶粘剂形成的胶层和基材的机械嵌合力，从而增加胶层的粘接强度。但本发明通过研究发现，过大的表面粗糙度，对于有些流动性差的胶粘剂，无法完全填充在缝隙中，有些没有填充的部分就成为弱界层，对提高粘接强度的作用不明显。因此，本发明通过采用能量密度和搭接率匹配的方法，获得合适的表面微观形貌和粗糙度。

当脉冲激光照射到金属材料表面时，金属表面发生局部重熔，当金属表面的温度高于材料本身的汽化温度时，导致液态金属被推到其辐射区的边缘，在超高的冷却速度下凝固形成圆环。随着激光能量密度的增加，金属表面局部重熔的范围变大，圆环直径增加，和相邻的圆环发生相交，并且圆环的周围有类似于齿轮状突起。圆环的面积和突起的增加，导致表面粗糙度的增加。

同时，本发明采用调整圆环搭接率，随着搭接率的增加，出现圆环的能量密度大大降低。在钢板的激光表面处理的整体试验结果表明，增加能量密度可微观形貌改善并提高粗糙度；相同能量密度的情况下，有50％的搭接率时，对钢表面对表面微观形貌改善，提高粗糙度的效果优于无搭接的情况，参见图2-图5所示，其中，无搭接(R＝0时)过程的钢板表面微观形貌如图2，有搭接(R＝50％时)过程的钢板表面微观形貌如图3；图4为相同能量密度，不同搭接率的表面三维形貌；图5为不同参数下钢表面粗糙度。但是，当能量密度大于F＝35J/cm²时，微观形貌和粗糙度的变化不大。

具体的，上述各图中，A1、A4、A6、A8为搭接率为0％时的表面处理情况，可以看出当能量密度较小时(A1时)，脉冲激光不能使钢表面发生局部重熔，改变钢的微观形貌；随着能量密度的增加，从A4可以看出，钢表面开始出现由于激光斑点产生的圆环。随着能量密度进一步增大为A6时，可以看出圆环铺满了钢表面，钢的表面粗糙度大大增加，钢表面局部重熔的范围变大，圆环直径增加，和相邻的圆环发生相交，并且圆环的周围有类似于齿轮状突起，当能量密度增大到A8时，这种现象更为明显。原因可能为脉冲激光能量过大，使得圆环内融化金属增多，有一部分熔池来不及快速凝固，被脉冲激光冲击向四周流动，在圆环边缘凝固，从而产生齿轮状突起，并且圆环直径也进一步增大。

A9、A12、A14、A16为搭接率为50％时的表面处理情况，在同样能量密度的情况下，搭接率为50％的钢表面更容易出现圆环，表明有搭接率的情况下更有助于改变金属的表面微观形貌，提高粗糙度。

(2)改变钢表面接触角和表面能

通过改变不同的激光参数，所得改性处理金属表面与水和甲酰胺接触角分别如图6所示，不同参数下的表面能如图7所示。可见，随着能量密度的增加，水与甲酰胺的接触角不断减小，表面能逐步增加；当搭接率为50％时，相同能量密度情况下，有搭接率的表面接触角小于无搭接时的接触角，表面能的变化不明显。

(3)改善表面化学组成

激光表面处理可以降低钢表面的碳含量，提高钢表面的O和Fe含量。相同能量密度情况下，当搭接率为50％时，CC-C键含量降低，C-O、C＝O和O-C＝O等极性键的表面含量增加较显著，表面能极性成分增加，如表3和图8所示。

表3不同参数激光处理后表面化学组成(at.％)

处理方式	C/％	O/％	Fe/％
				AS	53.78	32.5	13.72
A4	50.9	34.69	14.41
				A8	43.67	38.34	17.99
A12	49.69	35.73	14.58
				A16	43.21	38.23	18.56

实施例2：

采用实施例1的金属表面激光处理方法，验证其对胶接性能的改进。本实施例选用车身常用材料DP590双相钢作为激光处理的材料和被粘结材料，具体的，DP590钢板为厚度2mm厚的裸钢。

另外，选用碳纤维增强复合材料(CFRP)作为另一种被粘结材料，CFRP材料的基体为热固性环氧树脂，CFRP板的厚度2.0mm。

将DP590双相钢按照酒精清洗(AS)、砂纸打磨(PS)，以及激光处理(参数A4、A8、A12、A16)分别进行表面处理后，与CFRP采用胶粘剂进行连接，所采用的胶粘剂分别环氧树脂胶粘剂(E型胶)和聚氨酯胶粘剂(PU型胶)。按两种胶的适用条件，E型胶的使用胶层厚度为0.2mm，PU型胶的胶层厚度为2mm。

将表面处理后的被粘物体上均匀涂抹胶粘剂，涂胶宽度为25mm，胶层厚度使用夹具缝隙控制，当使用环氧树脂胶粘剂时，保证胶层厚度为0.2mm；使用聚氨酯胶粘剂时，保证胶层厚度2mm。

两组被粘物体紧固定之后放于室温下固化7天。7天后拆开夹具，取出粘接好的钢板和CFRP板，按照ASTM1002 D3163-01胶接接头测试标准进行切割，对切割试样进行剪切破坏试验，测试各参数的胶接性能。

胶层失效(Ⅱ型)是理想的破坏方式。

不同表面处理后的剪切接头失效类型如表4所示，不同表面处理后接头的搭接抗剪强度如图9所示，图中，酒精清洗(AS)、砂纸打磨(PS)、AX表示钢板采用激光处理及其对应的实验参数代码(X为实验参数的代码)，具体的，AS-AS为钢板和CFRP均为酒精清洗，PS-PS为钢板和CFRP均为砂纸打磨，A4-PS为钢板采用A4参数的激光处理参数、砂纸打磨(PS)的CFRP。

表4不同表面处理后接头失效形式

注：Ⅰ表示界面破坏；Ⅱ表示胶层破坏；Ⅲ表示界面和胶层混合破坏。

结合表4和图9可知，对于E型胶粘剂，由于其自身流动性好，能够很好的填充在由于激光处理产生的圆环内，当固化后大大提高了接头的机械嵌合力，激光表面处理可以大幅度提高接头的抗剪强度，与酒精清洗相比，最大强度提升6.4倍；与砂纸打磨相比，最大提升约114％。随着激光能量密度的增加，胶接接头的抗剪强度不断提高，断口形貌从混合破坏转变为胶层破坏，使得界面破坏被完全消除。有搭接率为情况下，接头强度高于无搭接时的接头强度；合适的能量密度配合适当的搭接率的激光处理参数(如A12参数：F＝21.3J/cm² R＝50％)，对接头的性能提升效果显著；但过大的能量密度配合搭接率(如参数A16：F＝42.5J/cm² R＝50％)，随着能量密度的增大搭接率的效果被逐渐减弱，强度提升的效果反而不显著。

对于PU型胶粘剂，由于其自身流动性差，强度低，可能无法完全填充激光处理产生的圆环中，所以对表面形貌和粗糙度的变化反应不敏感，甚至会产生弱界层，导致PU型胶粘剂对于激光表面处理灵敏度不如E型胶粘剂。与酒精清洗(AS)相比，拉剪强度提升89％；与砂纸打磨相比，最大提升幅度(A16参数时)28％。接头失效模式，由AS情况下的界面破坏依转变为界面和胶层的混合破坏。胶接接头的抗剪强度提高比例不如E型胶粘剂的胶接接头。

图9中，AS-AS为酒精清洗后的胶接接头拉剪强度(2.21MPa)；PS-PS为砂纸打磨后的胶接接头拉剪强度(7.66MPa)；A4-PS为钢板采用A4参数，CFRP采用砂纸打磨，交接后的接头拉剪强度(9.88MPa)；A8-PS为钢板采用A8参数，CFRP采用砂纸打磨，交接后的接头拉剪强度14.4MPa)；A12为钢板采用A12参数，CFRP采用砂纸打磨，交接后的接头拉剪强度(13.15MPa)；A16为钢板采用A16参数，CFRP采用砂纸打磨，交接后的接头拉剪强度(16.35MPa)；

对于E-120HP胶，仅用酒精清洗处理后的胶接接头，胶接强度为2.21MPa。砂纸打磨后接头抗剪强度提高为7.66MPa，而激光处理后接头达到最大剪切强度16.35MPa，相较于未处理时接头强度提高了640％，喷砂处理后E胶接头强度可以提高为8.61MPa，但激光处理后接头强度远大于喷砂处理后的接头强度。表明激光处理可以很有效的提高胶接接头强度。对于激光处理的四种参数来说，随着激光能量密度的增加，可以看出接头的抗剪强度不断提高，断口形貌从混合破坏转变为胶层破坏，使得界面破坏被完全消除。参数A4和A12相比，当搭接率为50％时，接头强度高于无搭接时的接头强度，参数A8和A16相比，搭接率为50％的时候接头强度高于无搭接时的接头强度，但强度提升没有A4和A12之间的差距大，随着能量密度的增大搭接率的效果被逐渐减弱。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种改善胶接性能的金属表面激光处理方法，其特征在于，采用脉冲激光对DP590钢板表面进行扫描，确保扫描过程中相邻两个脉冲激光的斑点相互搭接，并通过改变不同的激光参数，以改变DP590钢板的微观形貌、粗糙度、接触角、表面能与化学组成，即完成处理；

扫描过程中，能量密度F为5-60J/cm²，相邻两个脉冲激光的斑点的搭接率R为40-60%，其中，

，其中，P为扫描过程中脉冲激光的平均功率，单位为W；f为脉冲激光的频率，单位为Hz；s为脉冲激光照射在金属表面的斑点的面积，单位为cm²；

，其中，D为脉冲激光照射在金属表面的斑点的直径，单位为μm；L为相邻两个斑点的圆心之间的距离，单位为μm；

扫描过程中，扫描速度为2-15m/s，脉冲频率为5~500KHz，光斑直径为30~80μm。

2.根据权利要求1所述的一种改善胶接性能的金属表面激光处理方法，其特征在于，发出脉冲激光的激光器选自气体激光器、准分子激光器、CO₂激光器、飞秒激光器、Nd：YAG激光器或Q开关Nd：YAG激光器中的一种。

3.根据权利要求2所述的一种改善胶接性能的金属表面激光处理方法，其特征在于，所述的激光器为Nd：YAG激光器。

4.根据权利要求1所述的一种改善胶接性能的金属表面激光处理方法，其特征在于，搭接率R为50%。

5.根据权利要求1所述的一种改善胶接性能的金属表面激光处理方法，其特征在于，脉冲激光的波长为1064nm，脉宽为100ns。

6.根据权利要求1所述的一种改善胶接性能的金属表面激光处理方法，其特征在于，处理完成后，适用于环氧树脂胶粘剂或聚氨酯胶粘剂的胶接。