汽車設(shè)計領(lǐng)域已經(jīng)越來越多地使用到多材質(zhì)結(jié)合物，例如鋼、輕量化金屬和塑料的結(jié)合，從而減輕汽車重量，并提升車輛性能。其中，纖維增強(qiáng)塑料（FRP）尤其起到了重要作用。FRP的優(yōu)勢是耐老化和耐腐蝕，同時兼具輕量化和高強(qiáng)度、硬度可根據(jù)類型及受力方向進(jìn)行選擇。多材質(zhì)結(jié)合物的生產(chǎn)需要通過連接技術(shù)，而優(yōu)質(zhì)的多材質(zhì)結(jié)合物必然要求連接技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定牢固的連接不同材質(zhì)。多材質(zhì)連接的實例在汽車內(nèi)飾制造領(lǐng)域更為常見，高端熱硬化FRP元件得到頻繁使用，F(xiàn)RP往往與低成本熱塑性塑料元件相結(jié)合，從而節(jié)約生產(chǎn)成本。在機(jī)械工程領(lǐng)域，熱塑性塑料結(jié)合于CFRP元件，作為其防磨損表層。在醫(yī)療技術(shù)領(lǐng)域，結(jié)構(gòu)更強(qiáng)的透X射線FRP與熱塑性塑料元件相結(jié)合，用來制造醫(yī)療中使用的植入體。 

        通過選擇恰當(dāng)?shù)倪B接技術(shù)，材質(zhì)的特性，例如可熔性、熔融溫度范圍和化學(xué)性能，便可發(fā)揮其重要作用。熱固性樹脂因其大分子的交叉耦合結(jié)構(gòu)，而不具可熔性，因此只有FRP與熱塑性塑料才能夠焊接在一起。熱塑性塑料和金屬的熔點溫度差異較大，這也會阻止其產(chǎn)生緊密結(jié)合。目前，多材質(zhì)連接往往通過焊接或者機(jī)械連接（例如，鉚接）來實現(xiàn)。然而，當(dāng)前的這方面工藝存在缺陷性，例如，需要清潔的長時間加工、使用黏合劑及額外等待，或者連接元件所增加的額外重量。

        FRP當(dāng)前可適用連接方法的欠缺，推動了德國埃朗根Bayerisches Laser zentrum有限責(zé)任公司和德國卡多爾茨堡的CrossLink Faserverbundtechnik有限責(zé)任公司研發(fā)出激光熱熔焊接（簡稱lbSkleben）。通過這種方法，不同輕量化材質(zhì)能夠被穩(wěn)定地互相結(jié)合在一起。加工步驟分為兩步，首先進(jìn)行表面的激光處理，隨后是激光焊接工序。從下文的示例可以更貼近觀察這種連接，特別是示例中的碳纖維增強(qiáng)熱塑性塑料（CFRP）-熱固性基材，以及熱塑性塑料-金屬連接。 

表面激光預(yù)處理 
       激光熱熔連接能夠?qū)崿F(xiàn)多材質(zhì)連接，是基于連接成分的微機(jī)械聯(lián)鎖。為了這個目的，就需要在焊接工序之前首先進(jìn)行激光表面預(yù)處理工序。CFRP經(jīng)過激光表面處理可獲得有利的表面結(jié)構(gòu)，從而在焊接時刻產(chǎn)生微機(jī)械聯(lián)鎖的結(jié)合。在這一工序中，熱固性基材（見圖1a）熔化附著在表面，而不會損害內(nèi)在的強(qiáng)化碳纖維（見圖1b）。進(jìn)行表面處理時，適合采用的是脈沖UV激光（λ = 355 nm）以及CO2激光（λ = 10,600 nm），因為塑料對這兩種射線的波長具有非常高的吸收力。由于激光束的近表面吸收，能量幾乎完全用于表層輪廓的消融。脈沖IR激光（λ = 1,064 nm）可用來使表面預(yù)處理材質(zhì)生成特殊的表面結(jié)構(gòu)（例如，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，見圖2），其目的也是為了在隨后的連接工序中充分實現(xiàn)金屬表面和塑料熔體的聯(lián)鎖。

激光熱熔焊接 
       進(jìn)行表面預(yù)處理之后，便開始激光焊接工序。與激光透射焊接的原理類似，連接材質(zhì)重疊排放，并用壓力固定位置，熱塑性塑料從而定位于預(yù)處理CFRP之上（見圖3）。位于上層的連接材質(zhì)，是在激光（二極管激光λ = 940 nm）的波長之下可透射的，將被下層連接材質(zhì)（CFRP或金屬）吸收的放射所熔化，從而為連接區(qū)域提供熱熔黏合。在壓力的作用之下，熱塑性塑料熔進(jìn)裸露的纖維區(qū)域或激光處理結(jié)構(gòu)金屬表層，并進(jìn)入表層結(jié)構(gòu)。一旦熱塑性塑料熔體固化并加負(fù)荷，微機(jī)械聯(lián)鎖便可產(chǎn)生在不同材質(zhì)層之間。

       傳統(tǒng)熱熔黏合可實現(xiàn)的拉力強(qiáng)度為10到15 MPa，激光熱熔焊接亦可實現(xiàn)近似強(qiáng)度。從樣本示例可以看出，相比之下，激光熱熔焊接的獨(dú)特優(yōu)勢在于預(yù)處理之后無須使用額外的黏合劑，這是因為熱塑性塑料成分本身提供了黏合作用。熱塑性塑料材質(zhì)的厚度由其自身對焊接中使用激光束的滲透性所限定，大體上呈幾百千分尺或者若干毫米。連接強(qiáng)度也依賴于作為連接成分的熱塑性塑料特性。聚碳酸酯（PC）和CFRP之間使用激光熱熔焊接的連接，拉伸剪切強(qiáng)度可達(dá)到約8.5 MPa，圖4展示了該連接的頂視圖。聚酰胺（PA）通常是商業(yè)用熱熔黏合的主要成分，也是優(yōu)質(zhì)的激光熱熔焊接熱塑性塑料連接成分。在激光熱熔焊接中使用非強(qiáng)化PA66，拉伸剪切強(qiáng)度可超過10 MPa。如果使用纖維強(qiáng)化熱塑性塑料，拉伸剪切強(qiáng)度高于這個值也是完全可實現(xiàn)的。

       要將輕量化金屬（例如鋁）與工程塑料（例如聚碳酸酯）連接在一起，除了使用激光，也可采用成本更低廉且使用簡易的IR射線。熱塑性塑料經(jīng)多色頻IR射線預(yù)熱，在連接區(qū)域被激光熔化。采用IR射線，經(jīng)過激光透射焊接，下層加熱引致上層熱塑性塑料連接成分在熔融狀態(tài)可保持更久，從而使得火花隙閉合得更好。IR射線也有助于降低冷卻時的連接縫隙壓力。在熱塑性塑料連接材質(zhì)中增加的寬帶IR輻射吸收，也會實現(xiàn)與低溫坡度更同質(zhì)的溫度區(qū)域。采用多色頻射線連接技術(shù)制造的PC-鋁連接，其拉伸剪切強(qiáng)度可高達(dá)18 MPa。卷首圖所展示的便是該連接的橫截面。 

結(jié)語 
       在高端材質(zhì)生產(chǎn)中，不同輕量化材質(zhì)的激光熱熔焊接彰顯了傳統(tǒng)黏合連接無可比擬的巨大優(yōu)勢與潛力，特別是在汽車構(gòu)造、機(jī)器工具和醫(yī)療分支領(lǐng)域。激光作為放射工具，可實現(xiàn)無接觸、自動化且可復(fù)制性生產(chǎn)加工。激光熱熔焊接可實現(xiàn)的強(qiáng)度也完全能夠與商業(yè)適用熱熔連接相媲美。不僅如此，激光熱熔焊接并不需要額外的黏合系統(tǒng)，而后者可能在生產(chǎn)和適用方面引起問題。雖然該工藝需要額外的激光表面預(yù)處理加工工序，但這并不會抹殺其優(yōu)勢。目前，激光熱熔焊接可用于熱硬化FRP分別與金屬和熱塑性塑料的基礎(chǔ)平面連接，在未來，該工藝也將大膽設(shè)想用于三維立體連接。(end)