[發明專利]一種超快激光處理增強復合材料與金屬連接強度的方法

在審

• 申請號: 202110593988.7
• 申請日: 2021-05-28
• 公開（公告）號: CN113414496A
• 公開（公告）日: 2021-09-21
• 發明（設計）人: 黃婷;王棟;肖榮詩;徐潔潔
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: B23K26/352
• 分類號: B23K26/352;B23K26/362
• 代理公司: 北京睿派知識產權代理事務所(普通合伙) 11597
• 代理人: 劉鋒

本發明提供了一種超快激光處理增強復合材料與金屬連接強度的方法。本發明首先通過控制超快激光掃描線間距、激光功率以及掃描速度等工藝參數，以達到有效去除金屬材料氧化膜薄層的目的，然后采用超快激光在去除氧化膜后的金屬表面刻蝕出微結構，通過增加纖維增強復合材料與金屬材料實際連接面積的方式，提高了異質結構接頭的機械錨固作用，實現了連接接頭剪切強度的大幅提升。根據本發明的方法具有結構可控性強、效率高及無污染等優勢，具有較好的工業應用前景。

技術領域

本發明涉及纖維增強復合材料(FRP)與金屬材料異種材料連接，屬于先進制造技術領域。

背景技術

纖維增強復合材料(FRP)具有高比強度、耐腐蝕性良好以及耐疲勞性優異等性能，在航空航天、汽車制造等領域得到廣泛應用。金屬材料具有良好機械加工性、熱導性以及成本低等優勢。為了充分發揮兩種材料的優越性能，在飛機、汽車等大型結構件中必然涉及FRP與金屬材料的連接。

在國內外相關研究結果中，膠接和焊接是FRP與金屬材料連接較為常用的方式。但是，通過膠接和焊接得到的異質結構接頭力學性能較差，限制了工業應用的發展。接頭力學性能較差的原因主要是由于界面處異質結構實際結合面積較小，導致機械錨固作用較弱。

此外，由于鋁合金等金屬材料中含有活性元素，其表面會形成較厚的氧化膜。在FRP與金屬材料連接過程中，連接界面處金屬一側的氧化膜具有隔熱效果，不利于熱量在界面處的傳遞。現有研究主要通過機械處理以及化學清洗去除金屬表層的氧化膜。但是，機械處理難以得到控制，異質結構接頭連接界面結合效果不穩定。而化學清洗不僅工藝繁瑣，且會產生污染環境的氣體。

因此，本領域需要一種改進的纖維增強復合材料與金屬材料搭接接頭強化的方法，既能夠去除連接界面處的氧化膜，又能夠實現異質結構接頭力學性能的大幅提高。

發明內容

本發明的目的在于針對現有技術中的上述缺陷，提供一種基于超快激光預處理的FRP/金屬材料搭接接頭強化的方法，提高連接強度，改善連接效果。

本發明的技術方案如下。

本發明第一方面提供了一種超快激光處理增強復合材料與金屬連接強度的方法，包括如下步驟：

步驟S1，通過超快激光去除金屬材料連接界面處的氧化膜薄層；

步驟S2，采用超快激光在去除氧化膜后的金屬材料表面刻蝕出微結構。

優選地，所述步驟S1中的超快激光指脈沖寬度為皮秒、飛秒級別的激光。

優選地，所述步驟S2在金屬材料表面通過超快激光刻蝕出多種不同的微結構。

優選地，所述微結構中刻蝕密度為20-80％，其中所述刻蝕密度為材料去除面積與整個區域面積的比值。

本發明第二方面提供了一種異種材料連接接頭強化方法，所述異種材料包括金屬材料和纖維增強復合材料(FRP)，包括如下步驟：

步驟S1，通過超快激光去除金屬材料連接界面處的氧化膜薄層；

步驟S2，采用超快激光在去除氧化膜后的金屬材料表面刻蝕出微結構；

步驟S3，將所述金屬材料與纖維增強復合材料進行連接。

優選地，所述金屬材料為鋁合金、鈦合金、高溫合金、碳鋼，不銹鋼或鎂合金。所述纖維增強復合材料為纖維增強熱塑性或熱固性樹脂基復合材料，增強相為碳纖維、玻璃纖維或芳綸纖維。

優選地，所述連接方式包括激光連接、攪拌摩擦焊接、電阻焊接、超聲波焊接、注塑模焊、感應焊接或膠接。

通過以上技術方案，本發明能夠取得如下優點。