[發明專利]一種金屬/碳纖維增強熱塑復合材料激光連接方法

在審

• 申請號: 202010966747.8
• 申請日: 2020-09-15
• 公開（公告）號: CN112123789A
• 公開（公告）日: 2020-12-25
• 發明（設計）人: 檀財旺;蘇健暉;吳來軍;陳波;宋曉國;馮吉才
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學（威海）
• 主分類號: B29C65/16
• 分類號: B29C65/16;B29C37/00;B08B3/12;C25D11/26;C25D11/34;C25D11/30;C25D11/16;C23G1/08;C23G1/10;C23G1/12;C23G5/032;B29L7/00
• 代理公司: 哈爾濱市偉晨專利代理事務所(普通合伙) 23209
• 代理人: 陳潤明

本發明涉及一種金屬/碳纖維增強熱塑復合材料激光連接方法，屬于金屬/碳纖維增強熱塑材料加工技術領域。為解決金屬與CFRTP界面機械嵌合不明顯、化學鍵合弱的問題，本發明提供了一種金屬/碳纖維增強熱塑復合材料激光連接方法，包括在金屬基板表面制備微織構、在微織構表面原位生成微米級多孔金屬氧化物薄膜、將CFRTP板材與處理后的金屬基板待連接部位疊放固定，在一定壓力下完成激光連接獲得強化接頭。本發明通過對激光連接界面的形貌及化學狀態的調控提高熔化的CFRTP在金屬基板表面潤濕鋪展，使其填充于金屬基板表面微織構及多孔薄膜內，促進機械嵌合、增加化學鍵合形成，從而提高金屬基板與CFRTP板材激光連接的結合強度。

技術領域

本發明屬于金屬/碳纖維增強熱塑復合材料復合加工技術領域，尤其涉及一種金屬/碳纖維增強熱塑復合材料激光連接方法。

背景技術

異種輕質材料的連接作為實現輕量化的重要途徑，已廣泛應用于航空航天、軌道交通、汽車等先進制造領域。輕質合金具有較高的比強度、耐蝕性及耐熱性，在航空制造、機車行業應用前景廣闊。碳纖維增強樹脂基熱塑復合材料-CFRTP因具有較高比強度和比模量、耐沖擊等優勢已成為實現進一步輕量化的工程應用的替換材料，并應用于工程應用的主要承力部件中。實現兩種材料的連接，對實現輕量化的推動進程具有極大的優勢和應用前景。目前金屬與CFRTP的連接已經應用于航空航天以及汽車領域。這種復合結構的薄弱部分往往是碳纖復合材料與金屬連接的接頭部位，這意味著接頭的質量將直接決定著結構件的使用壽命。所以，實現碳纖維復合材料與金屬材料高質量的連接是碳纖維復合材料工程化、產業化的關鍵，也是契合輕量化發展的必然趨勢。

金屬與CFRTP的連接受限于兩者的熱物理性能，如熔點、熱導率及線膨脹系數等差異較大，難以形成高質量連接接頭。目前應用于金屬材料與熱塑復合材料的連接工藝主要有機械鉚接、膠接與焊接。機械鉚接自身增重難以達到接頭輕量化效果，膠接受限于膠液潤濕性難以完成大面積連接。焊接工藝中電阻加熱焊在接頭內部會殘存加熱元件影響接頭使用性能，超聲波焊會破壞接頭內復合材料的增強纖維結構，難以實現強度的進一步提高，攪拌摩擦焊在接頭處會出現匙孔等缺陷降低連接強度。激光焊接憑借著其非接觸、高效率、振動應力小等優勢，在金屬與CFRTP的連接上具有良好的應用前景。如申請號為201210581561.6的“一種新型激光透射焊接連接方法”的中國專利通過在金屬表面制備凹坑改變表面形貌采用激光透射連接的方法可實現塑料與金屬材料的高強度連接，但這種方法只適用于透光性較好的塑料且凹坑深度較淺，對于目前應用廣泛的帶有增強體的透光性較差的CFRTP適用性較差，且只考慮了從機械嵌合角度對接頭強化。而對于CFRTP與金屬材料的激光連接，目前應用較多的是激光熱導連接，即金屬基質置于熱塑復合材料上方，激光掃描金屬基質，將熱量由金屬基質表面傳導至金屬/熱塑復合材料連接界面，當界面溫度達到熱塑復合材料熔化區間，樹脂發生熔化，在外載荷壓力及氣泡內部高壓作用下，界面區域局部熔化的樹脂嵌入凹凸不平的金屬表面內達成連接接頭，促進界面發生機械互鎖及化學元素擴散以達成機械連接及化學鍵合。

但是，界面機械互鎖能力及化學鍵合強度影響著結合強度，進而影響連接接頭的使用性能。金屬與CFRTP的物理性能及微觀結構差異較大，且激光焊接工藝窗口較窄，僅依靠工藝優化設計無法通過機械嵌合力及化學鍵合強度的進一步提高界面連接強度。

發明內容

為解決現有激光連接金屬與CFRTP時由于界面機械嵌合不明顯、化學鍵合強度弱造成的接頭強度低的問題，本發明提供了一種金屬/碳纖維增強熱塑復合材料激光連接方法。

本發明的技術方案：

一種金屬/碳纖維增強熱塑復合材料激光連接方法，包括如下步驟：

步驟一、在去除表面油污及氧化膜的金屬基板表面利用納秒激光加工系統制備微織構；

步驟二、將步驟一所得制備微織構后的金屬基板置于微弧氧化設備內，在金屬表面微織構表面原位生成微米級多孔金屬氧化物薄膜；