當前，汽車行業(ye) 的驅動因素之一是如何在不增加成本或對性能、質量和安全性等造成損害或影響的情況下製造出更輕量化的汽車。對於(yu) 座椅結構來說，這主要包括使用更薄，強度更高的鋼材，近年來混合型材料結構也得到了廣泛的研究。這一點同樣適用於(yu) 僅(jin) 金屬類的混合結構以及金屬/塑料複合材料所打造的部件結構。

    這些混合材料結構的使用會(hui) 帶來許多不同的挑戰，最明顯的是如何將具有不同化學、機械和熱性質的構成材料焊接在一起。目前用於(yu) 焊接塑料和金屬材質的最傳(chuan) 統的技術是粘合劑粘合、機械焊接、包覆成型或這些工藝的組合，此類手段都涉及大量的組裝操作，以及會(hui) 產(chan) 生設計上的限製。

    如今，在越來越多的工業(ye) 應用中，激光器已經被視作為(wei) 一種用於(yu) 直接將塑料/複合材料與(yu) 金屬進行焊接的替代型解決(jue) 方案。該方法不需要額外的液體(ti) /固體(ti) 粘合劑或組裝元件，並且與(yu) 機械接頭和複雜且昂貴的模具相比，激光器提供了很高的工藝靈活性。為(wei) 了評估這種新型激光技術的可能性，德國FaureciaAutomotiveSeating公司與(yu) 歐共體(ti) 共同資助了一個(ge) 名為(wei) PMjoin的項目。

    激光工藝步驟

    這種直接、非接觸式的激光工藝手段包括兩(liang) 個(ge) 步驟。首先，通過在該區域掃描激光並局部燒蝕材料，在金屬表麵上形成帶槽的微觀結構。凹槽可以小到幾微米寬，而通過在同一區域上多次掃描激光可以改變深度。圖1示出了兩(liang) 種不同的凹槽幾何形狀：頂部是使用連續波(CW)單模光纖激光器打造的樣式，其特征是頂部帶有小的重鑄結構的不規則橫截麵凹槽，而底部是采用一款納秒脈衝(chong) 激光器打造的樣式，特征是在頂部具有大的重鑄結構的規則凹槽形狀。

    圖1：用連續波激光器(中排位置)和納秒脈衝(chong) 激光器(底排)打造的結構化表麵(頂部)的細節。

    在該方法的第二個(ge) 步驟中，將塑料與(yu) 結構化金屬重疊配置並加熱至熔融溫度。針對對激光波長透明的塑料，激光束可以從(cong) 塑料側(ce) 端施加—激光能量通過塑料被傳(chuan) 輸到接合界麵上，在該界麵處的能量被金屬吸收。金屬逐漸升溫，且塑料的低導熱性確保了局部熱點，使塑料熔化。

    對於(yu) 對激光波長不透明的塑料來說(包括大多數汽車結構塑料/複合材料)，必須通過導電加熱金屬的方式從(cong) 金屬側(ce) 端進行加熱。當在界麵處局部產(chan) 生足夠的熱量時，塑料便會(hui) 熔化。在這兩(liang) 種情況下，良好的溫度控製對於(yu) 避免塑料過熱(導致出現毛孔)或燃燒都是至關(guan) 重要的。

    雖然導電加熱解決(jue) 方案無法發揮節能效用，但它與(yu) 創建出穩定接頭的透射加熱解決(jue) 方案一樣有效。在這項工藝中，使用連續波直接二極管激光器從(cong) 金屬側(ce) 端進行導電加熱。在導電加熱和透射加熱的工藝中，必須施加壓力以確保熱量有效地傳(chuan) 導到塑料中。一旦塑料達到熔融溫度，便受壓流入微結構中，當冷卻時，將其自身固定在金屬結構中，從(cong) 而形成機械聯鎖。

    汽車座椅設計理念

    作為(wei) PMjoin項目的一部分，Faurecia公司設計了一種以其通用的鋼製座椅結構(圖2)為(wei) 模型的概念座椅靠背結構，其中座椅靠背的兩(liang) 個(ge) 高強度鋼側(ce) 梁由PAGF30複合材料替代。靠背的上，下橫梁和斜倚組件，以及座墊和調節導軌結構則保持不變。

    在第一部分，首先研究了微結構參數對接頭機械性能的影響。為(wei) 此，布置了一套試驗設計，以生產(chan) 出具有各種凹槽圖案的簡單試件，然後對樣件開展拉伸剪切、拉力和剝離試驗。研究的參數包括重複(激光)運行次數、結構密度(凹槽之間的間距)、凹槽相對於(yu) 材料表麵的角度、凹槽結構相對於(yu) 載荷方向的定向、激光類型，以及激光功率。例如，可以使用簡單的凹槽幾何形狀來實現17N/mm2的剪切強度值，這一剪切強度值是粗糙(噴砂)處理的表麵所實現的值的2倍以上，並且是未經處理的金屬表麵值的4倍。

    如前所述，研究發現，使用不同(結構化)的激光器可以實現不同的凹槽幾何形狀。凹槽形狀的不規則性和突出材料表麵的重鑄層的尺寸(和形狀)有助於(yu) 將塑料錨定在接頭中。

    在研究的第二步中，小規模試驗的結果被轉移到概念座椅靠背結構上。每個(ge) 焊接點的機械負荷，即上下橫梁組件和複合側(ce) 梁構件之間的焊接，以及鋼斜倚組件和複合側(ce) 梁構件之間的焊接是通過對一款具有代表性的鋼結構進行有限元(FE)分析後確定的。基於(yu) 小規模試驗的結果，在每個(ge) 接合點確定了經FE計算的荷載傳(chuan) 遞所需的接合麵積。

    由於(yu) 使用了先前一個(ge) 項目中的複合側(ce) 梁構件，在焊接點處需要略微重新設計，以確保采用了新的基於(yu) 激光的技術能夠獲得足夠的焊接麵積。此外，還設計和製造了新的鋼支架以將現有的斜倚組件與(yu) 複合側(ce) 梁構件焊接起來。同時，也一並設計了適合的定位和夾緊夾具。

    測試結果

    使用在小規模試驗中確定的參數製作了一小部分概念座椅靠背結構，並進行了準靜態前衝(chong) 擊和後衝(chong) 擊試驗，以及動態前衝(chong) 擊試驗。兩(liang) 種測試類型都有助於(yu) 了解結構中的失效是如何展現的，動態衝(chong) 擊試驗顯示了現實生活究竟發生了什麽(me) 。雖然後者隻給出了一個(ge) 合格或不合格的報告，準靜態衝(chong) 擊試驗還返回了一個(ge) 定量的結果—也就是說，該結構究竟在什麽(me) 扭矩或力量狀態下會(hui) 失效。

    盡管作為(wei) 首個(ge) 測試結果來說還是較為(wei) 積極的，但觀察到的失效模式也表明設計的概念仍然過於(yu) 僵化。此外，將鋼製和複合材料部件重新設計後，以最大化其對座椅背結構性能的效用，從(cong) 而實現更先進的設計的潛力仍有待探索。無論如何，這種混合結構通過了動態衝(chong) 擊試驗。

圖2：一般的汽車座椅結構。

    這個(ge) 概念研究清楚地顯示出使用激光器將塑料直接與(yu) 金屬焊接是替代粘合劑粘合、機械焊接或包覆成型等傳(chuan) 統手段的理想解決(jue) 方案。基於(yu) 此結果，半結構式的混合組件現在便可以高效地利用這種激光焊接技術了。

    然而，在用於(yu) 結構混合組件的大批量生產(chan) 前，仍然還有一段路要走。這至少需要另外一種設計迭代，以最大限度地發揮兩(liang) 種材料和結構的機械強度工藝的潛力，以及對濕度和溫度等長期變量對性能產(chan) 生的影響進行評估。此外，還可以考慮其它用於(yu) 傳(chuan) 導加熱的替代型技術。