金屬和塑料焊接的應用強度討論

概述

隨著汽車輕量化的到來，對金屬和塑料的連接有著廣泛的需求。如何快速有效地連接金屬和含有增強碳纖維或玻璃纖維的塑料迫切需要解決。

為適應汽車工業的流水線作業要求。連接過程必須快速、可靠、自動化。以下是三種最常見的工業連接復合材料和金屬部件的方法。其中，基于激光的連接技術是最新的技術。這項技術還有很多問題需要解決。這些問題不僅與效率有關，還與連接強度和老化有關。本文將詳細討論這些問題。

機械連接。快速經濟，工藝穩定。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。連接器(如螺釘)增加了組件的重量。粘接劑。各種材料的連接都有廣泛的粘接劑可供選擇。缺點是表面需要預處理，粘接時間長，需要粘接劑，增加成本。激光連接。連接速度快，連接強度高，不需要輔料。缺點只適用于熱塑性塑料。

激光連接技術的基礎

熱塑性塑料與金屬零件的激光連接分為兩個步驟。第一步，用激光在金屬零件表面加工，形成微結構。這通常是由額定功率1kW的光纖激光器完成的。激光掃描表面，加工規則的凹槽和咬合結構。

由于激光束的高功率密度，金屬在腐蝕過程中部分熔化和蒸發。蒸發高壓噴射熔融材料，其中一部分凝固在凹槽邊緣，形成咬合結構。如圖3所示，可以增加凹槽分布的數量和密度，以最大限度地提高塑料在這一表面的抓力。

還有一個選擇。超短脈沖使用特殊脈沖(USP)為了形成具有錐形突起的海綿表面，激光可以實現。可以用于鋼、鋁、硅、鈦表面。塑料的連接力甚至比光纖激光加工的微結構更好。唯一的問題是USP激光器的速度太慢。

第二步，將塑料加熱熔化，然后壓入金屬表面。冷卻后，塑料與金屬連接。加熱塑料的方法有很多。一種方法是直接加熱塑料，可以通過熱板、紅外線等工藝將其壓入金屬表面的凹槽中。另一種方法是加熱金屬零件，然后壓在冷塑料上。熱傳導使塑料熔化，然后流入微小結構。

在上述第一步中，激光微加工速度快，無接觸。所以這個過程非常適合插入現有的生產過程。非常適合大規模生產。

連接強度測試

金屬與塑料的連接處在實際應用中會受到負荷。所以，這種復合連接所承受的最大壓力是什么？哪里會斷裂？

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，并回答了這些問題。測試內容之一如下:

1.5mm不銹鋼金屬板與3mm玻璃纖維PP塑料連接件進行剪切試驗；1.5mm不銹鋼金屬板與3mmPP塑料(不含玻璃纖維)連接件進行拉伸試驗。

金屬表面采用1kw單模光纖激光器進行微加工，光斑直徑約為40um。激光器在金屬表面加工出可復制的“咬邊”凹槽結構。用額定功率3kW半導體激光器加熱塑料，光斑大小為7.5mm×25毫米。用0.3Mpa的壓力夾緊兩個部件。連接結果如下：

不銹鋼Steel+含玻璃纖維PP，連接面積150mm^2不銹鋼Steel+PP，上述兩種類型的連接區域面積100mm^2進行破壞性測試。

Steel+含玻璃纖維PP的不銹鋼，剪切強度測試。最大剪切載荷為13.13.1，槽間隔為400um。Mpa；最大剪切載荷為15.5.5，當槽間隔為300um時。Mpa。Steel不銹鋼+PP，拉伸強度測試。最大拉伸載荷為5.1，當槽間隔為400um時。pa；在槽間隔300um時，最大拉伸載荷為9.1Mpa。顯然，密集的凹槽分布有助于提高連接強度。但是需要注意的是，密集的凹槽會增加微加工時間。與此同時，鎂片也進行了類似的測試。所有測試都表明，金屬和塑料零件之間基于激光的連接技術建立了強大可靠的連接。

老化測試

汽車行業產品的另一個重要問題:這種連接是否符合耐氣候變化和耐腐蝕的要求？德國霍夫激光技術研究所的專家為了回答這個問題，還進行了其他測試。

實驗中，不同的金屬(鋼和鋁)和不同的塑料（PP+通過激光連接30%玻璃纖維和PP+40%滑石粉。采用VWPV1200標準進行氣候變化試驗，溫度變化范圍為80℃~-40℃。

單個測試周期為12小時，需要重復2次、10次和30次。測試前后，樣品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15MPa之間。在測試中，還有一個有趣的現象:30個測試周期后，所有填充滑石粉的PP樣品都在連接區域外的強度測試中開裂失效。換句話說，連接器比本體PP材料更強。

類似的現象也發生在耐腐蝕試驗中。測試按VDA621-415標準進行了7天的測試。這個測試包括鹽霧和高濕度測試條件。所有樣品在測試前都能承受8-5MPa的剪切強度。在完成腐蝕測試后，進行剪切測試，所有含有滑石粉的PP樣品都會在連接區域外破裂。PP樣品含有玻璃纖維，在連接區域內斷裂，但其強度高于測試前。

不銹鋼有腐蝕現象，尤其是在微結構中。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。鋁板在連接區域外的微結構中也有腐蝕的跡象，但在連接區域內沒有腐蝕的跡象。因此，這里可以得出結論，微結構在使用時應避免在開放環境中。

總結

通過激光連接金屬和塑料，通過測試證明可以產生高強度、高可靠性的連接。氣候和腐蝕測試對連接強度沒有影響。經過一些老化，斷裂的位置是塑料體，而不是連接位置。