1.概述

通過實例證明，金屬和塑料之間能夠通過激光進行高度可靠的“焊接”。準確的說，應該是“連接“。下圖中在汽車門上用含玻纖塑料加固。

圖1 用含玻纖塑料加固的汽車門

隨著汽車輕量化的到來，金屬和塑料連接是廣泛需求的。如何快速有效的連接金屬和含有增強型碳纖維或者玻纖的塑料，該類問題迫切需要解決(jue) 。

為(wei) 了適應汽車工業(ye) 的流水線作業(ye) 要求。連接過程必須快速、可靠和自動化。下麵列出了工業(ye) 上連接複合材料和金屬部件的三種最常見的方法。其中，基於(yu) 激光的連接技術是最新的技術。這項技術還有許多問題需要解決(jue) 。這些問題不僅(jin) 與(yu) 效率有關(guan) ，而且與(yu) 連接強度和老化有關(guan) 。本文將對這些問題進行詳細的探討。

機械連接。快速經濟，過程穩定。缺點是複合材料上的孔破壞了複合材料的纖維分布和強度。連接件（如螺絲(si) ）增加了組件重量。粘接。有廣泛可選擇的粘接劑，用於(yu) 各種材料的連接。缺點是表麵需要做預處理，粘接過程時間長，需要粘接劑，增加成本。激光連接。快速可靠，高連接強度，不需要輔料。缺點隻適用於(yu) 熱塑性塑料。2. 激光連接技術基礎

熱塑性塑料和金屬零件的激光連接分2步。第1步，用激光在金屬零件表麵加工形成微結構。這通常采用額定功率1 kW的光纖激光器來完成。激光器掃描表麵，加工出規則的凹槽與(yu) 咬邊結構（圖2）。

圖2 塑料和金屬的激光連接過程

由於(yu) 激光束的高功率密度，金屬在燒蝕過程中部分熔化和蒸發。蒸發高壓將熔料噴射出來，其中一部分在凹槽邊緣凝固，形成咬邊結構。為(wei) 了最大程度地提高塑料在這個(ge) 表麵上的抓力，可增加溝槽分布數量和密度，如圖3。

圖3 需要激光束多次掃描直到溝槽形狀達

還有一種可選方案。通過使用特殊脈衝(chong) 的超短脈衝(chong) (USP)激光來實現，以形成具有錐形突起的海綿狀表麵。可在鋼、鋁、矽和鈦表麵使用。在這樣的表麵上，塑料的連接力甚至比光纖激光加工的微結構還要好。唯一的問題是USP激光器的速度太慢。

第2步，塑料被加熱到熔化，然後被壓入金屬表麵。冷卻後，塑料與(yu) 金屬完成連接。加熱塑料的方法有多種。一種方法是直接加熱塑料，可采用熱板、紅外等工藝，然後將其壓入金屬表麵凹槽。另一種方法是加熱金屬零件，然後將其壓在冷的塑料上。熱傳(chuan) 導使塑料熔化，然後流入微小結構中。

上述第1步中，激光微加工是快速和無接觸的。因此，該過程非常適合插入現有的生產(chan) 過程中。非常適合大規模生產(chan) 。

3. 連接強度測試

在實際應用中，金屬和塑料連接處會(hui) 受到負載。那麽(me) ，這類複合連接承受的最大壓力是多少？它會(hui) 在哪裏斷裂？

德國霍夫激光技術研究所的專(zhuan) 家，對各種材料進行了一係列應力測試回答了這些問題（圖4）。其中1個(ge) 測試內(nei) 容如下：

1.5mm不鏽鋼金屬板和3mm加玻纖的PP塑料連接件進行了剪切測試；1.5mm不鏽鋼金屬板和3mm的PP塑料（不含玻纖）連接件進行了拉伸測試。

圖4 腐蝕測試後金屬和塑料接頭的斷口表

使用1kw單模光纖激光器對金屬表麵進行微加工，光斑直徑約為(wei) 40um。激光在金屬表麵上加工出可複製的“咬邊”凹槽結構。塑料用額定功率3kW半導體(ti) 激光器加熱，光斑尺寸為(wei) 7.5mm×25mm。使用0.3Mpa的壓力夾緊兩(liang) 個(ge) 零件。連接結果如下：

不鏽鋼Steel + 含玻纖PP，連接區域麵積150mm^2不鏽鋼Steel + PP，連接區域麵積100mm^2對以上2種類型各5個(ge) 樣件進行破壞性測試。

不鏽鋼Steel + 含玻纖PP，剪切強度測試。當槽間隔400um時，最大剪切載荷為(wei) 13.1Mpa；當槽間隔300um時，最大剪切載荷為(wei) 15.5Mpa。不鏽鋼Steel + PP，拉伸強度測試。當槽間隔400um時，最大拉伸載荷為(wei) 5.1pa；當槽間隔300um時，最大拉伸載荷為(wei) 9.1Mpa。顯然，密集的槽分布有助於(yu) 提高連接強度。但應該注意，密集的槽會(hui) 增加微加工時間。同時，對鎂片也進行了類似的試驗。所有的測試都表明，基於(yu) 激光的連接技術在金屬和塑料部件之間建立了強大和可靠的連接。

4. 老化測試

汽車行業(ye) 產(chan) 品另一個(ge) 重要問題：這種連接是否滿足耐氣候變化和耐腐蝕的要求？為(wei) 了回答這個(ge) 問題，德國霍夫激光技術研究所的專(zhuan) 家還進行了另外一些測試。

在試驗中，將不同金屬（鋼和鋁）與(yu) 不同塑料（PP+30%玻纖和PP+40%滑石粉），通過激光連接到一起。氣候變化試驗采用VW PV 1200標準，溫度變化範圍80℃~ -40℃。

單次試驗周期是12小時，需要分別重複2次、10次、30次。試驗前後，樣件分別進行了破壞性剪切強度測試。所有的測試結果都分布在8到15 MPa之間。測試中，還出現一個(ge) 有趣的現象：在30個(ge) 測試循環後，所有填充了滑石粉的PP樣件，在強度測試中都在連接區域外的位置發生開裂失效。換句話說，接頭比本體(ti) PP材料更強。

在耐腐蝕試驗中也出現了類似的現象。試驗按照VDA 621-415標準進行了7天的測試。該試驗包含鹽霧和高濕度測試條件。在試驗前，所有樣品能夠承受8-5MPa剪切強度。腐蝕試驗完成後進行剪切測試，所有含滑石粉的PP樣件，在連接區域外發生破裂。含玻璃纖維的PP樣件在連接區域處斷裂，但是其強度高於(yu) 測試前。

不鏽鋼出現了鏽蝕現象，特別是在微結構中。激光連接區域也有明顯的腐蝕滲透，但對連接強度沒有明顯影響。鋁板在連接區域外微結構中也有腐蝕的跡象，但在連接區域內(nei) 部沒有。因此，這裏可以得出的結論，使用時應避免微結構處在開放的環境下。

5. 總結

采用激光連接金屬和塑料的方法，經過測試證明可以產(chan) 生出高強度和高可靠的連接。氣候和腐蝕測試對連接強度的無影響。經過一些老化後，斷裂的位置是塑料本體(ti) ，而非連接位置。