文/Andreas Thoss，THOSS Media首席執(zhí)行官

金屬和聚合物連接是理想的汽車輕量化結(jié)構(gòu)。隨著汽車輕量化結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，碳纖維或玻璃纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP或GFRP）等復(fù)合材料與金屬部件的有效連接工藝問題，備受關(guān)注（見圖1）。這種不同材料之間的連接，對(duì)汽車工業(yè)中的安全性和功能部件至關(guān)重要。

圖1：帶有玻璃鋼加固支撐的車門。（圖片來源：Fraunhofer ILT）

汽車工業(yè)的要求很明確：連接過程必須快速、可靠和自動(dòng)化。表1中列出了工業(yè)過程中連接復(fù)合材料和金屬部件的三種最常見方法，其中激光焊接可能是最新的一種方法，當(dāng)然它還有很多問題有待解決。這些問題不僅涉及效率，還涉及連接部分的強(qiáng)度和老化。本文將對(duì)這些問題進(jìn)行詳細(xì)探討。

激光焊接技術(shù)基礎(chǔ)

復(fù)合材料與金屬零件的激光焊接過程主要分兩步。第一步，用激光對(duì)金屬零件進(jìn)行處理，在其表面形成微結(jié)構(gòu)。這個(gè)過程可以使用標(biāo)稱功率約1kW的連續(xù)波單模光纖激光器實(shí)現(xiàn)。激光掃描金屬零件表面，以形成具有咬邊幾何形狀的規(guī)則凹槽（見圖2）。

由于激光束的高強(qiáng)度，金屬在燒蝕過程中部分熔化和汽化。蒸發(fā)壓力噴射出材料，部分濺射的材料凝固在槽的邊緣，從而在槽上形成一定程度的咬邊結(jié)構(gòu)。為了使聚合物更多地結(jié)合在金屬表面上，可以增加表面微結(jié)構(gòu)的密度，例如，用激光束以90°角交叉掃描凹槽（見圖3）。

圖2：金屬和聚合物零件的激光連接工藝。

圖3：整個(gè)過程需要幾次掃描，直到槽具有合適的縱橫比，以獲得良好的抓合力。（圖片來源：Fraunhofer ILT）

還有一種可以實(shí)現(xiàn)這種表面結(jié)構(gòu)化的過程。這個(gè)過程可以使用超短脈沖（USP）激光來完成，以便形成帶有錐形突起的海綿狀表面結(jié)構(gòu)�？梢栽阡�、鋁、硅和鈦等多種材料上實(shí)現(xiàn)這種表面結(jié)構(gòu)。聚合物在這種表面上的結(jié)合力，甚至比在光纖激光加工的微結(jié)構(gòu)上要好。唯一的問題是USP激光器的加工速度較慢。一旦USP激光器達(dá)到千瓦級(jí)的平均功率（如另一個(gè)弗勞恩霍夫項(xiàng)目所預(yù)期的那樣^[1]），那么它們可能是用于復(fù)合材料連接的金屬表面微結(jié)構(gòu)化的更好選擇。

在將復(fù)合材料與金屬零件連接的第二步中，聚合物被加熱直到熔化。然后，將聚合物壓入金屬零件表面的微觀結(jié)構(gòu)中，待冷卻后，便實(shí)現(xiàn)了聚合物與金屬零件之間的良好連接。加熱聚合物也有不同的方法：一種方法是加熱聚合物（就像在傳統(tǒng)的注塑成型中那樣），然后將其壓入凹槽；而另一種方法是加熱金屬部件，并將其壓在冷聚合物上。熱傳導(dǎo)使聚合物熔融，然后流入金屬零件表面的微觀結(jié)構(gòu)中。這兩種方法都能形成一種聚合物金屬復(fù)合連接。

第一步的激光微結(jié)構(gòu)化是一個(gè)快速和無接觸的過程。實(shí)際的連接過程可以很好地融入現(xiàn)有的生產(chǎn)過程中，如注塑或沖壓。因此，激光焊接方法總體來說是一個(gè)快速且經(jīng)濟(jì)的過程，非常適合大規(guī)模生產(chǎn)。

機(jī)械應(yīng)力測(cè)試

在實(shí)際應(yīng)用中，由金屬和聚合物連接而成的復(fù)合零件，可能會(huì)受到多軸、同相或相移負(fù)載的影響。對(duì)于所有的應(yīng)用，都會(huì)出現(xiàn)幾個(gè)問題：這樣的接頭能承受多大的壓力？它會(huì)在哪里破裂？這對(duì)連接過程意味著什么？

德國弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所（Fraunhofer ILT）的專家們進(jìn)行了一系列的壓力測(cè)試，目的是能用不同的材料來回答這個(gè)問題（見圖4）。在一個(gè)案例中，^[2]他們制作了一個(gè)測(cè)試樣件，由1.5mm厚的不銹鋼板和3mm厚的玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯（PP）條帶組成，用于拉伸剪切測(cè)試，同時(shí)用非增強(qiáng)的PP進(jìn)行拉伸測(cè)試。

用聚焦直徑約為40μm的1kW單模光纖激光器對(duì)金屬表面進(jìn)行了處理，在金屬表面形成了可重復(fù)的咬邊槽結(jié)構(gòu)。用3kW半導(dǎo)體激光器（功率約為300～700W）加熱聚合物零件，光斑尺寸為7.5×25mm²。施加3bar的夾緊壓力使兩個(gè)零件連接在一起。拉伸剪切測(cè)試樣件（鋼+GFRP）的連接面積為150mm²，拉伸測(cè)試樣件（鋼+PP）的連接面積為100mm²。

對(duì)每種類型的五個(gè)樣件進(jìn)行了破壞性測(cè)試。在拉伸剪切載荷為13.1MPa的情況下，對(duì)400μm槽距的微結(jié)構(gòu)連接強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試；在拉伸剪切載荷為15.5MPa下對(duì)300μm槽距的連接強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量。在拉伸載荷測(cè)試中，樣件分別承受5.1MPa（400μm槽距）和9.1MPa（300μm槽距）的載荷。

顯然，密集的微觀結(jié)構(gòu)具有更好的結(jié)合力，但應(yīng)該注意的是，密集的微觀結(jié)構(gòu)會(huì)增加處理時(shí)間。研究人員對(duì)鎂合金板進(jìn)行了類似測(cè)試。^[3]所有測(cè)試結(jié)果表明，激光焊接技術(shù)能夠在金屬和聚合物零件之間建立牢固可靠的連接。

老化測(cè)試

汽車生產(chǎn)中的另一個(gè)問題是：這種連接是否能滿足氣候變化和腐蝕的要求？為了回答這個(gè)問題，研究人員進(jìn)行了幾項(xiàng)測(cè)試。他們對(duì)復(fù)合連接樣件實(shí)施了標(biāo)準(zhǔn)氣候變化循環(huán)和腐蝕測(cè)試程序。

在測(cè)試中，對(duì)由不同金屬（鋼和鋁）和不同聚合物（PP/GF30和PP/T40）形成的樣件進(jìn)行了搭接剪切力測(cè)試。金屬和聚合物之間的連接是利用激光技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。氣候變化測(cè)試根據(jù)VW PV 1200進(jìn)行，溫度在80~-40°C之間變化。

一個(gè)測(cè)試周期為12小時(shí)，重復(fù)2次、10次和30次測(cè)試周期。在氣候變化測(cè)試前后，對(duì)樣件進(jìn)行破壞性拉伸剪切強(qiáng)度測(cè)試。所有測(cè)試結(jié)果顯示，樣件能承受的壓力值在8~15MPa之間。測(cè)試中，還在連接區(qū)域之外發(fā)生了有趣的現(xiàn)象：在重復(fù)30次測(cè)試周期后，樣件的連接區(qū)域之外的部分沒能承受住強(qiáng)度測(cè)試。換言之，連接區(qū)域甚至比原來的聚丙烯材料更堅(jiān)固。

在腐蝕性測(cè)試中這種現(xiàn)象更加明顯。腐蝕性測(cè)試根據(jù)VDA 621-415進(jìn)行7天的測(cè)試。該測(cè)試包括鹽霧和高濕度條件。在測(cè)試之前，所有的樣件都能承受大約8MPa和15MPa的力。腐蝕后對(duì)樣件進(jìn)行測(cè)試，所有PP/T40材料都在連接區(qū)域外斷裂；GFRP材料在連接區(qū)域內(nèi)斷裂，但強(qiáng)度高于腐蝕前。

鋼樣件顯示出銹蝕，尤其是在微觀結(jié)構(gòu)區(qū)域。連接區(qū)域有明顯的腐蝕滲透，但這對(duì)連接強(qiáng)度沒有明顯的影響。鋁板在連接區(qū)域外的微結(jié)構(gòu)區(qū)域也顯示出腐蝕跡象，但在連接區(qū)域內(nèi)沒有。一個(gè)直接的結(jié)論是：應(yīng)該避免任何開放的微結(jié)構(gòu)區(qū)域。

測(cè)試表明，激光連接工藝可以在金屬板和塑料之間建立高度可靠的連接。標(biāo)準(zhǔn)氣候和腐蝕測(cè)試未顯示對(duì)連接強(qiáng)度有影響。經(jīng)過一段時(shí)間的老化，塑料本身而不是連接區(qū)域處斷裂。應(yīng)該避免金屬上的開放微結(jié)構(gòu)區(qū)域。

參考文獻(xiàn)

1. D. Hoffman, J. Limpert, and A. Thoss, “Ultrashort-pulsed laser sources with kilowatt power forindustrial applications,” Laser Focus World, 56, 1, 65–68 (Jan. 2020); https://bit.ly/ThoRef1.

2. K. van der Straeten, C. Engelmann, A. Olowinsky, and A. Dillner, “Comparison of laser-basedjoining approaches for plastic-metal-hybrids–strength vs. process speed,” Proc. Hybrid Mater.Struct., 203 (2018); https://bit.ly/ThoRef2.

3. C. Engelmann, C. Hopmann, and S. Wurzbacher, “Laser beam microstructuring of magnesiumsheets made of ME20 – Potentials for the in-mould assembly of plastic/magnsesiumhybridejoints,” joining Plastics, 13, 3–4, 182–189 (20