CN113305437A - 一种热塑性复合材料-金属激光焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种热塑性复合材料‑金属激光焊接方法，（1）在金属表面/侧面制备微织构；（2）在微织构表面铺设一层热塑性粉末材料；（3）利用激光在粉末层上扫描，将加热熔化树脂并嵌入微织构，形成塑化层；（4）将热塑性复合材料与表面塑化后的金属材料进行激光焊接。本发明在焊接前，先利用激光在微织构化的金属形成一层塑化层，该塑化层与金属形成牢固的嵌入咬合。焊接时，塑化层与复合材料树脂基体同时熔化焊接在一起，形成牢固的树脂‑金属异质材料焊接接头。

Description

一种热塑性复合材料-金属激光焊接方法
技术领域
本发明涉及激光焊接领域，特别是涉及一种热塑性复合材料-金属激光焊接方法。
背景技术
热塑性复合材料可在熔融状态下可成为无定形状的制品，并可再加热熔融而制成另一种形状的制品,还可重复多次再生使用而其物理机械性能不发生显著的变化。另外，它可一次性制成形状十分复杂而尺寸十分精密的制品，生产周期仅需数分钟。由于热塑性塑料经过增强后，性能大为提高，有些机械性能已跨进了金属强度的范围，从而大大扩展了复合材料的使用范围，可以代替金属和木材。
在复合材料使用过程中，面临着与金属材料之间的连接问题，激光焊接时实现复合材料与金属高质量连接的有效方法，而在金属表面制备微织构可以显著提升连接强度，但是，采用这种微织构复合激光焊接的方法存在一个问题，微织构很难被熔融树脂完全填充，焊接时会形成微织构焊接空穴，影响到焊接强度的进一步提升，同时也是焊接接头失效的一个潜在危险。基于此，本发明提出一种热塑性复合材料-金属激光焊接方法。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出了一种热塑性复合材料-金属激光焊接方法，其先在金属表面/侧面制备微织构；然后在微织构表面铺设一层热塑性粉末材料；最后利用激光在粉末层上扫描，加热熔化树脂并嵌入微织构，形成塑化层。
本发明提出了一种热塑性复合材料-金属激光焊接方法，具体步骤如下：
（1）在金属表面/侧面制备微织构；
（2）在微织构表面铺设一层热塑性粉末材料；
（3）利用激光在粉末层上扫描，将加热熔化树脂并嵌入微织构，形成塑化层；
（4）将热塑性复合材料与表面塑化后的金属材料进行激光焊接。
作为本发明进一步改进，所述金属为钛合金或铝合金或不锈钢或铜合金或高温合金或镁合金，本发明多种合金均适合使用。
作为本发明进一步改进，所述步骤（1）金属表面制备微织构的加工方法为机械刀具加工或喷丸加工或喷砂加工或激光微加工、电加工或超声加工，所述步骤（1）金属表面制备微织构的加工方法为一种或者两种及以上混合加工，本发明多种加工方式都可以使用包括混合加工。
作为本发明进一步改进，所述步骤（2）热塑性粉末材料为PA热塑性材料或PC热塑性材料或PPS热塑性材料或PEEK热塑性材料，所述热塑性复合材料为碳纤维增强热塑性复合材料或玻璃纤维增强热塑性复合材料或芳纶纤维增强热塑性复合材料，所述热塑性复合材料的树脂应于金属表面塑化的热塑性粉末材料一致，本发明多种热固性复合材料均适合使用。
作为本发明进一步改进，所述热塑性粉末的粉末粒径小于500微米，所述热塑性粉末铺设厚度应小于1mm，本申请热塑性粉末材料多种，并且需要保证热塑性粉末铺设厚度小于1mm。
作为本发明进一步改进，所述步骤（3）粉末层熔覆激光为连续激光或脉冲激光，所述激光的波长为红外波长或可见光波长或紫外波长，所述激光熔覆时激光束处于离焦状态。
作为本发明进一步改进，所述步骤（4）激光焊接方法为搭接焊接，具体如下：
（1）把热塑性复合材料与表面塑化的金属材料搭接在一起，其中金属塑化层与复合材料接触，热塑性复合材料在下，金属材料在上，用工装夹持并施加一定加紧力；
（2）激光束在非塑化层的金属面扫描，金属吸收激光产生热量，通过热传导致使塑化层树脂与复合材料树脂熔化结合，冷却后形成焊接接头。
作为本发明进一步改进，所述步骤（4）激光焊接方法为对接焊接，具体如下：
（1）把热塑性复合材料与侧面塑化的金属材料对接在一起，其中金属塑化层与复合材料接触，用工装夹持并施加一定的加紧力；
（2）激光束在金属表面扫描，金属吸收激光产生热量，通过热传导致使塑化层树脂与复合材料树脂熔化结合，冷却后形成焊接接头。
本发明提出的热塑性复合材料-金属激光焊接方法，可以显著提升焊接接头的强度和疲劳寿命，解决复合材料-金属机械连接、胶结面临的应力集中、环境适应性差的问题，在汽车轻量化制造、航空航天领域有着广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明钛合金表面激光塑化处理的实现示意图；
图2为本发明钛合金-复合材料激光搭接焊实现示意图；
图3为本发明钛合金-复合材料激光对接焊实现示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
本发明提出了一种热塑性复合材料-金属激光焊接方法，其先在金属表面/侧面制备微织构；然后在微织构表面铺设一层热塑性粉末材料；最后利用激光在粉末层上扫描，加热熔化树脂并嵌入微织构，形成塑化层。
作为本发明一种实施例，具体实施过程如下，如图1所示：
（1）利用波长532nm、脉宽50ns的激光器，在钛合金表面制备微织构，形成深度和宽度为100微米的微织构，微织构的间隔为100微米。
（2）在处理好的微织构表面铺设一层PA树脂粉末，粉末粒径为50微米，铺设层后为100微米。
（3）利用离焦的激光束对铺设树脂层进行扫描加热，直至树脂粉末完全融化，形成塑化层，其中离焦激光束的光斑为600微米，激光波长为1064nm，脉冲宽度为120ns，功率为100W，重复频率为20KHz。
利用离焦的激光束对铺设树脂层进行扫描加热，直至树脂粉末完全融化，形成塑化层过程中钛合金-复合材料激光搭接焊实现如图2所示；
（1）把塑化处理后钛合金与碳纤维增强热塑性复合材料（PA树脂基）搭接在一起，金属塑化层与复合材料贴合，并实现外部夹持力。
（2）波长1064nm的激光束在钛合金表面扫描加热，通过热传导是金属塑化层与复合材料树脂基体熔化，冷却凝固后焊接在一起，形成搭接焊焊接接头。
利用离焦的激光束对铺设树脂层进行扫描加热，直至树脂粉末完全融化，形成塑化层过程中钛合金-复合材料激光对接焊实现如图3所示；
（1）把侧面塑化处理后钛合金与碳纤维增强热塑性复合材料（PA树脂基）对接在一起，金属塑化层与复合材料贴合，并实现外部夹持力。
（2）波长1064nm的激光束在钛合金表面扫描加热，通过热传导是金属塑化层与复合材料树脂基体熔化，冷却凝固后焊接在一起，形成对接焊焊接接头。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种热塑性复合材料-金属激光焊接方法，具体步骤如下，其特征在于：
（1）在金属表面/侧面制备微织构；
（2）在微织构表面铺设一层热塑性粉末材料；
（3）利用激光在粉末层上扫描，将加热熔化树脂并嵌入微织构，形成塑化层；
（4）将热塑性复合材料与表面塑化后的金属材料进行激光焊接。
2.根据权利要求1所述的一种热塑性复合材料-金属激光焊接方法，其特征在于，所述金属为钛合金或铝合金或不锈钢或铜合金或高温合金或镁合金。
3.根据权利要求1所述的一种热塑性复合材料-金属激光焊接方法，其特征在于，所述步骤（1）金属表面制备微织构的加工方法为机械刀具加工或喷丸加工或喷砂加工或激光微加工、电加工或超声加工。
4.根据权利要求3所述的一种热塑性复合材料-金属激光焊接方法，其特征在于，所述步骤（1）金属表面制备微织构的加工方法为一种或者两种及以上混合加工。
5.根据权利要求1所述的一种热塑性复合材料-金属激光焊接方法，其特征在于，所述步骤（2）热塑性粉末材料为PA热塑性材料或PC热塑性材料或PPS热塑性材料或PEEK热塑性材料。
6.根据权利要求1所述的一种热塑性复合材料-金属激光焊接方法，其特征在于，所述热塑性复合材料为碳纤维增强热塑性复合材料或玻璃纤维增强热塑性复合材料或芳纶纤维增强热塑性复合材料，所述热塑性复合材料的树脂应于金属表面塑化的热塑性粉末材料一致。
7.根据权利要求6所述的一种热塑性复合材料-金属激光焊接方法，其特征在于，所述热塑性粉末的粉末粒径小于500微米，所述热塑性粉末铺设厚度应小于1mm。
8.根据权利要求1所述的一种热塑性复合材料-金属激光焊接方法，其特征在于，所述步骤（3）粉末层熔覆激光为连续激光或脉冲激光，所述激光的波长为红外波长或可见光波长或紫外波长，所述激光熔覆时激光束处于离焦状态。
9.根据权利要求1所述的一种热塑性复合材料-金属激光焊接方法，其特征在于，所述步骤（4）激光焊接方法为搭接焊接，具体如下：
（1）把热塑性复合材料与表面塑化的金属材料搭接在一起，其中金属塑化层与复合材料接触，热塑性复合材料在下，金属材料在上，用工装夹持并施加一定加紧力；
（2）激光束在非塑化层的金属面扫描，金属吸收激光产生热量，通过热传导致使塑化层树脂与复合材料树脂熔化结合，冷却后形成焊接接头。
10.根据权利要求1所述的一种热塑性复合材料-金属激光焊接方法，其特征在于，所述步骤（4）激光焊接方法为对接焊接，具体如下：
（1）把热塑性复合材料与侧面塑化的金属材料对接在一起，其中金属塑化层与复合材料接触，用工装夹持并施加一定的加紧力；
（2）激光束在金属表面扫描，金属吸收激光产生热量，通过热传导致使塑化层树脂与复合材料树脂熔化结合，冷却后形成焊接接头。
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