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。

為了適應汽車工業(yè)的流水線作業(yè)要求。連接過程必須快速、可靠和自動化。下面列出了工業(yè)上連接復合材料和金屬部件的三種最常見的方法。其中，基于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。這些問題不僅與效率有關，而且與連接強度和老化有關。本文將對這些問題進行詳細的探討。

機械連接?？焖俳?jīng)濟，過程穩(wěn)定。缺點是復合材料上的孔破壞了復合材料的纖維分布和強度。連接件（如螺絲）增加了組件重量。粘接。有廣泛可選擇的粘接劑，用于各種材料的連接。缺點是表面需要做預處理，粘接過程時間長，需要粘接劑，增加成本。激光連接?？焖倏煽浚哌B接強度，不需要輔料。缺點只適用于熱塑性塑料。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面加工形成微結構。這通常采用額定功率1 kW的光纖激光器來完成。激光器掃描表面，加工出規(guī)則的凹槽與咬邊結構（圖2）。

圖2 塑料和金屬的激光連接過程

由于激光束的高功率密度，金屬在燒蝕過程中部分熔化和蒸發(fā)。蒸發(fā)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。為了最大程度地提高塑料在這個表面上的抓力，可增加溝槽分布數(shù)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。通過使用特殊脈沖的超短脈沖(USP)激光來實現(xiàn)，以形成具有錐形突起的海綿狀表面?？稍阡?、鋁、硅和鈦表面使用。在這樣的表面上，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，然后被壓入金屬表面。冷卻后，塑料與金屬完成連接。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，然后將其壓入金屬表面凹槽。另一種方法是加熱金屬零件，然后將其壓在冷的塑料上。熱傳導使塑料熔化，然后流入微小結構中。

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(xiàn)有的生產(chǎn)過程中。非常適合大規(guī)模生產(chǎn)。

3. 連接強度測試

在實際應用中，金屬和塑料連接處會受到負載。那么，這類復合連接承受的最大壓力是多少？它會在哪里斷裂？

德國霍夫激光技術研究所的專家，對各種材料進行了一系列應力測試回答了這些問題（圖4）。其中1個測試內(nèi)容如下：

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

圖4 腐蝕測試后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面進行微加工，光斑直徑約為40um。激光在金屬表面上加工出可復制的“咬邊”凹槽結構。塑料用額定功率3kW半導體激光器加熱，光斑尺寸為7.5mm×25mm。使用0.3Mpa的壓力夾緊兩個零件。連接結果如下：

不銹鋼Steel + 含玻纖PP，連接區(qū)域面積150mm^2不銹鋼Steel + PP，連接區(qū)域面積100mm^2對以上2種類型各5個樣件進行破壞性測試。

不銹鋼Steel + 含玻纖PP，剪切強度測試。當槽間隔400um時，最大剪切載荷為13.1Mpa；當槽間隔300um時，最大剪切載荷為15.5Mpa。不銹鋼Steel + PP，拉伸強度測試。當槽間隔400um時，最大拉伸載荷為5.1pa；當槽間隔300um時，最大拉伸載荷為9.1Mpa。顯然，密集的槽分布有助于提高連接強度。但應該注意，密集的槽會增加微加工時間。同時，對鎂片也進行了類似的試驗。所有的測試都表明，基于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(yè)產(chǎn)品另一個重要問題：這種連接是否滿足耐氣候變化和耐腐蝕的要求？為了回答這個問題，德國霍夫激光技術研究所的專家還進行了另外一些測試。

在試驗中，將不同金屬（鋼和鋁）與不同塑料（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，溫度變化范圍80℃~ -40℃。

單次試驗周期是12小時，需要分別重復2次、10次、30次。試驗前后，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(xiàn)一個有趣的現(xiàn)象：在30個測試循環(huán)后，所有填充了滑石粉的PP樣件，在強度測試中都在連接區(qū)域外的位置發(fā)生開裂失效。換句話說，接頭比本體PP材料更強。

在耐腐蝕試驗中也出現(xiàn)了類似的現(xiàn)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。腐蝕試驗完成后進行剪切測試，所有含滑石粉的PP樣件，在連接區(qū)域外發(fā)生破裂。含玻璃纖維的PP樣件在連接區(qū)域處斷裂，但是其強度高于測試前。

不銹鋼出現(xiàn)了銹蝕現(xiàn)象，特別是在微結構中。激光連接區(qū)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(qū)域外微結構中也有腐蝕的跡象，但在連接區(qū)域內(nèi)部沒有。因此，這里可以得出的結論，使用時應避免微結構處在開放的環(huán)境下。

5. 總結

采用激光連接金屬和塑料的方法，經(jīng)過測試證明可以產(chǎn)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(jīng)過一些老化后，斷裂的位置是塑料本體，而非連接位置。