CN112123789A - 一种金属/碳纤维增强热塑复合材料激光连接方法 - Google Patents

一种金属/碳纤维增强热塑复合材料激光连接方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种金属/碳纤维增强热塑复合材料激光连接方法，属于金属/碳纤维增强热塑材料加工技术领域。为解决金属与CFRTP界面机械嵌合不明显、化学键合弱的问题，本发明提供了一种金属/碳纤维增强热塑复合材料激光连接方法，包括在金属基板表面制备微织构、在微织构表面原位生成微米级多孔金属氧化物薄膜、将CFRTP板材与处理后的金属基板待连接部位叠放固定，在一定压力下完成激光连接获得强化接头。本发明通过对激光连接界面的形貌及化学状态的调控提高熔化的CFRTP在金属基板表面润湿铺展，使其填充于金属基板表面微织构及多孔薄膜内，促进机械嵌合、增加化学键合形成，从而提高金属基板与CFRTP板材激光连接的结合强度。

Description

一种金属/碳纤维增强热塑复合材料激光连接方法
技术领域
本发明属于金属/碳纤维增强热塑复合材料复合加工技术领域，尤其涉及一种金属/碳纤维增强热塑复合材料激光连接方法。
背景技术
异种轻质材料的连接作为实现轻量化的重要途径，已广泛应用于航空航天、轨道交通、汽车等先进制造领域。轻质合金具有较高的比强度、耐蚀性及耐热性，在航空制造、机车行业应用前景广阔。碳纤维增强树脂基热塑复合材料-CFRTP因具有较高比强度和比模量、耐冲击等优势已成为实现进一步轻量化的工程应用的替换材料，并应用于工程应用的主要承力部件中。实现两种材料的连接，对实现轻量化的推动进程具有极大的优势和应用前景。目前金属与CFRTP的连接已经应用于航空航天以及汽车领域。这种复合结构的薄弱部分往往是碳纤复合材料与金属连接的接头部位，这意味着接头的质量将直接决定着结构件的使用寿命。所以，实现碳纤维复合材料与金属材料高质量的连接是碳纤维复合材料工程化、产业化的关键，也是契合轻量化发展的必然趋势。
金属与CFRTP的连接受限于两者的热物理性能，如熔点、热导率及线膨胀系数等差异较大，难以形成高质量连接接头。目前应用于金属材料与热塑复合材料的连接工艺主要有机械铆接、胶接与焊接。机械铆接自身增重难以达到接头轻量化效果，胶接受限于胶液润湿性难以完成大面积连接。焊接工艺中电阻加热焊在接头内部会残存加热元件影响接头使用性能，超声波焊会破坏接头内复合材料的增强纤维结构，难以实现强度的进一步提高，搅拌摩擦焊在接头处会出现匙孔等缺陷降低连接强度。激光焊接凭借着其非接触、高效率、振动应力小等优势，在金属与CFRTP的连接上具有良好的应用前景。如申请号为201210581561.6的“一种新型激光透射焊接连接方法”的中国专利通过在金属表面制备凹坑改变表面形貌采用激光透射连接的方法可实现塑料与金属材料的高强度连接，但这种方法只适用于透光性较好的塑料且凹坑深度较浅，对于目前应用广泛的带有增强体的透光性较差的CFRTP适用性较差，且只考虑了从机械嵌合角度对接头强化。而对于CFRTP与金属材料的激光连接，目前应用较多的是激光热导连接，即金属基质置于热塑复合材料上方，激光扫描金属基质，将热量由金属基质表面传导至金属/热塑复合材料连接界面，当界面温度达到热塑复合材料熔化区间，树脂发生熔化，在外载荷压力及气泡内部高压作用下，界面区域局部熔化的树脂嵌入凹凸不平的金属表面内达成连接接头，促进界面发生机械互锁及化学元素扩散以达成机械连接及化学键合。
但是，界面机械互锁能力及化学键合强度影响着结合强度，进而影响连接接头的使用性能。金属与CFRTP的物理性能及微观结构差异较大，且激光焊接工艺窗口较窄，仅依靠工艺优化设计无法通过机械嵌合力及化学键合强度的进一步提高界面连接强度。
发明内容
为解决现有激光连接金属与CFRTP时由于界面机械嵌合不明显、化学键合强度弱造成的接头强度低的问题，本发明提供了一种金属/碳纤维增强热塑复合材料激光连接方法。
本发明的技术方案：
一种金属/碳纤维增强热塑复合材料激光连接方法，包括如下步骤：
步骤一、在去除表面油污及氧化膜的金属基板表面利用纳秒激光加工系统制备微织构；
步骤二、将步骤一所得制备微织构后的金属基板置于微弧氧化设备内，在金属表面微织构表面原位生成微米级多孔金属氧化物薄膜；
步骤三、将去除表面油污的CFRTP板材与步骤二所得金属基板待连接部位叠放固定，在一定压力下实施激光连接工艺，利用连续激光扫描金属板材表面，将热量由金属表面传递至连接界面处使CFRTP板材发生熔化，熔化的CFRTP板材在所述的已制备毛化微织构及微弧氧化多孔薄膜的金属基板表面润湿铺展，在界面压力的作用下将熔化的CFRTP填充于所述的金属基板表面微结构内，冷却至室温即完成金属基板与CFRTP板材的激光连接获得强化接头。
进一步的，步骤一所述去除金属基板表面油污及步骤三所述去除CFRTP板材表面油污的清理方法为对金属基板及CFRTP板材采用丙酮与酒精任意比例混合溶液超声清洗30～60s；CFRTP板材去除表面油污后，置于80～100℃烘干箱内烘干2～4h；步骤一所述去除金属基板表面氧化膜的方法为将去除表面油污的金属基板置于按体积百分含量由80％蒸馏水、15％硝酸和5％氢氟酸组成的混合酸溶液中，浸泡10～60s后用吹风机吹干。
进一步的，步骤一所述纳秒激光加工工艺为速度200～500mm/s、频率10～50kHz和功率50～100W，加工10～15次。
进一步的，步骤一所述微织构为网格状、沟槽状或凹坑状微米结构；所述微米结构宽度或直径为100～800μm，所述微米结构深度为10～200μm。
进一步的，步骤二所述微弧氧化工艺采用直流电源及电解质溶液构成的微弧氧化加工系统对已制备表面微织构的金属基板进行微弧氧化处理，使微织构表面形成微米级多孔状氧化膜；所述直流电源的电压为350～400V，所述电解质溶液为0.5～2mol/L的磷酸溶液，微弧氧化处理的时间为室温条件下氧化5～30min。
进一步的，步骤二所述金属表面微织构表面原位生成的微米级多孔金属氧化物薄膜的孔径为0.1～10μm。
进一步的，步骤三所述压力为0.1～0.8MPa。
进一步的，步骤三所述激光连接工艺为激光照射于金属基板表面光斑尺寸为60～300μm，激光功率为600～1500W，激光扫描速度为0.5～1.3m/min，激光偏转角度为0～30°，保护气体流速5～15L/min。
进一步的，所述金属基板为钛合金、不锈钢、铝合金或镁合金中的任意一种。
进一步的，所述CFRTP板材为碳纤维增强聚醚醚酮(CF-PEEK)、碳纤维增强尼龙(CF-PA)、碳纤维增强聚对苯二甲酸乙二酯(CF-PET)或碳纤维增强聚苯硫醚(CF-PPS)中的任意一种。
本发明的有益效果：
本发明提供了一种基于金属表面微织构与微弧氧化界面复合调控的金属/碳纤维增强热塑复合材料激光连接方法，通过对激光连接界面的形貌及化学状态的调控，在金属基板的表面进行表面微织构及微弧氧化多孔薄膜的制备，形成复合界面微结构。通过对连续激光的作用面积、功率、扫描速度及偏转角度的优化，使其与金属基板表面微织构形貌、尺寸及微弧氧化薄膜孔径的优化设计相匹配，在界面压力作用下，提高熔化的CFRTP在金属基板表面润湿铺展，使其填充于金属基板表面微织构及多孔薄膜内，增加界面接触面积、促进机械嵌合的发生、增加化学键合形成机率，从而提高金属基板与CFRTP板材激光连接的结合强度。与传统金属与CFRTP激光连接工艺相比，本发明复合工艺调控构件更加稳定，强度至少能够提高2倍，具有良好的工程应用及市场前景。
附图说明
图1为实施例1获得的基于金属表面微织构与微弧氧化界面复合调控的TC4/CF-PEEK激光连接界面的光镜图片；
图2为实施例1制备的表面带有微织构的金属基板表面微织构的形貌示意图；
图3为实施例1制备的表面带有微织构及微弧氧化多孔薄膜的金属基板表面微弧氧化多孔薄膜的形貌示意图；
图4为实施例1激光连接方法的激光连接工艺示意图；
图5为实施例1制备的TC4/CF-PEEK激光连接接头的正面外观照片；
图6为实施例1制备的TC4/CF-PEEK激光连接接头的反面外观照片；
图中：
1、表面带有微织构的金属基板；2、表面带有微织构及微弧氧化多孔薄膜的金属基板；3、待连接CFRTP板材；4、夹持装置；5、连续激光光源。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明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精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
实施例1
本实施例提供了一种金属/碳纤维增强热塑复合材料激光连接方法，并采用此方法完成了TC4钛合金与碳纤维增强聚醚醚酮(CF-PEEK)的激光连接，具体包括如下步骤：
步骤一、将待连接的TC4钛合金基板与CF-PEEK板材置于超声清洗容器内，在丙酮与酒精的任意比例混合溶液中清洗60s以去除表面油污，然后将清洗后的CF-PEEK板材置于80℃烘干箱内烘干2h，将TC4钛合金基板置于按体积百分含量由80％蒸馏水、15％硝酸和5％氢氟酸组成的混合溶液内清洗30s去除表面氧化膜，然后用吹风机吹干；
在经上述处理的TC4基板表面利用纳秒激光加工系统烧蚀制造网格状微织构，设定激光加工微织构形貌为宽度200μm、深度100μm的正方形网格形貌的微织构，将纳秒激光光源加工参数设定为速度300mm/s、频率20kHz、功率70W，加工10次后获得表面为正方形网格的微织构形貌；具体微织构的形貌示意图如图2所示。
步骤二、将步骤一所得带有表面微织构的TC4基板利用微弧氧化制备工艺进行微弧氧化处理，以表面带有微织构的TC4基板做阳极置于微弧氧化设备内，设定微弧氧化用电解质溶液为浓度0.5mol/L的磷酸溶液，在室温条件下设定稳定电压350V，氧化时间5min，在TC4基板表面微织构表面原位生成孔径为0.2μm的微弧氧化多孔薄膜；具体微弧氧化多孔薄膜的形貌示意图如图3所示。
本实施例所制备的金属表面微织构及微弧氧化多孔薄膜仅为改变金属基板表面形貌及状态，提高界面结合力的作用，目的在于改变金属基板表面粗糙度提高熔化的CF-PEEK板材在金属表面的润湿性，显著提高激光连接界面的熔化CF-PEEK板材在金属表面的机械嵌合能力并促进化学键合的生成，进一步提高接头强度。
步骤三、将步骤二所得表面带有微织构和微弧氧化多孔薄膜的TC4基板与待连接的CF-PEEK板材利用图4所示连续激光连接工艺实现两者的连接。将已制备表面微织构与微弧氧化多孔薄膜的TC4基板与待连接的CF-PEEK板材叠放在一起，利用夹持装置4固定，提升加工精度，既可以保证金属基板与CF-PEEK板材待连接区受力均匀，也可以防止CF-PEEK发生翘曲。
连续激光连接工艺具体为设定气缸压力0.5MPa，保护气氩气流速15L/min，激光光斑直径100μm，激光功率850W，激光扫描速度为0.8m/min，激光偏转角度为0°。
利用连续激光扫描金属板材表面，将热量由金属表面传递至连接界面处使CF-PEEK板材发生熔化，熔化的CF-PEEK板材在已制备毛化微织构及微弧氧化多孔薄膜的金属基板表面润湿铺展，在界面压力的作用下将熔化的CF-PEEK填充于所述的金属基板表面微结构内，实现TC4基板2与CF-PEEK板材3的连接，待冷却至室温后，即可完成金属基板与CF-PEEK板材的激光连接，获得基于金属表面微织构与微弧氧化多孔薄膜界面复合调控的TC4/CF-PEEK激光连接强化接头。
本实施例中施加连续激光仅作为提供金属基板与CF-PEEK板材连接的热源，但由于金属导热性较好，在界面处也会产生很高的热量，对激光作用面积、功率、扫描速度及偏转角度进行控制可以避免CF-PEEK过渡加热产生气孔缺陷及裂解现象。
金属基板表面的微织构及微弧氧化多孔薄膜仅作为促进界面机械互锁及化学键合的界面强化工艺手段，但熔化的CF-PEEK粘度较高，对微织构形貌、尺寸及微弧氧化多孔薄膜孔径的优化设计及匹配可实现熔化的CF-PEEK在金属基板表面的润湿铺展避免出现局部未连接现象。
图5和图6为实施例1制备的TC4/CF-PEEK激光连接接头的正面外观照片和反面外观照片；由图5和图6可以看出，焊接完成后，接头表面成形良好，无烧蚀，气孔等缺陷。
图1为实施例1获得的基于金属表面微织构与微弧氧化界面复合调控的TC4/CF-PEEK激光连接界面的光镜图片；通过对连接界面观察发现，熔化的CF-PEEK完全嵌入微织构及微弧氧化形成的微结构内，显著增强了界面机械嵌合作用。
实施例2
本实施例提供了一种金属/碳纤维增强热塑复合材料激光连接方法，并采用此方法完成了304不锈钢与碳纤维增强尼龙(CF-PA)的激光连接，具体包括如下步骤：
步骤一、将待连接的304不锈钢基板与CF-PA板材置于超声清洗容器内，在丙酮与酒精的任意比例混合溶液中清洗60s以去除表面油污，然后将清洗后的CF-PA板材置于100℃烘干箱内烘干4h，将304不锈钢基板置于按体积百分含量由80％蒸馏水、15％硝酸和5％氢氟酸组成的混合溶液内清洗60s去除表面氧化膜，然后用吹风机吹干；
在经上述处理的304不锈钢基板表面利用纳秒激光加工系统烧蚀制造沟槽状微织构，设定激光加工微织构形貌为宽度800μm、深度200μm的沟槽状形貌的微织构，将纳秒激光光源加工参数设定为速度500mm/s、频率50kHz、功率100W，加工15次后获得表面为沟槽状的微织构形貌。
步骤二、将步骤一所得带有表面微织构的304不锈钢基板利用微弧氧化制备工艺进行微弧氧化处理，以表面带有微织构的304不锈钢基板做阳极置于微弧氧化设备内，设定微弧氧化用电解质溶液为浓度1.0mol/L的磷酸溶液，在室温条件下设定稳定电压400V，氧化时间20min，在304不锈钢基板表面微织构表面原位生成孔径为5μm的微弧氧化多孔薄膜。
步骤三、将步骤二所得表面带有微织构和微弧氧化多孔薄膜的304不锈钢基板与待连接的CF-PA板材利用连续激光连接工艺实现两者的连接。将已制备表面微织构与微弧氧化多孔薄膜的304不锈钢基板与待连接的CF-PA板材叠放在一起，利用夹持装置固定。
连续激光连接工艺具体为设定气缸压力0.8MPa，保护气氩气流速15L/min，激光光斑直径300μm，激光功率1500W，激光扫描速度为1.3m/min，激光偏转角度为30°。
利用连续激光扫描金属板材表面，将热量由金属表面传递至连接界面处使CF-PA板材发生熔化，熔化的CF-PA板材在已制备毛化微织构及微弧氧化多孔薄膜的金属基板表面润湿铺展，在界面压力的作用下将熔化的CF-PA填充于所述的金属基板表面微结构内，实现304不锈钢基板与CF-PA板材的连接，待冷却至室温后，即可完成金属基板与CF-PA板材的激光连接，获得基于金属表面微织构与微弧氧化多孔薄膜界面复合调控的304不锈钢/CF-PA激光连接强化接头。
实施例3
本实施例提供了一种金属/碳纤维增强热塑复合材料激光连接方法，并采用此方法完成了6061铝合金与碳纤维增强聚对苯二甲酸乙二酯(CF-PET)的激光连接，具体包括如下步骤：
步骤一、将待连接的6061铝合金基板与CF-PET板材置于超声清洗容器内，在丙酮与酒精的任意比例混合溶液中清洗30s以去除表面油污，然后将清洗后的CF-PET板材置于80℃烘干箱内烘干2h，将6061铝合金基板置于按体积百分含量由80％蒸馏水、15％硝酸和5％氢氟酸组成的混合溶液内清洗40s去除表面氧化膜，然后用吹风机吹干；
在经上述处理的6061铝合金基板表面利用纳秒激光加工系统烧蚀制造凹坑状微织构，设定激光加工微织构形貌为宽度300μm、深度100μm的凹坑状形貌的微织构，将纳秒激光光源加工参数设定为速度200mm/s、频率10kHz、功率50W，加工11次后获得表面为凹坑状的微织构形貌。
步骤二、将步骤一所得带有表面微织构的6061铝合金基板利用微弧氧化制备工艺进行微弧氧化处理，以表面带有微织构的6061铝合金基板做阳极置于微弧氧化设备内，设定微弧氧化用电解质溶液为浓度1.5mol/L的磷酸溶液，在室温条件下设定稳定电压350V，氧化时间15min，在6061铝合金基板表面微织构表面原位生成孔径为3μm的微弧氧化多孔薄膜。
步骤三、将步骤二所得表面带有微织构和微弧氧化多孔薄膜的6061铝合金基板与待连接的CF-PET板材利用连续激光连接工艺实现两者的连接。将已制备表面微织构与微弧氧化多孔薄膜的6061铝合金基板与待连接的CF-PET板材叠放在一起，利用夹持装置固定。
连续激光连接工艺具体为设定气缸压力0.1MPa，保护气氩气流速10L/min，激光光斑直径60μm，激光功率600W，激光扫描速度为0.5m/min，激光偏转角度为10°。
利用连续激光扫描金属板材表面，将热量由金属表面传递至连接界面处使CF-PET板材发生熔化，熔化的CF-PET板材在已制备毛化微织构及微弧氧化多孔薄膜的金属基板表面润湿铺展，在界面压力的作用下将熔化的CF-PET填充于所述的金属基板表面微结构内，实现6061铝合金基板与CF-PET板材的连接，待冷却至室温后，即可完成金属基板与CF-PET板材的激光连接，获得基于金属表面微织构与微弧氧化多孔薄膜界面复合调控的6061铝合金/CF-PET激光连接强化接头。
实施例4
本实施例提供了一种金属/碳纤维增强热塑复合材料激光连接方法，并采用此方法完成了AZ31B镁合金与碳纤维增强聚苯硫醚(CF-PPS)的激光连接，具体包括如下步骤：
步骤一、将待连接的AZ31B镁合金基板与CF-PPS板材置于超声清洗容器内，在丙酮与酒精的任意比例混合溶液中清洗40s以去除表面油污，然后将清洗后的CF-PPS板材置于80℃烘干箱内烘干3h，将AZ31B镁合金基板置于按体积百分含量由80％蒸馏水、15％硝酸和5％氢氟酸组成的混合溶液内清洗50s去除表面氧化膜，然后用吹风机吹干；
在经上述处理的AZ31B镁合金基板表面利用纳秒激光加工系统烧蚀制造正方形网格状微织构，设定激光加工微织构形貌为宽度500μm、深度100μm的正方形网格状形貌的微织构，将纳秒激光光源加工参数设定为速度400mm/s、频率30kHz、功率80W，加工12次后获得表面为正方形网格状的微织构形貌。
步骤二、将步骤一所得带有表面微织构的AZ31B镁合金基板利用微弧氧化制备工艺进行微弧氧化处理，以表面带有微织构的AZ31B镁合金基板做阳极置于微弧氧化设备内，设定微弧氧化用电解质溶液为浓度2.0mol/L的磷酸溶液，在室温条件下设定稳定电压400V，氧化时间10min，在AZ31B镁合金基板表面微织构表面原位生成孔径为10μm的微弧氧化多孔薄膜。
步骤三、将步骤二所得表面带有微织构和微弧氧化多孔薄膜的AZ31B镁合金基板与待连接的CF-PPS板材利用连续激光连接工艺实现两者的连接。将已制备表面微织构与微弧氧化多孔薄膜的AZ31B镁合金基板与待连接的CF-PPS板材叠放在一起，利用夹持装置固定。
连续激光连接工艺具体为设定气缸压力0.3MPa，保护气氩气流速15L/min，激光光斑直径200μm，激光功率1000W，激光扫描速度为1.0m/min，激光偏转角度为15°。
利用连续激光扫描金属板材表面，将热量由金属表面传递至连接界面处使CF-PPS板材发生熔化，熔化的CF-PPS板材在已制备毛化微织构及微弧氧化多孔薄膜的金属基板表面润湿铺展，在界面压力的作用下将熔化的CF-PPS填充于所述的金属基板表面微结构内，实现AZ31B镁合金基板与CF-PPS板材的连接，待冷却至室温后，即可完成金属基板与CF-PPS板材的激光连接，获得基于金属表面微织构与微弧氧化多孔薄膜界面复合调控的AZ31B镁合金/CF-PPS激光连接强化接头。
实施例5
本实施例提供了一种金属/碳纤维增强热塑复合材料激光连接方法，并采用此方法完成了TA1钛合金与碳纤维增强尼龙(CF-PA)的激光连接，具体包括如下步骤：
步骤一、将待连接的TA1钛合金基板与CF-PA板材置于超声清洗容器内，在丙酮与酒精的任意比例混合溶液中清洗60s以去除表面油污，然后将清洗后的CF-PA板材置于80℃烘干箱内烘干2h，将TA1钛合金基板置于按体积百分含量由80％蒸馏水、15％硝酸和5％氢氟酸组成的混合溶液内清洗30s去除表面氧化膜，然后用吹风机吹干；
在经上述处理的TA1钛合金基板表面利用纳秒激光加工系统烧蚀制造正方形网格状微织构，设定激光加工微织构形貌为宽度200μm、深度100μm的正方形网格状形貌的微织构，将纳秒激光光源加工参数设定为速度300mm/s、频率20kHz、功率70W，加工10次后获得表面为正方形网格状的微织构形貌。
步骤二、将步骤一所得带有表面微织构的TA1钛合金基板利用微弧氧化制备工艺进行微弧氧化处理，以表面带有微织构的TA1钛合金基板做阳极置于微弧氧化设备内，设定微弧氧化用电解质溶液为浓度0.5mol/L的磷酸溶液，在室温条件下设定稳定电压350V，氧化时间5min，在TA1钛合金基板表面微织构表面原位生成孔径为0.5μm的微弧氧化多孔薄膜。
步骤三、将步骤二所得表面带有微织构和微弧氧化多孔薄膜的TA1钛合金基板与待连接的CF-PA板材利用连续激光连接工艺实现两者的连接。将已制备表面微织构与微弧氧化多孔薄膜的TA1钛合金基板与待连接的CF-PA板材叠放在一起，利用夹持装置固定。
连续激光连接工艺具体为设定气缸压力0.5MPa，保护气氩气流速15L/min，激光光斑直径100μm，激光功率850W，激光扫描速度为0.8m/min，激光偏转角度为0°。
利用连续激光扫描金属板材表面，将热量由金属表面传递至连接界面处使CF-PA板材发生熔化，熔化的CF-PA板材在已制备毛化微织构及微弧氧化多孔薄膜的金属基板表面润湿铺展，在界面压力的作用下将熔化的CF-PA填充于所述的金属基板表面微结构内，实现TA1钛合金基板与CF-PA板材的连接，待冷却至室温后，即可完成金属基板与CF-PA板材的激光连接，获得基于金属表面微织构与微弧氧化多孔薄膜界面复合调控的TA1钛合金/CF-PA激光连接强化接头。
实施例6
本实施例提供了一种金属/碳纤维增强热塑复合材料激光连接方法，并采用此方法完成了316L不锈钢与碳纤维增强聚醚醚酮(CF-PEEK)的激光连接，具体包括如下步骤：
步骤一、将待连接的316L不锈钢基板与CF-PEEK板材置于超声清洗容器内，在丙酮与酒精的任意比例混合溶液中清洗60s以去除表面油污，然后将清洗后的CF-PEEK板材置于100℃烘干箱内烘干4h，将316L不锈钢基板置于按体积百分含量由80％蒸馏水、15％硝酸和5％氢氟酸组成的混合溶液内清洗60s去除表面氧化膜，然后用吹风机吹干；
在经上述处理的316L不锈钢基板表面利用纳秒激光加工系统烧蚀制造沟槽状微织构，设定激光加工微织构形貌为宽度800μm、深度200μm的沟槽状形貌的微织构，将纳秒激光光源加工参数设定为速度500mm/s、频率50kHz、功率100W，加工15次后获得表面为沟槽状的微织构形貌。
步骤二、将步骤一所得带有表面微织构的316L不锈钢基板利用微弧氧化制备工艺进行微弧氧化处理，以表面带有微织构的316L不锈钢基板做阳极置于微弧氧化设备内，设定微弧氧化用电解质溶液为浓度1.0mol/L的磷酸溶液，在室温条件下设定稳定电压400V，氧化时间20min，在316L不锈钢基板表面微织构表面原位生成孔径为5μm的微弧氧化多孔薄膜。
步骤三、将步骤二所得表面带有微织构和微弧氧化多孔薄膜的316L不锈钢基板与待连接的CF-PEEK板材利用连续激光连接工艺实现两者的连接。将已制备表面微织构与微弧氧化多孔薄膜的316L不锈钢基板与待连接的CF-PEEK板材叠放在一起，利用夹持装置固定。
连续激光连接工艺具体为设定气缸压力0.8MPa，保护气氩气流速15L/min，激光光斑直径300μm，激光功率1500W，激光扫描速度为1.3m/min，激光偏转角度为30°。
利用连续激光扫描金属板材表面，将热量由金属表面传递至连接界面处使CF-PEEK板材发生熔化，熔化的CF-PEEK板材在已制备毛化微织构及微弧氧化多孔薄膜的金属基板表面润湿铺展，在界面压力的作用下将熔化的CF-PEEK填充于所述的金属基板表面微结构内，实现316L不锈钢基板与CF-PEEK板材的连接，待冷却至室温后，即可完成金属基板与CF-PEEK板材的激光连接，获得基于金属表面微织构与微弧氧化多孔薄膜界面复合调控的316L不锈钢/CF-PEEK激光连接强化接头。
实施例7
本实施例提供了一种金属/碳纤维增强热塑复合材料激光连接方法，并采用此方法完成了5A06铝合金与碳纤维增强聚苯硫醚(CF-PPS)的激光连接，具体包括如下步骤：
步骤一、将待连接的5A06铝合金基板与CF-PPS板材置于超声清洗容器内，在丙酮与酒精的任意比例混合溶液中清洗30s以去除表面油污，然后将清洗后的CF-PPS板材置于80℃烘干箱内烘干2h，将5A06铝合金基板置于按体积百分含量由80％蒸馏水、15％硝酸和5％氢氟酸组成的混合溶液内清洗40s去除表面氧化膜，然后用吹风机吹干；
在经上述处理的5A06铝合金基板表面利用纳秒激光加工系统烧蚀制造凹坑状微织构，设定激光加工微织构形貌为宽度300μm、深度100μm的凹坑状形貌的微织构，将纳秒激光光源加工参数设定为速度200mm/s、频率10kHz、功率50W，加工11次后获得表面为凹坑状的微织构形貌。
步骤二、将步骤一所得带有表面微织构的5A06铝合金基板利用微弧氧化制备工艺进行微弧氧化处理，以表面带有微织构的5A06铝合金基板做阳极置于微弧氧化设备内，设定微弧氧化用电解质溶液为浓度1.5mol/L的磷酸溶液，在室温条件下设定稳定电压350V，氧化时间15min，在5A06铝合金基板表面微织构表面原位生成孔径为3μm的微弧氧化多孔薄膜。
步骤三、将步骤二所得表面带有微织构和微弧氧化多孔薄膜的5A06铝合金基板与待连接的CF-PPS板材利用连续激光连接工艺实现两者的连接。将已制备表面微织构与微弧氧化多孔薄膜的5A06铝合金基板与待连接的CF-PPS板材叠放在一起，利用夹持装置固定。
连续激光连接工艺具体为设定气缸压力0.1MPa，保护气氩气流速10L/min，激光光斑直径60μm，激光功率600W，激光扫描速度为0.5m/min，激光偏转角度为10°。
利用连续激光扫描金属板材表面，将热量由金属表面传递至连接界面处使CF-PPS板材发生熔化，熔化的CF-PPS板材在已制备毛化微织构及微弧氧化多孔薄膜的金属基板表面润湿铺展，在界面压力的作用下将熔化的CF-PPS填充于所述的金属基板表面微结构内，实现5A06铝合金基板与CF-PPS板材的连接，待冷却至室温后，即可完成金属基板与CF-PPS板材的激光连接，获得基于金属表面微织构与微弧氧化多孔薄膜界面复合调控的5A06铝合金/CF-PPS激光连接强化接头。
实施例8
本实施例提供了一种金属/碳纤维增强热塑复合材料激光连接方法，并采用此方法完成了AZ61镁合金与碳纤维增强聚对苯二甲酸乙二酯(CF-PET)的激光连接，具体包括如下步骤：
步骤一、将待连接的AZ61镁合金基板与CF-PET板材置于超声清洗容器内，在丙酮与酒精的任意比例混合溶液中清洗40s以去除表面油污，然后将清洗后的CF-PET板材置于80℃烘干箱内烘干3h，将AZ61镁合金基板置于按体积百分含量由80％蒸馏水、15％硝酸和5％氢氟酸组成的混合溶液内清洗50s去除表面氧化膜，然后用吹风机吹干；
在经上述处理的AZ61镁合金基板表面利用纳秒激光加工系统烧蚀制造正方形网格状微织构，设定激光加工微织构形貌为宽度500μm、深度100μm的正方形网格状形貌的微织构，将纳秒激光光源加工参数设定为速度400mm/s、频率30kHz、功率80W，加工12次后获得表面为正方形网格状的微织构形貌。
步骤二、将步骤一所得带有表面微织构的AZ61镁合金基板利用微弧氧化制备工艺进行微弧氧化处理，以表面带有微织构的AZ61镁合金基板做阳极置于微弧氧化设备内，设定微弧氧化用电解质溶液为浓度2.0mol/L的磷酸溶液，在室温条件下设定稳定电压400V，氧化时间10min，在AZ61镁合金基板表面微织构表面原位生成孔径为10μm的微弧氧化多孔薄膜。
步骤三、将步骤二所得表面带有微织构和微弧氧化多孔薄膜的AZ61镁合金基板与待连接的CF-PET板材利用连续激光连接工艺实现两者的连接。将已制备表面微织构与微弧氧化多孔薄膜的AZ61镁合金基板与待连接的CF-PET板材叠放在一起，利用夹持装置固定。
连续激光连接工艺具体为设定气缸压力0.3MPa，保护气氩气流速15L/min，激光光斑直径200μm，激光功率1000W，激光扫描速度为1.0m/min，激光偏转角度为15°。
利用连续激光扫描金属板材表面，将热量由金属表面传递至连接界面处使CF-PET板材发生熔化，熔化的CF-PET板材在已制备毛化微织构及微弧氧化多孔薄膜的金属基板表面润湿铺展，在界面压力的作用下将熔化的CF-PET填充于所述的金属基板表面微结构内，实现AZ61镁合金基板与CF-PET板材的连接，待冷却至室温后，即可完成金属基板与CF-PET板材的激光连接，获得基于金属表面微织构与微弧氧化多孔薄膜界面复合调控的AZ61镁合金/CF-PET激光连接强化接头。
对比例1
本对比例提供了无微织构、无微弧氧化多孔薄膜的金属/碳纤维增强热塑复合材料激光连接方法，并采用此方法完成了TC4钛合金与碳纤维增强聚醚醚酮(CF-PEEK)的激光连接，具体包括如下步骤：
步骤一、将待连接的TC4钛合金基板与CF-PEEK板材置于超声清洗容器内，在丙酮与酒精的任意比例混合溶液中清洗60s以去除表面油污，然后将清洗后的CF-PEEK板材置于80℃烘干箱内烘干2h，将TC4钛合金基板置于按体积百分含量由80％蒸馏水、15％硝酸和5％氢氟酸组成的混合溶液内清洗30s去除表面氧化膜，然后用吹风机吹干；
步骤二、将步骤一的TC4基板与待连接的CF-PEEK板材利用连续激光连接工艺实现两者的连接。将TC4基板与待连接的CF-PEEK板材叠放在一起，利用夹持装置固定。连续激光连接工艺具体为设定气缸压力0.5MPa，保护气氩气流速15L/min，激光光斑直径100μm，激光功率850W，激光扫描速度为0.8m/min，激光偏转角度为0°，实现TC4基板与CF-PEEK板材的连接，待冷却至室温后，获得TC4/CF-PEEK激光连接接头。
对比例2
本实施例提供了仅有微织构、无微弧氧化多孔薄膜的金属/碳纤维增强热塑复合材料激光连接方法，并采用此方法完成了TC4钛合金与碳纤维增强聚醚醚酮(CF-PEEK)的激光连接，具体包括如下步骤：
步骤一、将待连接的TC4钛合金基板与CF-PEEK板材置于超声清洗容器内，在丙酮与酒精的任意比例混合溶液中清洗60s以去除表面油污，然后将清洗后的CF-PEEK板材置于80℃烘干箱内烘干2h，将TC4钛合金基板置于按体积百分含量由80％蒸馏水、15％硝酸和5％氢氟酸组成的混合溶液内清洗30s去除表面氧化膜，然后用吹风机吹干；
在经上述处理的TC4基板表面利用纳秒激光加工系统烧蚀制造网格状微织构，设定激光加工微织构形貌为宽度200μm、深度100μm的正方形网格形貌的微织构，将纳秒激光光源加工参数设定为速度300mm/s、频率20kHz、功率70W，加工10次后获得表面为正方形网格的微织构形貌。
步骤二、将步骤一所得表面带有微织构的TC4基板与待连接的CF-PEEK板材利用连续激光连接工艺实现两者的连接。将已制备表面微织构的TC4基板与待连接的CF-PEEK板材叠放在一起，利用夹持装置固定。连续激光连接工艺具体为设定气缸压力0.5MPa，保护气氩气流速15L/min，激光光斑直径100μm，激光功率850W，激光扫描速度为0.8m/min，激光偏转角度为0°，实现TC4基板与CF-PEEK板材的连接，待冷却至室温后，获得TC4/CF-PEEK激光连接接头。
对实施例1-实施例8、对比例1和对比例2制备的相同尺寸构件进行剪切力测试，测试结果如表1所示。
表1
测试项 链接材料 剪切力(N)
实施例1 TC4/CF-PEEK 2621
实施例2 304不锈钢/CF-PA 2640
实施例3 6061铝合金/CF-PET 2050
实施例4 AZ31B镁合金/CF-PPS 950
实施例5 TA1钛合金/CF-PA 1156
实施例6 316L不锈钢/CF-PEEK 3040
实施例7 5A06铝合金/CF-PPS 2845
实施例8 AZ61/CF-PET 1046
对比例1 TC4/CF-PEEK 1023
对比例2 TC4/CF-PEEK 1655
由表1数据对比可以看出，采用金属表面微织构与微弧氧化界面复合调控的TC4/CF-PEEK激光连接接头的剪切力由1023N提高至2621N，提高了近1.6倍，相比于只制备微织构而未进行微弧氧化的TC4/CF-PEEK激光连接接头剪切力1655N，提高了近0.6倍。
本发明通过对金属基板表面制备微织构及微米级微弧氧化膜，改变金属基板表面化学状态、粗糙度及熔化的CFRTP在金属基板表面的润湿性，促进熔化的CFRTP在金属基板表面填充嵌合，促进机械互锁以提高机械嵌合力；微弧氧化多孔薄膜的引入进一步增加了界面接触接触面积，改变了金属基板的表面状态，促进金属基质及氧化膜与CFRTP中树脂基不同形式高分子链形成新的化学键合及化学物相，通过对实施例1接头焊后界面元素分布及键合分析发现有新的化学键与渗碳相CTi0.42V1.58及TiC生成，进一步促进化学连接的形式提高了界面结合强度。

Claims (10)

1.一种金属/碳纤维增强热塑复合材料激光连接方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、在去除表面油污及氧化膜的金属基板表面利用纳秒激光加工系统制备微织构；
步骤二、将步骤一所得制备微织构后的金属基板置于微弧氧化设备内，在金属表面微织构表面原位生成微米级多孔金属氧化物薄膜；
步骤三、将去除表面油污的CFRTP板材与步骤二所得金属基板待连接部位叠放固定，在一定压力下实施激光连接工艺，完成金属基板与CFRTP板材的激光连接获得强化接头。
2.根据权利要求1所述一种金属/碳纤维增强热塑复合材料激光连接方法，其特征在于，步骤一所述去除金属基板表面油污及步骤三所述去除CFRTP板材表面油污的清理方法为对金属基板及CFRTP板材采用丙酮与酒精任意比例混合溶液超声清洗30～60s；步骤一所述去除金属基板表面氧化膜的方法为将去除表面油污的金属基板置于按体积百分含量由80％蒸馏水、15％硝酸和5％氢氟酸组成的混合酸溶液中，浸泡10～60s。
3.根据权利要求1或2所述一种金属/碳纤维增强热塑复合材料激光连接方法，其特征在于，步骤一所述纳秒激光加工工艺为速度200～500mm/s、频率10～50kHz和功率50～100W，加工10～15次。
4.根据权利要求3所述一种金属/碳纤维增强热塑复合材料激光连接方法，其特征在于，步骤一所述微织构为网格状、沟槽状或凹坑状微米结构；所述微米结构宽度或直径为100～800μm，所述微米结构深度为10～200μm。
5.根据权利要求4所述一种金属/碳纤维增强热塑复合材料激光连接方法，其特征在于，步骤二所述微弧氧化工艺采用直流电源及电解质溶液构成的微弧氧化加工系统对已制备表面微织构的金属基板进行微弧氧化处理，所述直流电源的电压为350～400V，所述电解质溶液为0.5～2mol/L的磷酸溶液，微弧氧化处理的时间为室温条件下氧化5～30min。
6.根据权利要求5所述一种金属/碳纤维增强热塑复合材料激光连接方法，其特征在于，步骤二所述金属表面微织构表面原位生成的微米级多孔金属氧化物薄膜的孔径为0.1～10μm。
7.根据权利要求6所述一种金属/碳纤维增强热塑复合材料激光连接方法，其特征在于，步骤三所述压力为0.1～0.8MPa。
8.根据权利要求7所述一种金属/碳纤维增强热塑复合材料激光连接方法，其特征在于，步骤三所述激光连接工艺为激光照射于金属基板表面光斑尺寸为60～300μm，激光功率为600～1500W，激光扫描速度为0.5～1.3m/min，激光偏转角度为0～30°，保护气体流速5～15L/min。
9.根据权利要求8所述一种金属/碳纤维增强热塑复合材料激光连接方法，其特征在于，所述金属基板为钛合金、不锈钢、铝合金或镁合金中的任意一种。
10.根据权利要求9所述一种金属/碳纤维增强热塑复合材料激光连接方法，其特征在于，所述CFRTP板材为碳纤维增强聚醚醚酮、碳纤维增强尼龙、碳纤维增强聚对苯二甲酸乙二酯或碳纤维增强聚苯硫醚中的任意一种。
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